DE4232637C2 - Luminescent diode with reflector, which has a tuned modulus of elasticity - Google Patents
Luminescent diode with reflector, which has a tuned modulus of elasticityInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode mit einem Halbleiterchip, der auf einem mit einem Reflektor versehe nen Trägerteil befestigt und mit transparentem Kunststoff umhüllt ist.The invention relates to a luminescent diode with a Semiconductor chip that has a reflector on one NEN carrier part attached and with transparent plastic is enveloped.
Lumineszenzdioden sind Halbleiterdioden, die bei Stromfluß in Durchlaßrichtung Strahlung emittieren. Infrarotstrahlung emittierende Dioden (IRED) werden bekanntlich beispielswei se aus GaAs oder GaAlAs hergestellt und emittieren im nahen Infrarot zwischen 800 nm und 950 nm. Auch bei den (sichtbares) Licht emittierenden Dioden (LED) erfolgt die Strahlungser zeugung durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren. Als Halbleitersubstrat wird beispielsweise GaP, das für sicht bares Licht transparent ist, verwendet. Die aktiven Schich ten bestehen je nach Wellenlänge z. B. aus GaAsP, GaP oder GaAlAs. Die für die Strahlungserzeugung geeignete Schich tenfolge mit unterschiedlicher Dotierung zum Erzeugen des strahlungsaktiven pn-Übergangs wird auf das Halbleitersub strat vorzugsweise epitaktisch aufgebracht. Die Lumines zenzdioden werden dabei zweckmäßig im Scheibenverband her gestellt und nach Fertigstellung in Form von quaderförmigen Einzelchips aus dem Scheibenverband (Wafer) vereinzelt. Luminescent diodes are semiconductor diodes that flow when current flows emit radiation in the forward direction. infrared radiation emitting diodes (IRED) are known for example They are made of GaAs or GaAlAs and emit in the vicinity Infrared between 800 nm and 950 nm. Also with the (visible) Light emitting diodes (LED) are used to emit radiation generation by recombination of charge carrier pairs. As Semiconductor substrate is, for example, GaP, which is for sight bare light is used. The active layer ten exist depending on the wavelength z. B. from GaAsP, GaP or GaAlAs. The layer suitable for generating radiation sequence with different doping to generate the radiation-active pn junction is on the semiconductor sub strat preferably applied epitaxially. The Lumines zenzdioden are expediently in the disc assembly provided and after completion in the form of cuboid Individual chips from the wafer assembly (wafer) isolated.
Bei Chips mit für Strahlung der gewünschten Wellenlänge transparentem Substrat, wie GaAs, GaP, GaAlAs tritt Licht bzw. Infrarotstrahlung nicht nur nach oben in Richtung der Vorderseite des Chips aus, sondern auch die Seitenflächen tragen stark zur Lichtauskopplung bei.For chips with radiation of the desired wavelength transparent substrate, such as GaAs, GaP, GaAlAs, light enters or infrared radiation not only towards the top Front of the chip, but also the side surfaces contribute strongly to the decoupling of light.
In der JP 63-300578 A (Patents Abstracts) ist eine lichtemit tierende Diode beschrieben, bei der ein Halbleiterchip auf einem mit einem Reflektor versehenen Trägerteil befestigt und mit einem transparenten Kunststoff umhüllt ist. Der Reflektor besteht aus Kunststoff.In JP 63-300578 A (Patents Abstracts) a lichtemit is Describing diode described in which a semiconductor chip attached to a support part provided with a reflector and is covered with a transparent plastic. The reflector is made of plastic.
Auch in der JP 4-10670 A (Patents Abstracts) ist eine lich temittierende Diode beschrieben, bei der sich ein Halbleiter chip auf einem Trägerteil befindet und mit einem transparen ten Kunststoff umhüllt ist. Ein Kunstharz wird so um das Trägerteil gegossen, daß sich ein Reflektor ausbildet. JP 4-10670 A (Patents Abstracts) also contains one described emitting diode, in which a semiconductor Chip is located on a carrier part and with a transparent plastic is encased. A synthetic resin is so around that Cast part that a reflector forms.
Zur Konzentration der Strahlungsemission in Vorwärtsrich tung sind bekanntlich in ein Trägerteil für den Halb leiterchip, beispielsweise in den versilberten Stift eines Kupferleiterbandes, auf den der Chip z. B. mit einem leiten den Epoxydkleber aufgeklebt wird, Reflektorvertiefungen eingestanzt. Der obere Chipkontakt wird z. B. mittels eines Golddrahtes mit einem zweiten Kontaktstift verbunden. An schließend wird das System mit einem Epoxydharz umhüllt. Diese Kunststoffumhüllung hat mehrere Funktionen. Zum einen bildet sie einen Schutz für den Chip-Quader und den Kon taktdraht. Zum anderen wird durch die Kunststoffumhüllung die Lichtauskopplung aus dem Diodenquader erhöht. Außerdem kann die zweckmäßig gekrümmte Kunststoffoberfläche als op tische Linse wirken und beeinflußt somit die Abstrahlcha rakteristik der Diode.Concentration of radiation emission in forward direction tion are known to be in a support part for half conductor chip, for example in the silver-plated pen Copper conductor tape on which the chip z. B. with a lead the epoxy adhesive is glued on, reflector depressions stamped. The upper chip contact is z. B. by means of a Gold wire connected to a second contact pin. to the system is then covered with an epoxy resin. This plastic covering has several functions. On the one hand it forms a protection for the chip cuboid and the con Diplomatic wire. On the other hand, the plastic coating the decoupling of light from the diode block increases. Moreover can the appropriately curved plastic surface as an op table lens act and thus influences the radiation cha characteristic of the diode.
Allerdings können derartige Lumineszenzdioden nach dem Mon tieren (Die Attach), Kontaktieren (Wirebond) und Umhüllen (Casted Package) unerwünschte Änderungen in ihren optischen Eigenschaften zeigen. Meßbare Effekte sind dann u. a. Kenn linienverschiebungen, ungeeignete Abstrahlcharakteristiken und frühzeitige Degradation. Der Grund besteht u. a. in di lathermischen Fehlanpassungen zwischen Optohalbleiter (Chip), Trägerteil (Leadframe), elektrisch leitendem Kleb stoff (Die Glue) und Verguß- bzw. Umhüllmasse (Resin), die mechanische Kräfte auch auf den pn-Übergang der Lumineszenz dioden ausüben. Wesentliche Ursache ist der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des Umhüllmaterials (Resin) in Ver bindung mit einer hohen Aushärtetemperatur. Letzteres ist jedoch erforderlich, um eine ausreichende Wärmebeständig keit gegenüber der Wärmeentwicklung des belasteten Opto halbleiters zu erreichen. Ein weiteres Merkmal der Kunst stoffumhüllung (Resin) kann deren hohe Transmissionsfähig keit, vorzugsweise im Wellenlängenbereich der Lumineszenzdioden sein. Aus diesen Gründen liegt die Auswahl des Um hüllmaterials weitestgehend fest.However, such luminescent diodes after the Mon animals (Die Attach), contacting (Wirebond) and wrapping (Casted Package) unwanted changes in their optical Show properties. Measurable effects are then u. a. mark line displacements, unsuitable radiation characteristics and early degradation. The reason is a. in di lather thermal mismatch between opto semiconductors (Chip), carrier part (leadframe), electrically conductive adhesive substance (Die Glue) and encapsulant (Resin), the mechanical forces also on the pn junction of the luminescence exercise diodes. The main cause is the high thermal Expansion coefficient of the wrapping material (resin) in ver binding with a high curing temperature. The latter is however required to have adequate heat resistance against the heat development of the loaded opto to reach semiconductor. Another characteristic of art Cloth wrapping (Resin) can be highly transmissive speed, preferably in the wavelength range of the luminescent diodes his. For these reasons, the choice of the order lies as far as possible.
Das Material für den Träger des Chips muß neben der elektri schen Leitung eine möglichst große Wärmeabfuhr ermöglichen. Folglich kommen nur gut bis sehr gut thermisch leitende Me talle bzw. Metallverbindungen zur Anwendung.The material for the chip carrier must be next to the electri allow the greatest possible heat dissipation. As a result, only good to very good thermal conductivity come talle or metal compounds for use.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Lumi neszenzdiode der gattungsgemäßen Art die auf den Halb leiterchip einwirkenden mechanischen Spannungen zu redu zieren.The invention has for its object in a Lumi nescent diode of the generic type on the half conductor chip to reduce mechanical stresses adorn.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reflektor aus einem Material besteht, dessen Elastizitäts modul kleiner als der des Ma terials der transparenten Umhüllung ist.This object is achieved in that the Reflector is made of a material whose elasticity module smaller than that of Ma terials of the transparent wrapping.
Als Material für den Reflektor ist ein hochtemperaturfester Kunststoff besonders geeignet. Zur Erhöhung des Reflexions grades von thermoplastischen Kunststoffen im Strahlungsbe reich der Lumineszenzdioden ist eine Oberflächenmetallisie rung des Reflektors vorteilhaft. Bei der Verwendung von elektrisch leitenden Thermoplasten ist es zweckmäßig, einen galvanisch erzeugten metallischen Überzug des Reflek tors vorzunehmen. Im Falle der Verwendung von nichtleitfä higen Thermoplasten ist es zweckmäßig, den metallischen Überzug beispielsweise durch Tauchvernickeln auf den Re flektor aufzubringen.The material for the reflector is high temperature resistant Plastic particularly suitable. To increase the reflection degrees of thermoplastic in radiation A rich surface of the luminescent diodes is a metallic surface tion of the reflector advantageous. When using electrically conductive thermoplastics, it is advisable a galvanically generated metallic coating of the reflect tors. In the case of using non-conductive thermoplastic it is appropriate to the metallic Plating, for example, by dip nickel plating on the Re to apply the reflector.
Als Trägerteil wird vorzugsweise ein Leiterband bzw. ein sogenannter Leadframe verwendet. Der Reflektor wird vorteilhaft durch Anspritzen an dem Trägerteil befestigt.A conductor strip or a is preferably used as the carrier part so-called lead frame used. The reflector becomes advantageous attached to the carrier part by injection molding.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson dere darin, daß durch die Substitution des Reflektormaterials mit einem Werkstoff, dessen Steifigkeit erheblich geringer ist als bei dem herkömmlicher Reflektoren, wesentlich günstige re mechanische Kräfteverhältnisse im Chip erzielt werden. Der vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Reflektor über nimmt dabei zusätzlich die Funktion eines Puffers. Die Kon struktion des Reflektors ist dabei so ausgelegt, daß eine wirksame Entlastung des Chips in radialer und axialer Rich tung ermöglicht wird.The advantages achieved with the invention are in particular the fact that with the substitution of the reflector material with a material whose rigidity is considerably lower than the conventional reflectors, much cheaper re mechanical force relationships can be achieved in the chip. The reflector is preferably made of plastic also takes on the function of a buffer. The con structure of the reflector is designed so that a effective relief of the chip in radial and axial direction tion is made possible.
Aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur der transparen ten Kunststoffumhüllung des Chips ist es vorteilhaft, mög lichst hochtemperaturbeständige Thermoplaste zu verwenden. Solche Thermoplaste sind beispielsweise Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSU), Polyetheretherketon (PEEK), Poly phenylensulfid (PPS), Polyamid (PA) oder Liquid Cristal Polymer (LCP). Ein aus solchem Material bestehender Reflek tor läßt sich vorteilhaft durch Anspritzen an das Träger teil herstellen.Due to the high processing temperature of the transparent plastic coating of the chip, it is advantageous, poss to use high temperature resistant thermoplastics. Such thermoplastics are, for example, polyether sulfone (PES), polysulfone (PSU), polyether ether ketone (PEEK), poly phenylene sulfide (PPS), polyamide (PA) or Liquid Cristal Polymer (LCP). A reflect made of such material gate can be advantageous by spraying on the carrier manufacture part.
Als Trägerteil wird vorzugsweise ein sogenannter Leadframe verwendet, der aufgrund der anderen Beschaffenheit des Re flektormaterials nunmehr als einfaches Stanz- und Biegeteil ausgebildet sein kann. Von weiterem Vorteil ist auch eine Materialeinsparung beim Leadframe, da für den Reflektor statt des Leadframematerials vorzugsweise ein Kunststoff material verwendet wird.A so-called lead frame is preferably used as the carrier part used because of the different nature of the Re flektormaterials now as a simple stamped and bent part can be trained. Another advantage is also one Material savings in the leadframe, as for the reflector a plastic instead of the leadframe material material is used.
Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispielen wird die Erfindung weiter erläutert. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigenUsing the Aus shown in the figures of the drawing The invention is further explained in exemplary embodiments. In the figures are corresponding parts with the same Provide reference numerals. Show it
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lumineszenzdiode schematisch im Schnitt und Fig. 1 shows a luminescent diode according to the invention schematically in section and
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lumineszenzdiode schematisch im Schnitt. Fig. 2 shows a further embodiment of a luminescent diode according to the invention schematically in section.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lumineszenzdiode besteht aus einem quaderförmigen Halbleiterchip 1 als Licht- bzw. Strahlungsquelle. Der Chip 1 ist beispielsweise eine flä chenemittierende LED. Dieser Chip 1 ist auf einem Träger teil 3 befestigt, das mit einem Reflektor 2 versehen ist und gleichzeitig als elektrische Zuleitung dient. Die Be festigung des Chips 1 auf dem Trägerteil 3, vorzugsweise einem sogenannten Leadframe erfolgt zweckmäßig mit einem Leitkleber 5. Den zweiten elektrischen Anschluß der Lumi neszenzdiode bildet eine auf der Oberfläche des Chips 1 vorgesehene Kontaktierung 7, die über einen Bonddraht 6 mit einem Kontakt 8 auf einer zweiten Leiterbahn des Lead frames bzw. Trägerteils 3 verbunden ist. Halbleiterchip 1, Bonddraht 6 und der mit dem Reflektor 2 versehene Teil des Trägerteils 3 sind in eine Umhüllung 4 aus einem transpa renten Kunststoff eingebettet. Die in den Ausführungsbei spielen zylinderförmig dargestellte Umhüllung 4 kann je nach Verwendung verschiedene Formen haben. Beispielsweise kann das plane Oberteil der Umhüllung 4 eine konvexe Form haben und als optische Linse für die im Halbleiterchip 1 erzeugte Strahlung dienen. Der Reflektor 2 besteht aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul kleiner als der des Materials des Trägerteils 3 und auch klei ner als der des Materials der transparenten Umhüllung 4 ist. Als Material für den Reflektor 2 wird vorzugsweise ein hochtemperaturfester Kunststoff verwendet. Der Reflek tor 2 ist vorzugsweise durch Anspritzen am Trägerteil 3 befestigt. Zur Erhöhung des Reflexionsgrades kann der Reflektor 2 noch mit einer Oberflächenmetallisierung 9 (Fig. 2) versehen sein. Die Formgebung des Reflektors 2, der in diesen Beispielen halbkugelförmig dargestellt ist, ist variabel in Abhängigkeit von der gewünschten Abstrahl charakteristik. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Reflektor 2 an der Strahlungsquelle bzw. dem Chip 1 ange ordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bildet der Re flektor 2 ein kompakteres Teil, das die zweite Zuleitung bzw. zweite Leiterbahn des als Trägerteil 3 für den Chip 1 verwendeten Leadframes mit einschließt und so der Gesamt anordnung noch mehr Stabilität verleiht. In diesem Fall besteht der Reflektor 2 aus einem elektrisch nicht leiten den Material.The luminescent diode shown in FIGS. 1 and 2 consists of a cuboid semiconductor chip 1 as a light or radiation source. The chip 1 is, for example, a surface-emitting LED. This chip 1 is attached to a carrier part 3 , which is provided with a reflector 2 and at the same time serves as an electrical lead. Be the attachment of the chip 1 on the carrier part 3 , preferably a so-called lead frame is advantageously carried out with a conductive adhesive 5th The second electrical connection of the luminescence diode forms a contact 7 provided on the surface of the chip 1 , which is connected via a bonding wire 6 to a contact 8 on a second conductor track of the lead frame or carrier part 3 . Semiconductor chip 1 , bonding wire 6 and the part of the carrier part 3 provided with the reflector 2 are embedded in a casing 4 made of a transparent plastic. The cylinder 4 shown in the Ausführungsbei play cylindrical can have different shapes depending on the use. For example, the flat upper part of the casing 4 can have a convex shape and serve as an optical lens for the radiation generated in the semiconductor chip 1 . The reflector 2 consists of a material whose modulus of elasticity is smaller than that of the material of the carrier part 3 and also smaller than that of the material of the transparent covering 4 . A high-temperature-resistant plastic is preferably used as the material for the reflector 2 . The reflector gate 2 is preferably attached to the carrier part 3 by injection molding. To increase the degree of reflection, the reflector 2 can also be provided with a surface metallization 9 ( FIG. 2). The shape of the reflector 2 , which is shown hemispherical in these examples, is variable depending on the desired radiation characteristic. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the reflector 2 is arranged on the radiation source or the chip 1 . In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the reflector 2 forms a more compact part, which includes the second feed line or second conductor track of the lead frame used as the carrier part 3 for the chip 1 and thus gives the overall arrangement even more stability. In this case, the reflector 2 consists of an electrically non-conductive material.
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