WO2023104529A1 - Optoelektronisches element und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen elements - Google Patents

Optoelektronisches element und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen elements Download PDF

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WO2023104529A1
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carrier
semiconductor chip
hollow spheres
main surface
optoelectronic element
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PCT/EP2022/083089
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Erwin Lang
Simon Schwalenberg
Igor Stanke
Patrick Hörner
Marc Philippens
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Ams-Osram International Gmbh
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Definitions

  • An optoelectronic element and a method for producing an optoelectronic element are specified.
  • At least one object of certain embodiments is to specify an optoelectronic element with improved emission characteristics and a method for producing an optoelectronic element with improved emission characteristics.
  • the optoelectronic element has a carrier.
  • the carrier comprises, for example, a glass or a polymer.
  • the carrier is preferably set up to mechanically stabilize the optoelectronic element.
  • the carrier has conductor tracks and/or contact points for making electrical contact with the optoelectronic element.
  • the conductor tracks and/or contact points can comprise a metal, for example.
  • the optoelectronic element has a semiconductor chip with an active layer for generating electromagnetic radiation.
  • the semiconductor chip is preferably arranged on a main area of the carrier.
  • the main surface of the carrier can correspond to a main extension plane of the carrier, or at least run parallel to it in places.
  • the semiconductor chip is a light-emitting diode, for example.
  • the semiconductor chip has a semiconductor layer sequence which preferably includes a II-IV compound semiconductor material.
  • a III/V compound semiconductor material has at least one element from the third main group, such as B, Al, Ga, In, and one element from the fifth main group, such as N, P, As, for example.
  • III/V compound semiconductor material includes the group of binary, ternary or quaternary compounds which contain at least one element from the third main group and at least one element from the fifth main group, for example nitride and phosphide compound semiconductors.
  • a nitride compound semiconductor preferably comprises Al n Ga m Inin nm N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n+m ⁇ 1.
  • a phosphide compound semiconductor preferably comprises Al n Ga m Inin nm P, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n+m ⁇ 1.
  • Such binary, ternary or quaternary compounds can also have, for example, one or more dopants and additional components.
  • the semiconductor chip is set up in particular to emit electromagnetic radiation in a spectral range between ultraviolet light and infrared light.
  • the semiconductor chip generates electromagnetic radiation in the visible spectral range during operation.
  • the semiconductor chip is preferably a flip chip.
  • a flip chip has electrical connection contacts on a single side, for example on a side of the semiconductor chip facing the carrier.
  • the electrical connection contacts are preferably set up as a reflective layer which reflects electromagnetic radiation generated during operation. This allows one Auskupplungef fi ciency of the electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation can be increased.
  • the carrier includes a printed circuit board, for example.
  • the printed circuit board has, in particular, electrical connection points that are set up for electrically contacting the semiconductor chip.
  • the optoelectronic element can be surface-mounted, for example.
  • the optoelectronic element has connection contacts on a surface of the carrier opposite the main surface, which are set up for external electrical contacting and/or for fastening the optoelectronic element on an external surface.
  • the side of the carrier opposite the main area is in particular free of semiconductor chips for generating electromagnetic radiation.
  • semiconductor chips for generating electromagnetic radiation are arranged exclusively on the main surface of the carrier and thus only on one side of the carrier.
  • the optoelectronic element has an encapsulation element.
  • the encapsulation element is preferably arranged on the main surface of the carrier, so that the optoelectronic element has an intermediate space between the main surface of the carrier and the encapsulation element.
  • the encapsulation element has a polymer, for example, and is in particular formed as a layer on or over the main surface of the carrier.
  • the encapsulation element the main surface of the carrier is laminated and/or bonded by means of a hot melt adhesive.
  • the encapsulation element is arranged, for example, exclusively on the main surface of the carrier. In other words, a side of the carrier opposite the main surface is free from the encapsulation element.
  • the encapsulation element is in particular transparent to electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation.
  • a large part of the electromagnetic radiation generated during operation, for example more than 50%, is preferably decoupled from the optoelectronic element via the encapsulation element.
  • the semiconductor chip is arranged in the intermediate space.
  • the intermediate space can extend, for example, over a partial area of the main surface of the carrier, or over the entire main surface of the carrier.
  • the intermediate space can be closed off or at least have an opening.
  • the intermediate space is at least partially filled with hollow spheres.
  • the hollow spheres preferably have a glass or a polymer, or are formed from a glass or a polymer.
  • the hollow spheres are designed in particular to mechanically stabilize the intermediate space.
  • the hollow spheres are filled, for example, with air or an inert gas, in particular nitrogen.
  • the at least partially filled with hollow spheres gap preferably has optical properties that the optical properties of an air-filled space come as close as possible.
  • a mean refractive index of the space filled with hollow spheres for electromagnetic radiation generated during operation is smaller than a refractive index of the encapsulation element.
  • the average refractive index corresponds in particular to an average of a refractive index of the hollow spheres filled with air or an inert gas, and a refractive index of a matrix material that can be located in the space between the hollow spheres, the average being weighted with corresponding volume fractions of the hollow spheres and the matrix material in the space .
  • the optoelectronic element has the following features:
  • the semiconductor chip is arranged on a main surface of the carrier
  • the encapsulation element is arranged on the main surface of the carrier, so that the optoelectronic element has a gap between the main surface of the carrier and the encapsulation element,
  • the semiconductor chip is arranged in the gap, and
  • the space is at least partially filled with hollow spheres.
  • the optoelectronic element described here is based on the idea of allowing total reflection of electromagnetic radiation generated during operation at a radiation decoupling surface of the encapsulation element reduce . This improves an emission characteristic of the optoelectronic element.
  • the radiation decoupling surface of the encapsulation element is in particular a boundary surface between the encapsulation element and the environment outside of the optoelectronic element.
  • the radiation decoupling surface of the encapsulation element is a main surface of the encapsulation element that faces away from the carrier.
  • the proportion of electromagnetic radiation generated during operation, which is totally reflected at the radiation decoupling surface of the encapsulation element, can be reduced, for example, by a plane-parallel air gap between the semiconductor chip and the encapsulation element.
  • the plane-parallel air gap is in particular arranged plane-parallel to the main surface of the carrier and/or plane-parallel to the radiation coupling-out surface of the semiconductor chip.
  • the plane-parallel air gap is in particular filled with ambient air or an inert gas, for example nitrogen. Electromagnetic radiation coupled out from the semiconductor chip is broken at the transition to the encapsulation element by the plane-parallel air gap. This reduces in particular an angle of incidence of electromagnetic radiation generated during operation at the radiation decoupling surface of the encapsulation element. Thus, a smaller proportion of electromagnetic radiation generated during operation with large angles of incidence impinges on the radiation decoupling surface of the encapsulation element. The total reflected proportion of electromagnetic radiation generated during operation is thereby reduced.
  • Totally reflected electromagnetic radiation is wave-guided within the encapsulation element, for example, and can therefore be coupled out at undesired locations, for example at imperfections, metal conductor tracks or at the edge of the optoelectronic element.
  • a contrast of the optoelectronic element is deteriorated by the total reflection.
  • the encapsulation element is a protective film, with the semiconductor chip on the carrier being laminated into the protective film by means of a thermally deformable hot-melt adhesive.
  • the hot-melt adhesive can enclose the semiconductor chip, in particular on all surfaces that are not covered by the carrier. In this case, the formation of a plane-parallel air gap between the radiation decoupling surface of the semiconductor chip and the encapsulation element is possible only with difficulty.
  • the plane-parallel air gap is replaced in particular by a layer of hollow spheres.
  • the hollow spheres are preferably very stable with respect to a pressure load.
  • the encapsulation element can thus be applied to the hollow spheres, with a stable intermediate space being created which is at least partially filled with hollow spheres and whose optical properties are particularly similar to a plane-parallel air gap.
  • the optoelectronic element can also have an absorption film with a low absorption.
  • the absorption film can advantageously have lower absorption, as a result of which the transparency of the optoelectronic element is advantageously increased.
  • the carrier and/or the encapsulation element comprises a flexible film.
  • the carrier and/or the encapsulation element can also be designed as a flexible film.
  • the flexible film has in particular a polymer, for example polyamide, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), or polyvinyl butyral (PVB).
  • the carrier and the encapsulation element are transparent to electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation.
  • a large part, for example more than 90%, of the electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation is transmitted through the encapsulation element and/or the carrier.
  • the optoelectronic element is, for example, a so-called light-in-glass module.
  • luminescent pictograms, symbols, digits or letters can be represented by small light-emitting diodes within a transparent pane of glass.
  • the carrier has metallic conductor tracks for making electrical contact with the semiconductor chips on .
  • the metallic conductor tracks are preferably so thin that the flexibility of the carrier is retained.
  • the semiconductor chip has an edge length of at most 500 micrometers.
  • the semiconductor chip preferably has an edge length of at most 200 micrometers, particularly preferably of at most 60 micrometers.
  • the semiconductor chip is so small that transparency of the optoelectronic element in the visible spectral range is only slightly influenced by the semiconductor chip embedded therein.
  • the hollow spheres are made of glass.
  • the hollow spheres include borosilicate glass or consist of borosilicate glass.
  • the hollow spheres have an average diameter of between 1 micrometer and 100 micrometers inclusive.
  • the hollow spheres preferably have an average diameter of between 1 micrometer and 10 micrometers inclusive.
  • the hollow spheres have an average wall thickness of between 0.1 micrometer and 5 micrometers inclusive.
  • the wall thickness indicates a radial expansion of a spherical shell of the hollow sphere.
  • the average wall thickness is preferred of a hollow sphere at least by a factor of 10 smaller than the diameter of the hollow sphere.
  • the hollow spheres are transparent to electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation.
  • the intermediate space that is at least partially filled with hollow spheres preferably has similar optical properties to a plane-parallel air gap between the semiconductor chip and the encapsulation element.
  • the average refractive index of the space filled with hollow spheres for electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation is smaller than the refractive index of the encapsulation element.
  • the hollow spheres form a dense packing of spheres, with the dense packing of spheres completely filling the intermediate space.
  • a packing density of the hollow spheres is at least 50%, for example. In other words, at least 50% of the volume of the intermediate space is occupied by the hollow spheres.
  • the dense packing of spheres has, for example, a statistical distribution of the hollow spheres, or is designed, for example, as a hexagonal closest packing of spheres or a Cartesian packing of spheres, with intermediate forms also being possible.
  • the intermediate space extends over the entire main surface of the carrier.
  • the encapsulation element is not in direct contact with the main surface of the carrier.
  • the intermediate space is a closed cavity.
  • the semiconductor chip is arranged in the closed cavity, the closed cavity preferably being filled with a dense packing of spheres made of hollow spheres.
  • the hollow spheres preferably cover all areas of the semiconductor chip that are not covered by the carrier.
  • a lateral extension of the closed cavity corresponds at most to five times an edge length of the semiconductor chip.
  • lateral designates a direction parallel to the main surface of the carrier.
  • the closed cavity has an extent such that electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation, which is emitted at an angle of 45° to the surface normal of the main surface of the carrier, hits a boundary surface between the encapsulation element and the intermediate space is arranged parallel to the main surface of the carrier.
  • the hollow spheres are at least partially embedded in a matrix material, with the matrix material connecting the hollow spheres in a mechanically stable manner.
  • the matrix material is, for example, a polymer in particular an epoxy resin, an acrylate or a polyamide.
  • the matrix material preferably has a lower refractive index for electromagnetic radiation generated during operation than the encapsulation element.
  • the matrix material does not completely fill the free spaces between the hollow spheres.
  • the matrix material is set up for punctual bonding of the hollow spheres to contact surfaces between adjacent hollow spheres. Free spaces between the hollow spheres are therefore preferably not filled with the matrix material but, for example, with ambient air or an inert gas, for example nitrogen.
  • the hollow spheres are arranged at a lateral distance from the semiconductor chip and have a reflective surface.
  • the hollow spheres form a frame which laterally completely encloses the semiconductor chip and protrudes beyond the semiconductor chip in a direction perpendicular to the main surface of the carrier.
  • the hollow spheres are arranged in such a way that after the encapsulation element has been applied, a plane-parallel air gap is arranged between the semiconductor chip and the encapsulation element.
  • the plane-parallel air gap is mechanically stabilized, for example, by the small hollow spheres laterally spaced apart from the semiconductor chip.
  • the hollow spheres are in particular embedded in a matrix material, the matrix material forming a reflective surface with the hollow spheres embedded therein.
  • the Hollow spheres have a reflective surface coating.
  • a multiplicity of semiconductor chips are arranged on the main surface of the carrier, the multiplicity of semiconductor chips forming a pictogram.
  • the optoelectronic element is a light-in-glass module, for example, with the carrier and the encapsulation element being particularly transparent to electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation.
  • a carrier is first provided.
  • the carrier is, for example, a flexible film that includes a polymer and is transparent to electromagnetic radiation in the visible spectral range.
  • a semiconductor chip is applied to a main area of the carrier, the semiconductor chip having an active layer for generating electromagnetic radiation.
  • the semiconductor chip is preferably a micro-LED or a mini-LED with an edge length of less than 100 micrometers.
  • the carrier has, for example, metallic conductor tracks for making electrical contact with the semiconductor chip.
  • an encapsulation element is applied to the main surface of the carrier, with an intermediate space being formed between the encapsulation element and the main surface of the carrier.
  • the encapsulation element is preferably a flexible film which is transparent to electromagnetic radiation generated by the semiconductor chip during operation and is mechanically connected to the main surface of the carrier using a hot-melt adhesive, for example.
  • the semiconductor chip is placed in the gap.
  • the intermediate space is at least partially filled with hollow spheres.
  • the hollow spheres preferably comprise a glass or are formed from a glass.
  • the method for producing an optoelectronic element has the following steps:
  • the semiconductor chip is arranged in the gap
  • the space is at least partially filled with hollow spheres.
  • the hollow spheres are at least partially embedded in a matrix material and applied to the main surface of the carrier by a screen printing method before the encapsulation element is applied.
  • the hollow spheres form in particular a dense packing of spheres, with the matrix material bonding the hollow spheres to one another at contact surfaces, while free spaces between the hollow spheres preferably remain free of the matrix material.
  • the matrix material and the hollow spheres embedded therein are applied to a partial area of the main area of the carrier around the semiconductor chip and to all areas of the semiconductor chip that are not covered by the carrier.
  • the matrix material and the hollow spheres embedded therein are applied to the entire main surface of the carrier, the matrix material with the hollow spheres embedded therein covering the semiconductor chip on all surfaces that are not covered by the carrier.
  • the matrix material with the hollow spheres embedded therein forms a continuous layer which is arranged between the carrier and the encapsulation element.
  • the hollow spheres and the matrix material can be applied to the main surface of the carrier in such a way that a cavity is formed around the semiconductor chip.
  • the hollow spheres are spaced laterally from the semiconductor chip and form a frame which laterally completely encloses the semiconductor chip.
  • the encapsulation element is formed mechanically bonded to the main surface of the carrier and/or the matrix material with the hollow spheres embedded therein, for example using a hot-melt adhesive.
  • the hollow spheres are set up in particular for mechanical stabilization of the intermediate space between the carrier and the encapsulation element in which the semiconductor chip is arranged.
  • the hollow spheres embedded at least partially in the matrix material can be applied to the main surface of the carrier, to partial areas of the main surface of the carrier, and/or to the semiconductor chip by means of slot nozzle coating, spray coating or stencil printing.
  • the encapsulation element is structured so that a depression is formed in a main surface of the encapsulation element, with the hollow spheres being introduced into the depression before the encapsulation element is applied to the carrier.
  • the semiconductor chip is arranged in particular in the recess.
  • the encapsulation element is structured, for example, using a nano-embossing process.
  • the encapsulation element is heated, for example, and deformed by pressing in a structured die, with a depression being formed in the main surface of the encapsulation element.
  • the hollow spheres are at least partially embedded in a matrix material and introduced into the recess.
  • the hollow spheres can thus be arranged locally around the semiconductor chip.
  • FIGS. 1 and 2 show schematic sectional views of optoelectronic elements according to various examples.
  • FIGS. 3 to 6 show schematic sectional views of optoelectronic elements according to various exemplary embodiments.
  • FIG. 7 shows a simulated luminance of optoelectronic elements according to various exemplary embodiments.
  • FIG. 8 shows a flow chart with steps of a method for producing an optoelectronic element according to one embodiment.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional illustration of an optoelectronic element according to one exemplary embodiment.
  • the optoelectronic element in FIG. 1 has a carrier 1 , a semiconductor chip 2 and an encapsulation element 3 .
  • the semiconductor chip 2 is on a main surface 5 of the carrier
  • the semiconductor chip 1 arranged and generates electromagnetic radiation 4 in the visible spectral range during operation.
  • Electromagnetic radiation 4 generated during operation is largely decoupled from the semiconductor chip 2 via a radiation decoupling surface 9 of the semiconductor chip 2 that faces away from the carrier 1 .
  • the encapsulation element 3 is a flexible polymer film, for example, which is laminated onto the main surface 5 of the carrier and onto the semiconductor chip 2 arranged thereon.
  • the encapsulation element 3 is mechanically connected to the main surface 5 of the carrier 1 and to the semiconductor chip 2 using a hot-melt adhesive.
  • the optoelectronic element in FIG. 1 has no intermediate space between the carrier 1 and the encapsulation element 3 in which the semiconductor chip 2 is arranged. Electromagnetic radiation 4 generated by the semiconductor chip 2 during operation is thus coupled directly into the encapsulation element 3 . Electromagnetic radiation 4 generated during operation, which strikes the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 at an angle of incidence 8 that is greater than a critical angle of incidence, is totally reflected in particular within the encapsulation element 3 .
  • the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 corresponds, for example, to a main surface of the encapsulation element 3 facing away from the carrier 1 .
  • the totally reflected electromagnetic radiation 41 is wave-guided in particular within the encapsulation element 3 and can exit at undesired locations, for example at an edge of the optoelectronic element. This reduces in particular a contrast of the optoelectronic element.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of an optoelectronic element which, in contrast to the optoelectronic element in FIG. 1, has an intermediate space 6 between the carrier 1 and the encapsulation element 3 in which the semiconductor chip 2 is arranged.
  • Intermediate space 6 forms a closed cavity, which is filled with ambient air or a protective gas, for example, and is designed such that a plane-parallel air gap 11 is arranged between radiation decoupling surface 9 of semiconductor chip 2 and encapsulation element 3 .
  • the plane-parallel air gap 11 is in particular arranged plane-parallel to the main surface 5 of the carrier 1 .
  • Electromagnetic radiation 4 generated by the semiconductor chip 2 during operation is thus not coupled directly into the encapsulation element 3 but is refracted at an interface between the encapsulation element 3 and the intermediate space 6 .
  • This reduces in particular an angle of incidence 8 of the electromagnetic radiation 4 generated during operation on the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 .
  • a proportion is totally reflected Reduced electromagnetic radiation and improved the emission characteristics of the optoelectronic element.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an optoelectronic element in which, in contrast to the optoelectronic element in FIG. 2, the intermediate space 6 is filled with hollow spheres 7 .
  • the hollow spheres 7 form a dense packing of spheres and consist in particular of glass and have an average diameter of between 1 micrometer and 10 micrometers.
  • the mean wall thickness of the hollow spheres 7 is preferably less than one tenth of the diameter of a hollow sphere 7 .
  • the hollow spheres 7 are at least partially embedded in a matrix material that includes, for example, silicone, acrylates, polyimides and/or an epoxy resin.
  • the matrix material is set up for the mechanical fixation of the hollow spheres 7 .
  • the matrix material is preferably used to bond the hollow spheres 7 to one another at contact surfaces. In particular, free spaces between the densely packed hollow spheres 7 preferably remain largely free of matrix material.
  • the hollow spheres 7 embedded at least partially in the matrix material are designed to mechanically stabilize the space 6 between the carrier 1 and the encapsulation element 3 .
  • the optical properties of the intermediate space 6 filled with hollow spheres 7 are similar to the optical properties of the plane-parallel air gap 11 of the optoelectronic element in FIG. In particular, an average refractive index of the Cavity 6 filled with hollow spheres 7 is smaller than a refractive index of the encapsulation element 3 .
  • the proportion of totally reflected electromagnetic radiation at the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 is thus reduced by the intermediate space 6 filled with hollow spheres 7 , similar to the plane-parallel air gap. Furthermore, the intermediate space 6 filled with hollow spheres 7 can be produced more simply and thus more cost-effectively than the plane-parallel air gap 11 .
  • the encapsulation element 3 can be laminated onto the main surface 5 of the carrier 1 and onto the hollow spheres 7 using a hot-melt adhesive, for example, with the hollow spheres 7 mechanically stabilizing the intermediate space 6 .
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an optoelectronic element in which, in contrast to FIG. 3, the entire main surface 5 of the carrier 1 and the semiconductor chip 2 are covered with small hollow spheres 7 which form a dense packing of spheres.
  • the hollow spheres 7 form a continuous layer which is arranged between the main surface 5 of the carrier 1 and the encapsulation element 3 and in which the semiconductor chip 2 is embedded. In this case, all areas of the semiconductor chip 2 that are not covered by the carrier 1 are covered with hollow spheres 7 .
  • the hollow spheres 7 are designed to reduce the proportion of totally reflected electromagnetic radiation at the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 .
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of an optoelectronic element in which the hollow spheres 7 are arranged at a lateral distance from the semiconductor chip 2 in comparison to the exemplary embodiment in FIG.
  • the hollow spheres 7 form a frame that completely surrounds the semiconductor chip 2 and protrudes in a direction perpendicular to the main surface 5 of the carrier 1, so that a plane-parallel air gap 11 is arranged analogously to FIG. 2 between the semiconductor chip 2 and the encapsulation element 3.
  • the dense sphere packing of hollow spheres 7 preferably has a reflective surface, so that electromagnetic radiation emitted laterally by the semiconductor chip 2 is deflected in the direction of the encapsulation element 3 .
  • Figure 6 shows a schematic sectional view of an optoelectronic element which, in comparison to the exemplary embodiment in Figure 3, also has a diffuser 12 and a cover glass 13, the diffuser 12 being arranged on the radiation decoupling surface 10 of the encapsulation element 3 and the Cover glass 13 is applied to a main surface of the diffuser 12 facing away from the encapsulation element 3 .
  • the optoelectronic element has a further encapsulation element 3 and a further cover glass 13 on a main surface of the carrier 1 opposite the semiconductor chip 2 .
  • the diffuser 12 comprises, for example, a silicone with a low refractive index in which scattering particles are embedded.
  • the scattering particles have aluminum oxide, for example. Electromagnetic radiation generated during operation of the semiconductor chip 2 is largely for example more than 90%, radiated in a direction away from the carrier 1 .
  • FIG. 7 shows the results of a numerical simulation of a luminance of different optoelectronic elements.
  • the simulated luminance 14, 15, 16 of the electromagnetic radiation 4 emitted by the semiconductor chip 2 in the forward direction, ie in a direction perpendicular to the main surface 5 of the carrier 1, is shown.
  • the luminance 14 , 15 , 16 is given in nits .
  • the structure of the simulated optoelectronic elements essentially corresponds to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the carrier 1 is a PET film and the encapsulation element 3 is a PVB film with a thickness of approximately 1.5 millimeters.
  • the diffuser 12 has a thickness of approximately 300 microns and comprises approximately 3% by weight scattering particles of alumina.
  • the cover glass 13 has a thickness of approximately 2 millimeters. Thickness specifications here relate to a direction perpendicular to the main surface 5 of the carrier 1 .
  • the first luminance 14 corresponds to a simulated optoelectronic element that has no gap 6 between the carrier and the encapsulation element 3 .
  • the encapsulation element 3 is applied directly to the semiconductor chip 2 .
  • the simulated luminance 14 of the optoelectronic element in the forward direction corresponds to 576 nits.
  • the second luminance 15 corresponds to a simulated optoelectronic element that has an air-filled intermediate space 6 between the carrier 1 and the encapsulation element 3 .
  • the intermediate space 6 has a linear, lateral extent of approximately 500 micrometers and a height of approximately 120 micrometers, with the semiconductor chip 2 having an edge length of approximately 100 micrometers.
  • the height specification here relates to a direction perpendicular to the main surface 5 of the carrier 1 .
  • a plane-parallel air gap 11 is thus arranged here between the semiconductor chip 2 and the encapsulation element 3 .
  • the simulated luminance 15 of the optoelectronic element is 945 nits.
  • the plane-parallel air gap 11 thus increases the luminance of the electromagnetic radiation coupled out in the forward direction by a factor of approximately 1.64.
  • the third luminance 16 corresponds to a simulated optoelectronic element, the intermediate space 6 being filled with hollow spheres 7 in contrast to the second simulated luminance 15 .
  • the dimensions of the intermediate space 6 are the same.
  • the hollow spheres 7 are in particular made of glass and have a diameter of approximately 10 micrometers with a wall thickness of approximately one micrometer.
  • the hollow spheres 7 form a dense packing of spheres.
  • the simulated luminance 16 of the optoelectronic element is 908 nits in this case.
  • the intermediate space 6 filled with hollow spheres 7 thus leads to a similar increase in the luminance 16 radiated in the forward direction as does the plane-parallel air gap 11 .
  • the flow chart in FIG. 8 schematically shows a sequence of a method according to an exemplary embodiment.
  • the carrier 1 is, in particular, a flexible film and has metallic conductor tracks for contacting a semiconductor chip 2 to be placed thereon.
  • a semiconductor chip 2 is applied to a main area 5 of the carrier 1 .
  • the semiconductor chip 2 is electrically contact-connected to the metallic conductor tracks on the carrier 1 .
  • the semiconductor chip 2 is in particular a light-emitting diode, preferably a mini-LED or a micro-LED with an edge length of at most 100 micrometers, and generates electromagnetic radiation 4 in the visible spectral range during operation.
  • hollow spheres 7, which are at least partially embedded in a matrix material, are applied to at least a partial area of the main surface 5 of the carrier 1.
  • the hollow spheres 7 are preferably made of glass and are transparent to electromagnetic radiation 4 generated by the semiconductor chip 2 during operation.
  • the hollow spheres 7 have a mean diameter of 10 micrometers, for example.
  • the matrix material is, for example, an epoxy resin and glues the hollow spheres 7 together only at certain points.
  • the matrix material with the hollow spheres 7 at least partially embedded therein is applied to at least a partial area of the main surface 5 of the carrier 1 by slot nozzle coating, for example.
  • the matrix material with the hollow spheres 7 at least partially embedded therein can also be applied by spray coating, stencil printing or screen printing take place .
  • the matrix material with the hollow spheres 7 at least partially embedded therein completely covers areas of the semiconductor chip 2 that are not covered by the carrier 1 .
  • the matrix material with the hollow spheres 7 embedded therein at least partially can be arranged at a lateral distance from the semiconductor chip 2 and form a frame which completely encloses the semiconductor chip 2 .
  • an encapsulation element 3 is arranged on the main surface 5 of the carrier 1 .
  • the encapsulation element 3 is in particular a flexible film and is laminated, for example, to the main surface 5 of the carrier 1 with a hot-melt adhesive.
  • the encapsulation element 3 covers the hollow spheres 7 and the semiconductor chip 2 completely, so that an intermediate space 6 is formed between the carrier 1 and the encapsulation element 3 .
  • the hollow spheres 7 and the semiconductor chip 2 are arranged in the intermediate space 6 .
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of an optoelectronic element.
  • the optoelectronic element in FIG. The connection contacts 17 are set up for external electrical contacting of the optoelectronic element. Furthermore, the connection contacts 17 are set up for fastening the optoelectronic element on an external surface. The optoelectronic element can thus be surface-mounted.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Element angegeben, aufweisend: - einen Träger (1), - einen Halbleiterchip (2) mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (4), - ein Verkapselungselement (3), wobei - der Halbleiterchip (2) auf einer Hauptfläche (5) des Trägers (1) angeordnet ist, - das Verkapselungselement (3) auf der Hauptfläche (5) des Trägers (1) angeordnet ist, so dass das optoelektronische Element einen Zwischenraum (6) zwischen der Hauptfläche (5) des Trägers (1) und dem Verkapselungselement (3) aufweist, - der Halbleiterchip (2) in dem Zwischenraum (6) angeordnet ist, und - der Zwischenraum (6) zumindest teilweise mit Hohlkügelchen (7) gefüllt ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements angegeben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES ELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN ELEMENTS
Es werden ein optoelektronisches Element und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements angegeben .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , ein optoelektronisches Element mit einer verbesserten Abstrahlcharakteristik und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements mit einer verbesserten Abstrahlcharakteristik anzugeben .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das optoelektronische Element einen Träger auf . Der Träger umfasst beispielsweise ein Glas oder ein Polymer . Der Träger ist bevorzugt dazu eingerichtet , das optoelektronische Element mechanisch zu stabilisieren . Insbesondere weist der Träger Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Elements auf . Die Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen können beispielsweise ein Metall umfassen .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form weist das optoelektronische Element einen Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf . Der Halbleiterchip ist bevorzugt auf einer Hauptfläche des Trägers angeordnet . Die Hauptfläche des Trägers kann einer Haupterstreckungsebene des Trägers entsprechen, oder zumindest stellenweise parallel zu dieser verlaufen . Der Halbleiterchip ist beispielsweise eine lichtemittierende Diode . Insbesondere weist der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf , die bevorzugt ein I I I-V- Verbindungshalbleitermaterial umfasst . Ein I I I /V-Verbindungs- Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe , wie beispielsweise B, Al , Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe , wie beispielsweise N, P, As , auf . Insbesondere umfasst der Begri f f " I I I /V- Verbindungs-Halbleitermaterial " die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter . Ein Nitrid- Verbindungshalbleiter umfasst vorzugsweise AlnGamIni-n-mN, wobei 0 < n < 1 , 0 < m < 1 und n+m < 1 ist . Ein Phosphid- Verbindungshalbleiter umfasst vorzugsweise AlnGamIni-n-mP, wobei 0 < n < 1 , 0 < m < 1 und n+m < 1 ist . Solche binäre , ternäre oder quaternäre Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen .
Der Halbleiterchip ist insbesondere zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen ultraviolettem Licht und infrarotem Licht eingerichtet . Beispielsweise erzeugt der Halbleiterchip im Betrieb elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich . Der Halbleiterchip ist bevorzugt ein Flip- Chip . Ein Flip-Chip weist elektrische Anschlusskontakte an einer einzigen Seite , zum Beispiel an einer dem Träger zugewandten Seite des Halbleiterchips auf . Die elektrischen Anschlusskontakte sind dabei bevorzugt als reflektierende Schicht eingerichtet , die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektiert . Dadurch kann eine Auskoppelef fi zienz der vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung erhöht werden .
Der Träger umfasst beispielsweise eine Leiterplatte . Die Leiterplatte weist insbesondere elektrische Anschlussstellen auf , die zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips eingerichtet sind .
Das optoelektronische Element ist beispielsweise oberflächenmontierbar . Insbesondere weist das optoelektronische Element Anschlusskontakte auf einer der Hauptfläche gegenüberliegenden Fläche des Trägers auf , die zu einer externen elektrischen Kontaktierung und/oder zu einer Befestigung des optoelektronischen Elements auf einer externen Oberfläche eingerichtet sind .
Die der Hauptfläche gegenüberliegende Seite des Trägers ist insbesondere frei von Halbleiterchips zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung . In anderen Worten sind Halbleiterchips zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausschließlich auf der Hauptfläche des Trägers und somit nur auf einer Seite des Trägers angeordnet .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form weist das optoelektronische Element ein Verkapselungselement auf . Das Verkapselungselement ist bevorzugt auf der Hauptfläche des Trägers angeordnet , so dass das optoelektronische Element einen Zwischenraum zwischen der Hauptfläche des Trägers und dem Verkapselungselement aufweist . Das Verkapselungselement weist beispielsweise ein Polymer auf , und ist insbesondere als Schicht auf oder über der Hauptfläche des Trägers ausgebildet . Beispielsweise ist das Verkapselungselement auf die Hauptfläche des Trägers mittels eines Schmel zklebers auf laminiert und/oder verklebt .
Das Verkapselungselement ist beispielsweise ausschließlich auf der Hauptfläche des Trägers angeordnet . In anderen Worten ist eine der Hauptfläche gegenüberliegende Seite des Trägers frei vom Verkapselungselement .
Das Verkapselungselement ist insbesondere transparent für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Bevorzugt wird ein Großteil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise mehr als 50% , über das Verkapselungselement vom optoelektronischen Element ausgekoppelt .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements ist der Halbleiterchip in dem Zwischenraum angeordnet . Der Zwischenraum kann sich beispielsweise über einen Teilbereich der Hauptfläche des Trägers , oder über die gesamte Hauptfläche des Trägers erstrecken . Dabei kann der Zwischenraum abgeschlossen sein, oder zumindest eine Öf fnung aufweisen .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements ist der Zwischenraum zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllt . Die Hohlkügelchen weisen bevorzugt ein Glas oder ein Polymer auf , oder sind aus einem Glas oder einem Polymer gebildet . Die Hohlkügelchen sind insbesondere dazu eingerichtet , den Zwischenraum mechanisch zu stabilisieren . Die Hohlkügelchen sind beispielsweise mit Luft oder einem Schutzgas , insbesondere Stickstof f , gefüllt . Bevorzugt weist der zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllte Zwischenraum optische Eigenschaften auf , die den optischen Eigenschaften eines luftgefüllten Zwischenraums möglichst nahekommen . Insbesondere ist ein mittlerer Brechungsindex des mit Hohlkügelchen gefüllten Zwischenraums für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung kleiner als ein Brechungsindex des Verkapselungselements . Der mittlere Brechungsindex entspricht insbesondere einem Mittelwert aus einem Brechungsindex der mit Luft oder einem Schutzgas gefüllten Hohlkügelchen, sowie einem Brechungsindex eines Matrixmaterials , das sich im Zwischenraum zwischen den Hohlkügelchen befinden kann, wobei der Mittelwert mit entsprechenden Volumenanteilen der Hohlkügelchen und des Matrixmaterials im Zwischenraum gewichtetet ist .
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form weist das optoelektronische Element folgende Merkmale auf :
- einen Träger,
- einen Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung,
- ein Verkapselungselement , wobei
- der Halbleiterchip auf einer Hauptfläche des Trägers angeordnet ist ,
- das Verkapselungselement auf der Hauptfläche des Trägers angeordnet ist , so dass das optoelektronische Element einen Zwischenraum zwischen der Hauptfläche des Trägers und dem Verkapselungselement aufweist ,
- der Halbleiterchip in dem Zwischenraum angeordnet ist , und
- der Zwischenraum zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllt ist .
Dem hier beschriebenen optoelektronischen Element liegt die Idee zugrunde , eine Totalreflexion von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung an einer Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements zu verringern . Dadurch wird eine Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Elements verbessert . Die Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements ist insbesondere eine Grenz fläche zwischen dem Verkapselungselement und der Umgebung außerhalb des optoelektronischen Elements . Beispielsweise ist die Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements eine dem Träger abgewandte Hauptfläche des Verkapselungselements .
Der Anteil im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung, die an der Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements totalreflektiert wird, kann beispielsweise durch einen planparallelen Luftspalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Verkapselungselement verringert werden . Der planparallele Luftspalt ist insbesondere planparallel zur Hauptfläche des Trägers und/oder planparallel zur Strahlungsauskoppel fläche des Halbleiterchips angeordnet .
Der planparallele Luftspalt ist insbesondere mit Umgebungsluft oder einem Schutzgas , beispielsweise Stickstof f , gefüllt . Durch den planparallelen Luftspalt wird vom Halbleiterchip ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung am Übergang zum Verkapselungselement gebrochen . Dadurch wird insbesondere ein Einfallswinkel von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements verringert . Somit fällt ein geringerer Anteil von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung mit großen Einfallswinkeln auf die Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements ein . Der totalreflektierte Anteil im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung wird dadurch verringert . Totalreflektierte elektromagnetische Strahlung wird beispielsweise innerhalb des Verkapselungselements wellengeleitet und kann somit an unerwünschten Orten, beispielsweise an Störstellen, Metallleiterbahnen oder am Rand des optoelektronischen Elements , ausgekoppelt werden . Durch die Totalreflexion wird somit beispielsweise ein Kontrast des optoelektronischen Elements verschlechtert .
Die Herstellung eines planparallelen Luftspalts kann j edoch technisch aufwendig und somit kostspielig sein .
Beispielsweise ist das Verkapselungselement eine Schutz folie , wobei der Halbleiterchip auf dem Träger mittels eines thermisch verformbaren Schmel zklebers in die Schutz folie einlaminiert wird . Dabei kann der Schmel zkleber den Halbleiterchip insbesondere auf allen Flächen umschließen, die nicht vom Träger bedeckt sind . Dabei ist das Ausbilden eines planparallelen Luftspaltes zwischen der Strahlungsauskoppel fläche des Halbleiterchips und dem Verkapselungselement nur schwer möglich .
In dem hier beschriebenen optoelektronischen Element wird der planparallele Luftspalt insbesondere durch eine Schicht aus Hohlkügelchen ersetzt . Die Hohlkügelchen sind bevorzugt sehr stabil gegenüber einer Druckbelastung . Somit kann das Verkapselungselement auf die Hohlkügelchen aufgebracht werden, wobei ein stabiler, zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllter Zwischenraum entsteht , dessen optische Eigenschaften insbesondere einem planparallelen Luftspalt ähnlich sind .
Zur Verringerung von unerwünschtem Streulicht kann das optoelektronische Element zusätzlich eine Absorptions folie mit einer geringen Absorption aufweisen . Durch die Verringerung des Anteils totalreflektierter elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements kann die Absorptions folie vorteilhaft eine geringere Absorption aufweisen, wodurch eine Transparenz des optoelektronischen Elements vorteilhaft erhöht wird .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements umfasst der Träger und/oder das Verkapselungselement eine flexible Folie . Der Träger und/oder das Verkapselungselement kann auch als eine flexible Folie ausgebildet sein . Die flexible Folie weist insbesondere ein Polymer, beispielsweise Polyamid, Polyethylennaphthalat ( PEN) , Polyethylenterephthalat ( PET ) , oder Polyvinylbutyral ( PVB ) auf .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements sind der Träger und das Verkapselungselement transparent für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Insbesondere wird ein Großteil , beispielsweise mehr als 90 % , der vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch das Verkapselungselement und/oder den Träger transmittiert . Das optoelektronische Element ist beispielsweise ein sogenanntes Licht-in-Glas-Modul . Somit können beispielsweise lumines zente Piktogramme , Symbole , Zi f fern oder Buchstaben durch kleine lichtemittierende Dioden innerhalb einer transparenten Glasscheibe dargestellt werden .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements weist der Träger metallische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips auf . Die metallischen Leiterbahnen sind bevorzugt so dünn, dass die Flexibilität des Trägers erhalten bleibt .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements weist der Halbleiterchip eine Kantenlänge von höchstens 500 Mikrometer auf . Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine Kantenlänge von höchstens 200 Mikrometer, besonders bevorzugt von höchstens 60 Mikrometer auf . Insbesondere ist der Halbleiterchip so klein, dass eine Transparenz des optoelektronischen Elements im sichtbaren Spektralbereich durch den darin eingebetteten Halbleiterchip nur wenig beeinflusst wird .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements sind die Hohlkügelchen aus Glas gebildet . Beispielsweise umfassen die Hohlkügelchen Borosilikatglas oder bestehen aus Borosilikatglas .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements weisen die Hohlkügelchen einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer auf . Bevorzugt weisen die Hohlkügelchen einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 10 Mikrometern auf .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements weisen die Hohlkügelchen eine mittlere Wandstärke zwischen einschließlich 0 , 1 Mikrometer und einschließlich 5 Mikrometer auf . Die Wandstärke gibt dabei eine radiale Ausdehnung einer Kugelschale des Hohlkügelchens an . Bevorzugt ist die mittlere Wandstärke eines Hohlkügelchens zumindest um einen Faktor 10 kleiner als der Durchmesser des Hohlkügelchens .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements sind die Hohlkügelchen transparent für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung . Der zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllte Zwischenraum weist bevorzugt ähnliche optische Eigenschaften wie ein planparalleler Luftspalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Verkapselungselement . Insbesondere ist der mittlere Brechungsindex des mit Hohlkügelchen gefüllten Zwischenraums für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung kleiner als der Brechungsindex des Verkapselungselements .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements bilden die Hohlkügelchen eine dichte Kugelpackung, wobei die dichte Kugelpackung den Zwischenraum vollständig aus füllt . Eine Packungsdichte der Hohlkügelchen beträgt beispielsweise zumindest 50 % . In anderen Worten sind beispielsweise zumindest 50 % des Volumens des Zwischenraums von den Hohlkügelchen besetzt . Die dichte Kugelpackung weist beispielsweise eine statistische Verteilung der Hohlkügelchen auf , oder ist beispielsweise als eine hexagonal dichteste Kugelpackung oder eine kartesische Kugelpackung ausgebildet , wobei auch Zwischenformen möglich sind .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements erstreckt sich der Zwischenraum über die gesamte Hauptfläche des Trägers . Somit ist das Verkapselungselement nicht in direktem Kontakt mit der Hauptfläche des Trägers . Beispielsweise bildet die dichte Kugelpackung aus Hohlkügelchen eine durchgehende Schicht , die zwischen der Hauptfläche des Trägers und dem Verkapselungselement angeordnet ist , wobei der Halbleiterchip in der Schicht aus Hohlkügelchen eingebettet ist .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements ist der Zwischenraum eine abgeschlossene Kavität . Insbesondere ist der Halbleiterchip in der abgeschlossenen Kavität angeordnet , wobei die abgeschlossene Kavität bevorzugt mit einer dichten Kugelpackung aus Hohlkügelchen gefüllt ist . Die Hohlkügelchen bedecken bevorzugt alle Flächen des Halbleiterchips , die nicht vom Träger bedeckt sind .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements entspricht eine laterale Ausdehnung der abgeschlossenen Kavität höchstens dem Fünf fachen einer Kantenlänge des Halbleiterchips . Lateral bezeichnet hier und im Folgenden eine Richtung parallel zur Hauptfläche des Trägers . Insbesondere weist die abgeschlossene Kavität eine Ausdehnung auf , so dass vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung, die unter einem Winkel von 45 ° zur Flächennormalen der Hauptfläche des Trägers emittiert wird, auf eine Grenz fläche zwischen dem Verkapselungselement und dem Zwischenraum tri f ft , die parallel zur Hauptfläche des Trägers angeordnet ist .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements sind die Hohlkügelchen zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet , wobei das Matrixmaterial die Hohlkügelchen mechanisch stabil verbindet . Das Matrixmaterial ist beispielsweise ein Polymer, insbesondere ein Epoxidharz , ein Acrylat oder ein Polyamid . Das Matrixmaterial weist bevorzugt einen niedrigeren Brechungsindex für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung als das Verkapselungselement auf .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements füllt das Matrixmaterial Freiräume zwischen den Hohlkügelchen nicht vollständig aus . Insbesondere ist das Matrixmaterial zu einer punktuellen Verklebung der Hohlkügelchen an Kontakt flächen zwischen aneinander angrenzenden Hohlkügelchen eingerichtet . Freiräume zwischen den Hohlkügelchen sind somit bevorzugt nicht mit dem Matrixmaterial , sondern beispielsweise mit Umgebungsluft oder einem Schutzgas , beispielsweise Stickstof f , gefüllt .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements sind die Hohlkügelchen lateral beabstandet vom Halbleiterchip angeordnet und weisen eine reflektierende Oberfläche auf . Beispielsweise bilden die Hohlkügelchen einen Rahmen, der den Halbleiterchip lateral vollständig umschließt und den Halbleiterchip in einer Richtung senkrecht zur die Hauptfläche des Trägers überragt . Insbesondere sind die Hohlkügelchen so angeordnet , dass nach dem Aufbringen des Verkapselungselements ein planparalleler Luftspalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Verkapselungselement angeordnet ist . Der planparallele Luftspalt wird beispielsweise durch die vom Halbleiterchip lateral beabstandeten Hohlkügelchen mechanisch stabilisiert . Die Hohlkügelchen sind insbesondere in ein Matrixmaterial eingebettet , wobei das Matrixmaterial mit den darin eingebetteten Hohlkügelchen eine reflektierende Oberfläche bildet . Alternativ und/oder zusätzlich können die Hohlkügelchen eine reflektierende Oberflächenbeschichtung aufweisen .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des optoelektronischen Elements ist eine Viel zahl von Halbleiterchips auf der Hauptfläche des Trägers angeordnet , wobei die Viel zahl von Halbleiterchips ein Piktogramm bildet . Das optoelektronische Element ist beispielsweise ein Licht- in-Glas-Modul , wobei der Träger und das Verkapselungselement insbesondere transparent für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung sind .
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements angegeben . Alle Merkmale des optoelektronischen Elements sind auch für das Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Elements of fenbart , und umgekehrt .
Gemäß einer Aus führungs form des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Elements wird zunächst ein Träger bereitgestellt . Der Träger ist beispielsweise eine flexible Folie , die ein Polymer umfasst und transparent für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich ist .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens wird ein Halbleiterchip auf eine Hauptfläche des Trägers aufgebracht , wobei der Halbleiterchip eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist . Der Halbleiterchip ist bevorzugt eine Mikro-LED oder eine MiniLED mit einer Kantenlänge von weniger als 100 Mikrometer .
Der Träger weist beispielsweise metallische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips auf . Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens wird ein Verkapselungselement auf die Hauptfläche des Trägers aufgebracht , wobei ein Zwischenraum zwischen dem Verkapselungselement und der Hauptfläche des Trägers ausgebildet wird . Das Verkapselungselement ist bevorzugt eine flexible Folie , die transparent für vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist und wird beispielsweise mit einem Schmel zkleber mit der Hauptfläche des Trägers mechanisch verbunden . Der Halbleiterchip wird in dem Zwischenraum angeordnet .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Elements wird der Zwischenraum zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllt . Die Hohlkügelchen umfassen bevorzugt ein Glas oder sind aus einem Glas gebildet .
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form weist das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements folgende Schritte auf :
- Bereitstellen eines Trägers ,
- Aufbringen eines Halbleiterchips auf eine Hauptfläche des Trägers , wobei der Halbleiterchip eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist ,
- Aufbringen eines Verkapselungselements auf die Hauptfläche des Trägers , wobei
- ein Zwischenraum zwischen dem Verkapselungselement und der Hauptfläche des Trägers ausgebildet wird,
- der Halbleiterchip in dem Zwischenraum angeordnet wird, und
- der Zwischenraum zumindest teilweise mit Hohlkügelchen gefüllt wird . Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens werden die Hohlkügelchen zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet und durch ein Siebdruckverfahren auf die Hauptfläche des Trägers aufgebracht , bevor das Verkapselungselement aufgebracht wird . Dabei bilden die Hohlkügelchen insbesondere eine dichte Kugelpackung, wobei das Matrixmaterial die Hohlkügelchen an Kontakt flächen miteinander verklebt , während Freiräume zwischen den Hohlkügelchen bevorzugt frei vom Matrixmaterial bleiben .
Beispielsweise werden das Matrixmaterial und die darin eingebetteten Hohlkügelchen auf einem Teilbereich der Hauptfläche des Trägers um den Halbleiterchip, sowie auf alle Flächen des Halbleiterchips , die nicht vom Träger bedeckt sind, aufgebracht . Alternativ wird das Matrixmaterial und die darin eingebetteten Hohlkügelchen auf die gesamte Hauptfläche des Trägers aufgebracht , wobei das Matrixmaterial mit den darin eingebetteten Hohlkügelchen den Halbleiterchip auf allen Flächen bedeckt , die nicht vom Träger bedeckt sind . In diesem Fall bildet das Matrixmaterial mit den darin eingebetteten Hohlkügelchen eine durchgehende Schicht , die zwischen dem Träger und dem Verkapselungselement angeordnet ist .
Des Weiteren können die Hohlkügelchen und das Matrixmaterial so auf die Hauptfläche des Trägers aufgebracht werden, dass ein Hohlraum um den Halbleiterchip gebildet wird . Insbesondere sind die Hohlkügelchen lateral vom Halbleiterchip beabstandet und bilden einen Rahmen, der den Halbleiterchip lateral vollständig umschließt .
Nach dem Aufbringen des Matrixmaterials mit den darin eingebetteten Hohlkügelchen wird das Verkapselungselement beispielsweise mit einem Schmel zkleber mit der Hauptfläche des Trägers und/oder dem Matrixmaterial mit den darin eingebetteten Hohlkügelchen mechanisch verbunden . Die Hohlkügelchen sind dabei insbesondere zu einer mechanischen Stabilisierung des Zwischenraums zwischen dem Träger und dem Verkapselungselement eingerichtet , in dem der Halbleiterchip angeordnet ist .
Die zumindest teilweise in das Matrixmaterial eingebetteten Hohlkügelchen können alternativ oder zusätzlich mittels einer Schlitzdüsenbeschichtung, einer Sprühbeschichtung oder einem Schablonendruck auf die Hauptfläche des Trägers , auf Teilbereiche der Hauptfläche des Trägers , und/oder auf den Halbleiterchip aufgebracht werden .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens wird das Verkapselungselement strukturiert , so dass sich eine Vertiefung in einer Hauptfläche des Verkapselungselements ausbildet , wobei die Hohlkügelchen in die Vertiefung eingebracht werden, bevor das Verkapselungselement auf den Träger aufgebracht wird . Der Halbleiterchip wird insbesondere in der Vertiefung angeordnet .
Das Verkapselungselement wird beispielsweise mittels eines Nano-Prägeverfahrens strukturiert . Dabei wird das Verkapselungselement beispielsweise erwärmt und durch Einpressen eines strukturierten Stempels verformt , wobei eine Vertiefung in der Hauptfläche des Verkapselungselements ausgebildet wird . Die Hohlkügelchen werden insbesondere zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet und in die Vertiefung eingebracht . Somit können die Hohlkügelchen lokal um den Halbleiterchip angeordnet werden . Weitere vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen des optoelektronischen Elements und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Elements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Die Figuren 1 und 2 zeigen schematische Schnittdarstellungen von optoelektronischen Elementen gemäß verschiedener Beispiele .
Die Figuren 3 bis 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen von optoelektronischen Elementen gemäß verschiedener Aus führungsbeispiele .
Figur 7 zeigt eine simulierte Leuchtdichte von optoelektronischen Elementen gemäß verschiedener Aus führungsbeispiele .
Figur 8 zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Elements gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Figur 9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Elements gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Gleiche , gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente , insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein . Das optoelektronische Element in Figur 1 weist einen Träger 1 , einen Halbleiterchip 2 und ein Verkapselungselement 3 auf . Der Halbleiterchip 2 ist auf einer Hauptfläche 5 des Trägers
1 angeordnet und erzeugt im Betrieb elektromagnetische Strahlung 4 im sichtbaren Spektralbereich . Der Halbleiterchip
2 ist insbesondere eine Flip-Chip Mini-LED, die elektrische Anschlusskontakte auf einer dem Träger 1 zugewandten Seite aufweist . Eine Kantenlänge des Halbleiterchips 2 beträgt beispielsweise höchstens 100 Mikrometer . Der Halbleiterchip 2 ist über metallische Leiterbahnen auf dem Träger 1 elektrisch kontaktiert . Im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 4 wird vom Halbleiterchip 2 großteils über eine dem Träger 1 abgewandte Strahlungsauskoppel fläche 9 des Halbleiterchips 2 ausgekoppelt .
Das Verkapselungselement 3 ist beispielsweise eine flexible Polymerfolie , die auf die Hauptfläche 5 des Trägers und auf den darauf angeordneten Halbleiterchip 2 auf laminiert ist . Beispielsweise ist das Verkapselungselement 3 mit einem Schmel zkleber mit der Hauptfläche 5 des Trägers 1 und mit dem Halbleiterchip 2 mechanisch verbunden .
Das optoelektronische Element in Figur 1 weist insbesondere keinen Zwischenraum zwischen dem Träger 1 und dem Verkapslungselement 3 auf , in dem der Halbleiterchip 2 angeordnet ist . Vom Halbleiterchip 2 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 4 wird somit direkt in das Verkapselungselement 3 eingekoppelt . Im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 4 , die mit einem Einfallswinkel 8 auf die Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 tri f ft , der größer als ein kritischer Einfallswinkel ist , wird insbesondere innerhalb des Verkapselungselements 3 totalreflektiert . Die Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 entspricht beispielsweise einer dem Träger 1 abgewandten Hauptfläche des Verkapselungselements 3 . Die totalreflektierte elektromagnetische Strahlung 41 wird insbesondere innerhalb des Verkapselungselementes 3 wellengeleitet , und kann an ungewünschten Orten, beispielsweise an einem Rand des optoelektronischen Elements , austreten . Dadurch verringert sich insbesondere ein Kontrast des optoelektronischen Elements .
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Elements , das im Gegensatz zum optoelektronischen Element in Figur 1 einen Zwischenraum 6 zwischen dem Träger 1 und dem Verkapselungselement 3 aufweist , in dem der Halbleiterchip 2 angeordnet ist . Der Zwischenraum 6 bildet eine abgeschlossene Kavität , die beispielsweise mit Umgebungsluft oder einem Schutzgas gefüllt und so ausgebildet ist , dass ein planparalleler Luftspalt 11 zwischen der Strahlungsauskoppel fläche 9 des Halbleiterchips 2 und dem Verkapselungselement 3 angeordnet ist . Der planparallele Luftspalt 11 ist insbesondere planparallel zur Hauptfläche 5 des Trägers 1 angeordnet .
Vom Halbleiterchip 2 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 4 wird somit nicht direkt in das Verkapselungselement 3 eingekoppelt , sondern an einer Grenz fläche zwischen dem Verkapselungselement 3 und dem Zwischenraum 6 gebrochen . Dadurch verringert sich insbesondere ein Einfallswinkel 8 der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung 4 an der Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 . Somit wird insbesondere ein Anteil totalreflektierter elektromagnetischer Strahlung verringert und die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Elements verbessert .
Figur 3 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Elements , bei dem im Vergleich zum optoelektronischen Element in Figur 2 der Zwischenraum 6 mit Hohlkügelchen 7 gefüllt ist . Die Hohlkügelchen 7 bilden eine dichte Kugelpackung und bestehen insbesondere aus Glas und weisen einen mittleren Durchmesser zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometern auf . Die mittlere Wandstärke der Hohlkügelchen 7 ist bevorzugt kleiner als ein Zehntel des Durchmessers eines Hohlkügelchens 7 .
Die Hohlkügelchen 7 sind zumindest teilweise in ein Matrixmaterial , das beispielsweise Silikon, Acrylate , Polyimide und/oder ein Epoxidharz umfasst , eingebettet . Das Matrixmaterial ist zur mechanischen Fixierung der Hohlkügelchen 7 eingerichtet . Vorzugsweise dient das Matrixmaterial zur Verklebung der Hohlkügelchen 7 an Kontakt flächen untereinander . Insbesondere bleiben Freiräume zwischen den dicht gepackten Hohlkügelchen 7 bevorzugt großteils frei von Matrixmaterial .
Die zumindest teilweise in das Matrixmaterial eingebetteten Hohlkügelchen 7 sind zu einer mechanischen Stabilisierung des Zwischenraums 6 zwischen dem Träger 1 und dem Verkapselungselement 3 eingerichtet . Die optischen Eigenschaften des mit Hohlkügelchen 7 gefüllten Zwischenraums 6 ähneln dabei den optischen Eigenschaften des planparallelen Luftspaltes 11 des optoelektronischen Elements in Figur 2 . Insbesondere ist ein mittlerer Brechungsindex des mit Hohlkügelchen 7 gefüllten Zwischenraums 6 kleiner als ein Brechungsindex des Verkapselungselements 3 .
Somit wird durch den mit Hohlkügelchen 7 gefüllten Zwischenraum 6 der Anteil an totalreflektierter elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 ähnlich wie bei dem planparallelen Luftspalt reduziert . Des Weiteren ist der mit Hohlkügelchen 7 gefüllte Zwischenraum 6 einfacher und somit kostengünstiger herstellbar als der planparallele Luftspalt 11 . Insbesondere kann das Verkapselungselement 3 beispielsweise mit einem Schmel zkleber auf die Hauptfläche 5 des Trägers 1 und auf die Hohlkügelchen 7 auflaminiert werden, wobei die Hohlkügelchen 7 den Zwischenraum 6 mechanisch stabilisieren .
Figur 4 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Elements , bei dem im Gegensatz zu Figur 3 die gesamte Hauptfläche 5 des Trägers 1 und der Halbleiterchip 2 mit Hohlkügelchen 7 bedeckt sind, die eine dichte Kugelpackung bilden . Insbesondere bilden die Hohlkügelchen 7 eine durchgehende Schicht , die zwischen der Hauptfläche 5 des Trägers 1 und dem Verkapselungselement 3 angeordnet ist , und in die der Halbleiterchip 2 eingebettet ist . Dabei sind alle Flächen des Halbleiterchips 2 , die nicht vom Träger 1 bedeckt sind, mit Hohlkügelchen 7 bedeckt . Analog zum Aus führungsbeispiel in Figur 3 sind die Hohlkügelchen 7 dazu eingerichtet , den Anteil totalreflektierter elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 zu verringern . Figur 5 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Elements , bei dem die Hohlkügelchen 7 im Vergleich zum Aus führungsbeispiel in Figur 4 lateral beabstandet zum Halbleiterchip 2 angeordnet sind .
Insbesondere bilden die Hohlkügelchen 7 einen Rahmen, der den Halbleiterchip 2 vollständig umgibt und in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 5 des Trägers 1 überragt , so dass ein planparalleler Luftspalt 11 analog zu Figur 2 zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Verkapselungselement 3 angeordnet ist . Die dichte Kugelpackung aus Hohlkügelchen 7 weist bevorzugt eine reflektierende Oberfläche auf , so dass vom Halbleiterchip 2 lateral abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in Richtung des Verkapselungselements 3 umgelenkt wird .
Figur 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Elements , das im Vergleich zum Aus führungsbeispiel in Figur 3 zusätzlich einen Di f fusor 12 und ein Deckglas 13 aufweist , wobei der Di f fusor 12 auf der der Strahlungsauskoppel fläche 10 des Verkapselungselements 3 angeordnet ist und das Deckglas 13 auf einer dem Verkapselungselement 3 abgewandten Hauptfläche des Di f fusors 12 aufgebracht ist . Des Weiteren weist das optoelektronische Element ein weiteres Verkapselungselement 3 und ein weiteres Deckglas 13 auf einer dem Halbleiterchip 2 gegenüberliegenden Hauptfläche des Trägers 1 auf .
Der Di f fusor 12 umfasst beispielsweise ein Silikon mit einem niedrigen Brechungsindex, in das Streupartikel eingebettet sind . Die Streupartikel weisen beispielsweise Aluminiumoxid auf . Im Betrieb vom Halbleiterchip 2 erzeugte elektromagnetische Strahlung wird zu einem Großteil , beispielsweise zu mehr als 90 % , in eine dem Träger 1 abgewandte Richtung abgestrahlt .
Figur 7 zeigt Ergebnisse einer numerischen Simulation einer Leuchtdichte von unterschiedlichen optoelektronischen Elementen . Insbesondere ist die simulierte Leuchtdichte 14 , 15 , 16 der vom Halbleiterchip 2 in Vorwärtsrichtung, also in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 5 des Trägers 1 , abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4 gezeigt . Dabei ist die Leuchtdichte 14 , 15 , 16 in nits angegeben . Der Aufbau der simulierten optoelektronischen Elemente entspricht dabei im Wesentlichen dem in Figur 6 gezeigten Aus führungsbeispiel und unterscheidet sich nur durch die Anwesenheit oder die Abwesenheit des Zwischenraums 6 , der entweder mit Luft oder mit Hohlkügelchen 7 gefüllt ist . Insbesondere ist der Träger 1 eine PET Folie und das Verkapselungselement 3 eine PVB Folie mit einer Dicke von ungefähr 1 , 5 Millimetern . Der Di f fusor 12 weist eine Dicke von ungefähr 300 Mikrometern auf und umfasst Streupartikel aus Aluminiumoxid mit einem Gewichtsanteil von ungefähr 3% . Das Deckglas 13 weist eine Dicke von ungefähr 2 Millimetern auf . Dickenangaben beziehen sich hier auf eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche 5 des Trägers 1 .
Die erste Leuchtdichte 14 entspricht einem simulierten optoelektronischen Element , das keinen Zwischenraum 6 zwischen dem Träger und dem Verkapselungselement 3 aufweist . Insbesondere ist das Verkapselungselement 3 direkt auf den Halbleiterchip 2 aufgebracht . Die simulierte Leuchtdichte 14 des optoelektronischen Elements in Vorwärtsrichtung entspricht 576 nits . Die zweite Leuchtdichte 15 entspricht einem simulierten optoelektronischen Element , das einen luftgefüllten Zwischenraum 6 zwischen dem Träger 1 und dem Verkapselungselement 3 aufweist . Der Zwischenraum 6 weist eine lineare laterale Ausdehnung von ungefähr 500 Mikrometern und eine Höhe von ungefähr 120 Mikrometern auf , wobei der Halbleiterchip 2 eine Kantenlänge von ungefähr 100 Mikrometern aufweist . Die Höhenangabe bezieht sich hier auf eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche 5 des Trägers 1 . Insbesondere ist hier somit ein planparalleler Luftspalt 11 zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Verkapselungselement 3 angeordnet . Die simulierte Leuchtdichte 15 des optoelektronischen Elements beträgt in diesem Fall 945 nits . Der planparallele Luftspalt 11 erhöht somit die Leuchtdichte der in Vorwärtsrichtung ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung um einen Faktor von etwa 1 , 64 .
Die dritte Leuchtdichte 16 entspricht einem simulierten optoelektronischen Element , wobei der Zwischenraum 6 im Gegensatz zur zweiten simulierten Leuchtdichte 15 mit Hohlkügelchen 7 gefüllt ist . Die Abmessungen des Zwischenraums 6 sind dabei gleich . Die Hohlkügelchen 7 sind insbesondere aus Glas und weisen einen Durchmesser von ungefähr 10 Mikrometer bei einer Wandstärke von ungefähr einem Mikrometer auf . Die Hohlkügelchen 7 bilden dabei eine dichte Kugelpackung . Die simulierte Leuchtdichte 16 des optoelektronischen Elements beträgt in diesem Fall 908 nits . Der mit Hohlkügelchen 7 gefüllte Zwischenraum 6 führt somit zu einer ähnlichen Erhöhung der in Vorwärtsrichtung abgestrahlten Leuchtdichte 16 wie der planparallele Luftspalt 11 . Das Flussdiagramm in Figur 8 zeigt schematisch einen Ablauf eines Verfahrens gemäß einem Aus führungsbeispiel . Im ersten Schritt 21 wird ein Träger 1 bereitgestellt . Der Träger 1 ist insbesondere eine flexible Folie und weist metallische Leiterbahnen zur Kontaktierung eines darauf auf zubringenden Halbleiterchips 2 auf .
Im zweiten Schritt 22 wird ein Halbleiterchip 2 auf eine Hauptfläche 5 des Trägers 1 aufgebracht . Der Halbleiterchip 2 wird dabei mit den metallischen Leiterbahnen auf dem Träger 1 elektrisch kontaktiert . Der Halbleiterchip 2 ist insbesondere eine lichtemittierende Diode , bevorzugt eine Mini-LED oder eine Mikro-LED mit einer Kantenlänge von höchstens 100 Mikrometer, und erzeugt im Betrieb elektromagnetische Strahlung 4 im sichtbaren Spektralbereich .
Im dritten Schritt 23 werden Hohlkügelchen 7 , die zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet sind, auf zumindest einen Teilbereich der Hauptfläche 5 des Trägers 1 aufgebracht . Die Hohlkügelchen 7 bestehen bevorzugt aus Glas und sind transparent für vom Halbleiterchip 2 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 4 . Die Hohlkügelchen 7 weisen beispielsweise einen mittleren Durchmesser von 10 Mikrometern auf . Das Matrixmaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz und verklebt die Hohlkügelchen 7 nur punktuell miteinander . Das Matrixmaterial mit den darin zumindest teilweise eingebetteten Hohlkügelchen 7 wird beispielsweise durch eine Schlitzdüsenbeschichtung auf zumindest einen Teilbereich der Hauptfläche 5 des Trägers 1 aufgebracht . Alternativ und/oder zusätzlich kann das Aufbringen des Matrixmaterials mit den darin zumindest teilweise eingebetteten Hohlkügelchen 7 auch durch eine Sprühbeschichtung, einen Schablonendruck oder einen Siebdruck erfolgen . Das Matrixmaterial mit den darin zumindest teilweise eingebetteten Hohlkügelchen 7 bedeckt dabei Flächen des Halbleiterchips 2 , die nicht vom Träger 1 bedeckt sind, vollständig . Alternativ kann das Matrixmaterial mit den darin zumindest teilweise eingebetteten Hohlkügelchen 7 lateral beabstandet vom Halbleiterchip 2 angeordnet sein und einen Rahmen bilden, der den Halbleiterchip 2 vollständig umschließt .
Im vierten Schritt 24 wird ein Verkapselungselement 3 auf der Hauptfläche 5 des Trägers 1 angeordnet . Das Verkapselungselement 3 ist insbesondere eine flexible Folie und wird beispielsweise auf die Hauptfläche 5 des Trägers 1 mit einem Schmel zkleber auf laminiert . Dabei überdeckt das Verkapselungselement 3 die Hohlkügelchen 7 und den Halbleiterchip 2 vollständig, so dass ein Zwischenraum 6 zwischen dem Träger 1 und dem Verkapselungselement 3 entsteht . In dem Zwischenraum 6 sind die Hohlkügelchen 7 und der Halbleiterchip 2 angeordnet .
Figur 9 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Elements . Im Vergleich zu dem in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen optoelektronischen Element weist das optoelektronische Element in Figur 9 zusätzlich Anschlusskontakte 17 auf , die auf einer der Hauptfläche 5 gegenüberliegenden Seite des Trägers 1 angeordnet sind . Die Anschlusskontakte 17 sind zu einer externen elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Elements eingerichtet . Des Weiteren sind die Anschlusskontakte 17 zu einer Befestigung des optoelektronischen Elements auf einer externen Oberfläche eingerichtet . Das optoelektronische Element ist somit oberflächenmontierbar . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102021132495.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Träger
2 Halbleiterchip
3 Verkapselungselement
4 elektromagnetische Strahlung
41 totalreflektierte elektromagnetische Strahlung
5 Hauptfläche des Trägers
6 Zwischenraum
7 Hohlkügelchen
8 Einfallswinkel
9 Strahlungsauskoppel fläche des Halbleiterchips
10 Strahlungsauskoppel fläche des Verkapselungselements
11 planparalleler Luftspalt
12 Di f fusor
13 Deckglas
14 erste Leuchtdichte
15 zweite Leuchtdichte
16 dritte Leuchtdichte
17 Anschlusskontakt
21 erster Schritt
22 zweiter Schritt
23 dritter Schritt
24 vierter Schritt

Claims

29 Patentansprüche
1. Optoelektronisches Element aufweisend:
- einen Träger (1) ,
- einen Halbleiterchip (2) mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (4) ,
- ein Verkapselungselement (3) , wobei
- der Halbleiterchip (2) auf einer Hauptfläche (5) des Trägers (1) angeordnet ist,
- das Verkapselungselement (3) ausschließlich auf der Hauptfläche (5) des Trägers (1) angeordnet ist, so dass das optoelektronische Element einen Zwischenraum (6) zwischen der Hauptfläche (5) des Trägers (1) und dem Verkapselungselement (3) aufweist,
- der Halbleiterchip (2) in dem Zwischenraum (6) angeordnet ist, und
- der Zwischenraum (6) zumindest teilweise mit Hohlkügelchen (7) gefüllt ist.
2. Optoelektronisches Element nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Träger (1) und/oder das Verkapselungselement (3) eine flexible Folie umfasst.
3. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Träger (1) und das Verkapselungselement (3) transparent für vom Halbleiterchip (2) im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (4) sind.
4. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen
Ansprüche, bei dem 30 der Halbleiterchip (2) eine Kantenlänge von höchstens 500 Mikrometer aufweist.
5. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Hohlkügelchen (7) aus Glas gebildet sind.
6. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Hohlkügelchen (7) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer aufweisen .
7. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Hohlkügelchen (7) transparent für vom Halbleiterchip (2) im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung sind.
8. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Hohlkügelchen (7) eine dichte Kugelpackung bilden, wobei die dichte Kugelpackung den Zwischenraum (6) vollständig ausfüllt .
9. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich der Zwischenraum (6) über die gesamte Hauptfläche (5) des Trägers (1) erstreckt.
10. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen
Ansprüche, bei dem der Zwischenraum (6) eine abgeschlossene Kavität ist.
11. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- die Hohlkügelchen (7) zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet sind, und
- das Matrixmaterial die Hohlkügelchen (7) mechanisch stabil verbindet .
12. Optoelektronisches Element nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Matrixmaterial Freiräume zwischen den Hohlkügelchen (7) nicht vollständig ausfüllt.
13. Optoelektronisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- die Hohlkügelchen (7) lateral beabstandet vom Halbleiterchip (2) angeordnet sind, und
- die Hohlkügelchen (7) eine reflektierende Oberfläche aufweisen .
14. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Elements mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Trägers (1) ,
- Aufbringen eines Halbleiterchips (2) auf eine Hauptfläche
(5) des Trägers (1) , wobei der Halbleiterchip (2) eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (4) aufweist,
- Aufbringen eines Verkapselungselements (3) ausschließlich auf die Hauptfläche (5) des Trägers (1) , wobei
- ein Zwischenraum (6) zwischen dem Verkapselungselement (3) und der Hauptfläche (5) des Trägers (1) ausgebildet wird,
- der Halbleiterchip (2) in dem Zwischenraum (6) angeordnet wird, und - der Zwischenraum (6) zumindest teilweise mit Hohlkügelchen (7) gefüllt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Hohlkügelchen (7) zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet werden und durch ein Siebdruckverfahren auf die Hauptfläche (5) des Trägers (1) aufgebracht werden, bevor das Verkapselungselement (3) aufgebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei
- das Verkapselungselement (3) strukturiert wird, so dass sich eine Vertiefung in einer Hauptfläche des Verkapselungselements (3) ausbildet, und
- Hohlkügelchen (7) in die Vertiefung eingebracht werden, bevor das Verkapselungselement (3) auf den Träger (1) aufgebracht wird, wobei
- der Halbleiterchip (2) in der Vertiefung angeordnet wird.
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