WO2022074247A1 - Led package für uv licht und verfahren - Google Patents

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WO2022074247A1
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Andreas Reith
Joerg Erich Sorg
Nikolaus Gmeinwieser
Dominik Scholz
Manfred Wolf
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Ams-Osram International Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an LED package for UV light.
  • the invention further relates to a method for producing an LED package for UV light.
  • UV light generally UV light with wavelengths of 350 nm and shorter, is suitable not only for body care applications (keyword solarium), but also for the disinfection of equipment or solutions. Irradiation with UV-C light is particularly suitable here, the wavelength of which is in the range of 280 nm and below. UV-C light is also suitable for inactivating bacteria and viruses, including SARS-CoV-2 viruses, and is therefore suitable for filter systems.
  • the light source must be efficient in order to achieve the best possible disinfection performance.
  • the disinfectant solution is potentially used in installations for air purification, from which the demand for very long operating and service lives is derived. Because with the disinfection facilities, health and safety of people has to be guaranteed , high demands are placed on reliability and operational safety .
  • the environmental conditions at the installation positions are demanding in terms of temperature, humidity and corrosive condensates. In the installation positions, the components must withstand regular cleaning cycles, such as water jet cleaning (steam jet), steam sterilization and cleaning with chemically aggressive cleaning agents.
  • packages for UV semiconductors must be used that are not sensitive on the one hand, and on the other hand hermetically protect the optoelectronic component in particular, so that the above-mentioned aspects caused by aging phenomena are delayed or avoided.
  • packages for optoelectronic components in the UV range mainly made of plastic or with a glued cover. However, these usually have a lower mechanical stability, age relatively quickly or do not prevent any oxidation or other degradation of the component.
  • an opening in a frame with a reflector is optimized for the size of the optoelectronic component.
  • the opening is only slightly larger than the optoelectronic component for generating UV-C light.
  • the frame has a slanted reflector that deflects the light emitted from the side upwards .
  • the frame with reflector can have a window to create a hermetically sealed space for the LED.
  • the frame with the reflector can also be filled with a medium. This medium lets light through and protects the LED chip with its low permeability.
  • the frame with the reflector is mounted in a gas-tight manner on the substrate. This can e.g. B. done by circumferential soldering or gluing.
  • ESD protection is provided for the optoelectronic component, but this is placed outside of the area around which the frame is arranged.
  • electrical contact is made via the underside of the carrier. If, on the other hand, the frame is glued to the carrier, the electrical contact can be made both on the top side of the carrier and on the rear side of the carrier.
  • the optical element can be reduced in size by optimizing the frame with reflector to the size of the optoelectronic component. In this way, the costs for the optical element (frame with/without reflector) and window can be reduced. By placing an ESD protection diode outside the cavity, it can be further optimized. In addition, this also increases the brightness, since no light is absorbed by the protective diode. Furthermore, the reflector can thus be mounted directly next to the optoelectronic component. The light is immediately reflected upwards and not absorbed in the cavity.
  • an LED package for UV light and in particular UV-C light has an optoelectronic component which is designed to emit light in the ultraviolet spectrum during operation.
  • the optoelectronic component can be a volume emitter using flip-chip technology.
  • a volume emitter is a device in which at least part of the light emerges not only from a main surface but also along the side or other surfaces. In contrast to a surface emitter, to put it simply, a volume emitter also shines along its side surfaces.
  • a flip chip is, for example, a chip in which a substrate that is transparent to the emission wavelength is arranged on the semiconductor layers in such a way that a significant part of the light emission takes place through the substrate.
  • the chip can be mounted in such a way that the electrical contact is made completely on the side of the semiconductor which is remote from the substrate.
  • the substrate can be, for example, the growth substrate on which the semiconductor layers were epitaxially deposited.
  • the ultraviolet spectrum means light with a wavelength below 380 nm. In particular, the light can have a wavelength of less than 220 nm, i. H . are in the so-called UV-C range.
  • the package includes a carrier which has two contact pads for making electrical contact with the optoelectronic component arranged on the two contact pads.
  • a frame surrounding the component and arranged on the carrier is arranged on the carrier with a gas-impermeable exit area lying in a main emission direction in such a way that a hermetically sealed cavity encompassing an inner area of the carrier is formed, with the side walls of the frame facing the optoelectronic component being beveled and open to the main emission direction.
  • an ESD protection element arranged outside the interior area on the carrier is provided, in particular in the form of an ESD protection diode, which is electrically connected to at least one of the two contact pads. The ESD protection diode is used to protect the optoelectronic component against electrostatic discharge.
  • the term “outside the inner area on the carrier” is to be understood in some aspects, in particular, that the ESD protection element is not in the cavity formed on the carrier, i.e., for example, is located directly next to the optoelectronic component. "On the However, “carrier” also means that the ESD protective element is not located within the carrier itself or is even part of the carrier.
  • the proposed principle is intended to create a two-piece package in which the carrier and frame form separate but interconnected elements. In this way, greater flexibility is created, which has an advantageous effect in particular on the choice and positioning of the ESD protection element.
  • the ESD protection element can also be a separate component that is located within the Frame can be arranged on the carrier. Likewise, the ESD protection element can also be integrated in the frame. Referring again to the term “on the carrier”, this is therefore also to be understood as meaning that the component is located above or above the carrier and is coupled to it via the frame.
  • the frame is made of an inorganic material. Such production may even be necessary in some aspects, since in the case of organic frames (or components of such frames) or also organic attachments it cannot be guaranteed that these will not outgas into the cavity. This should be avoided, however, since carbon-containing compounds have a negative effect on the generation and emission of light in many applications. In particular, such frames are often also not gas-tight, so that one cannot speak of a hermetic encapsulation, as in the proposed principle.
  • the frame is formed with silicon that has a tapered wall etched into it. With a suitable crystal orientation, an angle of the slope of the wall is specified during etching. In one aspect, the angle of the slanted sidewalls with respect to a line parallel to the carrier is in the range of 50° to 60°, in particular between 54° and 55°.
  • the beveled side walls of the frame can have a reflection layer, which can also be made of aluminum or silver, among other things. In one aspect, the material can have a degree of reflection of >80% for the light emitted by the optoelectronic component during operation.
  • a height of the frame can thus be greater than a height of the optoelectronic component, in particular a height which is greater by a factor of 1.2 to 1.8 times.
  • the inner region formed by the frame can essentially correspond to a base area of the optoelectronic component. In such a case, the frame or the beveled side wall of the frame directly to the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component can also be raised slightly by expanding the contact pads or a solder on the contact pads. Accordingly, it can be provided that the inner region formed by the frame has a smaller area than a base area of the optoelectronic component.
  • the frame or part of it extends under the optoelectronic component.
  • the component can thus sit on the frame. This configuration is possible if a solder is provided or the contact pads are slightly elevated, so that the component is at a distance from the surface of the carrier.
  • the gas-impermeable exit area in the main emission direction is formed by a transparent window, which is fastened in its edge area to an upper side of the peripheral frame, in particular continuously.
  • the attachment can be done by gluing or a solder.
  • a gold-containing solder can be provided on the upper side of the frame, which is deposited over the entire upper side and to which the window is fastened in a gas-tight manner.
  • the window can have SiO2 or Al2O3.
  • the cavity can be filled with a transparent material. A smoother refractive index transition can thereby be created. The material can thus serve to adapt the refractive index to the window or to the air surrounding the package.
  • the frame is fastened to the carrier in a gas-tight manner.
  • Dese attachment can be done via a metallic solder that can include gold, among other things, and runs completely along the underside of the frame.
  • at least one via is then provided in the interior of the carrier, which is connected to one of the two contact pads.
  • the carrier can also have two further contact pads on its upper side. summarize, which are each electrically connected to the corresponding contact pads in the interior and on which the ESD protection diode is arranged.
  • ESD protection diodes are usually made of silicon, in which the ESD protection is implemented as a fast diode.
  • the frame can include a cavity that is open to the carrier and in which the ESD protection element, in particular the ESD protection diode, is arranged.
  • metallization is provided on a base side of the frame, which connects the frame to the carrier and electrically insulates it from contact pads on the carrier in the region of the cavity.
  • the cavity of the frame can be open to the interior, provided that the rest of the frame continues to ensure a gas-tight seal.
  • existing SMD diodes can be used, which are soldered onto the carrier and, for example, are arranged electrically in parallel with the component to be protected. Typical SMD sizes for such purposes are 0402 to 1005 (metric coding).
  • ESD functionality into the framework.
  • This integration can be achieved in a number of ways using known techniques and manufacturing processes for fabricating the diode.
  • back-to-back zener diodes can also be used as ESD diodes.
  • ESD diodes When the pn junction of an ESD protection diode is discussed below in this context, this means a component or a semiconductor structure that very generally has an ESD functionality.
  • such a functionality can be brought about by a pn junction, but possibly also by a semiconductor-metal junction or by half-liter semiconductor junctions with different dopings and doping gradients.
  • the functionalities can be integrated into the package with little space requirement.
  • a torsion-proof variant can be achieved by providing an ESD protection diode on two (four in the case of square frames) sides or corners of the frame. During assembly, the excess diodes are short-circuited or are not functionally connected and one diode then serves as an ESD protection diode. Since the production of several diodes in one frame does not mean any additional effort due to the semiconductor processing, this variant is effort-neutral.
  • the frame integrates and/or forms the ESD protection element.
  • the frame can comprise at least one first doped area and at least one second area of different doping adjoining it.
  • the at least one first doped region is connected to a first of the two contact pads for electrical contact
  • the at least one second doped region is connected to a second of the two contact pads for electrical contact.
  • Areas of different doping form what is known as a pn junction, which forms a diode depending on how it is connected.
  • the electrical properties can be adapted to requirements over a wide range by suitable doping.
  • the frame thus has at least one pn junction forming ESD protection, which is electrically connected to the two contact pads for making electrical contact with the optoelectronic component arranged on them.
  • the metal bonding layer of the frame to the carrier can also be used as an electrical conduit.
  • One of the at least one first and second doped regions is electrically connected to the metallic layer that connects the frame to the carrier.
  • the frame has, on the side facing the carrier, a first contact region for the at least one first doped region or the pn junction, which extends along a side wall in the inner region.
  • the metallic layer forms a second contact area for the at least one first doped area or the pn junction.
  • a first contact region can be provided on each side of the inner region, which in each case contacts a corresponding first doped region. This achieves a torsion-proof configuration of the frame.
  • the frame has a first contact region for the at least one first doped region or the pn junction in at least one of the corners on the side facing the carrier, which faces the inner region, and the metallic layer has a second contact region forms for the at least one first doped region or the pn junction.
  • this refinement can also be designed to be secured against rotation, in that a first contact area is provided in each corner, which in each case makes contact with a corresponding first doped area or corresponding pn junction.
  • one of the two contact pads for electrical contacting of the optoelectronic component arranged on the two contact pads is electrically connected to the metallic layer that connects the frame to the carrier.
  • the optoelectronic component is connected in parallel to the ESD protection element in the frame.
  • the device includes a socket surrounding the frame, which is arranged on the carrier.
  • the strap and frame are made of the same material.
  • the mount can also be connected to the carrier in a gas-tight manner via a metallic solder, which optionally has gold.
  • the frame is spaced apart from the socket and/or a height of the frame is less than a height of the socket.
  • the socket can also serve as a holder for a transparent window.
  • the frame can thus be inserted into a pre-existing housing.
  • a window that is transparent to light in the ultraviolet spectrum is attached to the mount, which is arranged over the frame and is connected to the mount in a gas-tight manner.
  • the carrier and/or also the mount can be made from a ceramic material, in particular based on AlN.
  • the method comprises providing a silicon substrate and forming a cavity in the silicon substrate, in particular by anisotropic etching. Then the surface of the cavity is metallized. An auxiliary carrier is then attached to an upper side of an edge area of the cavity and optionally connected to it. In the region of the cavity, the silicon material is removed from the back, ie the side opposite the cavity, so that a silicon frame is formed. Removal can be mechanical or chemical. Ultimately, the silicon frame is arranged on a carrier in such a way that the silicon frame forms an inner region in which an optoelectronic component is arranged.
  • a silicon frame can be produced in a suitable manner, which is connected to the carrier in a gas-tight manner and has an inner region in which the component is arranged.
  • the auxiliary carrier can also be used as a window for hermetic coverage.
  • a transparent auxiliary carrier in particular comprising SiO2 or Al2O3, is provided.
  • at least one side of the transparent auxiliary carrier can be coated to adapt a refractive index to the surrounding medium.
  • a metallic layer or layer sequence can be applied in the form of a peripheral frame, the metallic layer or layer sequence comprising gold.
  • the surrounding frame can essentially correspond to the dimensions of the upper side of the edge area of the cavity.
  • the silicon substrate is structured to form at least one rectangular, in particular square, frame structure by etching along a ⁇ 100> plane of the silicon substrate. KOH is particularly suitable as an etching material for this purpose.
  • a further aspect relates to the formation of an ESD protection element in the frame. Provision can thus be made for a pn junction forming an ESD protection diode to be formed in at least one edge area of the silicon substrate, which is arranged outside of the area in which the cavity is located. In other words, an ESD protection diode is formed in the area of the silicon substrate that later forms the frame. In this case, a passivation layer can also be provided on the surface before it is mirrored or metalized. This avoids a short circuit. In one aspect, a total of 4 individually controllable pn junctions are formed, it being possible for the 4 pn junctions to have a common layer.
  • the 4 pn transitions have a certain symmetry, so that a torsion-proof arrangement is guaranteed.
  • a first contact can be formed, which is connected to the common layer, and four second contacts, which are each connected to the corresponding pn junction.
  • the pn junction forming the ESD protection diode can be formed along a side surface of the cavity or in a corner of the cavity in the silicon frame. It is also possible to form the contacts on the underside of the frame at the respective pn junctions along a side face of the cavity or in a corner of the cavity in the silicon frame.
  • the cavity can be structured before metallization, so that the bottom of the cavity remains free of a metallization layer and the metallization layer is formed primarily along the side walls.
  • a passivation layer can be deposited on the frame. This includes at least one of SiÜ2, SiN, SiON, TEOS, NbO, Al2O3, TA2O5 or a combination thereof.
  • the surface of the cavity is metallized with a reflective layer, in particular made of aluminum or silver.
  • a metallic solder is applied to the upper side of the edge region of the cavity to attach a window, the metallic solder having a layer sequence comprising gold and tin.
  • separating trenches can be etched or otherwise formed along the edge region of the cavity, with a depth of the separating trenches essentially corresponding to a depth of the cavity.
  • a structured carrier that includes two contact pads on one surface.
  • the optoelec- ronical component is applied and thus fastened, for example using a solder.
  • the frame is then aligned around the component, placed on the carrier and secured to it, creating a hermetically sealed connection. If necessary, this step can be carried out under protective gas, so that the cavity only contains such an inert gas.
  • the last two steps can also be swapped, i . H . first the silicon frame is applied to the carrier around the two contact pads and attached to it.
  • the optoelectronic component is then arranged on the two contact pads.
  • the cavity can also be filled with a transparent material, for example a plastic.
  • providing a structured carrier can also include structuring the carrier so that a metallic layer is formed on the surface of the carrier, which layer essentially has the dimensions of the silicon frame.
  • the auxiliary carriers are separated.
  • FIG. 1 shows a conventional configuration of an LED package for generating UV light with a protective diode
  • FIG. 2 shows an embodiment of an LED package for UV-C light according to the proposed principle
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an LED package for UV-C light according to the proposed principle
  • FIG. 4 shows a top view of a substrate carrier according to the proposed principle
  • FIG. 5 shows a perspective view of a further embodiment of an LED package according to the proposed principle
  • FIG. 6A shows a cross-sectional illustration of an LED package including a simulation of light rays
  • FIG. 6B shows an intensity angle diagram for a simulation result for an LED package according to the proposed principle
  • FIG. 7A is a further embodiment of an LED package with an integrated protective diode according to the proposed principle
  • FIG. 7B shows a frame in which a pn junction forming a diode is formed
  • FIG. 8 shows a rear view of the frame according to the embodiment of FIG. 7B;
  • Figure 9 illustrates an alternative embodiment viewed towards the rear frames
  • FIG. 10 is a rear view of the frame with a diode integrated therein according to the proposed principle and a corresponding view for the carrier substrate. To fix the frame ;
  • FIG. 11 shows a rear view of a further embodiment of the frame with diodes integrated therein and a corresponding plan view of the carrier substrate for fastening the frame;
  • FIG. 12 shows an exploded view of the individual elements of an LED package according to the proposed principle
  • FIG. 13 shows a method examples for producing an LED package according to the proposed principle
  • FIG. 14 is a second embodiment of a method for producing an LED package for UV-C light according to the proposed principle
  • FIG. 15A to 15C show various aspects of a manufacturing method for an LED package according to the proposed principle.
  • the exemplary embodiments that now follow relate to various aspects and their combinations according to the proposed principle.
  • the exemplary embodiments are not always shown to scale.
  • various elements can be enlarged or reduced in order to emphasize individual aspects.
  • the individual aspects of the embodiments shown in the above figures can be easily combined with one another without this contradicting the principle according to the invention.
  • Some aspects show a regular structure or shape. It should be noted here that slight differences and deviations from the ideal form occur in practice, without this contradicting the inventive concept, however.
  • the individual figures and aspects are not necessarily shown in the correct size, nor do the proportions between individual elements have to be essentially correct; some aspects are emphasized by being shown enlarged.
  • FIG. 1 shows an LED package with an ESD protection diode, as is used to generate UV light and, in particular, also UV-C light.
  • the known package includes a carrier substrate 10 on which an optoelectronic component 11 is arranged on two contact pads 111 and 112 .
  • the optoelectronic component 11 is designed to operate for emitting UV-C light.
  • the component 11 has an active layer (not shown here) in which charge carrier recombination takes place with the emission of photons in the ultraviolet spectrum.
  • the optoelectronic component 11 is surrounded by a frame which is attached to the carrier 10 by means of an adhesive 131a or a solder.
  • the frame 13a encloses the optoelectronic component, for example by means of a rectangular or square structure.
  • a transparent window 15 is arranged on the frame via an adhesive or solder.
  • the frame, together with the carrier substrate 10 and the window 15, thus forms a cavity 100 in which the optoelectronic component is arranged.
  • an ESD protection diode 12 is also provided in the package shown.
  • this is connected to the optoelectronic component via a contact pad 121 . In the embodiment shown here, the connection is created by means of a contact bridge 112a.
  • the known package according to FIG. 11 has a relatively large area, as shown.
  • the side walls of the frame 13a are spaced apart from the optoelectronic component. For this reason, there are frequent reflections on the walls inside the cavity during operation, which worsens the beam characteristics.
  • the ESD protection diode 11 can absorb part of the radiation emitted by the component and thus contribute to reducing the intensity of the component. Overall, the size of the entire package and the arrangement of the ESD protection diode within the frame is rather a hindrance, so that there is a need for new and innovative solutions here.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an LED package which is particularly suitable for generating and emitting UV light is .
  • Various measures are presented that ensure optimization of the radiated intensity.
  • the LED package includes a substrate carrier 10 on the surface of which two contact pads 111 and 112 are arranged in a so-called inner area.
  • This interior area is formed by a surrounding frame 13 which is attached to the substrate carrier 10 by means of a metallic solder 131 .
  • the metallic solder hermetically seals the frame with the substrate carrier.
  • a suitable adhesive that outgasss little can also be provided.
  • the optoelectronic component 11 is now arranged within the inner area and on the two contact pads.
  • the frame 13 is chamfered, in contrast to the known techniques, ie. H . embodied at an angle with respect to a plane perpendicular to the surface of the substrate carrier or at an angle with respect to a plane parallel to the surface of the substrate carrier.
  • this angle based on the surface to the substrate carrier, can be in the range from 50° to 60°, in particular in the range from 54° to 55°.
  • the beveled surface of the frame 13 surrounding the optoelectronic component 11 is covered with a mirror layer 14 . In one embodiment, this is applied directly to the frame.
  • the mirror layer is formed with aluminum or silver.
  • the mirror layer for example made of aluminum, silver or another highly reflective material, is arranged on the beveled side surfaces of the frame 13 via an insulating layer.
  • the frame 13 can in this case be made of silicon, a material which enables particularly simple production, in particular with regard to the angle of the beveled side surfaces. With a suitable orientation, silicon is etched by KOH in such a way that the beveled side surfaces result from the anisotropic etching process.
  • a solder 151 or of an adhesive a transparent window 15 arranged on the top of the frame.
  • the resulting hermetically sealed cavity is filled with an inert gas, so that oxidative aging of the optoelectronic component is reduced or eliminated. is avoided entirely.
  • the individual solder layers or Adhesive elements 131 and 151 ensure gas-tight sealing of the cavity.
  • two feedthrough contacts 103 are arranged in the substrate carrier 10, which connect the respective contact pads to lines or contacts on the underside of the substrate carrier.
  • the feedthrough 103 connects the contact pad 111 to the contact pad 102 on the underside of the substrate.
  • the contact 112 is also connected to the ESD protection element 12 via a contact line 102 and a further bushing. This protective element is arranged on contact pads 121 outside the frame.
  • the package can be made smaller by optimizing the frame with the beveled surfaces and the reflectors arranged on them. This allows the cost of the optical element, i. H . the frame with or be reduced without the reflector as well as the window.
  • placing the ESD protection diode outside of the cavity allows it to be optimized on the one hand and the overall brightness of the device or device on the other. of the LED package to increase .
  • the light emitted by the optoelectronic component is reflected directly upwards by the reflector arranged next to the component and is therefore not absorbed in the cavity or the ESD protection diode.
  • the optoelectronic component closes on its underside, i. H . adjacent to the carrier substrate 10 directly to the reflector 13 and the mirror layer 14 arranged thereon.
  • a small gap may be provided between the optoelectronic device and the reflector for easier placement and to ensure some tolerance in placement.
  • the contact pads 111 and 112 are slightly raised, so that the optoelectronic component is at a slightly greater distance from the carrier substrate by means of the contact pads.
  • the reflector 13 can reach below the component with its mirror layer, so that the component is virtually seated on the reflector and the mirror layer.
  • Such a package may offer additional advantages, particularly in the case of volume emitters, since even light reflected downwards is reflected and deflected upwards in this way by the reflector and the mirror layers 14 towards the window.
  • FIG. 3 shows an additional embodiment based on the proposed principle.
  • the carrier substrate is designed without further feedthroughs, but instead the lines are arranged on the upper side of the carrier substrate 10 .
  • the contact pads 111 or 112 to the ESD protection diode and its contact pads 121 so that a parallel circuit between the ESD protection diode 12 and the optoelectronic component 11 is formed essentially as in the previous examples.
  • the cavity shown in this embodiment is open at the top, d. H . executed without another transparent window.
  • the cavity is completely filled with a transparent material 19 . In the proposed embodiment, this transparent material extends to the top of the frame and is flush with it.
  • the transparent material may extend over and completely cover the frame.
  • the transparent material is designed in such a way that a diffusion of oxygen into the material and towards the optoelectronic component is avoided or prevented. is greatly reduced.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the carrier substrate in a plan view.
  • the two contact pads 121a and 121b for the ESD protection diode are arranged outside the base area for the frame 131 and at a distance from it.
  • the base of the frame itself is square and encloses two rectangular contact pads 111 and 112 . These are connected to the corresponding contact pads 121a and 121b via bushings and lines (not shown here) on the underside of the carrier 10 .
  • the silicon frame is now applied to the base area 131 and connected to it.
  • Base area 131 and contact pads 111, 112, 121a and 121b can be made with a metallic solder, for example based on gold and zinc. In addition to good electrical contact, this solder also allows mechanical attachment of the corresponding components to the contact pads and a hermetically d . H . gas-tight seal .
  • FIG. 5 shows an embodiment in a perspective view of an LED package according to the proposed principle.
  • the carrier substrate 10 shown in FIG. 4 is equipped with the individual components.
  • An ESD protection diode is soldered onto the two contact pads 121a and 121b and firmly connected to them.
  • the ESD protection diode is designed in SMD design, for example with the metric size 0201 or 0402 .
  • Other special sizes for such SMD protective diodes are also conceivable in this embodiment.
  • the advantage of ready-made components is that they are easy to obtain and very cheap.
  • the ESD protection diode is arranged along one side of the peripheral frame 13 . This is applied to the metallic solder of the surface 131 and mounted on it.
  • the frame 13 has sloping side faces which run squarely around the optoelectronic component 11 arranged in the middle. As shown, the side surfaces of the surrounding frame and the top of the frame are covered with a mirror layer made of aluminum.
  • the transparent window 15 is also arranged on the upper side of the surrounding frame. This forms the window, the frame 13 and the surface of the substrate 10 has a hermetically sealed cavity in which the component 11 is arranged.
  • the ESD protection diode prevents a short circuit, a voltage pulse or a current pulse on the optoelectronic component and such a pulse is discharged through the ESD component on the pads 121a and 121b.
  • damage to the expensive optoelectronic component can be avoided.
  • the service life of the entire package is greatly improved by the ESD protection diode on the one hand and the hermetic encapsulation. In the event of a current or voltage pulse and the ESD protection diode is destroyed by this, it can also be easily replaced and the component repaired in a simple manner.
  • FIG. 6A shows a cross-sectional representation of an LED package for UV-C light according to the proposed principle.
  • a large number of light rays are also drawn in, which represent a reflection on the side surfaces of the frame as a simulation result.
  • the reflection on the side surfaces directs the light to a greater extent and bundles it in the form of a cone, and on the other hand, this increases the intensity of the LED package in the spatial area in front of the LED package.
  • the LED package includes the substrate carrier 10 in that a feedthrough 103 connects a contact pad 112 in the inner region of the substrate carrier to a second contact pad 102a.
  • the inner area of the contact pad is formed by the peripheral frame 13 in which the optoelectronic component 11 is arranged.
  • the surrounding frame 13 has side faces that are beveled and thus deflect the light emitted by the optoelectronic component 11 in the direction of the transparent window 15 .
  • FIGS. 5 and 6A The configuration with a reflective frame, as shown in FIGS. 5 and 6A, generates a relatively high intensity in a characteristically narrow radiation area.
  • FIG. 6B uses a diagram which shows different intersection angles 0, 45°, 90° and 135° through the far field of the diodes, along which the intensity was plotted .
  • an intensity has fallen by only half compared to a maximum value.
  • the intensity is significantly increased compared to a conventional solution with vertical side walls.
  • the frame 13 that is arranged around the optoelectronic component is often made of silicon. Silicon as a semiconductor material is well understood and well known with regard to its electrical properties.
  • the frame can include a small cavity in which the ESD protection diode is present on the carrier substrate.
  • the frame itself can form the ESD protection diode.
  • a hollow space is formed in the frame around an ESD protection diode, such as is implemented as an SMD component in FIG. 5, for example.
  • FIG. 7A shows such an embodiment.
  • a frame 13 is attached to a carrier substrate by means of a metallic solder 131 .
  • a recess 135 is provided in one area of the frame, the size of which exceeds that of the ESD protection diode 12 . Nevertheless, this cavity or recess 135 is arranged in such a way that it does not have an opening to the cavity 100 or has to the outside to a medium surrounding the package. This ensures hermetic encapsulation of the cavity in the frame even with a cavity.
  • the ESD protection diode 12 is applied to contact pads 121 on the substrate carrier 10 and via a metallic bridge 131 a lead 112a is connected to the contact 112 .
  • a parallel connection thus takes place via lines on the upper side of the substrate carrier 10 .
  • the contact pads 111 and 112 are connected to contact pads 102 and 102a on the underside of the carrier substrate 10 via feedthroughs.
  • These contact pads are also electrically conductively connected to the ESD protection diode 12 in the cavity 135 .
  • the LED package can thus be supplied with the necessary current or the necessary supply voltage via the contact pads 102 and 102a.
  • the ESD protection diode is designed as a separate component in a cavity.
  • the frame itself can also be implemented with a diode, so that it itself acts as an ESD protection diode.
  • FIG. 7B shows an example of a frame in which a transition was made in the silicon material and this forms an ESD protection diode via contact pads on the underside of the frame.
  • a trough is formed which is electrically insulated from the rest of the frame and has been passivated with a layer 138 of SiO 2 .
  • a first p-doped layer 137' and a second n-doped layer 137 are now formed in the well, so that a back-to-back zener diode is formed in the boundary region of these two layers.
  • Both layers 137' and 137 are each connected to one of the contact pads 121a and 121b. Insulation reaching into the material is provided between the contact pads in order to avoid a short circuit.
  • the pn junction forms a diode.
  • This embodiment shown in FIG. 7B is merely an example; the pn junction layer can also be arranged parallel to the underside of the frame. However, the trough isolates the diode from the rest of the frame.
  • the insulation can also only be arranged on one side, for example around the n-doped layer; in such a case, the p-doped side would be connected to the frame.
  • a frame designed in this way is therefore on the one hand a basis for the cavity shown in FIG. 7a and for the ESD protection diode against an overvoltage or a current flashover to protect the component.
  • FIG. 8 shows a rear view of a frame in which a diode as shown in FIG. 7B has been implemented.
  • This diode is connected with its respectively doped layers to the contact sides 121a and 121b on the back of the frame.
  • Contacts 121a and 121b are made with a metallic solder and are electrically insulated from the metallic solder of the peripheral border 131 . This avoids a short circuit between frame and carrier substrate due to the metallic solder in area 131 .
  • FIG. 9 shows such an embodiment in a plan view of the frame, in which the diode formed in the frame is electrically connected to a contact pad 121b.
  • the contact pad forms part of the mechanical layer 131 on the underside of the frame, which attaches it to the carrier substrate (not shown here).
  • the second contact pad 121b is open towards the interior of the frame 13 .
  • FIGS. 10a and 10b as well as 11a and 11b show further embodiments for different frames with ESD protection diodes integrated therein and the corresponding surface on the carrier substrate.
  • FIG. 10a shows a plan view of the underside of a frame, the frame being designed as a torsion-proof frame with a total of four ESD protection diodes. These are integrated in the material of the frame and can, for example, have the shape shown in FIG. 7B.
  • Each protection diode is connected to a first contact pad 121a.
  • a second contact pad 121b also forms metallization layer 131 at the same time and thus forms a common contact area for each pn junction.
  • the contact areas 121a of a each pn junction is now arranged along each side surface of the frame 13 . In each case, two contact pads lie opposite one another. In this way, as shown, a torsion-proof arrangement is ensured, since the square frame is rotationally symmetrical at 90°.
  • FIG. 10b shows the corresponding plan view of the carrier substrate with the corresponding areas of a metallization layer 131'.
  • This forms the base on which the frame is placed in a further process step.
  • the metallic layer 131' is also electrically conductively connected to the first contact pad 111'.
  • a second contact pad 112 for the optoelectronic component to be applied is connected to a region 121 via a contact bridge. This area corresponds to one of the contact pads 121a of the frame in FIG. 10a.
  • one of the total of four first contact pads 121a of the frame 13 now makes contact with the corresponding area 121 .
  • the orientation of the frame 13 is not important here, since it is designed to be rotationally symmetrical.
  • FIG. 11 shows a similar alternative embodiment in which the pn junction is located near the corner areas of the frame 13 .
  • four first contact areas 121a are provided in FIG. 11a, which are located near the respective corners of the frame 13.
  • FIG. The first contact regions 121a are electrically insulated from the surrounding metallization layer 131, with the metallization layer 131 also simultaneously forming the second contact pad for each of the ESD protection diodes.
  • This embodiment of the frame 13 is also rotationally symmetrical.
  • the corresponding configuration for the metallization on the carrier substrate 10 is shown in FIG. 11b.
  • the circumferential metallization layer 131' is designed in an electrically conductive connection with the contact pad 111'.
  • the contact pad 112' for the optoelectronic component is connected to a region 121a' via a bridging web. This arrangement is also here torsion-proof application of the frame on the substrate carrier is guaranteed. Since the diodes in the frame are electrically isolated from one another, further measures to prevent a short circuit are not necessary.
  • FIG. 12 shows an exploded view of an LED package for UV light according to the proposed principle with the individual elements. This refinement is based on a package that is also suitable for laser applications.
  • the package consists of a stack of several ceramic layers that are joined together to form a hermetic, fully inorganic and very robust cavity.
  • the package includes, among other things, the substrate carrier as a base plate made of AlN with the peripheral solder material deposited thereon, as well as two contact pads with a gold-tin alloy.
  • the UV-C component is placed on the two contact pads and attached to them.
  • the original package now also includes a frame panel based on a ceramic layer that is placed on the base plate around the UV-C component, i. H . the optoelectronic component is arranged around and fixed to the base plate by means of the solder.
  • the panel can also consist of AIN or . also of sapphire, d . H . AI2O3 exist .
  • a quartz panel with a metallization layer is then applied to the panel, the height of which is greater than the height of the UV-C component.
  • the quartz panel is transparent to the light generated by the component.
  • a complete , gas - tight and hermetic cavity is created by the multiple metallic layers based on a gold alloy .
  • an adhesive or another metallic layer is now also provided, to which the processed silicon reflector is applied. This is arranged in the interior of the frame plate and by means of the solder layer or attached to the substrate with a non-outgassing, UV-resistant adhesive.
  • the individual joining steps can be carried out on the basis of the individual structures shown.
  • the package presented here is therefore suitable for high volumes at comparatively attractive costs, since the individual elements can be combined with one another or can be omitted. Due to the high flexibility, the proposed package can be used not only for UV-C applications, but also for other applications and thus for a wide range of products.
  • the etched silicon reflector is produced from silicon by so-called KOH etching.
  • KOH etching By etching with potassium hydroxide along the crystallographic plane of silicon, cavities with side walls whose flank angle is 54.7° can be produced in a simple manner.
  • a reflective layer is then deposited on the silicon etched in this way, for example made of aluminum, which is characterized by high reflectivity, particularly in the UV-C range.
  • the different layers of solder enable the cavity to be created hermetically, so that there is no need for an additional layer on top of the UV-C component to protect it. As a result, the light intensity of the UV-C component is not affected by additional layers.
  • a UV-stable adhesive can also be used to attach the etched silicon reflector.
  • an adhesive with the designation UV200 from Schott is suitable for this purpose.
  • FIG. 13 shows the steps of a low volume manufacturing process.
  • step S 1 the optoelectronic component is applied to the carrier substrate, the optoelectronic component and also the carrier substrate being singulated in steps S 1 ′ carried out in parallel before or after the application.
  • step S2 the reflective layer is arranged around the optoelectronic component by means of an adhesive or a metallic solder.
  • the etched silicon reflector was produced as a mirror in previous processes S2' and isolated .
  • step S3 the frame plate with its metallic solder layer is applied to the carrier substrate and fastened to it. This frame plate was also produced and separated in parallel process steps S3'.
  • step S4 a transparent quartz panel with metallization is applied to the frame panel as a transparent window and the cavity is thus produced.
  • the quartz panel was produced in advance and separated, as is indicated in the parallel process step S4'.
  • the individual elements are assembled in step S5 and then electro-optical and mechanical testing of the entire package takes place in steps S6 and S7. Only after the test procedure has been successfully completed is it ready for an application and can be packaged in a final step S8.
  • FIG. 14 shows the rough process steps for producing a package according to the principles presented here for large volumes.
  • the carrier substrate is provided in step S1, which can be made of a highly thermally conductive ceramic, for example, in order to achieve good dissipation of the heat loss.
  • Materials suitable for this include ALN or also silicon carbide SiC, both of which have high thermal conductivity.
  • the mirror comprises quartz glass or, alternatively, another material that is transparent to UV light.
  • the window can have another coating to achieve high optical efficiency and reduce reflections.
  • the optoelectronic component is mounted on the base plate by means of solder or a sintering process.
  • the reflector element is made of coated Silicon used in the cavity with the aim of achieving high optical efficiency for the volume-emitting UV-C chip.
  • the mirror element is fixed in this cavity, for example, by means of a UV-stable adhesive, as indicated above.
  • silver or gold-based sinter pastes can also be used.
  • step S3 After inserting the reflector element, the panel is now attached to the carrier substrate in step S3 by means of the metallic layer. Then, in step S4, the UV-transparent window is applied to the frame plate and attached to it by means of a process.
  • step S51 additional bonding processes can take place before or after.
  • step S52 the substrate carrier is separated and sufficiently tested in the following steps. In this configuration, various manufacturing processes that are already known from other packages can be reused, which on the one hand increases flexibility and on the other hand allows costs to be reduced.
  • the embodiments shown here have a high optical efficiency due to the installation close to the chip on the reflector element.
  • the package is hermetically sealed, so that a very robust and durable package can be produced.
  • the precise joining of ceramics and glass or Silica when fully sintered reduces potential defects and improves hermeticity.
  • the embodiments shown here have a high level of robustness against moisture, temperature, corrosion and chemical cleaning agents and are characterized by a long service life and service life due to the hermetic protection of the optoelectronic component and the reflector.
  • the package can be filled with an inert gas, for example nitrogen, helium or argon, before the step of applying the transparent window.
  • a material that can be transparent to UV light can be inserted into the package itself.
  • the material can also contain additional conversion particles, so that light conversion takes place using the material.
  • the transparent window can also be replaced by a light conversion element.
  • FIGS. 15A to 15E show a further embodiment of a manufacturing method for an LED package according to the proposed principle, with individual elements of the later package also taking on the function of an auxiliary or additional support carrier.
  • FIG. 15A shows the production of the window, which at the same time assumes the function of the carrier.
  • a sapphire wafer 150 is provided, which can have a standard thickness of 1 mm and a diameter of 150 mm, for example.
  • this sapphire wafer is then removed to the target thickness of the window and then polished on both sides. The removal can take place by means of a grinding process, so that the thickness of the remaining window 153 is in the range of a few 100 ⁇ m.
  • An antireflection layer 152 can then optionally be applied to the upper side and the lower side. Depending on the application, this antireflection layer can be omitted on both sides or replaced by another structure for decoupling the light.
  • a structure in the form of a frame is applied by means of a metallic layer 151 to the underside of the sapphire wafer that has been thinned in this way.
  • the structuring takes place for example, via a photoresist that is exposed and developed by means of a photomask.
  • a full-surface coating with solder metal is applied, which covers the photoresist and resist-free areas. The photoresist and thus also the soldering metal on the resist are removed.
  • the structured solder metal remains on the wafer.
  • a combination of different elements is suitable as a possible metallic coating, for example a coating of Au, TiAu, TiPtAu, PtAu, AuSn, TiAuSn, TiPtAuSn, Pt AuSn, AuSnAu, TiAuSnAu, TiPtAuSnAu, PtAuSnAu or another combination of platinum, titanium, gold and tin as a layer sequence or alloy.
  • the metallic layer can also be deposited and applied in a different way. In this case, the structuring is applied to the anti-reflection coating. In some exemplary embodiments, this antireflection coating can optionally also be removed in the areas of the frame and the metallic coating can thus be arranged directly on the sapphire wafer.
  • the sapphire wafer is thinned, polished and then the frame is deposited by means of a titanium-gold coating.
  • FIG. 15B shows the next step of a production process and in particular the production of the silicon frame, which has the subsequent cavity-forming indentation.
  • a (100) silicon substrate 133 is provided.
  • the silicon substrate 133 can also be a wafer, which is conveniently the same size as the sapphire wafer from the process in FIG. should have 15A.
  • a hard mask 134 is then deposited thereon, which is particularly stable with respect to KOH.
  • This hard mask can consist of silicon dioxide SiO 2 or silicon nitride SiN, for example.
  • a lithographic structuring of the hard mask 134 then takes place, so that the areas of the subsequent cavity are uncovered.
  • the Cavity etched to target depth using potassium hydroxide it should be noted here that the etching is not complete, and the silicon substrate is therefore not completely etched through.
  • overetching i. H .
  • Overetching may be provided, in which the etching silicon in the cavity bevels deeper than actually necessary. A homogeneous depth is not required, as later the remaining web or Bottom of the cavity is removed in another way.
  • This etching based on the (100) silicon wafer results in a flank angle in the range of 54.7° due to the crystal orientation.
  • the hard mask is then removed again to improve the edge structure.
  • the hard mask can also remain on the silicon.
  • FIG. 15C shows the next process steps for producing the reflector element.
  • a reflection layer 140 is now applied in one or more steps to the upper side, the side flanks and the bottom of the cavity of the silicon wafer 133 .
  • the top of the cavity can be passivated in a first step, for example by applying SiO2, SiN, SiON, TEOS, NbO, Al2O3, TA2O5 or a combination thereof.
  • the upper side passivated in this way is then metallized, for example with Al, Ag, TiAg, Rh or CrRh.
  • the top can be metallized directly.
  • the upper side can also be additionally passivated after metallization in order to avoid degradation and aging of the applied metallized and reflective layer.
  • the upper side of the silicon wafer 133 can be structured lithographically before the metallization is applied.
  • a structure can be produced, for example, in which the bottom of the cavity and also the upper edge of the silicon wafer 133 are not or only partially is coated . However, this is bought with additional process steps.
  • a structured solder metal 151 is now applied to the upper edge of the silicon wafer, ie. H . applied outside the cavity.
  • solder metal or a metallic layer 151 the elements based on gold, zinc, titanium, silver, platinum or combinations thereof.
  • the coating or the soldering metal to be applied depends on its material variant on the metallic coating of the transparent window shown and produced in FIG. 15A.
  • a variant with zinc or zinc-gold should be selected as metallic layer 151 on the silicon frame if a combination without zinc was selected as metallic layer 151 for the transparent window in FIG. 15A or no metallic layer was deposited on the window at all .
  • the metallic layer 151 should have zinc either on the transparent window or also on the silicon frame.
  • additional trenches can optionally be provided by dry chemical means, which are etched into the silicon material from above. The depth can correspond to the depth of the cavity. The trenches are used for easier separation into the individual frames later on. This optional step of dry-chemical etching of trenches can also be interchanged with the preceding step of applying a solder.
  • the top side and in particular the side flanks with a material which includes or consists of aluminum.
  • the aluminum material should only be applied up to but not beyond the structured solder metal in order to avoid exposure of aluminum on the outer edge of the frame to avoid . This can be achieved by an additional structured photo mask before applying the aluminum layer. Likewise, it can be provided in a variant that applied to the top of the silicon frame metallization or. To remove passivation layer before applying the structured solder metal. Without aluminum at the edge of the frame, the aging stability of the component is improved.
  • the transparent window produced in FIG. 15A is now used as an auxiliary carrier in order to further process the silicon frame.
  • the transparent window is positioned over the corresponding areas in the silicon frame and the two metallic solder layers are joined together by heating or some other bonding step.
  • a multiplicity of lids are produced by connecting the window to the silicon substrate.
  • a bonding step is required depending on the embodiment, in particular when a metallic layer is applied to the sapphire window beforehand.
  • the lid produced in this way is then ground from below so that the cavity is opened.
  • an isotropic etching process can also take place until the cavity is open. Grinding or other processes are then carried out until the desired frame thickness is achieved. Due to the fact that separating trenches are already present, these are also separated by the grinding or Etching process opened so that the transparent window is now provided with a number of frames. Alternatively, if the separating trenches were not produced in the previous steps, the silicon can also be dry-chemically etched back from below to the sapphire auxiliary carrier. The last two steps of grinding to open the cavity and the application of the transparent window produced in FIG. H . is also opened before the window is applied by means of the metallic solder layers.
  • a structured solder metal is then arranged from below on the frame outside the cavity.
  • the choice of this metal stack corresponds to the requirements of the later process for connecting the substrate to the lid.
  • the covers produced in this way can finally be separated by what is known as “stealth dicing” or some other form or by breaking the sapphire wafer along the separating trenches of the silicon frame.
  • the frame separated in this way can be positioned over the carrier substrate with the optoelectronic component and then connected to it.
  • the manufacturing methods shown here can be combined in any desired manner, and not only the silicon frame but also the frame plate shown in FIG. 12 could be manufactured using the method shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED Package für UV-Licht aufweisend ein optoelektronisches Bauelement, welches, - insbesondere als Volumenemitter-, ausgestaltet ist, in einem Betrieb Licht im ultravioletten Spektrum abzugeben. Das Bauelement ist auf einem Träger mit zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung angeordnet. Weiterhin ist ein das Bauelement umgebender und auf dem Träger angeordneter Rahmen mit einem in eine Hauptabstrahlrichtung liegenden gasundurchlässigen Austrittsbereich vorgesehen, sodass eine einen Innenbereich des Trägers umfassende hermetisch abgeschlossene Kavität gebildet ist, wobei die dem optoelektronisches Bauelement zugewandten Seitenwände des Rahmens abgeschrägt sind und sich zur Hauptabtstrahlrichtung öffnen. Ein außerhalb des Innenbereichs auf dem Träger angeordnetes ESD Schutzelement ist mit wenigstens einem der zwei Kontaktpads elektrisch verbunden.

Description

LED PACKAGE FÜR UV LICHT UND VERFAHREN
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2020 126 391 . 0 vom 08 . Oktober 2020 in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt durch Rückzug hiermit auf genommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED Package für UV Licht . Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines LED Package für UV Licht .
HINTERGRUND
Im Zusammenhang mit neueren optischen messtechnischen Fragestellungen und auch aktuellen Anwendungen wird der Bedarf an einfachen, robusten und kostengünstigen Lösungen zur Erzeugung von UV Licht immer relevanter . Neben bereits bekannten Anwendungen beispielsweise im Bereich der Spektroskopie , zur Unterstützung der photokatalytischen Aushärtung von Polymeren oder als Lichtquelle für eine Lichtkonversion gewinnen zunehmend auch Anwendungen für die Desinfektion an Bedeutung . Ultraviolettes Licht , allgemein UV Licht mit Wellenlängen von 350 nm und kürzer eignen sich neben Anwendungen für Körperpflege ( Stichwort Solarium) unter anderem auch für die Desinfektion von Gerätschaften oder Lösungen . Hier ist vor allem eine Bestrahlung mit UV-C Licht geeignet , dessen Wellenlänge im Bereich von 280nm und darunter liegt . UV-C Licht eignet sich zudem auch für die Inaktivierung von Bakterien und Viren, unter anderem auch von SARS-CoV-2 Viren und bietet sich somit für Filtersysteme an .
Aus der Anwendung ergeben sich verschiedene Anforderungen . Die Lichtquelle muss effizient sein, um eine möglichst gute Desinfektionsleistung erzielen zu können . Die Desinfektionslösung wird potenziell in Installationen zur Luftreinigung eingesetzt , daraus leitet sich die Forderung nach sehr langen Betriebs- und Lebensdauern ab . Da mit den Desinfektionseinrichtungen die Gesundheit und Sicherheit von Menschen gewährleistet werden muss , werden hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit gestellt . Die Umweltbedingungen an den Einbaupositionen sind anspruchsvoll in Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit und korrosive Kondensate . In den Einbaupositionen müssen die Bauteile regelmäßigen Reinigungs zyklen standhalten, so zum Beispiel Wasserstrahlreinigung ( Dampf strahier ) , Wasserdampfsterilisation und die Reinigung mit chemisch aggressiven Reinigungsmitteln .
Daher müssen Packages für UV Halbleiter verwendet werden, die einerseits unempfindlich sind, andererseits vor allem das optoelektronische Bauelement hermetisch schützen, so dass die oben erwähnten Aspekte , bedingt durch Alterungserscheinungen, herausgezögert oder vermieden werden . Es gibt bereits Packages für optoelektronische Bauelemente im UV Bereich, vor allem aus Kunststoff oder auch mit verklebten Deckel . Diese weisen aber meist eine geringere mechanische Stabilität auf , altern relativ schnell oder verhindern keine Oxidation oder anderweitige Degradation des Bauelements .
Für die oben genannten Anforderungen insbesondere an eine Stabilität des optoelektronischen Bauelements besteht daher das Bedürfnis bestehende Packages zu verbessern .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem vorgeschlagenen Konzept wird eine Öffnung eines Rahmens mit Reflektor auf die Größe des optoelektronischen Bauelements optimiert . Dadurch ist die Öffnung nur minimal größer als das optoelektronische Bauelement für die Erzeugung von UV-C Licht . Zudem hat der Rahmen einen abgeschrägten Reflektor , der das seitlich emittierte Licht nach oben ablenkt . Der Rahmen mit Reflektor kann ein Fenster haben, um einen hermetisch dichten Raum für die LED herzustellen . Alternativ kann der Rahmen mit Reflektor auch mit einem Medium aufgefüllt werden . Dieses Medium ist Licht durchlässig und schützt den LED Chip durch seine geringe Permeabilität . Der Rahmen mit Reflektor ist auf dem Substrat gasdicht montiert . Dies kann z . B . durch eine umlaufende Lötung oder Klebung geschehen . Zudem ist ein ESD Schutz für das optoelektronische Bauelement vorgesehen, der aber außerhalb des Bereichs platziert ist , um den der Rahmen angeordnet ist . Bei einer umlaufenden Lötung auf der Trägeroberseite erfolgt die elektrische Kontaktierung über die Trägerunterseite . Wird hingegen der Rahmen auf den Träger geklebt , so kann die elektrische Kontaktierung sowohl auf der Trägeroberseite als auch auf der Trägerrückseite erfolgen .
Durch die Optimierung des Rahmens mit Reflektor auf die Größe des optoelektronischen Bauelements kann das optische Element verkleinert werden . Hiermit können die Kosten für das optische Element ( Rahmen mit/ohne Reflektor ) und Fenster reduziert werden . Durch das Platzieren einer ESD Schutzdiode außerhalb der Kavität kann diese weiter optimiert werden . Zudem wird hierdurch auch die Helligkeit gesteigert , da kein Licht an der Schutzdiode absorbiert wird . Weiterhin kann der Reflektor so direkt neben dem optoelektronischen Bauelement montiert werden . Das Licht wird sofort nach oben reflektiert und nicht in der Kavität absorbiert .
In einem Aspekt weist somit ein LED Package für UV-Licht und insbesondere UV-C Licht ein optoelektronisches Bauelement auf , welches ausgestaltet ist , in einem Betrieb Licht im ultravioletten Spektrum abzugeben . Dabei kann das optoelektronische Bauelement ein Volumenemitter in Flip-Chip Technologie sein . Ein Volumenemitter ist ein Bauelement , bei dem zumindest ein Teil des Lichts nicht nur aus einer Hauptoberfläche , sondern auch entlang der Seite oder anderer Flächenaustritt . Im Gegensatz zu einem Oberflächenemitter leuchtet , vereinfacht gesagt , ein Volumenemitter auch entlang seiner Seitenflächen . Ein Flip-Chip ist beispielsweise ein Chip , bei dem ein für die Emissionswellenlänge transparentes Substrat an den Halbleiterschichten derart angeordnet ist , dass ein wesentlicher Teil der Lichtemission durch das Substrat erfolgt . Der Chip kann so montiert sein, dass die elektrische Kontaktierung vollständig auf der dem Substrat abgewandten Seite des Halbleiters erfolgt . Das Substrat kann beispielsweise das Wachstumssubstrat sein, auf dem die Halbleiterschichten epitaktisch abgeschieden wurden . Unter dem ultravioletten Spektrum wird Licht mit einer Wellenlänge unter 380nm verstanden . Insbesondere kann das Licht eine Wellenlänge von kleiner als 220nm aufweisen, d . h . im sogenannten UV-C Bereich liegen .
Das Package umfasst einen Träger , der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf den zwei Kontaktpads angeordneten optoelektronischen Bauelements aufweist . Ein das Bauelement umgebender und auf dem Träger angeordneter Rahmen ist mit einem in eine Hauptabstrahlrichtung liegenden gasundurchlässigen Austrittsbereich auf dem Träger so angeordnet , dass eine einen Innenbereich des Trägers umfassende hermetisch abgeschlossene Kavität gebildet ist , wobei die dem optoelektronisches Bauelement zugewandten Seitenwände des Rahmens abgeschrägt sind und sich zur Hauptabtstrahlrichtung öffnen . Schließlich ist ein außerhalb des Innenbereichs auf dem Träger angeordnete ESD Schutzelement vorgesehen, insbesondere in Form einer ESD Schutzdiode , die mit wenigstens einem der zwei Kontaktpads elektrisch verbunden ist . Die ESD Schutzdiode dient zum Schutz des optoelektronischen Bauelement gegen elektrostatische Entladung . Unter dem Begriff „außerhalb des Innenbereichs auf dem Träger" angeordnet ist in einigen Aspekten insbesondere zu verstehen, dass das ESD Schutzelement sich nicht in der gebildeten Kavität auf dem Träger , d . h . zum Beispiel direkt neben dem optoelektronischen Bauelement befindet . „Auf dem Träger" bedeutet j edoch auch, dass das ESD Schutzelement sich gerade nicht innerhalb des Trägers selbst befindet oder sogar Teil des Trägers ist .
Vielmehr soll mit dem vorgeschlagenen Prinzip ein Package zweistückiges Package geschaffen werden, bei dem Träger und Rahmen separate aber miteinander verbundene Elemente bilden . Auf diese Weise wird eine höhere Flexibilität geschaffen, was sich insbesondere auf die Wahl und die Positionierung des ESD Schutzelements vorteilhaft auswirket . So kann das ESD Schutzelement in einigen Aspekten ebenfalls ein separates Bauelement sein, dass innerhalb des Rahmens auf dem Träger angeordnet sein kann . Ebenso kann das ESD Schutzelement auch in dem Rahmen integriert sein . Nochmal bezugnehmend auf den Begriff „auf dem Träger" ist dieser somit also auch zu verstehen, dass sich das Bauelement oberhalb oder über dem Träger befindet und über den Rahmen mit diesem gekoppelt ist .
In einem Aspekt ist der Rahmen aus einem anorganischen Material gefertigt . Eine derartige Herstellung mag in einigen Aspekten sogar erforderlich sein, da es bei organischen Rahmen (bzw . Bestandteilen derartiger Rahmen) oder auch organischen Befestigungen nicht gewährleistet sein kann, dass diese nicht in die Kavität ausgasen . Dies soll aber gerade vermieden werden, da kohlenstoffhaltige Verbindungen bei vielen Anwendungen die Lichterzeugung und Abstrahlung negativ beeinflussen . Insbesondere sind derartige Rahmen oftmals auch nicht gasdicht , so dass nicht von einer hermetischen Kapselung , wie in dem vorgeschlagenen Prinzip gesprochen werden kann .
In einigen Aspekten ist der Rahmen mit Silizium gebildet , in den eine abgeschrägte Wandung geätzt ist . Durch geeignete Kristallrichtung wird bei einer Ätzung ein Winkel der Schräge der Wandung vorgegeben . In einem Aspekt liegt der Winkel der abgeschrägten Seitenwände bezüglich einer parallelen zum Träger im Bereich von 50 ° bis 60 ° , insbesondere zwischen 54 ° und 55 ° . Die abgeschrägten Seitenwände des Rahmens können eine Ref lektionsschicht aufweisen, die unter anderem auch aus Aluminium oder Silber gebildet sein kann . Das Material kann in einem Aspekt einen Reflexionsgrad von >80% für das vom optoelektronischen Bauelement im Betrieb abgegebene Licht aufweisen .
Ein weiterer Aspekt betrifft die geometrischen Abmessungen . So kann eine Höhe des Rahmens größer sein als eine Höhe des optoelektronischen Bauelements , insbesondere eine um den Faktor 1 , 2 bis 1 , 8 - fache größere Höhe . Der durch den Rahmen gebildete Innenbereich kann in einem Aspekt im Wesentlichen einer Grundfläche des optoelektronischen Bauelements entsprechen . In einem solchen Fall grenzt der Rahmen, bzw . die abgeschrägte Seitenwand des Rahmens direkt an das optoelektronische Bauelement an . Durch eine Ausdehnung der Kontaktpads oder eines Lots auf den Kontaktpads kann das optoelektronische Bauelement auch leicht erhöht sein . Entsprechend kann vorgesehen sein, dass der durch den Rahmen gebildete Innenbereich eine kleinere Fläche aufweist als eine Grundfläche des optoelektronischen Bauelements . Mit anderen Worten, reicht so der Rahmen oder ein Teil davon unter das optoelektronische Bauelement . Das Bauelement kann so auf dem Rahmen auf sitzen . Diese Ausgestaltung ist möglich, wenn ein Lot vorgesehen ist oder die Kontaktpads leicht erhöht sind, so dass das Bauelement von der Oberfläche des Trägers beabstandet ist .
In einem anderen Aspekt ist der in Hauptabstrahlrichtung liegende gasundurchlässige Austrittsbereich durch ein transparentes Fenster gebildet , welches in seinem Randbereich an einer Oberseite des umlaufenden Rahmens insbesondere durchgängig befestigt ist . Die Befestigung kann durch Kleben oder ein Lot erfolgen . Beispielsweise kann auf der Oberseite des Rahmens ein Gold aufweisendes Lot vorgesehen sein, dass auf der gesamten Oberseite abgeschieden ist und an dem das Fenster gasdicht befestigt wird . Das Fenster kann SiÜ2 oder AI2O3 aufweisen . Zudem kann die Kavität mit einem transparenten Material ausgefüllt sein . Dadurch kann ein sanfterer Brechnungsin- dexübergang geschaffen werden . Das Material kann so zu einer Anpassung des Brechungsindex an das Fenster oder an die das Package umgebende Luft dienen .
Zudem ist in einer Ausgestaltung der Rahmen gasdicht an dem Träger befestigt . Dese Befestigung kann über ein metallisches Lot erfolgen, dass unter anderem Gold umfassen kann und vollständig entlang der Unterseite des Rahmens verläuft . In einem Aspekt ist dann wenigstens eine Durchkontaktierung im Innenbereich des Trägers vorgesehen, die mit einem der zwei Kontaktpads verbunden ist .
Neben den Kontaktpads für das optoelektronische Bauelement , kann der Träger auch zwei weitere Kontaktpads auf seiner Oberseite um- fassen, die j eweils mit den korrespondierenden Kontaktpads im Innenbereich elektrisch verbunden sind und auf denen die ESD Schutzdiode angeordnet ist .
Ein anderer Gesichtspunkt betrifft die Form, Ausführung und Anordnung der ESD Schutzdiode . ESD Schutzdioden sind üblicherweise aus Silizium aufgebaut , in dem der ESD Schutz als schnelle Diode implementiert ist . In einem Aspekt kann der Rahmen einen zum Träger geöffneten Hohlraum umfassen, in dem das ESD Schutzelement , insbesondere die ESD Schutzdiode angeordnet ist . Hierbei ist in einer Ausführung eine Metallisierung auf einer Grundseite des Rahmens vorgesehen, die den Rahmen mit dem Träger verbindet und von Kontaktpads auf dem Träger im Bereich des Hohlraums elektrisch isoliert . Der Hohlraum des Rahmens kann zum Innenbereich hin geöffnet sein, sofern weiterhin der restliche Rahmen eine gasdichte Abdichtung gewährleistet . Dabei können existierende SMD Dioden verwendet werden, die auf den Träger gelötet und beispielsweise elektrisch parallel zu dem zu schützenden Bauelement angeordnet sind . Typische SMD Baugrößen für solche Zwecke sind 0402 bis 1005 (metrische Kodierung ) .
In einigen anderen Gesichtspunkten wird nun vorgeschlagen, die ESD Funktionalität in den Rahmen zu integrieren . Diese Integration kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden, wobei für die Herstellung der Diode bekannte Techniken und Herstellungsprozesse verwendet werden . Beispielsweise können als ESD Dioden auch Back to Back Zehnerdioden verwendet werden . Wenn im Folgenden in diesem Zusammenhang von dem pn-Übergang einer ESD Schutzdiode die Rede ist , ist damit ein Bauelement oder eine Halbleiterstruktur gemeint , die ganz allgemein eines ESD Funktionalität aufweist . In bestimmten Ausführungen kann eine derartige Funktionalität durch einen pn- Übergang aber eventuell auch durch einen Halbleiter-Metall Übergang oder durch Halbliter-Halbleiterübergänge mit verschiedenen Dotierungen und Dotiergradienten bewirkt werden . Durch die Kombination beider Funktionalitäten in ein Rahmen können die Funktionalitäten mit geringem Platzbedarf in das Package integriert werden . Hierbei wird z . B . in die Unterseite des Silizium-Rahmens die ESD Funktionalität integriert . Sodann werden dann zwei zusätzliche Pads auf der Rahmenrückseite für den ESD Schutz verwendet . Alternativ kann der Rahmen auch nur 2 Pads auf der Rückseite des Rahmens haben und der Anoden und/oder Kathoden- anschluss der ESD Schutzdiode wird für die Montage des Rahmens auf dem Substrat verwendet . Eine verdrehsichere Variante kann erreicht werden, indem an zwei (bei quadratischen Rahmen vier ) Seiten oder Ecken des Rahmens eine ESD Schutzdiode vorgesehen ist . Bei der Montage werden die überzähligen Dioden kurzgeschlossen oder sind nicht funktional angeschlossen und eine Diode dient dann als ESD Schutzdiode . Da die Herstellung mehrerer Dioden in einem Rahmen durch die Halbleiterprozessierung keinen Mehraufwand bedeutet , ist diese Variante aufwandsneutral .
Somit ist in einem Aspekt vorgesehen, dass der Rahmen das ESD Schutzelement integriert und/oder dieses bildet . Zur Ausbildung der ESD Schutzdiode oder allgemeiner des ESD-Schutzelements , kann der Rahmen wenigstens einen ersten dotierten Bereich und wenigstens einen daran angrenzenden zweiten Bereich unterschiedlicher Dotierung umfassen . Der wenigstens eine erste dotierte Bereich ist mit einem ersten der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung verbunden und der wenigstens eine zweite dotierte Bereich ist mit einem zweiten der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung verbunden . Bereiche unterschiedlicher Dotierung bilden einen sogenannten pn-Übergang, der j e nach Verschaltung eine Diode bildet . Durch geeignete Dotierung können die elektrischen Eigenschaften über einen weiten Bereich an die Bedürfnisse angepasst werden . Der Rahmen weist damit wenigstens einen, einen ESD Schutz bildenden pn-Übergang auf , der mit den zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf diesen angeordneten optoelektronischen Bauelements elektrisch verbunden ist . In einem Aspekt kann die metallische Verbindungsschicht des Rahmens an den Träger auch als elektrische Leitung eingesetzt sein . Einer der wenigstens einen ersten und zweiten dotierten Bereiche ist mit der metallischen Schicht elektrisch verbunden, die den Rahmen mit dem Träger verbindet .
In einer weiteren Ausführung weist der Rahmen auf der dem Träger zugewandten Seite einen ersten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang auf , der sich entlang einer Seitenwand im Innenbereich erstreckt . Die metallische Schicht bildet einen zweiten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang . In dieser Ausgestaltung können an j eder Seite des Innenbereichs ein solcher erster Kontaktbereich vorgesehen sein, der j eweils einen korrespondierenden ersten dotierten Bereich kontaktiert . Dadurch wird eine verdrehsichere Ausgestaltung des Rahmens erreicht .
Eine alternative Ausgestaltung ist geschaffen, indem der Rahmen auf der dem Träger zugewandten Seite in wenigstens einer der Ecken einen ersten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang aufweist , der dem Innenbereich zugewandt ist , und die metallische Schicht einen zweiten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang bildet . Auch diese Ausgestaltung kann in einem weiteren Aspekt verdrehsicher ausgestaltet sein, indem in j eder Ecke ein erster Kontaktbereich vorgesehen ist , der j eweils einen korrespondierenden ersten dotierten Bereich oder korrespondierenden pn- Übergang kontaktiert .
In einem Aspekt ist einer der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf den zwei Kontaktpads angeordneten optoelektronischen Bauelements mit der metallischen Schicht elektrisch verbunden, die den Rahmen mit dem Träger verbindet . Dadurch wird das optoelektronische Bauteil parallel zu dem ESD Schutzelement im Rahmen verschaltet . Ein weiterer Aspekt betrifft die Implementierung in bereits bestehende Ausgestaltungen . In einem Aspekt umfasst die Vorrichtung eine den Rahmen umgebende Fassung, die auf dem Träger angeordnet ist . Der Träger und die Fassung sind aus dem gleichen Material gefertigt . Ebenso kann die Fassung gasdicht mit dem Träger über ein metallisches Lot verbunden sein, welches optional Gold aufweist . In einem weiteren Aspekt ist der Rahmen von der Fassung beabstandet und/oder eine Höhe des Rahmens geringer als eine Höhe der Fassung . Die Fassung kann zusätzlich auch als Halterung für ein transparentes Fenster dienen . In einem solchen Aspekt kann der Rahmen somit in ein bereits existierendes Gehäuse eingesetzt werden . In einer Ausführung ist an der Fassung ein für Licht im ultravioletten Spektrum transparentes Fenster befestigt , welches über dem Rahmen angeordnet ist und mit der Fassung gasdicht verbunden ist . Der Träger und/oder auch die Fassung kann mit einem Keramikmaterial , insbesondere auf Basis von AIN ausgeführt sein .
Ein anderer Gesichtspunkt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Packages für UV-Licht . Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt ein Bereitstellen eines Siliziumsubstrats und ein Ausbilden einer Kavität in dem Siliziumsubstrat , insbesondere durch anisotropes Ätzen . Dann wird die Oberfläche der Kavität metallisiert . Dann wird ein Hilfsträger an eine Oberseite eines Randbereichs der Kavität angebracht und mit dieser optional verbunden . Das Siliziummaterial wird im Bereich der Kavität von der Rückseite her , also der der Kavität gegenüberliegenden Seite entfernt , so dass ein Siliziumrahmen gebildet wird . Das Entfernen kann mechanisch oder chemisch erfolgen . Letztlich wird der Siliziumrahmen auf einem Träger derart angeordnet , dass der Siliziumrahmen einen Innenbereich bildet , in dem ein optoelektronisches Bauelement angeordnet ist .
Auf diese Weise kann in geeigneter Art ein Siliziumrahmen erzeugt werden, der mit dem Träger gasdicht verbunden ist und der einen Innenbereich aufweist , in dem das Bauelement angeordnet wird . Mit Vorteil kann zudem der Hilfsträger auch als Fenster zur hermetischen Abdeckung benutzt werden . Dazu kann vorgesehen sein, dass ein transparenter Hilfsträger, insbesondere aufweisend SiÜ2 oder AI2O3 bereitgestellt wird . Optional kann eine Beschichtung wenigstens einer Seite des transparenten Hilfsträgers zur Anpassung eines Brechungsindex an das umgebende Medium erfolgen . Eine metallische Schicht oder Schichtenfolge kann in Form eines umlaufenden Rahmens aufgebracht werden, wobei die metallische Schicht oder Schichtenfolge Gold umfasst .
Abmessungen des umlaufenden Rahmens können im wesentlichen Abmessungen der Oberseite des Randbereichs der Kavität entsprechen . Dies erlaubt eine hermetische und gasdichte Befestigung des Hilfsträgers an dem Rahmen, so dass dieser auch als Austrittsfenster genutzt werden kann . In einem anderen Aspekt wird das Siliziumsubstrat zur Bildung wenigstens einer rechtecksförmigen, insbesondere quadratischen Rahmenstruktur strukturiert , indem entlang einer <100> Ebene des Siliziumsubstrats geätzt wird . Hierzu eignet sich vor allem KOH als Ätzmaterial .
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft die Ausbildung eines ESD Schutzelements in dem Rahmen . So kann vorgesehen werden, einen eine ESD Schutzdiode bildenden pn-Übergangs in zumindest einem Randbereich des Siliziumsubstrats aus zubilden, welcher außerhalb des Bereichs angeordnet ist , in dem die Kavität liegt . Mit anderen Worten wird eine ESD Schutzdiode in dem Bereich des Siliziumsubstrats ausgebildet , welches später den Rahmen bildet . Hierbei kann zudem eine Passivierungsschicht auf der Oberfläche vorgesehen sein, bevor diese verspiegelt oder metallisiert wird . Dadurch lässt sich ein Kurzschluss vermeiden . In einem Aspekt werden insgesamt 4 einzeln ansteuerbare pn Übergänge ausgebildet , wobei die 4 pn-Übergänge eine gemeinsame Schicht aufweisen können . Die 4 pn-Übergänge weisen eine gewisse Symmetrie auf , so dass dadurch eine verdrehsichere Anordnung gewährleistet ist . Während eines rückseitigen Entfernens von Siliziummaterial kann in einer Ausgestaltung des Verfahrens ein erster Kontakt ausgebildet werden, der an die gemeinsame Schicht angeschlossen ist , sowie vier zweite Kontakte , die j eweils an den korrespondierenden pn-Übergang angeschlossen sind . Um eine verdrehsichere Ausgestaltung zu erreichen, können die die ESD Schutzdiode bildende pn-Übergang entlang einer Seitenfläche der Kavität oder in einer Ecke der Kavität im Siliziumrahmen ausgebildet sein . Ebenso ist es möglich, die Kontakte auf der Unterseite des Rahmens an die j eweiligen pn-Übergänge entlang einer Seitenfläche der Kavität oder in einer Ecke der Kavität im Siliziumrahmen auszubilden .
Für das Metallisieren der Oberfläche der Kavität kommen verschiedene Schritte in Frage . So kann in einem Aspekt die Kavität vor einem Metallisieren strukturiert werden, so dass der Boden der Kavität frei von einer Metallisierungsschicht verbleibt und die Metallisierungsschicht vor allem entlang der Seitenwände gebildet wird . Um einen Kurzschluss oder auch eine Alterung des Rahmens zu reduzieren, kann eine Passivierungsschicht auf dem Rahmen abgeschieden werden . Diese umfasst wenigstens eines aus SiÜ2 , SiN, SiON, TEOS , NbO, AI2O3 , TA2O5 oder einer Kombination hiervon . Ein Metallisieren der Oberfläche der Kavität erfolgt mit einer spiegelnden Schicht , insbesondere aus Aluminium oder Silber .
Auf die Oberseite des Randbereichs der Kavität wird zur Befestigung eines Fensters ein metallisches Lot aufgebracht , wobei das metallische Lot eine Schichtenfolge umfassend Gold und Zinn aufweist . Schließlich können Trenngräben entlang des Randbereichs der Kavität geätzt oder anderweitig ausgebildet werden, wobei eine Tiefe der Trenngräben im Wesentlichen einer Tiefe der Kavität entspricht .
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft die Fertigung des gesamten Packages , d . h . mit dem optoelektronischen Bauelement . In einem Aspekt wird ein strukturierter Träger bereitgestellt , der auf einer Oberfläche zwei Kontaktpads umfasst . Auf diese wird das optoelekt- ronische Bauelement aufgebracht und damit befestigt , beispielsweise über ein Lot . Dann wird um das Bauelement herum der Rahmen ausgerichtet , auf den Träger gebracht und an diesem befestigt , so dass eine hermetisch abgedichtete Verbindung entsteht . Gegebenenfalls kann dieser Schritt unter Schutzgas erfolgen, so dass die Kavität nur noch ein solches inertes Gas enthält . Alternativ können auch die zwei letzten Schritte vertauscht werden, d . h . es wird zuerst der Siliziumrahmen um die zwei Kontaktpads herum auf dem Träger aufgebracht und an diesem befestigt . Sodann wird das optoelektronische Bauelement auf die zwei Kontaktpads angeordnet . In einem weiteren Aspekt kann die Kavität auch mit einem transparenten Material beispielsweise einem Kunststoff verfüllt werden .
Ein Bereitstellen eines strukturierten Trägers kann in einem Aspekt auch ein Strukturieren des Trägers umfassen, so dass eine metallische Schicht auf der Oberfläche des Trägers gebildet wird, welche im Wesentlichen die Abmessungen des Siliziumrahmens aufweist . Zudem erfolgt in einigen Ausführungen nach einem rückseitigen Entfernen von Siliziummaterial im Bereich der Kavität ein Vereinzeln der Hilfsträger .
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert .
Figur 1 zeigt eine konventionelle Ausgestaltung eines LED Packages zur Erzeugung von UV-Licht mit einer Schutzdiode ;
Figur 2 stellt eine Ausgestaltung eines LED Packages für UV-C Licht nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar ;
Figur 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines LED Packages für UV- C Licht nach dem vorgeschlagenen Prinzip ;
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf einem Substratträger nach dem vorgeschlagenen Prinzip; Figur 5 stellt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung eines LED Packages nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar ;
Figur 6A zeigt eine Querschnittsdarstellung eines LED Packages einschließlich einer Simulation von Lichtstrahlen;
Figur 6B zeigt ein Intensitätswinkeldiagramm für ein Simulationsergebnis für ein LED Package nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figur 7A ist eine weitere Ausgestaltungsform eines LED Packages mit integrierter Schutzdiode nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figur 7B zeigt einen Rahmen, in dem ein eine Diode bildender pn- Übergang gebildet ist ;
Figur 8 zeigt eine rückseitige Ansicht auf den Rahmen nach der Ausgestaltung der Figur 7B ;
Figur 9 stellt eine alternative Ausgestaltungsform in Ansicht auf die rückwärtigen Rahmen dar;
Figur 10 ist eine Rückansicht des Rahmens mit darin integrierter Diode nach dem vorgeschlagenen Prinzip sowie eine korrespondierende Ansicht für das Trägersubstrat . Zur Befestigung des Rahmens ;
Figur 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Rahmens in Rückansicht mit darin integrierten Dioden und eine korrespondierende Draufsicht auf das Trägersubstrat zur Befestigung des Rahmens ;
Figur 12 stellt eine Explosionsdarstellung der einzelnen Elemente eines LED Package nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar ;
Figur 13 zeigt ein Verfahrens Beispiele zur Herstellung eines LED Package ist nach dem vorgeschlagenen Prinzip ; Figur 14 ist eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines LED Packages für UV-C Licht nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figur 15 A bis 15 C zeigen verschiedene Aspekte eines Herstellungsverfahrens für einen LED Package nach dem vorgeschlagenen Prinzip .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nun folgenden Ausführungsbeispiele betreffen verschiedene Aspekte und deren Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Dabei sind die Ausführungsbeispiele nicht grundsätzlich maßstabsgetreu dargestellt . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte zu betonen . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Gesichtspunkte der in den obigen Figuren dargestellten Ausführungen ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dies dem erfindungsgemäßen Prinzip widerspricht . Einige Aspekte zeigen eine regelmäßige Struktur oder Form. Hierbei ist anzumerken, dass in der Praxis leichte Unterschiede und Abweichungen von der idealen Form auf treten, ohne dass dies dem erfinderischen Gedanken j edoch widerspricht . Zudem sind die einzelnen Figuren und Aspekte sind nicht notwendigerweise in richtiger Größe dargestellt , ebenso wenig müssen die Größenverhältnisse zwischen einzelnen Elementen im Wesentlichen korrekt sein , einige Aspekte sind hervorgehoben, in dem diese vergrößert dargestellt sind . Jedoch sind Begriffe wie „über" , „oberhalb" „unter" , "unterhalb" „größer" , „kleiner" und dergleichen mit Blick auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . Insofern ist es möglich, basierend auf den Figuren derartige Beziehungen zwischen den Elementen zu entnehmen .
Figur 1 zeigt ein LED Package mit einer ESD Schutzdiode , wie sie für eine Erzeugung von UV-Licht und insbesondere auch UV-C Licht verwendet wird . Das bekannte Package umfasst ein Trägersubstrat 10 , auf dem ein optoelektronisches Bauelement 11 auf zwei Kontaktpads 111 und 112 angeordnet ist . Das optoelektronische Bauelement 11 ist in einem Betrieb zur Abstrahlung von UV-C Licht ausgeführt . Zu diesem Zweck weist das Bauelement 11 eine hier nicht gezeigte aktive Schicht auf , in der eine Ladungsträgerrekombination unter Aussendung von Photonen im ultravioletten Spektrum stattfindet .
Das optoelektronische Bauelement 11 ist von einem Rahmen umgeben, der mittels eines Klebers 131a oder eines Lots am Träger 10 befestigt ist . Der Rahmen 13a umschließt das optoelektronische Bauelement beispielsweise mittels einer rechtecksförmigen oder quadratischen Struktur . Auf dem Rahmen ist über einen Kleber oder ein Lot ein transparentes Fenster 15 angeordnet . Damit bildet der Rahmen zusammen mit dem Trägersubstrat 10 und dem Fenster 15 eine Kavität 100 aus , in dem das optoelektronische Bauelement angeordnet ist . Um das optoelektronische Bauelement vor einer Beschädigung , beispielsweise einem plötzlichen Strom- oder Spannungsimpuls zu schützen, ist zudem in dem gezeigten Package eine ESD Schutzdiode 12 vorgesehen . Diese ist neben dem optoelektronischen Bauelement über ein Kontaktpad 121 mit dem optoelektronischen Bauelement verbunden . In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Verbindung mittels eines Kontaktstegs 112a erzeugt .
Das bekannte Package gemäß Figur 11 ist wie dargestellt relativ großflächig ausgeführt . Dabei sind insbesondere die Seitenwände des Rahmens 13a von dem optoelektronischen Bauelement beabstandet . Deswegen kommt es innerhalb der Kavität während eines Betriebes zum einen zu häufigen Reflexionen an den Wänden, wodurch sich die Strahlcharakteristik verschlechtert . Zum anderen kann die ESD Schutzdiode 11 einen Teil der vom Bauelement emittierten Strahlung absorbieren und somit zu einer Verringerung der Intensität des Bauelements beitragen . Insgesamt ist die Größe des gesamten Packages und die Anordnung der ESD Schutzdiode innerhalb des Rahmens eher hinderlich, sodass hier das Bedürfnis an neuen und innovativen Lösungen existiert .
Figur 2 zeigt eine Ausgestaltungsform eines LED Packages , welches insbesondere zur Erzeugung und Abstrahlung von UV-Licht geeignet ist . Dabei werden verschiedene Maßnahmen vorgestellt , die eine Optimierung der abgestrahlten Intensität gewährleisten .
Das LED Package umfasst einen Substratträger 10 , auf dessen Oberfläche zwei Kontaktpads 111 und 112 in einem sogenannten Innenbereich angeordnet sind . Dieser Innenbereich wird durch einen umgebenden Rahmen 13 gebildet , der über ein metallisches Lot 131 an dem Substratträger 10 befestigt ist . Das metallische Lot schließt zur Unterseite den Rahmen hermetisch mit dem Substratträger ab . Alternative kann auch ein geeigneter Kleber vorgesehen sein, der wenig ausgast . Innerhalb des Innenbereichs und auf die beiden Kontaktpads ist nun das optoelektronische Bauelement 11 angeordnet .
Der Rahmen 13 ist im Gegensatz zu den bekannten Techniken abgeschrägt , d . h . mit einem Winkel gegenüber einer senkrecht zur Oberfläche des Substratträgers oder mit einem Winkel bezüglich einer parallel zur Oberfläche des Substratträgers ausgeführt . Beispielsweise kann dieser Winkel bezogen auf die Oberfläche zum Substratträger im Bereich von 50 ° bis 60 ° , insbesondere im Bereich von 54 ° bis 55 ° liegen . Die abgeschrägte Oberfläche des das optoelektronische Bauelement 11 umlaufenden Rahmens 13 ist mit einer Spiegelschicht 14 bedeckt . Diese ist in einer Ausführungsform direkt auf den Rahmen aufgebracht . Die Spiegelschicht ist mit Aluminium oder Silber gebildet . In einem anderen Beispiel ist die Spiegelschicht , beispielsweise aus Aluminium, Silber oder einem anderen hoch re- flektiven Material über eine Isolationsschicht auf den abgeschrägten Seitenflächen des Rahmens 13 angeordnet . Der Rahmen 13 kann hierbei aus Silizium gebildet sein, ein Material , welches insbesondere hinsichtlich des Winkels der abgeschrägten Seitenflächen eine besonders einfache Herstellung ermöglicht . So wird Silizium bei einer geeigneten Ausrichtung durch KOH so geätzt , dass sich die abgeschrägten Seitenflächen durch den anisotropen Ätzprozess ergeben . Auf der Rahmenoberseite ist mittels eines Lots 151 bzw . eines Klebers ein transparentes Fenster 15 angeordnet . Im vorliegenden Beispiel ist die so entstandene hermetisch abgeschlossene Kavität mit einem inerten Gas gefüllt , sodass eine oxidative Alterung des optoelektronischen Bauelements verringert bzw . ganz vermieden wird . Die einzelnen Lotschichten bzw . Kleberelemente 131 und 151 sorgen für eine gasdichte Abdichtung der Kavität .
Im Substratträger 10 sind zudem zwei Durchführungskontakte 103 angeordnet , die die j eweiligen Kontaktpads mit Leitungen oder Kontakten auf der Unterseite des Substratträgers verbinden . Im Einzelnen verbindet die Durchführung 103 das Kontaktpad 111 mit dem Kontaktpad 102 auf der Unterseite des Substrats . Der Kontakt 112 ist demgegenüber über eine Kontaktleitung 102 und eine weitere Durchführung auch an das ESD Schutzelement 12 angeschlossen . Dieses Schutzelement ist auf Kontaktpads 121 außerhalb des Rahmens angeordnet .
Durch die Optimierung des Rahmens mit den abgeschrägten Flächen und den darauf angeordneten Reflektoren kann das Package verkleinert werden . Damit können die Kosten für das optische Element , d . h . den Rahmen mit bzw . ohne den Reflektor sowie das Fenster reduziert werden . Zudem erlaubt eine Platzierung der ESD Schutzdiode außerhalb der Kavität diese zum einen zu optimieren und zum anderen insgesamt die Helligkeit der Vorrichtung bzw . des LED Packages zu steigern . Das von dem optoelektronischen Bauelement abgegebene Licht wird durch den neben dem Bauelement angeordneten Reflektor direkt nach oben reflektiert und somit nicht in der Kavität oder der ESD Schutzdiode absorbiert .
In einigen Ausführungsbeispielen schließt das optoelektronische Bauelement an seiner Unterseite , d . h . benachbart zum Trägersubstrat 10 direkt an den Reflektor 13 und die darauf angeordnete Spiegelschicht 14 an . Im dargestelltenAusführungsbeispiel kann ein kleiner Zwischenraum zwischen dem optoelektronischen Bauelement und dem Reflektor vorgesehen sein, um eine einfachere Platzierung und bei der Platzierung eine gewisse Toleranz zu gewährleisten . In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Kontaktpads 111 und 112 leicht erhöht , sodass das optoelektronische Bauelement vom Trägersubstrat mittels der Kontaktpads etwas mehr beabstandet ist . In einer solchen Ausführungsform kann der Reflektor 13 mit seiner Spiegelschicht unterhalb des Bauelements reichen, sodass das Bauelement quasi auf dem Reflektor und der Spiegelschicht sitzt . Ein derartiges Package mag insbesondere bei Volumenemittern zusätzliche Vorteile bieten, da sogar nach unten reflektiertes Licht auf diese Weise vom Reflektor und den Spiegelschichten 14 nach oben zum Fenster hin reflektiert und abgelenkt wird .
Figur 3 zeigt eine ergänzende Ausführungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip . In diesem ist das Trägersubstrat ohne weitere Durchführungen ausgeführt , sondern die Leitungen sind auf der Oberseite des Trägersubstrats 10 angeordnet . Im Einzelnen führen die Kontaktpads 111 bzw . 112 zu der ESD Schutzdiode und dessen Kontaktpads 121 , sodass im Wesentlichen wie in den vorangegangenen Beispielen eine Parallelschaltung zwischen ESD Schutzdiode 12 und dem optoelektronischen Bauelement 11 gebildet wird . Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Kavität ist nach oben hin offen, d . h . ohne ein weiteres transparentes Fenster ausgeführt . Um in diesem Zusammenhang eine Degradierung und Alterung des optoelektronischen Bauelements beispielsweise durch Oxidation oder andere Prozesse zu verringern, ist vorgesehen, die Kavität mit einem transparenten Material 19 vollständig aus zufüllen . Im vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel reicht dieses transparente Material bis zur Oberseite des Rahmens und schließt mit diesem bündig ab .
In einigen Ausführungsbeispielen kann das transparente Material über den Rahmen verlaufen und diesen vollständig bedecken . Das transparente Material ist derart ausgeführt , dass eine Diffusion von Sauerstoff in das Material und hin zu dem optoelektronischen Bauelement vermieden bzw . stark verringert wird . Eine Ausgestaltungsform des Trägersubstrats in Draufsicht zeigt Figur 4 . Bei diesem sind die beiden Kontaktpads 121a und 121b für die ESD Schutzdiode außerhalb der Grundfläche für den Rahmen 131 und beabstandet von diesem angeordnet . Die Grundfläche des Rahmens selbst ist quadratisch ausgeführt und umschließt zwei rechtecksförmige Kontaktpads 111 und 112 . Diese sind über hier nicht gezeigte Durchführungen und Leitungen auf der Unterseite des Trägers 10 mit den entsprechenden Kontaktpads 121a und 121b verbunden . Der Siliziumrahmen wird nun auf die Grundfläche 131 aufgebracht und mit diesem verbunden . Grundfläche 131 sowie die Kontaktpads 111 , 112 , 121a und 121b können mit einem metallischen Lot beispielsweise basierend auf Gold und Zink ausgeführt sein . Dieses Lot erlaubt neben einer guten elektrischen Kontaktierung auch noch eine mechanische Befestigung der entsprechenden Komponenten auf den Kontaktpads und einen hermetisch d . h . gasdichten Abschluss .
Figur 5 zeigt eine Ausgestaltungsform in perspektivischer Ansicht eines LED Package nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Dabei ist beispielsweise das in Figur 4 dargestellte Trägersubstrat 10 mit den einzelnen Komponenten bestückt . Eine ESD Schutzdiode ist auf die beiden Kontaktpads 121a und 121b gelötet und fest mit diesen verbunden . Die ESD Schutzdiode ist in SMD Bauweise ausgeführt , beispielsweise mit der metrischen Größe 0201 bzw . 0402 . Auch andere spezielle Größen für derartige SMD Schutzdioden sind in dieser Ausführung denkbar . Der Vorteil bereits fertiger Bauelemente liegt in der einfachen Beschaffung und dem sehr günstigen Preis .
Die ESD Schutzdiode ist entlang einer Seite des umlaufenden Rahmens 13 angeordnet . Dieser ist auf dem metallischen Lot der Fläche 131 aufgebracht und auf diesem montiert . Der Rahmen 13 weist schräge Seitenflächen auf , die quadratisch um das in der Mitte angeordnete optoelektronische Bauelement 11 herumlaufen . Wie dargestellt sind die Seitenflächen des umlaufenden Rahmens sowie die Oberseite des Rahmens mit einer Spiegelschicht aus Aluminium bedeckt . Auf der Oberseite des umlaufenden Rahmens ist zudem das transparente Fenster 15 angeordnet . Dadurch bildet das Fenster , der Rahmen 13 sowie die Oberfläche des Substrates 10 eine hermetisch abgeschlossene Kavität , in dem das Bauelement 11 angeordnet ist .
Durch die ESD Schutzdiode wird in einem Betrieb ein Kurzschluss , ein Spannungsimpuls oder ein Stromimpuls auf das optoelektronische Bauelement vermieden und ein derartiger Impuls durch das ESD Bauelement auf den Pads 121a und 121b abgeleitet . Dadurch kann eine Beschädigung der teuren optoelektronischen Komponente vermieden werden . Insgesamt wird so durch die ESD Schutzdiode einerseits und die hermetische Kapselung die Lebensdauer des gesamten Packages stark verbessert . Bei einem Strom- oder Spannungsimpuls und einer Zerstörung der ESD Schutzdiode durch diesen kann diese zudem leicht ersetzt und das Bauelement auf einfache Weise repariert werden .
Figur 6A zeigt eine Querschnittsdarstellung eines LED Package für UV-C Licht nach dem vorgeschlagenen Prinzip . In dieser Ausführung ist zudem eine Vielzahl von Lichtstrahlen eingezeichnet , die als Simulationsergebnis eine Reflexion an den Seitenflächen des Rahmens darstellen . Durch die Reflexion an den Seitenflächen wird zum einen das Licht in einem stärkeren Maße gerichtet und in Form eines Kegels gebündelt und zum anderen dadurch die Intensität des LED Package in dem vor dem LED Package liegenden Raumbereich erhöht . Das LED Package umfasst den Substratträger 10 , indem eine Durchführung 103 ein Kontaktpad 112 im Innenbereich des Substratträgers mit einem zweiten Kontaktpad 102a verbindet . Der Innenbereich des Kontaktpads ist durch den umlaufenden Rahmen 13 gebildet , indem das optoelektronische Bauelement 11 angeordnet ist . Der umlaufende Rahmen 13 weist Seitenflächen auf , die abgeschrägt sind und somit das von dem optoelektronischen Bauelement 11 abgestrahlte Licht in Richtung des transparenten Fensters 15 umlenken .
Die Ausgestaltung mit einem reflektierenden Rahmen, wie in Figuren 5 und 6A dargestellt , erzeugt eine relativ hohe Intensität in einem charakteristisch engen Abstrahlbereich . Dies ist in Figur 6B anhand eines Diagramm dargestellt , welches verschiedene Schnittwinkel 0 , 45 ° , 90 ° und 135 ° durch das Fernfeld der Dioden zeigt , entlang derer die Intensität aufgetragen wurde . Dabei ist in einem Bereich von +60 ° bis -60 ° eine Intensität gegenüber einem Maximalwert um lediglich die Hälfte gefallen . Insbesondere in einem kleineren Bereich um +20 ° bis -20 ° ist die Intensität deutlich gegenüber einer konventionellen Lösungen mit senkrechten Seitenwänden erhöht .
Ein weiterer Aspekt betrifft die Ausgestaltung , Ausformung und Positionierung des ESD Schutzelements . Wie bereits erwähnt , ist der Rahmen 13 , der um das optoelektronische Bauelement angeordnet ist oftmals aus Silizium gefertigt . Silizium als Halbleitermaterial ist gut verstanden und hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften ausreichend bekannt .
Daher wird vorgeschlagen, zur weiteren Reduzierung einer Größe des LED Packages die Diode , nicht außerhalb auf dem Trägersubstrat , sondern innerhalb im Rahmen anzuordnen . Hierbei können generell zwei unterschiedliche Aspekte realisiert werden . Zum einen kann der Rahmen einen kleinen Hohlraum umfassen, indem die ESD Schutzdiode auf dem Trägersubstrat vorhanden ist . Zum anderen kann der Rahmen auch selbst die ESD Schutzdiode bilden .
In einer Ausführung wird in dem Rahmen ein Hohlraum um eine ESD Schutzdiode ausgebildet , wie sie beispielsweise in Figur 5 als SMD Bauelement realisiert ist . Figur 7A zeigt eine derartige Ausgestaltung . Bei dieser ist ein Rahmen 13 auf einem Trägersubstrat mittels eines metallischen Lot 131 befestigt . In einem Bereich des Rahmens ist eine Aussparung 135 vorgesehen, deren Größe die der ESD Schutzdiode 12 übersteigt . Dennoch ist dieser Hohlraum oder Aussparung 135 so angeordnet , dass er keine Öffnung hin zur Kavität 100 bzw . nach außen hin zu einem das Package umgebenden Medium aufweist . Dadurch wird bei dem Rahmen auch mit einem Hohlraum eine hermetische Kapselung der Kavität gewährleistet .
In dem Hohlraum ist die ESD Schutzdiode 12 auf Kontaktpads 121 auf dem Substratträger 10 aufgebracht und über eine metallische Brücke 131 eine Zuleitung 112a mit dem Kontakt 112 verbunden . Eine Parallelschaltung erfolgt somit durch Leitungen auf der Oberseite des Substratträgers 10 . Dennoch sind die Kontaktpads 111 und 112 über Durchführungen mit Kontaktpads 102 und 102a auf der Unterseite des Trägersubstrats 10 verbunden . Diese Kontaktpads sind auch mit der ESD Schutzdiode 12 in dem Hohlraum 135 elektrisch leitend verbunden . In einem Betrieb kann das LED Package somit über die Kontaktpads 102 und 102a mit dem notwendigen Strom oder der notwendigen Versorgungsspannung beaufschlagt werden .
In dieser Ausführungsform gemäß Figur 7 ist die ESD Schutzdiode in einem Hohlraum als separates Bauelement ausgeführt . In einem anderen Beispiel j edoch kann auch der Rahmen selbst mit einer Diode implementiert sein, sodass dieser selbst als ESD Schutzdiode wirkt . Hierbei ist das gute Verständnis hinsichtlich einer Fertigung von pn-Übergängen und Dioden im Siliziummaterial von Vorteil .
Figur 7B zeigt ein Beispiel eines Rahmens , bei dem ein Übergang im Siliziummaterial gefertigt wurde und dieser über Kontaktpads auf der Unterseite des Rahmens eine ESD Schutzdiode bildet . Dabei ist eine zum restlichen Rahmen hin elektrisch isolierte Wanne gebildet , die mit einer Schicht 138 aus SiÜ2 passiviert worden ist . In der Wanne werden nun eine erste p-dotierte Schicht 137 ' und eine zweite n-dotierte Schicht 137 ausgeführt , so dass im Grenzbereich dieser beiden Schichten eine Back-to Back Zener Diode ausgebildet wird . Beide Schichten 137 ' und 137 sind mit j eweils einem der Kontaktpads 121a und 121b verbunden . Zwischen den Kontaktpads ist ein in das Material reichende Isolierung vorgesehen, um einen Kurzschluss zu vermeiden Der pn-Übergang bildet eine Diode . Diese in Figur 7B dargestellte Ausführung ist lediglich beispielhaft , die pn-Über- gangsschicht kann auch parallel zur Unterseite des Rahmens angeordnet sei . Durch die Wanne ist die Diode j edoch vom restlichen Rahmen isoliert . In einem Beispiel kann die Isolation auch nur auf einer Seite , beispielsweise um die n-dotierte Schicht angeordnet sein , in einem solchen Fall wäre die p-dotierte Seite mit dem Rahmen verbunden . Ein derartig ausgeführter Rahmen ist somit zum einen eine Basis für die in Figur 7a dargestellte Kavität als auch für die ESD Schutzdiode gegen eine Überspannung oder einen Stromüberschlag zum Schutz des Bauelements .
Figur 8 zeigt eine Rückansicht eines Rahmens , in dem eine Diode wie in Figur 7B dargestellt implementiert wurde . Diese Diode ist mit ihren j eweils dotierten Schichten an die Kontaktseiten 121a und 121b auf der Rückseite des Rahmens angeschlossen . Kontakte 121a und 121b sind mit einem metallischen Lot gefertigt und von dem metallischen Lot der umlaufenden Umrandung 131 elektrisch isoliert . Dadurch wird ein Kurzschluss zwischen Rahmen und Trägersubstrat aufgrund des metallischen Lot im Bereich 131 vermieden .
Alternativ kann j edoch die umlaufende metallische Schicht 131 auch als zusätzliches Kontaktpad dienen . Figur 9 zeigt eine derartige Ausführungsform in Draufsicht auf den Rahmen, bei der die in dem Rahmen ausgebildete Diode mit einem Kontaktpad 121b elektrisch verbunden ist . Das Kontaktpad bildet einen Teil der mechanischen Schicht 131 auf der Unterseite des Rahmens , die diese an dem Trägersubstrat (hier nicht gezeigt ) befestigt . Das zweite Kontaktpad 121b ist zum Innenbereich des Rahmens 13 hin geöffnet .
Die Figuren 10a und 10b sowie 11a und 11b zeigen weitere Ausführungsformen für verschiedene Rahmen mit darin integrierten ESD Schutzdioden sowie die korrespondierende Oberfläche auf dem Trägersubstrat .
Figur 10a stellt eine Draufsicht auf eine Rahmenunterseite dar , wobei der Rahmen als verdrehsicherer Rahmen mit insgesamt vier ESD Schutzdioden ausgebildet ist . Diese sind im Material des Rahmens integriert und können beispielsweise die in Figur 7B gezeigte Form aufweisen . Jede Schutzdiode ist mit einem ersten Kontaktpad 121a verbunden . Ein zweites Kontaktpad 121b bildet gleichzeitig auch Metallisierungsschicht 131 und formt somit einen für j eden pn Übergang gemeinsamen Kontaktbereich . Die Kontaktbereiche 121a eines j eden pn Übergangs sind nun entlang einer j eden Seitenfläche des Rahmens 13 angeordnet . Dabei liegen j eweils zwei Kontaktpads einander gegenüber . Auf diese Weise wird, wie dargestellt , eine verdrehsichere Anordnung gewährleistet , da der quadratische Rahmen rotationssymmetrisch um 90 ° ist .
Figur 10b zeigt die korrespondierende Draufsicht auf das Trägersubstrat mit den entsprechenden Bereichen einer Metallisierungsschicht 131 ' . Dieser bildet die Unterlage , auf die der Rahmen in einem weiteren Verfahrensschritt aufgesetzt wird . Die metallische Schicht 131 ' ist zudem mit dem ersten Kontaktpad 111 ' elektrisch leitend verbunden . Ein zweites Kontaktpad 112 für das auf zubringende optoelektronische Bauelement ist über einen Kontaktsteg an einen Bereich 121 angeschlossen . Dieser Bereich korrespondiert zu einem der Kontaktpads 121a des Rahmens der Figur 10a . Nach einem Aufbringen des Rahmens auf das Trägersubstrat kontaktiert nun eines der insgesamt vier ersten Kontaktpads 121a des Rahmens 13 den korrespondierenden Bereich 121 . Dabei kommt es auf die Orientierung des Rahmens 13 nicht an, da dieser rotationssymmetrisch ausgestaltet ist .
Figur 11 zeigt ein ähnliches alternatives Ausführungsbeispiel , bei dem der pn Übergang in der Nähe der Eckbereiche des Rahmens 13 angeordnet ist . Im Besonderen sind in der Figur 11a vier erste Kontaktbereiche 121a vorgesehen, die sich nahe der j eweiligen Ecken des Rahmens 13 befinden . Die ersten Kontaktbereiche 121a sind elektrisch von der umlaufenden Metallisierungsschicht 131 isoliert , wobei die Metallisierungsschicht 131 gleichzeitig auch das zweite Kontaktpad für j ede der ESD Schutzdioden bildet . Auch diese Ausführungsform des Rahmens 13 ist rotationssymmetrisch . Die korrespondierende Ausgestaltung für die Metallisierung auf dem Trägersubstrat 10 ist in Figur 11b dargestellt . Die umlaufende Metallisierung Schicht 131 ' ist in elektrisch leitende Verbindung mit dem Kontaktpad 111 ' ausgeführt . Das Kontaktpad 112 ' für das optoelektronische Bauelement ist über einen Brückensteg mit einem Bereich 121a' verbunden . Durch diese Anordnung ist auch hier ein verdrehsicheres Aufbringen des Rahmens auf dem Substratträger gewährleistet . Da die Dioden des Rahmens voneinander elektrisch isoliert sind, sind weitere Maßnahmen zur Vermeidung eines Kurzschlusses nicht notwendig .
Figur 12 zeigt eine Explosionsdarstellung eines LED Packages für UV-Licht nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit den einzelnen Elementen . Diese Ausgestaltung basiert auf einem Package , dass auch für Laser Anwendungen geeignet ist . Das Package umfasst einen Stapel aus mehreren keramischen Lagen, die zu einer hermetisch, voll anorganischen und sehr robusten Kavität zusammengefügt werden .
In der Explosionsdarstellung der Figur 12 umfasst das Package unter anderem den Substratträger als Basisplatte aus AIN mit dem darauf abgeschiedenen umlaufenden Lotmaterial , sowie zwei Kontaktpads mit einer Gold-Zinnlegierung . Auf die beiden Kontaktpads wird das UV- C Bauteil aufgesetzt und an diesen befestigt . Das ursprüngliche Package umfasst nun weiterhin eine Rahmenplatte ( Frame Panel ) auf Basis einer keramischen Schicht , die auf die Basisplatte um das UV-C Bauteil , d . h . die optoelektronische Komponente herum angeordnet und mittels des Lots an der Basisplatte befestigt wird . Das Panel kann ebenfalls aus AIN bzw . auch aus Saphir, d . h . AI2O3 bestehen . Auf das Panel , dessen Höhe größer als die Höhe des UV-C Bauteils ist , wird anschließend ein Quarzpanel mit einer Metallisierungsschicht aufgebracht . Das Quarzpanel ist für das vom Bauteil erzeugte Licht transparent . Durch die mehreren metallischen Schichten auf Basis einer Goldlegierung wird eine vollständige , gasdichte und hermetische Kavität erzeugt . Erfindungsgemäß ist nun zudem ein Kleber oder eine weitere metallische Schicht vorgesehen, auf die der prozessierte Reflektor aus Silizium aufgebracht wird . Dieser ist im Innenbereich der Rahmenplatte angeordnet und mittels der Lotschicht bzw . eines nicht ausgasenden, UV beständigen Klebers an dem Substrat befestigt .
Die einzelnen Fügeschritte können auf der Basis der dargestellten Einzelstrukturen erfolgen . Das hier vorgestellte Package ist somit für hohe Volumina bei vergleichsweise attraktiven Kosten geeignet , da j e nach Bedarfsfall die einzelnen Elemente miteinander kombiniert bzw . weggelassen werden können . Durch die hohe Flexibilität kann das vorgeschlagene Package somit nicht nur für UV-C Anwendungen, sondern auch für weitere Anwendungen und somit für ein breites Spektrum von Produkten eingesetzt werden .
Der geätzte Siliziumreflektor wird durch sogenanntes KOH Ätzen aus Silizium erzeugt . Durch das Ätzen mit Kaliumhydroxid entlang der kristallographischen Ebene von Silizium lassen sich so auf einfache Weise Kavitäten mit Seitenwänden erzeugen, deren Flankenwinkel 54 , 7 ° beträgt . Anschließend wird auf dem so geätzten Silizium eine reflektierende Schicht abgeschieden, beispielsweise aus Aluminium, die sich besonders im UV-C Bereich durch eine hohe Reflexivität auszeichnet . Die verschiedenen Lotschichten ermöglichen eine hermetische Erzeugung der Kavität , sodass keine Notwendigkeit für eine weitere Schicht auf dem UV-C Bauteil zu dessen Schutz besteht . Dadurch wird auch die Lichtintensität des UV-C Bauteils durch weitere Schichten nicht beeinträchtigt .
Neben einem metallischen Lot kann für die Befestigung des geätzten Siliziumreflektors auch ein UV-stabiler Klebstoff verwendet werden . Beispielsweise eignet sich hierfür ein Klebstoff mit der Bezeichnung UV200 von der Firma Schott .
Figur 13 zeigt die Schritte eines Herstellungsprozesses für niedrige Fertigungsvolumina . Dabei wird in Schritt S1 das optoelektronische Bauelement auf das Trägersubstrat aufgebracht , wobei das optoelektronische Bauelement als auch das Trägersubstrat in den parallel durchgeführten Schritten Sl ' vor oder nach dem Aufbringen vereinzelt ist .
Anschließend wird die Reflexionsschicht in Schritt S2 mittels eines Klebstoffs oder eines metallischen Lotes um das optoelektronische Bauteil herum angeordnet . Hierbei wurde der geätzte Siliziumreflektor als Spiegel in vorangegangenen Prozessen S2 ' erzeugt und vereinzelt . Nach dem Aufbringen des Reflektors wird in Schritt S3 die Rahmenplatte mit ihrer metallischen Lotschicht auf das Trägersubstrat aufgebracht und an diesem befestigt . Auch diese Rahmenplatte wurde in parallelen Prozessschritten S3 ' erzeugt und vereinzelt .
Anschließend wird in Schritt S4 ein transparentes Quarzpanel mit Metallisierung als transparentes Fenster auf das Rahmenpanel aufgebracht und somit die Kavität erzeugt . Das Quarzpanel wurde im Vorfeld hergestellt und vereinzelt , wie dies im parallelen Prozessschritt S4 ' angedeutet ist . Die einzelnen Elemente werden in Schritt S5 zusammengefügt und anschließend erfolgt in den Schritten S6 und S7 ein elektrooptisches sowie mechanisches Testen des gesamten Packages . Erst nach einem erfolgreichen Abschluss der Testprozedur ist dieses für eine Anwendung bereit und kann in einem letzten Schritt S8 verpackt werden .
Figur 14 zeigt demgegenüber die groben Prozessschritte zur Herstellung eines Packages nach den hier vorgestellten Prinzipen für große Volumina .
Hierbei wird unter anderem in Schritt S1 das Trägersubstrat bereitgestellt , das beispielsweise aus einer hochwärmeleitenden Keramik ausgeführt sein kann, um eine gute Ableitung der Verlustwärme zu erreichen . Als Materialien eignen sich unter anderem hierfür ALN bzw . auch Siliziumkarbid SiC , die beide eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen . Demgegenüber umfasst der Spiegel Quarzglas oder alternativ ein anderes für UV-Licht durchlässiges Material . Darüber hinaus kann das Fenster eine weitere Beschichtung aufweisen, um eine hohe optische Effizienz zu erreichen und Reflexionen zu reduzieren .
Zur Befestigung des optoelektronischen Bauelements an dem Trägersubstrat werden Kontakte vorgesehen, und das optoelektronische Bauelement durch Lot oder einen Sinterprozess auf der Bodenplatte montiert . Anschließend wird das Reflektorelement aus beschichteten Silizium in die Kavität eingesetzt , mit dem Ziel , eine hohe optische Effizienz für den volumenemittierenden UV-C Chip zu erreichen . Die Fixierung des Spiegelelements in dieser Kavität erfolgt beispielsweise mittels eines UV stabilen Klebstoff , wie oben angegeben . Alternativ kann auch Silber oder goldbasierte Sinterpasten eingesetzt werden . Wie in den vorangegangenen Beispielen gezeigt wird bei der Montage des Reflektorelements besonders auf den Abstand zwischen dem optoelektronischen Bauelement und dem Reflektorelement geachtet , da möglichst geringe Abstände realisiert werden sollen .
Nach dem Einsetzen des Reflektorelements wird nun das Panel in Schritt S3 mittels der metallischen Schicht an dem Trägersubstrat befestigt . Anschließend wird in Schritt S4 das UV transparente Fenster auf die Rahmenplatte aufgebracht und mittels eines Prozesses an dieser befestigt . Gegebenenfalls können wie dargestellt in Schritt S51 , vorher oder nachher zusätzliche Bondprozesse erfolgen . In Schritt S52 wird der Substratträger vereinzelt und in den folgenden Schritten ausreichend getestet . In dieser Ausgestaltung sind verschiedene bereits aus anderen Packages bekannte Herstellungsprozesses wiederverwendbar, wodurch einerseits die die Flexibilität erhöht und andererseits die Kosten gesenkt werden können .
Die hier dargestellten Ausführungsformen weisen eine hohe optische Effizienz durch den chipnahen Einbau an dem Reflektorelement auf . Darüber hinaus ist das Package hermetisch dicht verschlossen, sodass ein sehr robustes und langlebiges Package erzeugbar ist . Das passgenaue Fügen von Keramiken und Glas bzw . Silika bei vollständiger Sinterung reduziert mögliche Fehler und verbessert die hermetische Dichtigkeit . Die hier gezeigten Ausführungsformen weisen eine hohe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit , Temperatur , Korrosion und chemischen Reinigungsmitteln auf und zeichnen sich durch eine hohe Lebens- und Betriebsdauer aufgrund des hermetischen Schutzes des optoelektronischen Bauelements und des Reflektors aus . In einigen Ausführungen kann das Package vor dem Schritt des Aufbringens des transparenten Fensters mit einem Schutzgas verfüllt werden, beispielsweise Stickstoff , Helium oder Argon . Zudem lässt sich im Package selbst ein Material einfügen, welches transparent für UV-Licht sein kann . In anderen Anwendungen, in denen kein UV- Licht benötigt wird, kann das Material auch zusätzlich Konversionspartikel enthalten, sodass mittels des Materials eine Lichtkonversion stattfindet . Alternativ kann auch das transparente Fenster durch ein Lichtkonversionselement ersetzt werden . Mit einer geeigneten Kombination von Phosphoren ist somit ein exakt auf die j eweilige Applikation zugeschnittenes Spektrum erzeugbar .
Die Figuren 15A bis 15E zeigen eine weitere Ausgestaltungsform eines Herstellungsverfahrens für ein LED Package nach dem vorgeschlagenen Prinzip , wobei hier einzelne Elemente des späteren Packages auch die Funktion eines Hilfs- oder zusätzlichen Supportträgers übernehmen .
Figur 15A zeigt die Herstellung des Fensters , welches gleichzeitig die Funktion des Trägers übernimmt . In einem ersten Schritt wird ein Saphirwafer 150 bereitgestellt , der beispielsweise eine Standarddicke von 1 mm und einen Durchmesser von 150 mm aufweisen kann . Anschließend wird in einem zweiten Schritt dieser Saphirwafer auf die Zieldicke des Fensters abgetragen, und anschließend beiderseitig poliert . Das Abtragen kann mittels eines Schleifprozesses erfolgen, sodass die Dicke des übrig gebliebenen Fensters 153 im Bereich von wenigen 100 pm liegt . Anschließend kann optional eine Antireflexionsschicht 152 auf der Oberseite sowie der Unterseite aufgebracht werden . Je nach Anwendungsfall kann diese Antireflexionsschicht auf den beiden Seiten auch entfallen oder durch eine andere Struktur zur Auskoppelung des Lichts ersetzt werden .
In einem letzten Schritt wird auf der Unterseite des so gedünnten Saphirwafers eine Struktur in Form eines Rahmens mittels einer metallischen Schicht 151 auf ebracht . Die Strukturierung erfolgt beispielsweise über einen Fotolack, der, mittels Fotomas ke belichtet und entwickelt wird . Anschließend wird eine Vollflächige Beschichtung mit Lotmetall aufgetragen, der den Fotolack und lackfreie Bereiche bedeckt . Der Fotolack und damit auch das Lotmetall auf dem Lack wird entfernt . Zurück bleibt das strukturierte Lotmetall auf dem Wafer .
Als mögliche metallische Beschichtung eignet sich eine Kombination aus verschiedenen Elementen, beispielsweise eine Beschichtung aus Au, TiAu, TiPtAu, PtAu, AuSn, TiAuSn, TiPtAuSn, Pt AuSn, AuSnAu, TiAuSnAu, TiPtAuSnAu, PtAuSnAu oder einer anderen Kombination aus Platin, Titan, Gold und Zinn als Schichtenfolge oder Legierung . Neben einer Strukturierung mittels einer entsprechenden Fotomas ke kann auch die metallische Schicht auf andere Art und Weise abgeschieden und aufgebracht werden . Dabei erfolgt das Aufbringen der Strukturierung auf der Antireflexbeschichtung . In einigen Ausführungsbeispielen kann diese Antireflexbeschichtung gegebenenfalls auch in den Bereichen des Rahmens entfernt sein und so die metallische Beschichtung direkt auf dem Saphirwafer angeordnet sein .
In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird der Saphirwafer gedünnt , poliert und anschließend der Rahmen mittels einer Titan- Goldbeschichtung abgeschieden .
Figur 15B zeigt den nächsten Schritt eines Herstellungsprozesses und dabei insbesondere die Herstellung des Siliziumrahmens , welcher die spätere Kavität bildende Vertiefung aufweist . In einem ersten Schritt wird ein ( 100 ) Siliziumsubstrat 133 bereitgestellt . Das Siliziumsubstrat 133 kann ebenfalls ein Wafer sein, der zweckmäßigerweise die gleiche Größe wie der Saphirwafer aus dem Prozess in Fig . 15A aufweisen sollte . Anschließend wird darauf eine Hartmas ke 134 abgeschieden, die besonders gegenüber KOH stabil ist . Dieser Hartmaske kann beispielsweise aus Siliziumdioxid SiÜ2 oder Siliziumnitrid SiN bestehen . Anschließend erfolgt ein lithographisches strukturieren der Hartmas ke 134 , sodass die Bereiche der späteren Kavität freiliegen . Sodann wird in einem folgenden Schritt die Kavität mittels Kaliumhydroxid auf die Zieltiefe geätzt . Hierbei ist anzumerken, dass die Ätzung nicht vollständig ist , das Siliziumsubstrat somit nicht vollständig durchätzt wird .
Dennoch kann ein sogenanntes Overetching , d . h . Überätzen vorgesehen sein, bei dem die Ätzung Silizium in der Kavität tiefer als eigentlich notwendig abschrägt . Eine homogene Tiefe ist nicht erforderlich, da später der übrig gebliebene Steg bzw . Boden der Kavität auf andere Weise entfernt wird . Durch diese Ätzung basierend auf dem ( 100 ) Siliziumwafer entsteht aufgrund der Kristallorientierung ein Flankenwinkel im Bereich von 54 , 7 ° . Anschließend wird die Hartmaske zur Verbesserung der Kantenstruktur wieder entfernt . In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Hartmas ke j edoch auch auf dem Silizium verbleiben .
In Figur 15C sind die nächsten Prozessschritte zur Herstellung des Reflektorelements dargestellt . Dabei wird nun in einem oder mehreren Schritten eine Reflexionsschicht 140 auf der Oberseite , den Seitenflanken sowie dem Boden der Kavität des Siliziumwafers 133 aufgebracht . Dies kann beispielsweise auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen . So kann die Oberseite der Kavität in einem ersten Schritt passiviert werden, beispielsweise durch Aufbringen von SiÜ2 , SiN, SiON, TEOS , NbO , AI2O3 , TA2O5 oder einer Kombination hiervon . Anschließend wird die so passivierte Oberseite metallisiert beispielsweise mit Al , Ag, TiAg , Rh, oder CrRh . Alternativ kann die Oberseite direkt metallisiert werden . Ebenso alternativ kann die Oberseite auch nach einer Metallisierung noch zusätzlich passiviert werden, um eine Degradierung und Alterung der aufgebrachten metallisierten und reflektierenden Schicht zu vermeiden .
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann vor dem Aufbringen der Metallisierung die Oberseite des Siliziumwafers 133 lithographisch strukturiert werden . Dadurch lässt sich beispielsweise eine Struktur erzeugen, bei der der Boden der Kavität sowie auch der obere Rand des Siliziumwafers 133 nicht oder nur teilweise beschichtet wird . Jedoch wird dies mit zusätzlichen Prozessschritten erkauft .
Nach einer Metallisierung der Oberfläche wird nun ein strukturiertes Lotmetall 151 auf den oberen Rand des Siliziumwafers , d . h . außerhalb der Kavität aufgebracht . Als Optionen für ein derartiges Lotmetall bzw . eine metallische Schicht 151 eignen sich die bereits oben dargestellten Elemente basierend auf Gold, Zink, Titan, Silber, Platin bzw . Kombinationen hieraus .
Dabei ist die Beschichtung bzw . das aufzubringende Lotmetall hinsichtlich seiner Materialvariante abhängig von der metallischen Beschichtung des in Figur 15A dargestellt und erzeugten transparenten Fensters . Beispielsweise sollte als metallische Schicht 151 auf dem Siliziumrahmen eine Variante mit Zink, oder Zink-Gold gewählt werden, wenn als metallische Schicht 151 für das transparente Fenster in Figur 15A eine Kombination ohne Zink gewählt wurde oder gar keine Abscheidung einer metallischen Schicht auf dem Fenster erfolgte .
Mit anderen Worten sollte die metallische Schicht 151 entweder am transparenten Fenster oder auch am Siliziumrahmen Zink aufweisen . In einem abschließenden Schritt können optional zusätzliche Gräben trockenchemisch vorgesehen sein, die von oben in das Siliziummaterial geätzt werden . Die Tiefe kann dabei der Tiefe der Kavität entsprechen . Die Gräben dienen der späteren einfacheren Auftrennung in die einzelnen Rahmen . Dieser optionale Schritt des trockenchemischen Ätzens von Gräben lässt sich auch mit dem vorangegangenen Schritt eines Aufbringens eines Lotes vertauschen .
Um eine höhere hohe Effektivität für UV-Licht zu erreichen, empfiehlt sich eine Passivierung der Oberseite und insbesondere der Seitenflanken mit einem Material , welches Aluminium umfasst oder aus diesem besteht . Dabei sollte das Aluminiummaterial nur bis zum strukturierten Lotmetall aber nicht darüber hinaus aufgebracht werden, um so eine Exposition von Aluminium am Außenrand des Rahmens zu vermeiden . Dies lässt sich durch eine zusätzliche strukturierte Fotomaske vor dem Aufbringen der Aluminiumschicht erreichen . Ebenso kann in einer Variante vorgesehen sein, die auf die Oberseite des Siliziumrahmens aufgebrachte Metallisierung bzw . Passivierungsschicht vor dem Aufbringen des strukturierten Lotmetalls wieder zu entfernen . Ohne Aluminium am Rand des Rahmens wird die Alterungsstabilität des Bauelements verbessert .
In den nächsten Prozessschritten dargestellt in Figur 15D wird nun das in Figur 15A erzeugte transparente Fenster als Hilfsträger verwendet , um den Siliziumrahmen weiter zu prozessieren . Zu diesem Zweck wird das transparente Fenster über den entsprechenden Bereichen im Siliziumrahmen positioniert und die beiden metallischen Lotschichten durch Erhitzen oder einem anderweitigen Bondschritt zusammengefügt . Dadurch entsteht eine feste und nicht oder nur auf schwere Weise lösbare Verbindung zwischen dem strukturierten Siliziumsubstrat 133 und dem als Hilfsträger fungierenden transparenten Fenster . Mit anderen Worten wird in diesem Schritt durch ein Verbinden des Fensters mit dem Siliziumsubstrat eine Vielzahl von Deckeln hergestellt . Je nach Ausführungsform, insbesondere bei einem auf vorherigen Aufbringen einer metallischen Schicht auf dem Saphirfenster ist ein Bondschritt erforderlich .
Anschließend wird der so hergestellte Deckel von unten her geschliffen, sodass die Kavität geöffnet wird . Alternativ kann auch ein isotroper Ätzprozess erfolgen, bis die Kavität geöffnet ist . Anschließend wird ein Schleifen oder anderweitige Prozesse durchgeführt , bis die gewünschte Rahmendicke erreicht ist . Dadurch, dass bereits Trenngräben vorhanden sind, werden auch diese durch den Schleif- bzw . Ätzprozess geöffnet , sodass nun das transparente Fenster mit einer Anzahl von Rahmen versehen ist . Alternativ kann auch, sofern die Trenngräben nicht in den vorangegangenen Schritten erzeugt wurden, das Silizium von unten trockenchemisch bis zum Saphirhilfsträger zurückgeätzt werden . Die beiden letzten Schritte des Schleifens zum Öffnen der Kavität und das Aufbringen des in Figur 15A erzeugte transparente Fensters lassen sich auch vertauschen, so dass Siliziumsubstrat zuerst vollständig prozessiert , d . h . auch geöffnet wird, bevor das Fenster mittels der metallischen Lotschichten aufgebracht wird .
Anschließend wird ein strukturiertes Lotmetall von unten am Rahmen außerhalb der Kavität angeordnet . Die Wahl dieses Metallstapels entspricht den Anforderungen des späteren Prozesses zur Verbindung des Substrats mit dem Deckel . In einem letzten Schritt können die so hergestellten Deckel schließlich durch ein sogenanntes „Stealth Dicing" oder eine andere Form bzw . ein Brechen des Saphirwafers entlang der trennenden Gräben des Siliziumrahmens vereinzelt werden .
In einem letzten Schritt dargestellt in Figur 15E kann der so vereinzelte Rahmen über das Trägersubstrat mit dem optoelektronischen Bauelement positioniert und anschließend mit diesem verbunden werden . Die hier dargestellten Herstellungsverfahren können in beliebiger weise kombiniert werden , ebenso könnte nicht nur der Siliziumrahmen, sondern auch die in Figur 12 gezeigte Rahmenplatte durch das in der Figur 15 dargestellte Verfahren hergestellt werden .
BEZUGSZEICHENLISTE
1 LED Package
10 Substratträger
11 optoelektronisches Bauelement
12 ESD Schutzdiode
13 Rahmen
13a Rahmen
14 Spiegel schicht
15 Fenster
19 Material
100 Kavität
103 Vias , Durchkontaktierung
111 , 112 Kontaktpads
121 Kontaktpad
121a , 121b Kontaktpads
131 , 131a metallisches Lot
133 Siliziumsubstrat
137 , 137 ' dotierte Schichten
138 Isolierschicht
139 pn-Übergang
150 Saphirwafer
151 metallisches Lot
153 gedünnter Wafer
152 Antireflexionsschicht

Claims

37
PATENTANS PRÜCHE LED Package für UV-Licht aufweisend :
- ein optoelektronisches Bauelement , welches , -insbesondere als Volumenemitter- , ausgestaltet ist , in einem Betrieb Licht im ultravioletten Spektrum abzugeben;
- einen Träger, der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf den zwei Kontaktpads angeordneten optoelektronischen Bauelements umfasst ;
- einen das Bauelement umgebenden und auf dem Träger angeordneten anorganischen Rahmen mit einem in eine Hauptabstrahlrichtung liegenden gasundurchlässigen Austrittsbereich, sodass eine einen Innenbereich des Trägers umfassende hermetisch abgeschlossene Kavität gebildet ist , wobei die dem optoelektronischen Bauelement zugewandten Seitenwände des Rahmens abgeschrägt sind und sich zur Hauptabtstrahlrichtung öffnen; ein auf dem Träger außerhalb des Innenbereichs auf dem Träger angeordnetes ESD Schutzelement , das mit wenigstens einem der zwei Kontaktpads elektrisch verbunden ist , wobei der umgebende Rahmen über ein metallisches Lot , insbesondere ein Gold umfassendes Lot gasdicht mit dem Träger verbunden ist . LED Package nach Anspruch 1 , wobei der Rahmen Silizium umfasst , und ein Winkel der abgeschrägten Seitenwände bezüglich einer parallelen zum Träger im Bereich von 50 ° bis 60 ° , insbesondere zwischen 54 ° und 55 ° liegt . LED Package nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die abgeschrägten Seitenwände des Rahmens eine Ref lektionsschicht , insbesondere aus Aluminium, Silber oder einem anderen Material mit einem Reflexionsgrad von >80% für das vom optoelektronischen Bauelement im Betrieb abgegebene Licht aufweisen . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der Rahmen eine größere Höhe aufweist als das optoelektronische - 38 -
Bauelement , insbesondere eine um den Faktor 1 , 2 bis 1 , 8 -fache größere Höhe . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der durch den Rahmen gebildete Innenbereich im Wesentlichen einer Grundfläche des optoelektronischen Bauelements ( ) entspricht . LED Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der durch den Rahmen gebildete Innenbereich eine kleinere Fläche aufweist als eine Grundfläche des optoelektronischen Bauelements ( ) und/oder das optoelektronische Bauelement durch die zwei Kontaktpads von einer Oberfläche des Trägers beabstandet ist . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der in Hauptabstrahlrichtung liegende gasundurchlässige Austrittsbereich durch ein transparentes Fenster gebildet ist , welches in seinem Randbereich an einer Oberseite des umlaufenden Rahmens insbesondere durchgängig befestigt ist . LED Package nach Anspruch 7 , bei dem das Fenster gasdicht an den Rahmen mittels eines metallischen Lots oder eine insbesondere anorganische Klebung befestigt ist und/oder das Fenster SiÜ2 oder AI2O3 aufweist . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , umfassend ein transparentes Material , dessen Brechungsindex zwischen Luft und dem Material des die Oberfläche bildenden Halbleiterkörpers liegt und die Kavität ausfüllt . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , weiter umfassend wenigstens eine Durchkontaktierung im Innenbereich des Trägers , die mit einem der zwei Kontaktpads verbunden ist . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der Träger zwei weitere Kontaktpads auf seiner Oberseite umfasst , die j eweils mit den korrespondierenden Kontaktpads im Innenbereich elektrisch verbunden sind und auf denen das ESD Schutzelement angeordnet ist .
12 . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das ESD Schutzelement eine ESD Schutzdiode in SMD Bauform ist .
13 . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der Rahmen einen zum Träger geöffneten Hohlraum umfasst , in dem das ESD Schutzelement , insbesondere eine ESD Schutzdiode angeordnet ist .
14 . LED Package nach einem Anspruch 13 , wobei eine Metallisierung auf einer Grundseite des Rahmens vorgesehen ist , die den Rahmen mit dem Träger verbindet und von Kontaktpads auf dem Träger im Bereich des Hohlraums elektrisch isoliert ist .
15 . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 14 , wobei der Hohlraum des Rahmens zum Innenbereich hin geöffnet ist .
16 . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der Rahmen das ESD Schutzelement integriert und/oder dieses bildet .
17 . LED Package nach Anspruch 16 , wobei der Rahmen wenigstens einen ersten dotierten Bereich und wenigstens einen daran angrenzenden zweiten Bereich unterschiedlicher Dotierung umfasst , und der wenigstens eine erste dotierte Bereich mit einem ersten der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist und der wenigstens eine zweite dotierte Bereich mit einem zweiten der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist .
18 . LED Package nach Anspruch 17 , wobei einer der wenigstens einen ersten und zweiten dotierten Bereiche mit einer metallischen Schicht elektrisch verbunden ist , die den Rahmen mit dem Träger verbindet . ED Package nach Anspruch 18 , wobei der Rahmen wenigstens einen, einen ESD Schutz bildenden pn-Übergang aufweist , der mit den zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf diesen angeordneten optoelektronischen Bauelements elektrisch verbunden ist . LED Package nach einem der Ansprüche 17 bis 19 , wobei der Rahmen auf der dem Träger zugewandten Seite einen ersten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang aufweist , der sich entlang einer Seitenwand im Innenbereich erstreckt und wobei die metallische Schicht einen zweiten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang bildet . LED Package nach Anspruch 20 , wobei entlang einer j eden Seitenwand im Innenbereich ein erster Kontaktbereich vorgesehen ist , der j eweils einen korrespondierenden ersten dotierten Bereich kontaktiert . LED Package nach einem der Ansprüche 17 bis 19 , wobei der Rahmen auf der dem Träger zugewandten Seite in wenigstens einer der Ecken einen ersten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang aufweist , der dem Innenbereich zugewandt ist und die metallische Schicht einen zweiten Kontaktbereich für den wenigstens einen ersten dotierten Bereich oder den pn-Übergang bildet . LED Package nach Anspruch 22 , wobei in j eder Ecke ein erster Kontaktbereich vorgesehen ist , der j eweils einen korrespondierenden ersten dotierten Bereich oder korrespondierenden pn- Übergang kontaktiert . ED Package nach einem der Ansprüche 17 bis 23 , bei dem einer der zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des auf den zwei Kontaktpads angeordneten optoelektronischen Bauelements mit der metallischen Schicht elektrisch verbunden ist , die den Rahmen mit dem Träger verbindet . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , weiter umfassend eine den Rahmen umgebende Fassung , die auf dem Träger angeordnet ist . LED Package nach Anspruch 25 , bei dem der Träger und die Fassung aus dem gleichen Material gefertigt sind . LED Package nach einem der Ansprüche 25 bis 26 , bei dem die Fassung mit einem metallischen Lot , welches optional Gold aufweist gasdicht mit dem Träger verbunden ist . LED Package nach einem der Ansprüche 25 bis 27 , bei dem der Rahmen von der Fassung beabstandet ist und/oder eine Höhe des Rahmens geringer als eine Höhe der Fassung ist . ED Package nach einem der Ansprüche 25 bis 28 , weiter umfassend ein für Licht im ultravioletten Spektrum transparentes Fenster , welches über dem Rahmen angeordnet ist und mit der Fassung gasdicht verbunden ist . LED Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Träger mit einem Keramikmaterial , insbesondere auf Basis von AIN ausgeführt ist . erfahren zur Herstellung eines Packages für UV-Licht umfassend die Schritte :
- Bereitstellen eines Siliziumsubstrats ;
- Ausbilden einer Kavität in dem Siliziumsubstrat , insbesondere durch anisotropes Ätzen;
- Metallisieren der Oberfläche der Kavität ; 42
- Anbringen eines Hilfsträgers an einer Oberseite eines Randbereichs der Kavität ;
- Rückseitiges Entfernen von Siliziummaterial im Bereich der Kavität , so dass ein Siliziumrahmen gebildet wird;
- Anordnen des Siliziumrahmens auf einen Träger derart , dass der Siliziumrahmen einen Innenbereich bildet , in dem ein optoelektronisches Bauelement angeordnet ist . erfahren nach Anspruch 31 , bei dem der Schritt des Ausbildens einer Kavität umfasst :
- Strukturieren des Siliziumsubstrats zur Bildung wenigstens einer rechtecksförmigen, insbesondere quadratischen Rahmenstruktur;
- Anisotropes Ätzen entlang einer <100> Ebene des Siliziumsubstrats . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 32 , bei dem der Schritt des Ausbildens einer Kavität umfasst :
- Ausbilden eines eine ESD Schutzdiode bildenden pn-Übergangs in zumindest einem Randbereich des Siliziumsubstrats , welcher außerhalb des Bereichs angeordnet ist , in dem die Kavität liegt . Verfahren nach Anspruch 33 , bei dem insgesamt 4 einzeln ansteuerbare pn Übergänge ausgebildet werden, wobei die 4 pn- Übergänge eine gemeinsame Schicht aufweisen . Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 34 , bei dem der Schritt Rückseitiges Entfernen von Siliziummaterial umfasst :
- Ausbilden eines ersten Kontakts , der an die gemeinsame Schicht angeschlossen ist und vier zweite Kontakte , die j eweils an den korrespondierenden pn-Übergang angeschlossen sind . 43 erfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35 , bei dem der die ESD Schutzdiode bildende pn-Übergang entlang einer Seitenfläche der Kavität oder in einer Ecke der Kavität im Siliziumrahmen ausgebildet ist . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36 , bei dem der Schritt des Bereitstellens des Siliziumsubstrats umfasst :
- Bereitstellen eines transparenten Hilfsträgers , insbesondere aufweisend SiO2 oder A12O3;
- optionales Beschichten wenigstens einer Seite des transparenten Hilfsträgers zur Anpassung eines Brechungsindex an das umgebende Medium;
- Aufbringen einer metallischen Schicht oder Schichtenfolge in Form eines umlaufenden Rahmens , wobei die metallische Schicht oder Schichtenfolge Gold umfasst . erfahren nach Anspruch 37 , wobei Abmessungen des umlaufenden Rahmens im wesentlichen Abmessungen der Oberseite des Randbereichs der Kavität entsprechen . erfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 38 , wobei der Schritt des Metallisierens der Oberfläche der Kavität wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst :
- Strukturieren der Kavität vor einem Metallisieren, so dass der Boden der Kavität frei von einer Metallisierungsschicht verbleibt ; und
- Ausbilden einer Passivierungsschicht umfassend wenigstens eines aus SiO2 , SiN, SiON, TEOS , NbO, A12O3, TA2O3 oder einer Kombination hiervon; und
- Aufbringen eines metallischen Lot auf die Oberseite des Randbereichs der Kavität , wobei das metallische Lot eine Schichtenfolge umfassend Gold und Zinn aufweist ; und
- Ausbilden von Trenngräben entlang des Randbereichs der Kavität , wobei eine Tiefe der Trenngräben im Wesentlichen einer Tiefe der Kavität entspricht . - 44 -
40 . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 39 , wobei ein Metallisieren der Oberfläche der Kavität mit einer spiegelnden Schicht , insbesondere aus Aluminium oder Silber erfolgt .
41 . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 40 , bei dem der Schritt des Anordnens des Siliziumrahmens auf einen Träger umfasst :
- Bereitstellen eines strukturierten Trägers , der auf einer Oberfläche zwei Kontaktpads umfasst ;
- Aufbringen eines optoelektronischen Bauelements auf die zwei Kontaktpads ;
- Ausrichten und Aufbringen des Siliziumrahmens um das optoelektronische Bauelement herum auf den Träger .
42 . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 40 , bei dem der Schritt des Anordnens des Siliziumrahmens auf einen Träger umfasst :
- Bereitstellen eines strukturierten Trägers , der auf einer Oberfläche zwei Kontaktpads umfasst ;
- Ausrichten und Aufbringen des Siliziumrahmens um die zwei Kontaktpads herum auf den Träger;
- Ausrichten und Aufbringen eines optoelektronischen Bauelements auf die zwei Kontaktpads .
43 . Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 42 , wobei Bereitstellen eines strukturierten Trägers auch ein Strukturieren des Trägers umfasst , so dass eine metallische Schicht auf der Oberfläche des Trägers gebildet wird, welche im Wesentlichen die Abmessungen des Siliziumrahmens aufweist .
44 . Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 43 , bei dem nach einem rückseitigen Entfernen von Siliziummaterial im Bereich der Kavität ein Vereinzeln der Hilfsträger erfolgt .
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