DE102021130113A1

DE102021130113A1 - Optoelektronisches bauteil und optoelektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE102021130113A1
Application number: DE102021130113.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz; Michael Zitzlsperger
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023089103A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauteil (1) angegeben umfassend- zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip (2),- ein Chipsubstrat (3) mit einer ersten Hauptfläche (3A) und einer zweiten Hauptfläche (3B), wobei der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip (2) auf der ersten Hauptfläche (3A) angeordnet ist,- einen Anschlussträger (4), auf dem das Chipsubstrat (3) angeordnet ist,- zumindest einen Teil eines Wärmetransferelements (7), das zur Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips (2) vorgesehen ist, umfassend- zumindest eine geschlossene Kavität (8), die durch zumindest eine Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) begrenzt wird, wobei zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) durch zumindest einen Teil der zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) gebildet ist.Ferner wird eine optoelektronische Vorrichtung (14) mit einem optoelektronischen Bauteil (1) angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronisches Bauteil und eine optoelektronische Vorrichtung, die ein optoelektronisches Bauteil aufweist, angegeben. Beispielsweise sind das optoelektronische Bauteil und die optoelektronische Vorrichtung dafür geeignet, elektromagnetische Strahlung, etwa im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich, zu emittieren.
Es sind beispielsweise LED-Bauteile bekannt, die in Projektionssystemen (vgl. OSRAM Ostar Projection Cube mit einem Keramiksubstrat in 2) oder Frontscheinwerfern von Fahrzeugen (vgl. 1A und 1B) Anwendung finden. Bei diesen LED-Bauteilen können hohe Verlustleistungen mit typischen Verlustleistungsdichten von 110 W/cm² auftreten, die in Halbleiterchips der LED-Bauteile zu einer Temperaturerhöhung von etwa 40K führen können. Je höher die Temperatur ist, desto geringer sind in der Regel Ausgangsleistung und Effizienz der LED-Bauteile.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend unter anderem darin, ein optoelektronisches Bauteil anzugeben, mit dem eine höhere Effizienz erreicht werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht vorliegend unter anderem darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, mit der eine höhere Effizienz erreicht werden kann.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein optoelektronisches Bauteil und eine optoelektronische Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen eines optoelektronischen Bauteils und einer optoelektronischen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines optoelektronischen Bauteils umfasst dieses zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip kann einen optoelektronischen Halbleiterkörper aufweisen, der beispielsweise zur Strahlungsemission vorgesehen ist. Der optoelektronische Halbleiterchip kann einen ersten Anschlusskontakt und einen zweiten Anschlusskontakt umfassen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers oder auf derselben Seite des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Bei einer möglichen Ausgestaltung ist der optoelektronische Halbleiterkörper strukturiert und weist mindestens zwei voneinander getrennte Emissionsbereiche auf. Mit anderen Worten kann der Halbleiterkörper pixeliert sein.
Der Halbleiterkörper kann einen ersten und zweiten Halbleiterbereich unterschiedlicher Leitfähigkeit und eine zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbereich angeordnete aktive Zone aufweisen, die beispielsweise zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist. Der erste und zweite Halbleiterbereich sowie die aktive Zone können jeweils aus einer oder mehreren Halbleiterschichten gebildet sein. Bei den Halbleiterschichten kann es sich um epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat abgeschiedene Schichten handeln. Das Aufwachssubstrat kann nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten im Halbleiterkörper verbleiben oder zumindest teilweise abgelöst werden.
Für die Halbleiterbereiche beziehungsweise Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers kommen beispielsweise auf Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien in Betracht. „Auf Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten Al_nGa_mIn_1-n-mAs, Al_nGa_mIn_1-n-mP oder Al_nGa_mIn_1-n-mN enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1 gilt. 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 Al_nGa_mIn_1-n-mAs-, Al_nGa_mIn_1-n-mP- oder Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As bzw. P bzw. N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Weiterhin kann das optoelektronische Bauteil ein Chipsubstrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten, beispielsweise der ersten Hauptfläche gegenüber liegenden Hauptfläche umfassen, wobei der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist. Für das Chipsubstrat kommen beispielsweise Halbleitermaterialien wie Si, GaAs, Ge oder Keramikmaterialien wie AlN oder Saphir in Frage. Für ein elektrisch leitendes Chipsubstrat eignen sich beispielsweise dotiertes Si, GaAs oder Ge, während sich für ein elektrisch isolierendes Chipsubstrat beispielsweise undotiertes Si, AlN oder Saphir eignen. Das Chipsubstrat kann zur Ansteuerung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips beziehungsweise zur Ansteuerung der Emissionsbereiche des Halbleiterchips vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Chipsubstrat zumindest einen integrierten Schaltkreis aufweisen.
Ferner kann das optoelektronische Bauteil einen Anschlussträger aufweisen, auf dem das Chipsubstrat angeordnet ist. Der Anschlussträger ist beispielsweise dafür vorgesehen, den optoelektronischen Halbleiterchip beziehungsweise das optoelektronische Bauteil elektrisch anzuschließen. Der Anschlussträger kann einen Grundkörper, der aus einem elektrisch leitenden oder elektrisch isolierenden Material gebildet ist, und elektrische Anschlussstrukturen, die beispielsweise aus einem Metall wie Cu oder einer Metallverbindung gebildet sind, aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Anschlussträger um ein MCB (metal core board) oder ein PCB (printed circuit board).
Außerdem kann das optoelektronische Bauteil zumindest einen Teil eines Wärmetransferelements aufweisen, das zur Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips vorgesehen ist. Das Wärmetransferelement kann also vollständig oder nur teilweise in dem optoelektronischen Bauteil enthalten sein.
Beispielsweise umfasst das Wärmetransferelement zumindest eine geschlossene Kavität, die durch zumindest eine Innenfläche des Wärmetransferelements begrenzt wird. Weiterhin kann das Wärmetransferelement ein Kühlmittel, das in der Kavität angeordnet ist, und zumindest ein Transportelement aufweisen, das in der Kavität angeordnet ist und zum Transport des Kühlmittels zur zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats vorgesehen ist. Das Kühlmittel kann bei Zimmertemperatur flüssig sein. Ein Teil des Wärmetransferelements kann zumindest einen Teil der Kavität und/oder der zumindest einen Innenfläche umfassen. Weiterhin kann ein Teil des Wärmetransferelements zumindest einen Teil des Transportelements aufweisen. Das Kühlmittel kann in einem weiteren Teil des Wärmetransferelements enthalten sein.
Mittels des Wärmetransferelements ist beispielsweise eine Ein-Phasen-Kühlung oder eine Zwei-Phasen-Kühlung möglich. Bei der Ein-Phasen-Kühlung unterliegt das Kühlmittel keinem Phasenübergang, während es bei der Zwei-Phasen-Kühlung von der Flüssigphase in die Gasphase wechselt und umgekehrt. Insbesondere ist bei dem Wärmetransferelement mittels der geschlossenen Kavität ein passiver Kühlkreislauf verwirklicht.
Zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche des Wärmetransferelements kann durch zumindest einen Teil der zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats gebildet sein. Das Chipsubstrat kann dabei ein Bestandteil des Wärmetransferelements sein. Dies hat gegenüber Bauteilen, bei welchen das Chipsubstrat auf dem Wärmetransferelement montiert ist (vgl. „Heterogeneous Integration Roadmap, 2019 Edition, Chapter 20: Thermal" der IEEE Electronics Packaging Society und Pekur et al: „Thermal Characteristics of a compact LED luminaire with a cooling system based on heat pipes", Thermal Science and Engineering Progress 18 (2020)100549), den Vorteil, dass zwischen dem Chipsubstrat und dem Wärmetransferelement im Bereich des Halbleiterchips kein Verbindungsmittel, etwa ein Klebstoff, mit einem vergleichsweise hohen Wärmewiderstand benötigt wird, so dass die Verlustleistung in diesem Bereich reduziert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauteil

- zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip,
- ein Chipsubstrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, wobei der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist,
- einen Anschlussträger, auf dem das Chipsubstrat angeordnet ist,
- zumindest einen Teil eines Wärmetransferelements, das zur Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips vorgesehen ist, wobei das Wärmetransferelement umfasst:
- - zumindest eine geschlossene Kavität, die durch zumindest eine Innenfläche des Wärmetransferelements begrenzt wird,
- - ein Kühlmittel, das in der Kavität angeordnet ist,
- - zumindest ein Transportelement, das in der Kavität angeordnet ist und zum Transport des Kühlmittels zur zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats vorgesehen ist, wobei

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Kühlmittel im Betrieb an der zweiten Hauptfläche zumindest teilweise verdampft. Die in dem zumindest einen Halbleiterchip entstehende Wärme wird also weniger durch Wärmeleitung über das Chipsubstrat und Verbindungsstellen wie Klebestellen mit vergleichsweise hohem Wärmewiderstand abgeführt, sondern vielmehr durch Verdampfen möglichst nah am Halbleiterchip. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Zwei-Phasen-Kühlung. Zur Verdampfung nah an dem zumindest einen Halbleiterchip, also an der Wärmequelle, befindet sich das Kühlmittel mit einer definierten Siedetemperatur beispielsweise zwischen 70°C und 100°C bei definiertem Druck in der geschlossenen Kavität. Insbesondere finden Sieden und Kondensieren bei ähnlichen Temperaturen statt, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke, an der die Kondensation stattfindet, sehr gering ist und gegen 0 Kelvin tendiert. Daraus ergibt sich ein sehr geringer Wärmewiderstand, der gegen 0 K/W tendiert. Da das Wärmetransferelement insbesondere nah am Siedepunkt arbeitet, ist die Temperatur in dem zumindest einen Halbleiterchip über einen weiten Außentemperaturbereich konstant, was zu einer relativ geringen Wellenlängenveränderung in Abhängigkeit von der Außentemperatur führt.
Als Kühlmittel kommen beispielsweise F-21, NH₃ oder H₂O in Frage.
Bei dem Wärmetransferelement kann es sich um eine sogenannte „Vapour Chamber“ und bei dem Transportelement um einen sogenannten „Docht“ handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich das zumindest eine Transportelement von der zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats ausgehend über eine Grenzfläche zwischen dem Chipsubstrat und dem Anschlussträger hinweg, so dass vorteilhafterweise die Wärme an der Grenzfläche, die einen vergleichsweise hohen Wärmewiderstand aufweisen kann, vorbeigeführt wird. Dies führt zu einem sehr geringen Wärmewiderstand an der Grenzfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Chipsubstrat zumindest eine Vertiefung auf, welche einen Teil der zumindest einen Kavität bildet. Die Vertiefung des Chipsubstrats kann dabei durch die zweite Hauptfläche sowie durch zumindest eine Innenfläche des Chipsubstrats, die quer zur zweiten Hauptfläche angeordnet ist, begrenzt werden. Beispielsweise kann die Vertiefung in das Chipsubstrat geätzt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Anschlussträger zumindest eine Vertiefung auf, die zumindest einen Teil der Kavität bildet. Die Vertiefung des Anschlussträgers kann dabei durch zumindest eine Innenfläche des Anschlussträgers begrenzt werden. Beispielsweise kann sich die Vertiefung von einer dem Halbleiterchip zugewandten Seite in den Anschlussträger hinein erstrecken und in diesem enden. Dabei kann das Wärmetransferelement vollständig in dem optoelektronischen Bauteil enthalten sein. Weiterhin kann zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche des Wärmetransferelements durch die zumindest eine Innenfläche des Anschlussträgers gebildet sein, wobei sich das zumindest eine Transportelement von der zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats durch die Kavität hindurch bis zu der zumindest einen Innenfläche des Anschlussträgers erstreckt. Dabei kann das Kühlmittel im Betrieb an der Innenfläche des Anschlussträgers zumindest teilweise kondensieren.
Alternativ ist es möglich, dass sich die Vertiefung von einer dem Halbleiterchip zugewandten Seite durch den Anschlussträger hindurch erstreckt bis zu einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite. Die Vertiefung kann also auf einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Anschlussträgers offen sein. Dabei kann das Wärmetransferelement nur teilweise in dem optoelektronischen Bauteil enthalten sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Chipsubstrat durch ein Verbindungsmittel mechanisch mit dem Anschlussträger verbunden. Das Verbindungsmittel kann designbedingt, wenn beispielsweise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip und dem Anschlussträger hergestellt werden soll, ein elektrisch leitendes Material, etwa eine Metallverbindung, oder, wenn beispielsweise eine elektrisch isolierende Verbindung zwischen dem zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip und dem Anschlussträger hergestellt werden soll, ein elektrisch isolierendes Material, etwa ein Kunststoffmaterial, enthalten.
Wie bereits oben erwähnt erfolgt die Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips weniger durch Wärmeleitung über die Verbindungsstellen zwischen dem Chipsubstrat und dem Anschlussträger. Daher muss das Verbindungsmittel keine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Vielmehr kann es vergleichsweise dick und elastisch sein, um thermomechanische Spannungen zwischen dem Chipsubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von beispielsweise 2,5 ppm/K und dem Anschlussträger mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von beispielsweise 18 ppm/K zu puffern.
Designbedingt kann das zumindest eine Transportelement elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein. Weist das Bauteil mehrere Halbleiterchips auf, die in Serie geschaltet sind, so sind diese insbesondere auf einem elektrisch isolierenden Chipsubstrat angeordnet. Hierbei kann auch das zumindest eine Transportelement elektrisch isolierend sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das zumindest eine Transportelement Hohlräume mit Kapillarwirkung auf. Die Hohlräume können beispielsweise kugelförmig sein und Durchmesser im Nanometerbereich, beispielsweise zwischen 300 nm und 1000 nm, aufweisen. Die Hohlräume können gleiche oder verschiedene Durchmesser aufweisen. Ferner können die Hohlräume periodisch angeordnet sein.
Weiterhin können Zwischenräume zwischen den Hohlräumen zumindest eines der folgenden Materialien enthalten: Metall, Kunststoff, Naturstoff. Beispielsweise kommen folgende Metalle in Frage: Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, Fe. Weiterhin sind folgende Kunststoffe geeignet: Thermoplast, Duroplast, PE, PET, PS, Epoxid, Epoxidharz, Acrylat, Silikon. Darüber hinaus eignen sich folgende Naturstoffe: Papier, Baumwolle, Schafwolle. Das Material kann in den Zwischenräumen beispielsweise elektrochemisch abgeschieden werden.
Das zumindest eine Transportelement kann die Struktur eines sogenannten „Crystalline Copper Inverse Opal“ aufweisen, der beispielsweise in dem Artikel von Q. N. Pham, et. al: Microscale Liquid Transport in Polycrystalline Inverse Opals across Grain Boundaries, Nature, (2017), DOI:10.1038/s41598-017-10791-3 näher beschrieben ist. Zur Herstellung einer derartigen Struktur werden Polystyrol-Kugeln in selbstjustierender Weise angeordnet und mit Cu, das beispielsweise elektrochemisch abgeschieden werden kann, umhüllt. Nach dem Entfernen der Polystyrol-Kugeln weist die Umhüllung periodisch angeordnete Hohlräume auf.
Alternativ kann das zumindest eine Transportelement mittels eines Druckverfahrens, beispielsweise mittels 3D-Drucks, hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das zumindest eine Transportelement einen ersten, an der zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats angeordneten Endbereich, einen zweiten Endbereich und zumindest einen zwischen dem ersten und zweiten Endbereich angeordneten Verbindungsbereich, wobei der zweite Endbereich größer ist als der erste Endbereich. Dabei kann eine maximale laterale Abmessung des zweiten Endbereichs größer sein als eine maximale laterale Abmessung des ersten Endbereichs, wobei die lateralen Abmessungen beispielsweise parallel zu einer Haupterstreckungsebene des optoelektronischen Bauteils bestimmt werden. Der erste, kleinere Endbereich kann an der Wärmequelle und der zweite, größere Endbereich kann an der Wärmesenke angeordnet sein, so dass durch das Transportelement eine Wärmespreizung bewirkt wird.
Das zumindest eine Transportelement kann einteilig ausgebildet sein. Alternativ kann das zumindest eine Transportelement mehrteilig ausgebildet sein und ein erstes Teilelement und ein zweites Teilelement aufweisen, die sich in ihrer Elastizität und/oder geometrischen Form voneinander unterscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zumindest eine Innenfläche des Wärmetransferelements eine Oberflächenstruktur auf. Die Oberflächenstruktur kann eine Fläche für den Wärmetransfer beziehungsweise für die Kondensation vergrößern und den Transport des Kühlmittels verbessern. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur Strukturelemente aufweisen, die zum Beispiel ringförmig, punktförmig, linienförmig oder wellenförmig ausgestaltet sind. Die Oberflächenstruktur kann an der Wärmequelle beziehungsweise an der zweiten Hauptfläche und/oder an der Wärmesenke angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauteil oberflächenmontierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung umfasst diese ein optoelektronisches Bauteil der oben genannten Art und eine Trägervorrichtung, auf welcher das optoelektronische Bauteil angeordnet ist, wobei die Trägervorrichtung höchstens einen weiteren Teil des Wärmetransferelements aufweist. Der weitere Teil des Wärmetransferelements kann zumindest einen Teil der Kavität und/oder der zumindest einen Innenfläche des Wärmetransferelements umfassen. Weiterhin kann der weitere Teil des Wärmetransferelements das Kühlmittel umfassen. Ferner kann der weitere Teil des Wärmetransferelements zumindest einen Teil des Transportelements aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Trägervorrichtung einen Kühlkörper auf. Dabei kann eine erste Hauptfläche des Kühlkörpers dem optoelektronischen Bauteil zugewandt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche des Wärmetransferelements durch zumindest einen Teil der ersten Hauptfläche des Kühlkörpers gebildet. Dabei kann sich das Transportelement von der zweiten Hauptfläche des Chipsubstrats durch die Kavität hindurch bis zur ersten Hauptfläche des Kühlkörpers erstrecken. Weiterhin kann das Kühlmittel im Betrieb an der ersten Hauptfläche des Kühlkörpers zumindest teilweise kondensieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Trägervorrichtung einen Anschlussträger, der zwischen dem optoelektronischen Bauteil und dem Kühlkörper angeordnet ist, wobei der Anschlussträger eine Vertiefung aufweist, welche einen Teil der Kavität bildet.
Das optoelektronische Bauteil beziehungsweise die optoelektronischen Vorrichtung eignet sich besonders für Projektionsvorrichtungen, zum Beispiel für Leinwand-Projektionen, und Scheinwerfervorrichtungen, beispielsweise für Frontscheinwerfer in Fahrzeugen.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1A und 1B eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Bauteils und 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines optoelektronischen Bauteils gemäß Vergleichsbeispielen,
3 und 15 bis 17 schematische Querschnittsansichten von optoelektronischen Bauteilen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen,
4 bis 13 schematische Querschnittsansichten optoelektronischer Vorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen,
14A bis 14I jeweils eine schematische Querschnittsansicht und eine schematische Draufsicht verschiedener Ausführungsbeispiele von Transportelementen und
14J eine schematische Querschnitts- und Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Transportelements.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen; vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 1A und 1B ist ein Vergleichsbeispiel eines optoelektronisches Bauteils 1' dargestellt. 1B zeigt einen entlang der in 1A dargestellten Linie A-A` durchgeführten Querschnitt. Das optoelektronische Bauteil 1` umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterchips 2' und ein Chipsubstrat 3', auf dem die Halbleiterchips 2' mittels eines Klebers (nicht dargestellt) befestigt sind. Weiterhin umfasst das optoelektronische Bauteil 1' einen Anschlussträger 4', auf dem das Chipsubstrat 3' mit den Halbleiterchips 2' angeordnet ist.
In einem derartigen optoelektronischen Bauteil 1' sind die thermischen Widerstände des Klebers mit einem Wert von 0,078 K/W und des Chipsubstrats 3` mit einem Wert von 0,066 K/W besonders hoch und betragen das Sechsfache beziehungsweise Fünffache des Wertes des Anschlussträgers 4'. Der Kleber und das Chipsubstrat 3' stellen damit hohe thermische Barrieren dar.
2 zeigt das bereits eingangs erwähnte Beispiel eines Bauteils für ein Projektionssystem, nämlich den OSRAM Ostar Projection Cube mit einem Keramiksubstrat.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauteils 1. Das optoelektronische Bauteil 1 umfasst einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips 2 mit einem Halbleiterkörper und elektrischen Anschlusskontakten (nicht dargestellt) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers. Wie bereits weiter oben näher ausgeführt, kann der Halbleiterkörper auf Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien enthalten.
Weiterhin umfasst das optoelektronische Bauteil 1 ein Chipsubstrat 3 mit einer ersten Hauptfläche 3A und einer zweiten Hauptfläche 3B, wobei der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip 2 auf der ersten Hauptfläche 3A angeordnet ist. Auf dem zumindest einen optoelektrischen Halbleiterchip 2 kann auf einer substratabgewandten Seite ein Strahlungskonversionselement 6 angeordnet sein. Für das Chipsubstrat 3 sind beispielsweise Halbleitermaterialien wie Si, GaAs, Ge oder Keramikmaterialien wie AlN oder Saphir geeignet. Für ein elektrisch leitendes Chipsubstrat 3 kommen beispielsweise dotiertes Si, GaAs oder Ge in Frage, während sich für ein elektrisch isolierendes Chipsubstrat 3 beispielsweise undotiertes Si, AlN oder Saphir eignen. Das Chipsubstrat 3 kann zur Ansteuerung des zumindest einen Halbleiterchips 2 beziehungsweise von separaten Emissionsbereichen des zumindest einen Halbleiterchips 2 vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Chipsubstrat 3 zumindest einen integrierten Schaltkreis aufweisen.
Ferner umfasst das optoelektronische Bauteil 1 einen Anschlussträger 4, auf dem das Chipsubstrat 3 angeordnet ist. Beispielsweise ist das Chipsubstrat 3 auf einer ersten Hauptfläche 4A des Anschlussträgers 4 angeordnet. Der Anschlussträger 4 ist beispielsweise dafür vorgesehen, den optoelektronischen Halbleiterchip 2 beziehungsweise das optoelektronische Bauteil 1 elektrisch anzuschließen. Der Anschlussträger 4 kann einen Grundkörper 5, der aus einem elektrisch leitenden oder elektrisch isolierenden Material gebildet ist, und elektrische Anschlussstrukturen (nicht dargestellt), die beispielsweise aus einem Metall wie Cu oder einer Metallverbindung gebildet sind, aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Anschlussträger 4 um ein MCB (metal core board) oder ein PCB (printed circuit board).
Das Chipsubstrat 3 ist durch ein Verbindungsmittel 13 mechanisch mit dem Anschlussträger 4 verbunden. Das Verbindungsmittel 13 kann designbedingt, wenn beispielsweise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zumindest einen Halbleiterchip 2 und dem Anschlussträger 4 hergestellt werden soll, ein elektrisch leitendes Material, etwa eine Metallverbindung, oder, wenn beispielsweise eine elektrisch isolierende Verbindung zwischen dem zumindest einen Halbleiterchip 2 und dem Anschlussträger 4 hergestellt werden soll, ein elektrisch isolierendes Material, etwa ein Kunststoffmaterial, enthalten. Darüber hinaus kann das Verbindungsmittel 13 eine Versiegelung oder hermetische Abdichtung am Übergang zwischen dem Chipsubstrat 3 und dem Anschlussträger 4 bilden.
Weiterhin umfasst das optoelektronische Bauteil 1 ein Wärmetransferelement 7, das zur Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips 2 vorgesehen ist. Das Wärmetransferelement 7 umfasst eine geschlossene Kavität 8, die durch Innenflächen 7A, 7B, 7C des Wärmetransferelements 7 begrenzt wird. Die Kavität 8 setzt sich aus einer Vertiefung 9 im Chipsubstrat 3 und einer Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 zusammen, die fließend ineinander übergehen. Die Vertiefung 9 kann beispielsweise durch Ätzen im Chipsubstrat 3 erzeugt werden. Statt einer großen Kavität 8 kann das Wärmetransferelement 7 viele kleine Kavitäten aufweisen, um beispielsweise die Stabilität zu erhöhen.
Die Vertiefung 9 im Chipsubstrat 3 ist auf einer dem Halbleiterchip 2 zugewandten Seite durch die zweite Hauptfläche 3B und umfangseitig durch Innenflächen 3C des Chipsubstrats 3 begrenzt, die quer zur zweiten Hauptfläche 3B angeordnet sind. Die Vertiefung 9 ist auf der Seite des Anschlussträgers 4 offen. Die Vertiefung 9 kann eine prismatische Form und eine konstante laterale Abmessung d1 aufweisen, wobei die laterale Abmessung d1 parallel zu einer lateralen Richtung L1 bestimmt wird. Weiterhin kann die Vertiefung 9 eine vertikale Abmessung h1 aufweisen, die parallel zu einer vertikalen Richtung V bestimmt wird. Die vertikale Abmessung h1 kann zwischen 100 µm und 1mm betragen, wobei Abweichungen von ± 10% möglich sind.
Die Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 ist auf einer dem Chipsubstrat 3 abgewandten Seite durch eine erste Innenfläche 4B und umfangseitig durch weitere Innenflächen 4C des Anschlussträgers 4 begrenzt, die quer zur ersten Innenfläche 4B angeordnet sind. Die Vertiefung 10 ist auf der Seite des Chipsubstrats 3 offen. Bei der Vertiefung 10 kann sich eine laterale Abmessung d2 ändern und von der ersten Hauptfläche 4A bis zur ersten Innenfläche 4B größer werden. Die laterale Abmessung d1 kann maximale Werte zwischen 3 mm und 25 mm annehmen, wobei Abweichungen von ± 10% möglich sind. Die laterale Abmessung d2 kann maximale Werte annehmen, die zumindest doppelt so groß sind wie d1.Dabei können die laterale Abmessung d1 und die laterale Abmessung d2 an der ersten Hauptfläche 4A des Anschlussträgers 4 gleich groß sein. Die Vertiefung 10 kann eine vertikale Abmessung h2 zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweisen, wobei Abweichungen von ± 10% möglich sind.
Die zweite Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 bildet eine chipnahe Innenfläche 7A des Wärmetransferelements 7, während die erste Innenfläche 4B des Anschlussträgers 4 eine chipferne Innenfläche 7B des Wärmetransferelements 7 bildet. Darüber hinaus setzen sich die umfangseitigen Innenflächen 7C des Wärmetransferelements 7 aus den umfangseitigen Innenflächen 3C, 4C des Chipsubstrats 3 und des Anschlussträgers 4 zusammen.
Weiterhin umfasst das Wärmetransferelement 7 ein in der Kavität 8 angeordnetes Kühlmittel 11 und ein in der Kavität 8 angeordnetes Transportelement 12, das zum Transport des Kühlmittels 11 zur zweiten Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 vorgesehen ist.
Das Transportelement 12 umfasst einen ersten, an der zweiten Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 angeordneten, flächigen Endbereich 12A und einen zweiten, an der ersten Innenfläche 4B angeordneten flächigen Endbereich 12B sowie einen langgestreckten Verbindungsbereich 12C, der den ersten und den zweiten Endbereich 12A, 12B miteinander verbindet. Dabei ist der zweite Endbereich 12B größer als der erste Endbereich 12A. Der erste, kleinere Endbereich 12A ist an der Wärmequelle, also dem Halbleiterchip 2, und der zweite, größere Endbereich 12B ist an der Wärmesenke, also dem Anschlussträger 4, angeordnet, so dass durch das Transportelement 12 eine Wärmespreizung bewirkt wird. Der erste und zweite Endbereich 12A, 12B erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Anschlussträgers 4 beziehungsweise des optoelektronischen Bauteils 1, während sich der Verbindungsbereich 12C im Wesentlichen parallel zu der vertikalen Richtung V erstreckt, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft. Die Haupterstreckungsebene wird durch die erste laterale Richtung L1 und eine senkrecht zu dieser angeordnete, zweite laterale Richtung aufgespannt.
Im Betrieb wird das in der Kavität 8 befindliche Kühlmittel 11 von der kühleren, ersten Innenfläche 4B mittels des Transportelements 12 zur wärmeren, zweiten Hauptfläche 3B transportiert und an der zweiten Hauptfläche 3B zumindest teilweise verdampft. Die in dem zumindest einen Halbleiterchip 2 entstehende Wärme wird also weniger durch Wärmeleitung über das Chipsubstrat 3 und das Verbindungmittel 13 mit vergleichsweise hohem Wärmewiderstand abgeführt, sondern vielmehr durch Verdampfen nah an dem zumindest einen Halbleiterchip 2. Vorteilhafterweise erstreckt sich das Transportelement 12 von der zweiten Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 ausgehend über eine an der ersten Hauptfläche 4A angeordnete Grenzfläche zwischen dem Chipsubstrat 3 und dem Anschlussträger 4 hinweg, so dass die Wärme an der Grenzfläche, die einen vergleichsweise hohen Wärmewiderstand aufweisen kann, vorbeigeführt wird. Dies führt zu einem verschwindend geringen Wärmewiderstand an der Grenzfläche.
Das verdampfte Kühlmittel 11 kann zurück zur ersten Innenfläche 4B gelangen und kondensieren. Es handelt sich also hierbei um eine Zwei-Phasen-Kühlung, bei der das Kühlmittel 11 von der Flüssigphase in die Gasphase wechselt und umgekehrt. Es ist jedoch auch denkbar, dass mittels des Wärmetransferelements eine Ein-Phasen-Kühlung realisiert ist.
Zur Verdampfung nah an dem zumindest einen Halbleiterchip 2, also an der Wärmequelle, befindet sich das Kühlmittel 11 mit einer definierten Siedetemperatur beispielsweise zwischen 70°C und 100°C bei definiertem Druck in der geschlossenen Kavität 8. Als Kühlmittel 11 kommen beispielsweise F-21, NH₃ oder H₂O in Frage. Insbesondere finden Sieden und Kondensieren bei ähnlichen Temperaturen statt, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, an der die Kondensation stattfindet, sehr gering ist und gegen 0 Kelvin tendiert. Daraus ergibt sich ein sehr geringer Wärmewiderstand, der gegen 0 K/W tendiert. Da das Wärmetransferelement 7 insbesondere nah am Siedepunkt arbeitet, ist die Temperatur in dem zumindest einen Halbleiterchip 2 über einen weiten Außentemperaturbereich konstant, was zu einer relativ geringen Wellenlängenveränderung in Abhängigkeit von der Außentemperatur führt.
Das Transportelement 12 weist beispielsweise Hohlräume mit Kapillarwirkung auf. Die Hohlräume können kugelförmig sein und Durchmesser im Nanometerbereich, beispielsweise zwischen 300 nm und 1000 nm, aufweisen. Die Hohlräume können gleiche oder verschiedene Durchmesser aufweisen. Ferner können die Hohlräume periodisch angeordnet sein. Weiterhin können Zwischenräume zwischen den Hohlräumen zumindest eines der folgenden Materialien enthalten: Metall, Kunststoff, Naturstoff. Beispielsweise kommen folgende Metalle in Frage: Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, Fe. Weiterhin sind folgende Kunststoffe geeignet: Thermoplast, Duroplast, PE, PET, PS, Epoxid, Epoxidharz, Acrylat, Silikon. Darüber hinaus eignen sich folgende Naturstoffe: Papier, Baumwolle, Schafwolle. Das Material kann in den Zwischenräumen beispielsweise elektrochemisch abgeschieden werden.
Wie weiter oben erwähnt, kann das zumindest eine Transportelement 12 die Struktur eines sogenannten „Crystalline Copper Inverse Opal“ aufweisen, der beispielsweise in dem Artikel von Q. N. Pham, et. al: Microscale Liquid Transport in Polycrystalline Inverse Opals across Grain Boundaries, Nature, (2017), DOI:10.1038/s41598-017-10791-3 näher beschrieben ist. Zur Herstellung einer derartigen Struktur werden Polystyrol-Kugeln in selbstjustierender Weise angeordnet und mit Cu, das beispielsweise elektrochemisch abgeschieden werden kann, umhüllt. Nach dem Entfernen der Polystyrol-Kugeln weist die Umhüllung periodisch angeordnete Hohlräume auf. Alternativ kann das zumindest eine Transportelement 12 mittels eines Druckverfahrens, beispielsweise mittels 3D-Drucks, hergestellt werden.
Das Transportelement 12 kann designbedingt, wie weiter oben erwähnt, elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein. Weiterhin kann das Transportelement 12 einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Bei dem Wärmetransferelement 7 kann es sich um eine sogenannte „Vapour Chamber“ und bei dem Transportelement 12 um einen sogenannten „Docht“ handeln.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 14 schematisch dargestellt. Die optoelektronische Vorrichtung 14 umfasst ein optoelektronisches Bauteil 1 und eine Trägervorrichtung 15, auf welcher das optoelektronische Bauteil 1 angeordnet ist. Insbesondere ist das optoelektronisches Bauteil 1 oberflächenmontierbar und mittels SMT (Surface Mount Technology)-Montage auf der Trägervorrichtung 15 befestigt. Die Trägervorrichtung 15 umfasst einen weiteren Anschlussträger 21 und einen Kühlkörper 22. Die optoelektronische Vorrichtung 14 weist mit den in ihr enthaltenen Einzelkomponenten - optoelektronisches Bauteil 1 und Trägervorrichtung 15 - einen modularen Aufbau auf, der die Realisierung kundenspezifischer Anforderungen ermöglicht. Beispielsweise kann die Trägervorrichtung 15 kundenseitig bereitgestellt werden. Vom Hersteller kann das optoelektronische Bauteil 1 bereitgestellt und vom Kunden auf der Trägervorrichtung 15 befestigt werden.
Das optoelektronische Bauteil 1 kann nach Art des in Verbindung mit 3 beschriebenen optoelektronischen Bauteils 1 ausgebildet sein, bei dem das Wärmetransferelement 7 vollständig in dem optoelektronischen Bauteil 1 enthalten ist.
Das optoelektronische Bauteil 1 kann ein elektrisch leitfähiges Chipsubstrat 3 aufweisen, das eine erste Elektrode für den zumindest einen Halbleiterchip 2 bildet und mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmittels 13 mit einem elektrisch leitfähigen Grundkörper 5 des Anschlussträgers 4 verbunden ist. Weist das optoelektronische Bauteil 1 mehrere Halbleiterchips 2 auf, so können diese mittels des elektrisch leitfähigen Chipsubstrats 3, das eine gemeinsame Elektrode bildet, parallel geschaltet sein.
Eine zweite Elektrode für den zumindest einen Halbleiterchip 2 kann mittels eines weiteren Verbindungsmittels 33, beispielsweise mittels eines Bonddrahtes, gebildet sein, das sich von der ersten Hauptfläche 3A des Chipsubstrats 3 bis zu einer an der ersten Hauptfläche 4A angeordneten Kontaktschicht 17A des Anschlussträgers 4 erstreckt, wobei die Kontaktschicht 17A durch eine Isolierung 18 von dem Grundkörper 5 elektrisch isoliert ist. Der Anschlussträger 4 kann eine durch den Grundkörper 5 führende Durchkontaktierung 19 aufweisen, welche die Kontaktschicht 17A mit einer an einer zweiten Hauptfläche 4D des Anschlussträgers 4 angeordneten Kontaktschicht 17B elektrisch verbindet.
Insbesondere handelt es sich bei dem Anschlussträger 4 um ein MCB. Der Anschlussträger 4 weist an der zweiten Hauptfläche 4D voneinander isolierte Kontaktbereiche 4D', 4D'' auf, die jeweils mit einer Elektrode des zumindest einen Halbleiterchips 2 elektrisch verbunden und ferner mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmittels 20, das beispielsweise eine Sn/Ag/Cu-Legierung enthält, mit entsprechenden Kontaktbereichen 21A', 21A'' des weiteren Anschlussträgers 21 elektrisch verbunden sind. Bei dem weiteren Anschlussträger 21 kann es sich um ein MCB oder PCB handeln.
Der weitere Anschlussträger 21 kann mittels eines Verbindungsmittels 23, das beispielsweise ein sogenanntes TIM (thermal interface material) oder eine Wärmepaste enthält, auf dem Kühlkörper 22 aufgebracht sein. Der Kühlkörper 22 kann Pins 22C und damit vorteilhafterweise eine vergrößerte Oberfläche zur besseren Wärmeabfuhr aufweisen.
Weiterhin umfasst das optoelektronische Bauteil 1 beziehungsweise die optoelektronische Vorrichtung 14 ein Gehäuse 16, das auf dem Anschlussträger 4 angeordnet ist und den zumindest einen Halbleiterchip 2 zumindest lateral umschließt. Das Gehäuse 16 kann beispielsweise eine Abdeckung aus Glas oder ein Rahmen aus Kunststoff oder Metall sein. In einem Zwischenraum zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Gehäuse 16 kann ein Vergussmaterial angeordnet sein.
Die optoelektronische Vorrichtung 14 weist mit dem in das optoelektronische Bauteil 1 integrierten Wärmetransferelement 7 ein ausgezeichnetes Wärmemanagement auf, so dass die optoelektronische Vorrichtung 14 als leistungsstarke Lichtquelle beispielsweise für Fahrzeugscheinwerfer geeignet ist.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 14 schematisch dargestellt. Hierbei ist das Chipsubstrat 3 elektrisch isolierend. Das optoelektronische Bauteil 1 weist ein weiteres Verbindungsmittel (hinter der zweiten Elektrode), beispielsweise einen Bonddraht, auf, das als erste Elektrode dient und sich von der ersten Hauptfläche 3A des Chipsubstrats 3 bis zu einer Kontaktschicht des Anschlussträgers 4 erstreckt. Weist das optoelektronische Bauteil 1 mehrere Halbleiterchips 2 auf, so können diese in Reihe geschaltet werden, da sie durch das elektrisch isolierende Chipsubstrat 3 nicht kurzgeschlossen werden.
Darüber hinaus kann die optoelektronische Vorrichtung 14 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 14 schematisch dargestellt. Hierbei setzt sich die Kavität 8 des Wärmetransferelements 7 aus einer Vertiefung 9 im Chipsubstrat 3, einer Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 sowie einer Vertiefung 24 in der Trägervorrichtung 15 beziehungsweise im Anschlussträger 21 der Trägervorrichtung 15 zusammen. Dabei ist die Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 des optoelektronischen Bauteils 1 sowohl auf einer dem Chipsubstrat 3 zugewandten Seite als auch auf einer der Trägervorrichtung 15 zugewandten Seite offen. Ferner ist die Vertiefung 24 im Anschlussträger 21 der Trägervorrichtung 15 sowohl auf einer dem optoelektronischen Bauteil 1 zugewandten Seite als auch auf einer dem Kühlkörper 22 zugewandten Seite offen. Dabei bildet zumindest ein Teil einer ersten Hauptfläche 22A des Kühlkörpers 22 eine chipferne Innenfläche 7B des Wärmetransferelements 7. Das Transportelement 12 erstreckt sich von der zweiten Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 durch die Kavität 8 hindurch bis zur ersten Hauptfläche 22A des Kühlkörpers 22.
Im Betrieb kann das Kühlmittel 11 an der ersten Hauptfläche 22A des Kühlkörpers 22 zumindest teilweise kondensieren.
Das Wärmetransferelement 7 erstreckt sich hierbei sowohl über die Grenzfläche zwischen dem Chipsubstrat 3 und dem Anschlussträger 4 als auch über eine Grenzfläche zwischen dem optoelektronischen Bauteil 1 und der Trägervorrichtung 15 hinweg, so dass der thermische Widerstand weiter reduziert werden kann.
Das optoelektronische Bauteil 1 kann dem Kunden mit einer Schutzfolie, welche die Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 verschließt, bereitgestellt werden. Der Kunde kann das optoelektronische Bauteil 1 auf seiner Trägervorrichtung 15 montieren und das Transportelement 12 und das Kühlmittel 11 selbst einbringen.
Darüber hinaus kann die optoelektronische Vorrichtung 14 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 14 schematisch dargestellt. Hierbei befindet sich die Kavität 8 im optoelektronischen Bauteil 1. Das optoelektronische Bauteil 1 ist nicht für die Oberflächenmontage vorgesehen und weist auf der ersten Hauptfläche 4A des Anschlussträgers 4 eine Anschlussstruktur 25 auf, die eine elektrische Kontaktierung des optoelektronischen Bauteils 1 an seiner der Trägervorrichtung 15 abgewandten Vorderseite ermöglicht. Dabei wird in der Trägervorrichtung 15 kein weiterer Anschlussträger benötigt, so dass die Trägervorrichtung 15 aus einem Kühlkörper 22 bestehen kann, auf dem das optoelektronische Bauteil 1 montiert ist.
Darüber hinaus kann die optoelektronische Vorrichtung 14 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 14 schematisch dargestellt. Im Vergleich zum vorausgehenden Ausführungsbeispiel dehnt sich die Kavität 8 bis zum Kühlkörper 22 aus, wobei die Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 des optoelektronischen Bauteils 1 auf einer dem Kühlkörper 22 zugewandten Seite offen ist.
Darüber hinaus kann die optoelektronische Vorrichtung 14 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In den 9 bis 11 sind weitere Ausführungsbeispiele von optoelektronischen Vorrichtungen 14 schematisch dargestellt. Dabei sind die Transportelemente 12 jeweils mehrteilig ausgebildet.
Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Transportelement 12 ein erstes Teilelement 26A und ein zweites Teilelement 26B auf, die sich in ihrer Elastizität und geometrischen Form voneinander unterscheiden. Das erste Teilelement 26A kann im optoelektronischen Bauteil 1 angeordnet sein, während sich das zweite Teilelement 26B in der Trägervorrichtung 15 befindet.
Die mehrteilige Ausgestaltung des Transportelements 12 ist beispielsweise von Vorteil, wenn das Wärmetransferelement 7 beim Kunden durch Bereitstellung der Trägervorrichtung 15 vervollständigt wird. Durch die mehrteilige Ausgestaltung wird die Montage beim Kunden einfacher, da er nur den weiteren Teil 26B des Transportelements 12 zu montieren hat.
Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Transportelement 12 einen dritten Teil 26C auf, der zwischen dem ersten Teil 26A und dem zweiten Teil 26B angeordnet und weicher ist als die anderen Teile 26A, 26B. Damit können Dickentoleranzen im Aufbau vorteilhaftweise gepuffert werden.
Wie in 11 dargestellt ist, kann das Transportelement 12 mittels eines Verbindungsmittels 27 an den chipnahen und chipfernen Innenflächen 7A, 7B befestigt werden. Ebenso können auch die verschiedenen Teilelemente 26A, 26B, 26C durch ein Verbindungsmittel 27 miteinander verbunden sein. Dabei kann das Verbindungsmittel 27 partiell angeordnet sein, um eine Verschließung von Poren des Transportelements 12 zu verhindern und damit einen ungestörten Kühlkreislauf zu ermöglichen.
Wie in 12 dargestellt ist, kann das optoelektronische Bauteil 1 zwischen dem Chipsubstrat 3 und dem Anschlussträger 4 eine Versiegelung 28 aufweisen, welche die Verbindungsstelle am Übergang vom Chipsubstrat 3 zum Anschlussträger 4 abdichtet. Dadurch kann erreicht werden, dass das Kühlmittel 11 nicht entweicht und ein möglicher Unterdruck aufrechterhalten wird. Für die Versiegelung 28 kommen Metalle, beispielsweise Cu, oder Polymere in Frage.
Wie in 13 dargestellt ist, kann das optoelektronische Bauteil 1 beziehungsweise die optoelektronische Vorrichtung 14 eine Versiegelung 29 aufweisen, die das Bauteil 1 beziehungsweise die Vorrichtung 14 nahezu vollständig nach außen begrenzt, so dass nur zur Montage oder zur elektrischen Kontaktierung vorgesehene Bereiche von der Versiegelung 29 ausgenommen sind. Die Versiegelung 29 ist insbesondere aus einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet. Für die Versiegelung 29 kommen beispielsweise Parylene in Betracht. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass das Kühlmittel 11 entweicht. Ferner kann das optoelektronische Bauteil 1 beziehungsweise die optoelektronische Vorrichtung 14 vor korrosiven Gasen von außen geschützt werden.
In den 14A bis 14J sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Transportelementen 12 dargestellt.
Wie aus 14A, oben im Querschnitt und aus 14A, unten in Draufsicht hervorgeht, kann das Wärmetransferelement 7 nur ein Transportelement 12 mit einem der chipnahen Innenfläche 7A zugewandten ersten Endbereich 12A, einem der chipfernen Innenfläche 7B zugewandten zweiten Endbereich 12B und einem zwischen den Endbereichen 12A, 12B angeordneten Verbindungsbereich 12C aufweisen (vgl. zum Beispiel 3). Das Transportelement 12 ist in der Kavität 8 zentral angeordnet, so dass die Kühlung hauptsächlich in der Mitte des Halbleiterchips 2 stattfindet.
Wie aus 14B, unten hervorgeht, kann das Wärmetransferelement mehrere, zum Beispiel vier, Transportelemente 12 aufweisen, die in der Kavität 8 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Die ersten Endbereiche 12A sind beispielsweise in Draufsicht jeweils rechteckig und die zweiten Endbereiche 12B jeweils L-förmig ausgebildet. Durch die Aufteilung in vier Transportelemente 12 kann die Wärme besser gespreizt werden. Randbereiche werden besser gekühlt. In der Mitte zwischen den Transportelementen 12 ist Platz für das verdampfte Kühlmittel.
Wie aus 14C hervorgeht, kann das Wärmetransferelement mehrere, beispielsweise neun, Transportelemente 12 aufweisen, wobei die ersten Endbereiche 12A mit den zweiten Endbereichen 12B benachbarter Transportelemente 12 lateral überlappen können. Die Verbindungsbereiche 12C verlaufen senkrecht zu den Endbereichen 12A, 12B. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Wärme besser gespreizt werden. Außerdem werden Randbereiche besser gekühlt. Zwischen den Transportelementen 12 ist Platz für das verdampfte Kühlmittel.
Wie aus 14D hervorgeht, kann das Transportelement 12 in seinen Endbereichen 12A, 12B Öffnungen 30 aufweisen, die sich durch die Endbereiche 12A, 12B hindurch erstrecken. Die Öffnungen 30 ermöglichen ein besseres Entweichen des verdampften Kühlmittels sowie eine direkte Kondensation an der Wärmesenke.
Wie aus 14E hervorgeht, kann das Transportelement 12 mehrere Verbindungsbereiche 12C aufweisen. Diese können das Kondensat besser verteilen.
Wie aus 14F hervorgeht, kann der Verbindungsbereich 12C eine zentral angeordnete Öffnung 30 aufweisen, die sich durch den Verbindungsbereich 12C hindurch erstreckt. Die Öffnung 30 lässt Platz für das verdampfte Kühlmittel.
Wie aus 14G hervorgeht, können die Verbindungsbereiche 12C im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 14C teilweise auch quer mit einem von 90° verschiedenen Winkel zu den Endbereichen 12A, 12B verlaufen. Dadurch kann die Wärme- und Kondensatspreizung weiter verbessert werden.
Wie durch 14H verdeutlicht werden soll, kann das Transportelement 12 fast die gesamte Kavität ausfüllen. Hierbei kann das Transportelement 12 röhrenartige Öffnungen 30 aufweisen, die sich in einer Stromrichtung (vgl. in 15 Pfeil C1: Dampfstrom, Pfeil C2: Kondensatstrom) durch das Transportelement 12 hindurch erstrecken und Platz für den Dampfstrom machen.
Das in 14I dargestellte Transportelement 12 ist ähnlich dem in 14H dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet, weist aber eine Segmentierung der Endbereiche 12A, 12B auf, wobei die Segmente durch Barrieren 31 voneinander getrennt sind. Durch die Barrieren 31 können Dampf und Flüssigkeit kaum hindurchtreten. Dadurch soll die Wärmespreizung verbessert werden, da die Kondensat- und Dampfwege bis zu Rändern der Wärmesenke verlaufen. Die Barrieren 31 können durch 3D-Druck bereits vor dem Druck im 3D-Modell angelegt sein oder als Risse in der PolystyrolKugel-Anordnung ausgebildet sein. Die Risse können bei der elektrochemischen Abscheidung geschlossen werden, so dass die Barrieren 31 entstehen.
Das in 14J dargestellte Transportelement 12 ist im Vergleich zu dem in 14I dargestellten Ausführungsbeispiel gestaucht. Die in der unteren Figur dargestellte Längsschnittansicht entlang der Linie B-B' zeigt, dass die Öffnungen 30 einen ovalen Querschnitt aufweisen können.
In 15 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1 dargestellt, das ein wie im Zusammenhang mit 14J beschriebenes Transportelement 12 aufweist. Ferner weisen die chipnahe Innenfläche 7A und die chipferne Innenfläche 7B des Wärmetransferelements 7 eine Oberflächenstruktur 32 auf. Die Oberflächenstruktur 32 weist periodisch angeordnete Strukturelemente 32A auf. Die Oberflächenstruktur 32 kann die Fläche für den Wärmetransport beziehungsweise für die Kondensation vergrößern und den Transport des Kühlmittels 11 verbessern.
Darüber hinaus kann das optoelektronische Bauteil 1 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In 16 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1 dargestellt, bei dem die Kavität 8 des Wärmetransferelements 7 aus der Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 besteht. Das Chipsubstrat 3 weist keine Vertiefung auf, kann aber gedünnt sein, zum Beispiel auf 150 µm. Dabei können Kosten gespart werden, da das Ätzen des Chipsubstrats 3 mit Kosten verbunden ist. Ferner ist eine Handhabung des Halbleiterchips 3 bei der Chipmontage einfacher.
Darüber hinaus kann das optoelektronische Bauteil 1 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
In 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1 dargestellt, bei dem die Kavität 8 des Wärmetransferelements 7 aus der Vertiefung 10 im Anschlussträger 4 besteht. Das Transportelement 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht zentral angeordnet, sondern erstreckt sich von der zweiten Hauptfläche 3B des Chipsubstrats 3 entlang zumindest zwei einander gegenüberliegende Innenflächen 4C des Anschlussträgers 4 bis zur ersten Innenfläche 4B des Anschlussträgers 4.
Darüber hinaus kann das optoelektronische Bauteil 1 sämtliche in Verbindung mit den weiteren Ausführungsbeispielen genannte Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1, 1': optoelektronisches Bauteil
2, 2': Halbleiterchip
3, 3': Chipsubstrat
3A: erste Hauptfläche
3B: zweite Hauptfläche
3C: Innenfläche
4, 4': Anschlussträger
4A: erste Hauptfläche
4B, 4C: Innenfläche
4D: zweite Hauptfläche
4D': erster Kontaktbereich
4D'': zweiter Kontaktbereich
5: Grundkörper
6: Strahlungskonversionselement
7: Wärmetransferelement
7A, 7B, 7C: Innenfläche
8: Kavität
9: Vertiefung im Chipsubstrat
10: Vertiefung im Anschlussträger
11: Kühlmittel
12: Transportelement
12A, 12B: Endbereich
12C: Verbindungsbereich
13: Verbindungsmittel
14: optoelektronische Vorrichtung
15: Trägervorrichtung
16: Gehäuse
17A, 17B: Kontaktschicht
18: Isolierung
19: Durchkontaktierung
20: Verbindungsmittel
21: Anschlussträger
21A', 21A'': Kontaktbereich
22: Kühlkörper
22A: erste Hauptfläche
22C: Pin
23: Verbindungsmittel
24: Vertiefung in der Trägervorrichtung
25: Anschlussstruktur
26A: erstes Teilelement
26B: zweites Teilelement
26C: drittes Teilelement
27: Verbindungsmittel
28: Versiegelung
29: Versiegelung
30: Öffnung
31: Barriere
32: Oberflächenstruktur
32A: Strukturelement
33: Verbindungsmittel
d1, d2: laterale Abmessung
h1, h2: vertikale Abmessung
L1: erste laterale Richtung
V: vertikale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Heterogeneous Integration Roadmap, 2019 Edition, Chapter 20: Thermal" der IEEE Electronics Packaging Society und Pekur et al: „Thermal Characteristics of a compact LED luminaire with a cooling system based on heat pipes“, Thermal Science and Engineering Progress 18 (2020)100549 [0014]

Claims

Optoelektronisches Bauteil (1) umfassend - zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip (2), - ein Chipsubstrat (3) mit einer ersten Hauptfläche (3A) und einer zweiten Hauptfläche (3B), wobei der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip (2) auf der ersten Hauptfläche (3A) angeordnet ist, - einen Anschlussträger (4), auf dem das Chipsubstrat (3) angeordnet ist, - zumindest einen Teil eines Wärmetransferelements (7), das zur Kühlung des zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchips (2) vorgesehen ist, wobei das Wärmetransferelement (7) umfasst: - zumindest eine geschlossene Kavität (8), die durch zumindest eine Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) begrenzt wird, - ein Kühlmittel (11), das in der Kavität (8) angeordnet ist, - zumindest ein Transportelement (12), das in der Kavität (8) angeordnet ist und zum Transport des Kühlmittels (11) zur zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) durch zumindest einen Teil der zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) gebildet ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kühlmittel (11) in der geschlossenen Kavität (8) eine Siedetemperatur zwischen 70°C und 100°C aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Chipsubstrat (3) zumindest eine Vertiefung (9) aufweist, die einen Teil der zumindest einen Kavität (8) bildet.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschlussträger (4) zumindest eine Vertiefung (10) aufweist, die zumindest einen Teil der Kavität (8) bildet.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vertiefung (10) des Anschlussträgers (4) durch zumindest eine Innenfläche (4B) des Anschlussträgers begrenzt ist, und zumindest ein Teil der zumindest einen Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) durch die zumindest eine Innenfläche (4B) des Anschlussträgers (4) gebildet ist, wobei sich das zumindest eine Transportelement (12) von der zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) durch die Kavität (8) hindurch bis zu der zumindest einen Innenfläche (4B) des Anschlussträgers (4) erstreckt.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Chipsubstrat (3) durch ein Verbindungsmittel (13) mechanisch mit dem Anschlussträger (4) verbunden ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportelement (12) Hohlräume mit Kapillarwirkung aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei Zwischenräume zwischen den Hohlräumen zumindest eines der folgenden Materialien enthalten: Metall, Kunststoff, Naturstoff.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das oberflächenmontierbar ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) eine Oberflächenstruktur (32) aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Transportelement (12) einen ersten, an der zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) angeordneten Endbereich (12A), einen zweiten Endbereich (12B) und zumindest einen zwischen dem ersten und zweiten Endbereich (12A, 12B) angeordneten Verbindungsbereich (12C) aufweist, wobei der zweite Endbereich (12B) größer ist als der erste Endbereich (12A).
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportelement (12) einteilig ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das zumindest eine Transportelement (12) mehrteilig ausgebildet ist und ein erstes Teilelement (26A) und ein zweites Teilelement (26B) aufweist, die sich in ihrer Elastizität und/oder geometrischen Form voneinander unterscheiden.
Optoelektronische Vorrichtung (14), die ein optoelektronisches Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Trägervorrichtung (15) aufweist, auf welcher das optoelektronische Bauteil (1) angeordnet ist, wobei die Trägervorrichtung (15) höchstens einen weiteren Teil des Wärmetransferelements (7) aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung (14) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trägervorrichtung (15) einen Kühlkörper (22) aufweist, und ein Teil der zumindest einen Innenfläche (7A, 7B, 7C) des Wärmetransferelements (7) durch zumindest einen Teil einer ersten Hauptfläche (22A) des Kühlkörpers (22) gebildet ist, und sich das Transportelement (12) von der zweiten Hauptfläche (3B) des Chipsubstrats (3) durch die Kavität (8) hindurch bis zur ersten Hauptfläche (22A) des Kühlkörpers (22) erstreckt.
Optoelektronische Vorrichtung (14) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägervorrichtung (15) einen Anschlussträger (21) aufweist, der zwischen dem optoelektronischen Bauteil (1) und dem Kühlkörper (22) angeordnet ist, wobei der Anschlussträger (21) eine Vertiefung (24) aufweist, welche einen Teil der Kavität (8) bildet.