DE102021131112A1

DE102021131112A1 - Strahlungsemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines strahlungsemittierenden bauelements

Info

Publication number: DE102021131112A1
Application number: DE102021131112.8A
Authority: DE
Inventors: Florian Peskoller; Gertrud Kräuter; Angela Eberhardt; Moritz Laubscher
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2023-06-01
Also published as: WO2023094504A1

Abstract

Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben, aufweisend einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert, und ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben.

Description

Es werden ein strahlungsemittierendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es ein strahlungsemittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Aufgabe zumindest einer weiteren Ausführungsform ist es ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben. Das strahlungsemittierende Bauelement weist einen Halbleiterchip auf, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs bildet somit das Emissionsspektrum des Halbleiterchips aus und wird auch als Primärstrahlung bezeichnet. Die Strahlungsaustrittsfläche kann auch als strahlungsemittierende Fläche bezeichnet werden.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Das Bauelement kann somit eine Licht emittierende Diode (LED) oder ein Laser sein. Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder eine Mehrfachquantentopfstruktur auf.
Der Halbleiterchip kann im Betrieb elektromagnetische Strahlung beispielsweise aus dem ultravioletten Spektralbereich und/oder aus dem sichtbaren Spektralbereich, insbesondere aus dem blauen Spektralbereich aussenden. Die Primärstrahlung weist somit beispielsweise Wellenlängen aus dem Bereich 400 nm bis 500 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das strahlungsemittierende Bauelement weiterhin ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips auf, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält. Unter einer Deckfläche des Halbleiterchips soll die von einer Unterseite des Halbleiterchips abgewandte Seite verstanden werden, die parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Halbleiterchips verläuft. Neben der Strahlungsaustrittsfläche kann die Deckfläche Bereiche für elektrische Anschlüsse, Sägegräben und/oder dunkle, also nicht-emittierende Randbereiche umfassen.
Unter dem Begriff „Leuchtstoffpartikel“ wird hier und im Folgenden ein Wellenlängenkonversionsstoff in Partikelform verstanden, also ein Material, das zur Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Insbesondere absorbieren die Leuchtstoffpartikel elektromagnetische Strahlung, die ein anderes Wellenlängenmaximum als die von den Leuchtstoffpartikeln emittierte elektromagnetische Strahlung aufweist.
Beispielsweise absorbieren die Leuchtstoffpartikel Strahlung mit einem Wellenlängenmaximum bei kleineren Wellenlängen als das Emissionsmaximum und emittieren somit Strahlung mit einem in Richtung Rot verschobenen Emissionsmaximum. Reine Streuung oder reine Absorption werden vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Auflagefläche auf, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips. Somit bedeckt das Konversionselement die Deckfläche des Halbeiterchips vollständig oder nur teilweise. Bei einer nur teilweisen Bedeckung, also einer Teilbeschichtung der Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Konversionselement, können bestimmte Bereiche, beispielsweise Bereiche zur Kontaktierung des Halbleiterchips wie Bondpads, Randbereiche und/oder Sägegräben, gezielt frei von dem Konversionselement bleiben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips. Mit anderen Worten schmiegt sich die Auflagefläche des Konversionselements spaltlos an die Deckfläche des Halbleiterchips an, unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Deckfläche des Halbleiterchips. Das bedeutet, dass das Konversionselement kleberlos auf der Deckfläche des Halbleiterchips fixiert ist und dementsprechend eine gemeinsame Grenzfläche mit dem Halbleiterchip aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben, das einen Halbleiterchip aufweist, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert, und ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die direkte, also kleberlose Anordnung des Konversionselements auf der Deckfläche des Halbleiterchips eine gute Wärmeleitung des Konversionselements ermöglicht wird. Herkömmlich werden Konversionsplättchen verwendet, die auf einen Halbleiterchip geklebt werden müssen, wozu meist Silikon verwendet wird. Silikon hat jedoch eine geringe Wärmeleitung, wodurch eine Wärmebarriere zwischen Konversionsplättchen und Halbleiterchip entsteht, die sich mit zunehmender Schichtdicke vergrößert. Auf eine solche Wärmebarriere kann in dem hier beschriebenen Bauelement aufgrund der direkten Anordnung des Konversionselements auf dem Halbleiterchip verzichtet werden. Damit kann das Bauelement auch bei hohen Strömen betrieben werden, beispielsweise bei Anwendungen, bei denen hohe Leuchtdichten benötigt werden, wie beispielsweise bei Frontscheinwerfern oder Bühnenbeleuchtungen. Auch in solchen sogenannten Hochstromanwendungen, mit Stromdichten von mehr als 1 A/mm², kann die in dem Konversionselement entstehende Wärme gut von diesem in den Halbleiterchip abgeleitet werden.
Der Verzicht auf eine Kleberschicht wirkt sich auch vorteilhaft bei der Herstellung des Bauelements aus. Beispielsweise kommt es beim Aufsetzen eines herkömmlichen vorgefertigten Konversionsplättchens auf eine zuvor aufgebrachte Kleberschicht zu einem Herausdrücken des Klebermaterials, dem sogenannten Squeeze-out, und/ oder zum Eindringen von Reflektormaterial, beispielsweise mit Titandioxid gefülltem Silikon, in kleberfreie Hohlräume unter dem Plättchenrand. Solche Phänomene führen zu reduzierter Helligkeit, womit eine Kleberschicht somit auch eine optische Barriere darstellt. Eine solche kann durch Verwendung eines hier beschriebenen Konversionselements vermieden werden. Schließlich bewirkt der Verzicht auf eine Kleberschicht auch ein vereinfachtes und kostenreduziertes Herstellungsverfahren des Bauelements, da zum einen kein Klebeprozess notwendig ist und des Weiteren auch weniger Binning-Prozesse, also Prozesse zur Sortierung der Bauelemente nach ihren Farborten, notwendig sind.
Weiterhin kann das Konversionselement nur auf Teilbereichen des Halbleiterchips aufgebracht sein, also nur definierte Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Konversionselement beschichtet sein. Es können dadurch nur strahlungsemittierende und strahlungsreflektierende Flächen und keine (dunklen) Lichtfallen mit dem Konversionselement versehen werden, was zu einer verbesserten Effizienz des Bauelements führt. Bei einer solchen Teilbeschichtung kann beispielsweise ein etwa 10 µm bis 12 µm breiter Randbereich (Mesa-Rand) der Deckfläche des Halbleiterchips frei von dem Konversionselement sein. Auch Bereiche zur elektrischen Kontaktierung können von dem Konversionselement frei bleiben und/oder die Strahlungsaustrittsfläche kann nur teilweise mit dem Konversionselement beschichtet sein.
Ein hier beschriebenes Bauelement ist gleichermaßen geeignet für kaltweiße Anwendungen bei z.B. 5700 K oder 6500 K und für warmweiße Anwendungen bei z. B. 3200 K sowie für Anwendungen, bei denen ein Farbwiedergabeindex Ra von größer oder gleich 80, insbesondere von größer oder gleich 90 gewünscht ist. Bei einem so hohen Farbwiedergabeindex liegt ein vergleichsweise hoher Rotanteil im Emissionsspektrum vor, wobei typische rote Leuchtstoffe durch den größeren Stokes-Shift und stärkeres thermisches Quenchen besonders empfindlich gegenüber hohen Betriebsströmen und Betriebstemperaturen sind. Mit dem hier beschriebenen Bauelement können solch hohe Stromdichten und/oder hohe Betriebstemperaturen realisiert werden, da das hier beschriebene Konversionselement die entstehende Wärme gut ableiten kann, insbesondere aufgrund seines direkten Kontakts zu dem Halbleiterchip. Im Vergleich zu herkömmlichen Konversionsplättchen, die beispielsweise Silikon als Matrixmatrixmaterial haben, ist das eine deutliche Verbesserung, da Silikon eine geringe thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit aufweist, womit solche Konversionsplättchen nur für Anwendungen bis 150°C und Stromdichten von weniger als 1 A/mm² geeignet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Auflagefläche des Konversionselements gleich oder kleiner als die Strahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip Seitenflächen auf, und die Seitenflächen sind frei von dem Konversionselement. Unter den Seitenflächen des Halbleiterchips sollen hier und im Folgenden die Bereiche verstanden werden, die weitgehend senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Halbleiterchips verlaufen und die Deckfläche mit der Unterseite des Halbleiterchips verbinden. Insbesondere umfassen die Seitenflächen nicht die Strahlungsaustrittsfläche. Ein Effizienzverlust über die Seitenflächen des Chips kann somit vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Seitenflächen auf, die eine mittlere Rauigkeit von weniger als 2 µm, insbesondere von weniger als 1 µm, aufweisen und/oder keine Sägespuren aufweisen. Die Seitenflächen des Konversionselements verlaufen insbesondere weitgehend senkrecht zu der Auflagefläche des Konversionselements. Somit weisen die Seitenflächen des Konversionselements besonders glatte Oberflächen auf. Eine glatte Oberfläche der Seitenflächen des Konversionselements kann zu einer verminderten Emission über die Seitenflächen führen. Zudem wird durch eine glatte Oberfläche des Konversionselements sichergestellt, dass keine Partikel, insbesondere Leuchtstoffpartikel, die in dem Matrixmaterial des Konversionselements eingebettet sind, an das Konversionselement angrenzende Elemente beschädigen. Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlich verwendeten Konversionsplättchen, welche durch Spaltbrechen oder Sägen vereinzelt werden und eine deutlich rauere Oberfläche an ihren Seitenflächen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Seitenflächen auf, die abgerundete Ecken aufweisen. Zwei aufeinandertreffende Seitenflächen bilden somit keine klar definierte Ecke aus, welche beispielsweise keinen 90° Winkel hat, sondern eine abgerundete Ecke, welche einen Radius aufweist. Ein solcher Radius kann in dem Bereich einschließlich 0,04 mm bis einschließlich 0,1 mm, insbesondere in dem Bereich einschließlich 0,05 mm bis einschließlich 0,06 mm liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Querschnittsfläche auf, die sich von der Auflagefläche in Richtung der von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements hin verjüngt. Durch eine derartige konische Geometrie kann eine gewisse Lichtleitung, insbesondere eine Verkleinerung der strahlungsemittierenden Fläche und eine Erhöhung der Leuchtdichte, also eine Bündelung der emittierten Strahlung, bewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Querschnittsfläche auf, die sich von einer von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements in Richtung Auflagefläche verjüngt. Durch eine derartige konische Geometrie kann eine gewisse Lichtleitung, insbesondere eine Aufweitung der emittierten Strahlung, bewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Dicke auf, die kleiner oder gleich 150 µm, insbesondere kleiner oder gleich 100 µm, ist. Insbesondere kann die Dicke kleiner oder gleich 35 µm, beispielsweise kleiner oder gleich 25 µm sein. Die genaue Dicke kann auf die Leuchtstoffpartikelgröße und den gewünschten Konversionsgrad abgestimmt sein. Eine Dicke von weniger als 25 µm kann beispielsweise für kaltweiße Emission verwendet werden, bei Orangetönen kann eine Dicke von etwa 80 µm bis 90 µm gewählt werden. Damit kann das Konversionselement besonders dünn ausgebildet sein, was beispielsweise zu einer verringerten Seitenemission führt und für eine gute thermische Anbindung des Konversionselements an den Halbleiterchip sorgt. Die Dicke des hier beschriebenen Konversionselements ist insbesondere reduziert gegenüber bisherig verwendeten Konversionsplättchen, die auf einer Glasplatte oder Folie erzeugt werden und nach ihrer Fertigstellung erst auf den Halbleiterchip mittels einer Klebeschicht befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Dicke auf, die größer oder gleich 10 µm ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Vol%, insbesondere von größer oder gleich 50 Vol% auf. Der Feststoffanteil wird gemäß einer Ausführungsform durch Feststoffpartikel gebildet, die zu bis zu 100% Leuchtstoffpartikel sind. Damit weist das Matrixmaterial also einen hohen Feststoffanteil auf, was sich positiv auf die Temperatur-, Strahlungs- und chemische Beständigkeit des Konversionselements auswirkt. Der Feststoffanteil kann neben Leuchtstoffpartikeln aus Mikro-Partikel/-Füllern und/oder Nanopartikel/-füller gebildet sein. Mit anderen Worten können die Leuchtstoffpartikel teilweise durch nicht-konvertierende Mikro- oder Nanopartikel ersetzt sein, um beispielsweise den Farbort bei gleicher Dicke der Konversionsschicht anzupassen und/oder steuern zu können. Beispielsweise ist das Konversionselement bei bis zu 220°C und bis zu 6 W/mm² langzeitstabil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen organischen Anteil auf, der kleiner als 40 Gew%, insbesondere kleiner als 20 Gew% ist. Ein geringer organischer Anteil trägt insbesondere zur Langzeitstabilität des Konversionselements und damit des Bauelements bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial eine Shore D-Härte auf, die größer als 50 ist. Somit kann das Konversionselement, beispielsweise die von dem Halbleiterchip abgewandte Seite des Konversionselements, gut nachbearbeitet werden, beispielsweise geschliffen oder poliert werden. Auch Modifikationen des Konversionselements, beispielsweise auf der von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements, sind denkbar. So kann dieses Konversionselement gut mit einer weiteren Schicht, einem Plättchen oder einer Strukturierung versehen werden. Zudem weist das Konversionselement aufgrund seiner Härte eine hohe mechanische Stabilität auf, was beispielsweise vorteilhaft ist, wenn bereits aufgebrachte Konversionselemente durch Sägen voneinander getrennt werden sollen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Matrixmaterial ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan auf. Ein solches Polyorganosiloxan geht aus einem Vorläufermaterial hervor, welches eine Härtungstemperatur aufweist, die den Halbleiterchip nicht beschädigt und gut an diesen anbindet bzw. haftet. Eine solche Härtungstemperatur ist beispielsweise kleiner oder gleich 220 °C. Somit kann zur Herstellung des Konversionselements, ein Vorläufermaterial des Matrixmaterials direkt auf den Halbleiterchip aufgebracht und dort gehärtet werden. Dadurch entsteht insbesondere eine im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen verbesserte und effizientere Wärmeanbindung des Konversionselements an den Halbleiterchip. Weiterhin kann das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan nach der Härtung riss- und porenfrei ausgeformt sein, insbesondere, wenn es einen hohen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Vol% aufweist. Ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan ist darüber hinaus gut wärmeleitend, insbesondere, wenn es einen geringen organischen Anteil, beispielsweise von weniger als 40 Gew% aufweist.
Weiterhin ist es möglich, das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan mit einem hohen Anteil an Leuchtstoffpartikeln, insbesondere mit einem Anteil von größer 45 Vol%, zu füllen und damit eine hohe Temperatur-, Strahlungs- und chemische Beständigkeit des Konversionselements zu bewirken. Nach seiner Härtung weist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan eine ausreichende Härte auf, die eine mechanische Weiterbearbeitung und/oder Modifikation des Konversionselements erlaubt. Auch die Dicke des Konversionselements kann beispielsweise durch Schleifen präzise eingestellt und damit insbesondere der genaue Farbort der konvertierten Strahlung eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan folgende Wiederholeinheit auf:
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c = 1, 0,65 ≤ a ≤ 1 und 0 ≤ b + c ≤ 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T¹ und T² sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan ermöglicht weiterhin das Einbetten verschiedener Leuchtstoffpartikel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel ausgewählt aus der Gruppe:

(RE_1-xCe_x)₃(Al_1-yA'_y)₅O₁₂ mit 0 < x ≤ 0.1 und 0 ≤ y ≤ 1,
(RE_1-xCe_x)₃(Al_5-2yMg_ySi_y) O₁₂ mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 2,
(RE_1-xCe_x) ₃A_15-ySi_yO_12-yN_y mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0, 5,
(RE_1-xCe_x) ₂CaMg₂S₁₃O₁₂: Ce³⁺ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE_1-xEu_x)₂Si₅N₈ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_x)AlSiN₃ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE_1-xEu_x)₂Al₂Si₂N₆ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(Sr_1-xEu_x) LiAl₃N₄ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_X) ₃Ga₃N₅ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_x) Si₂O₂N₂ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_xEu_y) Si_12-2x-3yAl_2x+3yO_yN_16-y mit 0, 2 ≤ x ≤ 2, 2 und 0 < y ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_x)₂SiO₄ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_X) ₃Si₂O₅ mit 0 < x ≤ 0, 1,
K₂ (Si_1-x-yTi_yMn_x) F₆ mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 < y ≤ 1-x,
(AE_1-xEu_x) ₅ (PO₄) ₃Cl mit 0 < x ≤ 0, 2,
(AE_1-xEu_X) Al₁₀O₁₇ mit 0 < x ≤ 0,2

Damit ermöglicht das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan eine ähnliche Flexibilität hinsichtlich der Farbortwahl wie eine herkömmliche Silikonmatrix, und eine überlegene Flexibilität hinsichtlich der Farbortwahl im Vergleich zu Konversionskeramiken als auch zu Konvertern, bei denen Leuchtstoffpartikel in Glas eingebettet sind, hat aber eine verbesserte optische und thermische Performance und Temperaturbeständigkeit gegenüber einer herkömmlichen Silikonmatrix.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan aus einem Vorläufermaterial hergestellt, das ein alkoxyfunktionalisiertes, insbesondere methoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz umfasst. Damit weist das daraus hergestellte dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan einen geringen organischen Anteil von weniger als 40 Gew%, insbesondere weniger als 20 Gew% auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Vorläufermaterial folgende Wiederholeinheit auf:
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c = 1, 0,65 ≤ a ≤ 1 und 0 ≤ b + c ≤ 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T¹ und T² sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement weiterhin Füllstoffe auf. Die Füllstoffe können aus der Gruppe

- Oxide, beispielsweise SiO₂, insbesondere Nano-SiO₂ und Mikro-SiO₂, ZrO₂, HO₂, Al₂O₃ und ZnO, Nitride, beispielsweise AlN, Si₃N₄, BN und GaN,
- Kohlenstoff-basierte Füllstoffe, beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Graphen und deren Derivate, Heteropolysäuren, beispielsweise 12-Wolframphosphorsäure (H₃PW₁₂O₄₀) und 12-Wolframsilicylsäure (H₄SiW₁₂O₄₀),
- metallorganische Komponenten, beispielsweise Alkoxide von Silizium, Titan, Zirkon, Aluminium und/oder Hafnium,
- organische Moleküle, beispielsweise Haftvermittler, Entschäumer, Verdickungsmittel, Verdünnungsmittel und Weichmacher,
- organische und anorganische Polymere, beispielsweise Poly(dimethylsiloxan), Poly(methylphenylsiloxan), Poly(diphenylsiloxan) und Polysilsesquioxan (PSQ),

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Damit sind die Anschlüsse auf der nicht emittierenden Seite des Halbleiterchips vorhanden und können dort leitfähig aufgelötet oder aufgeklebt sein. Ein solcher Halbleiterchip kann auch als Flipchip bezeichnet werden und ist gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombinierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der der Strahlungsaustrittfläche zugewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Solche Halbleiterchips weisen insbesondere eine isolierende Klebung bzw. Lötung zu ihrem Untergrund, beispielsweise ein Substrat auf, und sind gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombinierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips und auf der der Strahlungsaustrittfläche zugewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Die Anschlüsse befinden sich also auf verschiedenen Seiten des Halbleiterchips. Beispielsweise befindet sich ein Bondpad auf der der Strahlungsaustrittsfläche zugewandten Seite des Halbeiterchips und eine leitfähige Lötung oder Klebung auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips. Auch ein solcher Halbleiterchip kann gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombiniert werden.
Die Möglichkeit, das hier beschriebene Konversionselement mit verschiedenen Halbleiterchiptypen zu kombinieren, begründet sich unter anderem darin, dass das Konversionselement als Teilbeschichtung aufgebracht werden kann und somit gezielt dunkle Bereiche, insbesondere Randbereiche, und/oder Bereiche zur Kontaktierung des Halbleiterchips frei von dem Konversionselement gelassen werden können.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements angegeben. Das Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, ein hier beschriebenes Bauelement herzustellen. Sämtliche in Verbindung mit dem Bauelement genannten Merkmale gelten somit auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren mindestens ein Halbleiterchip bereitgestellt, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Unter mindestens einem Halbleiterchip soll verstanden werden, dass mit dem Verfahren ein einzelner Halbleiterchip mit einem Konversionselement versehen werden kann sowie auch mehrere Halbleiterchips gleichzeitig. Wenn mehrere Halbleiterchips gleichzeitig mit Konversionselementen versehen werden, können die Halbleiterchips auch miteinander verbunden vorliegen, und nach dem Aufbringen der Konversionselemente vereinzelt werden. Das Verfahren ermöglicht somit eine Multichipbeschichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren weiterhin ein Vorläufermaterial aufgebracht, in dem Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren. Das Aufbringen erfolgt direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips.
Unter einem Vorläufermaterial ist ein Material zu verstehen, dass durch eine chemische Reaktion, die durch äußere Einflüsse eingeleitet wird, zu dem gewünschten Material reagiert, das in dem fertiggestellten Bauelement vorhanden ist. Äußere Einflüsse können zum Beispiel eine Temperaturerhöhung oder eine Bestrahlung umfassen. Bei dem Vorläufermaterial kann es sich beispielsweise um alkoxyfunktionalisiertes, insbesondere methoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz handeln. Solche Vorläufermaterialien können zu einem dreidimensional vernetzten Polyorganosiloxan reagieren.
Unter dem direkten Aufbringen soll verstanden werden, dass das Vorläufermaterial in unmittelbaren Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips gebracht wird, so dass es mit dem Halbleiterchip eine gemeinsame Grenzfläche aufweist und sich spaltlos an die Deckfläche des Halbleiterchips anschmiegt. Auf eine Kleberschicht kann somit verzichtet werden. Das ist insbesondere dadurch möglich, dass das Vorläufermaterial eine gewisse Klebrigkeit aufweist, die für eine Fixierung des Vorläufermaterials auf dem gewünschten Bereich des Halbleiterchips sorgt.
„Auf zumindest einen Teil einer Deckfläche“ soll bedeuten, dass die gesamte Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Vorläufermaterial beschichtet wird oder nur eine Teilbeschichtung stattfindet, bei der gezielt Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips frei von Vorläufermaterial gelassen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des Vorläufermaterials mit einer Methode, die ausgewählt ist aus Rakeln, Sprühen und Drucken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Vorläufermaterial, in dem die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, in Form einer homogenen Mischung aufgebracht, wobei die Mischung weitere Füllstoffe aufweisen kann. Mögliche Füllstoffe sowie auch Leuchtstoffpartikel sind bereits in Bezug auf das Bauelement genannt und gelten für das Verfahren ebenso.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren weiterhin das Vorläufermaterial zur Bildung eines Konversionselements gehärtet, das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht. Während der Härtung bildet sich aus dem Vorläufermaterial somit das Matrixmaterial, in dem die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, und das weitgehend oder vollständig frei von Poren und Rissen ist. Das Konversionselement ist dann auf dem Bereich der Deckfläche des Halbleiterchips fixiert, auf den das Vorläufermaterial zuvor aufgebracht wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben, mit den Verfahrensschritten

- Bereitstellen mindestens eines Halbleiterchips, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert,
- Aufbringen eines Vorläufermaterials, in dem Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips,
- Härten des Vorläufermaterials zur Bildung eines Konversionselements, das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht.

Das Verfahren ist besonders einfach und kostengünstig durchführbar, da auf eine zwischen Halbleiterchip und Konversionselement vorhandene Kleberschicht verzichtet werden kann. Ein Klebeprozess ist somit nicht notwendig. Zudem ist in dem hergestellten Bauelement keine Klebeschicht vorhanden, die eine Wärme- und/oder optische Barriere zwischen Konversionselement und Halbleiterchip darstellen würde. Weiterhin kann das Vorläufermaterial gezielt auf emittierende und/oder reflektierende Bereiche des Halbleiterchips aufgebracht werden, und damit die Geometrie der aktiven Fläche abgebildet werden und beispielsweise dunkle Randbereiche frei von dem Konversionselement gelassen werden. Das führt zu einer Reduzierung des Effizienzverlusts. Weitere Vorteile des mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Bauelements wurden bereits bezüglich des Bauelements dargestellt und gelten für das mit dem Verfahren hergestellte Bauelement gleichermaßen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Härten bei einer Temperatur, die kleiner oder gleich 220°C ist. Damit wird eine Temperatur zum Härten verwendet, die keine schädigende Wirkung auf den Halbleiterchip und temperaturempfindliche Leuchtstoffe wie zum Beispiel nitridische Leuchtstoffe hat. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Härten für eine Zeitspanne von kleiner oder gleich 5h, insbesondere kleiner oder gleich 2h.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Halbleiterchips bereitgestellt, welche nach dem Aufbringen und Härten des Vorläufermaterials vereinzelt werden. Mit dem Verfahren ist somit eine Multichipbeschichtung realisierbar. Weiterhin führt das Vereinzeln zu Halbleiterchips mit darauf angeordneten Konversionselementen, welche glatte Seitenflächen aufweisen. Die Seitenflächen des Konversionselements weisen nach der Vereinzelung beispielsweise eine Rauigkeit von weniger als 2 µm, insbesondere weniger als 1 µm auf. Aufgrund der Härte des Matrixmaterials können die Konversionselemente gut mechanisch getrennt werden, beispielsweise durch Sägen. Alternativ ist eine Trennung bzw. Vereinzelung der Konversionselemente gar nicht notwendig, wenn das Vorläufermaterial so aufgebracht wird, dass die Auflagefläche des Konversionselements kleiner als die Deckfläche des Halbleiterchips ist. In diesem Fall werden nur die Halbleiterchips vereinzelt. Auch in dieser Variante werden Konversionselemente bereitgestellt, die ihre glatten Seitenflächen bereits durch den Herstellungsprozess erhalten. Wenn nur die Halbleiterchips vereinzelt werden müssen, führt das nochmals zu einem Kostenvorteil, da das Sägen der Konversionselemente und der damit einhergehende Verschleiß vermieden werden. Weiterhin können damit Bauelemente mit besonders guter optischer Performance durch sehr glatte Seitenflächen der Konversionselemente bereitgestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Dicke und Form des Konversionselements während des Aufbringens und/oder des Härtens des Vorläufermaterials eingestellt. Beispielsweise kann das Vorläufermaterial auf zumindest Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips aufgebracht werden, dort bei einer ersten Temperatur vorgehärtet werden und in diesem Zustand mechanisch, beispielsweise durch Schleifen, auf die gewünschte Dicke gebracht werden. Anschließend kann das Material dann bei einer zweiten Temperatur, die insbesondere größer als die erste Temperatur ist, vollständig zu dem Matrixmaterial ausgehärtet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Vorläufermaterial während des Aufbringens strukturiert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Lithographieprozesses erfolgen. So kann vor dem Aufbringen des Vorläufermaterials eine Fotolackschicht auf die Deckfläche des Halbleiterchips aufgebracht und mittels Belichtung strukturiert werden. Danach kann das Vorläufermaterial in die resultierenden Strukturen, also in die Bereiche auf der Deckfläche des Halbleiterchips, die frei von Fotolackschicht sind, eingefüllt und vorgehärtet werden. Nach einem weiteren Schritt, in dem die strukturierte Fotolackschicht beispielsweise chemisch entfernt wird, kann eine vollständige Härtung erfolgen. Mit einem derartigen Verfahren kann insbesondere eine konische Geometrie des Konversionselements wie bereits oben beschrieben erzeugt werden. Beispielsweise kann die strukturierte Fotolackschicht eine Maske darstellen und das resultierende Konversionselement eine sich in eine von dem Halbleiterchip abwendende Richtung verbreiternde Querschnittsfläche aufweisen. Gemäß eines weiteren Beispiels kann mittels eines sogenannten LDI (laser direct imaging) Prozesses ein Konversionselement erzeugt werden, welches eine sich in eine von dem Halbleiterchip abwendende Richtung verjüngende Querschnittsfläche aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform vernetzt während des Härtens das Vorläufermaterial dreidimensional. Insbesondere, wenn als Vorläufermaterial ein alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz verwendet wird, bildet sich beim Härten ein dreidimensionales SiO₂-Netzwerk mit einem niedrigen Anteil von weniger als 40 Gew%, insbesondere weniger als 20 Gew%, organischen Resten. In dieses Netzwerk sind Feststoffpartikel, die zu bis zu 100% Leuchtstoffpartikel sind, eingebettet. Der Feststoffanteil in dem Konversionselement beträgt beispielsweise mindestens 45 Vol%, insbesondere mindestens 50 Vol%.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 zeigt schematische Querschnittsansichten von Konversionselementen gemäß Ausführungsbeispielen.
2, 3a bis c, 4a bis c, 5 und 6 zeigen schematische Querschnittsansichten von Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen.
3d und 4d zeigen Draufsichten von Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen.
7 und 8 zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen von Konversionselementen gemäß Ausführungsbeispielen.
9a bis c zeigen in schematischem Querschnitt Bauelemente gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.

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 sein.
Zur Herstellung eines Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterchip 10, insbesondere ein LED-Chip oder eine Vielzahl von Halbleiterchips in Form eines Chip-Wafers bereitgestellt. Auf die Deckfläche 12 des oder der Halbleiterchips 10 wird ein Vorläufermaterial, in dem Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind, bzw. eine homogene Mischung enthaltend das Vorläufermaterial, in dem Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind, direkt aufgebracht.
Das Vorläufermaterial ist ein methoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz, das folgende Wiederholeinheit aufweist:
Dabei gilt a + b + c = 1, 0,65 ≤ a ≤ 1 und 0 ≤ b + c ≤ 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T¹ und T² sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar. Es wird eine homogene Mischung, die das Vorläufermaterial und weiterhin Nano-SiO₂ zur Einstellung der Rheologie und Mikro-SiO₂ als Füllstoffe zur Verbesserung der Verarbeitung umfasst, hergestellt. Die Mischung umfasst außerdem Leuchtstoffpartikel 1, welche ausgewählt sind aus der Gruppe:

(RE_1-xCe_x) ₃ (Al_1-yA'_y) ₅O₁₂ mit 0 < x ≤ 0.1 und 0 ≤ y ≤ 1,
(RE_1-xCe_x) ₃ (Al_5-2yMg_ySi_y) O₁₂ mit 0 < x ≤ 0, 1 und 0 ≤ y ≤ 2,
(RE_1-xCe_x) ₃Al_5-ySi_yO_12-yN_y mit 0 < x ≤ 0, 1 und 0 ≤ y ≤ 0, 5,
(RE_1-xCe_x) ₂CaMg₂S₁₃O₁₂: Ce³⁺ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE_1-xEu_x) ₂Si₅N₈ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_x) AlSiN₃ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE_1-xEu_x)₂Al₂Si₂N₆ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(Sr_1-xEu_x) LiAl₃N₄ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_X) ₃Ga₃N₅ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_X) Si₂O₂N₂ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_xEu_y) Si_12-2x-3yAl_2x+3yO_yN_16-y mit 0, 2 ≤ x ≤ 2, 2 und 0 < y ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_x)₂SiO₄ mit 0 < x ≤ 0, 1,
(AE_1-xEu_X) ₃Si₂O₅ mit 0 < x ≤ 0, 1,
K₂ (Si_1-x-yTi_yMn_x) F₆ mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 < y ≤ 1-x,
(AE_1-xEu_x) ₅ (PO₄) ₃Cl mit 0 < x ≤ 0, 2,
(AE_1-xEu_X) Al₁₀O₁₇ mit 0 < x ≤ 0,2

Die Mischung wird mittels Rakeln, Drucken oder Sprühen auf Bereiche der Deckfläche 12 (Teilbeschichtung) oder auf die ganze Deckfläche 12 des oder der Halbleiterchips 10 direkt aufgebracht. Bei einer Teilbeschichtung, werden beispielsweise die Bereiche des Halbleiterchips 10, die frei von einem Konversionselement 20 bleiben sollen, von einem Fotolack geschützt, der nach dem Aufbringen und Vorhärten des Vorläufermaterials wieder entfernt wird.
Nach dem Aufbringen des Vorläufermaterials bzw. der das Vorläufermaterial enthaltenden Mischung wird das Vorläufermaterial gehärtet, so dass ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan als Matrixmaterial 5 entsteht. Das Härten findet bei einer Temperatur von weniger oder gleich 220°C statt. Das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan weist folgende Wiederholeinheit auf:
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c = 1, 0,65 ≤ a ≤ 1 und 0 ≤ b + c ≤ 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T¹ und T² sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Die Dicke des so hergestellten Konversionselements 20 beträgt je nach gewünschtem Farbort 10 µm bis 150 µm.
1 zeigt Querschnitte von Ausführungsbeispielen von Konversionselementen 20, welche wie oben dargestellt hergestellt werden. Die Konversionselemente 20 werden hier zur besseren Darstellbarkeit von Details ohne die Halbleiterchips 10, auf denen sie direkt aufgebracht sind, gezeigt.
Ein Konversionselement 20 enthält ein Matrixmaterial 5, in dem die Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind. In 1a ist zudem noch die Auflagefläche 21 gezeigt, die in direktem Kontakt zu der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10 (hier nicht gezeigt) steht. Das Konversionselement 20 der 1a weist planparallele Seitenflächen 25 auf, welche senkrecht zur Auflagefläche 21 stehen.
Die 1b und 1c zeigen zwei alternative Geometrien des Konversionselements 20. Im Unterschied zur 1a ist hier zusätzlich die Querschnittsfläche 26 des Konversionselements gezeigt, welche sich in 1b von der Auflagefläche 21 zu der von der Auflagefläche 21 gegenüberliegenden Seite (die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Seite) hin verjüngt. Eine solche konische Geometrie ermöglicht beispielsweise eine Strahlungsbündelung im Betrieb des Bauelements 100. In 1c weist das Konversionselement 20 ebenfalls eine konische Geometrie auf, allerdings vergrößert sich die Querschnittsfläche 26 des Konversionselements 20 mit zunehmendem Abstand von der Auflagefläche 21. Eine solche Geometrie ermöglicht beispielsweise eine Strahlungsaufweitung im Betrieb des Bauelements 100.
2 zeigt schematische Querschnitte von Ausführungsbeispielen von Bauelementen 100, welche die in 1 gezeigten Konversionselemente 20 enthalten. Gezeigt ist jeweils ein Halbleiterchip 10, auf dessen Deckfläche 12 in direktem Kontakt, kleberlos und spaltlos angeschmiegt die Auflagefläche 21 des Konversionselements 20 aufgebracht ist. Damit wird eine gute Wärmeleitung zwischen Konversionselement 20 und Halbleiterchip 10 gewährleistet. Die Deckfläche 12 umfasst auch die Strahlungsaustrittsfläche 11 des Halbleiterchips 10, kann aber auch größer sein als diese. 2a zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß 1a, 2b zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß 1b und 2c zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß 1c. Weiterhin gezeigt sind die Seitenflächen 15 des Halbleiterchips 10, die frei von dem Konversionselement 20 sind.
3a bis c und 4a bis c zeigen schematische Querschnitte von Bauelementen 100, bei denen das Konversionselement 20 jeweils als Teilbeschichtung auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht ist. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nicht alle in den 1 und 2 gezeigten Bezugszeichen wiedergegeben, gelten aber für die 3 und 4 analog. Die 3d und 4d zeigen die Bauelemente 100 jeweils in Draufsicht.
In den 3a und 4a ist das Konversionselement 20 der 1a, in den 3b und 4b ist das Konversionselement 20 der 1b und in den 3c und 4c ist das Konversionselement 20 der 1c auf dem Halbleiterchip 10 gezeigt. Das Konversionselement 20 ist jeweils als Teilbeschichtung auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht. Gemäß der Draufsicht in 3d sind Flächen für elektrische Anschlüsse 40 (Bondpads bzw. Bondbars) sowie Sägegräben 41 frei von dem Konversionselement 20. Das Konversionselement 20 bedeckt die Strahlungsaustrittsfläche 11 sowie dunkle Randbereiche (Mesa-Ränder) 42 der Deckfläche des Halbleiterchips 10 und ist zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt.
In 4 erstreckt sich das Konversionselement 20 nur auf die Strahlungsaustrittsfläche 11, die zur Verdeutlichung in den 4a bis 4c als schraffierte Schicht dargestellt ist. 4d zeigt diese Anordnung des Konversionselements 20 wieder in Draufsicht auf das Bauelement 100, wo das Konversionselement 20 schraffiert dargestellt ist.
5 zeigt eine weitere Variante des Bauelements 100. Hier erstreckt sich das Konversionselement 20 nur auf einen Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche 11, die in den 5a bis 5c wieder zur Veranschaulichung als zusätzliche Schicht dargestellt ist. Auf dem Halbleiterchip 10 der 5a befindet sich das Konversionselement gemäß 1a, auf dem Halbleiterchip 10 der 5b befindet sich das Konversionselement gemäß 1b und auf dem Halbleiterchip 10 der 5c befindet sich das Konversionselement gemäß 1c.
Ein weiterer Unterschied zu den Bauelementen 100 der vorherigen Figuren ist, dass in 5 noch ein Verguss 30 gezeigt ist, der sowohl Halbleiterchip 10 als auch Konversionselement 20 seitlich umschließt. Der Verguss 30 kann verschiedene Geometrien und Füllhöhen aufweisen. Der Verguss 30 kann mit dem Konversionselement 20 abschließen, wie in 5a gezeigt, oder über das Konversionselement 20 hinausragen (5b und 5c). Weiterhin kann der Verguss 30 planparallele Seitenwände aufweisen (5a) oder in Richtung Konversionselement 20 abgeschrägte Seitenwände aufweisen (5b und 5c). Der Verguss kann beispielsweise aus Silikon oder Epoxidharz gebildet sein und optional mit beispielsweise TiO₂ gefüllt sein. In einer weiteren Ausgestaltung können neben beispielweise TiO₂ auch weitere Füllstoffe enthalten sein.
6 zeigt in schematischem Querschnitt einen Halbleiterchip-Wafer, als eine Vielzahl zusammenhängender Halbleiterchips 10, auf den bereits Konversionselemente 20 aufgebracht sind. Nach Vereinzelung werden somit mittels Multichipbeschichtung eine Vielzahl von Bauelementen 100 erhalten.
7 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Konversionselements 20 in Draufsicht. Es ist zu erkennen, dass der Bereich für elektrische Anschlüsse 40 (Bondbars) sowie Sägegräben 41 frei von Konversionselement 20 ist. Das Konversionselement 20 bedeckt somit nur die Strahlungsaustrittsfläche 11. Die Größe des Konversionselements 20 beträgt etwa 1 mm². Der darunterliegende Halbleiterchip 10 ist in dieser Aufnahme noch nicht vereinzelt, die Konversionselemente 20 wurden also mittels Multichipbeschichtung hergestellt. Die Ecken des Konversionselementes 20 sind abgerundet und die Seitenflächen 25 der Konversionselemente 20 erscheinen gerade und intakt, d.h. es sind keine Ausbrüche (Chipping) zu erkennen.
8 zeigt zur 7 vergleichbare Konversionselemente 20 noch in Schrägansicht vor der Vereinzelung des Halbleiterchips 10, also nach der Multichipbeschichtung. Es handelt sich dabei um Konversionselemente 20, die eine wie bezüglich 1b beschriebene Geometrie aufweisen und eine Größe von etwa 1 mm² haben. Zu erkennen sind hier neben den abgerundeten Ecken auch die glatten, klar strukturierten und intakten Oberflächen der Seitenflächen 25 des Konversionselements. Die Dicke des Konversionselementes liegt in diesem Fall bei 25-30 µm. Eingebettet sind Granat-Leuchtstoffpartikel 1 für eine kaltweiße Applikation.
9 zeigt in schematischem Querschnitt Bauelemente 100 mit verschiedenen Typen an Halbleiterchips 10, die mit den hier beschriebenen Konversionselementen 20 kombiniert werden können. In den 9a bis c sind jeweils Konversionselemente 20 gemäß 1a auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht. Es ist aber jede Kombination von hier beschriebenen Konversionselementen 20 mit den verschiedenen Halbleiterchiptypen ebenso möglich. In den 9a bis c sind die Halbleiterchips 10 jeweils mit elektrischen Anschlüssen 40 versehen, welche beide auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden sein können (Flipchip-Bauweise, 9a). In diesem Fall kann die Deckfläche 12 vollständig von dem Konversionselement 20 bedeckt sein, eine Teilbeschichtung ist aber ebenso denkbar. Die elektrischen Anschlüsse 40 können auch auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden sein (9b) und beide auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips vorhanden sein (9c).
Ausführungsbeispiel 1: Bauelement 100 mit LED-Flipchip 10 mit Konversionselement 20 für kaltweiße Anwendungen Eine homogene Mischung enthaltend alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz als Vorläufermaterial, Nano-SiO₂, optional Mikro-SiO₂ und Leuchtstoffpartikel 1, die ein oder mehrere gelb emittierende Granatleuchtstoffe zur Erzeugung einer kaltweißen Emission umfassen, wird durch Sprühen ganzflächig auf die Deckfläche 12 eines LED-Halbleiterchips 10 in Flipchip-Bauweise (d.h. alle elektrischen Anschlüsse 40 zur elektrischen Kontaktierung sind auf der von dem Konversionselement 20 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden) oder eines LED-Halbleiterchip-Wafers in Flipchipbauweise aufgebracht und bei maximal 150°C für mehrere Stunden ausgehärtet. Die Schichtdicke des resultierenden Konversionselements 20 beträgt für diesen Farbort 10 bis 100 µm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1. Das Aufbringen der homogenen Mischung ist auch durch einen Rakelprozess oder Drucken möglich.
Falls Bereiche der Deckfläche 12 frei von dem Konversionselement 20 sein sollen, kann dieses partiell dort auch wieder entfernt werden. Alternativ können diese Bereiche auch durch einen Fotolack geschützt werden, der nach dem Aufbringen der homogenen Mischung und Bilden des Konversionselements 20 wieder entfernt wird.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 2: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 und mit Konversionselement 20 auf der Deckfläche 12 für kaltweiße Anwendungen
Alle Bereiche der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, die ohne Konversionselement 20 bleiben sollen, wie z.B. das Bondpad/-bar als elektrischer Anschluss 40 für die elektrische Kontaktierung auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, und optional die Sägegräben 41 und optional die dunklen nicht lichtemittierende Bereiche auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, werden durch einen Fotolack geschützt. Dann wird eine homogene Mischung enthaltend alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz als Vorläufermaterial, Nano-SiO₂, optional Mikro-SiO₂ und Leuchtstoffpartikel 1, die ein oder mehrere gelb emittierende Granatleuchtstoffe zur Erzeugung einer kaltweißen Emission umfassen, durch einen Rakelprozess oder Drucken auf die Deckfläche 12 eines LED-Halbleiterchips 10 oder LED-Halbleiterchips-Wafers aufgebracht und bei max. 120°C für eine Stunde gehärtet. Nach dem Entfernen des Fotolacks kann das resultierende Konversionselement 20 nochmals bei höherer Temperatur beispielsweise bei 220°C nachgehärtet werden. Die Schichtdicke des Konversionselements beträgt für diesen Farbort 10 bis 100 µm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1. Das Aufbringen der homogenen Mischung ist auch durch Sprühen möglich.
Alternativ ist auch eine komplette Beschichtung der Deckfläche 12 mit der homogenen Mischung in Kombination mit einer nachträglichen partiellen Entfernung des Konversionselements 20 denkbar.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 3: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 und mit Konversionselement 20 auf der Deckfläche 12 für orangefarbene (Amber) Anwendungen
Die Herstellung des Bauelements erfolgt wie in Ausführungsbeispiel 2, jedoch mit einer Leuchtstoffmischung für Amber (grün- und rot emittierende Leuchtstoffpartikel 1). Die Schichtdicke der Konversionsschicht beträgt für diesen Farbort 30 bis 150 µm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 4: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 nur auf der Deckfläche 12 mit Konversionselement 20 für warmweiße Anwendungen
Die Herstellung des Bauelements erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 3, jedoch mit einem hinsichtlich der elektrischen Anschlüsse 40 anderen Chiptyp und mit einer Leuchtstoffmischung für Warmweiß enthaltend ein oder mehrere verschiedene grün und rot emittierende Leuchtstoffpartikel 1. Die Schichtdicke des Konversionselements 20 beträgt für diesen Farbort 20 bis 120 µm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Die anschließende Oberflächenbeschichtung kann jeweils auch eine Mehrfachbeschichtung sein, es können also mehrere gleiche oder unterschiedliche Beschichtungen auf das Konversionselement 20 erfolgen.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere 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 Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtstoffpartikel
5: Matrixmaterial
10: Halbleiterchip
11: Strahlungsaustrittsfläche
12: Deckfläche
15: Seitenfläche des Halbleiterchips
20: Konversionselement
21: Auflagefläche
25: Seitenfläche des Konversionselements
26: Querschnittsfläche des Konversionselements
30: Verguss
40: Anschluss
41: Sägegraben
42: Randbereich
100: Bauelement

Claims

Strahlungsemittierendes Bauelement (100), aufweisend einen Halbleiterchip (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert, und ein Konversionselement (20) auf einer die Strahlungsaustrittsfläche (11) umfassenden Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), das ein Matrixmaterial (5) und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel (1), die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement (20) eine Auflagefläche (21) aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), und die Auflagefläche (21) vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10) steht.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auflagefläche (21) gleich oder kleiner als die Strahlungsaustrittsfläche (11) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) Seitenflächen (15) aufweist, und die Seitenflächen (15) frei von dem Konversionselement (20) sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) Seitenflächen (25) aufweist, die eine mittlere Rauigkeit von weniger als 2 µm aufweisen und/oder keine Sägespuren aufweisen.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) Seitenflächen (25) aufweist, die abgerundete Ecken aufweisen.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche (26) aufweist, die sich von der Auflagefläche (21) in Richtung der von dem Halbleiterchip (10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) hin verjüngt, oder wobei das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche (26) aufweist, die sich von einer von dem Halbleiterchip (10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) in Richtung Auflagefläche (21) verjüngt.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 150 µm ist, und/oder die größer oder gleich 10 µm ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) einen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Vol% aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) einen organischen Anteil aufweist, der kleiner als 40 Gew% ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) eine Shore D-Härte aufweist, die größer als 50 ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan aus einem Vorläufermaterial hergestellt ist, das ein alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz umfasst.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der von der Strahlungsaustrittsfläche (11) abgewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der der der Strahlungsaustrittfläche (11) zugewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der von der Strahlungsaustrittsfläche (11) abgewandten Seite des Halbleiterchips (10) und auf der der Strahlungsaustrittfläche (11) zugewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements (100) mit den Verfahrensschritten - Bereitstellen mindestens eines Halbleiterchips (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert, - Aufbringen eines Vorläufermaterials, in dem Leuchtstoffpartikel (1) eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche (11) umfassenden Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), - Härten des Vorläufermaterials zur Bildung eines Konversionselements (20), das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement (20) eine Auflagefläche (21) aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), und die Auflagefläche (21) vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10) steht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Härten bei einer Temperatur erfolgt, die kleiner oder gleich 220°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei eine Vielzahl Halbleiterchips (20) bereitgestellt wird, welche nach dem Aufbringen und Härten des Vorläufermaterials vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Dicke und Form des Konversionselements (20) während des Aufbringens und/oder des Härtens des Vorläufermaterials eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei während des Härtens das Vorläufermaterial dreidimensional vernetzt.