WO2004032249A2 - Optoelektronisches bauelement und bauelement-modul - Google Patents

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optoelectronic
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Patrick Kromotis
Ralf Mayer
Heinrich Noll
Matthias Winter
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
Siemens Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic component according to the preamble of claim 1 and a component module according to the preamble of claim 17.
  • Radiation-emitting semiconductor components can be arranged in a matrix in order to achieve a light-intensive overall module.
  • Such an arrangement referred to as an LED module, is known from DE 10051159 AI.
  • a plurality of optoelectronic semiconductor arrangements or semiconductor chips are mounted on a carrier, which in turn is arranged on a heat sink.
  • the heat generated can be dissipated.
  • the heat generated should not influence the electrical behavior of the semiconductor component, or should influence it only insignificantly.
  • this procedure reduces the efficiency of the overall module because of the absorption of radiation from neighboring semiconductor components.
  • the radiation and directional characteristics of the module can be improved, since radiation emitted laterally by the individual semiconductor components is at least partially deflected into the main emission direction.
  • a module with a high degree of efficiency and a very good directional characteristic can be composed of individual semiconductor components, which are each located in a single reflector. However, it is difficult here, together with a high packing density of the semiconductor components Obtain reflector in the overall module. The contacts of the semiconductor components prevent flexible interconnection and a high packing density.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an optoelectronic component and component module which enables a close arrangement of adjacent semiconductor components or optoelectronic semiconductor arrangements.
  • the object of the invention is to provide a semiconductor component with a contacting arrangement which enables the thermal line to be separated from the electrical line.
  • the invention provides an optoelectronic component with an electromagnetic radiation-emitting and / or receiving semiconductor arrangement which is arranged on a carrier which is thermally conductively connected to a heat sink. Bond wires connect the external electrical connections to the connections of the semiconductor arrangement. The external electrical connections are arranged in an electrically insulated manner on the heat sink at a distance from the carrier.
  • This procedure has the advantage that the electrical current flow does not run through the heat sink, which dissipates the heat generated during operation of the semiconductor component.
  • the carrier contains a carrier substrate and at least one electrically insulating layer arranged thereon.
  • the carrier material itself is electrically insulating. Then the semiconductor arrangement does not have to be insulated separately from the carrier and can be arranged on a conductive substrate without short-circuiting with one another or with the heat sink.
  • An electrically conductive layer which is connected to an external electrical connection, can be arranged between the semiconductor arrangement and the electrically insulating layer. This is particularly expedient for a semiconductor arrangement on a conductive substrate, because a connection of the semiconductor arrangement can be made over the electrically conductive layer by means of a bonding wire.
  • the external electrical connections contain conductor tracks on a printed circuit board.
  • the circuit board contains an insulating substrate with a conductor track and can therefore be applied directly to the heat sink.
  • a plurality of printed circuit boards can also be arranged one above the other, which are then also insulated from one another.
  • Conductor tracks that are interconnected on different printed circuit boards arranged one above the other by means of vias which can be connected further increases the flexibility of the connection of many optoelectronic components.
  • the carrier substrate has at least one highly thermally conductive material from the group consisting of Si, diamond-coated Si, diamond, SiC, AlN and BN.
  • the electrically insulating layer has Si0 2 . This is particularly advantageous when the carrier layer has silicon.
  • the semiconductor arrangement is applied to the carrier with the aid of a metallic solder or a thermally and / or electrically conductive adhesive.
  • the light emission can be adapted very well and individually to the chip if the basic housing contains exactly one semiconductor arrangement. Then the external efficiency of the semiconductor component does not decrease due to absorption of an adjacent semiconductor arrangement within the cavity.
  • the optoelectronic component according to the invention has a cavity or recess in the basic housing, in which the semiconductor arrangement emitting and / or receiving electromagnetic radiation is arranged.
  • the reflector is at least not realized solely by reflecting side surfaces of the cavity of the basic housing itself, but at least in part by a reflective filling compound filled into the cavity.
  • the material and the amount of the filling compound are selected such that the filling compound pulls up on these side surfaces during and / or after filling due to the adhesive force between the material of the filling compound and the material of the side surfaces of the cavity, and forms a parabolically shaped surface ,
  • This surface of the filling compound facing the front of the housing serves as a reflector surface for an electromagnetic radiation emitted and / or received by the semiconductor arrangement.
  • the cavity is partially filled with the filling compound, and due to the adhesive force between the filling compound and the basic housing, the filling compound automatically forms a concave surface in the cavity, since the filling compound creeps up on the lateral inner surfaces of the cavity of the basic housing.
  • the parabolic inner surfaces of the filling compound formed in this way form the reflector for the semiconductor arrangement inserted into the cavity.
  • reflector surfaces can also be produced by suitable metering of the filling compound in the cavity, even with very small openings in the cavities.
  • the side walls of the housing and the filling compound behave like a single reflector, which further improves the light emission performance.
  • the conductor tracks, wiring and the like are encased by the filling compound without impairing its functioning.
  • the base housing is formed obliquely on the inside facing the semiconductor arrangement, so that the base housing has a reflector surface for part of the radiation emitted by the semiconductor arrangement.
  • the filling compound is preferably Ti0 2 or an epoxy resin or silicone filled with Ti0 2 particles.
  • the cavity of the housing is at least partially filled with a radiation-permeable encapsulation compound.
  • a radiation-permeable encapsulation compound enables protection of the chip and its connections.
  • components with different colors can be produced if the chip and the encapsulation compound are selected accordingly.
  • white-emitting components have a GaN-based chip and an encapsulation compound that contains YAG: Ce particles.
  • This encapsulation compound can advantageously have epoxy resin or silicone.
  • silicone When using silicone, mechanical stresses in the semiconductor component or in a module consisting of individual semiconductor components can be reduced well.
  • the external connections are preferably arranged at least partially between the base housing and the heat sink. This enables a particularly space-saving connection of the optoelectronic components.
  • High-performance chips are preferably used as the semiconductor arrangement in the invention.
  • the component is provided for an electrical power consumption of at least 0.5 W. In a further advantageous variant, the component is provided for an electrical power consumption of at least 1 W. In a particularly advantageous variant, the component is provided for an electrical power consumption of at least 3 W.
  • the invention further requires an advantageously small space requirement, the base area of the component preferably being less than or equal to 1 cm ⁇ even when using high-performance chips.
  • the several optoelectronic components according to the invention can be arranged particularly advantageously to form a module.
  • the optoelectronic components are preferably arranged in a matrix and at least partially connected in series.
  • a basic housing is provided for several optoelectronic components.
  • the top layer of the carrier facing the semiconductor arrangement is electrically conductive.
  • This electrically conductive layer preferably has essentially a metal.
  • the optoelectronic components are preferably connected to one another in an electrically conductive manner at least in part by conductor tracks, which can in particular in part be arranged between the base housing and the heat sink.
  • the conductor tracks for connecting the semiconductor chips allow a very space-saving renden interconnection of the optoelectronic components with an adjacent component. No bond wire is guided over the edge of the basic housing.
  • the conductor tracks allow complex interconnections of components.
  • the conductor tracks can be located in a printed circuit board (for example FR4, flexible printed circuit board) which has corresponding cutouts.
  • the circuit board can be constructed in several layers, so that in addition to conductor tracks, further functional elements can be present in a multilayer structure.
  • the figure shows a schematic representation of a sectional view of the embodiment.
  • a semiconductor arrangement 4 which emits and / or receives electromagnetic radiation is arranged on a carrier 22.
  • the carrier 22 is thermally conductive with a heat sink
  • External electrical connections 9 are electrically connected to the semiconductor arrangement 4 or to an electrically conductive layer 13 via bonding wires 7.
  • the semiconductor device 13 contacts the underside of the semiconductor device 4, which is constructed so that a current can flow vertically through the device, e.g. by the substrate being conductive to the active layer which produces the light.
  • the second bonding wire is also led directly to the semiconductor chip.
  • the electrically conductive layer 13 is from the carrier substrate 2 by means of an electrically insulating layer 14 of the carrier 22 isolated.
  • the electrically insulating layer 14 can preferably have two layers and consist of silicon oxide and a passivation layer applied thereon, for example of silicon nitride, which electrically separates the thermally highly conductive carrier substrate, which preferably consists of silicon or gallium arsenide, from the electrically conductive layer 13. Ceramic substrates that conduct heat well, such as aluminum nitride or boron nitride or carbides, can also be used as the carrier substrate.
  • the carrier 22 is applied directly to a heat sink 12 made of aluminum, copper or molybdenum by a solder connection or an adhesive.
  • the heat generated can be effectively removed from the component in the described separation of heat and current flow.
  • a power consumption of the component of at least 1 W or even at least 3 W is provided.
  • External electrical connections 9 are also electrically insulated directly on the heat sink 12 and are arranged at a distance from the carrier 22.
  • the external electrical connections 9 are preferably conductor tracks of printed circuit boards 10 arranged one above the other, which form the connection arrangement 8. At least one circuit board is required for the two chip connections.
  • Several chips in a module are preferably connected by multilayer printed circuit boards, which enable flexible connection, for example a series connection of components arranged in a matrix.
  • the connection of different conductor tracks of different circuit boards takes place via plated-through holes between the basic housing 20 and the heat sink 12 of an optoelectronic component.
  • the semiconductor arrangement 4 with the carrier 22 is located in a basic housing 20 with a recess or cavity 3.
  • the basic housing can be a frame which is applied to the printed circuit boards 8 with the electrical connections 9. This enables a very compact design of the component 1 according to the invention.
  • a reflective filler 16 is filled between the semiconductor chip 4 and the side walls 17 of the cavity 3 and consists, for example, of epoxy resin filled with Ti0 2 particles, the proportion of Ti0 2 in the filler 16 being sufficient to significantly increase the reflectivity of the filler.
  • the filling compound extends on the chip side to approximately the upper edge of the carrier 22.
  • the proportion of TiO 2 in the filling compound 16 is preferably between approximately 10 and 50% by volume.
  • Particles of zirconium dioxide, zinc oxide, barium sulfates, gallium nitride, aluminum oxide or a mixture of at least two of these are also suitable for use with an epoxy resin in the filling compound 16. It is important that the refractive index difference between the epoxy resin and the particles is sufficiently large that the reflectivity of the filling compound increases.
  • the surface of the filling compound facing the front side 21 of the basic housing 20 is curved convexly as seen from the semiconductor chip 4 and forms a reflector surface for at least part of the laterally emitted and / or received radiation.
  • a radiation-permeable encapsulation compound 6 consists, for example, of an epoxy resin or another suitable resin. action resin.
  • the filling height of the filling compound 16 is adjacent to the semiconductor chip 4, i.e. adjacent to the carrier 22 low.
  • This shape is obtained automatically with a suitable choice of material and the dosage of the filling compound due to the adhesive forces between the filling compound and the material of the housing frame 20.
  • the concave curved inner surfaces of the filling compound 16 seen from the semiconductor chips 4 serve as reflectors for the radiation emitted and / or received laterally by the semiconductor chips 4.
  • the reflectivity of the filler 16 with the Ti0 2 content contained therein is up to about 80%.
  • the external efficiency could be increased considerably with the optoelectronic component 1 of the present invention.
  • the cavity 3 is completely filled with a radiation-permeable, for example transparent, encapsulation compound 6, which envelops the semiconductor chip 4 and is transparent to the radiation to be emitted or received by the semiconductor chips 4.
  • a radiation-permeable, for example transparent, encapsulation compound 6 which envelops the semiconductor chip 4 and is transparent to the radiation to be emitted or received by the semiconductor chips 4.
  • suitable fillers made of transparent synthetic resins, such as epoxy resin, or of polycarbonate can be used, as in the case of the conventional components can be used, which is preferably especially adapted to the properties of the filling compound.

Abstract

Vorgeschlagen wird ein optoelektronisches Bauelement (1) mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden und/oder empfangenden Halbleiteranordnung (4), die auf einem Träger (22) angeordnet ist, der thermisch leitend mit einem Kühlkör-per (12) verbunden ist, und mit externen elektrischen Anschlüssen (9), die mit der Halbleiteranordnung (4) verbunden sind, wobei die externen elektrischen Anschlüsse (9) elektrisch isoliert auf dem Kühlkörper (12) mit Abstand zu dem Träger (22) angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein optimiertes Bauelement hinsichtlich der Verlustwärmeabfuhr und der Lichtabstrahlung sowie der elektrischen Kontaktierung und Packungsdichte in Modulen.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement und Bauelement-Modul
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Bauelement-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente können zur Erzielung eines lichtstarken Gesamtmoduls in einer Matrix angeordnet werden .
Eine solche, als LED-Modul bezeichnete Anordung ist aus der DE 10051159 AI bekannt. Dabei ist eine Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiterchips auf einen Träger montiert, der wiederum auf einem Kühlkörper angeordnet ist. Trotz steigender Packungsdichte der Halbleiterbauelemente kann die entstehende Wärme abgeführt werden. Die entstehende Wärme soll dabei das elektrische Verhalten des Halbleiterbauelements jedoch nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Diese Vorgehensweise setzt aber den Wirkungsgrad des Gesamtmoduls wegen der Absorption der Strahlung benachbarter Halbleiterbauelemente herab.
Durch das Plazieren der einzelnen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelemente in einen Reflektor läßt sich die Ab- strahl- und Richtungscharakteristik des Moduls verbessern, da seitlich von den einzelnen Halbleiterbauelementen emittierte Strahlung zumindest teilweise in die Hauptabstrahlrichtung umgelenkt wird.
Ein Modul mit einem hohen Wirkungsgrad und einer sehr guten Richtungscharakteristik kann aus einzelnen Halbleiterbauelementen zusammengesetzt werden, die sich jeweils in einem einzelnen Reflektor befinden. Hierbei ist es jedoch schwierig, eine hohe Packungsdichte der Halbleiterbauelemente mitsamt Reflektor im Gesamtmodul zu erhalten. Die Kontaktierungen der Halbleiterbauelemente stehen einer flexiblen Verschaltung und einer hohen Packungsdichte entgegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement und Bauelement-Modul zur Verfügung zu stellen, das eine enge Anordnung von benachbarten Halbleiterbauelementen bzw. optoelektronischen Halbleiteranordnungen ermöglicht.
Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit einer Kontaktierungsanordnung zur Verfügung zu stellen, die eine Trennung der thermischen von der elektrischen Leitung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 17 gelöst. Weitere Merkmale von vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 16 und 18 angegeben.
Die Erfindung sieht ein optoelektronisches Bauelement mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden und/oder empfangenden Halbleiteranordnung vor, die auf einem Träger angeordnet ist, der thermisch leitend mit einem Kühlkörper verbunden ist . Bonddrähte verbinden die externen elektrischen Anschlüsse mit den Anschlüssen der Halbleiteranordnung. Die externen elektrischen Anschlüsse sind elektrisch isoliert auf dem Kühlkörper mit Abstand zu dem Träger angeordnet .
Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Leitungsverbindungen von der thermischen Leitung weitgehend entkoppelt sind. Durch den thermischen Anschluss einer Halbleiteranordnung bzw. eines Chips auf dem Kühlkörper mittels des Trägers können viele Chips auf dem Kühlkörper dicht angeordnet und die Wärme abgeführt werden. Die elektrische Kontaktierung der Chips kann flexibel über die vom Kühlkörper isolierten An- Schlüsse geführt werden. Weiters können auf den externen elektrischen Anschlüssen kompakte Reflektorgehäuse angebracht werden, was den Platzbedarf des Bauelements verringert und eine hohe Lichtausbeute ermöglicht.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß der elektrische Stromfluß nicht über den Kühlkörper verläuft, der die im Betrieb des Halbleiterbauelements entstehende Wärme abführt.
Es ist vorteilhaft, wenn der Träger ein Trägersubstrat und mindestens eine darauf angeordnete elektrisch isolierende Schicht enthält. Alternativ ist das Trägermaterial selbst elektrisch isolierend. Dann muss die Halbleiteranordnung nicht gegen den Träger separat isoliert sein und kann auf einem leitfähigen Substrat angeordnet sein, ohne dass ein Kurz- schluss untereinander oder zum Kühlkörper entsteht .
Zwischen der Halbleiteranordnung und der elektrisch isolierenden Schicht kann eine elektrisch leitende Schicht angeordnet sein, die mit einem externen elektrischen Anschluss verbunden ist. Dies ist insbesondere für eine Halbleiteranordnung auf einem leitfähigen Substrat zweckmäßig, weil ein Anschluss der Halbleiteranordnung mittels eines Bonddrahts über die elektrisch leitende Schicht geführt werden kann.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die externen elektrischen Anschlüsse Leiterbahnen einer Leiterplatte enthalten. Die Leiterplatte enthält ein isolierendes Substrat mit einer Leiterbahn und kann deshalb direkt auf den Kühlkörper aufgebracht werden. Es können auch mehrere Leiterplatten übereinander angeordnet sein, die dann auch gegeneinander isoliert sind.
Leiterbahnen, die auf unterschiedlichen übereinander angeordneten Leiterplatten mittels Durchkontaktierungen untereinan- der verbindbar sind, erhöhen die Flexibilität der Verschaltung vieler optoelektronischer Bauelemente weiter.
Es ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Trägersubstrat mindestens ein gut wärmeleitendes Material aus der Gruppe bestehend aus Si, diamantbeschichtetem Si, Diamant, SiC, AlN und BN aufweist.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht Si02 aufweist . Dies ist besonders vorteilhaft der Fall, wenn die Trägerschicht Silizium aufweist.
Diese in der Halbleitertechnik verwendeten Materialien verringern bei einer Vielzahl von Bauelementen die Spannungen untereinander und zu den Halbleiterchips selbst .
In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Halbleiteranordnung auf den Träger mit Hilfe eines metallischen Lots oder eines thermisch und/oder elektrisch leitfähigen Klebstoffs aufgebracht .
Eine gute thermische Wärmeleitung bzw. -abfuhr ergibt sich, wenn der Träger auf dem Kühlkörper mit Hilfe eines metallischen Lots oder eines thermisch leitfähigen Klebstoffs aufgebracht ist.
Eine sehr gute Lichtabstrahlung wird möglich, wenn die Halbleiteranordnung und der Träger in einem Grundgehäuse angeordnet sind, das reflektierende Eigenschaften hat.
Sehr gut und individuell an den Chip anpassbar wird die Lichtabstrahlung, wenn das Grundgehäuse genau eine Halbleiteranordnung enthält . Dann sinkt nicht durch Absorption einer benachbarten Halbleiteranordnung innerhalb der Kavität der externe Wirkungsgrad des Halbleiterbauelements. Das optoelektronische Bauelement gemäß der Erfindung weist in dem Grundgehäuse eine Kavität bzw. Aussparung auf, in der die elektromagnetische Strahlung emittierende und/oder empfangende Halbleiteranordnung angeordnet ist. Der Reflektor ist anders als bei herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen zumindest nicht allein durch reflektierende Seitenflächen der Kavität des Grundgehäuses selbst, sondern zumindest zum Teil durch eine in die Kavität eingefüllte reflektierende Füllmasse realisiert. Das Material und die Menge der Füllmasse sind dazu derart gewählt, dass sich die Füllmasse beim und/oder nach dem Einfüllen aufgrund der Adhäsionskraft zwischen dem Material der Füllmasse und dem Material der Seitenflächen der Kavität an diesen Seitenflächen hochzieht und eine parabolar- tig geformte Oberfläche ausbildet. Diese zur Vorderseite des Gehäuses hin gewandte Oberfläche der Füllmasse dient als Reflektorfläche für eine von dem Halbleiteranordnung emittierte und/oder empfangene elektromagnetische Strahlung.
Mit anderen Worten wird die Kavität mit der Füllmasse teilweise gefüllt und aufgrund der Adhäsionskraft zwischen Füllmasse und Grundgehäuse bildet die Füllmasse von selbst eine konkave Oberfläche in der Kavität aus, da die Füllmasse an den seitlichen Innenflächen der Kavität des Grundgehäuses hoch kriecht . Die so gebildeten parabolartigen Innenflächen der Füllmasse bilden den Reflektor für die in die Kavität eingesetzte Halbleiteranordnung.
Diese Reflektorflächen können auch bei sehr kleinen Öffnungen der Kavitäten einfach durch geeignete Dosierung der Füllmasse in der Kavität erzeugt werden. Dadurch verhalten sich die Seitenwände des Gehäuses und die Füllmasse wie ein einzelner Reflektor, was die Lichtabstrahlungsleistung weiter verbessert . Außerdem werden die in der Kavität vorhandenen Leiter- bahnen, Verdrahtungen und dergleichen durch die Füllmasse ohne Beeinträchtigung deren Funktionsweise umhüllt .
Somit können mit der erfindungsgemäßen Maßnahme selbst bei optoelektronischen Bauelementen mit engen Öffnungen der Kavität und/oder komplexen Halbleiteranordnung- und Verdrahtungs- anordnungen in der Kavität innerhalb der Kavität Reflektoren vorgesehen und damit der externe Wirkungsgrad der Bauelemente gesteigert werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Grundgehäuse auf der der Halbleiteranordnung zugewandten Innenseite schräg ausgebildet ist, so daß das Grundgehäuse eine Reflektorfläche für einen Teil der vom Halbleiteranordnung ausgesandten Strahlung aufweist .
Als Füllmasse ist bevorzugt Ti02 oder ein mit Ti02-Partikeln gefülltes Epoxidharz oder Silikon vorgesehen.
Weiter ist vorgesehen, dass die Kavität des Gehäuses zumindest zum Teil mit einer strahlungsdurchlässigen Einkapse- lungsmasse gefüllt ist. Dadurch wird erstens ein Schutz des Chips und seiner Anschlüsse möglich. Weiter können bei entsprechender Wahl des Chips und der Einkapselungsmasse Bauelemente unterschiedlicher Farben hergestellt werden. Beispielsweise weiß abstrahlende Bauelemente durch einen Chip auf GaN- Basis und eine Einkapselungsmasse, die YAG:Ce-Partikel enthält.
Diese Einkapselungsmasse kann vorteilhafterweise Epoxidharz oder Silikon aufweisen. Bei der Verwendung von Silikon können mechanische Spannungen im Halbleiterbauelement oder in einem aus einzelnen Halbleiterbauelementen bestehenden Modul gut verringert werden.
Vorzugsweise sind die externen Anschlüsse zumindest teilweise zwischen dem Grundgehäuse und dem Kühlkörper angeordnet. Dies ermöglicht ein besonders platzsparendes Verschalten der optoelektronischen Bauelemente.
Bevorzugt werden bei der Erfindung als Halbleiteranordnung Hochleistungchips eingesetzt. Hierbei ist das Bauelement für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 0,5 W vorgesehen. In einer weiteren vorteilhaften Variante ist das Bauelement für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 1 W vorgesehen. In einer besonders vorteilhaften Variante ist das Bauelement für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 3 W vorgesehen.
Aufgrund der Entkopplung von thermischer und elektrischer Leitung erfordert die Erfindung weiterhin einen vorteilhaft geringen Platzbedarf, wobei auch bei der Verwendung von Hochleistungschips die Grundfläche des Bauelements bevorzugt kleiner oder gleich 1 cm^ ist.
Besonders vorteilhaft lassen sich im Rahmen der Erfindung die mehreren erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente zu einem Modul anordnen. In einem derartigen Modul sind die optoelektronischen Bauelemente vorzugsweise matrixförmig angeordnet und zumindest teilweise in Reihe geschaltet.
Für mehrere optoelektronische Bauelemente ist dabei jeweils ein Grundgehäuse vorgesehen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die der Halbleiteranordnung zugewandte oberste Schicht des Trägers elektrisch leitfähig. Bevorzugt weist diese elektrisch leitfähige Schicht im wesentlichen ein Metall auf.
Vorzugsweise sind die optoelektronischen Bauelemente zumindest teilweise durch Leiterbahnen, die insbesondere teilweise zwischen Grundgehäuse und Kühlkörper angeordnet sein können, miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Leiterbahnen zum Anschluss der Halbleiterchips erlauben ein sehr platzspa- rendes Verschalten der optoelektronischen Bauelemente mit einem benachbarten Bauelement . Es wird kein Bonddraht über den Rand des Grundgehäuses geführt. Die Leiterbahnen lassen komplexe Verschaltungen von Bauelementen zu. Die Leiterbahnen können sich in einer Leiterplatte (z.B. FR4, flexible Leiterplatte) befinden, die entsprechende Aussparungen aufweist. Die Leiterplatte kann mehrlagig ausgebildet sein, so daß zusätzlich zu Leiterbahnen weitere funktioneile Elemente in einem mehrlagigen Aufbau vorhanden sein können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit der Figur beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Ausführungsbeispiels.
Bei dem optoelektronischen Bauelement 1 gemäß der Figur ist eine elektromagnetische Strahlung emittierende und/oder empfangende Halbleiteranordnung 4 auf einem Träger 22 angeordnet. Der Träger 22 ist thermisch leitend mit einem Kühlkörper
12 aus z.B. Kupfer, Aluminium oder Molybdän verbunden. Externe elektrische Anschlüsse 9 sind über Bonddrähte 7 elektrisch mit der Halbleiteranordnung 4 bzw. mit einer elektrisch leitenden Schicht 13 verbunden. Die elektrisch leitende Schicht
13 kontaktiert die Unterseite der Halbleiteranordnung 4, die so aufgebaut ist, dass ein Strom vertikal durch die Anordnung fließen kann, z.B. indem das Substrat für die die Lichterzeugung bewirkende aktive Schicht leitfähig ist.
In einer anderen Ausführung mit isolierendem Substrat für die aktive Schicht ist der zweite Bonddraht ebenfalls zum Halbleiterchip direkt geführt.
In der Figur ist die elektrisch leitende Schicht 13 mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 14 vom Trägersubstrat 2 des Trägers 22 isoliert. Die elektrisch isolierende Schicht 14 kann bevorzugt zweilagig sein und aus Siliziumoxid und einer darüber aufgebrachten Passivierungsschicht , z.B. aus Siliziumnitrid bestehen, die das bevorzugt aus Silizium oder Galliumarsenid bestehende, thermisch gut leitende Trägersubstrat von der elektrisch leitenden Schicht 13 elektrisch trennt. Als Trägersubstrat kommen auch gut wärmeleitende keramikartige Materialien in Frage wie Aluminiumnitrid oder Bornitrid oder Karbide. Der Träger 22 ist durch eine Lötverbindung oder eine Klebung direkt auf einem Kühlkörper 12 aus Aluminium, Kupfer oder Molybdän aufgebracht. Bei einer elektrischen Leistungsaufnahme des Bauelements von mindestens 0,5 W und einer Grundfläche des Bauelements von höchstens 1 cm^ kann die entstehende Wärme bei der beschriebenen Trennung von Wärme- und Stromfluss effektiv vom Bauelement abgeführt werden. In einer anderen Ausführung ist eine Leistungsaufnahme des Bauelements von mindestens 1 W oder sogar mindestens 3 W vorgesehen.
Ebenfalls direkt auf dem Kühlkörper 12 sind externe elektrischen Anschlüsse 9 elektrisch isoliert und mit Abstand zu dem Träger 22 angeordnet. Die externen elektrischen Anschlüsse 9 sind bevorzugt Leiterbahnen von übereinander angeordneten Leiterplatten 10, die die Anschlussanordnung 8 bilden. Mindestens ist für die zwei Chipanschlüsse eine Leiterplatte erforderlich. Mehrere Chips in einem Modul werden bevorzugt durch mehrlagige Leiterplatten verbunden, die eine flexible Verschaltung, beispielsweise eine Reihenschaltung von matrixartig angeordneten Bauelementen ermöglichen. Die Verbindung unterschiedlicher Leiterbahnen verschiedener Leiterplatten erfolgt über Durchkontaktierungen jeweils zwischen dem Grundgehäuse 20 und dem Kühlkörper 12 eines optoelektronischen Bauelements.
Die Halbleiteranordnung 4 mit dem Träger 22 befindet sich in einem Grundgehäuse 20 mit einer Aussparung oder Kavität 3. Das Grundgehäuse kann ein Rahmen sein, der auf den Leiterplatten 8 mit den elektrischen Anschlüssen 9 aufgebracht ist. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauform des erfindungsgemäßen Bauelements 1. Dies ermöglicht weiter die Ausbildung der Innenseite 17 des Grundgehäuses 20 als Reflektor 30, um möglichst viel und möglichst gerichtetes Licht aus dem Bauelement auszukoppeln.
Zwischen dem Halbleiterchip 4 und den Seitenwänden 17 der Kavität 3 ist eine reflektierende Füllmasse 16 eingefüllt, die beispielsweise aus mit Ti02-Partikeln gefülltem Epoxidharz besteht, wobei der Anteil an Ti02 in der Füllmasse 16 ausreicht, das Reflexionsvermögen der Füllmasse signifikant zu erhöhen. Die Füllmasse reicht chipseitig bis etwa zur Oberkante des Trägers 22. Vorzugsweise liegt der Anteil an Ti02 in der Füllmasse 16 zwischen etwa 10 und 50 Vol.-%. Partikel aus Zirkondioxid, Zinkoxid, Bariumsulfate, Galliumnitrid, Alluminiumoxid oder einer Mischung von zumindest zwei dieser sind auch für den Einsatz mit einem Epoxidharz in der Füllmasse 16 geeignet. Wichtig ist, dass der Brechungsindexunterschied zwischen dem Epoxidharz und den Partikeln genügend groß ist, dass die Reflektivität der Füllmasse steigt.
Die zur Vorderseite 21 des Grundgehäuses 20 hin gewandte Oberfläche der Füllmasse ist vom Halbleiterchip 4 aus gesehen konvex gekrümmt und bildet eine Reflektorfläche zumindest für einen Teil der seitlich emittierten und/oder empfangenen Strahlung aus .
Der oberhalb der Füllmasse liegende freie Oberflächenbereich des Halbleiterchips 4 ist von einer strahlungsdurchlässigen Einkapselungsmasse 6 bedeckt und besteht beispielweise wiederum aus einem Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Re- aktionsharz .
Wie in der Schnittansicht der Figur erkennbar, ist die Füll- höhe der Füllmasse 16 benachbart zu dem Halbleiterchip 4, d.h. benachbart zum Träger 22 gering. Auf diese Weise ergibt sich eine zur Vorderseite hin im wesentlichen parabolartig öffnende Form der Oberfläche der Füllmasse 16 in Verbindung mit der Oberfläche 30 der Seitenwand des Gehäuses 20. Diese Form ergibt sich bei geeigneter Wahl des Materials und der Dosierung der Füllmasse automatisch aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen der Füllmasse und dem Material des Gehäuserahmens 20. Die von den Halbleiterchips 4 gesehen konkav gekrümmten Innenflächen der Füllmasse 16 dienen als Reflektor für die von den Halbleiterchips 4 seitlich emittierte und/oder empfangene Strahlung.
Das Reflexionsvermδgen der Füllmasse 16 mit dem darin enthaltenen Ti02-Anteil beträgt bis zu etwa 80%. Im Vergleich zu einem optoelektronischen Bauelement, bei dem die Kavität ausschließlich mit einer transparenten Füllmasse gefüllt ist, konnte mit dem optoelektronischen Bauelement 1 der vorliegenden Erfindung der externe Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden .
Zum Schutz der Halbleiterchips 4 ist die Kavität 3 vollständig mit einer strahlungsdurchlässigen, beispielsweise transparenten Einkapselungsmasse 6 gefüllt, welche den Halbleiterchip 4 umhüllt und für die von den Halbleiterchips 4 zu emittierende bzw. zu empfangende Strahlung durchlässig ist. Für diese Einkapselungsmasse 6 können wie bei den herkömmlichen Bauelementen geeignete Füllmassen aus transparenten Kunstharzen, wie beispielsweise Epoxidharz, oder aus Polycarbonat verwendet werden, die vorzugsweise besonders auf die Eigenschaften der Füllmasse abgestimmt ist.
Die obige Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungs- beispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese zu verstehen. Vielmehr ist der in den Ansprüchen 1 und 25 dargelegte Erfindungsgedanke bei einer Vielzahl von verschiedensten Bauformen anwendbar. Insbesondere umfaßt die Erfindung auch alle Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese Kombinationen nicht Gegenstand eines Patentanspruchs sind. Der Inhalt derjenigen Anmeldung, deren Priorität beansprucht ist, wird durch Referenz in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (1) mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden und/oder empfangenden Halbleiteranordnung (4) , die auf einem Träger (22) angeordnet ist, der thermisch leitend mit einem Kühlkörper (12) verbunden ist, und mit externen elektrischen Anschlüssen (9) , die mit der Halbleiteranordnung (4) verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die externen elektrischen Anschlüsse (9) elektrisch isoliert auf dem Kühlkörper (12) mit Abstand zu dem Träger (22) angeordnet sind.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Träger ein Trägersubstrat (2) und mindestens eine darauf angeordnete elektrisch isolierende Schicht (14) enthält.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der Halbleiteranordnung (4) und der elektrisch isolierenden Schicht (14) eine elektrisch leitende Schicht (13) angeordnet ist, die mit einem der externen elektrischen Anschlüsse (9) verbunden ist.
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiteranordnung einen Halbleiterchip enthält.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die externen elektrischen Anschlüsse (9) Leiterbahnen einer Leiterplatte enthalten.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Leiterbahnen auf unterschiedlichen übereinander angeordneten Leiterplatten mittels Durchkontaktierungen untereinander verbindbar sind.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Trägersubstrat (2) mindestens ein gut wärmeleitendes Material aus der Gruppe bestehend aus Si, diamantbeschichtetem Si, Diamant, SiC, AlN und BN aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrisch isolierende Schicht (14) Si02 aufweist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiteranordnung (4) auf den Träger (22) mit Hilfe eines metallischen Lots oder eines thermisch und/oder elektrisch leitfähigen Klebstoffs aufgebracht ist.
10.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Träger (22) auf dem Kühlkörper (12) mit Hilfe eines metallischen Lots oder eines thermisch leitfähigen Klebstoffs aufgebracht ist.
11.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiteranordnung (4) und der Träger (22) in der Kavität (3) eines Grundgehäuses (20) angeordnet sind.
12.Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Kavität (3) des Grundgehäuses (20) genau eine Halbleiteranordnung (4) angeordnet ist.
13.Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Grundgehäuse (20) auf der der Halbleiteranordnung (4) zugewandten Innenseite (17) schräg ausgebildet ist, so daß das Grundgehäuse (20) eine Reflektorfläche für einen Teil der vom Halbleiteranordnung (4) ausgesandten Strahlung aufweist .
14.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Kavität (3) zwischen der Halbleiteranordnung (4) und Seitenwänden (17) der Kavität eine reflektierende Füllmasse (6) angeordnet ist, die von der Halbleiteranordnung (4) aus zu der Vorderseite (21) des Grundgehäuses (20) hin gesehen eine konkav gekrümmte Oberfläche (30) aufweist, die eine Reflektorfläche für einen Teil der Strahlung ausbildet.
15.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Füllmasse Ti02 oder ein mit Ti02-Partikeln gefülltes Epoxidharz enthält .
16.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiteranordnung (4) zumindest zum Teil mit einer strahlungsdurchlässigen Einkapselungsmasse (6) eingekapselt ist.
17.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die externen Anschlüsse (9) zumindest teilweise zwischen dem Grundgehäuse (20) und dem Kühlkörper (12) angeordnet sind.
18.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 0,5 W vorgesehen ist.
19.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 1 W vorgesehen ist .
20.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es für eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens 3 W vorgesehen ist.
21.Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es eine Grundfläche von höchstens 1 cm2 besitzt.
22. Bauelement -Modul d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 aufweist.
23. Bauelement-Modul mit einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die optoelektronischen Bauelemente zumindest teilweise durch Leiterbahnen miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
24. Bauelement -Modul nach Anspruch 22 oder 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzelnen optoelektronischen Bauelemente (1) matrix- förmig angeordnet und zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind.
25. Bauelement-Modul nach einem der Ansprüche 22 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere optoelektronische Bauelemente (1) jeweils ein Grundgehäuse (20) haben.
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