DE102010045316A1

DE102010045316A1 - Strahlungsemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102010045316A1
Application number: DE102010045316A
Authority: DE
Inventors: Jörg Erich Sorg; Dr. Müller Rüdiger; Dr. Schwarz Raimund
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15
Also published as: CN103098246B; JP2013541202A; US8937330B2; JP5689177B2; CN103098246A; US20130248908A1; WO2012034812A3; DE112011103074B4; WO2012034812A2; DE112011103074A5

Abstract

Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einem Halbleiterkörper (1), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsaustrittsfläche (2) aussendet, angegeben. Der Halbleiterkörper ist in einem Bauelementgehäuse (5) mit einer Ausnehmung (4) angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Bauelement ein optisches Element (8), das mit einer Fügeschicht (9) mechanisch stabil mit dem Bauelementgehäuse (5) verbunden ist, wobei die Fügeschicht (9) ein Elastizitätsmodul kleiner oder gleich 30 MPA aufweist.

Description

Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das insbesondere eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein strahlungsemittierendes Bauelement umfasst insbesondere:

– einen Halbleiterkörper, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet,
– ein Bauelementgehäuse, das den Halbleiterkörper umfasst,
– ein optisches Element, das mit einer Fügeschicht stoffschlüssig mit dem Bauelementgehäuse verbunden ist, wobei die Fügeschicht ein Elastizitätsmodul kleiner oder gleich 30 MPa, bevorzugt kleiner oder gleich 10 MPa aufweist.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem optischen Element um ein separat gefertigtes Element. In der Regel ist das optische Element derart angeordnet, dass ein Großteil der von dem Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung durch das optische Element hindurch tritt. In der Regel bilden die Fügeschicht und das optische Element eine gemeinsame Grenzfläche aus.
Bevorzugt weist die Fügeschicht weiterhin eine Shorehärte kleiner oder gleich A90, besonders bevorzugt kleiner oder gleich A45 auf.
Das strahlungsemittierende Bauelement beruht unter anderem auf der Idee, das optische Element des Bauelements, das beispielsweise zur Strahlformung bei dem strahlungsemittierenden Bauelement vorgesehen ist, mit Hilfe einer elastischen Fügeschicht mechanisch von dem Bauelementgehäuse zu entkoppeln. Ein solches Bauelement kann in der Regel vergleichsweise starken Temperaturschwankungen ausgesetzt werden ohne größere Schäden zu erleiden. Aufgrund seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit ist das Bauelement insbesondere dazu geeignet, mit hohen Löttemperaturen, beispielsweise 260°C zum Löten eines SnAgCu-basierten Lots, und steilen Lötprofilrampen beaufschlagt zu werden. Auch die Thermozyklenbeständigkeit des Bauelements ist wirkungsvoll erhöht.
Bei dem vorliegenden Bauteil werden vorteilhafterweise von außen wirkende mechanische Kräfte insbesondere in Form von reversiblen Verformungen in der Fügeschicht aufgenommen. Auf diese Weise werden Spannungsspitzen wirkungsvoll abgefedert und das Bauelementgehäuse wird geschützt. Weiterhin weist das vorliegende Bauelement den Vorteil auf, dass die Größe und Form des optischen Elementes keinen Einfluss auf die Temperaturwechselbeständigkeit des Bauelementes hat. Hierdurch ist es möglich, neue Designs optischer Elemente einzusetzen, ohne die Temperaturwechselbeständigkeit des Bauelementes zu verringern.
Konventionelle Bauelemente, bei denen das optische Element und das Bauelementgehäuse nicht durch eine elastische Fügeschicht mechanisch weitestgehend voneinander entkoppelt sind, weisen gegebenenfalls den Nachteil auf, bei hohen Löttemperaturen und steilen Lötprofilrampen Schädigungen zu erfahren, da sich das optische Element, wie beispielsweise eine Linse, beim Löten aufgrund der Temperaturausdehnung des Materials bewegt und diese Bewegung auf das Gehäuse überträgt. Eine Bewegung des optischen Elements während des Lötvorganges und die daraus gegebenenfalls resultierenden Schäden am Bauelement werden bei dem vorliegenden strahlungsemittierenden Bauelement vorteilhafterweise zumindest verringert.
Gemäß einer Ausführungsform des Bauelementes weist die Fügeschicht ein Silikon, ein Epoxid, ein Silikonepoxidhybrid oder ein Polyurethan auf oder besteht aus einem dieser Materialien.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Fügeschicht mindestens 30 μm. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Fügeschicht mindestens 50 μm.
Besonders bevorzugt weist das optische Element ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3500 MPa auf. Ein optisches Element, das Glas aufweist oder aus Glas gebildet ist, weist beispielsweise in der Regel ein Elastizitätsmodul von ungefähr 60000 MPa auf.
Besonders bevorzugt weist das optische Element eine Shorehärte größer oder gleich D80 auf.
Ist das optische Element durch eine Fügeschicht mechanisch weitestgehend von dem Bauelementgehäuse entkoppelt, so können vorteilhafterweise vergleichsweise starre Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul und/oder einer hohen Shorehärte für das optische Element verwendet werden. Optische Elemente mit einem hohen Elastizitätsmodul und/oder einer hohen Shorehärte sind mechanisch vorteilhafterweise besonders stabil und können daher zum Schutz des vergleichsweise empfindlichen Halbleiterkörpers im Inneren des Bauelementes betragen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optische Element eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem der folgenden Materialien: Epoxid, Silikon, Silikonepoxidhybrid, Glas, Thermoplast.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Bauelements ist der Halbleiterkörper in einer Ausnehmung des Bauelementgehäuses angeordnet. Die Ausnehmung des Bauelementgehäuses ist bevorzugt mit einem Verguss gefüllt. Besonders bevorzugt ist die Ausnehmung vollständig mit einem Verguss gefüllt. Der Verguss bildet weiterhin bevorzugt eine gemeinsame Grenzfläche mit der Fügeschicht aus. Besonders bevorzugt ist kein luftgefüllter Spalt zwischen dem Verguss und der Fügeschicht vorhanden Der Verguss ist zum einen dafür vorgesehen, den Halbleiterkörper zu schützen. Weiterhin kann in der Regel mit Hilfe eines Vergusses die Lichtauskopplung aus dem Bauelement erhöht werden. Der Verguss ist hierbei bevorzugt strahlungsdurchlässig ausgebildet.
Der Verguss kann beispielsweise ein Epoxid, ein Silikon, ein Silikonepoxidhybridmaterial oder ein Polyurethan aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen.
Besonders bevorzugt weist der Verguss ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3000 MPa auf. Die Shorehärte des Vergussmaterials ist weiterhin bevorzugt größer oder gleich D89.
Durch die Verwendung eines vergleichsweisen starren Vergussmaterials mit einem hohen Elastizitätsmodul und/oder einer hohen Shorehärte kann insbesondere ein besonders guter mechanischer Schutz des Halbleiterkörpers erzielt werden. Weiterhin ist die Verwendung eines starren Vergusses vorteilhafterweise möglich, da über die weiche Fügeschicht der Verguss von dem optischen Element mechanisch weitestgehend entkoppelt ist.
Bevorzugt ist der Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht und dem optischen Element kleiner oder gleich 0,3, besonders bevorzugt kleiner 0,1.
Durch einen kleinen Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht und dem optischen Element werden optische Verluste beim Durchtritt der Strahlung des Halbleiterkörpers durch die Fügeschicht und das optische Element vorteilhafterweise verringert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch der Brechungsindexsprung zwischen dem Verguss und der Fügeschicht kleiner oder gleich einem Wert 0,3, besonders bevorzugt kleiner 0,1.
Auch aufgrund eines besonders kleinen Brechungsindexsprungs zwischen Verguss und Fügeschicht können optische Verluste an den Grenzflächen vorteilhafterweise verringert werden.
Durch die Verwendung brechungsindex-angepasster Materialien im Strahlengang vom Halbleiterkörper bis zur Auskoppelfläche des Bauelements wird eine besonders hohe optische Effizienz des Bauelements ermöglicht. Bei günstigem optischem Design können zwischen 90% und 95% des Lichtflusses, der von dem Halbleiterkörper erzeugt wird, aus dem Bauelement ausgekoppelt werden.
Weiterhin wird besonders bevorzugt die Form der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien mit dem Ziel der Strahlformung angepasst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 2 und 3 zeigen schematische Schnittdarstellungen strahlungsemittierender Bauelemente zur Erläuterung der dieser Erfindung zugrundeliegenden Idee.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen 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 strahlungsemittierende Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist einen Halbleiterkörper 1 auf, der im Betrieb dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht, von seiner Strahlungsaustrittsfläche 2 auszusenden.
Zur Strahlungserzeugung weist der Halbleiterkörper 1 eine aktive Zone 3 auf, die bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) beinhaltet. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u. a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Halbleiterkörper 1 ist in die Ausnehmung 4 eines Bauelementgehäuses 5 montiert. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 1 in das Bauelementgehäuse 5 geklebt sein.
Die Ausnehmung 4 des Bauelementgehäuses 5 weist schräge Seitenflächen 6 auf, die dazu geeignet sind, Strahlung des Halbleiterkörpers 1 zu einer Auskoppelfläche 7 des Bauelements zu lenken.
Über der Ausnehmung 4 ist auf dem Bauelementgehäuse 5 ein optisches Element 8, vorliegend eine Linse montiert, die zur Strahlformung vorgesehen ist. Das optische Element 8 ist derart angeordnet, das die von dem Halbleiterkörper 1 ausgesandte Strahlung im Wesentlichen durch das optische Element 8 hindurch tritt.
Zwischen der Linse 8 und dem Bauelementgehäuse 5 ist eine Fügeschicht 9 angeordnet, die das optische Element 8 mit dem Bauelementgehäuse 5 mechanisch stabil verbindet. Die Fügeschicht 9 weist ein Elastizitätsmodul auf, das kleiner oder gleich 30 MPa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10 MPa ist. Weiterhin ist die Shorehärte der Fügeschicht 9 bevorzugt kleiner oder gleich A90, besonders bevorzugt kleiner oder gleich A45. Die Dicke der Fügeschicht 9 ist bevorzugt größer oder gleich 30 μm und besonders bevorzugt größer oder gleich 50 μm. Die Fügeschicht 9 kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Silikon, Epoxid, Silikonepoxidhybrid, Polyurethan. Besonders bevorzugt weist die Fügeschicht ein Silikon auf oder besteht aus einem Silikon.
Das optische Element 8 des Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist bevorzugt ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3500 MPa und/oder eine Shorehärte größer oder gleich D80 auf. Das optische Element 8 kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Epoxid, Silikon, Silikonepoxidhybrid, Glas, Thermoplast.
Besonders bevorzugt ist der Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht 9 und dem optischen Element 8 kleiner oder gleich 0,1, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,3.
Weiterhin ist die Ausnehmung 4 des Bauelementgehäuses 5 vollständig mit einem strahlungsdurchlässigen Vergussmaterial 10 gefüllt, in das der Halbleiterkörper 1 eingebettet ist. Der Verguss 10 bildet somit eine gemeinsame Grenzfläche mit der Fügeschicht 9 aus.
Zum Schutz des Halbleiterkörpers 1 ist der Verguss 10 vergleichsweise starr ausgebildet. Besonders bevorzugt weist der Verguss 10 ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3000 MPa und/oder eine Shorehärte größer oder gleich D80 auf.
Der Verguss 10 kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Epoxid, Silikon, Silikonepoxidhybrid, Polyurethan.
Bevorzugt ist der Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht 9 und dem Verguss 10 kleiner oder gleich 0,3, besonders bevorzugt kleiner 0,1.
Weiterhin weist das Bauelementgehäuse 5 elektrische Anschlussstreifen 11 auf, die seitlich aus dem Bauelementgehäuse 5 herausragen. Die elektrischen Anschlussstreifen 11 sind zu einer der Auskoppelfläche 7 gegenüber liegenden Unterseite 12 des Bauelements gebogen. Mit den elektrischen Anschlussstreifen 11 ist das strahlungsemittierende Bauelement mit einem Träger 13 elektrisch leitend über eine Lotschicht (nicht dargestellt) verbunden. Die Lotschicht basiert beispielsweise auf SnAgCu. Aufgrund der mechanischen Entkopplung über die weiche Fügeschicht 9 ist das Bauelement gemäß 1 dazu geeignet, Löttemperaturen von ungefähr 260°C auszuhalten ohne Schädigungen aufzuweisen.
2 zeigt ein Bauelement mit einem Bauelementgehäuse 5, in dessen Ausnehmung 4 ein Verguss 10 angeordnet ist. Anhand dieser Figur soll im Folgenden eine theoretische Abschätzung über die Kraft gegeben werden, die bei einer Temperaturausdehnung des Vergusses 10 auf den Boden des Bauelementgehäuses 5, auf den der Halbleiterkörper 1 montiert werden soll, ausgeübt wird.
Bei Zimmertemperatur T ≈ 25°C weist der Verguss 10 eine nach innen in die Ausnehmung gewölbte Grenzfläche 14 zur Luft auf, Bei einer Temperatur T = 260°C dehnt sich das Vergussmaterial aus, so dass sich die Grenzfläche 14' zwischen Verguss und Luft nun nach außen wölbt. In diesem Stadium weist der Verguss 10 einen Volumenschwerpunkt M_V auf. Der Abstand zwischen dem Volumenschwerpunkt M_V und dem Boden des Bauelementgehäuses 5 beträgt L₁. Die Kraft, die aufgrund der Temperaturausdehnung des Vergusses 10 auf den Boden des Bauelementgehäuses 5 wirkt, kann mit Hilfe der Formel für die Federkraft F_feder = C × L abgeschätzt werden. Es ergibt sich eine Kraft F₁ = C × L₁.
Bei dem Bauelement der 3 ist nun der Verguss 10 im Gegensatz zu dem Bauelement der 3 linsenförmig ausgebildet. Der linsenförmige Verguss 10 weist bei Zimmertemperatur T = 25°C eine nach außen gewölbte Grenzfläche 14 zur Luft auf. Das Volumen des linsenförmigen Vergusses 10 vergrößert sich bei einer Temperatur T = 260°C und die Grenzfläche 14' zwischen Verguss und Luft dehnt sich nach außen aus. Der Volumenschwerpunkt des Vergusses 10 bei einer Temperatur T = 260°C ist wiederum mit M_V bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Volumenschwerpunkt M_V und dem Boden des Bauelementgehäuses 5 beträgt L₂. Die Kraft F₂ auf den Boden des Bauelementgehäuses 5 aufgrund der Temperaturausdehnung des Vergussmaterials ist F₂ = C × L₂. Da L₂ > L₁ ist, gilt auch F₂ > F₁.
Je größer das Volumen des Vergussmaterials 10 ist, um so größer ist die Delaminationskraft auf einen am Boden der Ausnehmung 4 angeordneten Halbleiterkörper 1 bei Temperaturbeaufschlagung des Bauelements. Ist der Verguss 10 selber beispielsweise in Form eines optischen Elementes ausgebildet, wie in 3 gezeigt, so ist die Delaminationskraft besonders groß. Wird hingegen, wie beispielsweise in 1 dargestellt, das optische Element 8 mechanisch von dem Verguss 10 in der Ausnehmung 4 des Bauelementgehäuses 5 entkoppelt, beispielsweise über eine weiche Fügeschicht 9, so wirkt eine deutlich geringere Kraft Delaminationskraft.
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.

Claims

Strahlungsemittierendes Bauelement mit: – einem Halbleiterkörper (1), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsaustrittsfläche (2) aussendet, – ein Bauelementgehäuse (5), das den Halbleiterkörper (1) umfasst, – einem optischen Element (8), das mit einer Fügeschicht (9) stoffschlüssig mit dem Bauelementgehäuse (5) verbunden ist, wobei – die Fügeschicht (9) ein Elastizitätsmodul kleiner oder gleich 30 MPa aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Elastizitätsmodul der Fügeschicht (9) kleiner oder gleich 10 MPa ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Fügeschicht (9) eine Shorehärte kleiner oder gleich A90 aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Fügeschicht (9) eines der folgenden Materialien aufweist: Silikon, Epoxid, Silikonepoxidhybrid, Polyurethan.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Fügeschicht (9) eine Dicke aufweist, die mindestens 30 μm, bevorzugt mindestens 50 μm, beträgt.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das optische Element (8) ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3500 MPa und/oder eine Shorehärte größer oder gleich D80 aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement, nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das optische Element (8) eines der folgenden Materialien aufweist: Epoxid, Silikon, Silikonepoxidhybrid, Glas, Thermoplast.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (1) in einer Ausnehmung (4) des Bauelementgehäuses (5) angeordnet ist und die Ausnehmung (4) des Bauelementgehäuses (5) mit einem Verguss (10) gefüllt ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Verguss (10) eines der folgenden Materialien aufweist: Epoxid, Silikon, Silikonepoxidhybrid, Polyurethan.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei dem der Verguss (10) ein Elastizitätsmodul größer oder gleich 3000 MPa und/oder eine Shorehärte größer oder gleich D80 aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht (9) und dem optischen Element (8) kleiner oder gleich 0,3 ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der der Brechungsindexsprung zwischen der Fügeschicht (9) und dem optischen Element (8) kleiner oder gleich 0,1 ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Brechungsindexsprung zwischen dem Verguss (10) und der Fügeschicht (9) kleiner oder gleich 0,3 ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem der Brechungsindexsprung zwischen dem Verguss (10) und der Fügeschicht (9) kleiner oder gleich 0,1 ist.