DE4441905A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Verhaltens von Licht-emittierenden Dioden - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Verhaltens von Licht-emittierenden Dioden

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen. Insbe­ sondere bezieht sich dieselbe auf die Herstellung von Licht-emittierenden Dioden ("LEDs").
LEDs sind bekannt. Während ihrer Herstellung sind sie typi­ scherweise in Epoxidharze, Polyester oder ähnliche aushär­ tende Materialien eingekapselt, um dieselben gegen die Um­ gebung abzuschirmen. Diese Einkapselung wurde sowohl bei einzelnen LEDs als auch bei Gruppen von LEDs, die zusammen hergestellt werden, um Anzeigen, Leuchtkörper und andere Bauelemente zu bilden, durchgeführt.
Während der Herstellung von Halbleitern, einschließlich LEDs, ist es üblich, einen Überzug auf dem Chip anzubringen, bevor dieser eingekapselt wird. Der Grund dieses Überzugs liegt darin, als eine Sperrschicht zu dienen, um zu verhin­ dern, daß Feuchtigkeit und andere Materialien den Chip be­ rühren und ihn beschädigen. Diese Überzüge variieren von einem weichen Gel zu einer harten Schale mit einer Einfrier­ temperatur ("Tg") von 180½C oder mehr.
Im Betrieb plazieren Temperaturänderungen, denen die LED ausgesetzt ist, Belastungen auf dem Halbleiterchip, der die Licht-emittierende Komponente der LED aufweist. Diese Be­ lastungen werden durch unterschiedliche Expansionsraten der verschiedenen Materialien, die die LED aufweist, verursacht, wenn dieselben umgebungsbedingten Extremen ausgesetzt wer­ den. Es ist bekannt, daß diese Belastungen den Chip beschä­ digen und die Lichtausgabe der LED unter bestimmten Umstän­ den stark reduzieren, insbesondere wenn die LED Temperatur­ extremen ausgesetzt ist.
Obwohl große Anstrengungen beim Versuchen, die Wirkungen dieser Belastungen auf dem Chip zu beseitigen oder ihnen entgegenzuwirken, unternommen wurden, wurde noch keine voll­ ständig zufriedenstellende Lösung entdeckt. Mit den bis zum heutigen Datum verwendeten Überzügen konnten diese Probleme nicht beseitigt werden. Bei gelierten Überzügen trat an der Grenzfläche zu dem Aushärtungsmaterial häufig eine Trennung statt, die eine Lichtfalle bewirkte, welche die Lichtausgabe reduzierte. Weitere Ausfallarten, die Verbindungsdraht-Brü­ che einschließen, wurden durch diese Überzüge verursacht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zum Reduzieren der Belastungen zu schaffen, denen ein Chip während der Herstellung durch Aushärtungsma­ terialien ausgesetzt ist.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und 4, sowie eine Licht-emittierende Diode gemäß Patentan­ spruch 8 und ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verringern der Bela­ stungen, die durch das aushärtende Einkapselungsmaterial auf dem Chip plaziert werden, indem ein flüssiger Überzug aufge­ tragen wird, bevor das aushärtende Einkapselungsmaterial aufgetragen wird. Dieser flüssige Überzug härtet während des Aushärtungszyklus des Einkapselungsmaterials nicht aus und bleibt während der Lebensdauer der LED flüssig. Er mischt sich ferner nicht mit dem Einkapselungsmaterial. Der Überzug beseitigt die Belastungen, die durch die kombinierten Effek­ te der differentiellen Expansionsraten des Chips und des Einkapselungsmaterials und die starke Haftfestigkeit des Einkapselungsmaterials, wenn dieses den Chip berührt, auf dem Chip plaziert werden. Der Einbau des flüssigen Überzugs in den Herstellungsprozeß der LEDs erhöhte die Betriebsle­ bensdauer der LED bei extremen Temperaturen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer bekannten LED;
Fig. 2 einen Querschnitt einer LED, deren Aufbau die Lehren der vorliegenden Erfindung einschließt;
Fig. 3 einen Graph, der die Wirkungen einer geringen Tempe­ ratur auf die Betriebslebensdauer von bekannten LEDs und von LEDs, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, zeigt; und
Fig. 4 einen Graph, der die Ergebnisse eines thermischen Schocktests, der auf bekannte LEDs und LEDs, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, angewendet wurde.
Eine LED, die unter Verwendung bekannter Techniken aufgebaut ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine LED 10 besteht aus einem Chip 11, der das tatsächliche Licht-emittierende Halbleiter­ material aufweist, einem ersten Anschlußleitungsrahmen 13, einem zweiten Anschlußleitungsrahmen 15 und einem Gehäuse 19, das aus einem Expoxidharz, aus Polyester oder einem ähn­ lichen aushärtenden durchsichtigen oder gefärbten Einkapse­ lungsmaterial besteht.
Im Betrieb fallen LEDs, wie z. B. die, die in Fig. 1 gezeigt ist, bei extremen Temperaturen häufig aus oder zeigen eine extrem schwache Lichtausgabe. Bis vor kurzem war die genaue Ursache für diese Ausfälle unbekannt.
In Folge der von den Erfindern hierin durchgeführten Unter­ suchungen wurde entdeckt, daß die Belastung, die dem Chip aufgebürdet wird, direkt mit der Haftung des Einkapselungs­ materials an dem Chip und/oder den Anschlußleitungsrahmen in Beziehung steht. Es wurde gemessen und herausgefunden, daß die Haftfestigkeit des Einkapselungsmaterials an dem Chip höher ist als die Haftfestigkeit des Einkapselungsmaterials an allen anderen Baumaterialien der LED, mit der Ausnahme des Chipbefestigungs-Epoxidharzes. Tatsächlich übertrifft die Haftfestigkeit des Einkapselungsmaterials die Festigkeit des Chips. Wenn das Epoxidharz-Einkapselungsmaterial beim Abkühlen stärker schrumpft als die Metallanschlußleitungs­ rahmen oder der Chip, zerstört die Belastung, die dem Chip durch diese differentielle Schrumpfrate in Verbindung mit der großen Haftfestigkeit des Einkapselungsmaterials aufer­ legt wird, häufig die LED.
Aus dieser Entdeckung wurde offensichtlich, daß die Besei­ tigung der Belastung, die dem Chip durch das Einkapselungs­ material aufgebürdet wird, die Lebensdauer der LED drama­ tisch erhöhen würde. Zu diesem Zweck entwickelten die Er­ finder einen flüssigen Überzug, der während der Herstellung auf den Chip und die Anschlußleitungsrahmen aufgebracht wird und während des Aushärtungszyklus des Aushärtungs-Einkapse­ lungsmaterials im flüssigen Zustand dort verbleibt. Dieser flüssige Überzug ist in dem aushärtenden Einkapselungsma­ terial im wesentlichen unvermischbar.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Überzug 21 auf den Chip 23 und die Anschlußleitungsrahmen 13 und 15 aufgebracht. Die verwendete Überzugsmenge kann größer sein als ein bloßes Benetzen der Oberflächen des Chips und der Anschlußleitungs­ rahmen 13 und 15. Es wurde während der Tests verschiedener LEDs, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ge­ bildet wurden, herausgefunden, daß das Zulassen einer Über­ zugsmenge 21, die gleich der in Fig. 2 gezeigten ist, eine optimale Verbesserung der Betriebslebensdauer der LEDs er­ möglicht.
Im Unterschied zu den Überzügen, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, ist der vorliegende Überzug spezifisch dazu bestimmt, eine Haftung des Epoxidharz-Einkapselungs­ materials an dem Chip und den Anschlußleitungsrahmen zu re­ duzieren, wobei dies erreicht wird, indem er während der ge­ samten Betriebslebensdauer der LED flüssig bleibt und sich nicht mit dem aushärtenden Epoxidharz-Einkapselungsmaterial mischt. Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung des flüssigen Überzugs war die Sicherstellung, daß der Bre­ chungsindex desselben hinsichtlich des Durchlassens von Licht von dem Chip zu dem Einkapselungsmaterial optimiert war.
Mehrere andere Eigenschaften sind ebenfalls von dem flüssi­ gen Überzug gefordert. In Anbetracht seines Kontakts mit einer elektrisch leitfähigen Struktur darf der flüssige Überzug keine Elektrizität leiten. Daher können keine ioni­ schen Materialien oder Materialien mit metallischen Parti­ keln verwendet werden. Unter den vielen Materialien, die mit den notwendigen Eigenschaften erhältlich sind, haben sich mehrere Typen von kommerziell erhältlichen polymerischen Silikonverbindungen als annehmbar erwiesen. Es wurde heraus­ gefunden, daß Polyalkylmethylsiloxan und Dimethylpolysiloxan (insbesondere SF 1147 von GE Silicones) am besten arbeiten.
Die Anwendung des flüssigen Überzugs auf die LED addiert sich nur schwach auf den Aufwand und die Zeit, die zum Her­ stellen der LED benötigt wird. Nachdem die elektrischen An­ schlußleitungen an dem Chip befestigt sind, was der Fall ist, nachdem der Chip in seinem Leitungsrahmen plaziert wur­ de, wird eine Maske über den LEDs plaziert, die hergestellt werden, worauf der flüssige Überzug aufgesprüht wird. Ein ziemlich dicker Überzug wird aufgebracht, da herausgefunden wurde, daß dieser den optimalen thermischen Schockwiderstand für die LED liefert.
Bei einem ersten Test war ein Chip, der auf tiefe Tempera­ turen sehr empfindlich ist und aus quadratischem gelbem GaAsP mit 10 Milli-Inch (0,254 Millimeter) Seitenlänge auf einem GaP-LED-Chip besteht, unter Verwendung üblicher Auf­ bautechniken in einen 5 mm-Leuchtkörper eingekapselt. Eine Probengröße von 28 Leuchtkörpern wurde verwendet und diese wurden die Kontrollgruppe. Zur gleichen Zeit wurde ein wei­ terer Satz von 28 Leuchtkörpern aufgebaut, außer dieser Gruppe, der Testgruppe, wobei deren Chip und Anschlußlei­ tungsrahmen mit einem Flüssigkeitsbezug, der hierin be­ schrieben ist, überzogen wurde, bevor dieselben eingekapselt wurden. Beide Gruppen von LEDs wurden einem Tieftemperatur- Betriebslebensdauer-Test ("LTOL"-Test; LTOL = Low Tempera­ ture Operating Life) unterzogen, wobei die LEDs während die­ ses Tests einen Treiberstrom von 20 Milliampere empfingen, während sie bei -40°C gehalten wurden. Die anfängliche Lichtausgabe der LEDs wurde gemessen und in Intervallen bis zu einer verstrichenen Gesamtzeit von 1000 Stunden neu ge­ messen.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, verschlechterte der Test die Lichtausgabe der LEDs, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurden, nicht wesentlich, selbst während der ge­ samten 1000 Stunden des Tests, während die LEDs, die im Testlos enthalten waren, in sechs Stunden etwa 90% ihrer Lichtausgabe verloren.
Bei nachfolgenden zusätzlichen Tests, die weitere LTOL- Tests, Naßtemperatur-Betriebslebensdauer (85½C, 85% relative Feuchtigkeit und 10 Milliampere Treiberstrom), Temperatur­ zyklus (-55½C-100½C) und thermischen Schock (-40½C auf 110½C, flüssig zu flüssig) einschlossen, konnte keine nach­ teilige Wirkung in den Gruppen von LEDs, die gemäß den Leh­ ren der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurden, erfaßt wer­ den. Die Ergebnisse des thermischen Schocktests sind in Fig. 4 gezeigt. Nach 800 Zyklen fielen näherungsweise 55% der Kontroll-LEDs aus. Selbst nach 1500 Zyklen fielen nur 5% der LEDs, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung herge­ stellt wurden, aus.
Die vorliegende Erfindung wurde nun bezugnehmend auf ein spezielles Ausführungsbeispiel erklärt. Für Fachleute sollte es offensichtlich sein, daß zahlreiche Änderungen und Modi­ fikationen mit demselben durchgeführt werden können, ohne von dem Bereich oder dem Geist der Erfindung abzuweichen. Z.B. könnten unterschiedliche Typen von flüssigen Überzügen verwendet werden, wobei die Überzüge für die spezielle Um­ gebung optimiert sind, in der das Halbleiterbauelement er­ wartungsgemäß arbeitet. Eine Änderung der Menge des flüssi­ gen Überzugs, der aufgebracht wird, kann ebenfalls benötigt sein, um optimale Ergebnisse in verschiedenen Umgebungen und mit unterschiedlichen Überzugsmaterialien zu erhalten.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbessern des Verhaltens einer Licht­ emittierenden Diode, wobei die Licht-emittierende Diode zumindest einen Licht-emittierenden Chip (23), einen ersten und einen zweiten Anschlußleitungsrahmen (13, 15) und eine Einkapselungsschicht (19) aufweist, wobei das Verfahren den Schritt des Plazierens eines flüssigen Überzugs (21) über den Chip (23) aufweist, nachdem der Chip plaziert wurde und mit dem ersten und dem zweiten Anschlußleitungsrahmen (13, 15) gekoppelt wurde, wobei der Schritt des Plazierens des flüssigen Überzugs (21) über den Chip (23) und den Anschlußleitungsrahmen (13, 15) vor dem Schritt des Plazierens der Einkapselungs­ schicht (19) über den Chip stattfindet.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der flüssige Überzug (21) ein nicht-leitfähiges Material aufweist, das in der Einkapselungsschicht (19) im wesentlichen unvermischbar ist und das während der Lebensdauer der Licht-emittie­ renden Diode flüssig bleibt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der flüssige Überzug (21) einen Stoff der Gruppe von Polyalkylmethylsiloxan, Dimethylpolysiloxan und Polyarylalkylsiloxan aufweist.
4. Verfahren zum Verbessern des Zuverlässigkeitsverhaltens eines Halbleiterbauelements, wobei das Halbleiterbau­ element mindestens ein aktives Halbleiterelement (23) aufweist, wobei das aktive Halbleiterelement (23) mit zumindest einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (13, 15) gekoppelt ist, wobei das aktive Halb­ leiterelement (23) und der erste und der zweite elektri­ sche Kontakt (13, 15) in einem Gehäuse befestigt sind, das ein aushärtendes Material (19) einschließt, wobei das Verfahren den Schritt des Überziehens des aktiven Halbleiterelements (23) und des ersten und des zweiten elektrischen Kontakts (13, 15) mit einem flüssigen Über­ zug (21) einschließt, nachdem die elektrischen Kontakte (13, 15) mit dem aktiven Halbleiterelement (23) gekop­ pelt wurden und bevor das aktive Halbleiterelement (23) und die elektrischen Kontakte (13, 15) in dem aushär­ tenden Material (19) eingekapselt wurden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der flüssige Überzug (21) im wesentlichen in dem aushärtenden Material (19) unvermischbar ist und bei dem der flüssige Überzug (21) für die gesamte Betriebslebensdauer des Halbleiterbau­ elements flüssig bleibt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der flüssige Überzug (21) ein Polyarylalkylsiloxan-Material aufweist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der flüssige Überzug einen Brechungsindex aufweist, der im wesentlichen der gleiche wie der des aushärtenden Materials ist.
8. Licht-emittierende Diode mit folgenden Merkmalen:
einem Licht-emittierenden Chip (23) mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche;
einem ersten Anschlußleitungsrahmen (13), der mit der unteren Oberfläche des Licht-emittierenden Chips (23) gekoppelt ist;
einem zweiten Anschlußleitungsrahmen (15), der mit der oberen Oberfläche des Licht-emittierenden Chips (23) ge­ koppelt ist;
einem flüssigen Überzug (21), der über dem Chip (23) und dem ersten und dem zweiten Anschlußleitungsrahmen (13, 15) plaziert ist; und
einer Einkapselungsschicht (19), die über dem flüssigen Überzug (21) plaziert ist, wobei kein Mixen zwischen denselben stattfindet, wobei die Einkapselungsschicht (19) ausgehärtet ist, um eine harte äußere Oberfläche für die Licht-emittierende Diode zu bilden, und wobei der flüssige Überzug (21) während des Aushärtens der Einkapselungsschicht (19) und für die nachfolgende Le­ bensdauer der Licht-emittierenden Diode flüssig bleibt.
9. Licht-emittierende Diode gemäß Anspruch 8, bei der der flüssige Überzug (21) einen Stoff aus der Gruppe von Polyalkylmethylsiloxan, Polydimethylsiloxan und Poly­ arylalkylsiloxan aufweist.
10. Halbleiterbauelement mit zumindest einem ersten aktiven Halbleiterelement (23), zumindest einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (13, 15), die mit dem akti­ ven Halbleiterelement (21) gekoppelt sind, einem flüssi­ gen Überzug (21), der über dem Halbleiterelement (21) und dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt (13, 15) plaziert ist, und einem aushärtenden Einkapselungs­ material (19), das über dem Halbleiterelement (23) und den elektrischen Kontakten (13, 15) plaziert ist, wobei der flüssige Überzug (21) flüssig bleibt, nachdem das aushärtende Einkapselungsmaterial (19) getrocknet wurde, wobei der Überzug (21) in dem aushärtenden Einkapse­ lungsmaterial (19) nicht mischbar ist und das Halblei­ terelement (23) vor einer Belastung schützt, die durch Temperatur-Extreme und -Änderungen bewirkt wird.
11. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 10, bei dem der flüssige Überzug (21) ein Polyarylalkylsiloxan-Material aufweist.
DE4441905A 1994-01-24 1994-11-24 Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Verhaltens von Licht-emittierenden Dioden Withdrawn DE4441905A1 (de)

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