DE102013102556A1

DE102013102556A1 - Optoelektronisches Bauteil, Leuchtmodul und Kraftfahrzeugscheinwerfer

Info

Publication number: DE102013102556A1
Application number: DE102013102556.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Singer; Andreas Reith
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-18
Also published as: WO2014139860A1; DE112014001265A5

Abstract

Ein optoelektronisches Bauteil umfasst:
– einen flächig ausgedehnten Träger (101) mit einer ersten leitfähigen Schicht (102), einer Zwischenschicht (103), die Silizumnitrid (104) umfasst, und einer zweiten leitfähigen Schicht (105), die in einer Stapelrichtung (S) in einem Schichtstapel (106) angeordnet sind, wobei
– die erste leitfähige Schicht (102) eine erste Fläche (107) zur Auflage des Bauteils (100) auf einen Untergrund (108) aufweist,
– ein erster Bereich (110) der zweiten leitfähigen Schicht in Stapelrichtung (S) bis zu einer zur ersten Fläche (107) beabstandete erste Ebene (109) reicht,
– ein zweiter Bereich (112) der zweiten leitfähigen Schicht (105) in Stapelrichtung (S) bis zu einer zur ersten Fläche (107) weiter beabstandete zweite Ebene (111) reicht,
– mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip (113), der an dem ersten Bereich (110) der zweiten leitfähigen Schicht (105) angebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauteil, ein optoelektronisches Leuchtmodul mit einem solchen Bauteil sowie einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem solchen Bauteil.
In Leuchtmodulen für Kraftfahrzeugscheinwerfer werden häufig Aluminiumnitridkeramiken mit Metallbahnen verwendet, um eine Reihenschaltung mehrerer optoelektronischer Halbleiterchips (insbesondere LED-Chips), zu realisieren. Diese Aluminiumnitridkeramiken werden herkömmlich beispielsweise mit Metallkernleiterplatten gekoppelt, mittels derer der Aufbau mit einem Kühlkörper gekoppelt wird.
Es ist wünschenswert, ein optoelektronisches Bauteil anzugeben, das einfach und stabil ist. Es ist weiterhin wünschenswert, ein optoelektronisches Leuchtmodul anzugeben, das einfach aufgebaut ist und eine gute Entwärmung aufweist.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Bauteil und ein Leuchtmodul, das mindestens ein solches Bauteil aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein optoelektronisches Bauteil einen flächig ausgedehnten Träger mit einer ersten leitfähigen Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht. Zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht ist eine Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht umfasst Siliziumnitrid. Die Zwischenschicht umfasst insbesondere Si₃N₄. Insbesondere besteht die Zwischenschicht aus Siliziumnitrid.
Die erste leitfähige Schicht, die Zwischenschicht und die zweite leitfähige Schicht sind in einer Stapelrichtung in einem Schichtstapel angeordnet. Die erste leitfähige Schicht weist eine erste Fläche zur Auflage des Bauteils auf einen Untergrund auf. Ein erster Bereich der zweiten leitfähigen Schicht reicht bis an eine erste Ebene. Die erste Ebene ist in Stapelrichtung zur ersten Fläche beabstandet. Ein zweiter Bereich der zweiten leitfähigen Schicht reicht bis zu einer zweiten Ebene. Die zweite Ebene ist in Stapelrichtung zur ersten Ebene weiter beabstandet als die erste Ebene. An dem ersten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht ist mindestens ein optoelektronischer Halbleiterchip angebracht.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich insbesondere um eine Leuchtdiode, die zum Beispiel eine auf einem III-V-Halbleitermaterial wie GaN basierende Halbleiterschichtenfolge umfasst. Der Halbleiterchip ist insbesondere dazu eingerichtet, im Betrieb des Bauteils elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, insbesondere weißes oder farbiges Licht. Der Halbleiterchip ist auf der zweiten leitfähigen Schicht angebracht und mit der leitfähigen Schicht elektrisch verbunden. Wenn eine Mehrzahl von Halbleiterchips angeordnet ist, sind diese beispielsweise elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet.
Die erste und die zweite leitfähige Schicht sind elektrisch und/oder thermisch leitfähig. Die erste und die zweite leitfähige Schicht umfassen insbesondere Kupfer. Gemäß Ausführungsbeispiel umfassen die erste und die zweite leitfähige Schicht jeweils weitere Materialien beispielsweise Gold.
Durch die Verwendung einer Siliziumnitridkeramik als Material für die Zwischenschicht weist das optoelektronische Bauteil eine hohe Bruchfestigkeit auf. Das Bauteil weist die hohe Bruchfestigkeit insbesondere ohne weitere verstärkende Schichten wie Metallkernleiterplatten auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich, das Bauteil direkt auf einen Kühlkörper zu montieren. Insbesondere kann das Bauteil direkt auf dem Kühlkörper aufgeschraubt werden. Die leitfähigen Schichten beidseitig der Siliziumnitridschicht schützen die Siliziumnitridschicht vor zu großen mechanischen Verspannungen.
Die zweite leitfähige Schicht weist den ersten und den zweiten Bereich auf. Im ersten Bereich ist die zweite leitfähige Schicht dünner als im zweiten Bereich. Der erste Bereich dient insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Halbleiterchips. Der zweite Bereich dient insbesondere als Rahmen um den ersten Bereich. Der zweite Bereich dient insbesondere als Schutz für die Zwischenschicht. Wenn eine Schraubverbindung vorgesehen ist, dämpft die zweite leitfähige Schicht im zweiten Bereich die mechanische Belastung der Schraube auf die Zwischenschicht.
Somit ist ein einfaches und robustes optoelektronisches Bauteil realisierbar. Der thermische Widerstand ist gering. Durch die wenigen notwendigen Einzelteile ist eine hohe Automatisierbarkeit des Packages möglich. Eine kleine Abmessung des Bauteils ist möglich. Durch den Wegfall insbesondere eines Rahmens und einer Umverdrahtung und Montageebene weist das Bauteil wenig Einzelteile und damit wenig Montageprozesse auf.
Gemäß weiterer Ausführungsformen reicht der Halbleiterchip bis zu einer dritten Ebene. Die dritte Ebene liegt in Stapelrichtung zwischen der ersten und der zweiten Ebene. Somit ist es möglich, den zweiten Bereich als Shutter-Kante zu verwenden. Somit ist eine hohe Ausnutzung der Strahlung des optoelektronischen Halbleiterchips möglich.
Gemäß weiterer Ausführungsformen weist die zweite leitfähige Schicht einen quer zur Stapelrichtung über die Zwischenschicht vorspringenden Bereich auf. Der vorspringende Bereich kann insbesondere als Stecker zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils verwendet werden.
Gemäß weiterer Ausführungsformen weist der Träger eine Ausnehmung zur Befestigung des Bauteils auf dem Untergrund auf. Die Ausnehmung reicht durch die erste leitfähige Schicht, die Zwischenschicht und die zweite leitfähige Schicht. Durch die Ausnehmung ist es möglich, das optoelektronische Bauteil direkt mit dem Träger auf den Untergrund zu befestigen, beispielsweise in dem Schrauben oder andere Befestigungselemente durch die Ausnehmung geführt werden.
Die Dicke der ersten leitfähigen Schicht und/oder der zweiten leitfähigen Schicht in Stapelrichtung belegt insbesondere zwischen einschließlich 0,1 mm und 0,6 mm. Insbesondere liegt die Dicke des zweiten Bereichs der zweiten leitfähigen Schicht zwischen einschließlich 0,1 mm und 0,6 mm. Beispielsweise ist die Dicke des zweiten Bereichs der zweiten leitfähigen Schicht 0,15 mm, 0,2 mm, 0,25 mm, 0,3 mm, 0,4 mm oder 0,5 mm.
Die Zwischenschicht weist gemäß weiterer Ausführungsformen eine Bruchzähigkeit von größer als 4,0 MPa√m auf. Durch die hohe Bruchzähigkeit ist es möglich, den Träger direkt mit dem Untergrund zu koppeln, insbesondere zu verschrauben. Insbesondere weist die Zwischenschicht eine Biegefestigkeit von größer als 800 MPa auf. Beispielsweise weist die Zwischenschicht eine Biegefestigkeit von 850 MPa auf und eine Bruchzähigkeit von 5 MPa√m. Insbesondere weist die Zwischenschicht eine Bruchzähigkeit und/oder Biegefestigkeit auf, die jeweils größer als diejenige von Aluminiumnitrid ist.
Gemäß weiterer Ausführungsformen umfasst das Bauteil einen Verguss, der den mindestens einen Halbleiterchip bedeckt und quer zur Stapelrichtung zumindest stellenweise durch den zweiten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht begrenzt ist. Die zweite leitfähige Schicht dient bei der Herstellung als Begrenzung für den Verguss, so dass der Verguss im ersten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist, den mindestens einen Halbleiterchip bedeckt und nicht auf den zweiten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht fließt.
Gemäß weiterer Ausführungsformen weist das Bauteil einen Steg auf, der an dem ersten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist und mindestens bis zu der zweiten Ebene reicht, um den Verguss in eine Richtung quer zur Stapelrichtung zu begrenzen. Insbesondere ist der Steg mit dem zweiten Bereich der zweiten leitfähigen Schicht gekoppelt, so dass durch die zweite leitfähige Schicht und den Steg ein vollständiger Rahmen um den ersten Bereich gebildet ist.
Gemäß weiterer Ausführungsformen ist der Träger einteilig ausgebildet. Das Bauteil benötigt keine weitere Leiterplatte, wie beispielsweise eine Metallkernplatine, für die Umverdrahtung und elektrische Kontaktierung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein optoelektronisches Leuchtmodul einen Kühlkörper. Das Leuchtmodul umfasst ein Bauteil, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Das Bauteil ist mit der ersten leitfähigen Schicht mit dem Kühlkörper gekoppelt.
Die erste leitfähige Schicht ist gemäß Ausführungsformen mindestens stellenweise in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlkörper. Insbesondere ist zwischen der ersten leitfähigen Schicht und dem Kühlkörper kein Klebstoff, beispielsweise Klebstoff auf Silikon-Basis, angeordnet. Die erste leitfähige Schicht ist mit der ersten Fläche in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist das Bauteil mit dem Kühlkörper mittels einer Schraubverbindung gekoppelt. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist das Bauteil mit dem Kühlkörper mittels einer Kleberverbindung gekoppelt.
Es wird darüber hinaus ein Kraftfahrzeugscheinwerfer angegeben. Der Kraftfahrzeugscheinwerfer weist mindestens ein optoelektronisches Bauteil auf, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Gemäß weiterer Ausführungsformen weist der Kraftfahrzeugscheinwerfer mindestens ein optoelektronisches Leuchtmodul auf, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse zueinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Vielmehr können einzelne Bestandteile wie beispielsweise Schichten, Strukturen und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Es zeigen:
1A und 1B eine schematsche Darstellung eines optoelektronischen Bauteils beziehungsweise Leuchtmoduls gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematsche Darstellung eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer Unteransicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
4 eine schematsche Darstellung eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung einer Unteransicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
6 eine schematsche Darstellung eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
7 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
8 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
9 eine schematsche Darstellung eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
10 eine schematische Darstellung einer Rückansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
11 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
12 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform,
13A und 13B eine schematische Darstellung einer Verschraubung gemäß einer Ausführungsform,
14A bis 14C schematische Darstellungen eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform, und
15A und 15B schematische Darstellungen eines optoelektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauteils 100. Das optoelektronische Bauteil 100 weist einen Träger 101 auf, der eine erste leitfähige Schicht 102, eine Zwischenschicht 103 und eine zweite leitfähige Schicht 105 aufweist. Die erste leitfähige Schicht 102, die Zwischenschicht 103 und die zweite leitfähige Schicht 105 sind in einer Stapelrichtung S als Schichtstapel 106 aufeinander angeordnet.
Wie aus der schematischen Schnittansicht der 1B ersichtlich, weist die erste leitfähige Schicht auf der der Zwischenschicht abgewandten Seite eine erste Fläche 107 auf. Die erste Fläche 107 ist eingerichtet, auf einem Untergrund 108 angeordnet zu werden. 1B zeigt ein optoelektronisches Leuchtmodul 121, das das Bauteil 100 und einen Untergrund Kühlkörper 122 umfasst.
Die zweite leitfähige Schicht 105 ist auf einer der ersten Schicht 102 abgewandten Seite der Zwischenschicht 103 angeordnet. Die zweite leitfähige Schicht 105 weist einen ersten Bereich 110 auf. Der erste Bereich 110 reicht von der Zwischenschicht 103 bis zu einer ersten Ebene 109. Die erste Ebene 109 ist von der Zwischenschicht 103 beabstandet.
Die zweite leitfähige Schicht 105 weist einen zweiten Bereich 112 auf, der bis zu einer zweiten Ebene 111 reicht. Die zweite Ebene ist in Schichtrichtung S weiter von der Zwischenschicht 103 beabstandet als die erste Ebene 109. Die zweite leitfähige Schicht 105 weist zumindest im zweiten Bereich 112 eine Dicke 118 zwischen der Zwischenschicht 103 und der zweiten Ebene 111 auf. Die Dicke beträgt gemäß Ausführungsbeispielen zwischen einschließlich 0,1 mm und 0,6 mm. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Dicke größer als 0,6 mm.
An dem ersten Bereich 110 der zweiten leitfähigen Schicht 105 ist eine Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips 113 angeordnet.
Am ersten Bereich 110 ist zudem ein Steg 120 angeordnet. Der Steg schließt insbesondere an den zweiten Bereich 112 an, so dass der erste Bereich 110 mit den Halbleiterchips 113 von dem zweiten Bereich 112 und dem Steg 120 vollständig umgeben ist.
Die zweite leitfähige Schicht 105 ist insbesondere durch ein Ätzverfahren in mehrere Teilbereiche unterbrochen, so dass die zweite leitfähige Schicht 105 Leiterbahnen ausbildet. Eine elektrische Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen und den optoelektronischen Halbleiterchips 113 erfolgt beispielsweise durch Bonddrähte.
Gemäß Ausführungsformen sind die Halbleiterchips 113 elektrisch in Reihe geschaltet. Es ist ebenso möglich, dass die Halbleiterchips 113 einzeln oder in Gruppen einzeln ansteuerbar sind. Zum Schutz vor elektrostatischer Entladung ist gemäß Ausführungsformen eine so genannte ESD-Diode 125 vorgesehen. Gemäß weiterer Ausführungsformen wird auf die Diode 125 verzichtet.
Für eine externe elektrische Kontaktierung sind Kontaktbereiche 130 in Eckbereichen der zweiten leitfähigen Schicht 105, insbesondere im zweiten Bereich 112 vorgesehen. Die Kontaktbereiche 130 sind insbesondere jeweils als Lötpads ausgebildet.
Die Zwischenschicht 103 beinhaltet insbesondere eine Keramik, die Siliziumnitrid 104 umfasst. Beispielsweise besteht die Zwischenschicht 103 aus Siliziumnitrid. Die Zwischenschicht 103 umfasst insbesondere Si₃N₄ oder besteht aus Si₃N₄. Die Zwischenschicht 103 weist gemäß Ausführungsformen eine hohe Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit auf. Die Biegefestigkeit der Zwischenschicht ist gemäß Ausführungsformen größer als 600 MPa, insbesondere größer als 700 MPa, beispielsweise größer als 800 MPa, insbesondere 850 MPA +/– 1 %. Die Bruchzähigkeit der Zwischenschicht 103 ist insbesondere größer als 3 MPa√m, beispielsweise größer als 4 MPa√m, beispielsweise 5 MPa√m +/– 1 %. Gemäß Ausführungsformen weist die Zwischenschicht 103 ein Elastizitätsmodul von etwa 300 GPa auf. Gemäß Ausführungsformen weist die Zwischenschicht einen Härtewert von 1400 gemäß der Härteprüfung nach Vickers auf. Gemäß Ausführungsformen weist die Zwischenschicht 103 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einschließlich 2 und 3,5 × 10^–6 K^–1 auf.
Die erste leitfähige Schicht 102 und die zweite leitfähige Schicht 105 weisen jeweils gemäß Ausführungsformen ein Metall auf, das eine gute elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit aufweist. Insbesondere weisen die Schichten 102 und 105 jeweils Kupfer auf. Kupfer weist beispielsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 15 × 10^–6 K^–1 bis circa 25 × 10⁶ K^–1. Die erste und die zweite leitfähige Schicht 102, 105 weisen jeweils insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 200 W/m K auf, beispielsweise größer als 300 W/m K, insbesondere 400 W/m K oder mehr.
Die Dicke insbesondere der ersten leitfähigen Schicht 102 wird so dick gewählt, dass beispielsweise das Kupfer der ersten leitfähigen Schicht 102 die im Betrieb entstehende Wärme der Halbleiterchips 113 abführt und gleichzeitig die unterschiedliche Ausdehnung der Zwischenschicht 103 und beispielsweise den Untergrund 108 ausgleicht. Der Untergrund 108 ist beispielsweise der Kühlkörper 122 aus Aluminium oder Kupfer mit einem entsprechend großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dadurch dass die Dicke erste leitfähige Schicht 102 zwischen der Zwischenschicht 103 mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Kühlkörper 108 mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten angeordnet ist, ist eine direkte Montage des Trägers 101 auf dem Untergrund 108 möglich.
Die erste Fläche 107 der ersten leitfähigen Schicht 102 ist gemäß Ausführungsformen in direktem Kontakt mit dem Untergrund 108. Insbesondere sind keine starren Lote oder zum Beispiel mit Silber versetzte Epoxide zwischen der ersten leitfähigen Schicht 102 und dem Untergrund 108 vorgesehen. Gemäß Ausführungsformen ist kein auf einem Silikon basierender Kleber zwischen der ersten leitfähigen Schicht 102 und dem Untergrund 108 vorgesehen. Insbesondere ist kein Kleber zwischen der ersten leitfähigen Schicht 102 und dem Untergrund 108 vorgesehen der eine Schichtdicke von größer als 20 µm aufweist. Dadurch, dass gemäß Ausführungsformen die erste leitfähige Schicht 102 des Trägers 108 unmittelbar auf dem Untergrund 108 angeordnet ist, ist der thermische Widerstand zwischen dem Träger 101 und dem Untergrund 108 reduziert.
Gemäß Ausführungsformen sind die optoelektronischen Halbleiterchips 113 mit einem Verguss 119 (2) bedeckt. Der Verguss 110 bedeckt insbesondere die nach der Montage der Halbleiterchips 113 auf der zweiten leitfähigen Schicht 105 freiliegenden Seiten der Halbleiterchips 113. Der Verguss 119 bedeckt die freiliegenden Flächen der ersten leitfähigen Schicht 102 in einer Region zwischen dem zweiten Bereich 112 der zweiten leitfähigen Schicht 105 und dem Steg 120. Dadurch, dass die Halbleiterchips 113 mit einer Oberseite 114 bis zu einer dritten Ebene 115 reichen, die zwischen der ersten Ebene 109 und der zweiten Ebene 111 liegt, ist es möglich, dass der zweite Bereich 112 der zweiten leitfähigen Schicht 105 als Begrenzung für den Verguss 119 dient. Zudem dient der zweite Bereich 112 im Betrieb als sogenannte Shutter-Kante, die insbesondere bei der Verwendung als Kraftfahrzeugscheinwerfer die Trennung des ausgeleuchteten Bereichs von einem abgeschatteten Bereich festlegt. Dadurch, dass der zweite Bereich 112, der in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Halbleiterchips 113 liegt, als Shutter-Kante verwendet wird, ist eine möglichst gute Lichtausbeute des optoelektronischen Bauteils 100 möglich.
2 zeigt eine schematische Aufsicht auf das optoelektronische Bauteil 100 gemäß Ausführungsformen. Der Verguss 119 bedeckt die Halbleiterchips 113 und ist durch den zweiten Bereich 112 und den Steg 120 eingegrenzt. Die Halbleiterchips 113 sind beispielsweise über die Lötpads 126 kontaktierbar.
3 zeigt eine schematische Darstellung der der 2 gegenüberliegenden Fläche 107 des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß Ausführungsformen. Der Träger 101 weist beispielsweise eine Breite 129 von etwa 10,5 mm auf. Der Träger 101 weist beispielsweise eine Breite 130 von etwa 7 mm auf. Die Unterseite mit der Fläche 107 ist eben ausgebildet, so dass der Träger 101 mit der Fläche 107 über eine Klebeverbindung und/oder einer Klemmverbindung mit dem Untergrund 108 verbunden werden kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß weiteren Ausführungsformen. Im Unterschied zu den in den 1A bis 3 dargestellten Ausführungsformen weist der Träger 101 gemäß den Ausführungsformen der 4 zwei Ausnehmungen 117 auf. Die Ausnehmungen werden von der ersten leitfähigen Schicht 102, der Zwischenschicht 103 und der zweiten leitfähigen Schicht 105 so umgeben, dass die Ausnehmungen 117 jeweils von einer Seite des Trägers 101 bis zu der entgegen liegenden Seite des Trägers 101 insbesondere der Fläche 107 reichen. Die Ausnehmungen 117 sind beispielsweise im Randbereich 117 des Trägers 101 angeordnet. Insbesondere sind die Ausnehmungen 117 im zweiten Bereich 112 der zweiten leitfähigen Schicht 105 angeordnet.
Die Ausnehmungen sind beispielsweise durch Bohren in den Schichtstapel 106 eingebracht. Mittels der Ausnehmungen 117 ist das optoelektronische Bauteil 100 beispielsweise durch eine Schraubverbindung 123 (13A und B) mit dem Untergrund 108 koppelbar.
Die Halbleiterchips 113 sind mittels der Lötpads 126 elektrisch kontaktierbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterchips 113 einzeln ansteuerbar, es ist jedoch auch möglich, dass die Halbleiterchips 113 in Reihe geschaltet sind, oder gruppenweise angesteuert werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Unterseite des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß den Ausführungsformen der 4. Die Fläche 107 ist von Ausnehmungen 127 unterbrochen, so dass drei elektrisch und thermisch voneinander isolierte Bereiche gebildet sind. Die Ausnehmungen 117 sind jeweils auf den Seiten der Ausnehmungen 127 angeordnet, die abgewandt von dem mittleren Bereich der Fläche 107 sind. Der mittlere Bereich 107 korrespondiert mit dem Bereich der zweiten leitfähigen Schicht 105, an dem die Halbleiterchips 113 angeordnet sind.
6 zeigt das optoelektronische Bauteil 100 gemäß weiteren Ausführungsformen. Im Unterschied zu den Ausführungsformen wie in Verbindung mit den 1 bis 5 erläutert weist das optoelektronische Bauteil 100 gemäß den Ausführungsformen der 6 vorspringende Bereiche 116 der zweiten leitfähigen Schicht 105 auf. In der 6 sind die vorspringenden Bereiche 116 an einem Bauteil 100 angeordnet, das die Ausnehmungen 117 aufweist. Gemäß weiterer Ausführungsformen sind die vorspringenden Bereiche 116 an einem Bauteil ohne die Ausnehmungen 117 angeordnet, wie in Verbindung mit den 1 bis 3 erläutert.
Die vorspringenden Bereiche 116 springen quer zur Stapelrichtung S über die Zwischenschicht 103 vor. Die vorspringenden Bereiche 116 springen gemäß weiteren Ausführungsformen über die Zwischenschicht 103 und die erste leitfähige Schicht 102 vor. Die vorspringenden Bereiche 116 dienen zur elektrischen Kontaktierung des Bauteils 100. Die vorspringenden Bereiche 116 sind beispielsweise als Stecker ausgebildet. Gemäß Ausführungsformen kann auf die Lötstellen 126 verzichtet werden. Die vorspringenden Bereiche 116 sind gemäß Ausführungsformen Teil des zweiten Bereichs 112 der zweiten leitfähigen Schicht 105.
6 zeigt das Bauteil 100 vor der Montage der Halbleiterchips 113. Der erste Bereich 110 der zweiten leitfähigen Schicht 105 ist zurückversetzt in Bezug auf den zweiten Bereich 112.
7 zeigt eine schematische Detailansicht des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronischen Halbleiterchips 113 sind ohne Verguss auf dem ersten Bereich 110 der zweiten leitfähigen Schicht 105 angeordnet. Die Halbleiterchips 113 sind mit Bonddrähten elektrisch mit der zweiten leitfähigen Schicht 105 gekoppelt. Der Steg 120 begrenzt den ersten Bereich 110 in eine Richtung, insbesondere in Richtung der Lötstellen 126 beziehungsweise der vorspringenden Bereiche 116. Die Dicke der zweiten leitfähigen Schicht 105 ist im ersten Bereich 110 reduziert im Vergleich zur Dicke des zweiten Bereichs 112. Die zweite leitfähige Schicht 105 ist auf der Zwischenschicht 103 stellenweise unterbrochen, so dass Bereiche der zweiten leitfähigen Schicht 105 elektrisch und/oder thermisch voneinander isoliert sind. Somit ist es beispielsweise möglich, die Halbleiterchips 113 einzeln anzusteuern. Zudem ist es möglich, die Regionen der zweiten leitfähigen Schicht 105, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips 113 und als Begrenzung für den Verguss 119 dienen, von den Regionen zu trennen, in denen beispielsweise eine mechanische Belastung durch eine Schraubverbindung auftritt.
8 zeigt eine weitere Detailansicht des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß Ausführungsformen. Die Ausnehmungen 117 reichen durch den gesamten Schichtstapel 106. Die Ausnehmungen 117 sind von der zweiten leitfähigen Schicht 105, der Zwischenschicht 103 und der ersten leitfähigen Schicht 2 umgeben.
8 zeigt das Bauteil 100 ohne den Steg 120. Wenn kein Verguss vorgesehen ist, kann auf den Steg 120 verzichtet werden. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele wird zunächst der Bereich 110 in die zweite leitfähige Schicht 105 eingebracht, beispielsweise durch ein Ätzverfahren, und nachfolgend der Steg 120 angeordnet, so dass der Bereich in dem die Halbleiterchips 113 angeordnet sind auch auf der Seite abgeschlossen ist, auf der die zweite leitfähige Schicht 105 unterbrochen ist, um elektrische Leiterbahnen zu realisieren.
9 zeigt das optoelektronische Bauteil 100 gemäß weiterer Ausführungsformen. Auf der den Lötstellen 126 abgewandten Seite des Bereichs 112 ist die Kante zwischen dem Bereich 112 und dem ersten Bereich 110 dargestellt. Die Kante wirkt als Shutter-Kante für die nachfolgend zu montierenden Halbleiterchips 113.
10 zeigt eine schematische Aufsicht auf das optoelektronische Bauteil 100 gemäß Ausführungsformen. Beispielsweise weist der Träger 101 eine Breite 129 von etwa 22 mm auf. Beispielsweise weist der Träger 101 eine Breite 130 von etwa 7 mm auf.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Schnittansicht durch den Träger 101 quer zur Stapelrichtung S. Die Zwischenschicht 103 verläuft durchgängig. Die erste leitfähige Schicht 102 ist durch die Ausnehmungen 127 unterbrochen. Die zweite leitfähige Schicht 105 ist durch Ausnehmungen 124 unterbrochen um voneinander getrennte Bereiche zu schaffen.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Detailansicht des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß Ausführungsformen. Durch die Kupferstrukturen der ersten leitfähigen Schicht 102 und der zweiten leitfähigen Schicht 105 auf der Ober- und Unterseite der Zwischenschicht 103 aus Siliziumnitrid ist es möglich, im Betrieb eine geringe mechanische Verspannung zu realisieren. Zudem wird durch die relativ dicke Schicht 102 die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Zwischenschicht 103 und des Untergrunds 108 ausgeglichen. Die Zwischenschicht 103 aus Siliziumnitrid dient gemäß Ausführungsformen zudem als Potenzialtrennung zwischen der ersten leitfähigen Schicht 102 und der zweiten leitfähigen Schicht 105.
13A und 13B zeigen eine Detailansicht einer Schraubverbindung 123. Die Ausnehmung 117 reicht durch den gesamten Schichtstapel 106 des optoelektronischen Bauteils 100. Die Schraubverbindung 123, beispielsweise in Form einer Schraube wird durch die Ausführung 117 geführt und mit dem Untergrund 108 verschraubt. Die Schraubverbindung 123 ist insbesondere realisierbar, da als Zwischenschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet wird, die eine hohe Biegefestigkeit und Bruchfestigkeit beziehungsweise Bruchzähigkeit aufweist. Somit ist es möglich, den Träger 101 einstückig auszubilden, so dass er sowohl zur elektrischen Kontaktierung als auch als Träger für die Halbleiterchips 113 dient. Auf eine Metallkernplatine für die Umverdrahtung kann somit verzichtet werden. Zudem muss kein Kleber mit bestimmten thermischen Eigenschaften zur Befestigung auf dem Untergrund 108 verwendet werden. Die Zwischenschicht 103 aus Siliziumnitrid übernimmt gemäß Ausführungsformen die Funktionen, die herkömmlich von getrennten Bauelementen realisiert sind, beispielsweise von Keramik, Submounds und Metallkernleiterplatten.
14A bis 14B zeigen Abmessungsbeispiele für ein optoelektronisches Bauteil 100, dass über Lötstellen 126 kontaktierbar ist. Das optoelektronische Bauteil 100 weist die Breiten A und B auf, so dass eine Fläche von 140 auf 190 mm entsteht. Dies ist insbesondere die Fläche der Zwischenschicht 103. Die Dicke D der Zwischenschicht 103 ist beispielsweise 0,32 mm. Die Dicke der leitfähigen Schicht 102 und der leitfähigen Schicht 105 ist jeweils zwischen einschließlich 0,1 und 0,6 mm, beispielsweise 0,15 mm, 0,2 mm, 0,25 mm, 0,3 mm, 0,4 mm oder 0,5 mm. Der Abstand C der zweiten leitfähigen Schicht 102 vom Rand der Zwischenschicht 103 beträgt mehr als 0,5 mm. Die Breite B der zweiten leitfähigen Schicht 105 ist beispielsweise größer als 0,5 mm. Die Breite der Ausnehmungen 124 ist beispielsweise größer als 1,0 mm, insbesondere größer als 1,2 mm.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Schichtstapel 106 weitere Schichten 128 zwischen der Zwischenschicht und jeweils der ersten leitfähigen Schicht 102 und der zweiten leitfähigen Schicht 105. Die Schicht 128 umfasst beispielsweise ein Lot, so dass die leitfähigen Schichten 102 und 105 verlässlich auf der Zwischenschicht 103 haften. Der Abstand D zwischen den Bereichen der Schicht 128, die mit den Leiterbahnen korrespondieren, beträgt größer als 0,6 mm, insbesondere größer als 0,7 mm.
Die angegebenen Bemaßungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Andere Bemaßungen sind natürlich möglich. Die Toleranzen der angegebenen Bemaßungen sind für die Breiten A, B +0,2 und –0,5, für die Breite C +/– 0,5, für die Dicke D +/– 0,5 und für die Breiten E, F, G +/– 0,2, insbesondere +/– 0,3.
15A und 15B zeigen eine schematische Darstellung des optoelektronischen Bauteils 100 gemäß Ausführungsformen, bei denen die Kontaktierung der Halbleiterchips 113 mittels der vorspringenden Bereiche 116 erfolgt. Die Breite M der Leiterbahnen und vorspringenden Bereiche 116 ist beispielsweise größer als 1,9 mm, insbesondere größer als 1,2 mm. Der Abstand N zwischen den Leiterbahnen und den vorspringenden Bereichen 116 ist beispielsweise größer als 1,0 mm, insbesondere größer als 1,2 mm. Die Dicke H der zweiten leitfähigen Schicht 105 beträgt beispielsweise 0,15 mm, 0,2 mm, 0,25 mm, 0,3 mm, 0,4 mm oder 0,5 mm. Die Länge L des Bereichs, an dem die zweite leitfähige Schicht 105 mittels der Schicht 128 mit der Zwischenschicht 103 verbunden ist beträgt insbesondere mehr als 3,0 mm. Der Abstand K der Schicht 128, an dem der Teil der zweiten leitfähigen Schicht 105 mit dem vorspringenden Bereich 116 angeordnet ist, beträgt mehr als 0,2 mm. Der vorspringende Bereich 116 springt soweit vor, dass die Länge J + J‘ kleiner als 140 mm × 190 mm ist. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist J + J‘ kleiner als 120 mm × 120 mm.
Die genannten Bemaßungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Andere Größenverhältnisse sind möglich. Die Toleranz der Dicke H beträgt +/– 0,5 mm. Die Toleranz der Länge J beträgt +/– 0,5 mm. Die Toleranz der Länge K beträgt +/– 0,5 mm. Die Toleranz der Länge L beträgt +/– 0,5 mm. Die Toleranz der Breite M beträgt +/– 0,3 mm, insbesondere +/– 0,4 mm. Die Toleranz der Breite N beträgt +/– 0,3 mm, insbesondere +/– 0,4 mm.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass durch die Verwendung der Siliziumnitrid-Zwischenschicht 103 eine hohe Bruchfestigkeit realisiert ist. Dadurch ist das Bauteil 100 beziehungsweise der Träger 101 direkt auf den Kühlkörper 122 montierbar. Die dicken Kupferschichten 102 und 105 auf beiden Seiten der Zwischenschicht 103 bewirken einen Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Somit ist eine hohe Zuverlässigkeit des Bauteils möglich. Zudem sind zur Montage wenig Komponenten und Montageschritte möglich. Herkömmlich verwendete Komponenten und Montageschritte können gemäß Ausführungsformen entfallen. Beispielsweise ist keine Klebemontage der Keramikschicht auf eine Metallkernleiterplatte oder eine Drahtkontaktierung der Keramik zur Metallkernleiterplatte und eine Abdeckung der Wirebonddrähte notwendig. Somit ist das Bauteil 100 kostengünstig herstellbar. Zudem ist der thermische Widerstand des Bauteils 100 im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen reduziert, da die Metallkernplatine für die Umverdrahtung entfällt. Das Bauteil 100 ist beispielsweise mittels der Lötpads 126 oder durch die in die zweite leitfähige Schicht 105 integrierten Steckerpins 116 elektrisch kontaktierbar. Die Lötpads 126 beziehungsweise die Steckerpins 116 können sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Zwischenschicht 103 angeordnet sein. Die verschiedenen Dicken des ersten Bereichs 110 und des zweiten Bereichs 112 sind beispielsweise mittels eines Ätzprozesses in die zweite leitfähige Schicht 105 eingebracht. Die zweite leitfähige Schicht 105 ist im Bereich 110 verdünnt, in dem die Halbleiterchips 113 angeordnet werden. Der ungeätzte höhere zweite Bereich 112 ist um den ersten Bereich 110 herum angeordnet und wird beispielsweise als Rahmen verwendet. Dieser Rahmen führt insbesondere zu einem verbesserten Cut-Off-Kontrast im Betrieb, so dass die durch das Bauteil 100 ausgeleuchteten Bereiche und die nicht ausgeleuchteten Bereiche gut voneinander getrennt sind. Alternativ oder zusätzlich dient der Rahmen als Grenze für den Verguss 119. Insbesondere wird das Bauteil 100 als optoelektronisches Leuchtmodul 121 auf dem Kühlkörper 121 als Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug verwendet.

Claims

Optoelektronisches Bauteil, umfassend: – einen flächig ausgedehnten Träger (101) mit einer ersten leitfähigen Schicht (102), einer Zwischenschicht (103), die Silizumnitrid (104) umfasst, und einer zweiten leitfähigen Schicht (105), die in einer Stapelrichtung (S) in einem Schichtstapel (106) angeordnet sind, wobei – die erste leitfähige Schicht (102) eine erste Fläche (107) zur Auflage des Bauteils (100) auf einen Untergrund (108) aufweist, – ein erster Bereich (110) der zweiten leitfähigen Schicht in Stapelrichtung (S) bis zu einer zur ersten Fläche (107) beabstandete erste Ebene (109) reicht, – ein zweiter Bereich (112) der zweiten leitfähigen Schicht (105) in Stapelrichtung (S) bis zu einer zur ersten Fläche (107) weiter beabstandete zweite Ebene (111) reicht, – mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip (113), der an dem ersten Bereich (110) der zweiten leitfähigen Schicht (105) angebracht ist.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (113) mit einer der Zwischenschicht (103) abgewandten Oberseite (114) bis zu einer dritten Ebene (115) reicht, und die dritte Ebene (115) in Stapelrichtung (S) zwischen der ersten (109) und der zweiten (111) Ebene liegt.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite leitfähige Schicht (105) einen quer zur Stapelrichtung (S) über die Zwischenschicht (103) vorspringenden Bereich (116) aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Träger (101) eine Ausnehmung (117) zur Befestigung des Bauteils (100) auf dem Untergrund (108) aufweist, die durch die erste leitfähige Schicht (102), die Zwischenschicht (103) und die zweite leitfähige Schicht (105) reicht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Dicke (118) der ersten leitfähigen Schicht (102) und/oder der zweiten leitfähigen Schicht (105) in Stapelrichtung zwischen einschließlich 0,1 mm und 0,6 mm liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Zwischenschicht (103) eine Bruchzähigkeit von größer als 4,0 MPam^1/2 aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen Verguss (119), der den Halbleiterchip (113) bedeckt und quer zur Stapelrichtung (s) zumindest stellenweise durch den zweiten Bereich (112) der zweiten leitfähigen Schicht (105) begrenzt ist.
Bauteil nach Anspruch 7, umfassend einen Steg (120), der an dem ersten Bereich (110) der zweiten leitfähigen Schicht (105) angeordnet ist und mindestens bis zu der zweiten Ebene (111) reicht, um den Verguss (119) in eine Richtung quer zur Stapelrichtung (S) zu begrenzen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Träger (101) einteilig ausgebildet ist.
Optoelektronisches Leuchtmodul, umfassend: – einen Kühlkörper (122), – ein Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das mit der ersten leitfähigen Schicht (102) mit dem Kühlkörper (122) gekoppelt ist.
Leuchtmodul nach Anspruch 10, bei dem die erste leitfähige Schicht (102) mindestens stellenweise in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlkörper (122) ist.
Leuchtmodul nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Bauteil (100) mit dem Kühlkörper (122) mittels einer Schraubverbindung (123) gekoppelt ist.
Leuchtmodul nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Bauteil (100) mit dem Kühlkörper (122) mittels einer Kleberverbindung (124) und/oder Klemmverbindung gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugscheinwerfer mit mindestens einem Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.