DE102017117550A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, ein Optikelement (10), das zumindest ein 2-fach oder mehrfach funktionelles Epoxidharz als Matrixmaterial (101) und darin eingebettet Fluor-substituierte organische Partikel (102) mit einem mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 0,1 µm bis 40 µm aufweist, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew% in dem Optikelement (10) aufweisen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
• Bei der industriellen Großserienherstellung von optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) und Modulen, werden oftmals Epoxidharzmassen als Gießharz, Klebstoff, Gehäusewerkstoff und als Matrixmaterial für optische Funktionen, wie beispielsweise Lichtkonversionselemente, Reflexionsschichten, optische Füller, sowie als Linsenmaterial verwendet. Mit steigenden Helligkeits- und Temperaturanforderungen werden vorzugsweise cykloaliphatische Epoxidharze verwendet, die oftmals aufgrund der höheren Feuchteaufnahme und den erhöhten Feuchtepermeationsraten nur bedingt in Außenanwendungen eingesetzt werden können. Bekannte Degradationserscheinungen sind Korrosion, Vergilbung sowie Interface Delamination.
• Zur Steigerung der Zuverlässigkeit vor allem unter Feuchtebelastung bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen oder im Außenanwendungsbereich ist das Ziel, die Feuchteaufnahme herunterzusetzen und das Feuchtepermeationsverhalten gekapselter oder geklebter Bauelemente zu verbessern. Weiterhin ist es oftmals wünschenswert, das Bruch- und Rissverhalten cykloaliphatischer Epoxidharze zu verbessern. Insbesondere für organische Leuchtdioden (OLED) sind mediendichte Klebverbunde, beispielsweise Klebstoffe mit möglichst geringer Feuchtepermeation, von Vorteil.
• Durch Zugabe von anorganischen Füllstoffen, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Kalziumfluorid, Kalziumcarbonat und/oder Bariumsulfat kann die Feuchtepermeation nur bedingt gesenkt werden. Ferner werden ionische Spurenverunreinigungen eingebracht, die die elektrischen und optischen Eigenschaften sowie die Alterungsstabilität der Bauelemente beeinträchtigt. LED-Anwendungen mit cykloaliphatischen Epoxidharzen können derzeit nur in niedrigsten Feuchtezuverlässigkeitsklassen (MSL4) eingesetzt werden.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein verbessertes optoelektronisches Bauelement erzeugt.
• Diese Aufgabe wird oder diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe oder werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Das optoelektronische Bauelement weist ein Optikelement auf. Das Optikelement ist vorzugsweise im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Das Optikelement weist zumindest ein 2-fach oder mehrfach funktionelles Epoxidharz als Matrixmaterial auf. Darin eingebettet sind Fluor-substituierte organische Partikel. Die Fluor-substituierten organischen Partikel weisen einen mittleren Partikeldurchmesser d50 von 0,1 µm bis 40 µm, auf. Die Fluor-substituierten organischen Partikel weisen einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew% in dem Optikelement auf.
• Insbesondere besteht das Optikelement aus Epoxidharz als Matrixmaterial und den Fluor-substituierten organischen Partikeln. Dies bedeutet hier, dass keine anderen Stoffe oder Materialien, wie beispielsweise Leuchtstoffe, in dem Optikelement vorhanden sind. Dies schließt nicht aus, dass geringe Verunreinigungen im unteren ppm-Bereich zusätzlich in dem Optikelement vorhanden sind.
• Der mittlere Partikeldurchmesser d50 kann hier bedeuten, dass 50% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Der mittlere Partikeldurchmesser d50 kann mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) bestimmt werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement einen Halbleiterchip auf. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich insbesondere um eine Leuchtdiode, kurz LED. Das Bauelement ist damit bevorzugt dazu eingerichtet, blaues, gelbes, grünes, orangefarbenes, rotes oder weißes Licht zu emittieren.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist mindestens eine n-dotierte Halbleiterschicht, mindestens eine p-dotierte Halbleiterschicht und eine zwischen den beiden dotierten Halbleiterschichten angeordnete aktive Schicht auf. Die Halbleiterschicht des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Das Verbindungshalbleitermaterial kann bevorzugt auf einem Nitrid-, Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1,0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. 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.
• Das optoelektronische Bauelement beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb des Bauelements wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 480 nm.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement ein Optikelement auf. Insbesondere ist das Optikelement im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung des Halbleiterchips angeordnet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Optikelement als Verguss, Klebstoff, Montageelement, Linse, Gehäuse, Konversionselement, Reflexionselement und/oder Diffusorelement ausgeformt.
• Das als Verguss ausgeformte Optikelement kann den Halbleiterchip vollständig stoff- und formschlüssig umgeben. Insbesondere kann der Verguss eine Ausnehmung des optoelektronischen Bauelements ausfüllen.
• Das als Klebstoff ausgeformte Optikelement kann beispielsweise zwischen dem Halbleiterchip und einem Träger oder Substrat angeordnet sein.
• Das als Montageelement ausgeformte Optikelement kann beispielsweise einen Leiterrahmen bilden.
• Das als Linse ausgeformte Optikelement kann insbesondere im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung insbesondere direkt stoff- und formschlüssig auf der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angeordnet sein.
• Das als Gehäuse ausgeformte Optikelement kann einen Rahmen um den Halbleiterchip bilden. Der Halbleiterchip kann in der Ausnehmung des Gehäuses auf einem Träger angeordnet sein.
• Das als Konversionselement ausgeformte Optikelement weist vorzugsweise Leuchtstoffe oder Konvertermaterialien auf. Das als Konversionselement ausgeformte Optikelement ist dann dazu befähigt, die von dem Halbleiterchip emittierte elektromagnetische Strahlung in Strahlung mit veränderter, meist längerer, Wellenlänge zu konvertieren.
• Das als Reflexionselement ausgeformte Optikelement weist insbesondere zusätzlich reflektierende Materialien auf, wobei das Reflexionselement einen Reflexionsgrad von größer 90 %, größer 95 % oder insbesondere größer 99 % aufweist.
• Das als Diffusorelement ausgeformte Optikelement weist einen Reflexionsgrad von größer 90 %, größer 95 % oder insbesondere größer 99 % auf. Das Reflexionselement unterscheidet sich vom Diffusorelement insbesondere dahingehend, dass das Reflexionselement eine gerichtete Reflexion aufweist, wobei insbesondere der Einfallswinkel der Strahlung gleich dem Ausfallswinkel der Strahlung ist. Im Gegensatz dazu zeigt das Diffusorelement eine ungerichtete Reflexion in viele Richtungen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fluor-substituierten organischen Partikel Polymere. Insbesondere sind die Fluor-substituierten organischen Partikel Polymere auf PTFE-Basis. PTFE-Basis bedeutet hier, dass der Hauptbestandteil der Fluor-substituierten organischen Partikel Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein Derivat davon ist. Dies schließt ein, dass Polytetrafluorethylen mit anderen Gruppen substituiert vorliegt.
• PTFE-Basis kann auch bedeuten, dass die Fluor-substituierten organischen Partikel aus PTFE bestehen. Im Vergleich zu herkömmlichen PTFE weisen die hier verwendeten Fluor-substituierten organischen Partikel aus PTFE eine höhere Reinheit auf. Die Fluor-substituierten organischen Partikel weisen im FTIR-Spektrum zwischen 1000 1/cm und 4000 1/cm lediglich zwei Banden für CF-Schwingungen, insbesondere bei 1203 1/cm und 1148 1/cm, auf.
• Zudem können die Fluor-substituierten organischen Partikel im Vergleich zu herkömmlichen PTFE-Materialien beispielsweise eine deutlich geringere Dichte von beispielsweise 300 g/l bis 600 g/l aufweisen. Im Vergleich dazu weist herkömmliches PTFE eine Dichte von 2200 g/l auf.
• Die hier beschriebenen Fluor-substituierten organischen Partikel können auch als Fluoradditive oder Fluortenside bezeichnet werden. Die hier beschriebenen Fluor-substituierten organischen Partikel können bei dem Hersteller Dupont unter dem Namen Zonyl MP-X, wobei X ein Zahlenwert von beispielsweise 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 oder 1600 ist, bezogen werden. Die dort von dem Hersteller angegebenen Fluoradditive werden bisher nur zur Reduzierung der Oberflächenspannung und nicht zur Verbesserung der Eigenschaften des Matrixmaterials in optoelektronischen Bauelementen verwendet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Fluor-substituierte organische Partikel oder weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel ein Molekulargewicht von maximal 50 000 g/mol auf. Vorzugsweise weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel ein Molekulargewicht zwischen 5000 g/mol und 10 000 g/mol, beispielsweise 6000 g/mol und 8000 g/mol, beispielsweise 7000 g/mol, auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fluor-substituierten organischen Partikel sphärisch ausgeformt und weisen einen mittleren Partikeldurchmesser d50 von 1 µm bis 20 µm auf. Der mittlere Partikeldurchmesser kann beispielsweise volumenbezogen mittels dynamischer Lichtstreuung bestimmt werden. Dazu können die pulverförmigen Fluor-substituierten organischen Partikel mit einem Lösungsmittel dispergiert werden und so der mittlere Partikeldurchmesser bestimmt werden. Vorzugsweise ist hier die Agglomeratbildung bei der Bestimmung der mittleren Partikeldurchmesser nicht berücksichtigt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fluor-substituierten organischen Partikel sphärisch ausgeformt und weisen einen mittleren Partikeldurchmesser von 4 µm bis 12 µm auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel einen Anteil von 100 ppm bis 20 Gew% in dem Optikelement und eine Dichte von 200 g/l bis 800 g/l auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel einen Anteil von 25 Gew% bis 40 Gew%, beispielsweise 30 Gew% auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Optikelement zusätzlich folgende Materialien oder Kombinationen auf oder umfasst diese: Farbstoff, Leuchtstoff, Diffusorpartikel, anorganische Füllstoffe.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Optikelement ein Material oder eine Kombination aus mehreren Materialien aus folgender Gruppe auf: Reaktivverdünner, Alkohol, Silanhaftvermittler, Entgasungsmittel, Verlaufshilfsmittel, Trennmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Lichtschutzmittel, Füllstoff, Pigment, Verdickungsmittel, Leuchtstoff.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial Anhydride als Härterkomponente oder Härterkomponenten auf.
• Amine, Imidazole, Ammonium-Iodoniumsalze, Phosphonium-Iodoniumsalze oder Sulfonium-Iodoniumsalze führen beim Aushärten oder im Betreib zur Vergilbung bzw. Braunfärbung.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient das Optikelement als elektrischer Durchschlagspannungsschutz und/oder als Korrosionsschutz.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das Bauelement bei Tieftemperaturen verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel im FTIR-Spektrum zwischen 1000 1/cm und 4000 1/cm lediglich zwei Banden für CF-Schwingungen auf. Die zwei CF-Schwingungen sind bei Wellenlängen von 1203 1/cm und 1148 1/cm mit jeweils einer Toleranz von 5 % Abweichung von diesen Werten zu beobachten.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Optikelement als Kleber ausgeformt und dient als Feuchtebarriere.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Epoxidharz eine Wasserdampfdurchlässigkeit auf, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit des Epoxidharzes um mindestens den Faktor 1,5 bis 11 herabgesetzt ist, wenn mindestens 5 Gew% Fluor-substituierte organische Partikel in dem Optikelement vorhanden sind.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial aus folgender Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt: gesättigtes Epoxidharz, ungesättigtes Epoxidharz, cyklisches Epoxidharz, acyklisches Epoxidharz, aliphatisches Epoxidharz, aromatisches Epoxidharz, heterocyklisches Epoxidharz. Zusätzlich kann das Matrixmaterial Epoxidäquivalenzwerte zwischen 150 und 4000 g/Äquivalenz aufweisen. Die hier beschriebenen Epoxidharze können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Epoxidharz cyklische und aromatische Bereiche aufweisen.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Insbesondere wird mit dem hier beschriebenen Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement erzeugt. Dabei gelten alle für das optoelektronische Bauelement genannten Ausführungen und Definitionen auch für das Verfahren und umgekehrt.
• In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements die folgenden Schritte auf, die vorzugsweise in der hier beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden:
1. A) Bereitstellen eines Halbleiterchips, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
2. B) Bereitstellen eines Optikelements, das ein 2-fach oder mehrfach funktionelles Epoxidharz als Matrixmaterial und darin eingebettet Fluor-substituierte organische Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,1 µm bis 40 µm aufweist, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew% in dem Optikelement aufweisen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt vor, nach oder während Schritt B) eine Härtung des Optikelements. Die Härtung des Optikelements kann bei einer Temperatur von 60 °C bis 180 °C, vorzugsweise 60 °C bis 150 °C, beispielsweise 100 °C, erfolgen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Härtung mittels UV-Strahlung oder thermischer Behandlung. Alternativ kann die Härtung auch mittels Licht aus dem sichtbaren Bereich erfolgen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fluor-substituierten organischen Partikel einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew%, insbesondere von 100 ppm bis 20 Gew% mit einer Dichte (bulk) von 200 g/l bis 800 g/l, insbesondere von 300 g/l bis 600 g/l, in dem Matrixmaterial auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die in dem Matrixmaterial eingebetteten Fluor-substituierten organischen Partikel eine mittlere Partikelgröße d50 (volumenbezogen) von 0,1 µm bis 40 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 20 µm, auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fluor-substituierten organischen Partikel aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Pulver geformt. Insbesondere ist das Pulver weiß ausgeformt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Optikelement einen Beschleuniger auf. Als Beschleuniger von Anhydridhärter mit Halbestern können Zn-, Y- und Zr-Carboxylaten verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial Farbstoffe und/oder Leuchtstoffe zur Lichtkonversion auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial anorganische Diffusorpartikel, wie beispielsweise Kalziumfluorid, Titandioxid, Bariumsulfat und/oder Kalziumcarbonat, auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial feinteiliges Siliziumdioxid, Titandioxid und/oder Aluminiumoxid auf, wie beispielsweise pyrogene Kieselsäuren, wie beispielsweise Aerosil. Die genannten Materialien sind insbesondere als Partikel ausgeformt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial anorganische Füllstoffe zur Erhöhung der thermischen Wärmeleitfähigkeit auf, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Graphit, Ruß, Graphen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial als Gießharz, Klebstoff, Beschichtungsmittel (coating), Tropfenabdeckung (Glob Top) oder Moldmasse ausgeformt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Optikelement in elektrischen, elektronischen und/oder optoelektronischen Bauelementen, vorzugsweise Leuchtdioden, verwendet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Optikelement als Klebstoff mit Feuchtebarriere mit Wirkung für organische Leuchtdioden (OLEDs) verwendet.
• Der Erfinder hat erkannt, dass durch Zugabe von chemisch sehr inerten Fluoradditiven, also den Fluor-substituierten organischen Partikeln auf PTFE-Basis, die Feuchteaufnahme, die Feuchtepermeation, das Korrosionsverhalten und das Alterungsverhalten von elektronischen und/oder optoelektronischen Bauelementen verbessert werden können. Die Fluoradditive, die vorzugsweise weißes PTFE-Pulver sind, sind sehr lichtstabil, so dass zusätzliche Vergilbungsrisiken ausgeschlossen werden. Zudem können die Bauelemente im Netzbetrieb vor elektrischer Überspannung mit Spannungsspitzen bis 4 kV im ms-Bereich geschützt und aufgrund der hohen inhärenten dielektrischen Fähigkeit von PTFE (60 MV/m, 1 MHz) sicherer betrieben werden. Zudem können aufgrund der niedrigen dielektrischen Konstante von 2,1 bei PTFE schnellere Schaltfrequenzen realisierbar sein.
• Die Fluoradditiv-Pulver auf PTFE-Basis in Epoxidharz als Matrixmaterial können zur Verkapselung bei der Montage oder beim Beschichten optoelektronischer Bauteile verwendet werden. Überraschenderweise erkannte der Erfinder, dass trotz der sehr niedrigen Oberflächenenergie von PTFE die Haftung und damit die Verbundfestigkeit zu unterschiedlichen Substratoberflächenkombinationen nur in sehr geringem Maße oder gar nicht beeinträchtigt wird. Überraschend ist weiterhin, dass sich die verwendeten PTFE-Partikel aufgrund ihres eher niedrigen mittleren Molekulargewichtes problemlos homogen auf unterschiedlichen Epoxidharzen verteilen lassen und bei der Lagerung keine Separation zu beobachten ist.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial ein 2-fach und/oder mehrfach funktionelles Epoxidharz auf.
• Epoxidharz wird üblicherweise als Zweikomponentensystem bereitgestellt, das vom Anwender gebrauchsfertig zu mischen ist. Die sogenannte A-Komponente enthält meist das Epoxidharz, die sogenannte B-Komponente den Härter, der in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis dem Harz zugegeben wird.
• Unter Einkomponentensystem wird hier und im Folgenden verstanden, dass das Epoxidharz reaktiv ist und thermisch aushärtet und keine B-Komponente aufweist. Einkomponentensysteme werden gebrauchsfertig ausgeliefert und sind lagerfähig. Eine B-Komponente ist insbesondere ein organischer Stoff, wie beispielsweise ein Carbonsäureanhydrid. Durch ein Carbonsäureanhydrid als B-Komponente zusammen mit einem Beschleuniger erfolgt in der Regel eine Vernetzung der A-Komponente (entspricht formuliertem Epoxidharz). Durch diese Vernetzung entsteht ein duromerer Epoxidharzformstoff. Das Carbonsäureanhydrid zusammen mit einem Beschleuniger kann als Härter bezeichnet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial eine A-Komponente auf. Die A-Komponente kann folgendes umfassen: 2-fach und/oder mehrfach funktionelles Epoxidharz, Reaktivverdünner, mehrwertige Alkohole, Fluorsubstituiere organische Partikel, Silanhaftvermittler, Entlüfter/Entgasungsmittel, Verlaufshilfsmittel, interne Trennmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Lichtschutzmittel, Füllstoffe, Pigmente, Verdickungsmittel und/oder Leuchtstoffe zur LED-Lichtkonversion. Die einzelnen Bestandteile können einzeln und/oder in Kombination verwendet werden. Zwingend ist, dass zumindest das 2- und/oder mehrfach funktionelle Epoxidharz und die Fluor-substituierten organischen Partikel in der A-Komponente vorhanden sind. Insbesondere beträgt der Anteil aller nachfolgenden Bestandteile in der A-Komponente 100 % oder 100 Gew%. Der Anteil ist hier insbesondere auf die A-Komponente bezogen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das 2-fach- und/oder mehrfach funktionelle Epoxidharz in der A-Komponente einen Anteil von 50 Gew% bis 97 Gew%, vorzugsweise zwischen 80 Gew% und 97 Gew%, auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen Reaktivverdünner auf. Der Anteil des Reaktivverdünners in der A-Komponente kann zwischen 0 und 10 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 5 Gew%, sein. Als Reaktivverdünner kann beispielsweise Butandiol und/oder Hexandioldiglycidether verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Matrixmaterial ein- und/oder mehrwertige Alkohole. Die mehrwertigen Alkohole können mit einem Anteil zwischen 0 und 10 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 5 Gew%, in der A-Komponente vorhanden sein. Als mehrwertige Alkohole können beispielsweise 1-2-Propandiol, Butandiol und/oder Trimethylolpropan verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial eingebettete Fluor-substituierte organische Partikel auf. Die Fluor-substituierten organischen Partikel können mit einem Anteil zwischen 0,01 Gew% bis 40 Gew%, vorzugsweise zwischen 0,01 Gew% und 20 Gew%, in der A-Komponente vorhanden sein.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen Silanhaftvermittler auf. Der Silanhaftvermittler kann mit einem Anteil zwischen 0,2 Gew% bis 5 Gew%, vorzugsweise zwischen 0,5 Gew% und 2 Gew%, in der A-Komponente vorhanden sein. Als Silanhaftvermittler kann beispielsweise Gamma-Glycidoxipropyltrimethoxysilan verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen Entlüfter/ein Entgasungsmittel auf. Der Anteil des Entlüfters/Entgasungsmittels kann zwischen 0 und 2 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 1 Gew%, in der A-Komponente sein. Als Entlüfter/Entgasungsmittel können Ester und/oder fluororganische Verbindungen verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial Verlaufshilfsmittel auf. Die Verlaufshilfsmittel können mit einem Anteil zwischen 0 und 2 Gew%, insbesondere zwischen 0 und 1 Gew%, in der A-Komponente vorhanden sein. Als Verlaufshilfsmittel können Ester und/oder fluororganische Verbindungen und/oder Acrylate verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial ein internes Trennmittel auf. Der Anteil des internen Trennmittels kann zwischen 0 und 2 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 1 Gew%, in der A-Komponente sein. Als interne Trennmittel können zum Beispiel langkettige Carbonsäuren C12 bis C22 verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial optische Aufheller oder Farbstoffe, wie beispielsweise Antrachinonfarbstoffe auf. Der Anteil der Farbstoffe und/oder optischen Aufheller kann zwischen 0 und 5 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 0,2 Gew% in der A-Komponente sein.
  Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial ein Lichtschutzmittel auf. Der Anteil des Lichtschutzmittels kann zwischen 0 und 3 Gew%, insbesondere zwischen 0 und 1 Gew%, in der A-Komponente sein. Als Lichtschutzmittel können beispielsweise Tinuvin-Handelsprodukte und/oder 1,3-Di-Tert-Butyl-4-Hydroxyphenol (BHT) verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial Füllstoffe und/oder Pigmente auf. Der Anteil der Füllstoffe und/oder Pigmente kann zwischen 0 und 60 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 20 Gew%, in der A-Komponente sein. Als Füllstoffe und/oder Pigmente können Calciumfluorid, Titandioxid, Quarzgut, Wollastonit und/oder Calciumcarbonat verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial zumindest ein Verdickungsmittel auf. Der Anteil des Verdickungsmittels kann zwischen 0 und 10 Gew%, vorzugsweise zwischen 0 und 5 Gew%, in der A-Komponente sein. Als Verdickungsmittel können beispielsweise pyrogene Kieselsäuren wie Aerosil R202 oder Aerosil 200 verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial zumindest einen Leuchtstoff oder Leuchtstoffe zur Lichtkonversion auf. Der Anteil der Leuchtstoffe zur Lichtkonversion kann zwischen 0 und 40 Gew%, beispielsweise zwischen 0 und 20 Gew%, in der A-Komponente sein. Beispielsweise können die folgenden Leuchtstoffe verwendet werden: Europiumdotierte Nitride, wie beispielsweise (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃ * Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca, Ba, Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca) [LiAl₃N₄] : EU²⁺; Granate, wie beispielsweise (Gd,Lu,Tb,Y)₃(Al,Ga,D)₅(O,X)₁₂:RE mit X = Halogen, N oder zweiwertige Elemente, D = tri- oder tetravalente Elemente und RE = Seltene Erdmetalle wie Lu₃ (Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al₁-_xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺; europiumdotierte Sulfide, wie beispielsweise (Ca, Sr, Ba)S:Eu²⁺; SiAlONs, wie Li_xM_yLn_zSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_16-n; beta-SiAlONs, wie Si_6-xAl_zO_yN_8-y: RE_z; Nitridorthosilikate, wie beispielsweise AE_2-x-aRE_xEu_aSiO_4-xN_x, AE_2-x-aRE_xEu_aSi_1-yO_4-x-2yN_x mit RE = Seltenen Erdmetallen und AE = Erdalkalimetall; Chlorsilikate, wie beispielsweise Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂ : Eu²⁺; Chlorphosphate, wie beispielsweise (Sr, Ba, Ca, Mg)₁₀ (PO₄)₆Cl₂ : Eu²⁺; BAM-lumineszierende Materialien aus dem Bariumoxid-, Magnesiumoxid- und Aluminiumoxidsystem, wie beispielsweise BaMgAl₁₀O₁₇: Eu²⁺; Halogenphosphate, wie beispielsweise M₅ (PO₄)₃ (Cl, F) : (Eu²⁺,Sb³⁺,Mn²⁺); SCAPlumineszierende Materialien, wie beispielsweise (Sr, Ba, Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu²⁺. Zudem können Konversionsmaterialien wie in EP 2549330 A1 beschrieben verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die 2-fach und/oder mehrfach funktionellen Epoxidharze ein und/oder zwei Epoxidgruppen auf. Die 2-fach und/oder mehrfach funktionellen Epoxidharze sind insbesondere gesättigte, ungesättigte, cyklische, acyklische, aliphatische, aromatische und/oder heterocyklische Epoxidharze mit Epoxidäquivalentwerten zwischen 150 und 4000 (g/Äquiv.).
• Im Falle von einkomponentigen Epoxidharzen können insbesondere kationische Initiatoren auf Sulfoniumbasis mit Anionen, wie beispielsweise PF6-, ASF6-, SbF6-, in Konzentrationen von beispielsweise 0,5 bis 3 Gew% verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann ein aromatisches Epoxidharz hier mit O14 abgekürzt verwendet werden. Das aromatische Epoxidharz kann neben weiteren Bestandteilen und Additiven zu mehr als 90 % die Basisharze Bisphenol-A-Diglycylether (CAS25068) und Epoxid-Novolak-Harz (CAS28064-14-4) enthalten.
• Weiterhin sind auch Mischungen mit CY179 (CAS 2386-87-0) denkbar.
• Das Mischungsverhältnis mit der Härterkomponente B18 kann beispielsweise 100:90 sein.
• Die Härterkomponente B18, hier auch als B-Komponente bezeichnet, kann folgende Zusammensetzung aufweisen:
• - Dicarbonsäureanhydrid, wie beispielsweise HHPA, MHHPA oder Mischungen aus beiden,
• - Dicarbonsäureanhydrid-Halbester wie HHPA und/oder MHHPA,
• - organische Phosphite und/oder
• - Beschleuniger, wie Zn-, Y- oder Zr-Carbonsäuresalze. HHPA bedeutet hier Hexahydrophthalsäureanhydrid. MHHPA bedeutet hier Methylhexahydrophthalsäureanhydrid.
• Das Mischungsverhältnis zwischen der A- und der B-Komponente (A:B) des Matrixmaterials kann zwischen 100:60 bis 100:120 betragen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die B-Komponente Dicarbonsäureanhydrid mit einem Anteil von 70 Gew% bis 90 Gew% auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die B-Komponente Dicarbonsäureanhydrid-Halbester mit einem Anteil von 5 Gew% bis 30 Gew% auf.
  Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil der organischen Phosphite in der B-Komponente zwischen 1 Gew% und 10 Gew%.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil des Beschleunigers in der B-Komponente zwischen 2 Gew% und 10 Gew%.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann als Fluor-substituierte organische Partikel Zonyl MP1100 der Firma Dupont in Konzentrationen zwischen 5 Gew% bis 30 Gew% bezogen auf die A-Komponente des Matrixmaterials verwendet werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Epoxidharz ein cykloaliphatisches Epoxidharz (IK0010 der Firma Inabata) verwendet. Neben weiteren Bestandteilen und Additiven kann das cykloaliphatische Epoxidharz zu mehr als 80 % das Basisharz

  

  aufweisen. Das cykloaliphatische Epoxidharz kann auch als Araldite CY179 oder (Bis -(Epoxycyklohexyl)-Methylcarboxylat) mit CAS2386-87-0 bezeichnet werden. Das Mischungsverhältnis mit der Anhydridhärterkomponente IK0010B kann beispielsweise 100:90 betragen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Epoxidharzsystem zumindest ein cykloaliphatisches Epoxidharz auf. Vorzugsweise wird als cykloaliphatisches Epoxidharz ein Epoxidharz mit der CAS-Nr. 2386-87-0 verwendet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das cykloaliphatische Epoxidharz zumindest zwei Epoxidfunktionen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das cykloaliphatische Epoxidharz aus einer Gruppe von Verbindungen ausgewählt, die 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat und Poly[(2-oxiranyl)-1,2-cyclohexanediol]-2-ethyl-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediolether umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei dem cycloaliphatischen Epoxidharz um 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat oder (Bis-(Epoxidcyclohexyl)-Methylcarboxylat).
• Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• Die 1A zeigt die Eigenschaften der Fluor-substituierten organischen Partikel,
• die 1B ein FTIR-ATR-Spektrum eines Fluor-substituierten organischen Partikels,
• die 2A und 2B die Viskosität, die Wasserdampfdurchlässigkeit und Feuchteaufnahme des hier beschriebenen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
• die 3 DSC-Kurven gemäß einer Ausführungsform,
• die 4A und 4B das dynamisch-mechanische Verhalten eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels,
• die 5A und 5B das thermische Ausdehnungsverhalten eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels,
• die 6A und 6B das thermogravimetrische Verhalten eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels,
• die 7 und 8 jeweils die Verbundfestigkeit von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen, und
• die 9A bis 9F 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 1 zeigt ausgewählte Eigenschaften des Fluor-substituierten organischen Partikels. Die Fluor-substituierten organischen Partikel können laut Herstellerangaben auch als Zonyl MP-Partikelrohstoffe bezeichnet werden. Hier sind sechs beispielhafte Fluor-substituierte organische Partikel gezeigt: F1 ist Zonyl MP-1000, F2 ist Zonyl MP-1100, F3 ist Zonyl MP-1200, F4 ist Zonyl MP-1300, F5 ist Zonyl MP-1400 und F6 ist Zonyl MP-1500. Es sind die Dichte p in Gramm pro Liter (g/l), der Schmelzpunkt T_S in °C, die mittlere Partikelgröße (volumenbezogen) d50 in µm, die spezifische Oberfläche A_O in m²/g und der Einsatztemperaturbereich T_E in °C angegeben.
• Im Vergleich zu herkömmlichen Polytetrafluorethylen-basierten Polymeren weisen die hier beschriebenen Fluor-substituierten organischen Partikel eine geringere Dichte von beispielsweise 300 bis 500 g/l und/oder kleinere mittlere Partikelgrößen d50 von 3 µm oder 4 µm bis 12 µm auf. Die Fluor-substituierten organischen Polymere (CAS-Nummer 9002-84-0) sind weiß und weisen gegenüber herkömmlichen Polytetrafluorethylen-Pulvern ein geringeres Molekulargewicht auf. Sie können damit problemlos in Matrixmaterialien wie Silikon verteilt werden. Die vom Hersteller angegebenen Dichten sind deutlich geringer als die 2200 g/l von herkömmlichen Polytetrafluorethylen-Materialien.
• Die 1B zeigt ein FTIR-ATR-Spektrum eines Fluor-substituierten organischen Partikels, hier am Beispiel F1, gemäß einer Ausführungsform. Hier ist die Transmission T in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenzahl ν in 1/cm angegeben.
• Es sind Signale bei 1203 1/cm und 1148 1/cm zu beobachten. Das bandenarme FTIR-Spektrum der eingesetzten Fluor-substituierten organischen Partikel zeigt, dass es sich hier um ein sehr reines Polytetrafluorethylen-Pulver handelt, weil im Bereich zwischen 1000 1/cm und 4000 1/cm lediglich die beiden Banden für die CF-Schwingungen bei 1203 1/cm und 1148 1/cm gefunden werden konnten.
• Zudem weist F1 ein relativ niedriges Molekulargewicht auf. Damit kann eine gute Verarbeitbarkeit des Pulvers in dem Matrixmaterial beobachtet werden, weil sich hochmolekulare PTFE-Partikel aufgrund starker Unverträglichkeit nur schwer homogen in Silikon verteilen lassen. Insbesondere ist das Molekulargewicht der Fluor-substituierten organischen Partikel niedriger als 10 000 g/mol, insbesondere niedriger als 5000 g/mol.
• Die 2A zeigt die Viskosität des Optikelements gemäß einer Ausführungsform und einem Vergleichsbeispiel. Als Epoxidharz wurde die Vergussmasse M eines aromatischen Epoxid-Anhydrids M1 (O14/B18) oder cykloaliphatischen Epoxid-Anhydrids M2 (IK0010) verwendet. Zu diesem Matrixmaterial wurden Fluor-substituierte Partikel mit einem Anteil von 5 Gew%, 10 Gew%, 20 Gew% beziehungsweise 30 Gew% zugegeben. Als Referenz diente die jeweilige Epoxidharzmasse M1 oder M2 ohne Zugabe der Fluor-substituierten Partikel F1 (0 Gew% F1). Es wurde die Viskosität η_25A in mPas bei 25 °C und die Viskosität η_25AB der A:B-Mischung in mPas bei 25 °C bestimmt. Die Viskositäten der aromatischen und cykloaliphatischen Epoxidharze zeigen, dass beide Harze nach Zugabe von F1 in einer Menge von 20 beziehungsweise 30 Gew% flüssig applizierbar sind und weiterhin in Gießharzprozessen leicht verwendet werden können.
• Die 2B zeigt die Wasserdampfdurchlässigkeit der Systeme M1 und M2 durch Zugabe von F1. Als Referenz dienten wieder die Epoxidharze M1 und M2 ohne Zugabe der Fluor-substituierten Partikel F1. Die Wasserdampfdurchlässigkeit WDD ist in g/m²d gemessen und auf 1 mm Dicke, normiert angelehnt an ASTM F-1249.
• Die Wasserdampfdurchlässigkeiten der aromatischen und cykloaliphatischen Epoxid-Anhydridvergussmassen zeigen, dass bereits bei einer F1-Zugabe von 5 Gew% die Wasserdampfdurchlässigkeit sehr stark herabgesetzt werden kann. Bei der M1-Vergussmasse werden sehr niedrige WDD-Werte erhalten, so dass hiermit mediendichtere Vergüsse und Verbünde hergestellt werden können. Die niedrige WDD nach F1-Zugabe in der cykloaliphatischen M2-Vergussmasse weist darauf hin, dass die Feuchtestabilität von optoelektronischen Bauelementen wie LEDs, die mit cykloaliphatischem Epoxidharz gekapselt sind, für Außenanwendungen deutlich verbessert werden kann. Weitere, aufgrund der guten Feuchtebarrierewirkung denkbare Anwendungen sind Epoxidharzklebstoffe mit Fluor-substituierten organischen Partikelpulvern für mediendichtere Verbunde, beispielsweise Klebstoffe für die besonders feuchteempfindlichen organischen lichtemittierenden Bauelemente (OLEDs).
• Die geringe Feuchteaufnahme der Vergussmasse M1 von 0,8 % kann durch F1-Zugabe von 20 Gew% noch weiter auf 0,6 % gesenkt werden. Der Feuchteabnahmeeffekte ist bei der cykloaliphatischen M2-Vergussmasse noch deutlicher. M2 zeigt nach 3 Wochen feuchter Lagerung eine Aufnahme von 2,87 %, und das mit 30 Gew% modifizierte Harz weist 1,99 % Feuchteaufnahme auf.
• Die 3 zeigt eine DSC-Kurve gemäß einer Ausführungsform. Die DSC-Kurve (Dynamic Scanning Calorimetry) wurde mit einer Heizrate von 10 Kelvin/Minute betrieben. Als Matrixmaterial wurde M1 mit einem F1-Anteil von 20 Gew% (M1+F1(20 Gew%)) verwendet. Es wurde die Onset-Temperatur T₀, das Peakminimum P, die Fläche A und die Änderung ΔH bestimmt. Die Einwaage m betrug 1,92 mg. T₀ und P liegen im erwarteten Bereich. Das Härtungsverhalten der LED-Vergussmasse M1 bleibt durch die chemisch inerten Fluoradditivpartikelzusätze erwartungsgemäß nahezu unverändert. Höhere Härtungstemperaturen oder längere Härtungszeiten sind bei der Verarbeitung der erfindungsgemäßen Harze somit nicht erforderlich.
• Die 4A und 4B zeigen das dynamisch-mechanische Verhalten eines Vergleichsbeispiels und eines Ausführungsbeispiels. Das Vergleichsbeispiel in der 4A weist das Matrixmaterial M2 100:90 ohne F1 auf (Kurven 4-1). Das Ausführungsbeispiel weist das Matrixmaterial M2 mit 30 Gew% F1 auf (Kurven 4-2).
• Es ist das Speichermodul S in Megapascal in Abhängigkeit von der Temperatur in °C in 4A angegeben (DMA-Kurven, DMA = Dynamic Mechanical Analysis, Tensile, 1 Hertz, 3 Kelvin/Minute Heizrate). Zudem ist der Tanδ dargestellt. Die Kurven mit einem Maximum zeigen die Tanδ-Werte.
• Die Tanδ-Kurven weisen darauf hin, dass sich die Glasübergangstemperatur T_G des Harzes sogar bei einer hohen Konzentration von 30 Gew% F1 bezogen auf die A-Komponente unwesentlich verändert.
• Die Speichermodulkurven 4-1 und 4-2, die mit steigender Temperatur abnehmen, zeigen, dass die F1-Partikelzugabe zu niedrigeren Modulwerten und damit zu einer Harzflexibilisierung beiträgt. Folglich sollte das Crackverhalten der Harze mit der Partikelmodifizierung im Package verbessert werden.
• Die Speichermodulwerte aus der 4B zeigen die Harzflexibilisierung bei aromatischen und cykloaliphatischen Epoxid-Anhydridvergussmassen, wobei der Effekt auch bei -40 °C zum Tragen kommt, wodurch die Zyklenfestigkeit im Bauteilverbund im Tieftemperaturbereich stark verbessert werden kann.
• Die 5A und 5B zeigen das thermische Ausdehnungsverhalten von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen. Als Matrix wird M1 beziehungsweise M2 verwendet. Der jeweiligen Vergussmasse M1 oder M2 wird F1 (20 Gew% oder 30 Gew%) zugegeben. Als Referenz dienten die Vergussmassen ohne F1-Zugabe.
• Es ist der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE (Coefficient of Thermal Expansion) gezeigt. Es ist die DC (Dimension Change) im ppm in Abhängigkeit von der Temperatur in °C dargestellt. Durch die Zugabe von F1 in einer Menge von 20 Gew% steigt der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der aromatischen Epoxid-Anhydridvergussmasse M1 geringfügig an. Bei der Zugabe von höheren Gehalten von 30 Gew% F1 in der cykloaliphatischen Epoxid-Anhydridvergussmasse M2 steigt der CTE-Wert unterhalb der Glasübergangstemperatur T_G merklich an. Überraschend erscheint die deutliche Abnahme des CTE oberhalb der T_G . Die TMA-Kurve (TMA = Thermal Mechanical Analysis) wurde mit einer Heizrate von 3 Kelvin/Minute unter Helium gemessen.
• Die 6A und 6B zeigen das thermogravimetrische Verhalten von Vergleichsbeispielen und Ausführungsbeispielen. Es ist die TGA-Kurve (Thermal Gravimetrical Analysis) mit einer Heizrate von 10 Kelvin/Minute in Luft der Vergussmasse M1 mit 20 Gew% F1 gezeigt. Die Tabelle der 6B zeigt zudem die Referenzen ohne Zugabe von F1 sowie das Matrixmaterial M2 mit F1 mit einem Anteil von 30 Gew%. GewV bedeutet hier Gewichtsverlust an Luft in Prozent.
• Die thermogravimetrische Analyse zur Untersuchung der Kurzzeittemperaturstabilität zeigt die gute Stabilität der mit 20 Gew% F1 modifizierten aromatischen M1-Vergussmasse. Bei Temperaturen bis 200 °C werden keine zusätzlichen flüchtigen Anteile von F1 gefunden. Bei einem noch höheren F1-Anteil von 30 Gew% in M2 wird die thermische Stabilität bis 260 °C eher noch erhöht.
• Die 7 zeigt die Verbundfestigkeit (DSS = Die Shear Strength) oder Abscherfestigkeit AF in MPa des Matrixmaterials M2 (Referenz) und des Ausführungsbeispiels M2+F1 (30 Gew%). Die Beispiele wurden bei 150 °C für vier Stunden gehärtet. Es wurden jeweils 10 Quarzwürfel mit 2x2 mm vermessen und der Mittelwert daraus gebildet. Als Gerät diente Dage 4000, als Substrat wurde Keral 96, also eine Aluminiumoxidkeramik und PCT, das heißt ein Thermoplast auf Polyhexylendimethylenterephthalat, verwendet.
• Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele 7-1 bis 7-3 verwenden Keral 96, die Beispiele 7-4 bis 7-6 eine Kupferkeramik, die Beispiele 7-7 bis 7-9 eine Silberkeramik und die Beispiele 7-10 bis 7-12 ein PCT-Polymer. Die Messungen wurden bei unterschiedlichen Temperaturen, Raumtemperatur, 100 °C und 150 °C, durchgeführt.
• Die Verbundfestigkeitsuntersuchung bei Temperaturen bis 150 °C mit unterschiedlichen Oberflächen, wie Keral 96, Kupfer-, Silber-, Keramiksubstrat und PCT als gängige LED-Gehäusewerkstoffe, zeigt, dass die Verbundfestigkeit in cykloaliphatischen Epoxid-Anhydridvergussmassen bei einer Zugabe von 30 Gew% F1 nicht wesentlich herabgesetzt wird und teilweise sogar höhere Festigkeiten bei erhöhten Temperaturen festgestellt wurden. Dieser Befund ist überraschend und unerwartet, weil eine deutliche Abnahme der Haftfestigkeit durch die PTFE-Partikelmodifizierung, insbesondere bei einem Anteil von 30 Gew%, erwartet werden würde.
• Die 8 zeigt die Verbundfestigkeit des Matrixmaterials M1 (aromatische Epoxid-Anhydridvergussmasse, Referenz). Es ist als Ausführungsbeispiel M1 mit Zugabe von 20 Gew% F1 angegeben. Die Ausführungen der Beispiele 8-1 bis 8-3 zeigen die Verwendung von Keral 96, die Beispiele 8-4 bis 8-6 die Verwendung einer Kupferkeramik, die Beispiele 8-7 bis 8-9 die Verwendung einer Silberkeramik, die Beispiele 8-10 bis 8-12 die Verwendung eines PCT-Polymersubstrats.
• Bei der aromatischen Epoxid-Anhydridvergussmasse M1 mit einem Anteil von 20 Gew% F1 zeigen sich ähnlich unerwartet gute Haftfestigkeiten wie in der 7 bei unterschiedlichen Substratoberflächen. Damit weist das Bauelement eine gute Verbundfestigkeit auf.
• Die 9A bis 9F zeigen eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß verschiedener Ausführungsformen; insbesondere weist das optoelektronische Bauelement das hier beschriebene Optikelement mit einem Epoxidharz als Matrixmaterial und Fluor-substituierten organischen Partikeln 102 (auch als F oder F1-F6 bezeichnet) auf.
• Gemäß der 9A weist das optoelektronische Bauelement 100 einen Leiterrahmen 1 auf. Ferner weist das optoelektronische Bauelement einen Träger 5 auf. Auf dem Leiterrahmen 1 ist ein Halbleiterchip 2 mit einer Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge zur Emission von Strahlung eingerichtet. Der Halbleiterchip 2 ist innerhalb einer Ausnehmung 6 eines Gehäuses 3 angeordnet. Die Ausnehmung 6 kann mit einem Verguss 4 ausgefüllt sein. Zusätzlich kann der Verguss 4 weitere Partikel, wie beispielsweise Leuchtstoffpartikel oder Streupartikel, aufweisen (hier nicht gezeigt). Das Optikelement kann teilweise oder vollständig das Gehäuse 3, den Verguss 4, den Träger 5, das Substrat 7 und/oder den Leiterrahmen 1 bilden oder Bestandteil dieser sein.
• In der 9B ist ein Träger oder Substrat 7 gezeigt, auf dem der Halbleiterchip 2 angeordnet ist. In dem Fall kann das Optikelement auch der Träger 7 sein.
• Die 9C zeigt die Anordnung des Halbleiterchips 2 auf einem Träger 7, wobei im Strahlengang des Halbleiterchips 2 ein Konverterelement 8 mit Leuchtstoffen 11 angeordnet ist. Das Optikelement kann hier als Konverterelement ausgeformt sein und damit sowohl die Fluor-substituierten organischen Polymere 102, das Matrixmaterial 101 als auch zusätzlich Leuchtstoffe aufweisen. Beispielsweise können Europiumdotierte Nitride oder Granate verwendet werden.
• Gemäß der 9D ist der Halbleiterchip sowohl auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips als auch auf dessen Seitenflächen vollständig von dem Konverterelement 8 umgeben. Das Konverterelement 8 kann als Optikelement ausgeformt sein oder umgekehrt.
• Das Bauelement der 9E unterscheidet sich von dem Bauelement der 9A dadurch, dass das Bauelement zusätzlich ein Reflexionselement 9 aufweist. Insbesondere ist das Reflexionselement 9 zur spekularen Reflexion mit gleichem Einfalls- und Ausfallswinkel ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Bestandteile des Bauelements, wie Gehäuse, Verguss, Leiterrahmen etc., das Optikelement bilden oder Teil des Optikelements 10 sein.
• Gemäß der 9F ist ein Träger oder Substrat 7 dargestellt, auf dem der Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Im Strahlengang und insbesondere direkt auf der Strahlungshauptfläche des Halbleiterchips 2 ist eine Linse 12 angeordnet. Das Optikelement 10 bildet hier also die Linse 12 und weist Fluor-substituierte organische Partikel 102 und Epoxidharz als Matrixmaterial 101 auf.
• Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele 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 jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patenansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
• Bezugszeichenliste

100

optoelektronisches Bauelement

1

Leiterrahmen

2

Halbleiterchip

3

Gehäuse

4

Verguss

5

Träger

6

Ausnehmung

7

Substrat

8

Konverterelement oder Konversionselement

9

Reflektorelement oder Reflexionselement

10

Optikelement

11

Leuchtstoff

12

Linse

101

Matrixmaterial

102

Fluor-substituierte organische Partikel

13

Klebstoff

14

Diffusorelement

M

Matrixmaterial

M1

aromatisches Epoxid-Anhydrid

M2

cykloaliphatisches Epoxid-Anhydrid

F

Fluor-substituierte organische Partikel

F1

Zonyl MP1000

F2

Zonyl MP1100

F3

Zonyl MP1200

F4

Zonyl MP1300

F5

Zonyl MP1400

F6

Zonyl MP1600

η_25A

Viskosität bei 25 °C der A-Komponente

η_25AB

Viskosität bei 25 °C der A-B-Komponente

WDD

Wasserdampfdurchlässigkeit nominiert auf 1 mm Dicke angelehnt an ASTMF-1249

R

Referenz

GewV

Gewichtsverlust

HF

Wärmefluss

S

Speichermodul

T

Temperatur

t

Zeit

DC

Volumenänderung (Dimension Change)

AF

Abscherfestigkeit

RT

Raumtemperatur

p

Dichte

T_S

Schmelztemperatur

d50

Mittlere Partikelgröße (volumenbezogen)

A_O

spezifische Oberfläche

T_E

Einsatztemperaturbereich

• 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 Patentliteratur
• EP 2549330 A1 [0074]

Claims (20)

1. Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend - einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, - ein Optikelement (10), das zumindest ein 2-fach oder mehrfach funktionelles Epoxidharz als Matrixmaterial (101) und darin eingebettet Fluor-substituierte organische Partikel (102) mit einem mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 0,1 µm bis 40 µm aufweist, - wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew% in dem Optikelement (10) aufweisen.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) Polymere sind.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) Polymere auf PTFE-Basis sind.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) ein Molekulargewicht von maximal 50 000 g/mol aufweisen.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Epoxidharz (101) eine Wasserdampfdurchlässigkeit aufweist, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit des Epoxidharzes (101) um mindestens den Faktor 1,5 bis 11 herabgesetzt ist, wenn mindestens 5 Gew% Fluor-substituierte organische Partikel (102) in dem Optikelement (10) vorhanden sind.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) ein Molekulargewicht zwischen 5000 g/mol und 10 000 g/mol aufweisen.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (101) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: gesättigtes Epoxidharz, ungesättigtes Epoxidharz, cyklisches Epoxidharz, acyklisches Epoxidharz, aliphatisches Epoxidharz, aromatisches Epoxidharz, heterocyklisches Epoxidharz, wobei das Matrixmaterial Epoxidäquivalentwerte zwischen 150 und 4000 g/Äquiv. aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) sphärisch ausgeformt sind und einen mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 1 µm bis 20 µm aufweisen.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) sphärisch ausgeformt sind und einen mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 4 µm bis 12 µm aufweisen.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) als Verguss (4), Klebstoff (13), Montageelement (1), Linse (12), Gehäuse (3), Konversionselement (8), Reflexionselement (9) und/oder Diffusorelement (14) ausgeformt ist.
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) einen Anteil von 100 ppm bis 20 Gew% in dem Optikelement (10) und eine Dichte von 200 g/l bis 800 g/l aufweisen.
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) zusätzlich folgende Materialien oder Kombinationen daraus umfasst: Farbstoff, Leuchtstoff (11), Diffusorpartikel, anorganische Füllstoffe.
13. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) ein Material oder eine Kombination aus mehreren Materialien aus folgender Gruppe aufweist: Reaktivverdünner, Alkohol, Silanhaftvermittler, Entgasungsmittel, Verlaufshilfsmittel, Trennmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Lichtschutzmittel, Füllstoff, Pigment, Verdickungsmittel, Leuchtstoff.
14. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial Anhydride als Härterkomponenten aufweist.
15. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) im FTIR-Spektrum zwischen 1000 1/cm und 4000 1/cm lediglich zwei Banden für CF-Schwingungen aufweisen.
16. Optoelektronisches Bauelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) als Kleber ausgeformt ist und als Feuchtebarriere dient.
17. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) als elektrischer Durchschlagspannungsschutz und/oder als Korrosionsschutz dient.
18. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17 mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Halbleiterchips (1), der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, B) Bereitstellen eines Optikelements (10), das ein 2-fach oder mehrfach funktionelles Epoxidharz als Matrixmaterial (101) und darin eingebettet Fluor-substituierte organische Partikel (102) mit einem mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 0,1 µm bis 40 µm aufweist, wobei die Fluor-substituierten organischen Partikel (102) einen Anteil von 100 ppm bis 40 Gew% in dem Optikelement (10) aufweisen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Härtung des Optikelements (10) bei einer Temperatur von 60 °C bis 180 °C erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Härtung des Optikelements (10) mittels UV-Strahlung oder thermischer Behandlung erfolgt.

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