EP2652806A1 - Verfahren zum erzeugen einer lumineszenzkonversionsstoffschicht, zusammensetzung hierfür und bauelement umfassend eine solche lumineszenzkonversionsstoffschicht - Google Patents

Verfahren zum erzeugen einer lumineszenzkonversionsstoffschicht, zusammensetzung hierfür und bauelement umfassend eine solche lumineszenzkonversionsstoffschicht

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EP2652806A1
EP2652806A1 EP11794749.9A EP11794749A EP2652806A1 EP 2652806 A1 EP2652806 A1 EP 2652806A1 EP 11794749 A EP11794749 A EP 11794749A EP 2652806 A1 EP2652806 A1 EP 2652806A1
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EP
European Patent Office
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composition
layer
luminescence conversion
substrate
solvent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11794749.9A
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Inventor
Kirstin Petersen
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
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    • H01L33/508—Wavelength conversion elements having a non-uniform spatial arrangement or non-uniform concentration, e.g. patterned wavelength conversion layer, wavelength conversion layer with a concentration gradient of the wavelength conversion material
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    • H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages
    • H01L2933/0041—Processes relating to semiconductor body packages relating to wavelength conversion elements

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a
  • Luminescent conversion material layer a composition used in the process, and a device
  • Lumineszenzkonversionsscher used to the radiation emitted by a radiation source partially in a
  • a radiation-emitting component are usually a uniform color impression of the emitted
  • An object to be solved is to specify a method for producing a luminescence conversion material layer having improved properties.
  • Lumineszenzkonversionsstoff a matrix material and a matrix material
  • Solvent comprises;
  • Substrate is formed.
  • the method steps (a) and (b) can be carried out in any order or simultaneously.
  • the method steps (c) and (d) can be carried out in any order or simultaneously.
  • Emissive semiconductor element is hereinafter also referred to as the "semiconductor element”.
  • the removal of the solvent in process step (d) and / or the addition of the composition in process step (c) can also be carried out in such a way that the luminescence conversion substance at least partially sediment during that time.
  • the luminescence conversion substance can sediment in the presence of the solvent and of the matrix material, even if more matrix material is already present as solvent.
  • compositions without solvents facilitates.
  • heating of the composition to a temperature above ambient, such as above 25 ° C. may be dispensed with for application, thereby simplifying the process.
  • the uniformity can be judged by cuts are through the layer and the substrate or parts of the substrate, for example in cross-section, made and then with a microscope or a scanning electron microscope (SEM) analy ⁇ Siert. Thereby, for example, the degree and the gradient of the Lumineszenzkonversionsstoffabsenkung, the density of the phosphor layer and density gradients can be determined.
  • ⁇ luminescence conversion material layer can, in particular on the substrate or on the layer on which it is directly produced having a good adhesion, so that no adhesive or an adhesive layer are needed.
  • a step for applying the adhesive and of course the adhesive can be saved in itself.
  • emissive device with such a Lumineszenzkonversionsstoff ⁇ layer improves because unlike a conventional device, a transparent adhesive layer can not act unintentionally as a light guide through which
  • Unconverted primary radiation could be decoupled.
  • the semiconductor element emits a primary radiation having a first wavelength, wherein the first
  • Wavelength indicates the spectrum of the primary radiation.
  • the luminescence conversion substance at least partially converts the primary radiation into a secondary radiation having a second, longer wavelength.
  • the second wavelength indicates the spectrum of the secondary radiation.
  • semiconductor materials can be used which emit a primary radiation in the visible region of the spectrum (420 to 780 nm wavelength) or in the UV region (200 to 420 nm wavelength).
  • Lumineszenzkonversionsstoffs are not limited according to the invention. Examples of such Lumineszenzkonver ⁇ sion materials and Lumineszenzkonversionsstoffmischache are:
  • Chlorosilicates as disclosed, for example, in DE 10036940 and the prior art described therein,
  • the luminescence conversion substance can also be a combination of different luminescence conversion substances.
  • the luminescence conversion substance can be present in particles which are, for example, spherical, platelet-shaped, polyhedral, amorphous, any other defined shape and / or
  • Combinations of these forms may have. These particles consist at least in part from the luminescence ⁇ material.
  • the disclosure of the references is hereby incorporated by reference.
  • the luminescence conversion substance layer can form uniformly on the substrate and in the beam path of the primary radiation. As a result, overall the uniformity of the radiation and the color impression of the emitted radiation of a component can be improved.
  • radiation is understood to mean the superimposition of all the radiation emitted during operation, that is, for example, the superposition of primary radiation and secondary radiation.
  • the emitted radiation can have any color impression in the CIE diagram, for example a white color impression.
  • the method steps (c) and (d) can be carried out several times in succession. It is also possible to carry out the method steps (b), (c) and (d) several times in succession, whereby different compositions, for example with
  • Lumineszenzkonversionsstoffen can be used. This makes it possible to set the color impression of the emitted radiation very fine.
  • the composition is introduced into a recess of the
  • the semiconductor element may be insbeson ⁇ particular arranged in the recess and / or forming a bottom of the formation.
  • the composition applied in process step (c) has a meniscus.
  • Such meniscus can be formed for example with the side walls of a recess by changing ⁇ effects, such as adhesion effects of the composition. Therefore, the formed Lumineszenzkonversionsstoff für can also have a slightly concave edge. This can be done, for example, by grinding through the substrate with the
  • Evaluation can be detected by means of a microscope.
  • Such a meniscus can sometimes be weak if the luminescence conversion layer has a very high density.
  • Embodiments are also conceivable in which no meniscus can be detected, for example if the luminescence conversion layer has only a small amount of matrix material.
  • process step (c) the composition is applied directly to the
  • the region or a second device may be arranged or applied, that the first layer, the first region or the first device directly in direct mechanical and / or electrical contact on the second layer, the second region or the second device or to the two other layers, areas or devices
  • an indirect contact may be designated, in which further
  • the Lumineszenzkonversionsstoff für can thus also form directly on the semiconductor element.
  • the luminescence conversion material layer in particular has good adhesion to the surface of the semiconductor element, so that the use of adhesives can be dispensed with.
  • the Lumineszenzkonversionsstoff für can be
  • the luminescence ⁇ conversion-material layer may cover the exposed surfaces of the semiconductor element evenly, whereby the advantages already described are obtained.
  • the luminescence conversion layer is formed directly on the semiconductor element, the through
  • Radiation conversion generated heat can be emitted and discharged better over the semiconductor element, as is the case in a conventional arrangement with an adhesive layer between the semiconductor element and Lumineszenzkonversionsscherlement.
  • the conversion efficiency of the Lumineszenzkonversionsstoffs can be improved, since this usually has a higher efficiency at low temperatures than at higher temperatures.
  • the semiconductor element can be operated, for example, at higher currents.
  • the semiconductor element has a reflective material on its lateral surfaces in the substrate provided in method step (a). Thereby, a main surface of the semiconductor element can only be exposed, so that in the process step ⁇ (d) formed LumineszenzkonversionsstoffSchicht is generated only on this major surface.
  • the reflective materials for example, TiO 2, ZrO 2, Al 2 O 3, glass, SiO 2 particles, and combinations of these materials may be used. These materials may be arranged either directly or, for example, in a matrix of a glass or a polymeric material.
  • the semiconductor element may as already ⁇ leads be located in a recess of the substrate and a plane surface are produced with the reflective material, which includes the main surface of the semiconductor element.
  • the luminescence conversion material layer can be formed with improved uniformity.
  • the substrate provided in method step (a) has a recess whose lateral boundaries form structures which comprise or consist of a photoresist.
  • the composition can be applied in this recess in method step (c).
  • the lateral limits can be so formed that the bottom of the recess is at least partially formed by the semiconductor element or a major surface of the semi-conductor element ⁇ . In this way, in particular a uniform formation of the luminescence conversion layer is made possible directly on the semiconductor element.
  • the structures which comprise a photoresist are removed in a further method step (e). This can be done by
  • Irradiation for example, with UV radiation, done so that the photoresist following, for example, with a Solvent, can be easily removed.
  • the regions in which the photoresist has been removed have little or no residue of the composition or of the luminescence conversion substance layer, so that the semiconductor element can be divided well in these regions.
  • chips can thus be produced from the semiconductor element that have a main surface
  • a plurality of such semiconductor chips which emit radiation with a desired, for example white, color impression during operation can thus be produced in parallel.
  • these semiconductor chips can be used in components, so that a further step for applying luminescence conversion materials can be dispensed with, whereby the production of the components is simplified and the production costs are reduced.
  • step (d) of the semiconductor element and the luminescence conversion material layer ⁇ obtained will form in step (d) of the semiconductor element and the luminescence conversion material layer ⁇ obtained.
  • white chip printed semiconductor chips may also be formed in parallel as previously described.
  • composition in method step (c) during application has a
  • the composition When applied in process step (c), the composition may have a viscosity of ⁇ 100 mPa * s and in particular of ⁇ 50 mPa * s, for example ⁇ 20 mPa * s.
  • the viscosity gives the dynamic here Viscosity of the composition and is with a
  • the surfaces on which the composition is applied are uniformly wetted. In particular, it compensates for (minor) bumps.
  • the low viscosity also manifests itself in a low surface tension of the composition. Another advantage is that a sedimentation of the luminescence conversion substance or the
  • composition provided in method step (b) is designed such that it has a needle-shaped outlet with a needle-shaped outlet
  • Opening diameter of ⁇ 1 mm, in particular 0.1 to 0.5 mm, can be applied.
  • a lowering of the viscosity can also be achieved in addition to the choice of the components of the composition by the during or before process step (c)
  • composition is heated. Additionally or alternatively, the composition may be stirred, shaken, and / or pressed through a needle, thereby shearing the composition. Due to the shear, the viscosity decreases. According to another embodiment, in method step (d) a luminescence conversion layer is formed
  • the trained LumineszenzkonversionsstoffSchicht generally has a smaller layer thickness than is the case with herkömm ⁇ union Lumineszenzkonversionsscherlementen, have di typically layer thicknesses of> 80 ⁇ .
  • the application according Lumineszenzkonversions material layer also smaller components or
  • the Lumineszenzkonversionsstoff- layer can adhere well to the substrate or on the semiconductor element even with a high content of Lumineszenzkonversionsstoff.
  • the content of luminescence conversion can be> 75% by weight and in particular ⁇ sondere> 85% by weight, for example 90% by weight.
  • the figure refers to the total mass of the luminescence ⁇ conversion-material layer.
  • the Lumineszenzkonversionsstoff- layer can adhere well to the substrate or on the semiconductor element even with a high content of Lumineszenzkonversionsstoff.
  • the content of luminescence conversion can be> 75% by weight and in particular ⁇ sondere> 85% by weight, for example 90% by weight.
  • the figure refers to the total mass of the luminescence ⁇ conversion-material layer.
  • the Lumineszenzkonversionsstoff- layer can adhere well to the substrate or on the semiconductor element even with a high content of Lumineszenzkonversionsstoff.
  • Advantages of such a high luminescence conversion substance concentration are, for example, a good heat conductivity. ness.
  • the radiated heat of the semiconductor ⁇ elements and in particular the heat generated by conversion can be better dissipated from the LumineszenzkonversionsstoffSchicht.
  • An improved heat dissipation also leads to a higher conversion efficiency.
  • the luminescence conversion material layer can therefore be formed such that it has a denser packing of luminescence conversion substance than in the prior art.
  • the luminescence conversion substance can at least partially form a densest packing in the matrix material.
  • the luminescence conversion layer formed in process step (d) has a content of matrix material of ⁇ 50% by weight.
  • the content of matrix material may be ⁇ 25% by weight and in particular ⁇ 15% by weight, for example 10% by weight.
  • the luminescence conversion layer can therefore be largely or completely
  • Lumineszenzkonversionsstoff and matrix material may be formed.
  • the composition is applied in such a way that the luminescence conversion substance is sedimented within 60 minutes and in particular within 30 minutes, for example within 15 minutes, before and / or during process step (d). Usually done within this Period of time a partial or complete sedimentation of Lumineszenzkonversions fürs. Thereafter and / or during this time, the solvent may be at least partially removed.
  • the solvent is heated at elevated temperature in process step (d)
  • An elevated temperature means a temperature above room temperature (25 ° C), so that the solvent can be removed more easily or faster.
  • process step (d) the solvent is removed at a temperature between 40 and 160.degree. C. and in particular between 40 and 80.degree. C., for example at 60.degree.
  • the solvent is removed at a pressure between 0.5 and 800 mbar and in particular between 1 and 100 mbar, for example at 10 mbar.
  • a negative pressure accelerates the removal of the solvent.
  • radiation is irradiated in step (d) to remove the solvent.
  • the radiation may be, for example, beta or gamma radiation. It is also possible to use UV radiation or infrared radiation. In principle, it is also possible to irradiate or heat with microwaves.
  • the radiation used for irradiation does not correspond to the radiation emitted during operation of the semiconductor element. It can be heated in any combination for at least partial removal of the solvent in step (d) and / or applied a negative pressure and / or irradiated with radiation. As a rule, the solvent is largely removed in process step (d) so that the luminescence conversion material layer has only a slight or no residual content of solvent.
  • Process step (d) Lumineszenzkonversions- layer formed a residual content of up to 5% by weight of solvent ⁇ and in particular of up to 3% by weight of solvent, typically 1 to 2% by weight. A small residual solvent content can be used to increase the adhesion of the luminescent conversion material layer to the substrate
  • the solvent can therefore act as a primer.
  • Residual content of solvent in the luminescence conversion layer can be determined by means of solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (solid-state NMR).
  • a luminescence conversion material layer is formed
  • the concentration of the luminescence conversion substance in a matrix which comprises or consists of the matrix material has a gradient.
  • This gradient can be formed, for example, as a result of the sedimentation of the luminescence conversion substance.
  • Such a gradient may be formed such that in the substrate or the semiconductor element facing
  • the gradient may be linear, for example.
  • a gradient can be used for a gradually varying effective refractive index.
  • the gradient can be used for a gradually varying effective refractive index.
  • Refractive index difference (so-called index jump) between the semiconductor element and Lumineszenzkonversionsstoff against an optionally placed thereon potting compound made of silicone or against a gas atmosphere can be reduced, so that the radiation decoupling is improved.
  • the in process step (b) composition provided in addition to the matrix material and solvent containing 2 to 50% by weight and in particular ⁇ sondere 5 to 30% by weight of luminescence conversion.
  • the proportion of the luminescence material is increased until the solvent is removed to a sufficient extent and the LumineszenzkonversionsstoffSchicht
  • the particles of the luminescence conversion substance in the composition provided in process step (b) have an average diameter of ⁇ 20 ⁇ m and in particular of ⁇ 10 ⁇ m.
  • the particle size is not particularly limited in the process. For example, very small particles can be used, which in a conventional
  • the average particle diameter can be over
  • At least 95% by weight and in particular at least 99% by weight of the particles of the luminescence conversion substance have a maximum diameter of ⁇ 20 ⁇ m and in particular of ⁇ 15 ⁇ m in the composition provided in process step (b).
  • At least 95% and especially at least 99% of the particles of the luminescence ⁇ conversion substance in the in process step (b) ready ⁇ identified composition has a minimum diameter of> 2 ⁇ and in particular of> 5 ⁇ on.
  • small particles, for example, with a diameter of up to 2 ⁇ radiation can be strongly scattered.
  • the transmission is improved because less radiation losses occur in the Lumineszenzkonversions- material layer.
  • Process step (b) provided composition 5 to 25 wt% matrix material.
  • the composition may contain ⁇ 15% by weight, for example 10% by weight, matrix material.
  • the matrix material in the composition provided in process step (b) is selected from: silicone, epoxy resin, acrylic resin,
  • Precursor of these polymer compounds and combinations of the materials mentioned. Combinations also include hybrid materials.
  • a combination of, for example, silicone and epoxy resin can therefore also be a silicone-epoxy hybrid material. If the matrix material contains or consists of precursors of polymer compounds, these can be used in process step (d) to form the luminescence Conversionsstoff Anlagen be at least partially crosslinked. The crosslinking can be done by curing, for example by
  • the matrix material is in particular transparent to the primary radiation and to the secondary radiation, so that only little radiation losses occur in the luminescence conversion material layer due to the matrix material.
  • the matrix material in the composition provided in process step (b) is a silicone.
  • the silicone can contain or consist of a commercially available silicone, in particular polydialkylsiloxane, polydiarylsiloxane, polyalkylarylsiloxane or a combination thereof. Examples of such a silicone are poly (dimethylsiloxane), polymethylphenylsiloxane or a combination thereof.
  • a commercially available silicone in particular polydialkylsiloxane, polydiarylsiloxane, polyalkylarylsiloxane or a combination thereof.
  • examples of such a silicone are poly (dimethylsiloxane), polymethylphenylsiloxane or a combination thereof.
  • Process step (b) provided composition 30 to 95 wt%, in particular 50 to 75 wt%, for example 60 wt%, solvent.
  • the composition thus generally has a significantly larger volume than the luminescence conversion material layer formed in process step (d).
  • the solvent in the composition provided in process step (b) is suitable for dissolving the matrix material and in particular a silicone.
  • the solvent is in the composition provided in process step (b) selected from: ester, ether, silyl ether, disiloxane, aliphatic, aromatic hydrocarbon, halogenated hydrocarbon and combinations of these solvents.
  • the solvent is volatile, so that it can be easily at least partially removed in process step (d).
  • the solvent may have a boiling point of ⁇ 120 ° C at atmospheric pressure (1013.25 mbar). Damage to the Lumineszenzkonversionsstoff für is therefore not to be feared when removing the solvent; because damage usually occurs only when heated above 200 ° C for a long time.
  • Low molecular weight compounds that can be used as precursors for polymer compounds are usually counted not to the solvents but to the matrix materials.
  • Such low molecular weight compounds are example ⁇ as acrylic and methacrylic acid derivatives, epoxides,
  • Olefins isocyanates and similar polymerisable
  • the solvent in the composition provided in process step (b) is a disiloxane, for example hexamethyldisiloxane
  • This solvent has the particular advantage that it is very good at dissolving silicones, is relatively volatile and can be used in low concentrations as adhesion promoters in the Lumineszenzkonversionsstoff für.
  • Other typical solvents include toluene and benzene as aromatic hydrocarbons alone or in combination with other solvents, for example hexamethyldisiloxane can be used.
  • composition provided may be formed, for example, by mixing ⁇ luminescence material, matrix material and solvent.
  • ⁇ luminescence material for example, by mixing ⁇ luminescence material, matrix material and solvent.
  • a conventional luminescent conversion substance-containing printing paste such as those described in U.S. Pat
  • Printing luminescence conversion elements is used to mix with a solvent and thereby obtain a composition according to at least one embodiment of the invention.
  • Process step (a) provided substrate a Verguss ⁇ mass arranged. Therefore, the luminescence-conversion layer does not become directly on the semiconductor element
  • This potting compound for example, in
  • This second luminescence conversion substance can be distributed, for example, in a conventional element, in a luminescence conversion material layer according to at least one embodiment of the invention, or distributed in the potting compound.
  • the luminescence conversion substances already described can be used as the second luminescence conversion substance.
  • the Lumineszenzkonversionsstoff Anlagen can in
  • Process step (d) are also formed as an element for so-called remote phosphor conversion on the potting compound.
  • no second luminescence conversion substance is needed.
  • remote phosphor conversion becomes a Radiation conversion understood, which takes place at a great distance from the radiation source, for example> 750 ⁇ .
  • the composition is applied directly to the potting compound in process step (c).
  • the color impression of the radiation can be very finely regulated thereby.
  • the uniformity of the radiation is often improved.
  • a radiation-emitting device comprising a radiation-emitting semiconductor element and a second Lumineszenzkonversionsstoff and a potting compound provide to determine the color impression emitted by the device radiation and this subsequently by means of a Lumineszenzkonversionsstoff für, according to at least one embodiment of the invention on the
  • Potting compound is formed to adjust. This can be done individually for each component or each
  • Substrate are carried out.
  • a luminescence conversion material layer is formed in method step (d) in which the concentration of luminescence conversion substance decreases towards the lateral sides.
  • concentration of luminescence conversion substance in the center of the formed luminescence conversion material layer is higher, so that higher conversion occurs there.
  • the Method according to at least one embodiment of the invention can be a Lumineszenzkonversionsstoff für such as
  • Example ⁇ example can be produced on a thin LumineszenzkonversionsstoffSchicht a potting compound in which the concentration of luminescence conversion has a gradient.
  • the concentration can be higher in particular in the main emission direction than at an angle to the main emission direction.
  • a dependence of the color impression on the angle ⁇ can be at least partially reduced, as a result of which a more uniform overall color impression is obtained.
  • the luminescence conversion layer formed in process step (d) has a layer thickness of ⁇ 30 ⁇ m, for example 20 ⁇ m.
  • a thin luminescent conversion layer will therefore convert a smaller fraction of the incident radiation as compared to a thicker layer.
  • the color location of the radiation can be very finely adjusted, which in particular in one embodiment of the invention in which the composition is applied to a potting compound in process step (c)
  • this off guide (d) is formed form a LumineszenzkonversionsstoffSchicht in method step in which at least 85% of the particles of the Luminescent ⁇ zenzkonversionsstoffs as a monolayer or submonolayer
  • the concentration of luminescence conversion substance in the region of the main emission direction of a component can be increased. In this range, more than one layer of luminescence conversion material Particles are present. Detection of the particle arrangement in the luminescence conversion layer can be determined by grinding and subsequent analysis by SEM.
  • composition for producing a luminescence conversion material layer is also specified.
  • composition can also be made from these materials
  • composition can be used in particular for a
  • Method according to at least one embodiment of the invention may be used to produce a luminescence conversion material layer on a substrate or on a semiconductor element.
  • the composition can thus the
  • a device that contains a primary radiation emitting in operation Halbleiterele ⁇ element and, disposed in the beam path of the emitted primary radiation Lumineszenzkonversionsstoff für that is by the process according to at least one disclosed embodiment of the invention manufactured is respectively produced.
  • the radiated from the component radiation thus has
  • the component can be the usual components of a
  • Optoelectronic component such as electrical leads, a lead frame, a bonding pad, a bonding wire, solder mass, etc. include.
  • a recess of the component may be at least partially filled with a potting compound.
  • the semiconductor element may, for example, comprise a thin-film light-emitting diode chip, which is characterized in particular by the following characteristic features:
  • Main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence is applied or formed a reflective layer that reflects at least a portion of the generated in the epitaxial ⁇ layer sequence electromagnetic radiation back into this;
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ or less, in particular in the range of 10 ⁇ and often in the range of 2 ⁇ on;
  • the epitaxial layer sequence contains at least one
  • epitaxial epitaxial layer sequence that is, it has a possible ergodisch stochastic scattering behavior.
  • FIG. 2 shows a further substrate on which a luminescence conversion material layer according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3a to Fig. 3d further embodiments of the invention.
  • FIGS. 1 a to 1 c show a cross-section through a substrate 1, which comprises a recess 5, for example in a housing made of plastic or ceramic, and a semiconductor element 10, which can emit primary radiation during operation and is arranged in the recess 5 ,
  • the housing may include reflective materials (not shown).
  • Components of an optoelectronic component such as electrical leads, a lead frame, a bonding pad, a bonding wire, solder mass, etc. include (for clarity, not shown), so from the
  • Substrate an optoelectronic device can be produced.
  • composition 21 according to at least one embodiment of the invention, which is applied to the substrate 1 in a method step (c) has been.
  • the composition 21 in the recess 5 and directly on the substrate 1 relationship ⁇ was applied to the semiconductor element 10.
  • the composition ⁇ reduction 21 containing from 2 to 50% by weight, for example 30% by weight, Lumineszenzkonversionsstoffp
  • the composition contains 21 5 to 25 wt%, for example 10% by weight matrix material, for example a silicone, and 50 to 75% by weight, for example 60% by weight, of solvent.
  • a solution ⁇ medium hexamethyldisiloxane can be used.
  • FIG. 1c shows a completed method step (d) according to at least one embodiment of the invention.
  • a luminescence conversion material layer 20, which is also referred to below as “layer 20”, is produced uniformly directly on the exposed surfaces of the semiconductor element 10 or on the substrate 1.
  • Matrix material of the layer 20 is higher in the regions which adjoin the semiconductor element 10 and the substrate 1, respectively, than in the remote regions of the layer 20, so that a gradient is present.
  • the layer 20 is produced in particular uniformly on the semiconductor element 10, so that in operation radiation with a uniform uniform color impression can be emitted. As a result, for example, a so-called blue-piping is avoided.
  • the formed layer 20 has at least 75% by weight, in particular 85% by weight, for example 90% by weight, of luminescence conversion substance 25. Furthermore, the
  • Layer 20 at most 25% by weight, in particular at most 15% by weight such as 9% by weight, matrix material and 1 to 2% by weight, for example 1% by weight, of solvent.
  • the substrate 1 on which a Lumineszenzkonversionsstoff- layer 20 is produced according to at least one embodiment of the invention can be used to produce a device.
  • a herkömm ⁇ Liche potting compound for example, a silicone or an epoxy resin, arranged as a lens and optionally
  • Such a device can radiation with any color impression, for
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention, in which the substrate 1, for example from FIG. 1 a, additionally has a layer 15, the reflective one
  • Materials such as Ti02 include or from
  • FIG. 3 a shows a substrate 1, as is provided according to at least one embodiment of the invention in a method step (a).
  • the substrate 1 may be a semiconductor element 10 on which structures 6 are produced.
  • the structures 6 can be arranged directly on the semiconductor element 10 and comprise or consist of a photoresist.
  • the structures 6 and the semiconductor element 10 form a recess 5, wherein the bottom of the recess 5 can be formed by the semiconductor element 10 as shown.
  • the substrate 1 of Figure 3a for example, a
  • FIG. 3c shows a substrate 1 of FIG. 3a and / or FIG. 3b, on which the layer 20 is located directly on the substrate
  • FIG. 3d shows a component, a semiconductor chip 50, which after a method step (e) is known from the
  • Substrate 1 with a layer 20, as shown in Figure 3c was prepared.
  • the structures 6 were irradiated with UV radiation and then removed. At least some of the now uncoated sites became the
  • Semiconductor element 10 divided, for example by sawing.
  • the semiconductor chip 50 comprises a semiconductor element 10 which has on a main surface a layer 20 according to at least one embodiment of the invention.
  • Semiconductor chip 50 in operation radiation with any color impression, for example white, emit.
  • the semiconductor chip 50 is particularly suitable for in Optoelectronic device to be used, which thus requires no further Lumineszenzkonversionsscher to radiation during operation with a desired color impression
  • FIG. 4 a shows a composition 21 according to at least one further embodiment of the invention, which has a direct contact with a potting compound 40 of a substrate 1
  • the substrate 1 includes, for example
  • Lumineszenzkonversionsscherlement 45 which is arranged with a layer 46 of adhesive on the semiconductor element 10.
  • the substrate 1 may also have a luminescence conversion layer 20, as may be produced according to at least one embodiment of the invention.
  • the substrate 1 may contain further constituents which are suitable for an optoelectronic
  • the substrate 1 may, for example, be an optoelectronic component which radiates radiation with a color impression which is to be adjusted.
  • FIG. 4b shows how on the substrate 1 from FIG. 4a in a method step (d) a luminescence conversion layer 20 according to at least one embodiment of the invention is formed.
  • the layer 20 in this case has a layer thickness of ⁇ 30 ⁇ , for example, 20 ⁇ , so that only a slight conversion takes place, which is used to adjust the Color impression of an emitted radiation can be used.
  • the layer 20 at least 85% of the particles of the luminescence conversion substance 25 are in a monolayer or
  • FIG. 4 c shows a further component in which a luminescence conversion material layer 20 according to at least one embodiment of the invention lies directly on one
  • the Lumineszenzkonversionsstoff- layer 20 may be the layer 20 of Figure 4b
  • FIG. 4d shows a further component comprising a luminescence conversion layer 20, which was formed according to at least one embodiment of the invention.
  • a luminescence conversion layer 20 is designed as an element for so-called remote phosphor conversion, for example directly on a potting compound 40.
  • the invention includes any novel feature as well as any combination of features, which includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen einer Lumineszenzkonversionsstoffschicht (20) auf einem Substrat (1) mit einem im Betrieb eine Primärstrahlung emittierenden Halbleiterelement (10), das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Bereitstellen des Substrates (1); (b) Bereitstellen einer Zusammensetzung (21), die ein Lumineszenzkonversionsstoff (25), ein Matrixmaterial und ein Lösungsmittel umfasst; (c) Aufbringen der Zusammensetzung (21) auf das Substrat (1); (d) Entfernen zumindest eines Teils des Lösungsmittels, sodass die Lumineszenzkonversionsstoffschicht (20) auf dem Substrat (1) ausgebildet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen einer Lumineszenzkonversionsstoff- schicht, Zusammensetzung hierfür und Bauelement umfassend eine solche LumineszenzkonversionsstoffSchicht
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 280.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer
Lumineszenzkonversionsstoffschicht , eine Zusammensetzung, die in dem Verfahren verwendet wird, sowie ein Bauelement
umfassend eine solche Lumineszenzkonversionsstoffschicht .
In Strahlung emittierenden Bauelementen werden häufig
Lumineszenzkonversionsstoffe verwendet, um die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung teilweise in eine
Strahlung mit einer geänderten Wellenlänge zu konvertieren. Bei einem Strahlung emittierenden Bauelement sind in der Regel ein gleichmäßiger Farbeindruck der emittierten
Strahlung und eine hohe Effizienz wünschenswert, weswegen dem Einbringen des Lumineszenzkonversionsstoffs in das Bauelement eine besondere Bedeutung zukommt.
Eine zu lösende Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer Lumineszenzkonversionsstoff- schicht mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Weitere Aufgaben sind es, eine Zusammensetzung, die in einem solchen Verfahren verwendet wird, sowie ein Bauelement, das eine solche Lumineszenzkonversionsstoffschicht mit
verbesserten Eigenschaften umfasst, anzugeben. Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch das Verfahren, die Zusammensetzung und das Bauelement nach zumindest einer Aus¬ führungsform der Erfindung gelöst. Es wird ein Verfahren zum Erzeugen einer LumineszenzkonversionsstoffSchicht auf einem Substrat mit einem im
Betrieb eine Primärstrahlung emittierenden Halbleiterelement angegeben, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen des Substrates;
(b) Bereitstellen einer Zusammensetzung, die einen
Lumineszenzkonversionsstoff, ein Matrixmaterial und ein
Lösungsmittel umfasst;
(c) Aufbringen der Zusammensetzung auf das Substrat;
(d) Entfernen zumindest eines Teils des Lösungsmittels, sodass die LumineszenzkonversionsstoffSchicht auf dem
Substrat ausgebildet wird.
Insbesondere die Verfahrensschritte (a) und (b) können in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte (c) und (d) können
gegebenenfalls zeitgleich erfolgen, meistens jedoch
nacheinander. Das im Betrieb eine Primärstrahlung
emittierende Halbleiterelement wird im Folgenden auch als das "Halbleiterelement" bezeichnet .
Die LumineszenzkonversionsstoffSchicht kann zumindest
teilweise durch Sedimentation also Absinken des Lumineszenzkonversionsstoffs ausgebildet werden. Dazu kann zwischen dem Aufbringen der Zusammensetzung und dem eigentlichen Entfernen des Lösungsmittels etwas Zeit verstreichen. Das Entfernen des Lösungsmittels im Verfahrensschritt (d) und/oder die Zugabe der Zusammensetzung im Verfahrensschritt (c) können auch so durchgeführt werden, dass der Lumineszenzkonversionsstoff zumindest teilweise währenddessen sedimentieren kann. Der Lumineszenzkonversionsstoff kann in Gegenwart des Lösungs¬ mittels und des Matrixmaterials sedimentieren, auch wenn bereits mehr Matrixmaterial als Lösungsmittel vorliegt.
Beim Aufbringen der Zusammensetzung im Verfahrensschritt (c) und/oder beim Ausbilden der Lumineszenzkonversionsstoff- schicht im Verfahrensschritt (d) können turbulente Strömungen vermieden werden, wodurch die Lumineszenzkonversionsstoff- schicht mit verbesserter Gleichmäßigkeit auf dem Substrat ausgebildet werden kann. Dies wird durch das Lösungsmittel in der Zusammensetzung im Vergleich zu herkömmlichen
Zusammensetzungen ohne Lösungsmittel erleichtert. Daher kann beispielsweise auf ein Erwärmen der Zusammensetzung auf eine Temperatur über der Umgebungstemperatur, beispielsweise über 25°C, zum Aufbringen verzichtet werden, wodurch das Verfahren vereinfacht wird.
Die Gleichmäßigkeit kann beurteilt werden, indem Schliffe durch die Schicht und das Substrat oder Teile des Substrats, zum Beispiel im Querschnitt, angefertigt und dann mit einem Mikroskop oder einem Rasterelektronenmikroskop (REM) analy¬ siert werden. Dadurch können zum Beispiel der Grad und der Gradient der Lumineszenzkonversionsstoffabsenkung, die Dichte der Leuchtstoffschicht und Dichtegradienten bestimmt werden.
Die im Verfahrensschritt (d) ausgebildete Lumineszenz¬ konversionsstoffschicht kann insbesondere auf dem Substrat beziehungsweise auf der Schicht auf der sie unmittelbar erzeugt wird eine gute Haftung aufweisen, sodass weder ein Klebstoff noch eine Klebeschicht benötigt werden. Hierdurch können ein Arbeitsschritt zum Aufbringen des Klebestoffs sowie natürlich der Klebstoff an sich eingespart werden. Vorteilhafterweise wird dadurch auch die Abstrahlcharakteristik und die Farbhomogenität eines Strahlung
emittierenden Bauelements mit einer solchen LumineszenzkonversionsstoffSchicht verbessert, da im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bauelement nicht eine transparente Klebeschicht ungewollt als Lichtleiter fungieren kann, durch die
unkonvertierte Primärstrahlung auskoppelt werden könnte.
Im Betrieb emittiert das Halbleiterelement eine Primär¬ strahlung mit einer ersten Wellenlänge, wobei die erste
Wellenlänge das Spektrum der Primärstrahlung angibt. Der Lumineszenzkonversionsstoff konvertiert die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge. Die zweite Wellenlänge gibt das Spektrum der Sekundärstrahlung an.
Die Wahl der Halbleitermaterialien ist erfindungsgemäß nicht begrenzt. Insbesondere können Halbleitermaterialien verwendet werden, die eine Primärstrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums (420 bis 780 nm Wellenlänge) oder im UV-Bereich (200 bis 420 nm Wellenlänge) emittieren.
Die Wahl des Lumineszenzkonversionsstoffs ist erfindungsgemäß nicht begrenzt. Beispiele für derartige Lumineszenzkonver¬ sionsstoffe und Lumineszenzkonversionsstoffmischungen sind:
- Chlorosilikate, wie beispielsweise in DE 10036940 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- Orthosilikate, Sulfide, Thiometalle und Vanadate wie beispielsweise in WO 2000/33390 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- Aluminate, Oxide, Halophosphate, wie beispielsweise in US 6616862 und dem dort beschriebenen Stand der Technik
offenbart, - Nitride, Sione und Sialone wie beispielsweise in DE
10147040 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart, und
- Granate der Seltenen Erden wie YAG:Ce und der Erdalkali¬ elemente wie beispielsweise in US 2004-062699 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart.
Der Lumineszenzkonversionsstoff kann auch eine Kombination von unterschiedlichen Lumineszenzkonversionsstoffen sein. Der Lumineszenzkonversionsstoff kann in Partikeln vorliegen, die beispielsweise sphärisch, plättchenförmig, polyedrisch, amorph, eine beliebige andere definierte Form und/oder
Kombinationen dieser Formen aufweisen können. Diese Partikel bestehen zumindest teilweise aus dem Lumineszenzkonversions¬ stoff. Der Offenbarungsgehalt der Referenzen wird insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen.
Die LumineszenzkonversionsstoffSchicht kann sich insbesondere gleichmäßig auf dem Substrat und im Strahlengang der Primärstrahlung ausbilden. Dadurch kann insgesamt die Gleichmäßigkeit der Abstrahlung und des Farbeindrucks der emittieren Strahlung eines Bauelementes verbessert werden. Als
"Strahlung" wird in diesem Zusammenhang die Überlagerung sämtlicher im Betrieb emittierter Strahlungen verstanden, also beispielsweise die Überlagerung von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung. Die emittierte Strahlung kann einen beliebigen Farbeindruck im CIE-Diagramm, beispielsweise einen weißen Farbeindruck, aufweisen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form können die Verfahrensschritte (c) und (d) mehrfach hintereinander durchgeführt werden. Es können auch die Verfahrensschritte (b) , (c) und (d) mehrfach hintereinander durchgeführt werden, wobei auch unterschiedliche Zusammensetzungen, zum Beispiel mit
unterschiedlichen Lumineszenzkonversionsstoffen, verwendet werden können. Hierdurch ist es möglich, den Farbeindruck der emittierten Strahlung besonders fein einzustellen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (c) die Zusammensetzung in eine Ausnehmung des
Substrats aufgebracht. Das Halbleiterelement kann insbeson¬ dere in der Ausnehmung angeordnet sein und/oder einen Boden der Ausbildung ausbilden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die im Verfahrensschritt (c) aufgebrachte Zusammensetzung einen Meniskus auf. Ein solcher Meniskus kann beispielsweise durch Wechsel¬ wirkungen, zum Beispiel Adhäsionseffekte, der Zusammensetzung mit den Seitenwänden einer Ausnehmung gebildet werden. Daher kann auch die ausgebildete LumineszenzkonversionsstoffSchicht einen leicht konkaven Rand aufweisen. Dies kann beispielsweise anhand von Schliffen durch das Substrat mit der
LumineszenzkonversionsstoffSchicht und anschließender
Auswertung mittels eines Mikroskops nachgewiesen werden.
Ein solcher Meniskus kann mitunter nur schwach ausgebildet sein, wenn die LumineszenzkonversionsstoffSchicht eine sehr hohe Dichte aufweist. Es sind durchaus auch Aus führungs formen denkbar in denen kein Meniskus nachgewiesen werden kann, zum Beispiel wenn die LumineszenzkonversionsstoffSchicht nur wenig Matrixmaterial aufweist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrens- schritt (c ) die Zusammensetzung unmittelbar auf das
Halbleiterelement aufgebracht. Dass eine erste Schicht, ein erster Bereich oder eine erste Vorrichtung "auf" einer zweiten Schicht, einem zweiten
Bereich oder einer zweiten Vorrichtung angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei in dieser Anmeldung bedeuten, dass die erste Schicht, der erste Bereich oder die erste Vorrichtung unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der zweiten Schicht, dem zweiten Bereich oder der zweiten Vorrichtung beziehungsweise zu den zwei weiteren Schichten, Bereichen oder Vorrichtungen
angeordnet oder aufgebracht ist. Weiterhin kann auch ein mittelbarer Kontakt bezeichnet sein, bei dem weitere
Schichten, Bereiche und/oder Vorrichtungen zwischen der ersten Schicht, dem ersten Bereich oder der ersten
Vorrichtung und der zweiten Schicht, dem zweiten Bereich oder der zweiten Vorrichtung beziehungsweise den zwei weiteren Schichten, Bereichen oder Vorrichtungen angeordnet sind.
Die LumineszenzkonversionsstoffSchicht kann sich somit auch unmittelbar auf dem Halbleiterelement ausbilden. Dabei weist die Lumineszenzkonversionsstoffschicht insbesondere eine gute Haftung auf der Oberfläche des Halbleiterelementes auf, sodass auf den Einsatz von Klebstoffen verzichtet werden kann. Die Lumineszenzkonversionsstoffschicht kann
formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Halbleiterelement verbunden sein, was insbesondere über das Matrixmaterial geschieht. Die Lumineszenz¬ konversionsstoffschicht kann die exponierten Flächen des Halbleiterelements gleichmäßig bedecken, wodurch die bereits beschriebenen Vorteile erhalten werden.
Da die exponierten Flächen des Halbleiterelementes gleich¬ mäßiger mit Lumineszenzkonversionstoff als nach dem Stand der Technik bedeckt sind, werden Stellen oder Flächen mit unzu- reichender Konversion der Primärstrahlung verkleinert oder ganz vermieden. Daher kann im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen, in denen beispielsweise ein Lumineszenzkonversionsstoffelement mit einer Klebeschicht auf einem Halbleiterelement angeordnet ist, die Strahlung gleichmäßiger abgegeben werden. Im Gegensatz dazu kann eine solche Klebeschicht wie ein Lichtleiter wirken und Strahlung auskoppeln. Diese ist dann jedoch nur unzureichend oder gar nicht
konvertiert, wodurch ein ungleichmäßiger Farbeindruck der abgegeben Strahlung entsteht (sogenanntes blue-piping) .
Wenn die LumineszenzkonversionsstoffSchicht unmittelbar auf dem Halbleiterelement ausgebildet wird, kann die durch
Strahlungskonversion erzeugte Wärme besser über das Halbleiterelement abgegeben und abgeführt werden, als dies bei einer herkömmlichen Anordnung mit einer Klebeschicht zwischen Halbleiterelement und Lumineszenzkonversionsstoffelement der Fall ist. Hierdurch kann die Konversionseffizienz des Lumineszenzkonversionsstoffs verbessert werden, da dieser in der Regel bei niedrigen Temperaturen eine höhere Effizienz aufweist als bei höheren Temperaturen. Dadurch kann das Halbleiterelement beispielsweise bei höheren Strömen betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Halbleiterelement in dem im Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Substrat an seinen lateralen Flächen ein reflektierendes Material auf. Dadurch kann lediglich eine Hauptfläche des Halbleiterelementes exponiert sein, sodass die im Verfahrens¬ schritt (d) ausgebildete LumineszenzkonversionsstoffSchicht nur auf dieser Hauptfläche erzeugt wird. Somit wird die
Primärstrahlung nur oder zumindest hauptsächlich durch diese Hauptfläche des Halbleiterelementes emittiert, was zu einer nochmals verbesserten Farbkonstanz und gleichmäßigeren Ab- strahlung führen kann.
Als reflektierende Materialien können beispielsweise Ti02, Zr02, A1203, Glas, Si02-Partikel und Kombinationen dieser Materialien verwendet werden. Diese Materialien können entweder direkt oder beispielsweise in einer Matrix aus einem Glas oder einem Polymermaterial angeordnet sein.
Beispielsweise kann das Halbleiterelement wie bereits ausge¬ führt in einer Ausnehmung des Substrates angeordnet sein, und mit dem reflektierende Material eine ebene Fläche erzeugt werden, die die Hauptfläche des Halbleiterelementes umfasst. Hierdurch kann die LumineszenzkonversionsstoffSchicht mit verbesserter Gleichmäßigkeit ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das im Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Substrat eine Ausnehmung auf, deren laterale Begrenzungen Strukturen ausbilden, die einen Photolack umfassen oder daraus bestehen. Die Zusammensetzung kann im Verfahrensschritt (c) in diese Ausnehmung aufgebracht werden. Die lateralen Begrenzungen können so ausgeformt sein, dass der Boden der Ausnehmung zumindest teilweise von dem Halbleiterelement beziehungsweise einer Hauptfläche des Halb¬ leiterelementes ausgebildet wird. Hierdurch wird insbesondere eine gleichmäßige Ausbildung der Lumineszenzkonversionsstoff- schicht unmittelbar auf dem Halbleiterelement ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form werden in einem weiteren Verfahrensschritt (e) die Strukturen, die einen Photolack umfassen, entfernt. Dies kann durch
Bestrahlen, zum Beispiel mit UV-Strahlung, geschehen, sodass der Photolack im Anschluss, beispielsweise mit einem Lösungsmittel, leicht entfernt werden kann. Die Bereiche, in denen der Photolack entfernt wurde, weisen wenig oder gar keine Rückstände der Zusammensetzung beziehungsweise der Lumineszenzkonversionsstoffschicht auf, sodass in diesen Bereichen das Halbleiterelement gut geteilt werden kann.
Beispielsweise können so aus dem Halbleiterelement Chips hergestellt werden, die auf einer Hauptfläche eine
Lumineszenzkonversionsstoffschicht nach zumindest einer
Aus führungs form der Erfindung aufweisen. Insbesondere können so mehrere solche Halbleiterchips, die im Betrieb Strahlung mit einem gewünschten, zum Beispiel weißen, Farbeindruck abstrahlen, parallel hergestellt werden. Beispielsweise können diese Halbleiterchips in Bauelementen verwendet werden, sodass auf einen weiteren Schritt zum Aufbringen von Lumineszenzkonversionsstoffen verzichtet werden kann, wodurch die Herstellung der Bauelemente vereinfacht wird und die Produktionskosten gesenkt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) aus dem Halbleiterelement und der Lumineszenz¬ konversionsstoffschicht ein mit einem weißen Farbeindruck emittierender Halbleiterchip erhalten. Mehrere solche mit einem weißen Farbeindruck emittierende Halbleiterchips können auch parallel erzeugt werden, wie es zuvor beschrieben wurde.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die Zusammensetzung im Verfahrensschritt (c) beim Aufbringen eine
Viskosität von < 1 Pa*s auf. Die Zusammensetzung kann beim Aufbringen im Verfahrensschritt (c) eine Viskosität von < 100 mPa*s und insbesondere von < 50 mPa*s, beispielsweise < 20 mPa*s, aufweisen. Die Viskosität gibt hier die dynamische Viskosität der Zusammensetzung an und wird mit einem
Rheometer bestimmt.
Durch die niedrige Viskosität der Zusammensetzung werden die Flächen, auf denen die Zusammensetzung aufgebracht wird, gleichmäßig benetzt. Insbesondere werden dadurch (kleinere) Unebenheiten ausgeglichen. Die niedrige Viskosität äußert sich auch in einer geringen Oberflächenspannung der Zusammensetzung. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Sedimentation des Lumineszenzkonversionsstoffs beziehungsweise der
Partikel, die den Lumineszenzkonversionsstoff enthalten oder daraus bestehen, besonders gleichmäßig erfolgt und im
Regelfall auch im nennenswerten Umfang erfolgen kann.
Hierdurch wird im Verfahrensschritt (d) eine besonders gleichmäßige LumineszenzkonversionsstoffSchicht auf dem
Substrat ausgebildet. Des Weiteren kann eine solche
Zusammensetzung gut gehandhabt und dosiert werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die im Verfahrensschritt (b) bereitgestellte Zusammensetzung so ausgebildet, dass diese über einen nadeiförmigen Auslass mit einem
Öffnungsdurchmesser von < 1 mm, insbesondere 0,1 bis 0,5 mm, aufbringbar ist.
Eine Erniedrigung der Viskosität kann neben der Wahl der Komponenten der Zusammensetzung auch dadurch erreicht werden, indem während oder vor Verfahrensschritt (c) die
Zusammensetzung erwärmt wird. Zudem oder alternativ dazu kann die Zusammensetzung gerührt, geschüttelt und/oder durch eine Nadel gepresst werden, wodurch die Zusammensetzung geschert wird. Aufgrund der Scherung nimmt die Viskosität ab. Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht
ausgebildet, die eine Schichtdicke von < 60 μπι, insbesondere von < 50 μπι und oft von < 40 μπι aufweist. Das heißt, die ausgebildete LumineszenzkonversionsstoffSchicht weist in der Regel eine geringere Schichtdicke auf, als dies bei herkömm¬ lichen Lumineszenzkonversionsstoffelementen der Fall ist, di in der Regel Schichtdicken von > 80 μπι aufweisen. Somit lassen sich mit der anmeldungsgemäßen Lumineszenzkonversions stoffschicht auch kleinere Bauelemente beziehungsweise
Bauelemente mit geringerer Höhe realisieren, und es kann die Wärmeabfuhr über dem Halbleiterelement verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht
ausgebildet, die einen Gehalt an Lumineszenzkonversionsstoff von > 50 Gew-% aufweist (Gew-% = Gewichtsprozent) . Der Gehalt an Lumineszenzkonversionsstoff kann > 75 Gew-% und insbe¬ sondere > 85 Gew-%, beispielsweise 90 Gew-%, sein. Die Angabe bezieht sich auf die vollständige Masse der Lumineszenz¬ konversionsstoffschicht . Die Lumineszenzkonversionsstoff- schicht kann auch bei einem hohen Gehalt an Lumineszenzkonversionsstoff gut auf dem Substrat beziehungsweise auf dem Halbleiterelement anhaften. Insbesondere werden die
Materialien so gewählt, dass unabhängig von dem konkreten Gehalt in Gew-% eine Lumineszenzkonversionsstoffschicht ausgebildet wird, die > 35 Vol-%, insbesondere > 45 Vol-%, zum Beispiel 50 Vol-%, Lumineszenzkonversionsstoff aufweist (Vol-% = Volumenprozent) .
Vorteile einer solch hohen Lumineszenzkonversionsstoff- konzentration sind beispielsweise eine gute Wärmeleitfähig- keit. Dadurch können die abgestrahlte Wärme des Halbleiter¬ elements und insbesondere die durch Konversion gebildete Wärme besser von der LumineszenzkonversionsstoffSchicht abgeführt werden. Eine verbesserte Wärmeabfuhr führt auch zu einer höheren Konversionseffizienz. Zudem wird auch die
Farbhomogenität der von einem Bauelement abgestrahlten
Strahlung erhöht.
Da die für die Herstellung der Lumineszenzkonversionsstoff- schicht verwendete Zusammensetzung ein Lösungsmittel enthält, kann der Lumineszenzkonversionsstoff nach zumindest teilwei¬ sen Entfernen des Lösungsmittels in höheren Konzentrationen in der LumineszenzkonversionsstoffSchicht vorliegen, als dies bei herkömmlichen Schichten oder Elementen der Fall ist. Die LumineszenzkonversionsstoffSchicht kann daher anmeldungsgemäß so ausgebildet werden, dass diese eine dichtere Packung an Lumineszenzkonversionsstoff als nach dem Stand der Technik aufweist. Der Lumineszenzkonversionsstoff kann zumindest teilweise eine dichteste Packung im Matrixmaterial ausbilden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die im Verfahrensschritt (d) ausgebildete LumineszenzkonversionsstoffSchicht einen Gehalt an Matrixmaterial von < 50 Gew-% auf. Der Gehalt an Matrixmaterial kann < 25 Gew-% und insbesondere < 15 Gew- %, zum Beispiel 10 Gew-%, sein. Die Lumineszenzkonversions- stoffschicht kann also weitgehend oder vollständig aus
Lumineszenzkonversionsstoff und Matrixmaterial gebildet sein.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird die Zusammensetzung so aufgebracht, dass vor und/oder während dem Verfahrens¬ schritt (d) der Lumineszenzkonversionsstoff binnen 60 min und insbesondere binnen 30 min, beispielsweise binnen 15 min, sedimentiert wird. In der Regel erfolgt innerhalb dieser Zeitspanne eine teilweise oder vollständige Sedimentation des Lumineszenzkonversionsstoffes. Danach und/oder währenddessen kann das Lösungsmittel zumindest teilweise entfernt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) das Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur
und/oder bei verringertem Druck und/oder mittels Bestrahlen entfernt. Eine erhöhte Temperatur bedeutet eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur (25°C) , sodass das Lösungsmittel leichter beziehungsweise schneller entfernt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) das Lösungsmittel bei einer Temperatur zwischen 40 und 160°C und insbesondere zwischen 40 und 80°C, beispielsweise bei 60°C, entfernt.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) das Lösungsmittel bei einem Druck zwischen 0,5 und 800 mbar und insbesondere zwischen 1 und 100 mbar, beispielsweise bei 10 mbar, entfernt. Durch einen Unterdruck wird das Entfernen des Lösungsmittels beschleunigt.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) zum Entfernen des Lösungsmittels mit einer Strahlung bestrahlt. Die Strahlung kann beispielsweise eine Beta- oder eine Gammastrahlung sein. Es können auch eine UV-Strahlung oder eine Infrarotstrahlung verwendet werden. Im Prinzip kann auch mit Mikrowellen bestrahlt beziehungsweise erwärmt werden. Die zum Bestrahlen verwendete Strahlung entspricht nicht der im Betrieb des Halbleiterelementes emittierten Strahlung. Es kann in beliebigen Kombinationen zum zumindest teilweisen Entfernen das Lösungsmittel im Verfahrensschritt (d) erwärmt und/oder ein Unterdruck angelegt und/oder mit einer Strahlung bestrahlt werden. Dabei wird in der Regel das Lösungsmittel weitgehend im Verfahrensschritt (d) entfernt, sodass die LumineszenzkonversionsstoffSchicht nur einen geringen oder gar keinen Restgehalt an Lösungsmittel aufweist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form enthält die im
Verfahrensschritt (d) ausgebildete Lumineszenzkonversions- stoffschicht einen Restgehalt von bis zu 5 Gew-% Lösungs¬ mittel und insbesondere von bis zu 3 Gew-% Lösungsmittel, typischerweise 1 bis 2 Gew-%. Ein geringer Restgehalt an Lösungsmittel kann dazu verwendet werden, um die Haftung der Lumineszenzkonversionsstoffschicht auf dem Substrat
beziehungsweise auf dem Halbleiterelement zu verbessern. Das Lösungsmittel kann also als Haftvermittler wirken. Der
Restgehalt an Lösungsmittel in der Lumineszenzkonversions- stoffschicht kann mittels Festkörper-Kernmagnetresonanzspektroskopie ( Festkörper-NMR) bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) eine Lumineszenzkonversionsstoffschicht
ausgebildet, in der die Konzentration des Lumineszenzkonversionsstoffs in einer Matrix, die das Matrixmaterial umfasst oder daraus besteht, einen Gradienten aufweist.
Dieser Gradient kann zum Beispiel als Folge der Sedimentation des Lumineszenzkonversionsstoffs ausgebildet werden.
Ein solcher Gradient kann derart ausgebildet sein, dass in den dem Substrat oder dem Halbleiterelement zugewandten
Bereichen der ausgebildeten Lumineszenzkonversionsstoff- schicht eine höhere Konzentration an Lumineszenzkonversions- stoff vorliegt, als dies in den abgewandten Bereichen der Fall ist. Der Gradient kann beispielsweise linear sein. Ein Gradient kann für einen graduell variierenden effektiven Brechungsindex genutzt werden. Zum Beispiel kann der
Brechungsindexunterschied (sogenannter index-jump) zwischen Halbleiterelement und Lumineszenzkonversionsstoff gegenüber einer optional darauf angeordneten Vergussmasse aus Silikon oder gegenüber einer Gasatmosphäre vermindert werden, wodurc die Strahlungsauskopplung verbessert wird.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form enthält die im Verfahrensschritt (b) bereitgestellte Zusammensetzung neben Matrixmaterial und Lösungsmittel 2 bis 50 Gew-% und insbe¬ sondere 5 bis 30 Gew-% Lumineszenzkonversionsstoff. Beim zumindest teilweisen Entfernen des Lösungsmittels im Ver¬ fahrensschritt (d) wird der Anteil an Lumineszenzkonversions stoff erhöht, bis das Lösungsmittel im ausreichenden Maße entfernt und die LumineszenzkonversionsstoffSchicht
ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen die Partikel des Lumineszenzkonversionsstoffs in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung einen durchschnittlichen Durchmesser von < 20 μπι und insbesondere von < 10 μπι auf. Dadurch können im Vergleich zu herkömmlichen Lumineszenzkonversionselementen geringere Schichtdicken realisiert werden. Die Partikelgröße ist jedoch in dem Verfahren nicht besonders limitiert. Zum Beispiel können auch sehr kleine Partikel eingesetzt werden, die in einem herkömmlichen
Verfahren ohne Lösungsmittel nicht sedimentieren würden. Die durchschnittlichen Partikeldurchmesser können über ein
Siebverfahren bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen mindestens 95 Gew-% und insbesondere mindestens 99 Gew-% der Partikel des Lumineszenzkonversionsstoffs in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung einen maximalen Durchmesser von < 20 μπι und insbesondere von < 15 μπι auf.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen mindestens 95% und insbesondere mindestens 99% der Partikel des Lumineszenz¬ konversionsstoffs in der im Verfahrensschritt (b) bereit¬ gestellten Zusammensetzung einen minimalen Durchmesser von > 2 μπι und insbesondere von > 5 μπι auf. Kleinere Partikel kön¬ nen beispielsweise zuvor durch ein Siebverfahren abgetrennt werden. Insbesondere an kleinen Partikeln, beispielsweise mit einem Durchmesser von bis zu 2 μπι, kann Strahlung stark gestreut werden. Somit wird also die Transmission verbessert, da weniger Strahlungsverluste in der Lumineszenzkonversions- stoffschicht auftreten.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form enthält die im
Verfahrensschritt (b) bereitgestellte Zusammensetzung 5 bis 25 Gew-% Matrixmaterial. Die Zusammensetzung kann < 15 Gew-%, zum Beispiel 10 Gew-%, Matrixmaterial enthalten.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Matrixmaterial in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung ausgewählt aus: Silikon, Epoxidharz, Acrylharz,
Precursor dieser Polymerverbindungen und Kombinationen der genannten Materialien. Dabei schließen Kombinationen auch Hybridmaterialien mit ein. Eine Kombination zum Beispiel aus Silikon und Epoxidharz kann also auch ein Silikon-Epoxid- Hybridmaterial sein. Sofern das Matrixmaterial Precursor von Polymerverbindungen enthält oder daraus besteht, können diese im Verfahrensschritt (d) beim Ausbilden der Lumineszenz- konversionsstoffschicht zumindest teilweise vernetzt werden. Die Vernetzung kann durch Härten, zum Beispiel mittels
Erwärmen und/oder Bestrahlen mit den bereits zuvor genannten Strahlungen, erfolgen. Dies kann gleichzeitig und/oder nach dem Entfernen des Lösungsmittels geschehen. Das Matrixmaterial ist insbesondere transparent für die Primärstrahlung sowie für die Sekundärstrahlung, sodass durch das Matrixmaterial in der Lumineszenzkonversionsstoffschicht nur wenig Strahlungsverluste auftreten.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Matrixmaterial in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung ein Silikon. Das Silikon kann ein handelsübliches Silikon, insbesondere Polydialkylsiloxan, Polydiarylsiloxan, Polyalkylarylsiloxan oder eine Kombination davon, enthalten oder daraus bestehen. Beispiele für ein solches Silikon sind Poly (dimethylsiloxan) , Polymethylphenylsiloxan oder eine Kombination davon. Gemäß einer weiteren Aus führungs form enthält die im
Verfahrensschritt (b) bereitgestellte Zusammensetzung 30 bis 95 Gew-%, insbesondere 50 bis 75 Gew-%, zum Beispiel 60 Gew- %, Lösungsmittel. Die Zusammensetzung weist also in der Regel ein deutlich größeres Volumen als die im Verfahrensschritt (d) ausgebildete Lumineszenzkonversionsstoffschicht auf.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Lösungsmittel in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung geeignet, um das Matrixmaterial und insbesondere ein Silikon zu lösen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Lösungsmittel in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung ausgewählt aus: Ester, Ether, Silylether, Disiloxan, Aliphat, aromatischer Kohlenwasserstoff, halogenierter Kohlenwasserstoff und Kombinationen dieser Lösungsmittel. In der Regel ist das Lösungsmittel flüchtig, sodass es im Verfahrens- schritt (d) leicht zumindest teilweise entfernt werden kann. Beispielsweise kann das Lösungsmittel einen Siedepunkt von < 120°C bei Atmosphärendruck (1013,25 mbar) aufweisen. Eine Beschädigung der LumineszenzkonversionsstoffSchicht ist daher beim Entfernen des Lösungsmittels nicht zu befürchten; denn eine Beschädigung tritt üblicherweise erst auf, wenn lange Zeit über 200°C erhitzt wird.
Niedermolekulare Verbindungen, die als Precursor für Polymerverbindungen verwendet werden können, werden üblicherweise nicht zu den Lösungsmitteln sondern zu den Matrixmaterialien gezählt. Solche niedermolekulare Verbindungen sind beispiels¬ weise Acrylsäure- und Methacrylsäurederivate, Epoxide,
Olefine, Isocyanate und ähnliche polymerisierbare
Verbindungen. Wesentlich ist jedenfalls, dass das Lösungsmit- tel in Verfahrensschritt (d) zumindest teilweise entfernt wird, beispielsweise zu > 90 Vol-% und insbesondere > 95 Vol-% (Vol-% = Volumenprozent) .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Lösungsmittel in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten Zusammensetzung ein Disiloxan, beispielsweise Hexamethyldisiloxan
(Me3SiOSiMe3 ) . Dieses Lösungsmittel weist insbesondere den Vorteil auf, dass es sehr gut Silikone zu lösen vermag, vergleichsweise flüchtig ist und in geringen Konzentrationen als Haftvermittler in der LumineszenzkonversionsstoffSchicht verwendet werden kann. Weitere typische Lösungsmittel sind Toluol und Benzol als aromatische Kohlenwasserstoffe, die alleine oder in Kombination mit anderen Lösungsmitteln, zum Beispiel Hexamethyldisiloxan, eingesetzt werden können.
Die im Verfahrensschritt (b) bereitgestellte Zusammensetzung kann beispielsweise durch Mischen von Lumineszenzkonversions¬ stoff, Matrixmaterial und Lösungsmittel gebildet werden. Im Prinzip ist es möglich, eine herkömmliche Lumineszenzkonversionsstoff enthaltende Druckpaste, wie sie zum
Aufdrucken von Lumineszenzkonversionselementen verwendet wird, mit einem Lösungsmittel zu vermischen und dadurch eine Zusammensetzung nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist auf dem im
Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Substrat eine Verguss¬ masse angeordnet. Daher wird die Lumineszenzkonversionsstoff- schicht nicht unmittelbar auf dem Halbleiterelement
angeordnet. Diese Vergussmasse kann beispielsweise im
Strahlengang der Primärstrahlung und/oder im Strahlengang einer teilweise durch einen weiteren, zweiten Lumineszenzkonversionsstoff konvertierten Strahlung angeordnet sein. Dieser zweite Lumineszenzkonversionsstoff kann beispielsweise in einem herkömmlichen Element, in einer Lumineszenzkonversionsstoffschicht nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung, oder in der Vergussmasse verteilt angeordnet sein. Als zweiten Lumineszenzkonversionsstoff können die bereits beschriebenen Lumineszenzkonversionsstoffe verwendet werden. Die Lumineszenzkonversionsstoffschicht kann im
Verfahrenschritt (d) auch als Element zur sogenannten remote phosphor conversion auf der Vergussmasse ausgebildet werden. In diesem Fall wird kein zweiter Lumineszenzkonversionsstoff benötigt. Unter remote phosphor conversion wird eine Strahlungskonversion verstanden, die in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle, zum Beispiel > 750 μπι, erfolgt.
In der Regel wird gemäß dieser Aus führungs form im Verfahrensschritt (c) die Zusammensetzung unmittelbar auf die Verguss¬ masse aufgebracht. Insbesondere kann dadurch der Farbeindruck der Strahlung sehr fein reguliert werden. Dabei wird häufig auch die Gleichmäßigkeit der Abstrahlung verbessert.
Es ist daher beispielsweise möglich, als Substrat im
Verfahrensschritt (a) ein Strahlung emittierendes Bauelement, das ein Strahlung emittierendes Halbleiterelement sowie einen zweiten Lumineszenzkonversionsstoff und eine Vergussmasse umfasst, bereitzustellen, den Farbeindruck der vom Bauelement emittierten Strahlung zu bestimmen und diesen anschließend mittels einer LumineszenzkonversionsstoffSchicht , die nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung auf der
Vergussmasse ausgebildet wird, zu justieren. Dies kann individuell für jedes Bauelement beziehungsweise jedes
Substrat durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht ausgebildet, bei der die Konzentration an Lumineszenzkonversionsstoff zu den lateralen Seiten hin abnimmt. Somit ist die Konzentration an Lumineszenzkonversionsstoff in der Mitte der ausgebildeten LumineszenzkonversionsstoffSchicht höher, sodass dort eine höhere Konversion erfolgt.
In herkömmlichen Bauelementen kann der Farbort der Strahlung vom Winkel Θ zur Hauptabstrahlrichtung (Θ = 0°) der Strahlung abhängig sein. Das heißt, dass die Strahlung mit einem ungleichmäßigen Farbeindruck abgestrahlt wird. Mit dem Verfahren nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung kann eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht derart
ausgebildet werden, dass ein solcher unterschiedlicher
Farbeindruck zumindest teilweise kompensiert wird. Beispiels¬ weise kann eine dünne LumineszenzkonversionsstoffSchicht auf einer Vergussmasse erzeugt werden, in der die Konzentration an Lumineszenzkonversionsstoff einen Gradienten aufweist. Die Konzentration kann insbesondere in der Hauptabstrahlrichtung höher sein als in einem Winkel zur Hauptabstrahlrichtung. Hierdurch kann eine Abhängigkeit des Farbeindrucks vom Winkel Θ zumindest teilweise vermindert werden, wodurch insgesamt ein gleichmäßigerer Farbeindruck erhalten wird.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form weist die im Verfahrensschritt (d) ausgebildete Lumineszenzkonversions- stoffschicht eine Schichtdicke von < 30 μπι, zum Beispiel 20 μπι, auf. Eine solche, dünne Lumineszenzkonversionsstoff- schicht wird daher im Vergleich zu einer dickeren Schicht einen kleineren Anteil der einfallenden Strahlung konvertieren. Somit kann der Farbort der Strahlung sehr fein justiert werden, was insbesondere in einer Aus führungs form der Erfindung, in der die Zusammensetzung im Verfahrensschritt (c) auf eine Vergussmasse aufgebracht wird, von
Bedeutung ist.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (d) eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht ausgebildet, in der mindestens 85% der Partikel des Lumines¬ zenzkonversionsstoffs als Monolage oder Submonolage
angeordnet sind. Beispielsweise kann die Konzentration an Lumineszenzkonversionsstoff im Bereich der Hauptabstrahl¬ richtung eines Bauelementes erhöht sein. In diesem Bereich kann mehr als eine Lage an Lumineszenzkonversionsstoff- Partikeln vorhanden sein. Ein Nachweis der Partikelanordnung in der Lumineszenzkonversionsstoffschicht kann durch Schliffe und anschließender Analyse per REM bestimmt werden.
Anmeldungsgemäß wird auch eine Zusammensetzung zur Erzeugung einer Lumineszenzkonversionsstoffschicht angegeben,
umfassend :
- einen Lumineszenzkonversionsstoff,
- ein Matrixmaterial und
- ein Lösungsmittel.
Die Zusammensetzung kann auch aus diesen Materialien
bestehen. Die Zusammensetzung kann insbesondere für ein
Verfahren gemäß zumindest einer Aus führungs form der Erfindung verwendet werden, um eine Lumineszenzkonversionsstoffschicht auf einem Substrat beziehungsweise auf einem Halbleiter¬ element zu erzeugen. Die Zusammensetzung kann somit die
Eigenschaften aufweisen, wie sie bereits vorstehend
beschrieben sind.
Anmeldungsgemäß wird auch ein Bauelement angegeben, das ein im Betrieb eine Primärstrahlung emittierendes Halbleiterele¬ ment und eine im Strahlengang der emittierten Primärstrahlung angeordnete Lumineszenzkonversionsstoffschicht enthält, die nach dem Verfahren gemäß zumindest einer Aus führungs form der Erfindung herstellbar ist beziehungsweise hergestellt wird. Die vom Bauelement abgestrahlte Strahlung weist somit
insbesondere einen gleichmäßigen Farbeindruck auf.
Das Bauelement kann die üblichen Bestandteile eines
optoelektronischen Bauelementes wie zum Beispiel elektrische Zuleitungen, einen Leiterrahmen, ein Bondpad, ein Bonddraht, Lotmasse, etc. umfassen. Eine Ausnehmung des Bauelementes kann zumindest teilweise mit einer Vergussmasse gefüllt sein. Das Halbleiterelement kann beispielsweise einen Dünnfilm- Leuchtdioden-Chip umfassen, der sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale auszeichnet:
an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten
Hauptfläche einer Strahlung erzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxie¬ schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μπι oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μπι und oft im Bereich von 2 μπι auf; und
die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung der Strahlung in der
epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, das heißt sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf .
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist zum Beispiel in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei geben gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente in den
einzelnen Figuren an. Es sind jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis vergrößert und/oder schematisch
dargestellt sein. Es zeigen
Fig. la bis Fig. lc mehrere Verfahrensschritte eines Ver¬ fahrens gemäß zumindest einer Aus führungs form der Erfindung;
Fig. 2 ein weiteres Substrat auf dem eine Lumineszenz¬ konversionsstoffSchicht nach einer Aus führungs form der
Erfindung ausgebildet ist; Fig. 3a bis Fig. 3d weitere Aus führungs formen der Erfindung; und
Fig. 4a bis Fig. 4d weitere Aus führungs formen der Erfindung, in denen die Zusammensetzung auf einer Vergussmasse
aufgebildet wird.
Die Figuren la bis lc zeigen einen Querschnitt durch ein Substrat 1, das eine Ausnehmung 5, beispielsweise in einem Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik, und ein Halbleiter- element 10, das im Betrieb eine Primärstrahlung emittieren kann und in der Ausnehmung 5 angeordnet ist, umfasst. Das Gehäuse kann reflektierende Materialien enthalten (nicht gezeigt) . Des Weiteren kann das Substrat 1 die üblichen
Bestandteile eines optoelektronischen Bauelementes wie beispielsweise elektrische Zuleitungen, einen Leiterrahmen, ein Bondpad, ein Bonddraht, Lotmasse, etc. umfassen (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt) , sodass aus dem
Substrat ein optoelektronisches Bauelementes hergestellt werden kann.
In Figur la ist unter anderem eine Zusammensetzung 21 nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung gezeigt, die in einem Verfahrensschritt (c) auf das Substrat 1 aufgebracht wurde. In diesem Fall wurde die Zusammensetzung 21 in die Ausnehmung 5 und unmittelbar auf das Substrat 1 beziehungs¬ weise auf das Halbleiterelement 10 aufgebracht. Die Zusammen¬ setzung 21 enthält 2 bis 50 Gew-%, beispielsweise 30 Gew-%, Lumineszenzkonversionsstoffpartikel 25. Des Weiteren enthält die Zusammensetzung 21 5 bis 25 Gew-%, beispielsweise 10 Gew- % Matrixmaterial, zum Beispiel ein Silikon, sowie 50 bis 75 Gew-%, beispielsweise 60 Gew-%, Lösungsmittel. Als Lösungs¬ mittel kann Hexamethyldisiloxan verwendet werden.
In Figur lb ist ein Moment eines Verfahrensschritts (d) nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung gezeigt, in dem ein Großteil des Lumineszenzkonversionsstoffs 25 bereits sedimentiert und ein Teil des Lösungsmittels entfernt ist, beziehungsweise gerade entfernt wird, was durch den Pfeil 22 angedeutet ist. Es kann auch zuerst der Lumineszenzkonversionsstoff 25 (vollständig) sedimentiert und im Anschluss das Lösungsmittel zumindest teilweise entfernt werden (nicht gezeigt) .
In Figur lc ist ein abgeschlossener Verfahrensschritt (d) nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung gezeigt. Eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht 20, die im Folgenden auch als "Schicht 20" bezeichnet wird, ist gleichmäßig unmittelbar auf den exponierten Flächen des Halbleiterelements 10 beziehungsweise auf dem Substrat 1 erzeugt. Die Konzentration an Lumineszenzkonversionsstoff 25 im
Matrixmaterial der Schicht 20 ist in den Bereichen, die an das Halbleiterelement 10 beziehungsweise an das Substrat 1 angrenzen, höher als in den abgewandten Bereichen der Schicht 20, sodass ein Gradient vorhanden ist. Die Schicht 20 ist insbesondere gleichmäßig auf dem Halbleiterelement 10 erzeugt, sodass im Betrieb gleichmäßig Strahlung mit einem gleichmäßigen Farbeindruck emittiert werden kann. Hierdurch wird zum Beispiel ein sogenanntes blue-piping vermieden.
Die ausgebildete Schicht 20 weist im Regelfall mindestens 75 Gew-%, insbesondere 85 Gew-%, beispielsweise 90 Gew-%, an Lumineszenzkonversionsstoff 25 auf. Des Weiteren kann die
Schicht 20 höchstens 25 Gew-%, insbesondere höchstens 15 Gew- % wie beispielsweise 9 Gew-%, Matrixmaterial sowie 1 bis 2 Gew-%, beispielsweise 1 Gew-%, Lösungsmittel enthalten. Das Substrat 1 auf dem eine Lumineszenzkonversionsstoff- schicht 20 nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung erzeugt ist, kann zur Herstellung eines Bauelements verwendet werden. Beispielsweise kann auf der Schicht 20 eine herkömm¬ liche Vergussmasse, zum Beispiel aus einem Silikon oder einem Epoxidharz, angeordnet und gegebenenfalls als Linse
ausgeformt werden (nicht gezeigt) . Ein solches Bauelement kann Strahlung mit einem beliebigen Farbeindruck, zum
Beispiel weiß, emittieren. In Figur 2 ist eine weitere Aus führungs form der Erfindung gezeigt, in der das Substrat 1 beispielsweise aus Figur la zusätzlich eine Schicht 15 aufweist, die reflektierende
Materialien wie zum Beispiel Ti02 umfasst oder daraus
besteht. Beispielsweise können das Halbleiterelement 10 sowie die Schicht 15 eine ebene oder nahezu ebene (was Abweichungen von < 15 μπι einschließt) Fläche ausbilden. Eine Schicht 20 ist in diesem Beispiel unmittelbar auf dem Halbleiterelement 10 beziehungsweise auf dem Substrat 1 erzeugt. In Figur 3a ist ein Substrat 1 gezeigt, wie es nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung in einem Verfahrensschritt (a) bereitgestellt wird. Das Substrat 1 kann ein Halbleiterelement 10 sein, auf dem Strukturen 6 erzeugt sind. Die Strukturen 6 können unmittelbar auf dem Halbleiterelement 10 angeordnet sein und einen Photolack umfassen oder daraus bestehen. Die Strukturen 6 und das Halbleiterelement 10 bilden beispielsweise eine Ausnehmung 5 aus, wobei der Boden der Ausnehmung 5 wie gezeigt durch das Halbleiterelement 10 ausgebildet sein kann.
Das Substrat 1 der Figur 3a kann beispielsweise ein
Ausschnitt aus einem Substrat 1 sein, wie es in Figur 3b gezeigt ist, das mehrere Ausnehmungen 5 umfasst, sodass nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung mehrere
Lumineszenzkonversionsstoffschichten 20 parallel darauf erzeugt werden können. In Figur 3c ist ein Substrat 1 der Figur 3a und/oder Figur 3b gezeigt, auf dem die Schicht 20 unmittelbar auf dem
Substrat 1 beziehungsweise dem Halbleiterelement 10 erzeugt ist. Die Schicht 20 ist insbesondere gleichmäßig ausgebildet. In Figur 3d ist ein Bauelement, ein Halbleiterchip 50, gezeigt, der nach einem Verfahrenschritt (e) aus dem
Substrat 1 mit einer Schicht 20, wie es in Figur 3c gezeigt ist, hergestellt wurde. Dazu wurden die Strukturen 6 mit UV- Strahlung bestrahlt und anschließend entfernt. An zumindest einigen der nunmehr unbeschichteten Stellen wurde das
Halbleiterelement 10 geteilt, beispielsweise durch Sägen.
Der Halbleiterchip 50 umfasst ein Halbleiterelement 10, das auf einer Hauptfläche eine Schicht 20 nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung aufweist. Somit kann der
Halbleiterchip 50 im Betrieb Strahlung mit einem beliebigen Farbeindruck, beispielsweise weiß, emittieren. Der Halbleiterchip 50 ist insbesondere dafür geeignet, in ein optoelektronisches Bauelement eingesetzt zu werden, das somit keine weiteren Lumineszenzkonversionsstoffe benötigt, um im Betrieb Strahlung mit einem gewünschten Farbeindruck
abzustrahlen. Dadurch kann insbesondere die Herstellung dieses optoelektronischen Bauelementes vereinfacht werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
In Figur 4a ist eine Zusammensetzung 21 nach zumindest einer weiteren Aus führungs form der Erfindung gezeigt, die unmittelbar auf eine Vergussmasse 40 eines Substrates 1 mit
aufgebracht ist. Die Ausnehmung 5 kann die Vergussmasse 40 an den Seiten etwas überragen. Die Vergussmasse 40 kann zum Beispiel auch konvex oder konkav ausgebildet sein (nicht gezeigt) . Das Substrat 1 umfasst beispielsweise ein
Halbleiterelement 10 sowie ein zweites (herkömmliches)
Lumineszenzkonversionsstoffelement 45, das mit einer Schicht 46 aus Klebstoff auf dem Halbleiterelement 10 angeordnet ist. Das Substrat 1 kann anstelle des zweiten Lumineszenzkonversionsstoffelementes 45 auch eine Lumineszenzkonversionsstoff- schicht 20, wie sie nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung erzeugt werden kann, aufweisen. Das Substrat 1 kann weitere Bestandteile, die für ein optoelektronisches
Bauelement benötigt werden, umfassen, wie es bereits zuvor ausgeführt wurde. Das Substrat 1 kann beispielsweise ein optoelektronisches Bauelement sein, das Strahlung mit einem Farbeindruck abstrahlt, der justiert werden soll.
In Figur 4b ist gezeigt, wie auf dem Substrat 1 aus Figur 4a in einem Verfahrensschritt (d) eine Lumineszenzkonversions- stoffschicht 20 nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung ausgebildet ist. Die Schicht 20 weist dabei eine Schichtdicke von < 30 μπι, zum Beispiel 20 μπι auf, sodass nur eine geringfügige Konversion erfolgt, die zum Justieren des Farbeindrucks einer emittierten Strahlung verwendet werden kann. In der Schicht 20 sind mindestens 85% der Partikel des Lumineszenzkonversionsstoffs 25 in einer Monolage oder
Submonolage angeordnet, wobei die Konzentration im Bereich der Hauptabstrahlrichtung (Θ = 0°), die durch den Pfeil 60 dargestellt ist, höher ist als in anderen Bereichen der
Schicht 20.
In Figur 4c ist ein weiteres Bauelement gezeigt, bei dem eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht 20 nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung unmittelbar auf einer
Vergussmasse 40 erzeugt ist. Die Lumineszenzkonversionsstoff- schicht 20 kann dabei der Schicht 20 aus Figur 4b
entsprechen. In diesem Fall ist auf dem Halbleiterelement 10 kein zweites (herkömmliches) Lumineszenzkonversions- stoffelement 45 angeordnet, sondern es sind Partikel 41, die einen zweiten Lumineszenzkonversionsstoff enthalten oder daraus bestehen, in der Vergussmasse 40 verteilt.
In Figur 4d ist ein weiters Bauelement gezeigt, das eine LumineszenzkonversionsstoffSchicht 20 umfasst, die nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung ausgebildet wurde. In diesem Fall sind keine weiteren Lumineszenzkonversionsstoffe vorhanden, da die Lumineszenzkonversions- stoffschicht 20 als ein Element zur sogenannten remote phosphor conversion beispielsweise unmittelbar auf einer Vergussmasse 40 ausgebildet ist.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer Lumineszenzkonversions- stoffschicht (20) auf einem Substrat (1) mit einem im Betrieb eine Primärstrahlung emittierenden Halbleiterelement (10), umfassend die Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen des Substrates ( 1 ) ;
(b) Bereitstellen einer Zusammensetzung (21), die einen Lumineszenzkonversionsstoff (25) , ein Matrixmaterial und ein Lösungsmittel umfasst;
(c) Aufbringen der Zusammensetzung (21) auf das Substrat
(l) ;
(d) Entfernen zumindest eines Teils des Lösungsmittels, sodass die LumineszenzkonversionsstoffSchicht (20) auf dem Substrat (1) ausgebildet wird.
2. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei im Verfahrensschritt (c) die Zusammensetzung (21) in eine Ausnehmung (5) des Substrats (1) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt (c) die Zusammensetzung (21) unmittelbar auf das Halbleiterelement (10) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt (c) die Zusammensetzung (21) beim Aufbringen eine Viskosität von < 1 Pa*s aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt (d) eine Lumineszenzkonversions- stoffschicht (20) ausgebildet wird, die eine Schichtdicke von < 60 μπι, insbesondere von < 50 μπι, aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei im Verfahrensschritt (d) eine Lumineszenzkonversions- stoffschicht (20) ausgebildet wird, die einen Gehalt an
Lumineszenzkonversionsstoff (25) von > 75 Gew-% und
insbesondere von > 85 Gew-% aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei im Verfahrensschritt (d) eine Lumineszenzkonversions- stoffschicht (20) ausgebildet wird, in der die Konzentration des Lumineszenzkonversionsstoffs (25) in einer Matrix, die das Matrixmaterial umfasst, einen Gradienten aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die im Verfahrensschritt (b) bereitgestellte
Zusammensetzung (21) 2 bis 50 Gew-% und insbesondere 5 bis 30 Gew-% Lumineszenzkonversionsstoff (25) enthält.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten
Zusammensetzung (21) mindestens 95 Gew-% der Partikel des
Lumineszenzkonversionsstoffs (25) einen maximalen Durchmesser von < 20 μπι und insbesondere von < 15 μπι aufweisen.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die im Verfahrensschritt (b) bereitgestellte
Zusammensetzung (21) 5 bis 25 Gew-% Matrixmaterial enthält.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten
Zusammensetzung (21) das Matrixmaterial ausgewählt ist aus: Silikon, Epoxidharz, Acrylharz, Percursorn dieser
Polymerverbindungen und Kombinationen der genannten Materialien .
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei in der im Verfahrensschritt (b) bereitgestellten
Zusammensetzung (21) das Lösungsmittel ausgewählt ist aus: Ester, Ether, Silylether, Disiloxan, Aliphat, aromatischer Kohlenwasserstoff, halogenierter Kohlenwasserstoff und
Kombination der genannten Lösungsmittel.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 und 4 bis 12, wobei auf dem im Verfahrensschritt (a) bereitgestellten
Substrat (1) eine Vergussmasse (40) angeordnet ist.
14. Zusammensetzung (21) zur Erzeugung einer Lumineszenz- konversionsstoffSchicht (20), umfassend:
- einen Lumineszenzkonversionsstoff (25) ,
- ein Matrixmaterial und
- ein Lösungsmittel.
15. Bauelement enthaltend ein Halbleiterelement (10), das im Betrieb eine Primärstrahlung emittiert, und eine im
Strahlengang der emittierten Primärstrahlung angeordnete LumineszenzkonversionsstoffSchicht (20), die nach einem
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 herstellbar ist.
EP11794749.9A 2010-12-13 2011-12-13 Verfahren zum erzeugen einer lumineszenzkonversionsstoffschicht, zusammensetzung hierfür und bauelement umfassend eine solche lumineszenzkonversionsstoffschicht Withdrawn EP2652806A1 (de)

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