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Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
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Die Druckschrift
DE 20 2010 017 509 U1 beschreibt einen LED-Chip in einer Ausnehmung in einem Gehäuse angeordnet ist, die von einem Optikkörper überdeckt ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 046 091 A1 beschreibt einen optoelektronischen Halbleiterchip, der dreidimensionale Strukturen zur Auskopplung oder Einkopplung von Strahlung aufweist.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 014 355 B4 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelement, bei dem durch Umformen ein Bauelementgrundkörper erzeugt wird, der nachfolgend in einen Bauelementkörper umgeformt wird. Beim Umformen wird die die optischen Abstrahleigenschaften bestimmende geometrische Gestalt des optoelektronischen Bauelements erzeugt.
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Die Druckschrift
DE 101 63 117 C1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von lichtleitenden LED-Körpern, aus einem vor dem endgültigen Erstarren fließfähigen Werkstoff, in einer Form, wobei der einzelne LED-Körper mindestens einen lichtemittierenden Chip umfasst.
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Die Druckschrift US 2010 / 0 008 628 A1 beschreibt ein Beleuchtungssystem mit einem LED-Element und einem strukturierten Wellenleiter, wobei das LED-Element in einer Ausnehmung des Wellenleiters angeordnet ist.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das eine Abstrahlcharakteristik mit einem hohen Strahlungsanteil bei großen Winkeln aufzeigt.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das Halbleiterbauteil umfasst einen oder mehrere Vergusskörper. Es ist möglich, dass der Vergusskörper die das Halbleiterbauteil mechanisch tragende und stützende Komponente bildet. In diesem Fall ist das Halbleiterbauteil ohne den Vergusskörper mechanisch nicht stabil. Der Vergusskörper ist beispielsweise durch ein Gießen, ein Pressen oder ein Spritzpressen erstellt. Bevorzugt ist der Vergusskörper undurchlässig für eine von dem Halbleiterbauteil im Betrieb emittierte Strahlung.
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Der Vergusskörper weist eine Ausnehmung auf. In Draufsicht gesehen umläuft der Vergusskörper die Ausnehmung bevorzugt ringsum. Es ist möglich, dass die Ausnehmung den Vergusskörper vollständig durchdringt.
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Das Halbleiterbauteil weist einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips auf, die zu einer Strahlungserzeugung vorgesehen sind. Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode. Weist das Halbleiterbauteil mehrere optoelektronische Halbleiterchips auf, so können diese baugleich oder auch verschieden gestaltet sein und etwa in verschiedenen Spektralbereichen emittieren. Bevorzugt emittiert zumindest einer der Halbleiterchips oder emittieren alle Halbleiterchips blaues Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge maximaler Intensität, englisch: peak wavelength, zwischen einschließlich 420 nm und 490 nm.
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Der Halbleiterchip oder die Halbleiterchips befindet/befinden sich in der Ausnehmung des Vergusskörpers. Sind mehrere Halbleiterchips vorhanden, so können alle Halbleiterchips gemeinsam in einer einzigen Ausnehmung angebracht sein oder es kann auch jeweils genau eine Ausnehmung für je einen Halbleiterchip vorgesehen sein.
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Die Halbleiterchips weisen jeweils eine Kantenlänge auf, in Draufsicht auf eine Strahlungshauptseite gesehen. Die Kantenlänge liegt beispielsweise bei mindestens 150 µm oder 500 µm oder 750 µm und/oder bei höchstens 2,5 mm oder 2 mm oder 1,5 mm. In Draufsicht gesehen weist der Halbleiterchip bevorzugt eine quadratische oder rechteckige Grundform und/oder Strahlungshauptseite auf.
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Das Halbleiterbauteil weist eine oder mehrere Optikplatten auf. Die mindestens eine Optikplatte deckt die Ausnehmung vollständig oder zum Teil ab. Die Optikplatte ist dem Halbleiterchip entlang einer Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Die Optikplatte ist durchlässig für zumindest einen Teil der von dem Halbleiterbauteil im Betrieb erzeugten Strahlung. Insbesondere ist es möglich, dass die gesamte das Halbleiterbauteil verlassende und im Betrieb erzeugte Strahlung vor einem Austreten aus dem Halbleiterbauteil die Optikplatte durchläuft.
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Die Optikplatte weist an einer dem Halbleiterchip abgewandten Oberseite eine Vielzahl von Strukturelementen auf. Bei den Strukturelementen handelt es sich etwa um Löcher oder Senken an der Oberseite und/oder um Erhebungen an der Oberseite. Die Strukturelemente können aus einem Basiskörper für die Optikplatte heraus geformt sein oder auf einem Basiskörper aufgebracht sein, etwa durch ein Drucken oder Bedampfen. Die Strukturelemente und der Basiskörper der Optikplatte können aus demselben Material oder aus voneinander verschiedenen Materialien bestehen.
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Die Optikplatte weist, in Draufsicht gesehen, einen Durchmesser auf, der mindestens dem 1,5-Fachen oder mindestens dem Doppelten der Kantenlänge des Halbleiterchips entspricht. Alternativ oder zusätzlich liegt der Durchmesser der Optikplatte bei höchstens dem 15-Fachen oder Zehnfachen oder Siebenfachen der Kantenlänge.
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Die Optikplatte weist eine Dicke oder eine mittlere Dicke auf, die mindestens ein 0,1-Faches oder 0,25-Faches und/oder höchstens ein 1,5-Faches des Durchmessers der Optikplatte beträgt. Mit anderen Worten ist die Optikplatte, im Vergleich zum Durchmesser, relativ dick. Insbesondere ist die Optikplatte mechanisch selbsttragend und separat von den weiteren Komponenten des Halbleiterbauteils hergestellt.
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Die Optikplatte überdeckt, in Draufsicht gesehen, die Strahlungshauptseite vollständig. Die Optikplatte ist hierbei bevorzugt frei von Aussparungen, die die Optikplatte vollständig durchdringen. In Draufsicht gesehen ist der Halbleiterchip dann nur durch ein Material der Optikplatte hindurch sichtbar oder zugänglich.
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Das optoelektronische Halbleiterbauteil umfasst einen Vergusskörper mit zumindest einer Ausnehmung. Mindestens ein optoelektronischer Halbleiterchip ist zur Strahlungserzeugung eingerichtet und befindet sich in der Ausnehmung. Der Halbleiterchip weist eine Strahlungshauptseite mit einer Kantenlänge auf. Mindestens eine Optikplatte, die die Ausnehmung abdeckt, ist dem Halbleiterchip entlang einer Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Die Optikplatte weist an einer dem Halbleiterchip abgewandten Oberseite eine Vielzahl von Strukturelementen auf. Die Optikplatte weist einen Durchmesser auf, der mindestens ein 1,5-Faches der Kantenlänge des Halbleiterchips beträgt. Eine Dicke der Optikplatte liegt bei mindestens dem 0,1-Fachen und höchstens dem 1,5-Fachen des Durchmessers der Optikplatte. Es überdeckt die Optikplatte die Strahlungshauptseite vollständig, in Draufsicht gesehen.
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Für verschiedene Anwendungen wie Allgemeinbeleuchtung, Display-Hinterleuchtung oder auch Straßenbeleuchtung werden Lichtquellen mit einer vergleichsweise breiten Abstrahlcharakteristik benötigt. Eine Halbwertswinkelbreite der Lichtstärkeverteilung liegt dann insbesondere bei mindestens 120°. Bevorzugt weist die Abstrahlcharakteristik ein Lichtstärkemaximum bei großen Winkeln auf, also speziell in einem Winkelbereich zwischen 60° und 70°. Eine solche Abstrahlcharakteristik ist mit einem hier beschriebenen Halbleiterbauteil erzielbar.
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Eine andere Möglichkeit, eine solche Abstrahlcharakteristik zu erzielen, ist durch speziell geformte Linsen gegeben, die in einem Zentralbereich konkav und in einem Randbereich konvex gekrümmt sind. Solche Linsen sind jedoch in der Regel vergleichsweise groß und weisen eine Höhe typisch zwischen 2 mm und 6 mm und einen Durchmesser von ungefähr 15 mm auf. Ferner ist die Montage einer solchen Linse relativ aufwändig und daher kostenintensiv. Solche Linsen können aufgesetzt werden oder auf den Halbleiterchip unmittelbar aufgespritzt sein.
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Bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil ist eine solche Linse durch die Optikplatte ersetzt. Bei der Optikplatte handelt es sich um eine Platte mit im Mittel planparallelen Hauptseiten. Die Optikplatte ist, im Vergleich zu einer Linse, relativ dünn und weist laterale Abmessungen auf, die in der Größenordnung des Halbleiterchips liegen. Durch die Ausgestaltung und die Anordnung der Strukturelemente ist eine Platz sparende Optikplatte realisierbar, mit der die gewünschte Abstrahlcharakteristik mit einem Intensitätsmaximum in der Lichtstärkeverteilung bei Winkeln > 50° erreichbar ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wirken die Strukturelemente refraktiv und/oder reflektierend. Die Strukturelemente stellen jedoch kein abbildendes optisches Element dar und die Optikplatte weist keine Brennweite auf, anders als dies für Sammellinsen und auch Streulinsen der Fall ist. Ebenso bilden die Strukturelemente keine optisch zusammenhängende Struktur, anders als dies bei einer Fresnel-Linse der Fall ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Optikplatte nicht um eine Linse.
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Die Optikplatte weist erste Strukturelemente auf. Die ersten Strukturelemente wirken reflektierend auf im Halbleiterbauteil erzeugte Strahlung. Es ist möglich, dass die ersten Strukturelemente zusätzlich Licht streuend wirken, primär ist die Funktion der ersten Strukturelemente jedoch eine Strahlungsreflexion.
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Die Optikplatte weist zweite Strukturelemente auf. Die zweiten Strukturelemente wirken refraktiv und somit Licht streuend. Eine reflektierende Wirkung der zweiten Strukturelemente ist bevorzugt nur untergeordnet. Insbesondere sind die zweiten Strukturelemente durch eine Oberflächenstrukturierung der Optikplatte realisiert.
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Die ersten Strukturelemente sind in einem Zentralbereich der Oberseite der Optikplatte angebracht. Der Zentralbereich ist beispielsweise kreisrund gestaltet. In Draufsicht gesehen überdeckt der Zentralbereich die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips bevorzugt vollständig und lückenlos.
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Die zweiten Strukturelemente sind in einem Randbereich der Oberseite der Optikplatte angebracht. Der Randbereich umläuft, in Draufsicht gesehen, den Zentralbereich ringsum. Der Randbereich bildet bevorzugt eine einzige, zusammenhängende Fläche. Der Zentralbereich und der Randbereich können unmittelbar aneinander grenzen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten Strukturelemente durch reflektierend wirkende Partikel gebildet. Diese Partikel sind bevorzugt in ein Matrixmaterial eingebettet. Ein Brechungsindexunterschied zwischen den reflektierend wirkenden Partikeln und dem Matrixmaterial liegt bevorzugt bei mindestens 0,2 oder 0,4 oder 0,5. Die reflektierende Wirkung der ersten Strukturelemente kommt insbesondere durch den Brechungsindexsprung hin zum Matrixmaterial und/oder zu einem Basiskörper der Optikplatte zustande.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Partikel, die die ersten Strukturelemente bilden, in dem Zentralbereich gleichmäßig und/oder statistisch in dem Matrixmaterial verteilt. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die ersten Strukturelemente regelmäßig angeordnet sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die zweiten Strukturelemente durch Löcher oder durch Erhebungen an der Oberseite gebildet. Die Löcher oder die Erhebungen sind etwa aus dem Basiskörper der Optikplatte heraus geformt. An den zweiten Strukturelementen liegt bevorzugt nur genau ein Brechungsindexsprung vor, nämlich zwischen der Optikplatte und einer Umgebung der Optikplatte an einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optikplatte in dem Zentralbereich eine mittlere Reflektivität für in dem Halbleiterbauteil erzeugte Strahlung von mindestens 40 % oder 50 % oder 60 % und/oder von höchstens 90 % oder 85 % oder 75 % auf. Alternativ oder zusätzlich liegt ein Transmissionsvermögen in dem Zentralbereich für die im Halbleiterbauteil erzeugte Strahlung bei mindestens 15 % oder 20 % oder 30 % und/oder bei höchstens 80 % oder 70 % oder 60 %. Mit anderen Worten ist der Zentralbereich vergleichsweise lichtundurchlässig. In dem Randbereich hingegen ist die Reflektivität bevorzugt nur gering und liegt zum Beispiel bei höchstens 20 %. Ein Transmissionsvermögen in dem Randbereich ist bevorzugt hoch und liegt zum Beispiel bei mindestens 80 % oder 90 %.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Halbleiterchip in der Ausnehmung formschlüssig an dem Vergusskörper an. Beispielsweise ist der Vergusskörper an den Halbleiterchip angeformt. Zwischen Chipseitenflächen des Halbleiterchips und dem Vergusskörper ist dann kein weiteres Material, die Chipseitenflächen berühren den Vergusskörper und grenzen direkt an den Vergusskörper an. Es ist möglich, dass die Chipseitenflächen ganzflächig direkt an dem Vergusskörper anliegen und vollständig von einem Material des Vergusskörpers bedeckt sind. Die Strahlungshauptseite ist bevorzugt frei von einem Material des Vergusskörpers.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Halbleiterchip und der Optikplatte ein Konversionselement. Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, einen Teil oder die gesamte der vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Bei dem Konversionselement handelt es sich beispielsweise um ein Keramikplättchen oder um ein Silikonplättchen, dem ein oder mehrere Leuchtstoffe beigegeben sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement unmittelbar auf die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angebracht. Unmittelbar kann bedeuten, dass sich das Konversionselement und der Halbleiterchip berühren oder dass sich zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement lediglich ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Konversionselements an dem Halbleiterchip befindet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht das Konversionselement in unmittelbarem Kontakt zu der Optikplatte. Es berühren sich dann die Optikplatte und das Konversionselement oder es befindet sich zwischen diesen lediglich ein Verbindungsmittel wie ein Kleber.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt das Konversionselement in einer lateralen Richtung, also in Richtung parallel zur Strahlungshauptseite, an den Vergusskörper an. Der Vergusskörper und das Konversionselement berühren sich dann an Seitenflächen des Konversionselements. Insbesondere reicht der Vergusskörper entlang der Hauptabstrahlrichtung mindestens bis an eine dem Halbleiterchip abgewandte Seite des Konversionselements.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Optikplatte direkt auf dem Vergusskörper auf, sodass sich der Vergusskörper und die Optikplatte berühren oder sodass sich zwischen diesen nur ein Verbindungsmittel befindet. Bevorzugt liegt die Optikplatte, in Draufsicht gesehen, ringsum um den Halbleiterchip herum auf dem Vergusskörper auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Optikplatte, in Draufsicht gesehen, eine runde, insbesondere eine kreisrunde Platte. Alternativ ist es möglich, dass die Optikplatte eine quadratische oder rechteckige Grundform aufweist, wobei ein optisch wirksamer Bereich der Optikplatte dann bevorzugt rotationssymmetrisch geformt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optikplatte eine Symmetrieachse auf. Weiterhin weist bevorzugt die Strahlungshauptseite eine Symmetrieachse auf, wobei elektrische Verbindungsmittel zum Bestromen des Halbleiterchips bei der Bestimmung der Symmetrieachse außen vor bleiben können. Es verlaufen die Symmetrieachsen der Optikplatte und der Strahlungshauptseite, die in Richtung senkrecht zur Strahlungshauptseite orientiert sind, bevorzugt deckungsgleich, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % der Kantenlänge des Halbleiterchips.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Strukturelemente der Optikplatte rotationssymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse der Optikplatte angeordnet. Die Strukturelemente sind dann etwa entlang von Kreisen um einen Durchstoßpunkt der Symmetrieachse durch die Oberseite der Optikplatte herum angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Flächendichte der Strukturelemente an der Oberseite der Optikplatte in Richtung weg von der Symmetrieachse, also nach außen hin, ab. Die Abnahme ist bevorzugt monoton oder streng monoton. Es folgt die Abnahme einer 1/x-Abhängigkeit oder einer e-x-Abhängigkeit. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Strukturelemente an der Oberseite gleichmäßig verteilt sind, wobei dies für die gesamte Oberseite oder den Zentralbereich und/oder den Randbereich gelten kann. So ist es möglich, dass die Strukturelemente etwa in dem Zentralbereich gleichmäßig verteilt sind und in dem Randbereich eine Dichte nach außen hin abnimmt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Strukturelemente regelmäßig angeordnet. Dies ist beispielsweise durch ein Stempelverfahren oder ein Druckverfahren beim Herstellen der Strukturelemente realisierbar. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente wenigstens zum Teil statistisch und/oder unregelmäßig an der Oberseite angeordnet sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Strukturelemente jeweils eine gleiche Querschnittsform auf, in Richtung senkrecht zur Strahlungshauptseite. Beispielsweise haben die Strukturelemente eine dreieckige Querschnittsform und sind als Kegel, Pyramiden oder Prismen gestaltet. Ebenso ist es möglich, dass die Strukturelemente im Querschnitt trapezförmig geformt sind und etwa durch Pyramidenstümpfe oder Kegelstümpfe realisiert sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen Begrenzungsflächen der Strukturelemente einen Winkel zu einer durch die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips definierten Ebene auf, der bei mindestens 50° oder 60° oder 65° und/oder bei höchstens 80° oder 75° oder 70° liegt. Es ist möglich, dass die Strukturelemente, im Querschnitt gesehen, jeweils eine Symmetrieachse aufweisen, die senkrecht zur Strahlungshauptseite orientiert ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberseite der Optikplatte eine Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterbauteils. Mit anderen Worten bildet dann die Optikplatte gleichzeitig auch eine Abdeckplatte des Halbleiterbauteils.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine dem Halbleiterchip zugewandte Unterseite der Optikplatte eben und/oder glatt geformt und somit frei von Strukturelementen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und der Vergusskörper auf einer Trägeroberseite eines Trägers angebracht. Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder um einen Leiterrahmen. Bei dem Träger kann es sich um die das Halbleiterbauteil mechanisch tragende Komponente handeln. Es ist möglich, dass der Träger elektrische Leiterbahnen zum Anschließen des Halbleiterchips aufweist. Alternativ ist es möglich, dass in oder an dem Vergusskörper Leiterbahnen angebracht sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Matrixmaterial für die ersten Strukturelemente um ein Silikon, ein Epoxid oder ein Silikon-Epoxid-Hybrid-Material. Die ersten Strukturelemente sind dann bevorzugt aus einem Metalloxid wie Titandioxid oder Aluminiumoxid gestaltet. Ein Brechungsindexunterschied zwischen einem Material der Strukturelemente und dem Matrixmaterial liegt bevorzugt bei mindestens 0,2. Eine Dicke des Matrixmaterials kann bei mindestens 0,25 mm oder 0,4 mm und/oder bei höchstens 2 mm oder 1,5 mm oder 1,0 mm liegen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Zentralbereich einen Durchmesser auf, der bei mindestens dem 1,6-Fachen oder 1,8-Fachen und/oder bei höchstens dem 3,5-Fachen oder 2,5-Fachen der Kantenlänge des Halbleiterchips liegt. Ist der Zentralbereich in Draufsicht nicht kreisförmig gestaltet, so ist anstelle des Durchmessers ein mittlerer Durchmesser heranzuziehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Durchmesser oder ein mittlerer Durchmesser der Optikplatte bei mindestens dem Fünffachen oder Siebenfachen und/oder bei höchstens dem 15-Fachen oder Zwölffachen oder Zehnfachen der Kantenlänge des Halbleiterchips. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Optikplatte bei mindestens dem 1,4-Fachen oder 1,6-Fachen oder 1,8-Fachen und/oder höchstens dem 3,0-Fachen oder 2,5-Fachen oder 2,0-Fachen der Kantenlänge des Halbleiterchips.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Strukturelemente oder die ersten Strukturelemente einen mittleren Durchmesser oder eine mittlere Kantenlänge von mindestens 250 nm oder 400 nm und/oder von höchstens 5 µm oder 2 µm oder 1 µm auf. Bei dem mittleren Durchmesser kann es sich um eine mittlere Größe der die ersten Strukturelemente darstellenden Partikel handeln.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Strukturelemente oder die zweiten Strukturelemente, in Draufsicht gesehen, an der Oberseite der Optikplatte eine mittlere Kantenlänge von mindestens 0,5 µm oder 0,75 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 3 µm oder 1,5 µm auf. Es ist möglich, dass die ersten und/oder die zweiten Strukturelemente oder die Strukturelemente an der Oberseite dicht gepackt vorliegen, sodass die Oberseite zu mindestens 80 % oder 90 % oder 98 % von den entsprechenden Strukturelementen bedeckt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Strukturelemente eine mittlere Größe von mindestens 0,3 µm oder 0,5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere Strukturgröße bei höchstens 10 µm oder 5 µm oder 3 µm. Die genannten Werte gelten insbesondere in Draufsicht auf die Oberseite der Optikplatte gesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Optikplatte und/oder sind die Strukturelemente oder die zweiten Strukturelemente aus einem klarsichtigen und strahlungsdurchlässigen Material geformt. Beispielsweise sind die Optikplatte und/oder die Strukturelemente aus einem Glas, einem Polycarbonat, einem Polyacrylat, einem Polymethylmethacrylat, einem Silikon oder einem Epoxid geformt oder weisen eines oder mehrere dieser Materialien auf.
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Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Es zeigen:
- 1 bis 7 schematische Schnittdarstellungen und schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
- 8 eine schematische Darstellung einer Intensität in Abhängigkeit von einem Abstrahlwinkel.
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In 1A ist eine schematische Schnittdarstellung und in 1B eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Das Halbleiterbauteil 1 weist einen Träger 2 mit einer Trägeroberseite 20 auf. Auf dem Träger 2 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 3, etwa eine LED, angebracht. Eine Strahlungshauptseite 30 des Halbleiterchips 3 ist dem Träger 2 abgewandt. Auf der Strahlungshauptseite 30 ist ein Konversionselement 6 zur zumindest teilweisen Strahlungsumwandlung aufgebracht. Durch die Kombination aus dem Halbleiterchip 3 und dem Konversionselement 6 ist beispielsweise weißes Licht erzeugbar.
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Der Halbleiterchip 3 sowie das Konversionselement 6 befinden sich vollständig in einer Ausnehmung 43 eines Vergusskörpers 4. Der Vergusskörper 4 ist insbesondere nach der Montage des Halbleiterchips 3 und des Konversionselements 5 erzeugt. Es schließt der Vergusskörper 4 bevorzugt bündig mit einer dem Halbleiterchip 3 abgewandten Oberseite des Konversionselements 6 ab, entlang einer Hauptabstrahlrichtung M des Halbleiterchips 3. Der Vergusskörper 4 berührt ganzflächig Chipseitenflächen 35 des Halbleiterchips 3. Die Ausnehmung 43 sowie der Halbleiterchip 3 weisen eine Kantenlänge L auf. Die Hauptabstrahlrichtung M ist diejenige Richtung, entlang der der Halbleiterchip 3 die größte Intensität emittiert. Insbesondere ist die Hauptabstrahlrichtung M senkrecht zur Strahlungshauptseite 30 orientiert.
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Auf dem Konversionselement 6 sowie dem Vergusskörper 4 ist eine Optikplatte 5 angebracht. Die Optikplatte 5 überdeckt den Halbleiterchip 3 vollständig, in Draufsicht gesehen. Es weist die Optikplatte 5 einen Zentralbereich C sowie einen Randbereich E auf, der den Zentralbereich C ringsum und vollständig umgibt. Eine Dicke der Optikplatte 5 liegt bevorzugt bei höchstens 1 mm oder bei höchstens 0,25 mm.
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Die Optikplatte 5 weist eine glatte Unterseite 53 und eine dem Halbleiterchip 3 abgewandte Oberseite 50 auf. An der Oberseite 50 sind in dem Zentralbereich C erste Strukturelemente 55a angebracht. Die ersten Strukturelemente 55a sind durch Titandioxidpartikel mit einem mittleren Durchmesser von 500 nm gebildet, die zu einem Volumenanteil von 40 % in eine Silikonmatrix mit einem Brechungsindex von 1,4 eingebracht sind. Die Schicht mit den ersten Strukturelementen 55a weist eine Dicke von 0,5 mm auf und einen Durchmesser, der dem 2,1-Fachen der Kantenlänge L des Halbleiterchips entspricht. Das Matrixmaterial mit den ersten Strukturelementen 55a ist auf einen Basiskörper der Optikplatte 5 aufgebracht.
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In dem Randbereich E sind zweite Strukturelemente 55b angebracht. Die zweiten Strukturelemente 55b sind durch Pyramiden gebildet, die an der Oberseite 50 geformt sind. Diese Pyramiden sind aus demselben Material gebildet wie der Basiskörper der Optikplatte 5 und aus diesem Basiskörper heraus erzeugt, etwa über ein Nanodruckverfahren oder ein Prägeverfahren. Seitenflächen dieser Pyramiden weisen einen Winkel zwischen einschließlich 60° und 80°, insbesondere ungefähr 70°, zu der Strahlungshauptseite 30 auf. Spitzen der Pyramiden sind in einem Abstand von 1 µm zueinander angeordnet und die Pyramiden weisen in Draufsicht gesehen eine Kantenlänge von 1 µm auf, sodass die zweiten Strukturelemente 55b dicht an der Oberseite 50 in dem Randbereich E angeordnet sind. Ein Material des Grundkörpers der Optikplatte 5 ist beispielsweise ein Kunststoff oder ein Glas mit einem Brechungsindex von 1,5. Die Optikplatte weist einen Durchmesser D auf, der dem Zehnfachen der Kantenlänge L entspricht. Eine Dicke H der Optikplatte 5 liegt beim Doppelten der Kantenlänge L. Die Kantenlänge L liegt beispielsweise bei 1 mm.
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Die in den vorhergehenden Absätzen genannten Zahlenwerte zu der Optikplatte 5 und zu den Strukturelementen 55a, 55b gelten bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 50 % oder 25 % oder 10 %.
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Anders als in 1B dargestellt ist es möglich, dass das gesamte Halbleiterbauteil 1 eine kreisrunde Form aufweist. Ebenso ist es möglich, dass die Optikplatte 5 eine quadratische oder rechteckige Grundform aufweist und deckungsgleich zu dem Vergusskörper 4 und/oder zu dem Träger 2 ausgestaltet ist. Hierbei ist der Zentralbereich C weiterhin bevorzugt rotationssymmetrisch und kreisförmig, in Draufsicht gesehen, ausgeformt.
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Bei dem Halbleiterbauteil 1 kann es sich um ein so genanntes QFN-Bauteil, Quad Flad No leads, handeln. Insbesondere ist das Halbleiterbauteil 1 oberflächenmontierbar. Zu einer Vereinfachung der Darstellung sind elektrische Anschlusseinrichtungen wie Leiterbahnen, Durchkontaktierungen oder Bonddrähte jeweils nicht gezeichnet. Ebenfalls zur Vereinfachung der Darstellung weist das illustrierte Halbleiterbauteil 1 nur einen Halbleiterchip 3 auf, ebenso können aber auch mehrere der Halbleiterchips 3 vorhanden sein. Auch ist es möglich, dass zusätzliche Halbleiterchips etwa zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen vorhanden sind. Solche weiteren Halbleiterchips sind nicht dargestellt.
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In 8 ist für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 schematisch eine Intensität I in willkürlichen Einheiten, kurz a. u., gegenüber einem Abstrahlwinkel α aufgetragen. Eine maximale Intensität I wird emittiert bei einem Winkel von ungefähr 75°. In einem Winkelbereich von ungefähr 0° bis 60° ist die Intensität I näherungsweise konstant. Geringe Strahlungsanteile erfahren auch eine Rückstreuung und werden bei Winkeln > 90° emittiert.
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In 2 ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass Symmetrieachsen S des Halbleiterchips 3 und der Optikplatte 5 aufeinanderfallen. Die Symmetrieachsen S sind bevorzugt parallel zur Hauptabstrahlrichtung M orientiert.
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Anders als gemäß 1 weist das Halbleiterbauteil 1, wie in 2 dargestellt, nur eine einzige Art von Strukturelementen 55 auf, die auf der Oberseite 50 der Optikplatte 5 etwa aufgedruckt oder aufgedampft sind. Bei den Strukturelementen 55 kann es sich um einzelne Punkte oder kreisförmige Bahnen handeln. Die Strukturelemente 55 sind etwa aufgedruckte Punkte mit einem Material mit einem Brechungsindex, der von einem Brechungsindex der restlichen Bestandteile der Optikplatte 5 verschieden ist.
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Optional ist es möglich, dass die Strukturelemente 55 ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Streupartikeln und/oder reflektierenden Partikeln aufweisen. In Richtung weg von der Symmetrieachse S nimmt eine Flächendichte an der Oberseite 50 der Strukturelemente 55 ab. Bevorzugt sind die Strukturelemente 55 direkt über der Strahlungshauptseite 30 dicht gepackt und nehmen in einer Dichte erst in einem Randbereich ab.
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Gemäß 3 sind die Strukturelemente 55 alle gleich geformt und durch Ausnehmungen oder Löcher an der Oberseite 50 realisiert. Die Strukturelemente 55 sind im Querschnitt gesehen dreieckig geformt.
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In 4 ist dargestellt, dass die Strukturelemente 55 durch im Querschnitt gesehen halbkreisförmige Erhebungen gebildet sind. Optional ist es möglich, dass nach außen hin, in Richtung weg von der Symmetrieachse S, eine Flächendichte der Strukturelemente 55 abnimmt und/oder eine Größe der Strukturelemente 55 zunimmt.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Strukturelemente 55 durch Löcher oder Ausnehmungen gebildet. Eine Größe der Strukturelemente 55 kann in Richtung weg von der Symmetrieachse S auch abnehmen, anders als gezeichnet. Es ist nicht erforderlich, dass die Strukturelemente 55 im Querschnitt gesehen eine Symmetrieachse aufweisen, die parallel zu der Symmetrieachse S der Optikplatte 5 orientiert ist. Beispielsweise weisen der Symmetrieachse S zugewandte Begrenzungsflächen der Strukturelemente 55 einen kleineren oder auch einen größeren Winkel zur Unterseite 53 auf als der Symmetrieachse S abgewandte Begrenzungsflächen.
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In 6 sind Draufsichten auf Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Gemäß 6A sind die Strukturelemente 55 durch ringförmige Strukturen gebildet, die in Richtung weg von der Symmetrieachse S zueinander einen zunehmenden Abstand aufweisen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 6B sind die Strukturelemente 55 statistisch verteilt und unregelmäßig angeordnet. Eine Schraffurdichte an der Oberseite 50 symbolisiert eine Dichte der Strukturelemente 55. Eine Flächendichte der Strukturelemente 55 an der Oberseite 50 nimmt nach außen hin stufenförmig ab. Anders als dargestellt kann die Flächendichte der Strukturelemente 55 auch kontinuierlich nach außen hin abnehmen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind die ersten Strukturelemente 55a durch reflektierende Partikel an der Oberseite 50 gebildet. Die zweiten Strukturelemente 55b sind durch Ausnehmungen oder Einkerbungen an der Oberfläche 50 realisiert. Anders als dargestellt kann die Flächendichte der zweiten Strukturelemente 55b im Randbereich E konstant sein.
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Die in den 3, 4, 5 und 7 dargestellten Optikplatten 5 können jeweils an einem Halbleiterchip 3 angebracht sein, wie in den 1, 2 oder 6 illustriert.
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Es ist insbesondere möglich, dass Strukturelemente 55, wie in den 3 bis 5 dargestellt, auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 insbesondere für die zweiten Strukturelemente 55b Verwendung finden. Entsprechendes gilt für die ersten Strukturelemente 55a aus 7, die auch in Ausführungsbeispielen gemäß 1 eingesetzt werden können.
