DE102016115907A1

DE102016115907A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102016115907A1
Application number: DE102016115907.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wenderoth; Ulf Betke; Guido Kickelbick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Also published as: DE112017004289A5; JP2019528349A; WO2018036883A1; US10910531B2; US20190207067A1; WO2018036883A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100), das zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, aufweisend ein optisches Element (50), das ein Silikon als Polymermaterial umfasst, wobei das Silikon Wiederholeinheiten aus einem cyclischen Siloxan und einem linearen Siloxan aufweist, die abwechselnd angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
In optoelektronischen Bauelementen, zum Beispiel lichtemittierenden Dioden (LEDs), werden häufig Silikone für optische Elemente, zum Beispiel für einen Verguss verwendet. Silikone können beispielsweise durch die Vernetzung von 1,3,5,7-Tetramethylcyclotetrasiloxan (D₄ ^H) mit 1,3,5,7-Tetramethyl-1,3,5,7-Tetravinylcyclotetrasiloxan (D₄ ^Vi) vernetzt werden, woraus hochtransparente temperaturstabile, jedoch spröde glasartige Silikone entstehen. Zum anderen können vernetzende Silikone als Zweikomponentensysteme erzeugt werden, die in der Regel weicher und flexibler sind, dafür aber verglichen mit den reinen ringförmigen Siloxanen niedrigere thermische Stabilitäten aufweisen. Diese Nachteile können beispielsweise durch die Kombination von ringförmigen Siloxanen und linearen Siloxanen überwunden werden. Dadurch kann die Stabilität des Silikons und dessen Flexibilität erhöht werden, das zudem eine bessere Temperaturbeständigkeit als gängige kommerzielle Silikonprodukte aufweist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit einem optischen Element bereitzustellen, das stabil gegenüber Umwelteinflüssen ist und gleichzeitig eine hohe Flexibilität aufweist. Ferner ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das das oben beschriebene optoelektronische Bauelement mit einer hohen Stabilität und einer hohen Flexibilität erzeugt.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch das optoelektronische Bauelement gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner wird zumindest eine Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 14 und 15.
In zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement zur Emission von Strahlung eingerichtet. Das optoelektronische Bauelement weist ein optisches Element auf. Das optische Element umfasst als Polymermaterial ein Silikon. Das Silikon weist Wiederholeinheiten aus einem cyklischen Siloxan und einem linearen Siloxan auf, die abwechselnd angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode (LED). Das optoelektronische Bauelement ist zur Emission von Strahlung eingerichtet. Mit anderen Worten emittiert das Bauelement im Betrieb Strahlung, insbesondere aus dem sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise weißes Mischlicht.
Im Folgenden kann das optoelektronische Bauelement auch kurz als Bauelement bezeichnet werden. Silikone können auch als Polysiloxane bezeichnet werden. Vorzugsweise werden als Silikone Polyorganosiloxane oder Polyalkylarylsiloxane bezeichnet. Dass ein Silikon eine Wiederholeinheit oder Wiederholeinheiten aus einem cyklischen Siloxan und einem linearen Siloxan aufweist, die abwechselnd (zueinander) angeordnet sind, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass das Silikonrückgrat alternierende Einheiten aus einem cyclischen Siloxan und einem linearen Siloxan aufweist, die kovalent miteinander verknüpft sind.
Bei den cyklischen Siloxanen wird die cyklische Struktur aus Si-O Einheiten gebildet. Vorzugsweise weisen die cyklischen Siloxane mindestens drei oder vier Si-O Einheiten auf. Die Siliziumatome in dem cyclischen Siloxan können weiterhin mit Resten beispielsweise mit den Resten R₁₂ bis R₁₅ substituiert sein. Die Reste können unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sein, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfasst.
Bei den linearen Siloxanen wird die lineare Struktur aus Si-O Einheiten gebildet. Mit anderen Worten bilden lineare Siloxane keine cyclische Ringstruktur. Die linearen Strukturen können verzweigt oder unverzweigt sein. Beispielsweise können lineare Ketten am Siloxangerüst abzweigen, diese können Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfassen oder Siloxane.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen cyclische Siloxane die folgende Struktureinheit auf:
Die Reste R₁₂, R_12‘, R₁₃, R₁₄, R₁₅, R_15‘ können unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sein, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfasst. m kann zwischen 1 und 3, vorzugsweise 2 sein. Die Verzweigung des cyclischen Siloxans kann über R₁₂ oder R_12‘ und/oder R₁₅ oder R_15‘ erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die cyclischen Siloxane vernetzt und weisen die folgende Struktureinheit auf:
Die Reste R₁₂ bis R₁₅ können unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sein, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfasst. Alternantiv oder zusätzlich kann die Position R₁₄ verzweigt sein. Es kann an jedem Si-Atom eine Verzweigung auftreten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen lineare Siloxane die folgende Struktureinheit auf:
Die Reste R₂ bis R₇ können unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sein, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden aus Wiederholeinheiten von cyklischen Siloxanen und linearen Siloxanen das Silikon gebildet. Vorzugsweise weist das Silikon die folgende Strukturformel auf:

– wobei R₁ bis R₁₈ unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sind, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl, Siloxan und Aryl umfasst,
– n zwischen 1 und 1000, vorzugsweise 1 und 200 oder 1 bis 15 oder 1 bis 5, ausgewählt ist,
– m zwischen 1 und 3, vorzugsweise 2, ausgewählt ist, und
– r zwischen 1 und 100, vorzugsweise 1 bis 20, ausgewählt ist.

Im Fortgang der Reste R₁ und R₁₈ können zusätzliche Vernetzungsstellen auftreten.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Einheiten von cyklischen Siloxanen und die Einheiten von linearen Siloxanen durch Hydrosilylierung miteinander verbunden.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Vernetzung von Oligomeren oder molekularen Silikonspezies, vorzugsweise durch Kombination von Einheiten aus cyklischen Siloxanen mit linearen Siloxanen ein Silikon als Polymermaterial erzeugt werden kann, das eine thermische Stabilität und zugleich Flexibilität aufweist, wodurch das Silikon als optisches Element von optoelektronischen Bauelementen hervorragend eingesetzt werden kann. Die Silikone können durch Hydrosilylierung erzeugt werden, so dass also die eine Einheit der Siloxane eine oder mehrere C = C Doppelbindungen, beispielsweise Si-Vinyleinheiten, und die andere Einheit der Siloxane ein Silan mit Si-H Einheiten aufweist, die miteinander addieren und das Silikon bilden. Die Hydrosilylierungsreaktion kann nach folgender Reaktion erfolgen:
Das Reaktionsprinzip wird in vielen als kommerziell erhältlichen Produkten beispielsweise von den Firmen Wacker, ShinEtsu, Dow Corning ausgenutzt, um beispielsweise transparente Verkapselungsmaterialien für optoelektronische Bauelemente oder andere optoelektronische Anwendungen herzustellen. Die kommerziellen Reaktionsmischungen beinhalten größtenteils lineare Polysiloxane mit vinyl- beziehungsweise hydridfunktionalisierten Endgruppen sowie diverse Zusätze wie beispielsweise Haftvermittler oder in den Seitenketten modifizierte Moleküle um einen höheren Vernetzungsgrad zu erhalten. Dieser hat zum Beispiel einen Einfluss auf die Haptik der Produkte oder der Silikone, beispielsweise ob diese gummiartig oder spröde sind, sowie auf die thermische Beständigkeit des Materials.
Lineare Siloxane können sich in der Regel über den intramolekularen Backbitingmechanismus abbauen (siehe folgende Reaktionsgleichung). Typische Siloxane zeigen bereits ab 200 °C Anzeichen für Alterung durch die thermische Belastung.
Alternativ zu dem hier beschriebenen Silikon können auch Silikone verwendet werden, die beide eine cyklische Struktur aufweisen. Der Nachteil ist jedoch, dass dadurch vergleichsweise starke Quervernetzungen entstehen, die bei Kombination dieser Komponenten ein sehr hartes, sprödes und glasartiges Produkt erzeugen, das allerdings unter Stickstoffatmosphäre bis zu 500 °C stabil ist. Beispielsweise können folgende cyklische Siloxane D₄ ^H (rechts) oder D₄ ^Vi (links) verwendet werden.
Um den Abbau von linearen Siloxanen zu verlangsamen oder zu verhindern muss das Backbiting unterbunden werden. Dies sollte durch eine Quervernetzung möglich sein, die die intramolekulare Bildung von cyclischen Abbauprodukten hemmt. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch die Verwendung von cyclischen Siloxanen und linearen Siloxanen zur Bildung eines Silikons ein optisches Element für ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt werden kann, das eine hohe thermische Stabilität und Vernetzung des Silikons aufweist und gleichzeitig eine sehr gute Flexibilität für die Anwendung in LEDs zeigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist R₁ eine Vinylgruppe oder ein vinylhaltiger Rest und/oder R₁₈ ein Wasserstoff oder Si-Wasserstoff. Mit anderen Worten sind damit die R₁ und R₁₈ Reste zur Hydrosilylierung geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist m = 2. Mit anderen Worten kann damit ein cyclisches Siloxan bereitgestellt werden, das vier Si-O Einheiten aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist m = 2, R₁ ein vinylumfassender Rest und R₁₂ bis R₁₅ jeweils H oder CH₃. Insbesondere weist damit das Silikon folgende Struktur auf:
Die Vernetzung kann alternativ oder zusätzlich über R₁₂, R₁₃, R₁₄ und/oder R₁₅ erfolgen. R₂ bis R₁₇ und R_14‘ können das gleiche wie oben beschrieben für R₁ bis R₁₈ bedeuten. Die H-Reste können auch Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl, Siloxan oder Aryl sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden das cyclische Siloxan und das lineare Siloxan in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:10, vorzugsweise stöchiometrisch 1:1, gemischt. Das resultierende Silikon weist abwechselnde Wiederholeinheiten aus cyclischen Siloxanen und linearen Siloxanen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Element als Verguss ausgebildet und umgibt einen Halbleiterchip. Der Halbleiterchip kann von dem Verguss beziehungsweise dem optischen Element auch unmittelbar umhüllt sein. Aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften des Silikons, das sowohl thermisch sehr stabil als auch flexibel ist, eignet sich dieses sehr gut zum Vergießen von Halbleiterchips. Vorzugsweise ist der Verguss für die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung durchlässig. Der Verguss kann in einer Ausnehmung eines Gehäuses eines optoelektronischen Bauelements angeordnet sein. Die Ausnehmung kann dann beispielsweise mit dem optischen Element als Verguss versiegelt sein und den Halbleiterchip vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen.
Bei dem Halbleiterchip kann es sich insbesondere um einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, zum Beispiel einen LED Chip, handeln. Dieser kann in Verbund mit einem Aufwachssubstrat vorliegen oder auch als Dünnfilmleuchtdiodenchip ausgeführt sein. Beispiele für Dünnfilmleuchtdiodenchips sind in der EP 0905792 A2 und in WO 02/13281 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden. Der Halbleiterchip kann Halbleitermaterialien aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III–V-Verbindungshalbleitermaterial. Das Halbleitermaterial kann bevorzugt auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren. "Auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise In_xAl_yGa_1-x-yN umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des In_xAl_yGa_1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb der Konversions-Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder das Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optische Element eine Linse oder ist als Linse ausgeformt. Das optische Element kann dabei eine separat erzeugte Linse sein, die nachträglich auf dem Bauelement angeordnet wird. Es kann zum Beispiel ein Kleber verwendet werden, um die Linse auf dem optischen Element zu befestigen. Eine solche Linse kann beispielsweise in einer Form gegossen und gehärtet sein. Das optische Element kann jedoch auch, wie oben beschrieben, ein Verguss sein, der den Halbleiterchip umhüllt und zumindest teilweise zur Linse ausgeformt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Element als Reflektor ausgeformt. Alternativ oder zusätzlich kann das optische Element auch einen reflektierenden Füllstoff enthalten. Das optische Element kann beispielsweise 10 bis 80 Gewichts%, insbesondere 20 bis 60 Gewichts%, reflektierende Füllstoffe enthalten. Als reflektierende Füllstoffe können beispielsweise Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Kombinationen hiervon verwendet werden. Der Reflektor kann beispielsweise auf der Oberfläche der Ausnehmung angeordnet sein und somit die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung reflektieren und somit aus dem Bauelement auskoppeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in dem optischen Element Konvertermaterialien eingebettet. Konvertermaterialien sind dazu eingerichtet, die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter, meist längerer Wellenlänge, zu konvertieren. Die Wahl der Konvertermaterialien ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt, sodass sämtliche Konvertermaterialien, die zur Volumenkonversion geeignet sind, in dieser Ausführungsform Anwendung finden können. Beispiele für solche Konvertermaterialien sind in der WO 98/12757 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das Konvertermaterial kann als Bestandteil von Partikeln zum Beispiel zusammen mit Bindemitteln vorliegen. Die Partikel können auch aus dem Konvertermaterial bestehen. Die durch Konversion erzeugte Wärme kann aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit des Silikons beziehungsweise des Polymermaterials, die auf den hohen Vernetzungsgrad im Silikon zurückgeführt werden kann, gut abgeführt werden. Hierdurch wird ein stabiler Farbort für das von dem Bauelement emittierte Licht erhalten. Die Wärmeleitfähigkeit kann gegebenenfalls wie oben beschrieben durch wärmeleitende Partikel weiter erhöht werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Vorzugsweise wird mit diesem Verfahren das oben beschriebene optoelektronische Bauelement hergestellt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:

– Erzeugen eines optoelektronischen Elements, dazu:
– Bereitstellen eines ersten Materials umfassend ein cyclisches Siloxan,
– Bereitstellen eines zweiten Materials umfassend ein lineares Siloxan, wobei eines der beiden Siloxane ein Silan ist und das andere zumindest eine Doppelbindung aufweist,
– Zugabe eines Katalysators,
– Vernetzen des cyclischen Siloxans und des linearen Siloxans durch Hydrosilylierung zur Erzeugung des Silikons als Polymermaterial.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Vernetzung bei 100 bis 150 °C, beispielsweise bei 120°C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Katalysator ein Platinkatalysator. Vorzugsweise wird als Katalysator ein Karstedt- oder Ossko-Katalysator verwendet.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung des hier beschriebenen Silikons die positiven Eigenschaften verschiedener bereits bekannter Ansätze kombiniert werden können und das resultierende Silikon sich für optoelektronische Anwendungen eignet. Das hier beschriebene Silikon weist einen hohen Anteil an ringförmigen Molekülen auf und hat dadurch einen höheren Vernetzungsgrad als übliche Silikone. Der Anteil der ringförmigen Moleküle ist insbesondere abhängig von der Kettenlänge und/oder Molmasse der verwendeten linearen Siloxane. Vorzugsweise liegt der Anteil der ringförmigen Moleküle zwischen 5 und etwa 30 mol%.
Es kann damit ein optisches Element bereitgestellt werden, das eine hohe thermische Stabilität und gleichzeitig Flexibilität aufweist. Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement oder dem Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements können kommerzielle Produkte verwendet werden, die miteinander vernetzt werden, wodurch ein optisches Element gemäß der Erfindung bereitgestellt wird. Kommerzielle Systeme sind oft dadurch charakterisiert, dass sie in der Regel bereits für bestimmte Anwendungen optimiert und einfach in der Handhabung sind. Meist handelt es sich um Zweikomponentenkits, die neben der Vinyl- oder Hydridkomponente weitere Zusätze, wie den Katalysator, enthalten. Beide Komponenten werden in einem bestimmten Verhältnis vermischt und einem definierten Aushärteprogramm unterworfen. Insbesondere ist über die exakte Zusammensetzung, Kettenlänge oder andere molekulare Charakteristika meist nur schwer oder gar keine Information erhältlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann daher wie folgt mit kommerziellen Systemen verfahren werden. Zunächst kann aus den kommerziellen Systemen identifiziert werden, welches der Systeme eine vinyl- beziehungsweise hydridhaltige Komponente ist. Hierzu kann beispielsweise die IR-Spektroskopie durchgeführt werden. Anschließend kann festgelegt werden, welche der beiden Komponenten teilweise ersetzt beziehungsweise beaufschlagt werden soll. Da die kommerziellen Systeme eine undefinierbare oder unbestimmbare Zusammensetzung enthalten, ist die Berechnung der molaren Verhältnisse in der Regel nicht möglich. Daher wird das cyclische Additiv, also das cyclische Siloxan, in verschiedenen Gewichtsverhältnissen zugegeben und das Optimum empirisch untersucht. Um das Gesamtverhältnis konstant zu lassen, kann die jeweils andere Komponente entsprechend aufgestockt werden. Thermogravimetriekurven für derartige Systeme sind beispielsweise in der 1E gezeigt.
Alternativ kann die Vernetzung auch mit anderen molekularen oder oligo- oder polymeren Vorstufen erfolgen. Diese haben häufig den Vorteil, dass die Molmasse bekannt ist und daher ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Hydrid- und Vinylgruppen eingestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform können dabei die entsprechenden Komponenten oder Siloxane eingewogen werden und zirka 1 µl (für 5 bis 10 g Gesamtmenge) Platinkatalysatorlösung (etwa 2 bis 2,5 ppm Platin) zugegeben werden. Als Katalysator kann beispielsweise ein Karstedt- oder Ossko- Katalysator verwendet werden. Die Siloxane und der Katalysator werden vermischt. Anschließend kann die Vernetzung erfolgen. Je nach Katalysator und Gesamtmenge kann die Reaktionszeit 1 bis 4 h betragen. Die Temperatur der Vernetzung sollte bei 100 °C bis 150 °C liegen.
Weitere Vorteile, vorteilhaften Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A eine Hydrosilylierungsreaktion,
1B einen Backbitingmechanismus,
1C die Strukturformeln zweier cyclischer Siloxane,
1D die Hydrosilylierung von cyclischen und linearen Siloxanen,
1E Thermogravimetriekurven gemäß einer Ausführungsform und Vergleichsbeispielen, und
2 bis 5 jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1A zeigt die Reaktion eines Silans mit einem vinylhaltigen Siloxan unter Einsatz eines Platinkatalysators. Mit anderen Worten wird hier ein Silan an eine Doppelbindung unter einer syn-selektiven Anti-Markovnikov Addition angebunden. Diese Anbindung kann auch als Hydrosilylierung bezeichnet werden.
Die 1B zeigt die schematische Darstellung des sogenannten Backbitingmechanismus. Bei dem Backbitingmechanismus können lineare Siloxaneinheiten über einen intramolekularen Mechanismus abgebaut werden. Es bilden sich cyclische Siloxane und Reste von linearen Siloxaneinheiten.
Die 1C zeigt die Molekülstruktur von D₄ ^Vi (links) und D₄ ^H (rechts). Diese cyclischen Siloxane weisen vier Si-O Einheiten auf. Es ist also ein Achtringsiloxan. Durch Vernetzung dieser beiden cyclischen Siloxane entsteht ein Silikon, das eine starke Quervernetzung aufweist daher sehr hart, spröde und glasartig ist. Daher ist es nicht sehr geeignet, um als Verguss für optoelektronische Bauelemente verwendet zu werden.
Die 1D zeigt die Reaktion des cyclischen Siloxans mit dem linearen Siloxan zur Bildung des Silikons als Polymermaterial für das optische Element 50 gemäß einer Ausführungsform. Generell ist es in diesem Zusammenhang sowohl möglich die D₄ Moleküle als Additive in kommerzielle Produkte einzubringen als auch sie mit sonstigen linearen oder verzweigten Siloxanen zu kombinieren. Es kann damit ein Silikon bereitgestellt werden, das eine hohe thermische Stabilität und zugleich Flexibilität aufweist. Effekte der Zugabe von cyclischen Systemen auf die thermischen Eigenschaften der Silikone konnte mittels thermogravimetrischer Messungen gezeigt werden (1E). Dabei wurde das relative Gewicht w in Prozent % in Abhängigkeit von der Temperatur T in °C aufgetragen. Als Material wurde das kommerziell erhältliche ShinEtsu LPS 3541 unter Sauerstoffatmosphäre bei 20 K/min Heizrate aufgeheizt. Gezeigt sind zwei Proben des ursprünglichen Systems (1-1 und 1–2) sowie mit 5 Gewichts% Zugabe von D₄ ^Vi (1–3) und 10 Gewichts% Zugabe von D₄ ^H (1–4).
Es ist festzustellen, dass es optimale Verhältnisse gibt, sodass die thermische Stabilität zunächst zunimmt und bei zu hohem Anteil cyclischer Systeme wieder abnimmt oder sogar keine Aushärtung mehr beobachtet werden kann. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass die Mobilität der bereits vernetzten Ketten abnimmt und somit nicht mehr alle reaktiven Gruppen einen Reaktionspartner finden. Sowohl freie Vinyl- als auch Hydridgruppen sind aber potentielle Schwachstellen der Polymere und sollten daher durch möglichst vollständige Vernetzung vermieden werden. Die in gezeigten Systeme ShinEtsu LPS3541 wird beispielsweise herstellerseitig im Gewichtsverhältnis 1:1 gemischt. Für einen Zuschlag von 10 Gewichts% D₄ ^H können somit 1 g Si-H-Komponenten, also beispielsweise lineare Siloxane mit 0,1 g D₄ ^H als cyclisches Siloxan, vermischt werden und anschließend 1,1 g Si-Vinyl-Komponente als zweites lineares Siloxan zugegeben werden. Die Komponenten werden verrührt und dem für das jeweilige System vorgegebenen Temperaturprogramm unterworfen, wobei insbesondere bei hohen D₄ Gehalten gegebenenfalls auf ein langsames Aufheizen geachtet werden muss, da es sonst leicht zur Blasenbildung kommen kann
Die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Hier ist beispielsweise eine LED gezeigt. Das Bauelement 100 umfasst ein Gehäuse 20 in Verbindung mit einem Trägersubstrat 15. Das Gehäuse kann eine Keramik oder einen hitze- oder strahlungsbeständigen Kunststoff umfassen. In einer Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ist ein Halbleiterchip 10 angeordnet, der im Betrieb des Bauelements 100 Strahlung emittiert. Die Seitenwände der Ausnehmung 25 sind hier abgeschrägt und können ein reflektierendes Material umfassen. Der Halbleiterchip 10 kann über elektrisch leitende Anschlüsse 30, 31 und einem Bonddraht 32 bestromt werden.
Das Bauelement 100 weist ein optisches Element 50 auf. Das optische Element umfasst ein Polymermaterial. Das Polymermaterial ist ein Silikon. Das Silikon weist Wiederholeinheiten aus einem cyclischen Siloxan und einem linearen Siloxan auf, die abwechselnd zueinander angeordnet sind. Das optische Element 50 ist hier für die vom Halbleiterchip 10 emittierte Strahlung transparent und kann als Linse ausgeformt sein (hier nicht gezeigt). In dem Beispiel der 2 kann das optische Element 50 auch als Verguss 51 ausgeformt sein, das den Halbleiterchip 10 umgibt. Das optische Element 50 kann Partikel 60 aufweisen, beispielsweise Konvertermaterialien oder anorganische Füllstoffe die in dem optischen Element 50 homogen verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauelement 100 ein Konversionselement 61 umfassen, das beispielsweise in Form eines Plättchens auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet sein kann (hier nicht gezeigt). Zudem können weitere anorganische Füllstoffe wie Diffusoren oder wärmeleitende Partikel, wie beispielsweise Siliziumdioxidpartikel, in dem optischen Element 50 eingebettet sein. Die anorganischen Füllstoffe können beispielsweise 10 bis 80 Gewichts% des optischen Elements 50 ausmachen. Das Bauelement 100 kann sichtbares Licht mit einem beliebigen Farbeindruck, insbesondere weißes Licht, emittieren.
Das optische Element 50 weist eine hohe thermische Stabilität sowie eine hohe Flexibilität auf, sodass Rissbildungen in dem optischen Element 50 während des Betriebs des Bauelements 100 vermieden werden.
Die 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement entspricht im Wesentlichen dem Bauelement 100 der 2. Anstelle von Konvertermaterialien umfassend Partikel 60 ist hier ein Konversionselement 61 auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet. Das optische Element 50 ist hier als Linse 70 ausgeformt, die das Gehäuse 20 überragen kann.
Die 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Es umfasst als optisches Element 50 eine Linse 70 die auf dem Bauelement 100, beispielsweise mittels eines Klebers, angeordnet ist. Das optische Element 50 umfasst ein Silikon nach zumindest einer anmeldungsgemäßen Ausführungsform. Eine solche Linse 70 kann separat zum Beispiel in Form gegossen und gehärtet werden. Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 51 umhüllt, der die Ausnehmung 25 ausfüllt. Der Verguss 51 kann ebenfalls ein optisches Element 50 nach einer Ausführungsform der Anmeldung sein oder aus herkömmlichen Materialien bestehen. Das Bauelement 100 kann Konvertermaterialien 60 zum Beispiel in Form von Partikeln oder eines Plättchens umfassen (hier nicht gezeigt).
Die 5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optische Element 50 ist hier als Reflektor 52 ausgebildet und kann einen reflektierenden Füllstoff umfassen. Der reflektierende Füllstoff kann 10 bis 80 Gewichts%, insbesondere 20 bis 60 Gewichts%, des optischen Elements 50 ausmachen und zu Beispiel aus Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Kombinationen hiervon ausgewählt sein. Das optische Element 50 kann zumindest einen Teil der Ausnehmung 25 auskleiden und somit die erzeugte Strahlung reflektieren, wodurch die Strahlungsausbeute des Bauelements 100 erhöht wird. Alternativ kann das optische Element 50 auch einen Teil des Gehäuses 20 ausbilden. Das Gehäuse 20 kann auch ganz aus dem Polymermaterial des optischen Elements 50 gefertigt sein um weist dann zumindest im Bereich der Ausnehmung einen reflektierenden Füllstoff auf.
Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 51 vergossen, wobei der Verguss 51 wiederum ein optisches Element 50 nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung sein kann.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie die 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.
Bezugszeichenliste

100: optoelektronisches Bauelement
10: Halbleiterchip
15: Trägersubtrat
20: Gehäuse
25: Ausnehmung
30: erster Anschluss
31: zweiter Anschluss
32: Bonddraht
50: optisches Element
51: Verguss
52: Reflektor
60: Partikel oder Konvertermaterial
61: Konversionselement
70: Linse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0905792 A2 [0030]
WO 02/13281 A1 [0030]
WO 98/12757 A1 [0035]

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100), das zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, aufweisend ein optisches Element (50), das ein Silikon als Polymermaterial umfasst, wobei das Silikon Wiederholeinheiten aus einem cyclischen Siloxan und einem linearen Siloxan aufweist, die abwechselnd angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Silikon die folgende Strukturformel aufweist:
– wobei R₁ bis R₁₈ unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sind, die H, Alkyl, Alkylen, Alkylarylen, Cycloalkyl und Aryl umfasst, – n zwischen 1 und 1000 ausgewählt ist, – m zwischen 1 und 3 ausgewählt ist, und – r zwischen 1 und 100 ausgewählt ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lineare Siloxan folgende Struktureinheit aufweist:
wobei R₂ bis R₇ und n dasselbe wie im Anspruch 2 bedeuten.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das cyclische Siloxan die folgende Struktureinheit aufweist:
wobei R₁₂ bis R₁₅ und m dasselbe wie im Anspruch 2 bedeuten.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das cyclische Siloxan und das lineare Siloxan durch Hydrosilylierung verbunden sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R₁ eine Vinyl-Gruppe umfasst und R₁₈ ein H ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei m gleich 2 ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei m = 2, R₁ ein vinylumfassender Rest und R₁₂ bis R₁₄ jeweils H sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das cyclische Siloxan und das lineare Siloxan im Verhältnis 1:1 bis 1:10 gemischt sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (50) als Verguss (51) ausgebildet ist und einen Halbleiterchip (10) umgibt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem optischen Element (50) Konvertermaterialien (60) eingebettet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (50) als Linse (70) oder Reflektor (52) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (100) mit den Schritten: – Erzeugen eines optischen Elements (50) dazu: – Bereitstellen eines ersten Materials umfassend ein cyclisches Siloxan, – Bereitstellen eines zweiten Materials umfassend ein lineares Siloxan, wobei eines der beiden Siloxane ein Silan ist und das andere zumindest eine Doppelbindung aufweist, – Zugabe eines Katalysators, – Vernetzen des cyclischen Siloxans und des linearen Siloxans durch Hydrosilylierung zur Erzeugung des Silikons als Polymermaterial.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Vernetzung bei 100 °C bis 150 °C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Katalysator ein Platin-Katalysator ist.