Elektrische Verbindung für Halbleiterstrukturen,
Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Verwendung einer solchen in einem Leuchtelement
Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung für Halbleiterstrukturen, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Verwendung einer solchen in einem Leuchtelement
Üblicherweise werden in Leuchtmitteln verwendete Halbleiterstrukturen aus einem EPI-Wafer gefertigt, d.h. aus einem Wa- fer, der aus einem Halbleiter-Einkristall geschnitten wurde. Die Halbleiterstrukturen werden mit fotolithographischen und/oder Trockenätz-Verfahren auf dem EPI-Wafer aufgebaut. Zur Bildung eines Leuchtelementes werden die so aufgebauten Halbleiterstrukturen als einzelne LED-Chips aus dem Wafer herausgeschnitten und als einzelne LED-Chips auf einem Trägersubstrat angebracht .
Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung muß dabei jeder LED-Chip extra gebondet werden.
Die dabei verwendeten Bonddrähte sind extrem dünn und anfällig, so dass der LED-Chip nach der Bondierung unverzüglich eingekapselt werden muss, um sie zu schützen.
Noch schwieriger ist es, wenn mehrere einzelne Halbleiterstrukturen bzw. LED-Chips, die in einer bestimmten Geometrie angeordnet sind, miteinander verschaltet werden müssen, z.B. in Reihe oder parallel geschaltet werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Verbindung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die gewährleisten, dass mehrere Halbleiterstrukturen sicher und kompakt elektrisch kontaktiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 10.
Erfindungsgemäß besteht damit die Möglichkeit, die elektri- s sehe Kontaktierung direkt auf einem mehrere Halbleiterstrukturen tragenden Trägersubstrat herzustellen, so dass mehrere miteinander wie gewünscht verschaltete Halbleiterstrukturen als einstückig handzuhabendes Bauteil aus dem Trägersubstrat, welches auch der Wafer selbst sein kann, herausge- lo schnitten werden können und so ohne nachträgliche Bondierung ein Leuchtelement bilden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. 5
Über Wahl der Viskosität eines viskosen aushärtbaren Materials für den Kunststoff-Materialfilm kann dessen Verarbeit- barkeit an die gewählte Technik zum Aufbringen des Materials auf die Halbleiterstrukturen angepasst werden. 0
Durch die Verwendung einer Druckschablone für das Erzeugen der Leiterbahnen kann ein genaues Verbindungsbild auf die Anordnung von HalbleiterStrukturen gedruckt werden. Die Druckschablone für Leiterbahnen kann eine "Mikrosieb-Kon-5 taktSchablone" sein.
Die Verwendung eines in Anspruch 13 angegebenen Materials ist im Hinblick auf die Handhabbarkeit desselben günstig. o Es ist günstig, wenn auf die Halbleiterstruktur ein Versiegelungsmaterial aufgebracht wird. Das Versiegelungsmaterial kann wieder bevorzugt unter Verwendung einer Druckschablone aufgedruckt werden. Durch das Versiegelungsmaterial bzw. die Versiegelungsschicht sind die Halbleiterstrukturen vor äuße- ren Einflüssen geschützt. Darüber hinaus ist auch die Gefahr
einer fehlerhaften Verschaltung verringert .
Gemäß einer bevorzugten Verwendung der Erfindung erhält man ein Leuchtelement, welches gegenüber einem solchen mit Verschattung mittels Bonddrähten kostengünstiger und sicherer hergestellt werden kann. Bei ihm umfasst die elektrische Kontaktierung wenigstens teilweise flächige elektrisch leitende Materialbahnen, und es zeichnet sich verglichen mit einem Leuchtelement mit elektrischer Kontaktierung durch Bonddrähte durch eine höhere mechanische Stabilität und höhere Belastbarkeit aus.
Das Trägersubstrat kann einerseits durch Wafermaterial selbst gebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, ein sepa- rates Substrat, wie beispielsweise ein Glassubstrat oder dgl . , zu verwenden, auf welches einzelne Halbleiterstrukturen aufgebracht sind.
Durch die Maßnahme nach Anspruch 31 wird zum einen eine gleichmäßige Lichtverteilung bzw. Lichtabgabe des Leuchtelements, zum anderen eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet.
Durch die Maßnahme nach Anspruch 32 besteht die Möglichkeit, mittels gegebenenfalls preiswerterer Halbleiterstrukturen Strahlung zu erzeugen, welche ein anderes Spektrum hat als die ursprünglich von den Halbleiterstrukturen emittierte Strahlung .
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 einen Teilschnitt durch ein LED-Leuchtelement, in dem drei Leuchtchips gezeigt sind, geschnitten längs der Schnittlinie I-I von Figur 2;
Figur 2 eine Draufsicht auf das Leuchtelement von Figur 1;
Figur 3 einen Teilschnitt durch ein abgewandeltes Leucht- 5 element längs der Schnittlinie III-III von Figur 4;
Figur 4 eine Draufsicht auf das Leuchtelement von Figur 3 ;
Figur 5 einen Teilschnitt eines weiter abgewandelten lo Leuchtelementes längs der Schnittlinie V-V von Figur 7;
Figur 6 eine Stirnseitenansicht der Leuchtchip-Anordnung von Figur 5; 5
Figur 7 eine Draufsicht auf das Leuchtelement nach den Figuren 5 und 6;
Figur 8 einen Schnitt durch ein Leuchtelement mit einero weiter abgewandelten Leuchtchip-Anordnung längs der
Schnittlinie VIII-VIII von Figur 9;
Figur 9 einen Schnitt durch das Leuchtelement von Figur 8 längs der dortigen Schnittlinie IX-IX; 5
Figur 10 eine Draufsicht auf ein nochmals abgewandeltes
Leuchtelement mit mehreren einzelnen Leucht-Chips;
Figur 11 einen Schnitt durch das Leuchtelement von Figur 10o längs der dortigen Schnittlinie XI-XI;
Figur 12 eine Draufsicht auf einen Wafer mit einer Vielzahl von miteinander elektrisch verbundenen Leucht-Chip- Halbleiterstrukturen, wobei bereits einige Halblei-s terstrukturen aus dem Wafer herausgeschnitten sind;
Figur 13 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt aus einem abgewandelten Wafer mit einer Mehrzahl elektrisch verbundener Halbleiterstrukturen in gegenüber Figur 12 vergrößertem Maßstabe; und
Figur 14 einen Längsschnitt durch den Wafer nach Figur 13 längs der dortigen Schnittlinie IVX-IYX.
In den Figuren 1 und 2 ist mit 10 insgesamt ein Leuchtele- ment bezeichnet, welches drei Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c umfasst . Jede der Halbleiterstrukturen 12 ist aus drei Schichten aufgebaut, was nachstehend lediglich am Beispiel der in Figur 1 mittig angeordneten Halbleiterstruktur 12b erläutert wird.
Eine in Figur 1 unten liegende Schicht 14 ist eine n- leitende Schicht, welche z. B. aus n-GaN oder auch aus n- InGaN besteht.
Eine mittlere Schicht 16 ist eine MQW-Schicht. MQW ist die Abkürzung für "Multiple Quantum Well". Ein MQW-Material hat ein Übergitter, welches eine gemäß der Obergitter-Struktur veränderte elektronische Bandstruktur aufweist und entsprechend bei anderen Wellenlängen Licht emittiert. Über die Wahl der MQW-Schicht lässt sich das Spektrum der von der p- n-Halbleiterstruktur 12 abgegebenen Strahlung beeinflussen.
Eine obere Schicht 18 ist aus einem p-leitenden III-V- Halbleitermaterial gefertigt, beispielsweise aus p-GaN.
Jede Halbleiterstruktur 12a, 12b und 12c weist eine in Aufsicht U-förmige umlaufende Stufe 20 auf, deren horizontale Stufenfläche 22 vertikal unter der MQW-Schicht 16 liegt. Auf diese Weise steht die n-leitende Schicht 14 im Bereich der Stufenfläche 22 seitlich über die MQW-Schicht 16 und die p-
leitende Schicht 8 über.
Die Stufenfläche 22 ist mit einer entsprechend ü-förmigen aufgedampften Leiterbahn 24 mit zwei parallel verlaufenden Leiterbahnschenkeln 24a und 24b und einer senkrecht dazu verlaufenden Leiterbahnbasis 24c abgedeckt (siehe Figur 2) . Die Leiterbahn 24 bildet einen Kontaktbereich zur n- leitenden Schicht 14.
Um auch die p-leitende Schicht 18 kontaktieren zu können, ist auf deren Oberseite in einem in Aufsicht gesehen von der U-fδrmigen Leiterbahn 24 nach innen versetzten Bereich 26 eine Leiterbahn 28 aufgedampft, welche einen Kontaktbereich zur p-leitenden Schicht 18 bildet.
Von der Leiterbahn 28 erstrecken sich auf der Oberfläche der p-leitenden Schicht 18 drei zunächst parallel verlaufende Leiterbahnschenkel 30a, 30b und 30c in den Bereich 26 der p- leitenden Schicht 18 hinein. Die freien Enden der beiden äu- ßeren Leiterbahnschenkel 30a und 30c sind jeweils um 90° in Richtung auf den mittlere Leiterbahnschenkel 30b abgewinkelt, wie dies in Figur 2 gut zu erkennen ist.
Der Bereich 26 der Halbleiterstruktur 12 hat eine Erstrek- kung von 280 μm x 280 μm bis 1 800 μm x 1 800 μm. Die Höhe der Halbleiterstruktur 12 beträgt 180 μm bis 400 μm.
Die Leiterbahnschenkel 24a, 24b und 24c sind durch Aufdampfen einer Kupfer-Gold-Legierung erhalten. Alternativ können auch Silber- oder Aluminium-Legierungen verwendet werden. Im Bereich der Kontaktanschlüsse bildenden Leiterbahnen 24c und 28 kann Gold vorgesehen sein, welches für den Anschluss an eine p-leitende Schicht bzw. an eine n-leitende Schicht dotiert ist.
Die drei Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c sind von einem Trägersubstrat 32 getragen. Bei dem Trägersubstrat 32 kann es sich um Saphirglas handeln, welches auch unter dem Namen Korundglas (Al2O3-GIaS) bekannt ist. Im Falle von Sa- 5 phirglas hat das Trägersubstrat 32 eine Dicke von etwa 400 μm, es kann jedoch auch andere Dicken haben, die beispielsweise zwischen 5 μm und 600 μm liegen können.
Anstelle des Saphirglases kann auch ein preiswerteres Mate- lo rial in Form eines hochtemperaturbeständigen Glases wie beispielsweise Pyrex*-Glas für das Trägersubstrat 32 verwendet werden.
Alternativ kann das Trägersubstrat 32 auch durch undotiertes i5 Wafer-Material gebildet sein, auf welchem die Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c mit an und für sich bekannten Techniken aufgebaut sind. In diesem Fall sind die Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c einstückig miteinander verbunden. Um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu ge- 20 währleisten, wenn das Trägersubstrat 32 durch Wafer-Material gebildet ist, kann dieses gegebenenfalls von einem Basissubstrat getragen sein, welches wiederum beispielsweise aus Saphirglas gebildet sein kann. 5 Wie in den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, ist der obere Kontaktanschluss (Leiterbahn 28) der Halbleiterstruktur 12a flächenmäßig größer ausgebildet als bei den Halbleiterstrukturen 12b und 12c. Außerdem ist der untere Kontaktanschluss, der durch den Leiterbahnschenkel 24c der Halbleiterstruktur o 12c gebildet wird, flächenmäßig größer als der entsprechende Kontaktanschluss der Halbleiterstrukturen 12a und 12b (siehe Figur 2) .
Somit sind gut zugängliche Anschlusspunkte vorhanden, um das5 Leuchtelement 10 mit einer Spannungsquelle zu verbinden.
Die Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c sind in Reihe geschaltet, wozu der Leiterbahnschenkel 24c der in den Figuren 1 und 2 linken Halbleiterstruktur 12a mit der Leiterbahn 28 der mittleren Halbleiterstruktur 12b und deren Leiterbahnschenkel 24c mit der Leiterbahn 28 der in den Figur 1 und 2 rechten Halbleiterstruktur 12c elektrisch leitend verbunden sind.
Dazu ist zwischen den Halbleiterstrukturen 12a und 12b jeweils eine elektrische Verbindung vorgesehen, die bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 durch eine ram- penförmige Leiterbahn 34 gebildet ist, welche den Abstand zwischen zwei benachbarten Halbleiterstrukturen 12 elek- trisch leitend überbrückt. Dieser liegt in der Größenordnung von 100 μm.
Die rampenförmige Leiterbahn 34 ist als Materialbahn aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, welches durch Aushärten eines viskosen elektrisch leitfähigen Materials erhalten wird. Darauf wird später detaillierter eingegangen .
In einem Kunststoff-Grundmaterial (Matrix) der Leiterbahn 34 können beispielsweise feine Kupfer- oder Silberpartikel oder ein Gemisch davon homogen verteilt sein. Für die Leiterbahn 34 kommt als Grundmaterial beispielsweise ein Zweikomponenten-Material, wie ein Zweikomponenten-Klebstoff, in Betracht.
Die HalbleiterStrukturen 12 weisen auf ihrer der Stufe 20 gegenüberliegenden, in Figuren 1 und 2 linken Seite eine Isolationsschicht 35 auf, durch welche verhindert wird, dass die Leiterbahn 34 jeweils auf dieser Seite eine der Schich- ten 14, 16 oder 18 der Halbleiterstrukturen 12 kontaktiert.
Die Isolationsschicht 35 kann beispielsweise aus undotiertem Wafer-Material gebildet sein, welches beim Aufbau der Halbleiterstrukturen 12 auf einem Wafer oder einem sonstigen 5 Trägersubstrat stehen gelassen wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist zwischen den Halbleiterstrukturen 12a und 12b bzw. 12b und 12c jeweils ein durch eine rampenfόrmige Materialbahn gebildeter Isola- lo tor vorgesehen, welcher in den Figuren das Bezugszeichen 37 trägt .
Dazu kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes Material zwischen die entsprechenden Halbleiterstrukturen 12 auf- i5 gebracht werden. Auf den rampenförmigen Isolator 37 kann dann eine Leiterbahn 34 aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, die z.B. aus demselben Material bestehen kann, welches oben im Zusammenhang mit den Leiterbahnschenkeln 24 und 30 bzw. der Leiterbahn 28 erläutert worden
2o ist. Der elektrische Isolator 37 dient somit gleichsam als Unterfütterung für die Leiterbahn 34, die einen glatten Übergang von der Leiterbahn 24 einer Halbleiterstruktur zur Leiterbahn 28 der benachbarten Halbleiterstruktur bildet. s Diejenigen Bereiche der Leiterbahnschenkel 24c der Halbleiterstrukturen 12a und 12b und derjenige Bereiche der Leiterbahn 28 der Halbleiterstruktur 12b, welche von der rampenfόrmige Leiterbahn 34 oder dem Isolator 37 mit Leiterbahn 34 kontaktiert sind, stellen Kontaktbereiche der o Halbleiterstrukturen 12 dar. Auch die flächenmäßig größere Leiterbahn 28 der Halbleiterstruktur 12a und die flächenmä¬ ßig größere Leiterbahn 24c der HalbleiterStruktur 12c bilden Kontaktbereiche und zwar zum Anschließen an eine externe Struktur wie eine Leiterplatte oder auch eine anderes 5 Leuchtelement .
Die Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c sind abgesehen von diesen Kontaktbereichen mit einem transparenten Lack 36 überzogen, was in den Figuren 1 und 2 der Übersichtlichkeit s halber lediglich durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Bei einer weiteren, hier nicht eigens gezeigten, Abwandlung, bei welcher die rampenförmige Leiterbahn 34 aus einem elek- lo trisch leitfähigen Material vorgesehen ist, weisen die Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c nicht nur eine Isolationsschicht 35 auf, sondern sind von einer entsprechenden Isolationsschicht umgeben, welche wie die Isolationsschicht 35 aus undotiertem Wafer-Material gebildet sein kann. Auch in i5 diesem Fall berührt die rampenförmige Leiterbahn 34 keine der Schichten 14, 16 und 18 der Halbleiterstrukturen 12, sondern lediglich das stehen gelassene undotierte Wafer- Material .
2o In den Figuren 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Leuchtelementes 10 gezeigt, wobei Komponenten, die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Komponenten entsprechen, dasselbe Bezugzeichen tragen. Das Leuchtelement 10 entspricht im Wesentlichen dem Leuchtelement 10 gemäß den 5 Figuren 1 und 2.
Abweichend davon ist bei den Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c des Leuchtelementes 10 jedoch keine Isolationsschicht 35 vorgesehen, sondern jeweils unterhalb der o Leiterbahn 28 eine durchgehende Nut 38, welche mit einem Isolationsmaterial 40 gefüllt ist. Auch dadurch ist ein unerwünschter Kontakt der Leiterbahn 34 mit einer der - hier innen liegenden - Schichten 14, 16 oder 18 der Halbleiterstrukturen 12 unterbunden. 5
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Bei dem in den Figuren 5 bis 7 gezeigten abgewandelten Leuchtelement 10 tragen Komponenten, die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Komponenten entsprechen, dasselbe Bezugzeichen. Die Leiterbahnen der Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 5 12c weisen aber eine andere Geometrie auf als diejenigen der Leuchtelemente 10 nach den Figuren 1 bis 4, was am Beispiel der in den Figuren 5 und 7 mittleren Halbleiterstruktur 12b erläutert wird.
lo Wie dort zu erkennen ist, ist die Leiterbahn 24c für die n- leitende Schicht 14 in derjenigen Ebene angeordnet, in welcher die Leiterbahn 28 und die Leiterbahnschenkel 30a, 30b und 30c für die p-leitende Schicht 18 liegen.
i5 Dazu ist die Halbleiterstruktur 12b an der in Richtung auf die Leiterfläche 24c weisenden Stirnseite der Stufe 20 mit einer Isolationsschicht 42 versehen, welche diese Stirnseite abdeckt. Zwei Leiterbahnen 44a, 44b, welche die Isolationsschicht 42 seitlich flankieren, verbinden die Leiterbahnba- 0 sis 24c mit den Leiterbahnschenkel 24a und 24b.
Auf diese Weise kann anstelle der rampenförmigen Leiterbahn 34 bzw. des rampenförmigen Isolators 37 mit der Leiterbahn 34 ein quaderförmiger Isolator 37 vorgesehen sein, dessens Oberseite in gleichmäßigem Abstand zum Substrat 32 verläuft und die nun horizontale Verbindungs-Leiterbahn 32 trägt.
Entsprechend kann hier alternativ ein Isolator 37 mit einer aufgedampften Leiterbahn vorgesehen sein, wie es oben zum0 rampenförmigen Isolator 37 mit der Leiterbahn 34 erläutert worden ist.
Die Leuchtelemente 10 und insbesondere deren elektrische Kontaktierung durch die Leiterbahn 34 werden wie folgt er-5 halten:
Es wird von einer Anordnung von mehreren Halbleiterstrukturen 12 ausgegangen. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise in Form von Halbleiterstrukturen 12 vorlie- gen, welche mittels fotolithografischer und/oder Trockenätz- Verfahren in einer bestimmten Anordnung auf einem Trägermaterial aufgebaut wurden .
Als Trägermaterial für die Halbleiterstrukturen 12 dient da- bei zum Beispiel, wie oben erwähnt, entweder das WaferMaterial selbst oder eine Schicht aus Saphirglas oder einem sonstigen Substratmaterial .
Die Anordnung und das Design der Halbleiterstrukturen 12 auf dem TrägerSubstrat ist bekannt, womit auch die jeweiligen Positionen und Abmessungen der oben erwähnten Kontaktbereiche für eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterstrukturen 12 untereinander bekannt sind. Darüber hinaus ergeben sich daraus auch die Verläufe von gewünschten Leiterbahnen, welche bestimmte Kontaktbereiche der Halbleiterstrukturen elektrisch miteinander verbinden sollen.
Es wird nun eine Druckschablone für eine Versiegelung gefertigt, welche, wenn sie oberhalb der Seite der Halbleiter- Strukturen mit den Kontaktbereichen positioniert ist, die
Kontaktbereiche und den Verlauf der gewünschten Leiterbahnen und somit das Schaltbild der Halbleiterstrukturen 12 abdeckt. Eine Material für eine Versiegelung kann ein transparentes härtbares organisches Kunststoffmaterial umfassen, beispielsweise ein Acrylat oder Epoxidharz.
In entsprechender Weise wird eine Druckschablone für Leiterbahnen gefertigt, welche, wenn sie oberhalb der Seite der Halbleiterstrukturen mit den Kontaktbereichen positioniert ist, alle Bereiche der Anordnung der Halbleiterstrukturen 12
abdeckt, abgesehen jedoch von den Kontaktbereichen und den Verlauf der gewünschten Leiterbahnen und somit dem Schaltbild der Halbleiterstrukturen 12.
Die Druckschablone für Leiterbahnen bildet somit ein Negativ zur Druckschablone für eine Versiegelung. Eine solche Druckschablone für Leiterbahnen kann ebenfalls beispielsweise aus hoch viskosem Acrylat oder Epoxidharz bestehen, welches eine entsprechend große Menge feiner elektrisch leitender Metall- partikel enthält .
Im Siebdruck-Verfahren wird zunächst die Druckschablone für eine Versiegelung entsprechend positioniert, und es wird mit ihr ein Versiegelungslack auf die Anordnung der Halbleiter- Strukturen 12 aufgedruckt. Im Ergebnis deckt der Versiegelungslack dann den gesamten Wafer abgesehen von denjenigen Bereichen ab, welche zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstrukturen 12 benötigt werden.
Der Versiegelungslack wird dann zu einer Versiegelungs- schicht ausgehärtet. Unter Aushärten sind alle Vorgänge zu verstehen, bei welchen aus einem viskosen druckfähigen Material eine zusammenhängende formstabile Schicht gebildet wird, die aber gemäß dem verwendeten Kunststoffmaterial noch elastisch und biegbar ist. Dies kann durch Trocknen mit oder ohne gezielte Wärmeeinwirkung, durch chemische Reaktion, durch elektromagnetische Strahlung oder Partikelstrahlung erfolgen.
Nachdem der Versiegelungslack zu einer Versiegelungsschicht ausgehärtet ist, wird die Druckschablone für die Leiterbahnen entsprechend positioniert und ein viskoses aushärtbares Leiterbahn-Material auf die die Anordnung der Halbleiterstrukturen 12 aufgedruckt, wie es oben schon erläutert wur- de. Dieses Material wird dann wieder im obigen Sinne zu ei-
nem zusammenhängenden Materialfilm ausgehärtet.
Die nach dem Druckvorgang und nach dem Aushärten erhaltenen Materialfilme bilden Leiterbahnen 34, die gemeinsam die elektrische Kontaktierung der Anordnung der Halbleiterstrukturen 12 bilden. Durch das mittels der Druckschablone für Leiterbahnen vorgegebene Schaltbild wird festgelegt, welche Halbleiterstrukturen 12 auf dem Trägermaterial zusammengeschaltet werden und ob diese parallel oder in Reihe ge- schaltet werden.
Ähnlich kann verfahren werden, um die rampenförmigen Isolatoren 37 bzw. die quaderförmigen Isolatoren 37 zu erzeugen.
In diesem Fall liegen nach dem Druckvorgang und nach dem Aushärten mehrere Isolatoren oder ünterfütterungen 37 vor, auf welche in einem nachfolgenden Schritt noch die Leiterbahnen 34 aufgebracht werden.
Bei der oben beschriebenen Vorgehensweise zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zu den Halbleiterstrukturen muss natürlich darauf geachtet werden, dass die Druckschablone für Versiegelungsmaterial oder Isolationsmaterial die Kontaktbereiche der Halbleiterstrukturen 12 abdeckt, während diese Bereiche bei der Druckschablone für die Verbindungs- leiterherstellung offen sind.
Alternativ können die Verbindungs-Leiterbahnen 34 auch durch Aufdampfen erhalten werden.
Die Druckschablonen für die Versiegelung und die Druckschablone für Leiterbahnen sind etwas auf +/- 1,0 μm genau gearbeitet .
Gegebenenfalls kann auf die Versiegelung der Anordnung der
Halbleiterstrukturen mit einem Versiegelungslack verzichtet und die Halbleiterstrukturen ohne vorherige Versiegelung elektrisch kontaktiert werden. Auch kann man die Versiegelng als letzte Schicht aufbringen.
Durch die oben beschriebene Vorgehensweise können alle Halbleiterstrukturen 12 auf dem Trägersubstrat verschaltet werden. Es ist auf diese Weise jedoch auch möglich, jeweils mehrere Gruppen von Halbleiterstrukturen 12, welche jeweils eine vorgegebene Anzahl von HalbleiterStrukturen 12 umfassen, auf dem Trägermaterial 32 elektrisch zusammenzuschalten. Diese Gruppen können dann fertig verschaltet z.B. durch Laser-Schneidtechniken aus dem Gesamtwafer herausgeschnitten werden.
Ein Beispiel für eine Einsatzmδglichkeit einer derart einstückig gewonnenen Anordnung von vorverbundenen Halbleiterstrukturen 12 wird nachstehend beschrieben.
Die Figuren 8 und 9 zeigen Schnitte eines Leuchtmittels 48, welches ein zylindrisches Gehäuse 50 aus transparentem Glas oder Kunststoff umfasst. An der zylindrischen Innenwand des Gehäuses 50 ist ein Haltering 52 angebracht, welcher seinerseits eine Bodenplatte 54 trägt. Das Gehäuse 50, der Halte- ring 52 und die Bodenplatte 54 begrenzen einen Innenraum 56.
In diesem sitzt auf der Bodenplatte 54 eine Leuchtelement 10, bei welcher neun Halbleiterstrukturen 12 in einer 3x3- Matrix auf dem Trägersubstrat 32 angeordnet sind. Wie in Fi- gur 9 zu erkennen ist, sind in der 3x3 -Matrix der Halbleiterstrukturen 12 drei in Reihe geschaltete Ketten mit jeweils drei Halbleiterstrukturen 12a, 12b und 12c parallel geschaltet .
Die Reihenschaltung der jeweils drei Halbleiterstrukturen
12a, 12b und 12c erfolgt wie in den Figuren 1 bis 4 gezeigt über die rampenförmigen Leiterbahnen 34. Die am Anfang bzw. am Ende einer Kette angeordneten Halbleiterstrukturen 12a bzw. 12c sind jeweils über Leiterbahnen 58 parallel geschal- tet . Die Leiterbahnen 58 entsprechen den Leiterbahnen 34.
Die Leuchtelement 10 konnte als einstückiges Bauteil aus dem Ursprungswafer herausgeschnitten werden, welches abgesehen von den Anschlüssen zur Verbindung mit einer Spannungsquelle bereits fertig verschaltet war.
Das Leuchtelement 10 wird über eine erste Versorgungsleitung 60a und eine zweite Versorgungsleitung 60b mit Energie versorgt .
Dazu stehen die Versorgungsleitungen 60a und 60b in herkömmlicher Weise mit Anschluss-Stiften 62 bzw. 64 in Verbindung, welche aus einem Befestigungssockel 66 des Leuchtmittels 48 herausragen, was in den Figuren 8 und 9 nur schematisch an- gedeutet ist.
Der Innenraum 56 des Gehäuses 50 ist durch einen halbkugeligen Gehäuseabschnitt abgeschlossen. In dem Innenraum 56 des Gehäuses 50 ist eine Flüssigkeit in Form von Silikonöl 68 vorgesehen, welches als Punkte angedeutet ist.
Das Silikonöl leitet zum einen das von den Halbleiterstrukturen 12 emittierte Licht und führt zum anderen von den Halbleiterstrukturen 12 erzeugte Wärme nach außen ab, insbe- sondere zu den Wänden des Gehäuses 50.
Die Halbleiterstrukturen 12 aus p-GaN/n-InGaN strahlen bei Anliegen einer Spannung ultraviolettes Licht sowie blaues Licht in einem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 480 nm ab. Um mit den Halbleiterstrukturen 12 Weißlicht zu erzeugen,
sind im Silikonöl 68 unterschiedliche Leuchtstoffpartikel 70 homogen verteilt . Derartige Leuchtstoffpartikel bestehen aus Farbzentren aufweisenden transparenten Festkörpermaterialien und absorbieren auf sie treffende PrimärStrahlung, wodurch sie Sekundärstrahlung mit einer anderen (längeren) Wellenlänge emittieren. Bei einer geeigneten Wahl von Leuchtstoff- Partikeln bzw. Leuchtstoffpartikelmischungen kann somit die von den Halbleiterstrukturen 12 emittierte Strahlung in eine Strahlung mit anderem Spektrum umgewandelt werden, insbeson- dere weißes Licht .
In den Figuren 10 und 11 ist ein abgewandeltes Leuchtmittel 72 gezeigt. Bei diesem ist ein Substrat 74 aus Glas vorgesehen, in welchem in regelmäßigen Abständen Ausnehmungen 76 in einer Reihe vorgesehen sind.
In den Ausnehmungen 76 sitzt jeweils eine Halbleiterstruktur 12, welche als einzelne Halbleiterstruktur 12 aus einem Wa- fer herausgeschnitten ist. Dies bedeutet, dass hier jeweils eine Halbleiterstruktur 12 auf einem Trägersubstrat 32 sitzt, dessen FlächenerStreckung derjenigen der auf ihm sitzenden Halbleiterstruktur 12 entspricht .
Die Ausnehmungen 76 sind derart bemessen, dass jede Halblei- terstruktur 12 mit dem sie tragenden Substrat 32 ein wenig über die Oberfläche des Glassubstrats 74 übersteht .
Als Halbleiterstrukturen sind hier den in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Halbleiterstrukturen 12 entsprechende Halblei- terstrukturen verbaut, deren Kontaktbereiche 24c und 28 auf gleicher Höhe angeordnet sind. Die in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Halbleiterstrukturen 12 können jedoch ebenfalls verwendet werden. Isolationsschichten 35 sind hier jedoch nicht vorgesehen.
Für das oben beschriebene Verfahren zur elektrischen Kontak- tierung der Halbleiterstrukturen 12 wird als Anordnung von mehreren HalbleiterStrukturen 12 kein Wafer herangezogen, sondern das Glassubstrat 72 mit darin eingesetzten einzelnen 5 Halbleiterstrukturen 12. An den stirnseitigen Enden des
Glassubstrats 74 sind aufgedampfte Kontaktflächen 78 bzw. 80 vorgesehen, welche mit einer entsprechenden Druckschablone für Leiterbahnen in einem Verfahrensschritt mit den Halbleiterstrukturen 12 verbunden werden können. 0
Im Ergebnis der elektrischen Kontaktierung sind hier die Halbleiterstrukturen 12 des Leuchtelements 72 in Reihe geschaltet, wobei die elektrische Kontaktierung zwischen zwei benachbarten Halbleiterstrukturen 12 durch eine Leiterbahns 82 erhalten wird, die aus einem Material besteht, wie es oben mit der rampenförmigen Leiterbahn 34 erläutert wurde. Auch hier besteht die Möglichkeit, eine Leiterbahn 34 über einen Isolator 37 zu legen. o Auch eine Parallelschaltung der Halbleiterstrukturen 12 ist so möglich.
Auch bei dem Leuchtmittel 72 ist ein als gestrichelte Linie angedeuteter transparenter Lack 36 vorgesehen, welcher die5 Halbleiterstrukturen 12 jedoch nicht umschließt, sondern lediglich deren freie Oberflächen abdeckt, abgesehen von den zu verbindenden Kontaktbereichen.
Die Kontaktfläche 78 auf dem Glassubstrat 74 steht mit dero Leiterbahn 28 der ihr benachbarten Halbleiterstruktur 12 über eine Leiterbahn 84 in Verbindung. In entsprechender Weise steht die Kontaktfläche 80 mit der Leiterbahn 24 der ihr benachbarten Halbleiterstruktur 12 über eine Leiterbahn 86 in Verbindung. 5
Anstelle des Substrats 74 aus Glas kann auch ein Substrat 74 aus Acrylglas verwendet werden.
Das Substrat 74 hat Licht leitende Eigenschaften, wodurch s eine Lichtleiste gegeben ist.
Bei diesem Aufbau können Halbleiterstrukturen 12 verwendet werden, die zwar baugleich sind, jedoch produktionsbedingt unterschiedliche Leuchtstärken aufweisen. Durch die homogene o Verteilung des von den Halbleiterstrukturen emittierten Lichts durch das Substrat 74 erfolgt eine homogene Licht- emission, weshalb eine kostspielige Sortierung und Klassifizierung der einzelnen Leuchtchips nach der Produktion auf Grund ihrer unterschiedlichen Leuchtleistung entfallen kann.5
Bei einem Substrats 74 aus Glas oder Acrylglas sind Leucht- mittel mit 5 mm bis 30 mm Breite und 2 cm bis 50 cm Länge bei einer Dicke von 0,5 mm bis 5 mm gut realisierbar. 0 Als Substrat 74 kann auch ein flexibles KunstStoffmaterial verwendet werden, wobei das Substrat 74 als Folie ausgebildet sein kann. In diesem Fall können Leiterbahnen aus Kupfer oder nach Aushärten flexiblem Metallpartikel-Kunststofflack auf das flexible Substrat 74 aufgetragen werden, wobei die5 elektrische Kontaktierung dieser Leiterbahnen mit den Halbleiterstrukturen 12 unter Anwendung des oben erläuterten Verfahrens erfolgt .
Bei Verwendung einer flexiblen Folie als Substrat 74 könneno mehrere Meter eines beispielsweise 1 cm breiten und nur 0 , 1 mm bis 0,2 mm dicken Bandes hergestellt werden, welches mit Kupferleitbahnen versehen ist. Dazu werden einzelne Halbleiterstrukturen 12 auf die Folie aufgeklebt und danach wie oben erläutert elektrisch kontaktiert. 5
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Bei einem solchen Band können 10 000 bis 100 000 Leuchtchips in Reihe oder parallel geschaltet sein, wobei das "endlose" Band je nach Anforderungen in beliebig lange Stücke geschnitten werden kann. Um aus einem herausgeschnittenen Bandabschnitt ein Leuchtelement zu bilden, müssen lediglich die entsprechenden Kontaktbereiche der jeweils außen liegenden Halbleiterstrukturen 12 mit Anschlüssen für eine Spannungsquelle versehen werden.
In Figur 12 ist ein Wafer 88 aus einem TrägerSubstrat 32 und einer Vielzahl darauf aufgebauter Halbleiterstrukturen 12 gezeigt. Von diesen wurden jeweils zwei Halbleiterstrukturen 12 mittels des oben erläuterten Verfahrens auf dem Trägersubstrat 32 elektrisch miteinander verbunden.
Einige in einer 2x2-Matrix angeordnete HalbleiterStrukturen 12 wurden bereits als Einheit aus dem Wafer 88 herausgeschnitten, was an Lücken 90 in der Anordnung der Halbleiterstrukturen 12 zu erkennen ist.
Zwischen zwei miteinander elektrisch verbundenen Halbleiterstrukturen 12 ist jeweils eina Verbindungs-Leiterbahn 34 als schwarzer Strich zu erkennen.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 13 und 14 sind funktionsgleiche Elemente, die unter Bezugnahme auf vorhergehende Figuren schon beschrieben wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und brauchen nicht nochmals im Einzelnen beschrieben zu werden.
Der Hauptunterschied zu den schon beschriebenen Figuren liegt darin, dass die Halbleiterstrukturen durch Eindiffundieren der Dotierungen erzeugt sind, so dass der fertige Wafer eine ebene Oberfläche hat. Damit liegen auch die Leiter- bahnen 24 und 28 in einer gemeinsamen Ebene und die Leiter-
bahnen 34 können gut parallel zu der Waferoberfläche verlaufen. Nur bei den Enden der darunterliegenden Isolierschicht 37 ergeben sich kleine Stufen, die aber im Siebdruck gut überdeckt werden können.
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Für viele Halbleiterstrukturen, die auf Grund des Herstellungsprozesses an der Waferoberfläche eine Oxidschicht tragen, kann auch eine separat durch Siebdruck aufgetragene Isolierschicht entfallen so dass die Leiterbahnen 34 voll- lo ständig stufenfrei aufgetragen werden können.
Wie oben schon dargelegt, sind aber die in den Figuren 1 bis 12 gezeigten Profilierungen der Halbleiterstrukturen in zu deren Ebene senkrechter Richtung stark übertrieben, so das i5 man in Wirklichkeit nur sehr kleine Stufen erhält, über die sich im Siebdruck erzeugte Leiterbahnen ohne Gefährdung des Zusammenhaltes hinwegerstrecken können.
Wie in Figur 13 und 14 gestrichelt dargestellt, kann man ne- o beneinanderliegende Reihen von Halbleiterstrukturen auch durch die Leiterbahnen 34 in größeren Abständen von z.B. 3, 6 oder 12 Reihen vorgesehene transversale Leitebahnen 34t verbinden und den Wafer dann in der Mitte der Leiterbahnen 34t verschneiden. Man erhält dann Felder mit Reihen aus je-s weils z.B. 3, 6, oder 12 in Reihe geschalteten Halbleiterstrukturen. Je nach Abtrennen in zu den Leiterbahnen 34 paralleler Richtung erhält man dann fertig verdrahtete Matrizen mit z.B. 3 x 1, 3 x 2, 3 x 3, ... bzw. 6 x 1, 6 x 2 , 6 x 3, ... bzw. 12 x 1, 12 x 2, 12 x 3, ... Licht emittierendeno Halbleiterstrukturen 12, für die nur noch die Anschlüsse an Spannung führende Leiter herzustellen sind.
Unter den Leiterbahnen 34t, die in transversaler Richtung durchgehen, können bei nicht ausreichender elektrischer Iso-5 lierung des Halbleiter-Grundmateriales des Wafers an den
Überkreuzungspunkten mit den Leiterbahnen 34 unterbrochene Isolierschichten 37t vorgesehen sein, wie ebenfalls gestrichelt angedeutet .
Zum Aufbringen der so vereinzelten Leuchtchip-Matrizen auf eine Leiterplatte in Großserienfertigung kann man ebenfalls durch Siebdruck erzeugte Leiterbahnen verwenden, wie analog obenstehend für die Verbindung von Halbleiterstrukturen 12 beschrieben. Diese Verbindungsleiter erstrecken sich dann von den Leiterbahnen 34t zu Anschlußleiterbahnen der Leiterplatten.