DE102015101748A1 - Elektronisches Bauelement mit einem Werkstoff umfassend Epoxysilan-modifiziertes Polyorganosiloxan - Google Patents

Elektronisches Bauelement mit einem Werkstoff umfassend Epoxysilan-modifiziertes Polyorganosiloxan Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiter (1) und einem Polyorganosiloxan. Das Polyorganosiloxan ist erhältlich durch Vernetzung einer Zusammensetzung umfassend ein erstes Organosiloxan mit wenigstens einer endständigen Vinylgruppe, ein zweites Organosiloxan mit wenigstens einer Silizium-Wasserstoff-Bindung und ein Alkoxysilan mit wenigstens einer Epoxygruppe. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserter Verbundstabilität und Witterungsbeständigkeit bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Bauelements und des Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Es wird ein optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiter und einem Polyorganosiloxan angegeben. Das Polyorganosiloxan ist erhältlich durch Vernetzung einer Zusammensetzung umfassend
    • – ein erstes Organosiloxan mit wenigstens einer endständigen Vinylgruppe,
    • – ein zweites Organosiloxan mit wenigstens einer Silizium-Wasserstoff-Bindung und
    • – ein Alkoxysilan mit wenigstens einer Epoxygruppe.
  • Bei der industriellen Herstellung optoelektronischer Bauelemente wie zum Beispiel lichtemittierender Dioden (LEDs) und Solarzellen werden Silikone beispielsweise als Montagewerkstoff beziehungsweise Haftvermittler, Vergussmittel oder als Matrixmaterial für Optikelemente wie zum Beispiel Linsen, Lichtkonversionselemente oder Reflektoren verwendet. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, dass die Verwendung herkömmlicher zweikomponentiger, additionsvernetzender Silikone häufig zu Zuverlässigkeitsdefiziten solcher optoelektronischen Bauelemente führt. Als Ursache wurde erkannt, dass insbesondere Feuchte- und Temperaturbelastungen zu Delaminationen im Grenzbereich zwischen Silikon und anderen Materialien des Bauelements führen.
  • Gegenüber optoelektronischen Bauelementen mit solchen herkömmlichen Silikonen weist das erfindungsgemäße Bauelement überraschende Eigenschaftsverbesserungen hinsichtlich der Feuchte- und Temperaturbeständigkeit als auch der Verbundstabilität auf.
  • Die Beständigkeit von Silikonen gegenüber Feuchte und Temperatur lässt sich beispielsweise experimentell über eine Gewichtszunahme nach Feuchteaussetzung beziehungsweise eine Gewichtsabnahme nach Temperaturbelastung des Silikons bestimmen. Eine geeignete Messgröße zur Charakterisierung der Verbundstabilität ist zum Beispiel die Abscherfestigkeit. Entsprechende Belege für die verbesserten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Polyorganosiloxans gegenüber herkömmlichem Silikon finden sich in den Ausführungsbeispielen.
  • Das erste Organosiloxan weist vorzugsweise eine oder mehrere Monomereinheiten der allgemeinen Formel (I)
    Figure DE102015101748A1_0002
    auf, wobei R1 ein C2-C10 Alkenyl und R2 und R3 unabhängig voneinander ein C1-C10 Alkyl oder Aryl, C2-C10 Alkenyl oder *––O ist.
  • Vorzugsweise ist R1 Vinyl. R2 und R3 sind jeweils unabhängig voneinander bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl oder Phenyl. In einer weiteren bevorzugten Monomereinheit ist wenigstens einer von R2 und R3 ein weiteres C2-C10 Alkenyl oder *––O. Zum Beispiel kann R2 Methyl, Ethyl, Propyl oder Phenyl sein und R3 ist C2-C10 Alkenyl oder *––O. Es ist auch möglich, dass in bestimmten Monomereinheiten R2 und R3 beide *––O oder beide C2-C10 Alkenyl sind. Insbesondere können auch Kombinationen der vorangehend genannten Monomereinheiten im ersten Organosiloxan vorliegen.
  • Der Begriff Alkyl im Sinne der vorliegenden Erfindung hat die im Stand der Technik allgemein gebräuchliche Bedeutung und umfasst gesättigte aliphatische Gruppen einschließlich unverzweigten und verzweigten sowie zyklischen Kohlenstoffketten. Entsprechend umfasst Alkyl ebenfalls ein Cycloalkyl, das heißt einen ringförmigen gesättigten Kohlenwasserstoffrest, welcher einen oder mehrere Ringe aufweisen kann. Ein Cycloalkyl im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein C3-C10 Cycloalkyl.
  • Der Begriff Alkenyl umfasst ebenfalls ein Cycloalkenyl und bezeichnet demzufolge ein Alkyl oder Cycloalkyl mit einer oder mehreren Doppelbindungen.
  • Der Begriff Aryl steht hier für ein monozyklisches oder bizyklisches Ringsystem, wobei wenigstens eine der Ringe des Systems aromatisch ist.
  • Eine Alkoxygruppe basiert auf einer mit einem Sauerstoffatom verbundenen Alkylgruppe.
  • Eine Epoxygruppe bezeichnet einen zyklischen Ether mit drei Ringatomen.
  • So, wie es hier verwendet wird, bezeichnet *––O ein Sauerstoffatom, welches die Monomereinheit mit einem benachbarten Siliziumatom im Organosiloxan verknüpft.
  • Vorzugsweise weist das erste Organosiloxan wenigstens zwei Monomereinheiten der allgemeinen Formel (I) auf. Weiterhin kann das erste Organosiloxan durchschnittlich 2 bis 2000, bevorzugt 20 bis 1000 Monomereinheiten der allgemeinen Formel (I) aufweisen.
  • Das zweite Organosiloxan weist vorzugsweise eine oder mehrere Monomereinheiten der allgemeinen Formel (II)
    Figure DE102015101748A1_0003
    auf, wobei R4 und R5 unabhängig voneinander ein C1-C10 Alkyl oder Aryl, ein Wasserstoff oder *––O ist.
  • Vorzugsweise ist R4 und R5 jeweils unabhängig voneinander Methyl, Ethyl, Propyl oder Phenyl. In einer weiteren bevorzugten Monomereinheit ist wenigstens einer von R4 und R5 Wasserstoff oder *––O. Zum Beispiel kann R4 Methyl, Ethyl, Propyl oder Phenyl sein und R5 Wasserstoff oder *––O. In bestimmten Monomereinheiten können auch R4 und R5 beide Wasserstoff oder *––O sein. Insbesondere können auch Kombinationen der genannten Monomereinheiten im zweiten Organosiloxan vorhanden sein.
  • Das zweite Organosiloxan weist vorzugsweise wenigstens zwei Monomereinheiten der Formel (II) auf. Das zweite Organosiloxan kann auch durchschnittlich 2 bis 3000, bevorzugt 20 bis 1000 Monomereinheiten der allgemeinen Formel (II) aufweisen.
  • Die Gesamtzahl von Siliziumatomen im ersten und zweiten Organosiloxan beträgt vorzugsweise 2 bis 3000, bevorzugt 20 bis 1000.
  • Das Alkoxysilan weist vorzugsweise eine allgemeine Formel (III) [R6(CH2)a]bHcSi(OR7)d auf. Hierin ist R6 ein C2-C10 Epoxyalkyl oder Epoxyalkoxy, und R7 ein C1-C18 Alkyl oder Aryl, a = 0 bis 10, b = 1, 2 oder 3, c = 0, 1 oder 2, d = 1, 2 oder 3, und es gilt a + b + c + d = 4.
  • R6 ist vorzugsweise glycidoxy oder epoxycyclohexyl.
  • R7 ist vorzugsweise ein C1-C4 Alkyl, insbesondere Methyl.
  • Vorzugsweise ist a 1 bis 4; b ist vorzugsweise 1; c ist vorzugsweise 0; d ist vorzugsweise 3.
  • In einer bevorzugten Variante ist das Alkoxysilan ein (Epoxyalkoxy)alkyltrialkoxysilan. Besonders bevorzugt ist gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante ist das Alkoxysilan ein (Epoxycycloalkyl)alkyltrialkoxysilan. Besonders bevorzugt sind beta-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan und beta-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltriethoxysilan.
  • Weiterhin sind auch Mischungen der genannten Alkoxysilane möglich.
  • Vorzugsweise ist das Alkoxysilan in einem Anteil von 0,1 bis 20 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung vorhanden. Weiterhin bevorzugt sind 1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt sind 2 bis 5 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konnten feststellen, dass in diesen Bereichen besonders vorteilhafte Eigenschaften des Polyorganosiloxans nach der Härtung erreicht werden, insbesondere hinsichtlich der optischen Eigenschaften, dem Verhalten gegenüber Feuchte und Temperatur sowie der Abscherfestigkeit.
  • Vorzugsweise ist das erste Organosiloxan in einem Anteil zwischen 50 und 99 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung vorhanden. Bevorzugt liegt der Anteil des ersten Organosiloxans zwischen 70 und 95 Gew.-%. Besonders bevorzugt ist ein Anteil des ersten Organosiloxans zwischen 80 und 90 Gew.-%.
  • Das zweite Organosiloxan ist vorzugsweise in einem Anteil zwischen 0,5 und 30 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung vorhanden. Bevorzugt liegt der Anteil des zweiten Organosiloxans zwischen 2 und 20 Gew.-%. Besonders bevorzugt ist ein Anteil des zweiten Organosiloxans zwischen 5 und 10 Gew.-%.
  • Überraschenderweise haben die Erfinder innerhalb der oben stehenden Bereiche besonders vorteilhafte mechanische und thermomechanische Eigenschaften des Polyorganosiloxans festgestellt. Gleichzeitig lässt sich die Zusammensetzung gut verarbeiten, weist eine geringe Blasenbildung beim Härten auf und führt zu einer geringen Klebrigkeit der Oberfläche des Polyorganosiloxans.
  • Gleichzeitig konnten die Erfinder eine verbesserte Härte des Polyorganosiloxans gegenüber konventionellen Silikonen erreichen. Insbesondere kann das Polyorganosiloxan eine Härte nach Shore A von wenigstens 40 aufweisen. Die Shore A-Härte kann auch wenigstens 42, 43, 44 oder wenigstens 45 betragen. Die Shore A-Härte wird hierbei unter den Standardbedingungen für die Messung physikalischer Größen, insbesondere einer Maßbezugstemperatur von 20°C, über die Eindruckhärte mit einem Härteprüfgerät nach DIN 53505, ASTM D 676 bestimmt.
  • Der Halbleiter kann einen strahlungsemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Halbleiter umfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei einem strahlungsemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Halbleiter um eine lichtemittierende Diode (LED), eine organische Leuchtdiode (OLED), einen optoelektronischen Sensor oder ein phototoaktives Element wie zum Beispiel eine Solarzelle.
  • Es ist möglich, dass das optoelektronische Bauelement in diesem Fall zusätzlich ein strahlungsdurchlässiges Element umfasst, welches in einem Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter emittierten beziehungsweise vom Halbleiter detektierten Strahlen angeordnet ist und das Polyorganosiloxan umfasst. Das strahlungsdurchlässige Element kann auch aus dem Polyorganosiloxan bestehen.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem strahlungsdurchlässigen Element um einen Verguss handeln. Der Verguss kann in direktem Kontakt mit dem Halbleiter stehen, zum Beispiel kann der Halbleiter wenigstens teilweise von dem Verguss umschlossen sein. Im Kontaktbereich zwischen dem Verguss und dem Halbleiter kann eine besonders hohe thermische Belastung und Strahlenbelastung auftreten. Das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan ist überraschend stabil auch bei direktem Kontakt mit dem strahlungsemittierenden beziehungsweise strahlungsdetektierenden Halbleiter und gewährleistet trotz der hohen Beanspruchung eine hohe Zuverlässigkeit des Bauelements.
  • Das strahlungsdurchlässige Element kann auch eine Linse umfassen. Hierbei ist von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan eine hohe mechanische Festigkeit und Witterungsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Transparenz aufweist.
  • Das strahlungsdurchlässige Element kann ferner ein Lichtkonversionselement umfassen. Das Lichtkonversionselement umfasst üblicherweise das Polyorganosiloxan und einen Zusatzstoff, insbesondere einen Wellenlängenkonversionsstoff, welcher die vom Halbleiter emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine längerwellige, also niederenergetischere, Strahlung überführt. Das strahlungsdurchlässige Element kann auch aus dem Polyorganosiloxan und dem Zusatzstoff bestehen.
  • Eine Linse und ein Lichtkonversionselement können jeweils auch vom Halbleiter beabstandet im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster angeordnet sein.
  • Es ist auch möglich, dass Kombinationen der oben genannten strahlungsdurchlässigen Elemente in dem optoelektronischen Bauelement vorhanden sind.
  • Das strahlungsdurchlässige Element mit einer Schichtdicke von 1 mm weist in einem Wellenlängenbereich von 360 bis 1100 nm vorzugsweise eine Transmission von wenigstens 70%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 85%, auf.
  • Das optoelektronische Bauelement kann zusätzlich ein strahlungsreflektierendes Element aufweisen, welches zumindest teilweise seitlich oder gegenüber von einer strahlungsemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche des Halbleiters angeordnet ist und das Polyorganosiloxan und eine strahlungsreflektierende Komponente umfasst. Das strahlungsreflektierende Element kann auch aus dem Polyorganosiloxan und der strahlungsreflektierenden Komponente bestehen. Bei der strahlungsreflektierenden Komponente kann es sich beispielsweise um strahlungsreflektierende Partikel aus anorganischen Oxiden wie zum Beispiel TiO2 handeln. Auf diese Weise kann die strahlungsreflektierende Komponente hochreflektierend eingefärbt werden.
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan eine besonders gute Haftung an Füllstoffe wie TiO2, Al2O3 oder Wollastonit aufweist und somit Degradationseffekte an der Siloxan-Füllstoff-Grenzfläche wirksam verhindert.
  • Vorzugweise weist das strahlungsreflektierende Element mit einer Schichtdicke von 1 mm in einem Wellenlängenbereich von 360 bis 1100 nm eine Reflexion von wenigstens 80%, bevorzugt wenigstens 90%, besonders bevorzugt wenigstens 95%, auf.
  • Das optoelektronische Bauelement weist vorzugsweise einen Gehäusekörper auf. Der Gehäusekörper umgibt den Halbleiter zumindest stellenweise. Der Gehäusekörper umfasst das Polyorganosiloxan oder kann auch aus diesem bestehen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das optoelektronische Bauelement einen Träger, wobei der Halbleiter mittels eines Haftvermittlers auf dem Träger angeordnet ist. Der Haftvermittler enthält das Polyorganosiloxan oder kann auch aus diesem bestehen. Ein Träger kann auch Teil des oben genannten Gehäuses sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Polyorganosiloxan eine zuverlässige Haftvermittlung zwischen dem Halbleiter und dem Träger gewährleistet, welcher sich in einer besonders hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Bauelements äußert.
  • Vorzugsweise weist der Haftvermittler (bzw. Klebstoff, Leitkleber oder Montagewerkstoff) zwischen dem Halbleiter und dem Träger eine Schichtdicke zwischen 1 und 100 μm, bevorzugt zwischen 5 und 20 μm auf.
  • Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement ein metallisches und/oder keramisches Material auf, wobei das Polyorganosiloxan zumindest in einem Teilbereich das metallische und/oder keramische Material kontaktierend angeordnet ist. Typische Beispiele für metallische und/oder keramische Materialien in optoelektronischen Bauelementen sind eine oder mehrere metallische Stromzuleitungen, ein metallischer Halter, Reflektor, Bonddraht oder Wärmeableiter. Ein Beispiel für ein keramisches Material ist, neben den bereits oben genannten Füllstoffen, eine keramische Leiterplatte.
  • Gegenüber herkömmlichen Silikonen weist das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan eine verbesserte Haftfestigkeit an diesen Materialien insbesondere nach Temperatur und Feuchtebelastung auf, sodass die Verbundstabilität innerhalb des Bauelements verbessert wird.
  • Das metallische Material kann insbesondere Ag, Au und/oder Cu umfassen. Das keramische Material kann zum Beispiel Al2O3, Si3N4 oder AlN aufweisen.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements wie oben beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Bereitstellen des Halbleiters und der Zusammensetzung,
    • – thermisches Vernetzen der Zusammensetzung zum Polyorganosiloxan.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren weist das erste Organosiloxan bei 20°C vorzugsweise eine mittlere dynamische Viskosität von höchstens 100000 Millipascalsekunden (mPa·s) auf. Bevorzugt ist eine mittlere dynamische Viskosität von höchstens 50000 mPa·s, besonders bevorzugt höchstens 20000 mPa·s.
  • Das zweite Organosiloxan weist bei 20°C vorzugsweise eine mittlere dynamische Viskosität von höchstens 100000 mPa·s, bevorzugt höchstens 35000 mPa·s, besonders bevorzugt höchstens 15000 mPa·s auf.
  • Die Zusammensetzung weist bei 20°C vorzugsweise eine mittlere dynamische Viskosität höchstens 100000 mPa·s, vorzugsweise höchstens 50000, besonders bevorzugt höchstens 20000 mPa·s auf.
  • Diese Eigenschaften führen zu einer verbesserten Verarbeitbarkeit der Zusammensetzung. Gießen, Spritzgießen, Folien- oder Schlauch-Extrusion sind nur einige Beispiele von möglichen Verarbeitungstechniken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zusammensetzung bei einer Temperatur von 60°C bis 180°C für eine Dauer von 5 Minuten bis 240 Minuten, bevorzugt 80°C bis 150°C für eine Dauer von 5 Minuten bis 120 Minuten, thermisch vernetzt. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Nachhärteprozess von 60 min bis 120 min bei 120°C bis 150°C verwendet werden. Dem Fachmann sind verschiedene metallorganische Katalysatoren auf Pt- und/oder RH-Basis bekannt, die zur Silikonvernetzung herangezogen werden können.
  • Es ist möglich, dass die Vernetzung der Zusammensetzung bereits vor der Zusammenführung mit dem Halbleiter erfolgt. Zum Beispiel kann zunächst ein Gehäuse und/oder ein Träger beziehungsweise ein Reflektor mit der Zusammensetzung ausgeformt und anschließend zum Polyorganosiloxan vernetzt werden. Anschließend wird der Halbleiter in dem Gehäuse beziehungsweise auf dem Träger oder dem Reflektor angeordnet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Zusammenführung der Zusammensetzung und des Halbleiters auch vor der Vernetzung stattfinden. Beispielsweise kann der Halbleiter, gegebenenfalls nach dessen Anordnung in einem Gehäuse oder auf einem Träger oder Reflektor, mit der Zusammensetzung vergossen werden. Die Zusammensetzung kann auch zwischen dem Halbleiter und, soweit vorhanden, dem Gehäuse oder Träger als Haftmittel angeordnet werden. Ferner kann die Zusammensetzung im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlung als Linse und/oder Lichtkonversionselement ausgeformt werden. Erst anschließend erfolgt die Vernetzung der Zusammensetzung zum Polyorganosiloxan.
  • Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass auch mehrere der oben genannten Schritte kombiniert werden können.
  • Auf diese Weise ist es möglich, das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement mit geringem Aufwand und kostengünstig zu fertigen. Das Verfahren ist zeitsparend und geeignet für den großtechnischen Maßstab Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und Ausführungsbeispiele.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften optoelektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Polyorganosiloxan in einem oder mehreren der gezeigten Komponenten enthalten sein kann oder aus diesem besteht.
  • 2 eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres beispielhaftes optoelektronisches Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Polyorganosiloxan in einem oder mehreren der gezeigten Komponenten enthalten sein kann oder aus diesem besteht.
  • 3 eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres beispielhaftes optoelektronisches Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Polyorganosiloxan in einem oder mehreren der gezeigten Komponenten enthalten sein kann oder aus diesem besteht.
  • 4 zeigt die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zur Abscherfestigkeit von herkömmlichem zweikomponentigem, additionsvernetzendem Silikon und dem Polyorganosiloxan der vorliegenden Erfindung auf metallischen und keramischen Substratoberflächen.
  • Ein beispielhaftes optoelektronisches Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 vereinfacht als schematische Schnittdarstellung dargestellt. Das Bauelement kann einen Gehäusekörper (3) umfassen, welcher einen optoelektronischen strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiter (1) mit einer strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche (2) teilweise umgibt. Der Halbleiter (1) ist beispielsweise über einen Haftvermittler (5) mit dem Gehäusekörper (1) verbunden. Im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlen kann ein Verguss (4) angeordnet sein. Der Verguss kann auch zur strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Außenoberfläche des Bauelements hin kuppel- bzw. linsenförmig ausgeformt sein. In dem Verguss kann auch ein Zusatzstoff, beispielsweise ein Farb- oder Leuchtstoff, zum Beispiel ein Wellenlängenkonversionsstoff, enthalten sein.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des optoelektronischen Bauelements. Es sind die gleichen Elemente wie in 1 enthalten, wobei zusätzlich eine Linse (6) separat von dem Verguss (4) ausgeformt ist. Die Linse kann ebenso wie der Verguss Zusatzstoffe enthalten.
  • Es können auch weitere Elemente vorhanden sein, wie in 3 gezeigt. Beispielsweise kann im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlen ein Lichtkonversionselement (7) angeordnet sein. Weiterhin können strahlungsreflektierende Elemente (8) und (9) teilweise seitlich und gegenüber der strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche (2) des Halbleiters (1) angeordnet sein.
  • Eine oder mehrere der gezeigten Komponenten (3) bis (9) können jeweils erfindungsgemäße Polyorganosiloxan enthalten oder aus diesem bestehen. Des Weiteren ist für den Fachmann leicht ersichtlich, dass nicht alle der gezeigten Komponenten vorhanden sein müssen, sondern dass auch verschiedene Kombinationen und Unterkombinationen der gezeigten Komponenten vorhanden sein können.
  • Es wurden verschiedene Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Polyorganosiloxans mit einer herkömmlichen Zusammensetzung verglichen (Tabelle 1). Bei den Organosiloxanen handelte es sich um thermisch härtbare, additionsvernetzende Zweikomponentensilikone, wie etwa 2K-Silikon von Shin-Etsu. Als beispielhaftes Alkoxysilan wurde gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (CAS 2530-83-8) verwendet, im Folgenden auch als Epoxysilan bezeichnet. Tabelle 1: Getestete Zusammensetzungen von Epoxysilanmodifiziertem Polyorganosiloxan. Die Zusammensetzung mit 0 Gew.-% Epoxysilan wurde als Referenz verwendet.
    Komponente Anteil in der Zusammensetzung
    Erstes Organosiloxan 10,0 9,8 9,5 9,0 8,0
    Zweites Organosiloxan 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
    Epoxysilan - 0,2 0,5 1,0 2,0
    Epoxysilan in Gew.-% (Jeweils in Bezug auf die Summe des Ersten Organosiloxans und Epoxysilans) 0 2 5 10 20
  • Die Zusammensetzungen wurden jeweils für eine Stunde bei 150°C gehärtet. Anschließend wurden die Eigenschaften der erhaltenen Polyorganosiloxane bestimmt (Tabelle 2). Tabelle 2: Eigenschaften der Polyorganosiloxane nach der Härtung. Die Transmissionsabnahme wurde zwischen 800 und 300 nm mit einem UV-VIS-Spektrometer der Firma Perkin Elmer bei Raumtemperatur gemessen. Die Formstoffe waren ca. 1 mm dick und wurden in einer Teflonform hergestellt. Die Shore A Härte wurde mit einem Härteprüfgerät nach DIN 53505, ASTM D676 bei Raumtemperatur bestimmt.
    Epoxysilan in Gew.-%
    0 2 5 10 20
    Visuelle Beurteilung Transparent Transparent Schwach trüb Trüb Trüb
    Transmissionsabnahme 7% 11% 21% 21% 30%
    Blasenbildung beim Härten Gering Gering Gering Gering Gering
    Klebrigkeit Gering Gering Gering Gering Gering
    Shore A Härte 41 42 45 45 46
  • Das Verhalten der erfindungsgemäßen Polyorganosiloxane gegenüber Feuchte und Temperatur ist beispielhaft anhand des Polyorganosiloxans mit 2 Gew.-% Epoxysilan in Tabelle 3 gezeigt. Als Referenz sind die Messwerte für das unmodifizierte Silikon gezeigt. Tabelle 3: Verhalten gegenüber Feuchte und Temperatur
    Gewichtsänderung in % Alkoxysilan in Gew.-%
    0 2
    nach einer Woche bei 85°C und 85% ralativer Feuchte +0,12 +0,02
    nach Rückrtocknung +0,12 Keine Änderung
    Nach 6 Wochen bei 150°C 1,51 1,39
  • Aus den Messwerten ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan mit dem Epoxysilan gegenüber dem herkömmlichen Silikon ohne Epoxysilan eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme und einen geringeren Masseverlust bei Temperaturbelastung aufweist und somit eine verbesserte Witterungsbeständigkeit gewährleistet.
  • Die Untersuchung des thermischen Ausdehnungsverhaltens hat ergeben, dass das erfindungsgemäße Polyorganosiloxans zum Beispiel bei einem Epoxysilananteil von 2 Gew.-% bei einer Heizrate von 3 K/min eine thermische Ausdehnung von 483 ppm/K aufweist, während ohne den erfindungsgemäßen Epoxysilanzusatz die thermische Ausdehnung 512 ppm/K beträgt. Die Heizrate bei der Messung betrug 3 K/min unter He; die Werte beziehen sich auf den Temperaturbereich von –50 bis 260°C. Aus der geringeren thermischen Ausdehnung des erfindungsgemäßen Polyorganosiloxans ergeben sich Vorteile für die Verbundstabilität des optoelektronischen Bauelements.
  • Schließlich wurde die Abscherfestigkeit des erfindungsgemäßen Polyorganosiloxans mit 2 Gew.-% Epoxysilanzusatz untersucht. Zu diesem Zweck wurde die Zusammensetzung als Haftvermittler in einer Schichtstärke von 10 μm zwischen einem Quarzglaswürfel (2 × 2 mm) und einer Trägerschicht angeordnet und für eine Stunde bei 150°C gehärtet. Als Trägerschichten wurden jeweils Kupfer-, Silber- und Goldschichten sowie eine Aluminiumoxidkeramik verwendet. Als Referenz diente die Abscherfestigkeit des konventionellen Silikons ohne Epoxysilanzusatz.
  • Die Ergebnisse sind in 4 dargestellt. Das Säulendiagramm zeigt die Abscherfestigkeit in MPa des herkömmlichen Silikons und des erfindungsgemäßen Polyorganosiloxans jeweils im Ausgangszustand sowie nach sechs Wochen Auslagerung bei 150°C beziehungsweise 168 Stunden bei 85°C und 85% relativer Feuchte in Abhängigkeit vom Trägermaterial. Die Werte repräsentieren jeweils die Mittelwerte aus zehn unabhängigen Messungen.
  • Aus den Messungen ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Polyorganosiloxan eine verbesserte Haftung an die getesteten Oberflächen sowohl im Ausgangszustand als auch nach Temperatur- beziehungsweise Feuchteauslagerung aufweist. Aus der verbesserten Haftung ergeben sich besondere Vorteile für die Verbundstabilität und Zuverlässigkeit von mit dem erfindungsgemäßen Polyorganosiloxan hergestellten optoelektronischen Bauelementen.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 53505 [0033]
    • ASTM D 676 [0033]

Claims (19)

  1. Optoelektronisches Bauelement mit einem optoelektronischen Halbleiter (1) und einem Polyorganosiloxan erhältlich durch Vernetzung einer Zusammensetzung umfassend – ein erstes Organosiloxan mit wenigstens einer endständigen Vinylgruppe, – ein zweites Organosiloxan mit wenigstens einer Silizium-Wasserstoff-Bindung und – ein Epoxysilan mit wenigstens einer Epoxygruppe.
  2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das erste Organosiloxan eine oder mehrere Monomereinheiten der allgemeinen Formel (I)
    Figure DE102015101748A1_0004
    aufweist, wobei R1 ein C2-C18 Alkenyl, vorzugsweise Vinyl ist, und R2 und R3 unabhängig voneinander ein C1-C18 Alkyl oder Aryl, ein C2-C18 Alkenyl oder *––O ist.
  3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Organosiloxan eine oder mehrere Monomereinheiten der allgemeinen Formel (II)
    Figure DE102015101748A1_0005
    aufweist, wobei R4 und R5 unabhängig voneinander ein C1-C10 Alkyl oder Aryl, ein Wasserstoff oder *––O ist.
  4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Epoxysilan eine allgemeine Formel [R6(CH2)a]bHcSi(OR7)d aufweist, wobei R6 ein C2-C10 Epoxyalkyl oder Epoxyalkoxy umfasst, R7 ein C1-C18 Alkyl oder Aryl ist, und a = 0 bis 10, b = 1, 2 oder 3, c = 0, 1 oder 2, d = 1, 2 oder 3 und a + b + c + d = 4 ist.
  5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Epoxysilan ein (Epoxyalkoxy)alkyltrialkoxysilan, insbesondere gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, und/oder (Epoxycycloalkyl)alkyltrialkoxysilan, insbesondere beta-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan und beta-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltriethoxysilan, umfasst.
  6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Epoxysilan in einem Anteil von 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung vorhanden ist.
  7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polyorganosiloxan eine Härte nach Shore A von wenigstens 20, vorzugsweise wenigstens 40, aufweist.
  8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Halbleiter (1) einen strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Halbleiter ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus lichtemittierende Diode (LED), organische Leuchtdiode (OLED), optoelektronischer Sensor und photoaktives Element umfasst.
  9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8, zusätzlich umfassend ein strahlungsdurchlässiges Element, welches in einem Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlen angeordnet ist und das Polyorganosiloxan umfasst oder aus diesem besteht.
  10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei das strahlungsdurchlässige Element aus der Gruppe bestehend aus einem Verguss (4), einer Linse (6) und einem Lichtkonversionselement (7) ausgewählt ist.
  11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, zusätzlich umfassend ein strahlungsreflektierendes Element (8, 9), welches zumindest teilweise seitlich oder gegenüber einer strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche (2) des Halbleiters (1) angeordnet ist und das Polyorganosiloxan und eine strahlungsreflektierende Komponente umfasst oder aus diesen besteht.
  12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zusätzlich umfassend einen Gehäusekörper (3), wobei der Gehäusekörper (3) den Halbleiter (1) zumindest stellenweise umgibt und das Polyorganosiloxan umfasst oder aus diesem besteht.
  13. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zusätzlich umfassend einen Träger, wobei der Halbleiter (1) mittels eines Haftvermittlers (5) auf dem Träger angeordnet ist und der Haftvermittler (5) das Polyorganosiloxan enthält oder aus diesem besteht.
  14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Bauelement ein metallisches und/oder keramisches Material, insbesondere Ag, Au, Cu und/oder Al2O3, AlN, Si3N4, SiC, GaN aufweist und das Polyorganosiloxan zumindest in einem Teilbereich das metallische und/oder keramische Material kontaktierend angeordnet ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte – Bereitstellen des Halbleiters (1) und der Zusammensetzung, – thermisches Vernetzen der Zusammensetzung zum Polyorganosiloxan.
  16. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei das erste Organosiloxan bei 20°C eine mittlere dynamische Viskosität von höchstens 100000 Millipascalsekunden (mPa·s), bevorzugt höchstens 50000 mPa·s, besonders bevorzugt höchstens 20000 mPa·s aufweist und/oder das zweite Organosiloxan bei 20°C eine mittlere dynamische Viskosität von höchstens 100000 mPa·s, bevorzugt höchstens 35000 mPa·s, besonders bevorzugt höchstens 15000 mPa·s aufweist.
  17. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Zusammensetzung bei 20°C eine mittlere dynamische Viskosität höchstens 100000 mPa·s, vorzugsweise höchstens 50000, besonders bevorzugt höchstens 20000 mPa·s aufweist.
  18. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Bauelement ferner ein wärmeabführendes Element mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,5 bis 15 W/mK umfasst, welches als Schicht auf einem metallischen oder keramischen Träger aufgebracht ist und/oder zusätzlich einen Gehäusekörper und das Polyorganosiloxan umfasst oder aus diesem besteht und eine wärmeleitende Komponente, vorzugsweise Al2O3, beinhaltet.
  19. Verwendung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für Anwendungen im Außenbereich.
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