DE102017104144A1 - Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden und Leuchtdiode - Google Patents

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Abstract

In einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden eingerichtet und umfasst die Schritte:A) Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips (2) mit einem Aufwachssubstrat (21) und einer Halbleiterschichtenfolge (22) zur Erzeugung von Strahlung sowie Bereitstellen eines Trägers (3) mit Trägerkontaktflächen (32),B) Anlöten von Chipkontaktflächen (23), die sich an einer dem Aufwachssubstrat (21) abgewandten Chipunterseite (26) der Halbleiterschichtenfolge (22) befinden, an die Trägerkontaktflächen (32),C) Aufbringen eines für die erzeugte Strahlung durchlässigen, flüssigen Verbindungsmittels (4) auf eine der Halbleiterschichtenfolge (22) abgewandte Substratoberseite (20) des Aufwachssubstrats (21) und Befestigen eines Leuchtstoffkörpers (5) auf der Substratoberseite (20), wobei das Verbindungsmittel (4) durch den Leuchtstoffkörper (5) teilweise von der Substratoberseite (20) verdrängt wird, sodass Chipseitenflächen (24) überwiegend von dem Verbindungsmittel (4) bedeckt werden, undD) Erzeugen eines Reflektors (6) an dem Leuchtdiodenchip (2) abgewandten Außenseiten (46) des Verbindungsmittels (4) an den Chipseitenflächen, wobei die Außenseiten (46) in Richtung weg von dem Träger (3) weisen.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden angegeben. Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem Leuchtdiodenchips effizient befestigbar sind, wobei eine hohe Lichtauskoppeleffizienz beibehalten wird.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch eine Leuchtdiode mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden mit dem Verfahren Leuchtdioden, kurz LEDs, hergestellt. Im Betrieb emittieren die fertigen Leuchtdioden bevorzugt sichtbares Licht, insbesondere mischfarbiges Licht wie weißes Licht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer oder mehrerer Leuchtdiodenchips. Der mindestens eine Leuchtdiodenchip weist eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Zone zur Erzeugung von Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht wie blauem Licht. Weiterhin umfassen die Leuchtdiodenchips je ein Substrat, bevorzugt ein Aufwachssubstrat, an dem die Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen ist. Das Substrat ist bevorzugt durchlässig für die zu erzeugende Strahlung.
  • Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamAs oder wie AlnGamIn1-n-mAskP1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Träger bereitgestellt. Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um die die fertige Leuchtdiode mechanisch stabilisierende und tragende Komponente. Beispielsweise ist der Träger aus einem keramischen Material wie Aluminiumnitrid oder einem Halbleitermaterial wie Silizium. Ebenso können Leiterplatten oder Metallkernplatinen als Träger zum Einsatz kommen. Über den Träger sind die fertigen Leuchtdioden bevorzugt extern elektrisch und mechanisch kontaktierbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anlötens von Chipkontaktflächen an Trägerkontaktflächen. Die Kontaktflächen sind bevorzugt je durch eine oder mehrere Metallisierungen an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Chipseite und an einer dem Leuchtdiodenchip zugewandten Hauptseite des Trägers gebildet. Mit anderen Worten werden die Chipkontaktflächen und die Trägerkontaktflächen mittels Löten miteinander elektrisch und mechanisch verbunden, so dass der Leuchtdiodenchip an dem Träger elektrisch und mechanisch befestigt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens eines für die erzeugte Strahlung durchlässigen Verbindungsmittels auf eine der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Substratoberseite des Aufwachssubstrats. Beim Aufbringen ist das Verbindungsmittel bevorzugt in flüssigem Zustand. Beispielsweise liegt beim Aufbringen eine Viskosität des Verbindungsmittels bei mindestens 0,2 Pa·s oder 1 Pa·s und/oder bei höchstens 10 Pa·s oder 3 Pa·s.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Leuchtstoffkörper auf der Substratoberseite befestigt. Das Befestigen erfolgt über das Verbindungsmittel. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Verbindungsmittel um eine Art Klebstoff, mit dem das Aufwachssubstrat und der Leuchtstoffkörper verbunden werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Leuchtstoffkörper einen oder mehrere Leuchtstoffe. Der mindestens eine Leuchtstoff ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil der in den Leuchtdiodenchips erzeugten Strahlung zu absorbieren und in Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, einer größeren Wellenlänge umzuwandeln. Bei dem mindestens einen Leuchtstoff kann es sich um einen anorganischen Leuchtstoff wie YAG:Ce oder um organische Leuchtstoffe oder um so genannte Quantenpunkt-Leuchtstoffe handeln. Insbesondere ist der Leuchtstoffkörper zur teilweisen Absorption und Umwandlung von blauem Licht in grünes, gelbes und/oder rotes Licht eingerichtet, so dass insgesamt weißes Licht von den fertigen Leuchtdioden abgestrahlt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird beim Befestigen des Leuchtstoffkörpers das Verbindungsmittel teilweise von der Substratoberseite verdrängt. Mit anderen Worten wird so viel Verbindungsmittel aufgebracht, dass beim Aufdrücken des Leuchtstoffkörpers auf das Aufwachssubstrat das Verbindungsmittel absichtlich seitlich überläuft. Das Überlaufen des Verbindungsmittels erfolgt bevorzugt erst durch das Anbringen und/oder Aufpressen des Leuchtstoffkörpers. Bevor der Leuchtstoffkörper aufgebracht wird, ist das Verbindungsmittel bevorzugt auf die Substratoberseite begrenzt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden Chipseitenflächen des Leuchtdiodenchips überwiegend von dem Verbindungsmittel bedeckt. Überwiegend bedeutet mindestens zu 50 % oder 90 % oder 95 % oder 98 %. Insbesondere werden die Chipseitenflächen vollständig vom Verbindungsmittel bedeckt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Reflektor erzeugt. Der Reflektor wird etwa als Vergusskörper ausgebildet und umfasst bevorzugt ein Matrixmaterial, in das reflektierende Partikel eingebettet sind. Der Reflektor wird an dem Leuchtdiodenchip abgewandten Außenseiten des Verbindungsmittels erzeugt. Somit steht der Reflektor bevorzugt in unmittelbarem direktem und ganzflächigem Kontakt zu den Außenseiten des Verbindungsmittels.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Außenseiten des Verbindungsmittels und damit die entsprechenden Begrenzungsflächen des Reflektors in Richtung weg von dem Träger. Das heißt, die Außenseiten sind nicht senkrecht zum Träger orientiert, sondern quer zum Träger und sind zu einer Reflexion der erzeugten Strahlung in Richtung weg von dem Träger eingerichtet. Beispielsweise erweitern sich die Außenseiten trichterförmig in Richtung weg von dem Träger.
  • In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
    1. A) Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips mit einem Aufwachssubstrat und einer Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von Strahlung sowie Bereitstellen eines Trägers mit Trägerkontaktflächen,
    2. B) Anlöten von Chipkontaktflächen, die sich an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Chipunterseite der Halbleiterschichtenfolge befinden, an die Trägerkontaktflächen,
    3. C) Aufbringen eines für die erzeugte Strahlung durchlässigen, flüssigen Verbindungsmittels auf eine der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Substratoberseite des Aufwachssubstrats und Befestigen eines Leuchtstoffkörpers auf der Substratoberseite, wobei das Verbindungsmittel durch den Leuchtstoffkörper teilweise von der Substratoberseite verdrängt wird, so dass Chipseitenflächen überwiegend von dem Verbindungsmittel bedeckt werden, und
    4. D) Erzeugen eines Reflektors an den dem Leuchtdiodenchip abgewandten Außenseiten des Verbindungsmittels an den Chipseitenflächen, wobei die Außenseiten in Richtung weg von dem Träger weisen.
  • Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann eine Lichtauskoppeleffizienz verbessert werden. Insbesondere kann Licht, das an Seitenflächen von Saphir-Flip-Chips austritt, effizient zielgerichtet abgestrahlt werden. Dabei ist zur Befestigung des Leuchtdiodenchips ein Dünnfilmlöten möglich. Dies wird insbesondere durch die Reihenfolge der Verfahrensschritte erreicht.
  • Eine erhöhte Lichtextraktion kann erreicht werden, indem ein klares Silikon an einem Saphir-Flip-Chip angebracht wird, solange dieser noch an einem temporären Träger montiert ist. Auch können strahlungsdurchlässige, kehlenförmige Füllungen aus Klebstoff für Leuchtstoffkörper verwendet werden, wenn eine adäquate Klebstoffmenge verwendet wird. Jedoch können Leuchtdiodenchips, die derart mit einem Klebstoff wie einem Silikon und/oder einem Leuchtstoffkörper versehen sind, nicht über Löten etwa mit einem beheizten Platzierungskopf montiert werden, da hierbei ein hohes Risiko einer Beschädigung des Klebstoffs besteht.
  • Bei dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt erst das Anlöten des Leuchtdiodenchips an den Träger und erst nachfolgend das Anbringen des Leuchtstoffkörpers, wobei der Leuchtstoffkörper bevorzugt größer ist als der Leuchtdiodenchip. Das Verbindungsmittel, bevorzugt ein Silikon, wird unter Ausnutzung der Oberflächenspannung insbesondere als kehlenförmige Füllung an den Chipseitenflächen angebracht, während der Leuchtstoffkörper befestigt wird. Der Leuchtstoffkörper zusammen mit einer unteren Kante des Leuchtdiodenchips dient als Stoppkante bei der Benetzung mit dem Verbindungsmittel.
  • Damit ist es mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich, den Leuchtdiodenchip mittels Dünnfilmlöten anzubringen, was einen verbesserten thermischen Kontakt und ein präziseres Positionieren erlaubt. Dies ermöglicht es, Saphir-Flip-Chips mit dünnen Lötkontaktflächen zu verwenden, ohne starker Strahlungsabsorption in der Nähe der Lötkontakte. Darüber hinaus können vorsortierte Leuchtstoffkörper verwendet werden, etwa da die Leuchtdiodenchips vorab elektrisch betreibbar sind, wodurch eine verbesserte Farbwiedergabequalität über eine Charge hinweg erzielbar ist. Da der Leuchtstoffkörper gleichzeitig als Stoppkante für das Verbindungsmittel bei der Benetzung zur Ausbildung der Füllung wirkt, ist diese sehr reproduzierbar fertigbar, im Vergleich zu anderen Prozessen, wo eine entsprechende Füllung auf einem großflächigen Zwischenträger oder einem unstrukturierten Substrat aufgebracht wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragen der Leuchtstoffkörper und/oder der Träger den Leuchtdiodenchip seitlich, bevorzugt ringsum. Der Leuchtstoffkörper kann bereits beim Aufbringen auf die Substratoberseite fertig strukturiert sein, so dass nachfolgend kein Zuschneiden oder Strukturieren des Leuchtstoffkörpers mehr erforderlich ist. Der Träger kann nach dem Erzeugen des Reflektors einem Vereinzeln zugängig gemacht werden, so dass der Träger und der fertige Reflektor etwa mittels Sägen nachfolgend zu einzelnen Leuchtdioden zerteilt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bleiben die Trägerkontaktflächen und die Chipkontaktflächen frei von dem Verbindungsmittel. Insbesondere gerät das Verbindungsmittel nicht in direktem Kontakt mit den Trägerkontaktflächen oder den Chipkontaktflächen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leuchtdiodenchips mittels eines beheizten Platzierungskopfes, auch als Heated Bond Head bezeichnet, an der Substratoberseite erfasst und im Schritt B) angelötet. Mit anderen Worten wird ein Platzierungsverfahren für die Leuchtdiodenchips verwendet, auch als Pick-and-Place bezeichnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt eine Wärmezufuhr für das Anlöten zumindest teilweise durch die Leuchtdiodenchips hindurch. Es ist möglich, dass ein Heizen der Chipkontaktflächen und/oder der Trägerkontaktflächen einzig durch die Leuchtdiodenchips hindurch erfolgt oder durch den Träger hindurch und sowohl durch den Leuchtdiodenchip hindurch.
  • Im Schritt B) weist der Platzierungskopf bevorzugt eine Temperatur von mindestens 200 °C oder 250 °C oder 280 °C auf, beispielsweise 300 °C. Mit einem beheizten Platzierungskopf ist ein effizientes und kostengünstiges Platzieren und Anlöten der Leuchtdiodenchips an dem Träger möglich. Ein beheizter Platzierungskopf ist nicht verwendbar, sofern der Leuchtstoffkörper bereits vor dem Anlöten an dem Leuchtdiodenchip angebracht ist. Einerseits könnte in diesem Fall der Leuchtstoffkörper und/oder das Verbindungsmittel zerstört werden, zudem würden der Leuchtstoffkörper sowie das Verbindungsmittel einen signifikanten, zusätzlichen thermischen Widerstand darstellen, so dass eine Temperatur des Platzierungskopfes noch weiter erhöht werden müsste. Speziell durch die hier angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte ist die Verwendung eines beheizten Platzierungskopfes eröffnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die Chipunterseite und/oder eine dem Träger zugewandte Unterseite des Leuchtstoffkörpers je eine Stoppkante für das Verbindungsmittel. Mit anderen Worten wird zwischen der Unterseite des Leuchtstoffkörpers und Seitenflächen des Leuchtstoffkörpers eine Kante ausgebildet, wie auch zwischen der Chipunterseite und den Chipseitenflächen, und an den jeweiligen vorgenannten Kanten endet ein Benetzen der Unterseite des Leuchtstoffkörpers sowie der Chipseitenflächen aufgrund von Oberflächeneffekten. Damit bleiben die Seitenflächen des Leuchtstoffkörpers sowie die Chipunterseite frei von dem Verbindungsmittel.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) ein Dünnfilmlöten verwendet. Dies bedeutet etwa, dass eine Lotschicht zwischen den Trägerkontaktflächen und den Chipkontaktflächen insbesondere unmittelbar vor dem Löten eine Dicke von mindestens 0,1 µm oder 0,2 µm oder 0,5 µm oder 1 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 3 µm oder 1,5 µm aufweist. Die Lotschicht ist beispielsweise aus einer Schichtenfolge sich abwechselnder Schichten aus Gold und Zinn gebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Chipkontaktflächen dünn gestaltet. Beispielsweise sind die Chipkontaktflächen dünner als die Halbleiterschichtenfolge, bezogen auf eine mittlere Dicke der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise liegt eine Dicke der Chipkontaktflächen bei mindestens 0,3 µm oder 0,5 µm und/oder bei höchstens 5 µm oder 3 µm oder 1,5 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Trägerkontaktflächen dick gestaltet. Insbesondere ist eine Dicke der Trägerkontaktflächen größer als die mittlere Dicke der Halbleiterschichtenfolge. Bevorzugt sind die Trägerkontaktflächen mindestens 30 µm oder 50 µm dick und/oder höchstens 0,3 mm oder 0,1 mm oder 70 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt im Schritt B) eine Löttemperatur an dem Leuchtdiodenchip, insbesondere an dem Aufwachssubstrat sowie an der Halbleiterschichtenfolge als auch an den Chipkontaktflächen, mindestens 220 °C oder 250 °C oder 280 °C. Dabei ist es möglich, dass die Löttemperatur oberhalb einer Zerstörtemperatur oder Degenerationstemperatur des später verwendeten Verbindungsmittels liegt. Mit anderen Worten sind das Verbindungsmittel und optional auch der Leuchtstoffkörper bei der Löttemperatur nicht temperaturbeständig.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Verbindungsmittel um ein Silikon. Bevorzugt wird ein Verbindungsmittel mit einem hohen optischen Brechungsindex verwendet. Insbesondere liegt der Brechungsindex bei mindestens 1,46 oder 1,50, bezogen auf eine Temperatur von 300 K und auf eine Wellenlänge maximaler Intensität der von den Leuchtdiodenchips im Betrieb erzeugten Strahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Verbindungsmittel um ein Phenyl-Silikon. Ein Gewichtsanteil des Phenyls an dem Silikon insgesamt liegt bevorzugt bei mindestens 2 % oder 5 % oder 10 % oder 15 %.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Reflektor im Schritt D) durch ein Dispensen erzeugt. Das heißt, ein Material für den Reflektor wird im Wesentlichen drucklos in flüssigem Zustand aufgebracht. Beim Aufbringen weist das Material für den Reflektor beispielsweise eine Viskosität von mindestens 0,5 Pa·s oder 2 Pa·s und/oder von höchstens 50 Pa·s oder 15 Pa·s auf. Die Form des Reflektors entsteht bevorzugt durch Oberflächeneffekte und Oberflächenspannung, so dass keine Gussform, auch als Mold bezeichnet, erforderlich ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt der Reflektor bündig mit einer dem Träger abgewandten Lichtaustrittsseite des Leuchtstoffkörpers ab. Dies gilt insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 5 µm oder 2 µm. Eine dem Träger abgewandte Reflektoroberseite sowie die Lichtaustrittsseite können in einer gemeinsamen Ebene liegen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die im Betrieb der fertigen Leuchtdioden erzeugte Strahlung aus dem Reflektor heraus und/oder aus den fertigen Leuchtdioden heraus ausschließlich an der Lichtaustrittsseite abgestrahlt. Insbesondere tritt an den Seitenflächen des Leuchtstoffkörpers keine Strahlung aus und auch nicht durch andere Teile des Reflektors hindurch.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich das Material des Reflektors zwischen die Chipkontaktflächen an der Chipunterseite und/oder zwischen einen Bereich zwischen dem Träger und der Chipunterseite. Es ist möglich, dass der Bereich zwischen der Chipunterseite und dem Träger vollständig von dem Material des Reflektors ausgefüllt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip um einen Saphir-Flip-Chip. Der Leuchtdiodenchip ist zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet, beispielsweise mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 425 nm und/oder höchstens 480 nm. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich um ein Saphir-Substrat. Die Halbleiterschichtenfolge basiert auf dem Materialsystem AlInGaN.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoffkörper im Schritt C) selbsttragend. Das heißt, der Leuchtstoffkörper benötigt keine weitere Stütze wie ein Trägersubstrat. Alternativ ist der Leuchtstoffkörper aus einem Trägersubstrat und wenigstens einer Leuchtstoffschicht zusammengesetzt. Dabei befindet sich das Trägersubstrat bevorzugt an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite des Leuchtstoffkörpers. Der Leuchtstoffkörper kann eine oder mehrere Schichten aufweisen, die mit unterschiedlichen Leuchtstoffen versetzt sind. Beispielsweise ist eine Schicht zur Erzeugung von gelbem oder grün-gelbem Licht vorhanden und eine weitere, insbesondere sich näher an dem Leuchtdiodenchip befindliche Schicht zur Erzeugung von rotem Licht. Bei dem Leuchtstoffkörper kann es sich um ein Keramikplättchen, ein Glasplättchen oder ein Silikonplättchen handeln, im Falle eines Silikonplättchens bevorzugt mit einem Glasträgersubstrat verbunden. Solche Glasplättchen können durch ein Sol-Gel-Verfahren erzeugt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoffkörper nach dem Schritt D) von einer Linse überdeckt. Die Linse kann in unmittelbarem Kontakt zu dem Leuchtstoffkörper stehen. Die Linse wird zum Beispiel mittels Formpressen, englisch Compression Molding, oder Auftropfen erzeugt oder kann auch aufgeklebt werden. Die Linse kann auf den Leuchtstoffkörper und somit die Lichtaustrittsseite beschränkt sein oder alternativ sich auf den Reflektor erstrecken. Es ist möglich, dass der gesamte Reflektor von der Linse bedeckt wird.
  • Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben. Die Leuchtdiode wird bevorzugt mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für die Leuchtdiode offenbart und umgekehrt.
  • In mindestens einer Ausführungsform der Leuchtdiode ist der Leuchtdiodenchip auf dem Träger angebracht und mittels einer Lotschicht befestigt. Der Leuchtstoffkörper ist über das Verbindungsmittel befestigt. Das Verbindungsmittel formt an Chipseitenflächen eine bevorzugt kehlenförmige Füllung, die sich in Richtung weg von dem Träger verbreitert, so dass sich in Zusammenspiel mit dem etwa weiß erscheinenden Reflektor an den Außenseiten des Verbindungsmittels eine Lichtführung in Richtung weg von dem Träger ergibt.
  • Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und eine hier beschriebene Leuchtdiode unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen:
    • 1 bis 4 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leuchtdiode, und
    • 5 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Leuchtdiode.
  • In den 1 bis 4 ist ein Herstellungsverfahren für Leuchtdioden 1 beschrieben. Gemäß 1 werden ein Träger 3 und ein Leuchtdiodenchip 2 bereitgestellt. Der Träger 3 weist an einer Hauptseite mehrere Trägerkontaktflächen 32 auf. Die Trägerkontaktflächen 32 sind vergleichsweise dick, beispielsweise mindestens 50 µm und höchstens 100 µm dick. Die Trägerkontaktflächen 32 sind durch eine oder mehrere Metallisierungen gebildet. Der Träger 3 umfasst ferner bevorzugt nicht gezeichnete elektrische Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen sowie externe Befestigungsflächen. Der Träger 3 kann aus Aluminiumnitrid sein.
  • Der Leuchtdiodenchip 2 verfügt über ein Aufwachssubstrat 21, beispielsweise aus Saphir. An dem Aufwachssubstrat 21 befindet sich eine Halbleiterschichtenfolge 22, insbesondere aus AlInGaN. An der Halbleiterschichtenfolge 22 und dem Träger 3 zugewandt sind Chipkontaktflächen 23 angebracht, über die die Halbleiterschichtenfolge 22 elektrisch kontaktiert wird. Die Chipkontaktflächen 23 sind nur dünn, beispielsweise zwischen 1 µm und 1,5 µm dick. Abweichend von der Darstellung in 1 liegt eine Dicke der Chipkontaktflächen 23 bevorzugt unterhalb einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge 22. Somit befinden sich alle Chipkontaktflächen 23 an einer dem Träger 3 zugewandten Chipunterseite 26. Eine Substratoberseite 20 liegt der Chipunterseite 26 gegenüber. Eine Dicke des Leuchtdiodenchips 2 beträgt beispielsweise mindestens 100 µm oder 150 µm und/oder höchstens 350 µm oder 250 µm.
  • An den Trägerkontaktflächen 32 wird eine Lotschicht 9 bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich um eine AuSn-Lotschicht. Die Lotschicht 9 ist für ein Dünnschichtlöten gestaltet und weist beispielsweise eine Dicke von 1 µm bis 2 µm auf. Alternativ kann die Lotschicht 9 an den Chipkontaktflächen 23 bereitgestellt werden.
  • Gemäß 1 wird der Leuchtdiodenchip 2 an der Substratoberseite 20 mittels eines beheizten Platzierungskopfs 7, auch als Heated Bond Head bezeichnet, gehalten, beispielsweise mittels Unterdruck. Dabei wird der Leuchtdiodenchip 2 gleichzeitig erwärmt. Daraufhin erfolgt eine Positionierung des Leuchtdiodenchips 2 derart, dass die Chipkontaktflächen 23 den Trägerkontaktflächen 32 gegenüber liegen. Ein Löten des Leuchtdiodenchips 2 an den Träger 3 erfolgt über eine Temperaturzufuhr über den beheizten Platzierungskopf 7 und optional über den Träger 3.
  • In 2 ist der angelötete Halbleiterchip 2 zu sehen. Nachfolgend wird ein flüssiges Verbindungsmittel 4 auf die Substratoberseite 20 aufgebracht. Dabei bleibt das Verbindungsmittel 4, bevorzugt ein Phenyl-Silikon, auf die Substratoberseite 20 beschränkt.
  • Nachfolgend wird, siehe die 2 und 3, ein Leuchtstoffkörper 5 auf die Substratoberseite 20 und somit das Verbindungsmittel 4 aufgedrückt. Hierdurch tritt das Verbindungsmittel 4 gezielt seitlich über die Substratoberseite 20 über und benetzt Chipseitenflächen 24 sowie eine dem Träger 3 zugewandte Unterseite 53 des Leuchtstoffkörpers 5. Dadurch bildet sich rings um den Leuchtdiodenchip 2 herum eine kehlenförmige Füllung aus dem strahlungsdurchlässigen Verbindungsmittel 4 aus.
  • Die Chipunterseite 26 sowie Seitenflächen 54 des Leuchtstoffkörpers 5 bleiben frei von dem Verbindungsmittel 4. Ein Abstand zwischen dem Aufwachssubstrat 21 und dem Leuchtstoffkörper 5 liegt bevorzugt bei höchstens 5 µm oder 2 µm, entsprechend einer Dicke des Verbindungsmittels 4 an der Substratoberseite 20. Bei dem Leuchtstoffkörper 5 kann es sich um ein Keramikplättchen handeln, das einen oder mehrere Leuchtstoffe beinhaltet.
  • Gemäß 3 ist das Verbindungsmittel 4 über den Chipseitenflächen 24 konkav geformt. Abweichend hiervon kann das Verbindungsmittel 4 genauso konvex geformt werden oder im Querschnitt gesehen ein Dreieck sein. Ein mittlerer Winkel von Außenseiten 46 des Verbindungsmittels 4 zu den Chipseitenflächen 24 liegt bevorzugt bei mindestens 45° oder 50° und/oder bei höchstens 70° oder 65°, bevorzugt bei ungefähr 60°. Insbesondere ist es möglich, dass alle Teilgebiete der Außenseite 46 zu den Chipseitenflächen 24 einen Winkel von mindestens 30° und/oder höchstens 75° einschließen. Die an der Substratoberseite 20 verbleibende, dünne Schicht des Verbindungsmittels 4 ist in den Figuren zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
  • In 4 ist illustriert, dass ein Reflektor 6 insbesondere über Dispensen erzeugt wird. Eine dem Träger 3 abgewandte Oberseite 60 des Reflektors 6 schließt bündig mit einer Lichtaustrittseite 50 des Leuchtstoffkörpers 5 ab und liegt mit dieser in einer gemeinsamen Ebene. Die Außenseiten 46 des Verbindungsmittels 4 sind vollständig von einem Material des Reflektors 6 bedeckt. Ein Bereich zwischen dem Träger 3 und der Chipunterseite 26 ist bevorzugt vollständig von dem Material des Reflektors 6 ausgefüllt. Durch die große Dicke der Trägerkontaktflächen 32 wird erreicht, dass durch das Material des Reflektors 6 keine Strahlung hin zu dem Träger 3 gelangt. Das Material des Reflektors 6 ist beispielsweise ein Silikon, das mit Titandioxidpartikeln gefüllt ist. Bevorzugt reflektiert der Reflektor 6 diffus und/oder erscheint weiß, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
  • Ferner sind die Seitenflächen 54 des Leuchtstoffkörpers 5, die quer, insbesondere senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Lichtaustrittsseite 50 orientiert sind, vollständig von dem Material des Reflektors 6 bedeckt. Eine Dicke des Reflektors 6 in Richtung senkrecht zu den Seitenflächen 54 liegt bevorzugt bei mindestens 50 µm oder 100 µm. Hierdurch ist verhindert, dass an den Seitenflächen 54 Strahlung austritt. Somit tritt einzig durch den Leuchtstoffkörper 5 hindurch aus der Lichtaustrittsseite 50 Strahlung aus dem Reflektor 6 heraus. Die Strahlungsaustrittsseite 50 kann parallel oder näherungsweise parallel zur dem Leuchtdiodenchip 2 zugewandten Hauptseite des Trägers 3 orientiert sein.
  • Optional ist es möglich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, dass eine Linse 8 vorhanden ist. Die Linse 8 ist etwa als rotationssymmetrische Sammellinse gestaltet und überdeckt die Lichtaustrittsseite 50 bevorzugt vollständig. Abweichend von der Darstellung in 4 ist es möglich, dass die Linse 8 nicht den Reflektor 6 bedeckt, sondern auf die Lichtaustrittsseite 50 beschränkt ist.
  • Weitere Verfahrensschritte wie das Vereinzeln eines Trägerverbunds zu den einzelnen Leuchtdioden 1 sind nicht illustriert.
  • In 5 ist zu sehen, dass der Reflektor 6 ringsum um den Leuchtstoffkörper 5 verläuft und der Leuchtstoffkörper 5 ringsum um den Leuchtdiodenchip 2, letzteres bevorzugt mit einer konstanten, gleichbleibenden Breite. Das Verbindungsmittel 4 ist deckungsgleich zu dem Leuchtstoffkörper 5 angebracht. Die Kontaktflächen 23, 32 sowie die Lotschicht 9 bedecken einen Großteil der Chipunterseite 26 des Leuchtdiodenchips 2.
  • Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Dickenverhältnisse, Längenverhältnisse und Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
  • Die hier beschriebene 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leuchtdiode
    2
    Leuchtdiodenchip
    20
    Substratoberseite
    21
    Aufwachssubstrat
    22
    Halbleiterschichtenfolge
    23
    Chipkontaktfläche
    24
    Chipseitenfläche
    26
    Chipunterseite
    3
    Träger
    32
    Trägerkontaktfläche
    4
    Verbindungsmittel
    46
    Außenseite des Verbindungsmittels
    5
    Leuchtstoffkörper
    50
    Lichtaustrittsseite
    53
    Unterseite des Leuchtstoffkörpers
    54
    Seitenfläche des Leuchtstoffkörpers
    6
    Reflektor
    60
    Oberseite des Reflektors
    7
    beheizter Platzierungskopf
    8
    Linse
    9
    Lotschicht

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden (1) mit den folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge: A) Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips (2) mit einem Aufwachssubstrat (21) und einer Halbleiterschichtenfolge (22) zur Erzeugung von Strahlung sowie Bereitstellen eines Trägers (3) mit Trägerkontaktflächen (32), B) Anlöten von Chipkontaktflächen (23), die sich an einer dem Aufwachssubstrat (21) abgewandten Chipunterseite (26) der Halbleiterschichtenfolge (22) befinden, an die Trägerkontaktflächen (32), C) Aufbringen eines für die erzeugte Strahlung durchlässigen, flüssigen Verbindungsmittels (4) auf eine der Halbleiterschichtenfolge (22) abgewandte Substratoberseite (20) des Aufwachssubstrats (21) und Befestigen eines Leuchtstoffkörpers (5) auf der Substratoberseite (20), wobei das Verbindungsmittel (4) durch den Leuchtstoffkörper (5) teilweise von der Substratoberseite (20) verdrängt wird, sodass Chipseitenflächen (24) überwiegend von dem Verbindungsmittel (4) bedeckt werden, und D) Erzeugen eines Reflektors (6) an dem Leuchtdiodenchip (2) abgewandten Außenseiten (46) des Verbindungsmittels (4) an den Chipseitenflächen, wobei die Außenseiten (46) in Richtung weg von dem Träger (3) weisen.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Leuchtstoffkörper (5) und der Träger (3) den Leuchtdiodenchip (2) seitlich ringsum überragen, wobei die Trägerkontaktflächen (32) und die Chipkontaktflächen (23) frei von dem Verbindungsmittel (4) bleiben und die Chipseitenflächen (24) zu mindestens 95 % von dem Verbindungsmittel (4) bedeckt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtdiodenchips (2) mittels eines beheizten Platzierungskopfes (7) an der Substratoberseite (20) gegriffen und im Schritt B) angelötet werden, sodass eine Wärmezufuhr für das Anlöten durch die Leuchtdiodenchips (2) hindurch erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Chipunterseite (26) und eine dem Träger (3) zugewandte Unterseite (53) des Leuchtstoffkörpers (5) je eine Stoppkante für das Verbindungsmittel (4) darstellen, sodass die Chipunterseite (26) und Seitenflächen (54) des Leuchtstoffkörpers (5) frei von dem Verbindungsmittel (4) bleiben.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Löten im Schritt B) ein Dünnfilmlöten ist und eine Lotschicht (9) zwischen den Trägerkontaktflächen (32) und den Chipkontaktflächen (23) unmittelbar vor dem Löten eine Dicke zwischen einschließlich 0,5 µm und 3 µm aufweist und eine Dicke der Chipkontaktflächen (23) zwischen einschließlich 0,3 µm und 3 µm liegt sowie eine Dicke der Trägerkontaktflächen (32) zwischen einschließlich 30 µm und 0,3 mm beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt B) zeitweilig eine Löttemperatur am Leuchtdiodenchip (2) mindestens 280 °C beträgt.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verbindungsmittel (4) bei der im Schritt B) zeitweilig anliegenden Löttemperatur nicht temperaturbeständig ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmittel (4) ein Silikon ist mit einem Brechungsindex von mindestens 1,46 und mit einem Phenyl-Anteil von mindestens 10 Gew% ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reflektor (5) durch einen mittels Dispensen erzeugten Vergusskörper gebildet wird, wobei der Reflektor (5) bündig mit einer dem Träger (3) abgewandten Lichtaustrittsseite (50) des Leuchtstoffkörpers (5) abschließt, sodass die im Betrieb der fertigen Leuchtdioden (1) erzeugte Strahlung lediglich an der Lichtaustrittsseite (50) abgestrahlt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein Material des Reflektors (5) zwischen die Chipkontaktflächen (23) an der Chipunterseite (26) erstreckt, sodass ein Bereich zwischen der Chipunterseite (26) und dem Träger (3) mindestens teilweise von diesem Material ausgefüllt ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtdiodenchip (2) ein Saphir-Flip-Chip zur Erzeugung von blauem Licht ist, sodass das Aufwachssubstrat (21) aus Saphir und die Halbleiterschichtenfolge (22) aus AlInGaN ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoffkörper (5) selbsttragend ist und ein Keramikplättchen, ein Silikonplättchen oder ein Glasplättchen ist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoffkörper (5) nach dem Schritt D) unmittelbar von einer Linse (8) überdeckt wird.
  14. Leuchtdiode (1) mit - mindestens einem Leuchtdiodenchip (2), umfassend ein Aufwachssubstrat (21) und eine Halbleiterschichtenfolge (22) zur Erzeugung von Strahlung, - einem Träger (3) mit Trägerkontaktflächen (32), - einer Lotschicht (9) mit einer Dicke von höchstens 3 µm zwischen Chipkontaktflächen (23), die sich an einer dem Aufwachssubstrat (21) abgewandten Chipunterseite (26) der Halbleiterschichtenfolge (22) befinden, und den Trägerkontaktflächen (32), - einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Verbindungsmittel (4) an einer der Halbleiterschichtenfolge (22) abgewandten Substratoberseite (20) des Aufwachssubstrats (21) und an Chipseitenflächen (24) des Leuchtdiodenchips (2), - einem Leuchtstoffkörper (5) auf der Substratoberseite (20), der mittels des Verbindungsmittel (4) befestigt ist, und - einem Reflektor (6) an dem Leuchtdiodenchip (2) abgewandten Außenseiten (46) des Verbindungsmittels (4) über den Chipseitenflächen (24), wobei - der Leuchtstoffkörper (5) und der Träger (3) den Leuchtdiodenchip (2) seitlich ringsum überragen, - die Chipseitenflächen (24) zu mindestens 95 % von dem Verbindungsmittel (4) bedeckt sind, - die Chipunterseite (26) und eine dem Träger (3) zugewandte Unterseite (53) des Leuchtstoffkörpers (5) je eine Stoppkante für das Verbindungsmittel (4) darstellen, sodass die Chipunterseite (26) und Seitenflächen (54) des Leuchtstoffkörpers (5) frei von dem Verbindungsmittel (4) bleiben und sich das Verbindungsmittel (4) an den Chipseitenflächen (24) in Richtung weg von dem Träger (3) verbreitert.
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