EP2771890A1 - Esd-schutzbauelement und bauelement mit einem esd-schutzbauelement und einer led - Google Patents

Esd-schutzbauelement und bauelement mit einem esd-schutzbauelement und einer led

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Publication number
EP2771890A1
EP2771890A1 EP12787404.8A EP12787404A EP2771890A1 EP 2771890 A1 EP2771890 A1 EP 2771890A1 EP 12787404 A EP12787404 A EP 12787404A EP 2771890 A1 EP2771890 A1 EP 2771890A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
esd protection
inner electrode
component
led
base body
Prior art date
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Ceased
Application number
EP12787404.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Feichtinger
Oliver Dernovsek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2771890A1 publication Critical patent/EP2771890A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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    • H01L23/62—Protection against overvoltage, e.g. fuses, shunts
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    • H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
    • H01L33/647—Heat extraction or cooling elements the elements conducting electric current to or from the semiconductor body

Definitions

  • An ESD protection component is specified. Furthermore, a component is specified which comprises an LED and an ESD protection component.
  • electrical component assembly comprising a semiconductor device and a varistor body for protecting the semiconductor device from electrostatic discharges.
  • An object to be solved is to provide an ESD protection device with improved properties. Another object is to provide a device with an LED and an improved ESD protection device.
  • the ESD protection device comprises a ceramic material.
  • ESD electrostatic discharge
  • the ESD protection device may also serve to protect other components from overcurrent.
  • the ESD protection device is designed to protect an LED.
  • LED stands for "light
  • the ESD protection component is preferably designed as an ultra-thin protection component.
  • the ESD protection component preferably has a height of between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m, in particular between 70 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the ESD protection device has a height of 80ym.
  • a component with this height can be installed to save space.
  • the lower occurs in an arrangement of the ESD protection component next to an LED, the lower occurs
  • the ceramic material preferably has a varistor ceramic or consists of a varistor ceramic.
  • the ceramic material in particular the
  • Varistor ceramic a ZnO-Bi-Sb material on or a ZnO-Pr material or consists of a ZnO-Bi-Sb material or a ZnO-Pr material. With these ceramics, it is preferable to achieve a particularly thin component with a high strength.
  • the ceramic of the ESD protection device comprises a composite of a varistor material and a metal, or consists of a composite of a varistor material or a metal.
  • the metal influences the resistance of the varistor ceramic.
  • the ESD protection component preferably has a base body.
  • the base body preferably has an underside.
  • the underside of the base body of the ESD protection component is the side which, in a mounted state of the ESD protection component, faces the support on a carrier.
  • the main body can be a layer stack, in particular a Stack of dielectric layers having.
  • Dielectric layers preferably have the following properties:
  • the main body of the ESD protection component is formed by a monolithic sintered body.
  • a contact is arranged on the underside of the base body.
  • the base body Preferably, the
  • the contact elements On contact surfaces.
  • Main body of the ESD protection component in particular with a printed circuit board formed.
  • the contact elements are directly on the
  • the contact elements are arranged at a distance from one another. Preferably, over the
  • the ESD protection component preferably has a BGA termination.
  • BGA ball grid array
  • solder is provided in the form of solder balls, "balls," on a component
  • Lotmaterial also be provided in the form of partial spheres, for example, hemispherical.
  • the BGA termination is arranged on a lower side of the ESD protection component.
  • the solder balls are preferably arranged in a structured manner.
  • the solder balls are arranged in the form of a uniform grid having columns and rows.
  • the solder balls are arranged in the form of a uniform grid having columns and rows.
  • the ESD protection device has an LGA termination.
  • LGA stands for "land grid array”, i.
  • the pads are arranged in the form of a uniform grid having columns and rows on the ESD protection device.
  • the ESD protection component can be soldered to a carrier, in which case, unlike the BGA termination before soldering solder material on the carrier, in particular to solder balls remelted
  • the ESD protection component preferably has at least one floating inner electrode.
  • the floating inner electrode is not intended for external contact.
  • a Floating inner electrode extends, for example, on any side to the outside of a body.
  • the floating inner electrode serves for
  • Inner electrode no further inner electrode.
  • such an inner electrode is also referred to as a first floating inner electrode.
  • the first floating inner electrode for example, the
  • Basic body of the ESD protection device determined.
  • Basic body is. Preferably takes place from reaching the
  • Breakdown voltage is a current flow over the floating
  • the ESD protection device has exactly one floating inner electrode.
  • the ESD protection component has exactly two floating internal electrodes.
  • a first and a second floating inner electrode are arranged one above the other.
  • a distance of the second floating inner electrode to the underside of the base body of the ESD protection component is greater than a distance of the first floating inner electrode to the underside of the main body of the ESD protection component.
  • the second floating inner electrode mainly serves the symmetry of the device.
  • the second inner electrode can serve a To prevent sintering distortion of the component, so that the component has in particular planar side surfaces.
  • the ESD protection component to a base body which is constructed symmetrically.
  • the base body is constructed symmetrically with respect to the arrangement of the internal electrodes.
  • Inner electrode which has a certain distance to the bottom of the body, also a floating
  • Inner electrode which has the same distance to the top of the body. If the inner electrode runs precisely in the middle between the upper and lower side, no further corresponding inner electrode must be present.
  • the base body can be constructed symmetrically with respect to a plane of symmetry which runs parallel to the underside of the base body.
  • the plane of symmetry runs centrally through the main body. In this way it can be achieved, for example, that the main body even with a very thin
  • the base body has exactly two, exactly four or exactly eight floating inner electrodes, wherein the inner electrodes are arranged symmetrically with respect to the plane of symmetry.
  • the base body has an odd number of internal electrodes, one of the
  • the first, ie, lowest inner electrode contributes to the ESD protection function of Component, while the other internal electrodes are used for mechanical stabilization of the device.
  • Rotation axis that runs parallel to the bottom and perpendicular to the longitudinal axis of the body.
  • Inner electrode two ceramic grains. At a distance of two grains, one also speaks of a 1-grain boundary design. For example, can be achieved by the 1- grain boundary design ultra-thin design of the ESD protection device. For example, the distance of the first floating inner electrode of the
  • the distance of the first floating inner electrode from the underside of the main body of the ESD protection component is about 8ym. In a further embodiment, the distance
  • Ceramic grains Clearance of significantly more than two ceramic grains, for example 80 ceramic grains, allows the use of the ESD protection device at higher voltages, up to high voltage applications.
  • the active volume which is primarily critical to the functionality of the ESD protection device, is preferably located between the bottom of the body of the ESD protection device and the first floating one
  • the active volume preferably influences the breakdown voltage of the ESD protection component, while a volume above the first floating inner electrode, in particular a second floating inner electrode, has no influence on the breakdown voltage.
  • the distance between the first floating inner electrode and an optional, second floating inner electrode is greater than the distance between the first floating inner electrode and the underside of the main body of the ESD protection device.
  • the ESD protection component comprises a base body having a lower side, on which a contact is arranged, a first floating inner electrode and a second, floating inner electrode adjacent thereto, wherein the distance between the first
  • Inner electrode is greater than the distance between the first floating inner electrode and the underside of the
  • the ESD protection component comprises a base body with a lower side, wherein the base body has a ceramic material and at least one floating inner electrode, wherein the distance
  • the distance is two ceramic grains.
  • the ESD protection device comprises a ceramic material and a BGA or LGA termination.
  • a component is specified with a base body on which an LED and an ESD protection component are arranged.
  • the ESD protection component is preferably designed as previously described.
  • the LED and the ESD protection component are preferably arranged on the base body of the component.
  • the basic body of the component is also referred to below as a carrier.
  • the LED and the ESD protection component are arranged on an upper side of the base body.
  • the LED and the ESD protection device are arranged at a distance from one another.
  • the overall height of the component can preferably be kept low.
  • the overall height of the LED can be kept low, without shadowing of the LED by the ESD protection component occurs.
  • the main body of the component preferably serves as a carrier for the LED and the ESD protection component.
  • the base body serves as a heat-dissipating carrier for the LED and the ESD protection component.
  • the main body having electrical contacts for electrical contacting of the LED and the ESD protection device.
  • the main body of the component preferably comprises a ceramic material or consists of a ceramic material.
  • the main body of an LTCC material where LTCC for low temperature cofired ceramic is (in German: low-temperature ceramics).
  • the base body has at least one of
  • the body has a
  • organic material or consists of an organic material.
  • the base body on a metallic material.
  • the main body of one of the materials aluminum or copper.
  • said materials have a good thermal conductivity.
  • the base body is formed as an insulating base body.
  • the base body is formed as an insulating base body.
  • Body electrically insulating.
  • the base body which faces the LED and the ESD protection component, is electrically insulating.
  • the main body to a metal, wherein the metal with an electrically insulating layer
  • the base body is coated on at least one of the LED and the ESD protection component side facing the electrically insulating layer.
  • the electrically insulating layer is electrically insulating.
  • Alumina on or consists of alumina is alumina.
  • Basic body of a metal and an electric insulating layer can be considered as an insulating body.
  • the base body has a good
  • the main body may contain metal particles.
  • the metal particles for example, the thermal conductivity of the body can be further improved.
  • the main body has, for example, the shape of a plate.
  • the base body has at least one via.
  • Via stands for “vertical interconnect access” and denotes a plated-through hole, preferably the at least one via runs perpendicular to a surface of the main body.
  • the base body has a plurality of vias.
  • the base body has at least one thermal via.
  • the at least one thermal vias serves to improve the thermal conductivity.
  • the base body comprises a ceramic material and thermal vias or consists of a ceramic material and thermal vias.
  • the main body comprises an organic material and thermal vias or consists of an organic material and thermal vias.
  • heat is removed from the LED via the thermal vias.
  • heat is dissipated from the LED to a housing of the device.
  • a improves
  • a metallization is arranged on an underside of the main body of the component.
  • the underside of the base body is preferably the side facing away from the LED and the ESD protection component.
  • the metallization is arranged in the form of two contact surfaces on the underside.
  • the two contact surfaces are arranged side by side, with a distance from one another.
  • the base body has electrical vias.
  • the base body has two electrical vias.
  • the electrical vias serve to electrically contact the LED and the ESD protection component.
  • the electrical vias connect the top of the body with the metallization on the bottom.
  • the electrical vias connect the LED and the ESD protection device directly or indirectly to the
  • electrical conductor tracks are arranged on an upper side of the main body.
  • the electrical conductors can each multiply
  • the electrical circuitry be arranged for example by screen printing on the body.
  • the electrical circuitry for example, the electrical circuitry, the electrical circuitry, and the electrical circuitry.
  • the electrical interconnects preferably connect the LED and the ESD protective component via the electrical vias to the metallization of the main body of the component.
  • the LED and the ESD protection component are contacted on the base body by means arranged on the base body electrical conductor tracks.
  • the LED and the ESD protection device are via the electrical
  • the ESD protection component is contacted to the LED in parallel.
  • the LED preferably has on its underside a
  • the metallization of the LED is contacted with the applied on the base body electrical conductor tracks or with an electrical feedthrough.
  • the LED and the ESD protection component are arranged in a Flipchipbauweise on the base body.
  • a component is mounted directly on a carrier, with no contact wires, with a contacting side facing downwards.
  • the contacting side is the side on which the contacting provided for the electrical contacting of the component is arranged, in particular the underside of the component.
  • a BGA or LGA termination is arranged on the contacting side.
  • the BGA or LGA termination allows a mechanical and electrical connection of the LED and the ESD protection device to the main body in flip-chip design.
  • the LED comprises at least one of the following materials: gallium phosphide (GaP), gallium nitride (GaN), gallium arsenic phosphide (GaAsP), aluminum gallium indium phosphide (AlGalnP), aluminum gallium phosphide (AlGaP),
  • GaP gallium phosphide
  • GaN gallium nitride
  • GaAsP gallium arsenic phosphide
  • AlGalnP aluminum gallium indium phosphide
  • AlGaP aluminum gallium phosphide
  • Aluminum gallium arsenide AlGaAs
  • indium gallium nitride InGaN
  • aluminum nitride AlN
  • AlGaN aluminum gallium indium nitride
  • AlGalnN aluminum gallium indium nitride
  • the ESD protection component is preferably used to protect the LED from overvoltages.
  • the ESD protection device has a resistance that starts at a
  • the resistance of the ESD protection component is designed such that the risk of damage to the LED is reduced by an overvoltage.
  • the breakdown voltage of the ESD protection device is between 7 and 8V.
  • the breakdown voltage between 7 and 8V can be achieved by the single-grain boundary design.
  • the component has a thermal sensor.
  • the thermal sensor Preferably, the thermal
  • the thermal sensor has NTC properties.
  • NTC stands for "negative temperature coefficient”. That is, the thermal sensor conducts electricity better at high temperatures than at low temperatures.
  • the thermal sensor contributes to the regulation of a control current of the LED, so that it can be operated gently.
  • the control of the control current is preferably carried out such that the LED is not exposed to power surges, or is operated under the most constant alternating current.
  • the device has an overcurrent protection.
  • the overcurrent protection is connected to the LED.
  • PTC positive temperature coefficient
  • Figure 1A is an ESD protection device on a support in a
  • FIG. 1B shows a detail of the ESD protection device
  • FIG. 1A in a sectional view
  • FIG. 2 shows a component with an LED and an ESD protection component according to FIG. 1A on a support in a sectional representation
  • FIG. 3 shows a component with an LED and an ESD protection component according to FIG. 1A on a carrier with thermal vias in the carrier in a sectional illustration
  • FIG. 4 shows a component with an LED, an ESD protection component and a thermal sensor a carrier with thermal vias in the carrier in
  • FIG. 5 shows a component with an LED, an ESD
  • FIG. 6 shows a wafer for the production of ESD
  • FIG. 1A shows an ESD protection component 3 for protection against electrostatic discharges.
  • the ESD protection component 3 is arranged on a carrier 1.
  • the ESD protection device 3 comprises a ceramic material.
  • the ESD protection device 3 comprises a ZnO-Pr material.
  • ZnO-Pr has a high strength, therefore, with a ZnO-Pr material very thin, planar components can be produced.
  • the ESD protection device 3 may comprise, for example, a ZnO-Bi-Sb material.
  • the ESD protection component 3 has a main body 21 with a bottom 12.
  • the underside 12 of the ESD protection component 3 is preferably a side facing the carrier 1.
  • the carrier 1 is preferably a
  • two floating internal electrodes 4a, 4b are arranged one above the other.
  • the floating inner electrodes 4a, 4b do not extend on either side to an outer side of the ESD protection component 3.
  • the floating inner electrodes 4a, 4b preferably comprise a metallic material, For example, they have silver-palladium or consist of silver-palladium.
  • the BGA termination 22 comprises two contact elements 22a, 22b.
  • the contact elements 22a, 22b have contact surfaces 6a, 6b.
  • the contact surfaces 6a, 6b have, for example, the materials Cu / Ni / Au, Cr / Ni / Au or Cr / Cu / Ni / Au or consist of these materials.
  • a contact surface 6a, 6b has a width 19 of 200 ym.
  • a contact surface 6a, 6b has a depth of 150 ym.
  • solder balls for soldering the ESD protection component 3 are applied before the soldering of the ESD protection component 3.
  • Figure 1A the ESD protection device is shown after soldering with a carrier 1, wherein the solder balls to a
  • the BGA termination 22 may include, for example, a SnAu solder material.
  • the ESD protection device may have LGA termination. In this case is to the
  • soldering no soldering material attached.
  • the solder material is applied to the LGA termination before soldering on the carrier 1 and remelted.
  • Inner electrode 4a and bottom 12 of the ESD protection device 3 is, for example, 7ym to 10ym.
  • the distance 16 is 8 ym. This matches with a distance of two ceramic grains, in particular 2 ZnO-Pr grains. It is also called a 1-grain boundary design, as it is between the first floating
  • Inner electrode 4a and the bottom 12 of the main body 21 of the ESD protection device 3 is only a grain boundary.
  • the distance may also be greater than two ceramic grains, for example 10
  • the overall height 15 of the ESD protection component 3, including the BGA termination 22, is preferably 50 .mu.m to 150 .mu.m, particularly preferably 70 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the overall height 15 of the ESD protection component 3, including the BGA termination 22 is preferably 50 .mu.m to 150 .mu.m, particularly preferably 70 .mu.m to 100 .mu.m.
  • An active volume of the ESD protection component 3 is located between the first floating inner electrode 4a and the lower side 12 of the main body 21 of the ESD protection component 3.
  • the active volume is decisive for the functionality of the ESD protection component 3.
  • Ceramic material significantly determines the breakdown voltage of the ESD protection device. A distance 16 of two
  • Ceramic grains for example, corresponds to one
  • Breakdown voltage between 7 and 8V Breakdown voltage between 7 and 8V.
  • Breakdown voltage the resistance of the ESD protection component 3 preferably drops, so that, for example an occurring overcurrent can be derived via the ESD protection component 3.
  • Inner electrode 4b preferably serve only the symmetry of the device.
  • this symmetrical design of the ESD protection component 3 it is preferably achieved that the ESD protection component 3 shrinks less during sintering than in the case of an asymmetrical design and that the mechanical stability of the ESD protection component 3 is increased.
  • Inner electrode 4 a has preferably no or only a small ESD functionality in the ESD protection component 3.
  • the carrier 1 has, for example, a ceramic material or consists of a ceramic material.
  • the carrier 1 comprises alumina or
  • the carrier 1 a Aluminum nitride.
  • the carrier 1 a Aluminum nitride.
  • the carrier 1 has a high
  • the carrier 1 is formed as an insulating support.
  • at least a part of the carrier 1 is insulating.
  • FIG. 1B shows an enlarged detail of an ESD protection component 3 according to FIG. 1A in one embodiment
  • the ESD protection device 3 may be formed by the 1-grain boundary design ultrathin. In the section shown are the
  • Lotkugeln which are arranged in the BGA termination on the contact surface 6b, not shown.
  • FIG. 2 shows a component 20, wherein an LED 2 and an ESD protection component 3 designed according to FIG. 1 are arranged on a carrier 1.
  • the carrier 1 is also called
  • Base body of the device 20 denotes. Due to the ultra-thin design of the ESD protection device 3 occurs no or only a little shading of the LED 2 by the ESD protection device 3. As a result, the LED 2 may be flat, so that the height of the device 20 can be kept low.
  • the LED 2 and the ESD protection component 3 are arranged, for example, in a flip-chip design on the carrier 1.
  • the flip-chip design components are mounted directly on a base body without any additional connection wires. This leads to small dimensions of the arrangement and short
  • the LED 2 is connected via a metal contact 10, for example with electrical conductors (not
  • the ESD Protective component 3 is soldered to the carrier 1 by means of a BGA or LGA termination having contact elements 22a, 22b.
  • the carrier 1 preferably comprises a material which has a high thermal conductivity.
  • the carrier 1 comprises a ceramic material, a metallic or an organic material.
  • the basic body consists of a ceramic material or a
  • the base body comprises or consists of aluminum oxide or aluminum nitride
  • Alumina or aluminum nitride On the underside of the carrier 1, a metallization 8 is applied.
  • Metallization 8 is used for electrical connection of the
  • a reduced heat load can extend the life of a LED. For example, if the operating temperature of an LED is reduced by 20 ° C, the lifetime of the LED can be increased by a factor of 2.
  • FIG. 3 shows a similar arrangement as shown in FIG. 2 of an LED 2 and an ESD protection component 3 embodied according to FIG. 1 on a carrier 1.
  • thermal vias 9 are arranged in the carrier 1 in the exemplary embodiment shown in FIG. For example, several, z. B. three, thermal vias in the carrier 1. The thermal Vias 9 lead from the LED to the one on the bottom of the carrier 1.
  • the thermal vias for example, silver, copper or
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a
  • a thermal sensor 11 is arranged on the carrier 1.
  • the thermal sensor 11 is formed, for example, as an NTC element, d. H. It conducts electricity better at high temperatures than at low temperatures.
  • the thermal sensor 11 is preferably used to regulate the control current, so that the LED no
  • an overcurrent protection can be arranged on the carrier 1 (not shown).
  • Overcurrent protection is for example as a PTC element
  • Figure 5 shows an embodiment of a device 20, wherein an LED 2, an ESD protection device 3 and a
  • thermal sensor 11 are arranged on a Mél.
  • the carrier 1 is also used as the main body of the component 20 designated.
  • the thermal sensor 11 is formed, for example, as an NTC element.
  • the base body 1 has, for example, a metallic
  • the carrier 1 is coated on one side, which faces the LED 2 and the ESD protection device 3, with an electrically insulating layer 13.
  • the carrier 1 can be regarded as an insulating body.
  • the carrier 1 has, for example, aluminum or copper.
  • the electrically insulating layer 13 has, for example, a ceramic insulation layer or consists of a ceramic insulation layer.
  • the electrically insulating layer 13 comprises, for example, alumina or
  • Aluminum nitride or consists of aluminum oxide or aluminum nitride.
  • electrical conductor tracks not
  • the ESD protection device 3 and the thermal sensor 11 are arranged. Heat can be dissipated from the components to a housing particularly well via a metallic part of the carrier 1.
  • an overcurrent protection can be arranged on the carrier 1 (not shown).
  • FIG. 6 shows a wafer 18, which serves as substrate for
  • the wafer 18 shown in FIG. 6 is used to produce ESD protection components. From a wafer, several ESD protection components can be produced.
  • the ESD protection components are designed, for example, according to FIG. There are
  • the application of the contact surfaces 6a, 6b takes place, for example, by means of mask technology or stencil printing.
  • solder balls are applied to the contact surfaces 6a, 6b.
  • solder balls are preferably applied to the carrier prior to soldering.
  • the solder balls are, for example, between 100 nm and 200 ym high.
  • 18 ESD protection devices according to Figure 1 are produced from the wafer.

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Abstract

Es wird ein ESD-Schutzbauelement (3) aufweisend ein Keramikmaterial und eine BGA- oder LGA-Terminierung (22) angegeben. Des Weiteren wird ein ESD-Schutzbauelement (3) angegeben, umfassend einen Grundkörper (21) mit einer Unterseite (12), wobei der Grundkörper (21) ein Keramikmaterial aufweist, und mindestens eine schwebende Innenelektrode (4a), wobei ein Abstand (16) zwischen der Unterseite (12) und der schwebenden Innenelektrode (4a) zwei bis 100 Keramikkörner beträgt. Des Weiteren wird ein Bauelement (20) angegeben, umfassend einen Träger (1), auf dem eine LED (2) und ein ESD-Schutzbauelement (3) angeordnet sind, wobei das ESD-Schutzbauelement (3) wie vorher beschrieben ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
ESD-Schutzbauelement und Bauelement mit einem ESD- Schutzbauelement und einer LED
Es wird ein ESD-Schutzbauelement angegeben. Des Weiteren wird ein Bauelement angegeben, das eine LED und ein ESD- Schutzbauelement umfasst.
Die Druckschrift DE 10 2008 024 481 AI offenbart eine
elektrische Bauelementanordnung, die ein Halbleiterbauelement und einen Varistorkörper zum Schutz des Halbleiterbauelements vor elektrostatischen Entladungen aufweist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein ESD- Schutzbauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Bauelement mit einer LED und einem verbesserten ESD-Schutzbauelement anzugeben.
Es wird ein ESD-Schutzbauelement angegeben. Vorzugsweise weist das ESD-Schutzbauelement ein Keramikmaterial auf.
„ESD" steht im Folgenden für „electrostatic discharge", bzw. elektrostatische Entladung. Das bedeutet, das ESD- Schutzbauelement ist vorzugsweise zum Schutz anderer
Bauelemente, beispielsweise Halbleiterbauelemente, vor
Überspannungen ausgebildet. Das ESD-Schutzbauelement kann auch zum Schutz anderer Bauelemente vor Überstrom dienen. Beispielsweise ist das ESD-Schutzbauelement zum Schutz einer LED ausgebildet. „LED" steht im Folgenden für „Licht
emittierende Diode". Das ESD-Schutzbauelement ist vorzugsweise als ultradünnes Schutzbauelement ausgebildet. Vorzugsweise weist das ESD- Schutzbauelement eine Höhe zwischen 50 ym und 150 ym, insbesondere zwischen 70ym und lOOym, auf. Beispielsweise weist das ESD-Schutzbauelement eine Höhe von 80ym auf.
Vorzugsweise kann ein Bauelement mit dieser Höhe platzsparend verbaut werden. Zudem tritt bei einer Anordnung des ESD- Schutzbauelements neben einer LED eine umso geringere
Abschattung der LED auf je flacher das ESD Schutzbauelement ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist das Keramikmaterial eine Varistorkeramik auf oder besteht aus einer Varistorkeramik. Vorzugsweise weist das Keramikmaterial, insbesondere die
Varistorkeramik, ein ZnO-Bi-Sb Material auf oder ein ZnO-Pr- Material auf oder besteht aus einem ZnO-Bi-Sb-Material oder einem ZnO-Pr-Material . Mit diesen Keramiken kann vorzugsweise ein besonders dünnes Bauelement bei einer hohen Festigkeit erzielt werden.
Vorzugsweise weist die Keramik des ESD-Schutzbauelements ein Komposit aus einem Varistormaterial und einem Metall auf, oder besteht aus einem Komposit aus einem Varistormaterial oder einem Metall. Beispielsweise wird durch das Metall der Widerstand der Varistorkeramik beeinflusst.
Das ESD-Schutzbauelement weist vorzugsweise einen Grundkörper auf. Der Grundkörper weist vorzugsweise eine Unterseite auf. Die Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements ist die Seite, welche in einem montierten Zustand des ESD- Schutzbauelements auf einem Träger dem Träger zugewandt ist. Der Grundkörper kann einen Schichtstapel, insbesondere einen Stapel aus dielektrischen Schichten, aufweisen. Die
dielektrischen Schichten weisen vorzugsweise das
Keramikmaterial auf. Vorzugsweise wird der Grundkörper des ESD-Schutzbauelements durch einen monolithischen Sinterkörper gebildet.
Vorzugsweise ist auf der Unterseite des Grundkörpers eine Kontaktierung angeordnet. Vorzugsweise umfasst die
Kontaktierung zwei Kontaktelemente. Beispielsweise weisen die Kontaktelemente Kontaktflächen auf. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des
Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements , insbesondere mit einer Leiterplatte, ausgebildet. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente direkt auf dem
Grundkörper des ESD-Schutzbauelements angeordnet.
Vorzugsweise sind die Kontaktelemente mit einem Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise kann über die
Kontaktelemente bei Überschreitung einer zwischen den
Kontaktelementen anliegenden Spannung ein Stromfluss durch das ESD-Schutzbauelement stattfinden.
Vorzugsweise weist das ESD-Schutzbauelement eine BGA- Terminierung auf.
„BGA" steht im Folgenden für „ball grid array", d.h.,
Kugelgitteranordnung. Bei der BGA-Terminierung ist Lot beispielsweise in Form von Lotkugeln engl, „balls", auf einem Bauelement vorgesehen. Bei der BGA-Terminierung kann
Lotmaterial auch in Form von Teilkugeln, beispielsweise halbkugelförmig vorgesehen sein. Die BGA-Terminierung
ermöglicht ein besonders flaches Verlöten des ESD- Schutzbauelements auf einem Träger. Die Lotkugeln sind schon vor dem Verlöten des Bauelements auf dem Bauelement
vorhanden, insbesondere auf dem Bauelement umgeschmolzen, und bilden damit ein Teil des Bauelements. Vorzugsweise ist die BGA-Terminierung auf einer Unterseite des ESD-Schutzbauelements angeordnet. Die Lotkugeln sind vorzugsweise strukturiert angeordnet. Beispielsweise sind die Lotkugeln in Form eines gleichmäßigen Rasters aufweisend Spalten und Zeilen angeordnet. Vorzugsweise sind die
Lotkugeln besonders flach ausgebildet.
In einer alternativen Ausführungsform weist das ESD- Schutzbauelement eine LGA-Terminierung auf. „LGA" steht im Folgenden für „land grid array", d.h.,
Gitteranordnung von Kontaktflächen. Vorzugsweise sind die Kontaktflächen in Form eines gleichmäßigen Rasters aufweisend Spalten und Zeilen auf dem ESD-Schutzbauelement angeordnet. Auch bei einer LGA-Terminierung kann das ESD-Schutzbauelement auf einem Träger verlötet werden, wobei hier im Unterschied zur BGA-Terminierung vor dem Verlöten Lotmaterial auf dem Träger, insbesondere zu Lotkugeln umgeschmolzenes
Lotmaterial, angeordnet wird. Ein Vorteil von BGA- und LGA-Terminierungen ist es, dass keine zusätzlichen Anschlusspins zum Verlöten eines
Bauelements benötigt werden und dass die Verlötung besonders flach ausgebildet werden kann. Vorzugsweise weist das ESD-Schutzbauelement wenigstens eine schwebende Innenelektrode auf. Die schwebende Innenelektrode ist nicht für eine Kontaktierung nach außen vorgesehen. Eine schwebende Innenelektrode erstreckt sich beispielsweise auf keiner Seite bis zur Außenseite eines Grundkörpers.
Vorzugsweise dient die schwebende Innenelektrode zur
Abstimmung der Durchbruchspannung des ESD-Schutzbauelements . Vorzugsweise befindet sich zwischen der schwebenden
Innenelektrode keine weitere Innenelektrode. Im Folgenden wird eine derartige Innenelektrode auch als erste schwebende Innenelektrode bezeichnet. Beispielsweise wird die
Durchbruchspannung unter anderem von dem Abstand der
schwebenden Innenelektrode von der Unterseite des
Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements bestimmt. Vorzugsweise ist die Durchbruchspannung umso höher, je größer der Abstand der schwebenden Innenelektrode von der Unterseite des
Grundkörpers ist. Vorzugsweise findet ab Erreichen der
Durchbruchspannung ein Stromfluss über die schwebende
Innenelektrode statt.
Beispielsweise weist das ESD-Schutzbauelement genau eine schwebende Innenelektrode auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist das ESD- Schutzbauelement genau zwei schwebende Innenelektroden auf. Beispielsweise sind eine erste und eine zweite schwebende Innenelektrode übereinander angeordnet. Beispielsweise ist ein Abstand der zweiten schwebenden Innenelektrode zu der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements größer als ein Abstand der ersten schwebenden Innenelektrode zu der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements .
Beispielsweise dient die zweite schwebende Innenelektrode hauptsächlich der Symmetrie des Bauelements. Insbesondere kann die zweite Innenelektrode dazu dienen, einen Sinterverzug des Bauelements zu verhindern, so dass das Bauelement insbesondere ebene Seitenflächen aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das ESD- Schutzbauelement einen Grundkörper auf, der symmetrisch aufgebaut ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper hinsichtlich der Anordnung der Innenelektroden symmetrisch aufgebaut.
Vorzugsweise weist der Grundkörper zu jeder schwebenden
Innenelektrode, die einen bestimmten Abstand zur Unterseite des Grundkörpers aufweist, auch eine schwebende
Innenelektrode auf, die den gleichen Abstand zur Oberseite des Grundkörpers aufweist. Verläuft die Innenelektrode genau mittig zwischen Ober- und Unterseite muss keine weitere korrespondierende Innenelektrode vorhanden sein.
Insbesondere kann der Grundkörper symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene aufgebaut sein, die parallel zur Unterseite des Grundkörpers verläuft.
Insbesondere verläuft die Symmetrieebene mittig durch den Grundkörper. Auf diese Weise kann beispielsweise erreicht werden, dass der Grundkörper auch bei einer sehr dünnen
Ausführung mechanisch stabil ist. Beispielsweise weist der Grundkörper genau zwei, genau vier oder genau acht schwebende Innenelektroden auf, wobei die Innenelektroden symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper eine ungerade Anzahl von Innenelektroden auf, wobei eine der
Innenelektroden mittig zwischen Ober- und Unterseite
angeordnet ist. Vorzugsweise trägt nur die erste, d.h., unterste Innenelektrode zur ESD-Schutzfunktion des Bauelements bei, während die weiteren Innenelektroden zur mechanischen Stabilisierung des Bauelements dienen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Grundkörper
rotationssymmetrisch ausgeführt. Beispielsweise ist der
Grundkörper rotationssymmetrisch bezüglich einer
Rotationsachse, die parallel zur Unterseite und senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers verläuft. Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements und der schwebenden Innenelektrode, insbesondere der ersten schwebenden
Innenelektrode, zwei Keramikkörner. Bei einem Abstand von zwei Körnern spricht man auch von einem 1-Korngrenz-Design . Beispielsweise kann durch das 1- Korngrenz-Design eine ultradünne Ausbildung des ESD- Schutzbauelements erzielt werden. Beispielsweise beträgt der Abstand der ersten schwebenden Innenelektrode von der
Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements zwischen 7 ym und 10 ym. Beispielsweise beträgt der Abstand der ersten schwebenden Innenelektrode von der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements ca. 8ym. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Abstand
zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode und der
Unterseite des Grundkörpers zwischen zwei und 100
Keramikkörnern . Ein Abstand von deutlich mehr als zwei Keramikkörnern, beispielsweise von 80 Keramikkörnern, ermöglicht den Einsatz des ESD-Schutzbauelements bei höheren Spannungen, bis hin zu Hochspannungs-Anwendungen . Das aktive Volumen, welches für die Funktionalität des ESD- Schutzbauelements hauptsächlich entscheidend ist, befindet sich vorzugsweise zwischen der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements und der ersten schwebenden
Innenelektrode. Das aktive Volumen beeinflusst vorzugsweise die Durchbruchspannung des ESD-Schutzbauelements , während ein Volumen oberhalb der ersten schwebenden Innenelektrode, insbesondere eine zweite schwebende Innenelektrode, keinen Einfluss auf die Durchbruchspannung hat.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode und einer optional vorhandenen, zweiten schwebenden Innenelektrode größer als der Abstand zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode und der Unterseite des Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements .
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das ESD- Schutzbauelement einen Grundkörper mit einer Unterseite, auf der eine Kontaktierung angeordnet ist, eine erste schwebende Innenelektrode und eine dazu benachbarte, zweite schwebende Innenelektrode, wobei der Abstand zwischen der ersten
schwebenden Innenelektrode und der zweiten schwebenden
Innenelektrode größer ist als der Abstand zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode und der Unterseite des
Grundkörpers des ESD-Schutzbauelements .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das ESD-Schutzbauelement einen Grundkörper mit einer Unterseite, wobei der Grundkörper ein Keramikmaterial und mindestens eine schwebende Innenelektrode aufweist, wobei der Abstand
zwischen der Unterseite des Grundkörpers des ESD- Schutzbauelements und der schwebenden Innenelektrode zwischen zwei und 100 Keramikkörner beträgt. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwei Keramikkörner.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das ESD-Schutzbauelement ein Keramikmaterial und eine BGA- oder LGA-Terminierung .
Alle bevorzugten Ausführungsformen können die weiteren, vorher beschriebenen Merkmale aufweisen.
Des Weiteren wird ein Bauelement mit einem Grundkörper angegeben, auf dem eine LED und ein ESD-Schutzbauelement angeordnet sind. Das ESD-Schutzbauelement ist vorzugsweise wie vorher beschrieben ausgebildet.
Vorzugsweise sind die LED und das ESD-Schutzbauelement auf dem Grundkörper des Bauelements angeordnet. Der Grundkörper des Bauelements wird im Folgenden auch als Träger bezeichnet. Vorzugsweise sind die LED und das ESD-Schutzbauelement auf einer Oberseite des Grundkörpers angeordnet. Vorzugsweise sind die LED und das ESD-Schutzbauelement in einem Abstand zueinander angeordnet.
Durch die ultradünne Ausbildung des ESD-Schutzbauelements kann vorzugsweise die Bauhöhe des Bauelements gering gehalten werden. Insbesondere kann die Bauhöhe der LED gering gehalten werden, ohne dass eine Abschattung der LED durch das ESD- Schutzbauelement auftritt.
Der Grundkörper des Bauelements dient vorzugsweise als Träger für die LED und das ESD-Schutzbauelement . Vorzugsweise dient der Grundkörper als wärmeableitender Träger für die LED und das ESD-Schutzbauelement . Zusätzlich kann der Grundkörper elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung der LED und des ESD-Schutzbauelements aufweisen.
Der Grundkörper des Bauelements weist vorzugsweise ein keramisches Material auf oder besteht aus einem keramischen Material. Beispielsweise weist der Grundkörper ein LTCC- Material auf, wobei LTCC für low temperature cofired ceramic steht (auf Deutsch: Niedertemperatur-Einbrand-Keramik) .
Vorzugsweise weist der Grundkörper mindestens eines der
Materialien Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid auf oder besteht aus einem der Materialien Aluminiumoxid oder
Aluminiumnitrid. Alternativ weist der Grundkörper ein
organisches Material auf oder besteht aus einem organischen Material. Alternativ weist der Grundkörper ein metallisches Material auf. Beispielsweise weist der Grundkörper eines der Materialien Aluminium oder Kupfer auf. Vorzugsweise weisen die genannten Materialien eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
Vorzugsweise ist der Grundkörper als isolierender Grundkörper ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des
Grundkörpers elektrisch isolierend. Beispielsweise ist zumindest ein Teil des Grundkörpers, der der LED und dem ESD- Schutzbauelement zugewandt ist, elektrisch isolierend.
Beispielsweise weist der Grundkörper ein Metall auf, wobei das Metall mit einer elektrisch isolierenden Schicht
überzogen ist. Beispielsweise ist der Grundkörper wenigstens auf einer der LED und dem ESD-Schutzbauelement zugewandten Seite mit der elektrisch isolierenden Schicht überzogen.
Beispielsweise weist die elektrisch isolierende Schicht
Aluminiumoxid auf oder besteht aus Aluminiumoxid. Der
Grundkörper aus einem Metall und einer elektrisch isolierenden Schicht kann als isolierender Grundkörper betrachtet werden.
Vorzugsweise weist der Grundkörper eine gute
Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise kann der Grundkörper Metallpartikel enthalten. Durch die Metallpartikel kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers zusätzlich verbessert werden.
Der Grundkörper weist beispielsweise die Form einer Platte auf .
Vorzugsweise weist der Grundkörper mindestens ein Via auf. Via steht für „vertical interconnect access" und bezeichnet eine Durchkontaktierung . Vorzugsweise verläuft das mindestens eine Via senkrecht zu einer Oberfläche des Grundkörpers.
Vorzugsweise weist der Grundkörper mehrere Vias auf.
Vorzugsweise weist der Grundkörper wenigstens ein thermisches Via auf. Vorzugsweise dient das mindestens eine thermische Vias zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise weist der Grundkörper ein keramisches Material und thermische Vias auf oder besteht aus einem keramischen Material und thermischen Vias. Beispielsweise weist der Grundkörper ein organisches Material und thermische Vias auf oder besteht aus einem organischen Material und thermischen Vias. Vorzugsweise wird über die thermischen Vias Wärme von der LED abgeführt. Beispielsweise wird Wärme von der LED zu einem Gehäuse des Bauelements abgeführt. Vorzugsweise verbessert ein
thermisches Via die Wärmeleitfähigkeit von der LED zu einem Gehäuse und führt somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer der LED. Vorzugsweise ist auf einer Unterseite des Grundkörpers des Bauelements eine Metallisierung angeordnet. Die Unterseite des Grundkörpers ist vorzugsweise die der LED und dem ESD- Schutzbauelement abgewandte Seite. Vorzugsweise dient die Metallisierung der elektrischen Kontaktierung des
Bauelements. Vorzugsweise ist die Metallisierung in Form von zwei Kontaktflächen auf der Unterseite angeordnet.
Vorzugsweise sind die zwei Kontaktflächen nebeneinander, mit einem Abstand zueinander, angeordnet.
Vorzugsweise weist der Grundkörper elektrische Vias auf.
Vorzugsweise weist der Grundkörper zwei elektrische Vias auf. Vorzugsweise dienen die elektrischen Vias der elektrischen Kontaktierung der LED und des ESD-Schutzbauelements .
Vorzugsweise verbinden die elektrischen Vias die Oberseite des Grundkörpers mit der Metallisierung auf der Unterseite. Vorzugsweise verbinden die elektrischen Vias die LED und das ESD-Schutzbauelement direkt oder indirekt mit der
Metallisierung .
In einer weiteren Ausführungsform sind auf einer Oberseite des Grundkörpers elektrische Leiterbahnen angeordnet. Die elektrischen Leiterbahnen können jeweils mehrfach
richtungsändernde Verläufe aufweisen bzw. als flächige, geometrische Muster realisiert sein. Sie können
beispielsweise mittels Siebdruckens auf den Grundkörper angeordnet sein. Beispielsweise sind die elektrischen
Leiterbahnen über die elektrischen Durchkontaktierungen mit der Metallisierung auf der Unterseite des Grundkörpers in Kontakt. Vorzugsweise verbinden die elektrischen Leiterbahnen die LED und das ESD Schutzbauelement über die elektrischen Vias mit der Metallisierung des Grundkörpers des Bauelements. Beispielsweise sind die LED und das ESD-Schutzbauelement auf dem Grundkörper mittels der auf dem Grundkörper angeordneten elektrischen Leiterbahnen kontaktiert. Alternativ sind die LED und das ESD-Schutzbauelement über die elektrischen
Durchkontaktierungen direkt mit der Metallisierung
kontaktiert. In dieser Ausführungsform sind keine
elektrischen Leiterbahnen notwendig. Vorzugsweise ist das ESD-Schutzbauelement zur LED parallel kontaktiert.
Die LED weist vorzugsweise auf ihrer Unterseite eine
Metallisierung auf. Vorzugsweise ist die Metallisierung der LED mit den auf dem Grundkörper aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen oder mit einer elektrischen Durchkontaktierung kontaktiert .
Vorzugsweise sind die LED und das ESD-Schutzbauelement in einer Flipchipbauweise auf dem Grundkörper angeordnet. Bei der Flipchip-Montage wird ein Bauelement direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, mit einer Kontaktierungsseite nach unten auf einem Träger montiert. Die Kontaktierungsseite ist die Seite, auf der die zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements vorgesehene Kontaktierung angeordnet ist, insbesondere die Unterseite des Bauelements. Vorzugsweise ist eine BGA- oder LGA-Terminierung auf der Kontaktierungsseite angeordnet.
Vorzugsweise ermöglicht die BGA- oder LGA-Terminierung eine mechanische und elektrische Verbindung der LED und des ESD- Schutzbauelements mit dem Grundkörper in Flipchipbauweise.
Vorzugsweise weist die LED mindestens eines der folgenden Materialien auf: Galliumphosphid (GaP) , Galliumnitrid (GaN) , Galliumarsenphosphid (GaAsP) , Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGalnP) , Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) ,
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) , Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumnitrid (A1N) , Aluminiumgalliumnitrid
(AlGaN) , Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGalnN) oder
Zinkselenid (ZnSe) . Das ESD-Schutzbauelement dient vorzugsweise zum Schutz der LED vor Überspannungen. Vorzugsweise weist das ESD- Schutzbauelement einen Widerstand auf, der ab einer
Durchbruchspannung stark abnimmt, so dass bei einer
Überspannung ein Strom über das ESD-Schutzbauelement
abgeführt werden kann. Insbesondere ist der Widerstand des ESD-Schutzbauelements derart ausgebildet, dass die Gefahr einer Beschädigung der LED durch eine Überspannung reduziert wird. Beispielsweise beträgt die Durchbruchspannung des ESD- Schutzbauelements zwischen 7 und 8V. Vorzugsweise kann die Durchbruchspannung zwischen 7 und 8V durch das 1- Korngrenzdesign erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Bauelement einen thermischen Sensor auf. Vorzugsweise ist der thermische
Sensor mit der LED verschaltet. Beispielsweise verfügt der thermische Sensor über NTC-Eigenschaften . „NTC" steht für „negative temperature coefficient" . Das heißt, der thermische Sensor leitet Strom bei hohen Temperaturen besser als bei niedrigen Temperaturen.
Vorzugsweise trägt der thermische Sensor zur Regulierung eines Steuerstroms der LED bei, so dass diese schonend betrieben werden kann. Die Regulierung des Steuerstroms erfolgt vorzugsweise derart, dass die LED keinen Stromstößen ausgesetzt wird, bzw. unter möglichst konstantem Wechselstrom betrieben wird. In einer weiteren Ausführungsform weist das Bauelement einen Überstromschutz auf. Vorzugsweise ist der Überstromschutz mit der LED verschaltet. Beispielsweise verfügt der
Überstromschutz über PTC-Eigenschaften . „PTC" steht für „positive temperature coefficient" . Das heißt, der
Überstromschutz leitet Strom bei niedrigen Temperaturen besser als bei hohen Temperaturen.
Im Folgenden werden ein ESD-Schutzbauelement sowie
verschiedene Anordnungen mit einer LED und einem ESD- Schutzbauelement anhand von schematischen und nicht
maßstabsgetreuen Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1A ein ESD-Schutzbauelement auf einem Träger in einer
Schnittdarstellung,
Figur 1B einen Ausschnitt aus dem ESD-Schutzbauelement aus
Figur 1A in einer Schnittdarstellung,
Figur 2 ein Bauelement mit einer LED und einem ESD- Schutzbauelement gemäß Figur 1A auf einem Träger in einer Schnittdarstellung,
Figur 3 ein Bauelement mit einer LED und einem ESD- Schutzbauelement gemäß Figur 1A auf einem Träger mit thermischen Vias in dem Träger in einer Schnittdarstellung,
Figur 4 ein Bauelement mit einer LED, eines ESD- Schutzbauelements und eines thermischen Sensors auf einem Träger mit thermischen Vias in dem Träger in
Schnittdarstellung,
Figur 5 ein Bauelement mit einer LED, einem ESD-
Schutzbauelements und einem thermischen Sensor auf einem metallischen Träger in einer
Schnittdarstellung,
Figur 6 einen Wafer zur Herstellung von ESD-
Schutzbauelementen gemäß Figur 1A.
Figur 1A zeigt ein ESD-Schutzbauelement 3 zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen. Das ESD-Schutzbauelement 3 ist auf einem Träger 1 angeordnet. Das ESD-Schutzbauelement 3 weist ein Keramikmaterial auf. Beispielsweise weist das ESD- Schutzbauelement 3 ein ZnO-Pr-Material auf. ZnO-Pr weist eine hohe Festigkeit auf, daher können mit einem ZnO-Pr-Material sehr dünne, planare Bauelemente hergestellt werden.
Alternativ kann das ESD-Schutzbauelement 3 beispielsweise ein ZnO-Bi-Sb-Material aufweisen.
Das ESD-Schutzbauelement 3 weist einen Grundkörper 21 mit einer Unterseite 12 auf. Die Unterseite 12 des ESD- Schutzbauelements 3 ist vorzugsweise eine dem Träger 1 zugewandte Seite. Der Träger 1 ist vorzugsweise ein
Grundkörper eines Bauelements.
Im Grundkörper 21 des ESD-Schutzbauelements 3 sind zwei schwebende Innenelektroden 4a, 4b übereinander angeordnet. Die schwebenden Innenelektroden 4a, 4b erstrecken sich auf keiner Seite bis zu einer Außenseite des ESD- Schutzbauelements 3. Die schwebenden Innenelektroden 4a, 4b weisen vorzugsweise ein metallisches Material auf, beispielsweise weisen sie Silber-Palladium auf oder bestehen aus Silber-Palladium.
Auf der Unterseite 12 des ESD-Schutzbauelements 3 ist eine Kontaktierung in Form einer BGA-Terminierung 22 angeordnet. Die BGA-Terminierung 22 umfasst zwei Kontaktelemente 22a, 22b. Die Kontaktelemente 22a, 22b weisen Kontaktflächen 6a, 6b auf. Die Kontaktflächen 6a, 6b weisen beispielsweise die Materialien Cu/Ni/Au, Cr/Ni/Au oder Cr/Cu/Ni/Au auf oder bestehen aus diesen Materialien. Beispielsweise weist eine Kontaktfläche 6a, 6b eine Breite 19 von 200 ym auf.
Beispielsweise weist eine Kontaktfläche 6a, 6b eine Tiefe von 150 ym auf. Auf den Kontaktflächen 6a, 6b des ESD-Schutzbauelements 3 sind vor dem Verlöten des ESD-Schutzbauelements 3 Lotkugeln zum Verlöten des ESD-Schutzbauelements 3 aufgebracht. In Figur 1A ist das ESD-Schutzbauelement nach dem Verlöten mit einem Träger 1 gezeigt, wobei die Lotkugeln zu einer
Lotschicht 5 umgeschmolzen sind. Die BGA-Terminierung 22 kann beispielsweise ein SnAu-Lotmaterial aufweisen.
Alternativ kann dass ESD-Schutzbauelement eine LGA- Terminierung aufweisen. In diesem Fall ist an den
Kontaktflächen 6a, 6b des ESD-Schutzbauelements vor dem
Verlöten kein Lotmaterial angebracht. Das Lotmaterial wird bei der LGA-Terminierung vor dem Verlöten auf dem Träger 1 aufgebracht und umgeschmolzen. Ein Abstand 16 zwischen der ersten, unteren schwebenden
Innenelektrode 4a und der Unterseite 12 des ESD- Schutzbauelements 3 beträgt beispielsweise 7ym bis 10ym.
Beispielsweise beträgt der Abstand 16 8 ym. Dies entspricht einem Abstand von zwei Keramikkörnern, insbesondere von 2 ZnO-Pr-Körnern . Man spricht auch von einem 1-Korngrenz- Design, da sich zwischen der ersten schwebenden
Innenelektrode 4a und der Unterseite 12 des Grundkörpers 21 des ESD-Schutzbauelements 3 nur eine Korngrenze befindet. Je nach dem gewünschten Spannungsbereich kann der Abstand auch größer als zwei Keramikkörner, beispielsweise 10
Keramikkörner, sein. Durch das 1-Korngrenz-Design kann ein ultradünnes Design des ESD-Schutzbauelements 3 realisiert werden. Die Bauhöhe 15 des ESD-Schutzbauelements 3 beträgt einschließlich der BGA- Terminierung 22 vorzugsweise 50 ym bis 150 ym, besonders bevorzugt 70 ym bis 100 ym. Beispielsweise beträgt die
Bauhöhe 15 des ESD-Schutzbauelements 3 einschließlich der BGA-Terminierung 80ym.
Ein aktives Volumen des ESD-Schutzbauelements 3 befindet sich zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode 4a und der Unterseite 12 des Grundkörpers 21 des ESD-Schutzbauelements 3. Das aktive Volumen ist für die Funktionalität des ESD- Schutzbauelements 3 maßgeblich. Der Abstand 16 zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode 4a und der Unterseite 12 in Kombination mit den Eigenschaften des verwendeten
Keramikmaterials bestimmt maßgeblich die Durchbruchspannung des ESD-Schutzbauelements . Ein Abstand 16 von zwei
Keramikkörnern entspricht beispielsweise einer
Durchbruchspannung zwischen 7 und 8V. Beispielsweise
entspricht ein Abstand 16 von zwei ZnO-Pr-Körnern einer
Durchbruchspannung von 7,2V. Bei Erreichen der
Durchbruchspannung fällt der Widerstand des ESD- Schutzbauelements 3 vorzugsweise ab, so dass beispielsweise ein auftretender Überstrom über das ESD-Schutzbauelement 3 abgeleitet werden kann.
Das über der ersten schwebenden Innenelektrode 4a angeordnete Keramikmaterial sowie die obere, zweite schwebende
Innenelektrode 4b dienen vorzugsweise lediglich der Symmetrie des Bauelements. Durch diese symmetrische Ausbildung des ESD- Schutzbauelements 3 wird vorzugsweise erreicht, dass sich das ESD-Schutzbauelement 3 beim Sintern weniger verzieht als bei einer unsymmetrischen Ausbildung und dass die mechanische Stabilität des ESD-Schutzbauelements 3 erhöht wird. Der
Bereich, der sich oberhalb der ersten schwebenden
Innenelektrode 4a befindet hat in dem ESD-Schutzbauelement 3 vorzugsweise keine oder nur eine geringe ESD-Funktionalität .
Der Träger 1 weist beispielsweise ein keramisches Material auf oder besteht aus einem keramischen Material.
Beispielsweise weist der Träger 1 Aluminiumoxid oder
Aluminiumnitrid auf oder besteht aus Aluminiumoxid oder
Aluminiumnitrid. Alternativ weist der Träger 1 ein
organisches Material auf oder besteht aus einem keramischen Material. Vorzugsweise weist der Träger 1 eine hohe
thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise ist der Träger 1 als isolierender Träger ausgebildet. Beispielsweise ist zumindest ein Teil des Trägers 1 isolierend. Beispielsweise ist zumindest ein Teil des Trägers 1, der dem ESD- Schutzbauelement 3 zugewandt, isolierend.
Auf dem Träger 1 sind beispielsweise elektrische Leiterbahnen (nicht dargestellt) zur Kontaktierung des ESD- Schutzbauelements 3 angeordnet. Figur 1B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem ESD- Schutzbauelement 3 gemäß Figur 1A in einer
Schnittdarstellung. In diesem Ausschnitt sind schematisch die Korngrenzen des Keramikmaterials dargestellt. Der Abstand 16 zwischen der Unterseite 12 des ESD-Schutzbauelements 3 und der ersten schwebenden Innenelektrode 4a beträgt
beispielsweise 8ym. Dieser Abstand 16 entspricht der
Korngröße zweier Keramikkörner. Dadurch ergibt sich zwischen der Unterseite 12 und der ersten schwebenden Innenelektrode 4a eine 1-Korngrenzschicht 14. Beispielsweise kann das ESD- Schutzbauelement 3 durch das 1-Korngrenzdesign ultradünn ausgebildet sein. In dem gezeigten Ausschnitt sind die
Lotkugeln, die bei der BGA-Terminierung auf der Kontaktfläche 6b angeordnet sind, nicht gezeigt.
Figur 2 zeigt ein Bauelement 20, wobei eine LED 2 und ein gemäß Figur 1 ausgebildetes ESD-Schutzbauelement 3 auf einem Träger 1 angeordnet sind. Der Träger 1 wird auch als
Grundkörper des Bauelements 20 bezeichnet. Aufgrund des ultradünnen Designs des ESD-Schutzbauelements 3 tritt keine oder nur eine geringe Abschattung der LED 2 durch das ESD- Schutzbauelement 3 auf. Dadurch kann auch die LED 2 flach ausgebildet sein, so dass die Bauhöhe des Bauelements 20 gering gehalten werden kann.
Die LED 2 und das ESD-Schutzbauelement 3 sind beispielsweise in einer Flip-Chip-Bauweise auf dem Träger 1 angeordnet. Bei der Flip-Chip-Bauweise werden Bauelemente direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, auf einem Grundkörper montiert. Dies führt zu geringen Abmessungen der Anordnung und kurzen
Leiterlängen. Die LED 2 steht über einen Metallkontakt 10 beispielsweise mit elektrischen Leiterbahnen (nicht
dargestellt) des Trägers 1 in Verbindung. Das ESD- Schutzbauelement 3 ist mittels einer BGA- oder einer LGA- Terminierung aufweisend Kontaktelemente 22a, 22b mit dem Träger 1 verlötet.
Der Träger 1 weist vorzugsweise ein Material auf, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise weist der Träger 1 ein keramisches Material, ein metallisches oder ein organisches Material auf. Beispielsweise besteht der Grundkörper aus einem keramischen Material oder einem
organischen Material. Beispielsweise weist der Grundkörper Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid auf oder besteht aus
Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Auf der Unterseite des Trägers 1 ist eine Metallisierung 8 aufgebracht. Die
Metallisierung 8 dient zum elektrischen Anschluss des
Bauelements 20.
Aufgrund der thermischen Leitfähigkeit des Trägers 1 kann eine Wärmeabfuhr von der LED 2 zu einem Gehäuse (nicht dargestellt) erfolgen. Durch eine reduzierte Wärmebelastung kann die Lebensdauer einer LED verlängert werden. Bei einer um 20° C reduzierten Betriebstemperatur einer LED kann die Lebensdauer der LED beispielsweise um den Faktor 2 erhöht werden .
Über der LED 2 und dem ESD-Schutzbauelement 3 ist eine
Schutzbeschichtung 7 aufgebracht.
Figur 3 zeigt eine ähnliche wie in Figur 2 gezeigte Anordnung einer LED 2 und eines gemäß Figur 1 ausgebildeten ESD- Schutzbauelements 3 auf einem Träger 1. Zusätzlich sind in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel thermische Vias 9 im Träger 1 angeordnet. Beispielsweise sind mehrere, z. B. drei, thermische Vias im Träger 1 angeordnet. Die thermischen Vias 9 führen von der LED zu der auf der Unterseite des
Trägers 1 aufgebrachten Metallisierung 8. Die thermischen Vias 9 weisen beispielsweise Silber, Kupfer oder
Silberpalladium auf oder bestehen aus Silber, Kupfer oder Silberpalladium. Durch den Einsatz dieser thermischen Vias 9 kann eine bessere Wärmeabfuhr von der LED 2 zu einem Gehäuse erreicht werden.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Bauelements 20, wobei eine LED 2, ein ESD-Schutzbauelement 3 und mehrere thermische Vias 9 ähnlich wie in Figur 3
beschrieben angeordnet sind. Zusätzlich ist ein thermischer Sensor 11 auf dem Träger 1 angeordnet. Der thermische Sensor 11 ist beispielsweise als NTC-Element ausgebildet, d. h. er leitet Strom bei hohen Temperaturen besser als bei niedrigen Temperaturen. Der thermische Sensor 11 dient vorzugsweise zur Regulierung des Steuerstroms, so dass die LED keinen
Stromstößen ausgesetzt wird. Vor dem Einschalten ist er kalt, leitet somit schlecht und verringert den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt er sich durch den Stromfluss und verliert seinen hohen Anfangswiderstand.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Überstromschutz auf dem Träger 1 angeordnet sein (nicht dargestellt) . Der
Überstromschutz ist beispielsweise als PTC-Element
ausgebildet, d. h. er leitet Strom bei niedrigen Temperaturen besser als bei hohen Temperaturen. Über den Bauelementen ist eine Schutzbeschichtung 7 aufgebracht. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 20, wobei eine LED 2, ein ESD-Schutzbauelement 3 und ein
thermischer Sensor 11 auf einem Trägerl angeordnet sind. Der Träger 1 wird auch als Grundkörper des Bauelements 20 bezeichnet. Der thermische Sensor 11 ist beispielsweise als NTC-Element ausgebildet.
Der Grundkörper 1 weist beispielsweise ein metallisches
Material auf. Der Träger 1 ist auf einer Seite, die der LED 2 und dem ESD-Schutzbauelement 3 zugewandt ist, mit einer elektrisch isolierenden Schicht 13 überzogen. Somit kann der Träger 1 als isolierender Grundkörper angesehen werden. Der Träger 1 weist beispielsweise Aluminium oder Kupfer auf. Die elektrisch isolierende Schicht 13 weist beispielsweise eine keramische Isolationsschicht auf oder besteht aus einer keramischen Isolationsschicht. Die elektrisch isolierende Schicht 13 weist beispielsweise Aluminiumoxid oder
Aluminiumnitrid auf, oder besteht aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Auf der elektrisch isolierende Schicht 13 sind vorzugsweise elektrische Leiterbahnen (nicht
dargestellt) zur Kontaktierung der Bauelemente der LED 2, des ESD-Schutzbauelements 3 und des thermischen Sensors 11 angeordnet. Über einen metallischen Teil des Trägers 1 kann vorzugsweise besonders gut Wärme von den Bauelementen zu einem Gehäuse abgeführt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Überstromschutz auf dem Träger 1 angeordnet sein (nicht dargestellt) . Über den
Bauelementen ist eine Schutzbeschichtung 7 aufgebracht.
Figur 6 zeigt einen Wafer 18, der als Substrat zur
Herstellung von elektronischen Bauteilen dient. Der in Figur 6 gezeigte Wafer 18 dient zur Herstellung von ESD- Schutzbauelementen. Aus einem Wafer lassen sich mehrere ESD- Schutzbauelemente herstellen. Die ESD-Schutzbauelemente sind beispielsweise gemäß Figur 1 ausgebildet. Dabei sind
Kontaktflächen 6a, 6b in gleichmäßigen Abständen schachbrettartig auf dem Wafer 18 aufgetragen. Das Auftragen der Kontaktflächen 6a, 6b erfolgt beispielsweise mittels Maskentechnik oder Schablonendruck. Bei einer BGA-Terminierung werden auf die Kontaktflächen 6a, 6b Lotkugeln aufgebracht. Bei einer LGA-Terminierung werden vorzugsweise vor dem Verlöten Lotkugeln auf den Träger aufgebracht. Die Lotkugeln sind beispielsweise zwischen 100 nm und 200 ym hoch. Beispielsweise werden aus dem Wafer 18 ESD-Schutzbauelemente gemäß Figur 1 hergestellt.
Bezugs zeichen
1 Träger
2 LED
3 ESD
4a erste schwebende Innenelektrode
4b zweite schwebende Innenelektrode
5 Lotschicht
6a Kontaktfläche
6b Kontaktfläche
7 Schutzbeschichtung
8 Metallisierung
9 Thermische Vias
10 Metallkontakt
11 Thermischer Sensor
12 Unterseite des ESD-Schutzbauelements
13 elektrisch isolierende Schicht
14 1-Korngrenzschicht
15 Bauhöhe des ESD-Schutzbauelements mit Kontaktierung 6a, 6b
16 Abstand einer Unterseite 12 des ESD-Schutzbauelements zu erster schwebender Innenelektrode 4a
17 Lotkörper
18 Wafer
19 Breite einer Kontaktierung 6a, 6b
20 Bauelement
21 Grundkörper des ESD-Schutzbauelements
22 BGA-Terminierung
22a Kontaktelement
22b Kontaktelement

Claims

Patentansprüche
1. ESD-Schutzbauelement (3), umfassend einen Grundkörper (21) mit einer Unterseite (12), wobei der Grundkörper (21) ein Keramikmaterial aufweist, und mindestens eine schwebende Innenelektrode (4a), wobei ein Abstand (16) zwischen der Unterseite (12) und der schwebenden Innenelektrode (4a) zwei bis 100 Keramikkörner beträgt.
2. ESD-Schutzbauelement nach Anspruch 1, bei dem der
Abstand (16) zwei Keramikkörner beträgt.
3. ESD-Schutzbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, aufweisend eine BGA- oder LGA-Terminierung (22) .
4. ESD-Schutzbauelement (3), umfassend ein Keramikmaterial und eine BGA- oder LGA-Terminierung (22) .
5. ESD-Schutzbauelement nach Anspruch 4, aufweisend
mindestens eine schwebende Innenelektrode (4a) .
6. ESD-Schutzbauelement nach Anspruch 5, aufweisend einen Grundkörper (21) mit einer Unterseite (12), wobei ein Abstand (16) zwischen der Unterseite (12) und der schwebenden
Innenelektrode (4a) zwei bis 100 Keramikkörner beträgt.
7. ESD-Schutzbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, umfassend eine zweite schwebende Innenelektrode (4b) , wobei ein Abstand zwischen der ersten schwebenden
Innenelektrode (4a) und der zweiten schwebenden
Innenelektrode (4b) größer ist als der Abstand (16) zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode (4a) und der Unterseite (12) des Grundkörpers (21) .
8. ESD-Schutzbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, aufweisend eine Kontaktierung zur elektrischen Kontaktierung des Grundkörpers (21), wobei die Kontaktierung auf der Unterseite (12) des Grundkörpers (21) angeordnet ist.
9. ESD-Schutzbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Grundkörper (21) symmetrisch bezüglich einer Ebene ausgebildet ist, die parallel zur Unterseite (12) des Grundkörpers (21) verläuft.
10. ESD-Schutzbauelement , umfassend einen Grundkörper (21) mit einer Unterseite (12), eine erste schwebende
Innenelektrode (4a) und eine dazu benachbarte, zweite
schwebende Innenelektrode (4b) , wobei der Abstand zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode (4a) und der zweiten schwebenden Innenelektrode (4b) größer ist als der Abstand (16) zwischen der ersten schwebenden Innenelektrode (4a) und der Unterseite (12) des Grundkörpers (21), und wobei eine Kontaktierung auf der Unterseite (12) des Grundkörpers (21) angeordnet ist.
11. ESD-Schutzbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem das Keramikmaterial ein ZnO-Bi-Sb-Material oder ZnO-Pr-Material aufweist oder aus einem ZnO-Bi-Sb- Material oder ZnO-Pr-Material besteht.
12. Bauelement (20) umfassend einen Träger (1), auf dem eine LED (2) und ein ESD-Schutzbauelement (3) angeordnet sind, wobei das ESD-Schutzbauelement (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
13. Bauelement nach Anspruch 12,
bei dem der Träger (1) ein keramisches Material oder ein organisches Material aufweist oder aus einem keramischen Material oder einem organischen Material besteht.
14. Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 13, bei dem der Träger (1) mindestens eine thermische Durchkontaktierung aufweist, welche senkrecht zu einer Oberfläche verläuft und die Wärmeleitfähigkeit von der LED (2) zu einem Gehäuse verbessert .
15. Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
bei dem der Träger (1) ein Metall aufweist, wobei das Metall mit einer elektrisch isolierenden Schicht (13) überzogen ist.
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