DE102013201775A1 - Lighting module use as light source in headlamps of motor vehicle, has semiconductor chip that is provided in recess of connection carrier and fixed to main surface of intermediate carrier - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Beleuchtungsmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Beleuchtungsmoduls. The present application relates to a lighting module and a method for producing a lighting module.
Bei der Herstellung von Lichtquellen auf der Basis von Leuchtdioden müssen für Hochleistungsanwendungen, beispielsweise für Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug, hohe Leuchtdichten erzielt werden. Die für die Erzeugung hoher Leuchtdichten erforderlichen Stromdichten im Betrieb der Lichtquelle stellen jedoch besonders hohe Anforderungen an die Wärmeabfuhr der entstehenden Verlustwärme. In the production of light sources based on light emitting diodes high luminance must be achieved for high performance applications, such as headlights in a motor vehicle. However, the current densities required for the generation of high luminance in the operation of the light source make particularly high demands on the heat dissipation of the resulting heat loss.
Eine Aufgabe ist es, eine Lichtquelle anzugeben, die sich durch hohe erzielbare Leuchtdichten auszeichnet. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein Beleuchtungsmodul mit hoher Leuchtdichte auf einfache und zuverlässige Weise hergestellt werden kann. One object is to specify a light source which is distinguished by high achievable luminance. Furthermore, a method is to be specified with which a lighting module with high luminance in a simple and reliable manner can be produced.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. These objects are achieved inter alia by the subject matter of the independent patent claims. Embodiments and developments are the subject of the dependent claims.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul zumindest einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Spektralbereich vorgesehen. Auf dem Halbleiterchip kann ein Strahlungskonversionselement angeordnet sein, das die im Halbleiterchip im Betrieb erzeugte Strahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit einer von der Peak-Wellenlänge des Halbleiterchips verschiedenen Peak-Wellenlänge umwandelt. Der Halbleiterchip ist ungehäust in dem Beleuchtungsmodul angeordnet. Der Halbleiterchip ist insbesondere als ein Hochleistungs-Halbleiterchip ausgeführt. Unter einem Hochleistungs-Halbleiterchip wird im Zweifel ein Halbleiterchip verstanden, der eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 0,5 W aufweist. Beispielsweise ist der Halbleiterchip als ein Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildet. Bei einem Dünnfilm-Halbleiterchip ist ein Aufwachssubstrat für eine vorzugsweise epitaktisch abgeschiedene und zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips entfernt. Bei einem Dünnfilm-Halbleiterchip tritt ein Großteil, das heißt mindestens 50 %, der im Betrieb erzeugten Strahlung durch eine einer Rückseite des Halbleiterchips gegenüberliegende Vorderseite aus. Die Vorderseite bildet die Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips. Ein Dünnfilm-Halbleiterchip stellt in guter Näherung einen Oberflächenemitter mit einer Lambert'schen Abstrahlcharakteristik dar. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has at least one semiconductor chip provided for generating radiation. The semiconductor chip is provided, for example, for generating radiation having a peak wavelength in the visible, ultraviolet or infrared spectral range. On the semiconductor chip, a radiation conversion element can be arranged, which converts the radiation generated in operation in the semiconductor chip at least partially into secondary radiation having a different from the peak wavelength of the semiconductor chip peak wavelength. The semiconductor chip is arranged unhoused in the illumination module. The semiconductor chip is designed in particular as a high-performance semiconductor chip. Under a high-performance semiconductor chip is understood in doubt, a semiconductor chip having an electrical power consumption of at least 0.5 W. For example, the semiconductor chip is formed as a thin-film semiconductor chip. In the case of a thin-film semiconductor chip, a growth substrate for a preferably epitaxially deposited semiconductor layer sequence of the semiconductor chip provided for generating radiation is removed. In a thin-film semiconductor chip, a majority, ie, at least 50%, of the radiation generated in operation exits through a front side opposite a backside of the semiconductor chip. The front side forms the radiation passage area of the semiconductor chip. A thin-film semiconductor chip is a good approximation of a surface emitter with a Lambertian radiation characteristic.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul einen Anschlussträger mit zumindest einer Anschlussfläche auf. Der Halbleiterchip ist mit der Anschlussfläche elektrisch leitend verbunden, beispielsweise mittels einer Verbindungsleitung, etwa einer Drahtbond-Verbindung. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has a connection carrier with at least one connection surface. The semiconductor chip is connected to the pad electrically conductively, for example by means of a connecting line, such as a wire bond connection.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist der Anschlussträger eine Aussparung auf. Die Aussparung erstreckt sich vollständig durch den Anschlussträger hindurch. Die Aussparung ist insbesondere zur Aufnahme des zumindest einen Halbleiterchips vorgesehen. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier has a recess. The recess extends completely through the connection carrier. The recess is provided in particular for receiving the at least one semiconductor chip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul einen Zwischenträger mit einer Hauptfläche auf. Der Zwischenträger ist insbesondere als ein metallischer Zwischenträger ausgebildet. Der Zwischenträger enthält also eine Metall oder eine metallische Legierung oder besteht aus einem Metall oder einer metallischen Legierung. Die Hauptfläche ist eben ausgebildet. Insbesondere ist die Hauptfläche frei von einer Ausnehmung, die für die Aufnahme des zumindest einen Halbleiterchips vorgesehen ist. Der Halbleiterchip ist insbesondere direkt an der Hauptfläche des Zwischenträgers befestigt. „Direkt befestigt” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen den aneinander befestigten Elementen kein weiteres vorgefertigtes Element vorhanden ist. Zwischen den direkt aneinander befestigten Elementen, beispielsweise dem Halbleiterchip und dem Zwischenträger, kann jedoch eine Befestigungsschicht, beispielsweise eine Lotschicht oder eine Klebeschicht, vorhanden sein. Der Zwischenträger weist bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 250 W/(m·K) auf. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has an intermediate carrier with a main surface. The intermediate carrier is designed in particular as a metallic intermediate carrier. The intermediate carrier thus contains a metal or a metallic alloy or consists of a metal or a metallic alloy. The main surface is flat. In particular, the main surface is free of a recess which is provided for receiving the at least one semiconductor chip. The semiconductor chip is fastened in particular directly to the main surface of the intermediate carrier. In this context, "directly attached" means that there is no further prefabricated element between the elements fastened to one another. However, an attachment layer, for example a solder layer or an adhesive layer, may be present between the elements fastened directly to one another, for example the semiconductor chip and the intermediate carrier. The intermediate carrier preferably has a thermal conductivity of at least 250 W / (m · K).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der Anschlussträger an der Hauptfläche des metallischen Zwischenträgers befestigt, insbesondere direkt befestigt. Insbesondere sind der Anschlussträger und der Halbleiterchip auf derselben Seite des Zwischenträgers angeordnet. Weiterhin sind der Anschlussträger und der zumindest eine Halbleiterchip nebeneinander auf dem Zwischenträger angeordnet. Insbesondere befindet sich der Anschlussträger an keiner Stelle zwischen dem Halbleiterchip und dem Zwischenträger. Im Halbleiterchip im Betrieb des Beleuchtungsmoduls erzeugte Abwärme kann also über den Zwischenträger abgeführt werden, ohne zuvor den Anschlussträger zu durchlaufen. Weiterhin befindet sich der Halbleiterchip an keiner Stelle in vertikaler Richtung zwischen dem Zwischenträger und dem Anschlussträger. Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht zur Hauptfläche des Zwischenträgers verläuft. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier is fastened to the main surface of the metallic intermediate carrier, in particular directly attached. In particular, the connection carrier and the semiconductor chip are arranged on the same side of the intermediate carrier. Furthermore, the connection carrier and the at least one semiconductor chip are arranged side by side on the intermediate carrier. In particular, the connection carrier is located at no point between the semiconductor chip and the intermediate carrier. Waste heat generated in the semiconductor chip during operation of the illumination module can therefore be dissipated via the intermediate carrier without first passing through the connection carrier. Furthermore, the semiconductor chip is located at no point in the vertical direction between the intermediate carrier and the connection carrier. A vertical direction is understood to mean a direction which is perpendicular to the main surface of the intermediate carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der zumindest eine Halbleiterchip in der Aussparung des Anschlussträgers angeordnet und an der Hauptfläche des metallischen Zwischenträgers befestigt, insbesondere direkt befestigt. Beispielsweise umläuft der Anschlussträger den zumindest einen Halbleiterchip in lateraler Richtung, also in einer parallel zur Hauptfläche des Zwischenträgers verlaufenden Richtung, insbesondere vollständig. Beispielsweise verläuft der Anschlussträger rahmenförmig um den zumindest einen Halbleiterchip. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the at least one semiconductor chip is arranged in the recess of the connection carrier and fastened to the main surface of the metallic intermediate carrier, in particular directly attached. By way of example, the connection carrier circulates the at least one semiconductor chip in a lateral direction, ie in a direction parallel to the main surface of the intermediate carrier, in particular completely. For example, the connection carrier runs in the form of a frame around the at least one semiconductor chip.
In mindestens einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul zumindest einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterchip, einen Anschlussträger und einen metallischen Zwischenträger mit einer Hauptfläche auf. Der zumindest eine Halbleiterchip ist elektrisch leitend mit einer Anschlussfläche des Anschlussträgers verbunden. Der Anschlussträger ist an der Hauptfläche des metallischen Zwischenträgers befestigt und weist zumindest eine Aussparung auf. Der zumindest eine Halbleiterchip ist in der Aussparung des Anschlussträgers angeordnet und an der Hauptfläche des metallischen Zwischenträgers befestigt. In at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has at least one semiconductor chip provided for generating radiation, a connection carrier and a metallic intermediate carrier having a main surface. The at least one semiconductor chip is electrically conductively connected to a connection surface of the connection carrier. The connection carrier is attached to the main surface of the metallic intermediate carrier and has at least one recess. The at least one semiconductor chip is arranged in the recess of the connection carrier and fixed to the main surface of the metallic intermediate carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der Anschlussträger als ein Mehrschichtträger mit einer Mehrzahl von elektrischen Kontaktierungsebenen ausgeführt. Mittels einer Strukturierung der Kontaktierungsebenen sind die mit dem Anschlussträger elektrisch leitend verbundenen Bauelemente miteinander verschaltbar. Zwischen benachbarten elektrischen Kontaktierungsebenen ist jeweils eine Isolationsschicht ausgebildet. Die Kontaktierungsebenen können zumindest bereichsweise elektrisch leitend miteinander verbunden sein, beispielsweise über eine Durchkontaktierung durch die dazwischen liegende Isolationsschicht. Der Anschlussträger, insbesondere die Isolationsschicht, enthält vorzugsweise eine Keramik. Eine Haupterstreckungsebene der Kontaktierungsebenen verläuft parallel zur Hauptfläche des Zwischenträgers. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier is designed as a multilayer carrier with a plurality of electrical contacting planes. By means of a structuring of the contacting planes, the components electrically conductively connected to the connection carrier can be interconnected. Between adjacent electrical Kontaktierungsebenen an insulating layer is formed in each case. The contacting planes can be electrically conductively connected to one another at least in regions, for example via a through-connection through the intervening insulating layer. The connection carrier, in particular the insulation layer, preferably contains a ceramic. A main extension plane of the contacting planes runs parallel to the main surface of the intermediate carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der Anschlussträger zumindest auf der dem metallischen Zwischenträger abgewandten Seite schwarz ausgebildet. Insbesondere absorbiert der Anschlussträger auf der dem metallischen Zwischenträger abgewandten Seite mindestens 85 % einer Peak-Wellenlänge der vom Beleuchtungsmodul im Betrieb abgestrahlten Strahlung. According to at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier is formed black at least on the side facing away from the metallic intermediate carrier. In particular, the connection carrier on the side facing away from the metallic intermediate carrier absorbs at least 85% of a peak wavelength of the radiation emitted by the illumination module during operation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist zumindest ein elektronisches Bauelement an dem Anschlussträger befestigt. Insbesondere ist das elektronische Bauelement über den Anschlussträger elektrisch leitend mit dem zumindest einen Halbleiterchip verbunden. Beispielsweise ist das elektronische Bauelement direkt an einer der elektrischen Kontaktierungsebenen des Anschlussträgers befestigt. Das elektronische Bauelement ist beispielsweise in einer Ausnehmung in dem Anschlussträger befestigt. In vertikaler Richtung erstreckt sich die Ausnehmung nicht vollständig durch den Anschlussträger hindurch, sondern endet auf Höhe einer der elektrischen Kontaktierungsebenen des Anschlussträgers. Das elektronische Bauelement ist insbesondere vollständig innerhalb der Ausnehmung angeordnet. Das elektronische Bauelement ragt in vertikaler Richtung also nicht über den Anschlussträger hinaus. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, at least one electronic component is fastened to the connection carrier. In particular, the electronic component is electrically conductively connected to the at least one semiconductor chip via the connection carrier. For example, the electronic component is attached directly to one of the electrical contacting levels of the connection carrier. The electronic component is fastened, for example, in a recess in the connection carrier. In the vertical direction, the recess does not extend completely through the connection carrier, but ends at the level of one of the electrical contacting planes of the connection carrier. The electronic component is in particular arranged completely within the recess. The electronic component does not protrude beyond the connection carrier in the vertical direction.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist das elektronische Bauelement als ein ESD(electro static discharge)-Schutzelement ausgebildet. Insbesondere ist das elektronische Bauelement über den Anschlussträger parallel zu dem zumindest einen Halbleiterchip verschaltet. Das ESD-Schutzelement ist beispielsweise eine Schutzdiode, etwa eine Zener-Diode. Der Begriff „parallel verschaltet” impliziert auch eine Anordnung, bei der der zur Erzeugung von Strahlung vorgesehene Halbleiterchip und das elektronische Bauelement bezüglich der Durchlassrichtung antiparallel zueinander angeordnet sind. Das ESD-Schutzelement kann auch mehr als eine Schutzdiode aufweisen, beispielsweise zwei Schutzdioden, die in einer so genannten „back-to-back”-Anordnung angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend kann das Schutzelement einen Varistor oder einen Tyristor enthalten. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the electronic component is designed as an ESD (electrostatic discharge) protective element. In particular, the electronic component is connected in parallel to the at least one semiconductor chip via the connection carrier. The ESD protection element is a protective diode, for example a Zener diode. The term "connected in parallel" also implies an arrangement in which the semiconductor chip provided for generating radiation and the electronic component are arranged in anti-parallel with respect to the forward direction. The ESD protection element can also have more than one protection diode, for example two protection diodes, which are arranged in a so-called "back-to-back" arrangement. Alternatively or additionally, the protective element may include a varistor or a thyristor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist die Aussparung zumindest teilweise mit einer reflektierenden Formmasse gefüllt. Beispielsweise enthält die Formmasse ein Matrixmaterial, etwa ein Polymermaterial, beispielsweise Silikon. Zur Erhöhung der Reflektivität kann das Matrixmaterial mit Partikeln gefüllt sein, beispielsweise mit Weißpigmenten. Die Partikel können beispielsweise TiO2, ZrO2 oder BaSO4 enthalten oder aus einem solchen Material bestehen. Insbesondere grenzt die reflektierende Formmasse unmittelbar an den zumindest einen Halbleiterchip und an zumindest eine Seitenfläche der Aussparung an. Bei der Herstellung des Beleuchtungsmoduls kann der Anschlussträger die Funktion eines Vergussrahmens für die Formmasse erfüllen. According to at least one embodiment of the illumination module, the recess is at least partially filled with a reflective molding compound. For example, the molding composition contains a matrix material, for example a polymer material, for example silicone. To increase the reflectivity, the matrix material may be filled with particles, for example with white pigments. The particles may contain, for example, TiO 2 , ZrO 2 or BaSO 4 or consist of such a material. In particular, the reflective molding compound directly adjoins the at least one semiconductor chip and at least one side surface of the recess. In the manufacture of the lighting module, the connection carrier can fulfill the function of a potting frame for the molding compound.
Weiterhin kann die reflektierende Formmasse an das Strahlungskonversionselement unmittelbar angrenzen. Mittels der reflektierenden Formmasse wird eine seitliche Abstrahlung des Halbleiterchips oder des Strahlungskonversionselements zugunsten einer erhöhten Abstrahlung in vertikaler Richtung vermindert. Auf ein den Halbleiterchip in lateraler Richtung umgebendes Reflektorelement zur Umlenkung der seitlich austretenden Strahlung kann verzichtet werden. Furthermore, the reflective molding compound can directly adjoin the radiation conversion element. By means of the reflective molding compound, a lateral radiation of the semiconductor chip or of the radiation conversion element is reduced in favor of increased radiation in the vertical direction. On a reflector element surrounding the semiconductor chip in the lateral direction for deflection the laterally emerging radiation can be dispensed with.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul eine Mehrzahl von Halbleiterchips auf, die jeweils zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen sind. Die Halbleiterchips sind jeweils an dem Zwischenträger befestigt, insbesondere in der Aussparung des Anschlussträgers. Die Aussparung des Anschlussträgers bildet also eine gemeinsame Aussparung für alle strahlungserzeugenden Halbleiterchips des optoelektronischen Moduls. Die Halbleiterchips sind jeweils über eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode elektrisch kontaktiert. Ein Abstand zwischen benachbarten Halbleiterchips beträgt beispielsweise höchstens 50 µm, bevorzugt höchstens 20 µm. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has a plurality of semiconductor chips, which are each provided for generating radiation. The semiconductor chips are each attached to the intermediate carrier, in particular in the recess of the connection carrier. The recess of the connection carrier thus forms a common recess for all radiation-generating semiconductor chips of the optoelectronic module. The semiconductor chips are each electrically contacted via a first electrode and a second electrode. A distance between adjacent semiconductor chips is, for example, at most 50 μm, preferably at most 20 μm.
Im Betrieb des Beleuchtungsmoduls können die ersten Elektroden und/oder die zweiten Elektroden jeweils auf einem gemeinsamen elektrischen Potenzial liegen. During operation of the illumination module, the first electrodes and / or the second electrodes may each be at a common electrical potential.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls sind die erste Elektrode auf einer vom Zwischenträger abgewandten Vorderseite der Halbleiterchips und die zweite Elektrode auf einer dem Zwischenträger zugewandten Rückseite der Halbleiterchips angeordnet. Die Rückseiten der Halbleiterchips können über den Zwischenträger elektrisch leitend miteinander verbunden sein. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the first electrode is arranged on a front side of the semiconductor chips facing away from the intermediate carrier and the second electrode on a rear side of the semiconductor chips facing the intermediate carrier. The rear sides of the semiconductor chips can be electrically conductively connected to one another via the intermediate carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einer vom Zwischenträger abgewandten Vorderseite der Halbleiterchips angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips erfolgt also unabhängig von dem Zwischenträger. Die Halbleiterchips können zumindest teilweise elektrisch parallel und/oder elektrisch in Serie zueinander verschaltet sein. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the first electrode and the second electrode are arranged on a front side of the semiconductor chips facing away from the intermediate carrier. The electrical contacting of the semiconductor chips is thus independent of the intermediate carrier. The semiconductor chips may be at least partially electrically connected in parallel and / or electrically in series with one another.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls sind zumindest zwei Halbleiterchips der Mehrzahl von Halbleiterchips über elektrisch voneinander isolierte Kontaktflächen getrennt voneinander extern elektrisch ansteuerbar. Beispielsweise können die ersten Elektroden der Halbleiterchips jeweils über voneinander getrennte Kontaktflächen ansteuerbar sein, während die zweiten Elektroden mit einer gemeinsamen Gegenkontaktfläche extern elektrisch kontaktierbar sind oder umgekehrt. Einer Kontaktfläche kann genau ein Halbleiterchip oder eine Gruppe von Halbleiterchips zugeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Anzahl der Kontaktflächen kleiner oder gleich der Anzahl von Halbleiterchips sein. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, at least two semiconductor chips of the plurality of semiconductor chips can be externally electrically driven separately from one another via electrically insulated contact surfaces. For example, the first electrodes of the semiconductor chips can each be actuated via contact surfaces which are separate from one another, while the second electrodes can be electrically contacted externally with a common mating contact surface or vice versa. A contact surface may be associated with exactly one semiconductor chip or a group of semiconductor chips. In other words, the number of contact pads may be less than or equal to the number of semiconductor chips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist den getrennt voneinander elektrisch ansteuerbaren Halbleiterchips jeweils ein ESD-Schutzelement zugeordnet. Die elektrische Verschaltung zwischen den Halbleiterchips und den jeweils zugeordneten ESD-Schutzelementen kann über den Anschlussträger erfolgen. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, an ESD protection element is assigned to each of the semiconductor chips, which can be driven separately from one another. The electrical interconnection between the semiconductor chips and the respective associated ESD protection elements can take place via the connection carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist das Beleuchtungsmodul einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper ist auf der dem Anschlussträger abgewandten Seite des Zwischenträgers angeordnet. Der Kühlkörper ist vorzugsweise metallisch ausgebildet. Beispielsweise enthält der Kühlkörper Aluminium. Der Zwischenträger kann mittels einer Zwischenträgerbefestigungsschicht, etwa einer Lotschicht oder einer metallischen Sinterschicht, an dem Kühlkörper befestigt sein. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module has a heat sink. The heat sink is arranged on the side facing away from the connection carrier of the intermediate carrier. The heat sink is preferably formed metallic. For example, the heat sink contains aluminum. The intermediate carrier may be secured to the heat sink by means of an intermediate carrier attachment layer, such as a solder layer or a metallic sintered layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers und des Zwischenträgers um höchstens 10 ppm/K voneinander. Beispielsweise kann der Zwischenträger Kupfer und der Kühlkörper Aluminium enthalten. According to at least one embodiment of the lighting module, the thermal expansion coefficients of the heat sink and the intermediate carrier differ by at most 10 ppm / K from each other. For example, the intermediate carrier may contain copper and the heat sink aluminum.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der zumindest eine Halbleiterchip mittels einer Chipbefestigungsschicht an dem Zwischenträger befestigt. Beispielsweise ist die Chipbefestigungsschicht eine Sinterschicht oder eine Lotschicht. Durch eine solche metallische Befestigungsschicht kann eine thermisch gut leitende Verbindung besonders einfach und zuverlässig hergestellt werden. Insbesondere können in einem Wärmepfad zwischen dem zumindest einen Halbleiterchip und dem Kühlkörper ausschließlich metallische Verbindungsschichten und der metallische Zwischenträger angeordnet sein. Die zwischen dem Halbleiterchip und dem Kühlkörper angeordneten Verbindungsschichten weisen bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m·K), besonders bevorzugt von mindestens 20 W/(m·K), auf. Eine thermisch schlecht leitende Verbindungsschicht weist dagegen eine thermische Leitfähigkeit von 5 W/(m·K) oder weniger auf. Mit anderen Worten ist der Wärmepfad frei von einer thermisch schlecht leitenden Schicht, insbesondere frei von einer elektrisch isolierenden Schicht. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the at least one semiconductor chip is fastened to the intermediate carrier by means of a chip attachment layer. For example, the die attach layer is a sintered layer or a solder layer. By such a metallic attachment layer, a thermally well conductive compound can be made particularly simple and reliable. In particular, only metallic connecting layers and the metallic intermediate carrier can be arranged in a heat path between the at least one semiconductor chip and the heat sink. The connecting layers arranged between the semiconductor chip and the heat sink preferably have a thermal conductivity of at least 10 W / (m · K), particularly preferably of at least 20 W / (m · K). On the other hand, a thermally poorly conducting connecting layer has a thermal conductivity of 5 W / (m · K) or less. In other words, the heat path is free of a thermally poorly conductive layer, in particular free of an electrically insulating layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist der Anschlussträger mittels einer Anschlussträgerbefestigungsschicht an dem metallischen Zwischenträger befestigt. Für die Anschlussträgerbefestigungsschicht eignet sich insbesondere eine Klebeschicht. Eine Klebeschicht kann eine höhere mechanische Elastizität aufweisen als eine metallische Verbindungsschicht. Die Gefahr einer Lösung der Verbindung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Anschlussträger und dem Zwischenträger wird so auch bei einer vergleichsweise großflächigen Verbindung vermindert. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier is fastened to the metallic intermediate carrier by means of a connection carrier attachment layer. In particular, an adhesive layer is suitable for the connection carrier attachment layer. An adhesive layer may have a higher mechanical elasticity than a metal compound layer. The risk of a solution of the compound due to different thermal expansion coefficients between the connection carrier and the Subcarrier is thus reduced even with a comparatively large area connection.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist die Chipbefestigungsschicht eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als die Anschlussträgerbefestigungsschicht. Weiterhin weist die Anschlussträgerbefestigungsschicht eine höhere mechanische Elastizität auf als die Chipbefestigungsschicht. Mit anderen Worten ist die Chipbefestigungsschicht im Hinblick auf einen minimalen thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiterchip und dem Zwischenträger und die Anschlussträgerbefestigungsschicht im Hinblick auf eine Unempfindlichkeit der Verbindung zwischen dem Anschlussträger und dem Zwischenträger gegenüber einer Temperaturwechselbeanspruchung hin optimiert. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the chip attachment layer has a higher thermal conductivity than the attachment carrier attachment layer. Furthermore, the terminal carrier attachment layer has a higher mechanical elasticity than the chip attachment layer. In other words, the chip mounting layer is optimized for thermal resistance to minimum thermal resistance between the semiconductor chip and the subcarrier and the terminal support mounting layer in view of insensitivity of the connection between the terminal substrate and the subcarrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls weist der Anschlussträger eine für die externe elektrische Kontaktierung des Moduls vorgesehene Gegenkontaktfläche auf, die über den metallischen Zwischenträger elektrisch leitend mit dem zumindest einen Halbleiterchip verbunden ist. Beispielsweise ist die Kontaktfläche über eine Durchkontaktierung durch eine Isolationsschicht des Anschlussträgers mit dem Zwischenträger elektrisch leitend verbunden. Insbesondere kann der Anschlussträger auf der dem Zwischenträger zugewandten Seite mit einer Metallisierungsschicht versehen sein. Für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anschlussträger und dem Zwischenträger ist die Anschlussträgerbefestigungsschicht zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig ausgebildet, beispielsweise als eine elektrisch leitfähige Klebeschicht. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the connection carrier has a mating contact surface provided for the external electrical contacting of the module, which is electrically conductively connected to the at least one semiconductor chip via the metallic intermediate carrier. By way of example, the contact surface is electrically conductively connected to the intermediate carrier via an interconnection through an insulating layer of the connection carrier. In particular, the connection carrier may be provided with a metallization layer on the side facing the intermediate carrier. For an electrically conductive connection between the connection carrier and the intermediate carrier, the connection carrier attachment layer is expediently designed to be electrically conductive, for example as an electrically conductive adhesive layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Beleuchtungsmoduls ist das Beleuchtungsmodul als Lichtquelle in einem Scheinwerfer, insbesondere als Frontscheinwerfer für ein Kraftfahrzeug, ausgebildet. Mit der beschriebenen Ausgestaltung des Beleuchtungsmoduls können die hohen Anforderungen an eine Lichtquelle in einem Scheinwerfer im Hinblick auf hohe Leuchtdichten zuverlässig erfüllt werden. In accordance with at least one embodiment of the illumination module, the illumination module is designed as a light source in a headlight, in particular as a headlight for a motor vehicle. With the described embodiment of the lighting module, the high demands on a light source in a headlight with regard to high luminance can be reliably met.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Beleuchtungsmoduls wird zumindest ein Halbleiterchip an einem insbesondere metallischen Zwischenträger befestigt. Ein Anschlussträger mit zumindest einer Anschlussfläche und zumindest einer Aussparung wird an dem Zwischenträger befestigt. Zwischen dem in der Aussparung des Anschlussträgers angeordneten Halbleiterchip und der zumindest einen Anschlussfläche des Anschlussträgers wird eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt. In accordance with at least one embodiment of a method for producing a lighting module, at least one semiconductor chip is fastened to a particularly metallic intermediate carrier. A connection carrier with at least one connection surface and at least one recess is fastened to the intermediate carrier. Between the semiconductor chip arranged in the recess of the connection carrier and the at least one connection surface of the connection carrier, an electrically conductive connection is produced.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgt insbesondere in der Reihenfolge der obigen Aufzählung. Insbesondere erfolgt das Befestigen des Halbleiterchips an dem Zwischenträger vor dem Befestigen des Anschlussträgers an dem Zwischenträger. The method is carried out in particular in the order of the above list. In particular, the fastening of the semiconductor chip to the intermediate carrier takes place before the attachment carrier is fastened to the intermediate carrier.
Das Verfahren ist zur Herstellung eines weiter oben beschriebenen Beleuchtungsmoduls besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Beleuchtungsmodul angeführte Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt. The method is particularly suitable for producing a lighting module described above. Therefore, in connection with the lighting module mentioned features can also be used for the process and vice versa.
Durch das vorstehend beschriebene Beleuchtungsmodul beziehungsweise das Verfahren können insbesondere die folgenden technischen Effekte erzielt werden:
Ein metallischer Zwischenträger kann sich durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnen als ein keramischer Zwischenträger. Beispielsweise weist Kupfer eine Wärmeleitfähigkeit von 400 W/(m·K) auf, während selbst eine vergleichsweise teure Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise eine Aluminiumnitrid-Keramik, typischerweise nur Wärmeleitfähigkeiten zwischen 170 und 200 W/(m·K) aufweist. Zudem ist ein metallischer Zwischenträger mechanisch robust und kann mechanische Spannungsspitzen durch plastische Verformung aufnehmen. In particular, the following technical effects can be achieved by the illumination module or the method described above:
A metallic intermediate carrier can be characterized by a higher thermal conductivity than a ceramic intermediate carrier. For example, copper has a thermal conductivity of 400 W / (m · K), while even a comparatively expensive high thermal conductivity ceramic, such as an aluminum nitride ceramic, typically only thermal conductivities between 170 and 200 W / (m · K). In addition, a metallic intermediate carrier is mechanically robust and can absorb mechanical stress peaks by plastic deformation.
Weiterhin zeichnet sich ein metallischer Zwischenträger bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch eine gute Anpassung an einen metallischen Kühlkörper aus gängigen Materialien wie beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, aus. Beispielsweise weist Kupfer einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 16 ppm/K und Aluminium einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 ppm/K auf, während der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischem Material typischerweise in der Größenordnung von 5 ppm/K oder darunter liegt. Furthermore, a metallic intermediate carrier with respect to the coefficient of thermal expansion is characterized by a good adaptation to a metallic heat sink of common materials such as aluminum or an aluminum alloy from. For example, copper has a thermal expansion coefficient of 16 ppm / K and aluminum has a coefficient of thermal expansion of 23 ppm / K, while the thermal expansion coefficient of ceramic material is typically of the order of 5 ppm / K or less.
Aufgrund des geringeren Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zwischen dem metallischen Zwischenträger und dem metallischen Kühlkörper kann die Verbindung zwischen diesen Elementen durch eine hoch wärmeleitfähige Zwischenträgerbefestigungsschicht erfolgen. Bei größeren Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten müssten Verbindungsmaterialien verwendet werden, die zu Lasten der Wärmeleitfähigkeit eine erhöhte mechanische Elastizität aufweisen. Due to the smaller difference in the thermal expansion between the metallic intermediate carrier and the metallic heat sink, the connection between these elements can be effected by a highly thermally conductive intermediate carrier attachment layer. For larger differences in the coefficients of thermal expansion connecting materials would have to be used, which have at the expense of thermal conductivity increased mechanical elasticity.
Durch die Anordnung mehrerer Halbleiterchips auf einer durchgehenden, unstrukturierten Hauptfläche des metallischen Zwischenträgers können sehr geringe Abstände zwischen den Halbleiterchips realisiert werden. Hohe Leuchtdichten können so vereinfacht realisiert werden. Weiterhin ist eine unstrukturierte Metallfläche kostengünstiger als ein strukturiertes Substrat. Der minimale Abstand zwischen benachbarten Halbleiterchips ist somit allein durch mechanische Toleranzen der Halbleiterchips und die Montagetoleranzen bei der Chipmontage bestimmt. By arranging a plurality of semiconductor chips on a continuous, unstructured main surface of the metallic intermediate carrier, very small distances between the semiconductor chips can be realized. High luminance can be realized so simplified. Furthermore, an unstructured metal surface is less expensive than a structured substrate. The minimum distance between adjacent semiconductor chips is thus alone determined by mechanical tolerances of the semiconductor chips and mounting tolerances in the chip assembly.
Bei Halbleiterchips mit einer rückseitigen Elektrode können die Halbleiterchips über den metallischen Zwischenträger elektrisch leitend miteinander verbunden sein und im Betrieb auf einfache Weise auf einem gemeinsamen Potential liegen, etwa durch elektrische Kontaktierung einer gemeinsamen Gegenkontaktfläche. Die Ansteuerung der Halbleiterchips kann mit einer gemeinsamen Kontaktfläche für alle Halbleiterchips oder mit voneinander getrennten Kontaktflächen für einzelne Halbleiterchips oder Gruppen von Halbleiterchips erfolgen. Eine separate Ansteuerung der Halbleiterchips über mehrere Kontaktflächen ist beispielsweise zweckmäßig, wenn sich die Halbleiterchips bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften, beispielsweise der Vorwärtsspannung oder des Alterungsverhaltens, stark voneinander unterscheiden und/oder wenn die Halbleiterchips im Betrieb zumindest teilweise getrennt voneinander adressierbar sein müssen, beispielsweise zur Steuerung der räumlichen Abstrahlcharakteristik. In the case of semiconductor chips with a rear-side electrode, the semiconductor chips can be electrically conductively connected to one another via the metallic intermediate carrier and can easily be at a common potential during operation, for example by electrical contacting of a common mating contact surface. The driving of the semiconductor chips can take place with a common contact surface for all semiconductor chips or with separate contact surfaces for individual semiconductor chips or groups of semiconductor chips. A separate activation of the semiconductor chips over a plurality of contact surfaces is expedient, for example, if the semiconductor chips differ greatly with respect to one or more properties, for example the forward voltage or the aging behavior, and / or if the semiconductor chips must be at least partially addressable separately during operation, for example for Control of spatial radiation characteristics.
Bei Halbleiterchips, die beide Elektroden an der Vorderseite des Halbleiterchips aufweisen, ist die elektrische Verschaltung der Halbleiterchips in weiten Grenzen frei wählbar. Beispielsweise können die Halbleiterchips zumindest teilweise elektrisch parallel und/oder elektrisch in Serie zueinander verschaltet sein. In the case of semiconductor chips which have both electrodes on the front side of the semiconductor chip, the electrical interconnection of the semiconductor chips can be freely selected within wide limits. For example, the semiconductor chips may be at least partially electrically connected in parallel and / or electrically connected in series.
Über den Anschlussträger können auch komplexe Verschaltungen der Halbleiterchips und/oder eine Verschaltung von zumindest einem Halbleiterchip und einem elektronischen Bauteil einfach und zuverlässig in Chipnähe realisiert werden. Der Anschlussträger kann weiterhin die externen Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen des Beleuchtungsmoduls aufweisen. Weiterhin kann der Anschlussträger bei der Herstellung als Vergussrahmen für die reflektierende Formmasse verwendet werden. Bei der Herstellung des Beleuchtungsmoduls kann der Anschlussträger erst nach der Befestigung der Halbleiterchips an dem Zwischenträger befestigt werden. Die Anschlussflächen des Anschlussträgers zeichnen sich durch eine gute Bondbarkeit für Drahtbond-Verbindungen aus, sodass die Halbleiterchips nachfolgend einfach und zuverlässig elektrisch mit dem Anschlussträger verbunden werden können. Complex interconnections of the semiconductor chips and / or interconnection of at least one semiconductor chip and an electronic component can also be implemented simply and reliably close to the chip via the connection carrier. The connection carrier can furthermore have the external contact surfaces and mating contact surfaces of the illumination module. Furthermore, the connection carrier can be used in the production as Vergussrahmen for the reflective molding compound. During the production of the illumination module, the connection carrier can be fastened to the intermediate carrier only after the attachment of the semiconductor chips. The connection surfaces of the connection carrier are characterized by good bondability for wire bond connections, so that the semiconductor chips can subsequently be easily and reliably electrically connected to the connection carrier.
Da der Anschlussträger selbst an keiner Stelle zwischen den Halbleiterchips und dem Zwischenträger angeordnet ist, ist die Wärmeableitung aus den Halbleiterchips unabhängig von der Anschlussträgerbefestigungsschicht. Die Anschlussträgerbefestigungsschicht kann daher auf eine hohe mechanische Elastizität optimiert werden, sodass eine hohe Robustheit gegenüber Temperaturwechselbeanspruchungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Anschlussträger und dem Zwischenträger erreicht wird. Since the connection carrier itself is not arranged at any point between the semiconductor chips and the intermediate carrier, the heat dissipation from the semiconductor chips is independent of the connection carrier attachment layer. The connection carrier attachment layer can therefore be optimized to a high mechanical elasticity, so that a high resistance to thermal cycling due to different thermal expansion coefficients between the connection carrier and the intermediate carrier is achieved.
Durch eine schwarze Ausgestaltung des Anschlussträgers kann ein hoher Hell-Dunkel-Kontrast in Chipnähe gewährleistet werden. Weiterhin wird der Anteil von Streulicht verringert. Zudem werden durch die Anordnung des beziehungsweise der Halbleiterchips in der Aussparung die gute Wärmeableitung über einen metallischen Zwischenträger und die flexiblen Verschaltungsmöglichkeiten eines insbesondere keramischen mehrschichtigen Anschlussträgers miteinander vereint. By a black design of the connection carrier, a high light-dark contrast near the chip can be ensured. Furthermore, the proportion of scattered light is reduced. In addition, the arrangement of the semiconductor chip or chips in the recess combines the good heat dissipation via a metallic intermediate carrier and the flexible interconnection options of a particularly ceramic multi-layer connection carrier.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Further features, embodiments and expediencies will become apparent from the following description of the embodiments in conjunction with the figures.
Es zeigen: Show it:
die
die
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. The same, similar or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen, wobei die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander nicht als maßstäblich zu betrachten sind. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. The figures are each schematic representations, wherein the figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be considered as to scale. Rather, individual elements, in particular layer thicknesses, can be shown exaggeratedly large for better representability and / or better understanding.
Das Beleuchtungsmodul
Der Halbleiterchip
Der Halbleiterchip
Der Anschlussträger
Der Halbleiterchip
Gemäß der in
Das Beleuchtungsmodul
Eine Gegenkontaktfläche
In dem Anschlussträger
Der Anschlussträger
Auf dem Anschlussträger
Das ESD-Schutzelement kann auch mehr als eine Diode aufweisen, beispielsweise zwei Dioden in einer „back-to-back”-Anordnung. Auch ein Varistor oder ein Tyristor kann als Schutzelement Anwendung finden. The ESD protection element may also comprise more than one diode, for example two diodes in a back-to-back arrangement. A varistor or a thyristor can also be used as a protective element.
Die elektronischen Bauelemente
Die elektronischen Bauelemente
Auf den zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterchips
Die Aussparung
Bei der Herstellung des Beleuchtungsmoduls
Auf der dem Anschlussträger
Für eine vereinfachte Befestigung des Zwischenträgers
Mit dem beschriebenen Aufbau des Beleuchtungsmoduls ist der Wärmepfad von den strahlungserzeugenden Halbleiterchips
Auf der dem Zwischenträger
In
Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend können auch zwei oder mehrere Halbleiterchips, insbesondere alle Halbleiterchips, mit einer gemeinsamen Kontaktfläche
Das in
Im Unterschied hierzu weisen die Halbleiterchips
In diesem Ausführungsbeispiel kann die Anschlussträgerbefestigungsschicht
Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Beleuchtungsmoduls ist in den
Ein Anschlussträger
Der Anschlussträger
Weiterhin wird ein Zwischenträger
Nachfolgend wird der Anschlussträger
Nachfolgend werden die Halbleiterchips
Weiterhin wird ein Kühlkörper
Durch die Durchführung der Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge können auf einfache und zuverlässige Weise Beleuchtungsmodule hergestellt werden, die sich durch eine hohe Leuchtdichte und eine gute Abfuhr der erzeugten Verlustwärme auszeichnen. Die Verfahrensschritte müssen jedoch nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Zwischenträger
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.
Claims (18)
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DE201310201775 DE102013201775A1 (en) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Lighting module use as light source in headlamps of motor vehicle, has semiconductor chip that is provided in recess of connection carrier and fixed to main surface of intermediate carrier |
Applications Claiming Priority (1)
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DE201310201775 DE102013201775A1 (en) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Lighting module use as light source in headlamps of motor vehicle, has semiconductor chip that is provided in recess of connection carrier and fixed to main surface of intermediate carrier |
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Family Applications (1)
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