DE102012104363A1

DE102012104363A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012104363A1
Application number: DE201210104363
Authority: DE
Inventors: Kathy Schmidtke; Michael Kruppa; Bert Braune
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21
Also published as: US20150102374A1; US9496467B2; WO2013174761A2; JP2015525465A; WO2013174761A3; KR20150022763A

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Nach zumindest einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das optoelektronische Bauelement ein Gehäuse (20) und einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip (10), der in dem Gehäuse (20) angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Bauelement ein optisches Element (50), das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst. Das Silikon enthält zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane, und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane sind über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt.

Description

Die Patentanmeldung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
In optoelektronischen Bauelementen, zum Beispiel Licht emittierende Dioden (LEDs), werden häufig Silikone für optische Elemente, zum Beispiel für einen Verguss, verwendet. Silikone haben jedoch den Nachteil, dass sie bei hohen Temperaturen zur Vergilbung und Rissbildung neigen, da eine thermische Zersetzung der Silikone im Betrieb der LED erfolgen kann. Die Betriebstemperaturen einer LED sind teilweise relativ hoch und können mitunter über 120°C betragen. Dabei können sich Spannungen in den optischen Elementen aus Silikonen aufbauen, was zu Rissen führen kann. Durch Vergilbungen und Risse kann sich die Abstrahlcharakteristik einer LED verschlechtern. Des Weiteren können durch Risse in einem Silikonverguss schädliche Gase und Feuchtigkeit eindringen und dadurch das Bauelement schädigen beziehungsweise dessen Lebensdauer senken.
Diese Nachteile können zum Beispiel bei herkömmlichen optischen Elementen aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS), das in der Regel aus langen, weitgehend linearen Ketten mit im Vergleich zur Molekülgröße wenig Vernetzungspunkten besteht, auftreten. Bei herkömmlichem PDMS kann die thermische Zersetzung beispielsweise nach einem Strangbruch über einen intramolekularen Abbaumechanismus erfolgen, wobei insbesondere trimere Siloxane abgespalten werden. Ein weiterer Nachteil von herkömmlichem PDMS ist dessen niedriger Brechungsindex von etwa 1,41.
Es ist daher wünschenswert, Bauelemente mit silikonhaltigen optischen Elementen zu entwickeln, die weniger anfällig für thermische Zersetzungen sind und auch nach längerem Betrieb des Bauelements noch sehr gute optische Eigenschaften aufweisen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht daher darin, ein optoelektronisches Bauelement mit einem silikonhaltigen optischen Element, das verbesserte Eigenschaften aufweist, anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelements anzugeben.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch das optoelektronische Bauelement und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Nach zumindest einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das optoelektronische Bauelement

– ein Gehäuse;
– einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip, der in dem Gehäuse angeordnet ist; und
– ein optisches Element, das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst;

Im Folgenden kann das optoelektronische Bauelement auch kurz als "Bauelement" bezeichnet werden. "Gew-%" steht für Gewichtsprozent. Silikone können auch als Polysiloxane bezeichnet werden. Das "weitere Siliciumatom des Silikons" kann ein beliebiges Siliciumatom eines Silikons sein. Es kann Bestandteil einer linearen, verzweigten oder cyclischen Gruppierung eines Silikons sein. Das optische Element tritt mit zumindest einem Teil der vom Halbleiterchip emittierten oder empfangenen Strahlung in Wechselwirkung.
Bei den "cyclischen Siloxanen" wird die cyclische Struktur aus Siloxan-Einheiten ausgebildet; cyclische Strukturen, die andere verbrückende Gruppen im Ring aufweisen, zum Beispiel eine Alkylen-Gruppe und/oder eine Alkylarylen-Gruppe, stellen anmeldungsgemäß keine cyclischen Siloxane dar. Teile der letztgenannten cyclischen Strukturen können jedoch von cyclischen Siloxanen im Sinne der Anmeldung ausgebildet werden.
Die Angabe zu den Gew-% an cyclischem Siloxan bezieht sich anmeldungsgemäß auf die Gesamtmasse des eigentlichen Silikons. In das Silikon eingelagerte Elemente, zum Beispiel etwaige Füllstoffe, werden daher nicht zu der Gesamtmasse des Silikons gezählt. Zu der Masse der cyclischen Siloxane werden auch Substituenten gezählt, die nur an ein cyclisches Siloxan angebunden sind oder nur cyclische Siloxane miteinander vernetzen. Substituenten, die ein cyclisches Siloxan mit einer anderen von einem cyclischen Siloxan verschiedenen Gruppierung des Silikons, des Polymermaterials oder einem weiteren Bestandteil des Bauelements teilt, werden mit der Hälfte ihrer Masse zu der Masse des cyclischen Siloxans gerechnet, an das sie angebunden sind.
Anmeldungsgemäß weist das Silikon in dem optischen Element einen hohen Anteil an cyclischen Siloxanen auf, von denen zahlreiche Vernetzungen zu anderen Siliciumatomen des Silikons ausgehen. Das Silikon weist daher einen sehr hohen Vernetzungsgrad auf, der beispielsweise deutlich über dem Vernetzungsgrad von herkömmlichen Silikonen liegt. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades weist das Silikon eine sehr hohe thermische Stabilität und Härte auf. Dies bewirkt, dass das optische Element beziehungsweise das Silikon auch nach längerem Betrieb des Bauelementes nur wenige Beschädigungen wie Vergilbungen oder Risse aufgrund von thermischen Zersetzungen aufweist. Hierdurch wird die Lebensdauer des anmeldungsgemäßen Bauelementes im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen erhöht.
Die cyclischen Siloxane verleihen dem Silikon beziehungsweise dem Polymermaterial aufgrund ihrer Struktur eine erstaunlich hohe Elastizität, sodass diese trotz hoher Härte nicht spröde sind oder porös werden. Vorteilhafterweise zeigt das Silikon beziehungsweise das Polymermaterial aufgrund des hohen Vernetzungsgrades im Vergleich zu herkömmlichen Silikonen eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit, da die Wärmeenergie über das dichte Netzwerk an kovalenten Bindungen besser transportiert beziehungsweise abgeführt werden kann. Hierdurch wird die Effizienz des Bauelements erhöht.
Die Art des Gehäuses ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt, sodass alle dem Fachmann bekannten Typen für das Bauelement verwendet werden können. Das Gehäuse des Bauelements kann beispielsweise eine Keramik oder einen hitze- und strahlungsbeständigen Kunststoff umfassen oder ganz daraus gefertigt sein. Es kann des Weiteren eine Ausnehmung aufweisen, in der der Halbleiterchip angeordnet ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise einen Reflektor umfassen. Das Gehäuse kann mit einem Trägersubstrat verbunden sein beziehungsweise dieses umfassen. Des Weiteren kann das Bauelement elektrisch leitende Anschlüsse wie zum Beispiel Leiterrahmen, Bondpad, Bonddraht oder Elektroden umfassen, um den Halbleiterchip zu kontaktieren.
Bei dem Halbleiterchip kann es sich insbesondere um einen Strahlung emittierenden Halbleiterchip, zum Beispiel ein LED-Chip, handeln. Dieser kann im Verbund mit einem Aufwachssubstrat vorliegen oder auch als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ausgeführt sein. Beispiele für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips sind in EP 0905797 A2 und in WO 02/13281 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
Das Bauelement kann ein Konversionselement umfassen, das beispielsweise in Form eines Plättchens auf dem Halbleiterchip angeordnet ist. Die Wahl der Konvertermaterialen für ein solches Konversionselement ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt; geeignete Konvertermaterialien sind zum Beispiel in der WO 98/12757 A1 beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Das anmeldungsgemäße Bauelement kann, wenn es Strahlung emittierend ausgeführt ist, insbesondere sichtbares Licht mit einem beliebigen Farbort im CIE-Diagramm, insbesondere weißes Licht, emittieren. Das Bauelement kann daher zu allerlei Zwecken innerhalb der Elektronik, zum Beispiel zur Beleuchtung, in Displays, Anzeigen und auch in Scheinwerfern, verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Polymermaterial ein Silikon, ein Silikon-Blockcopolymer oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial. Die Angabe, dass das Polymermaterial ein Silikon umfasst schließt also auch vorstehend genannte Coplymere und Hybridmaterialien mit ein. Das Polymermaterial kann insbesondere ein Silikon sein, sodass das optische Element als Polymermaterial also ein Silikon oder ein Gemisch von Silikonen aufweist. Es kann insbesondere nur ein hochvernetztes Polysiloxan mit mindestens 40 Gew-% cyclischen Siloxanen enthalten. Neben diesem Polymermaterial weist das optische Element in der Regel keine weiteren Polymermaterialien auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die cyclischen Siloxane jeweils unabhängig voneinander drei bis sieben Siliciumatome. Die cyclischen Siloxane können jeweils unabhängig voneinander drei bis fünf Siliciumatome, insbesondere vier Siliciumatome, enthalten. Nach dieser Ausführungsform weisen die cyclischen Siloxane also eine mittlere Ringgröße auf. Neben der starken Vernetzung des Silikons ist hierin ein weiterer Grund für die hohe thermische Stabilität des Silikons zu sehen. In herkömmlichen nur schwach vernetzten Silikonen, die überwiegend lange lineare Polysiloxanketten enthalten, können über einen intramolekularen Mechanismus Trisiloxane abgespalten werden. Dieser an sich bekannte Zersetzungsmechanismus kann in den cyclischen Siloxanen nicht oder nur ausgesprochen eingeschränkt auftreten, sodass auch ein Strangbruch im Silikon keine oder nur eine geringfügige thermische Zersetzung nach sich zieht. Es wird also insgesamt eine stark verbesserte thermische Stabilität des Silikons im Vergleich zu schwach vernetzten, weitgehend linearen Polysiloxanen erhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens 50% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt. Eine solche Vernetzung kann bei mindestens 55%, insbesondere mindestens 60%, der Siliciumatome der cyclischen Siloxane vorhanden sein. Daraus folgt, dass mindestens jedes zweite Siliciumatom der cyclischen Siloxane eine Vernetzungsstelle im Silikon darstellt, was zu einem ausgesprochen hoch vernetzten Silikon führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Silikon mindestens 75 Gew-% cyclische Siloxane. Das Silikon kann auch zu mindestens 90 Gew-% oder sogar vollständig aus cyclischen Siloxanen bestehen. Dem Silikon können gegebenenfalls geringe Mengen an weitgehend linearen, wenig verzweigten Polysiloxanen, zum Beispiel zur Verdünnung, hinzugesetzt sein. Bei dieser Ausführungsform entspricht in der Regel das Polymermaterial dem Silikon.
Ein Silikon dieser Ausführungsform zeichnet sich durch eine sehr hohe thermische Stabilität, Härte sowie durch eine hohe Elastizität aus, was die oben beschriebenen Vorteile mit sich bringt. Die Härte kann über Nanoindentierung zu ca. 0,34 GPa bestimmt werden. Als Maß für die Elastizität wird das E-Modul angegeben, das für diese Ausführungsform zu ca. 1,3 GPa bis 1,7 GPa mittels Zugversuch bestimmt werden kann. Die hohe thermische Stabilität äußert sich auch darin, dass bei längerem Erhitzen auf hohe Temperaturen nur ein sehr geringer Masseverlust auftritt. Beispielsweise beträgt der Gewichtsverlust bei 300°C weniger als 1%, wenn von Raumtemperatur mit 10 K/min erhitzt wird (TGA-Messung). Nanoindentierung, Zugversuch und TGA-Messung sind dem Fachmann bekannte Verfahren, um Eigenschaften von Polymermaterialien zu bestimmen.
Des Weiteren weist ein solches Silikon eine geringe Oberflächenenergie und eine geringe Klebrigkeit auf. Es ist daher wenig staubempfindlich und daher geeignet, eine Außenfläche des Bauelements auszubilden. Mit Vorteil kann bei der Herstellung des Bauelements auf eine zusätzliche Verglasung der Oberfläche mittels Plasma, wie sie bei herkömmlichen Silikonen notwendig ist, verzichtet und der entsprechende Arbeitsschritt eingespart werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die cyclischen Siloxane durch eine Struktur der Formel I repräsentiert
wobei
n aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst,
R² jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe, H-Atom, einen
Substituenten der Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen und ein angebundenes Heteroatom umfasst, und
wobei mindestens 40% der Substituenten R² der Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das R²-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt ist, und die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe jeweils unabhängig voneinander eine Struktur der folgenden
Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen aufweist.
Es können auch mindestens 50%, insbesondere 55%, der Substituenten R² einer der vorstehend beschriebenen Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen entsprechen. Es können mitunter sogar mindestens 60% der Substituenten R² einer solchen Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen.
Die Substituenten R², die nicht einer Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das R²-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt ist, können dabei nicht vernetzten funktionellen Gruppen entsprechen, aus denen die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen während des Härtens gebildet werden. Wenn R² keine der oben beschriebenen Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen ist, so kann R² in der Regel, zum Beispiel zu mindestens 90%, ein H-Atom sein. Ein angebundenes Heteroatom kann bereits vor dem Härten vorhanden sein oder beispielsweise auch durch nachträgliche Hydrolyse einer Si-H-Bindung eingeführt werden, sodass das Heteroatom insbesondere ein Sauerstoffatom ist. Es kann über ein Heteroatom auch eine weitere Anbindung zu einem weiteren Siliciumatom des Silikons erfolgen. Prinzipiell kann das Heteroatom auch weitere Substituenten, zum Beispiel ein H-Atom, tragen.
Die Bezeichnung C1-C4-Alkylen steht für eine Alkylen-Gruppe, die 1, 2, 3 oder 4 Kohlenstoffatome (C-Atome) enthalten kann, also Methylen, Ethylen, Propylen oder Butylen. Diese Schreibweise ist dem Fachmann an sich bekannt und wird in analoger Form auch für andere Substituenten verwendet. In der angegebenen Formel für die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen die nicht beschrifteten Bindungen den Bindungsstellen dieser Gruppe zu Siliciumatomen, wobei die Orientierung beliebig sein kann. Es kann insbesondere m = 0 sein, sodass die Verbrückung über eine Ethylen-Gruppe erfolgt. Andererseits können über die Gruppe X mit m = 1 die mechanischen Eigenschaften des Silikons und/oder dessen Brechungsindex modifiziert werden.
Des Weiteren kann in Formel I n jeweils unabhängig voneinander 1, 2 oder 3, insbesondere 2, sein. Diese Siloxane sind in der Regel thermisch stabiler als die größeren cyclischen Siloxane.
Gemäß einer anderen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das optische Element durch Härten einer Zusammensetzung erhältlich, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III
n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und R³ jeweils unabhängig voneinander ein Substituent ist, der
durch die folgende Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Es kann in Formel II beziehungsweise in Formel III jeweils unabhängig voneinander n = 1, 2 oder 3, insbesondere n = 2, sein. Es kann insbesondere, wie oben beschrieben, m = 0 sein. Mit Vorteil trägt bei dem ersten beziehungsweise zweiten cyclischen Siloxan jedes Siliciumatom eine zur Vernetzung geeignete Gruppe, sodass diese cyclischen Siloxane für Silikone mit einem hohen Vernetzungsgrad prädestiniert sind. Das erste cyclische Siloxan kann in einem Verhältnis zum zweiten cyclischen Siloxan von ≥ 1 eingesetzt werden, sodass in der Regel H-Atome und sehr viel seltener Substituenten R³ in den cyclischen Siloxanen der Formel I als nicht verbrückende Substituenten R² vorliegen können.
Die Zusammensetzung kann des Weiteren einen Katalysator, zum Beispiel einen Platin-Katalysator, umfassen. Beim Härten erfolgt eine Vernetzung des ersten cyclischen Siloxans (siehe Formel II) mit dem zweiten cyclischen Siloxan (siehe Formel III), was zum Beispiel über eine Hydrosilylierung erfolgen kann. Ein geeigneter Katalysator ist beispielsweise der Karstedt-Katalysator. Aus der Reaktion einer Si-H-Bindung mit einem Substituenten R³ kann ein Substituent R² gebildet werden, der einer Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entspricht, sodass bei der Vernetzung cyclische Siloxane, die durch Formel I repräsentiert werden, aus dem ersten und dem zweiten cyclischen Siloxanen gebildet werden. Spuren des Katalysators können – gegebenenfalls auch im fertigen Bauelement – in dem Silikon des optischen Elementes nachgewiesen werden.
Der Vernetzungsgrad im Silikon, der Anteil der cyclischen Siloxane am Silikon sowie die Substituenten der cyclischen Siloxane können per NMR-Spektroskopie bestimmt und nachgewiesen werden. Dies kann beispielsweise anhand eines sogenannten Festkörper-NMR, insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend ¹H-, ¹³C- und ²⁹Si-NMR, geschehen. Der Nachweis ist prinzipiell auch in einem fertigen Bauelement, zum Beispiel an Schnitten durch das optische Element, möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C1-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Dabei kann R¹ insbesondere aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Methyl, Cyclohexyl und Phenyl umfasst. Es kann R¹ insbesondere Methyl sein, sodass gewissermaßen ein hochvernetztes Poly(dimethylsiloxan) als Silikon erhalten wird. Dieses zeichnet sich im Vergleich zu herkömmlichem, wenig verzweigtem PDMS insbesondere durch eine erhöhte thermische Stabilität aus. Mit R¹= Methyl wird insbesondere ein preisgünstiges und leicht zu verarbeitendes Silikon erhalten. Ein solches Silikon weist ähnlich wie herkömmliches PDMS einen vergleichsweise niedrigen Brechungsindex von etwa 1,42 auf.
Ein vorteilhaftes Beispiel für ein solches Silikon kann durch Härten einer Zusammensetzung gebildet werden, die erste cyclische Siloxane der Formel II und zweite cyclische Siloxane der Formel III, insbesondere im Verhältnis 1,8:1 bis 2,2:1, zum Beispiel 2:1, enthält, wobei in Formel II sowie in Formel III n = 0, m = 0 und R¹ = Methyl ist. Das Silikon weist dann cyclische Siloxane der Formel I mit n = 0, m = 0 und R¹ = Methyl auf. Das Polymermaterial kann dabei insbesondere das Silikon selbst sein, das zu mindestens 90 Gew-% oder vollständig aus den cyclischen Siloxanen der Formel I bestehen kann. Nach diesem Beispiel wird ein hoch vernetztes Poly(dimethylsiloxan) als Polymermaterial erhalten. Das Silikon nach diesem Beispiel weist ein E-Modul von ca. 1,3 GPa bis 1,7 GPa auf (Zugversuch). Die Härte beträgt ca. 0,34 GPa (Nanoindentierung).
Der Brechungsindex des Silikons kann über die Substituenten an den Siliciumatomen eingestellt werden. Polysiloxane mit zahlreichen Methyl-Gruppen weisen einen niedrigen Brechungsindex auf. Mit höheren Alkyl-Gruppen beziehungsweise Cycloalkyl-Gruppen sowie aromatischen Substituenten kann der Brechungsindex eines Silikons erhöht werden. Es ist daher beispielsweise möglich, mit einer Kombination aus Methyl-Gruppen und Cyclohexyl-Gruppen beziehungsweise Phenyl-Gruppen den Brechungsindex des Silikons gezielt einzustellen, was über das Verhältnis dieser Substituenten geschehen kann. Der Brechungsindex kann beispielsweise an einen etwaigen Füllstoff angepasst werden, um die Lichtauskopplung zu optimieren oder die Transparenz eines optischen Elementes zu erhöhen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist R¹ unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C2-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Es kann R1 unabhängig voneinander aus einer Gruppe, umfassend Cyclopentyl, Cyclohexyl und Phenyl, ausgewählt sein. R¹ kann insbesondere Cyclohexyl und/oder Phenyl sein. Nach dieser Ausführungsform enthält das cyclische Siloxan keine Methyl-Gruppen, sondern nur höhere (Cyclo-)Alkyl-Gruppen beziehungsweise Phenyl-Gruppen. Das Silikon dieser Ausführungsform weist in der Regel einen höheren Brechungsindex auf, als dies bei Methyl-Gruppen-haltigen Silikonen der Fall ist. Durch den höheren Brechungsindex des Silikons kann beispielsweise die Lichtauskopplung aus dem Bauelement verbessert werden.
Im Allgemeinen weisen Polysiloxane mit höheren Alkyl-Gruppen, Cycloalkyl-Gruppen oder Phenyl-Gruppen als Substituenten eine geringere thermische Stabilität als Methyl-substituierte Silikone auf. Diese negative Eigenschaft kann in einem anmeldungsgemäßen Bauelement aufgrund des hohen Vernetzungsgrads des Silikons zumindest weitgehend kompensiert werden. Das anmeldungsgemäße Bauelement kann daher ein optisches Element umfassen, das ein hochbrechendes und dennoch thermisch stabiles Silikon enthält oder ganz daraus besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens 40% der Substituenten R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Es können mindestens 60%, insbesondere mindestens 80%, der Substituenten R¹ aus dieser Gruppe ausgewählt sein. Es können auch sämtliche Substituenten R¹ aus dieser Gruppe ausgewählt sein. Ein Silikon nach dieser Ausführungsform weist insbesondere einen höheren Brechungsindex als ein Methylsubstituiertes Silikon auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Silikon daher einen Brechungsindex n auf, der größer oder gleich 1,44 ist. Der Brechungsindex n des Silikons kann größer oder gleich 1,46, insbesondere größer oder gleich 1,48, sein. Sofern das Silikon einen großen Anteil an Phenyl-Gruppen aufweist, kann der Brechungsindex n sogar größer oder gleich 1,50 sein. Im Vergleich zu herkömmlichem PDMS, welches einen Brechungsindex von n = 1,41 aufweist, kann mit diesem Silikon eine deutlich bessere Lichtauskopplung erhalten werden. Des Weiteren kann der Brechungsindex auf einen etwaigen Füllstoff abgestimmt sein. SiO₂-Partikel weisen beispielsweise einen Brechungsindex n von etwa 1,46 auf.
Alle Angaben zu Brechungsindizes beziehen sich anmeldungsgemäß auf eine Wellenlänge von 632 nm und eine Temperatur von 25°C (Raumtemperatur). Der Brechungsindex kann mit "n" abgekürzt werden; er wird mit einem Refraktometer bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element für die im Bauelement verwendete Strahlung durchlässig. Das optische Element kann also für die verwendete Strahlung transparent oder zumindest transluzent ausgebildet sein, worunter eine relative Transmission von mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, verstanden wird. Ein solches optisches Element ist insbesondere in einem Strahlengang des Bauelements angeordnet.
Als "Strahlengang des Bauelements" werden mögliche Pfade verstanden, über die Strahlung von dem Halbleiterchip aus dem Bauelement hinaus gelangen beziehungsweise ausgekoppelt werden kann. Anmeldungsgemäß werden die Begriffe "Strahlengang" und "Strahlengang des Bauelements" synonym verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element ein Verguss, der den Halbleiterchip umhüllt. Der Halbleiterchip kann von dem Verguss beziehungsweise dem optischen Element auch unmittelbar umhüllt sein. Aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften des Silikons, das sowohl thermisch sehr stabil, hart als auch elastisch ist und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist, eignet sich dieses sehr gut zum Vergießen von Halbleiterchips, selbst wenn diese im Betrieb sehr hohe Temperaturen, zum Beispiel größer 120°C, erzeugen. In einem Bauelement nach dieser Ausführungsform ist der Halbleiterchip in der Regel in der Ausnehmung eines Gehäuses angeordnet, und der Verguss ist für die emittierte Strahlung durchlässig. Die Ausnehmung kann dann beispielsweise mit dem optischen Element als Verguss versiegelt sein und den Halbleiterchip vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische Element eine Linse. Das optische Element kann dabei eine separat erzeugte Linse sein, die nachträglich auf dem Bauelement angeordnet wird. Hierfür kann zum Beispiel ein Kleber verwendet werden. Eine solche Linse kann beispielsweise in einer Form gegossen und gehärtet werden (sogenanntes Molding). Das optische Element kann jedoch auch, wie oben beschrieben, ein Verguss sein, der den Halbleiterchip umhüllt und teilweise zur Linse ausgeformt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das optische Element einen anorganischen Füllstoff, der in dem Polymermaterial eingebettet ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wärmeleitende Partikel, einen Diffusor, ein Konvertermaterial und eine Kombination hiervon umfasst. Es kann insbesondere ein Konvertermaterial umfassen. Der anorganische Füllstoff kann 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, des optischen Elementes ausmachen. Der anorganische Füllstoff kann in Partikeln vorliegen, die den anorganischen Füllstoff umfassen oder daraus bestehen. Das optische Element kann von einigen weiteren Additiven abgesehen, großteils (größer 95 Gew-%) aus dem Polymermaterial und dem anorganischen Füllstoff bestehen.
Wärmeleitende Partikel können zum Beispiel aus einer Gruppe, umfassend SiO₂-Partikel, zum Beispiel Cristobalit, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und Kombinationen hiervon, ausgewählt werden. Es können insbesondere SiO₂-Partikel, zum Beispiel in Form sphärischer SiO₂-Partikel verwendet werden. Die wärmeleitenden Partikel weisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein Silikon auf und können dadurch die Wärmeleitfähigkeit des optischen Elements weiter erhöhen. Der Brechungsindex des Silikons beziehungsweise des Polymermaterials kann zum Beispiel an SiO₂-Partiel angepasst werden, sodass beispielsweise im Betrieb kaum oder gar keine Streuung an diesen Partikeln auftritt. Es kann jedoch auch gezielt eine Differenz in den Brechungsindizes eingestellt werden, um eine wohl definierte Streuung beziehungsweise eine ansprechende Abstrahlcharakteristik zu erzielen.
Mit einem Diffusor in dem optischen Element kann die Lichtauskopplung verbessert werden. Die Diffusoren können beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ und Kombinationen hiervon umfasst. Ein Beispiel für eine solche Kombination ist ein mit Al₂O₃ beschichteter TiO₂-Partikel, sodass TiO₂-katalytische Zersetzungsreaktionen unterbunden werden.
Die Wahl der Konvertermaterialien ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt, sodass sämtliche Konvertermaterialien, die zur Volumenkonversion geeignet sind, in dieser Ausführungsform Anwendung finden können. Beispiele für solche Konvertermaterialien sind in der WO 98/12757 A1 beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das Konvertermaterial kann als Bestandteil von Partikeln, zum Beispiel zusammen mit Bindemitteln, vorliegen. Die Partikel können auch aus dem Konvertermaterial bestehen.
Die durch Konversion erzeugte Wärme kann aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit des Silikons beziehungsweise des Polymermaterials, die auf den hohen Vernetzungsgrad im Silikon zurückgeführt werden kann, gut abgeführt werden. Hierdurch wird ein stabiler Farbort für das von dem Bauelement emittierte Licht erhalten. Die Wärmeleitfähigkeit kann gegebenenfalls, wie oben beschrieben, durch wärmeleitende Partikel weiter erhöht werden.
Als Alternative zu einem für die verwendete Strahlung durchlässigen, im Strahlengang angeordneten optischen Element, kann das anmeldungsgemäße Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform ein optisches Element aufweisen, das als Reflektor ausgebildet ist und einen reflektierenden Füllstoff enthält. Das optische Element kann beispielsweise 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, reflektierenden Füllstoff enthalten. Als reflektierende Füllstoffe können beispielsweise TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ und Kombinationen hiervon verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist das Gehäuse eine Ausnehmung auf, in der der Halbleiterchip angeordnet ist, wobei das optische Element zumindest einen Teil der Ausnehmung auskleidet oder zumindest einen Teil des Gehäuses im Bereich der Ausnehmung ausbildet. Prinzipiell kann auch das ganze Gehäuse das Polymermaterial enthalten und zumindest im Bereich der Ausnehmung reflektierende Füllstoffe umfassen, sodass wiederum als optisches Element ein Reflektor erhalten wird. Die Ausnehmung kann mit einem Verguss versiegelt sein, der beispielsweise ein herkömmlicher Verguss oder auch ein weiteres optisches Element nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung sein kann.
Als weiterer Aspekt der Anmeldung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem optischen Element angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

A) Bereitstellen eines Gehäuses;
B) Anordnen eines Strahlung emittierenden oder Strahlung detektierenden Halbleiterchips in dem Gehäuse;
C) Erzeugen eines optischen Elementes, das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst;

Das Verfahren zur Herstellung des Bauelementes wird auch kurz als "Verfahren" bezeichnet. Durch das Verfahren kann ein Bauelement nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung hergestellt werden. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen des Bauelements und deren Eigenschaften gelten daher im übertragenen Sinne auch für die Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte A), B) und C) richtet sich nach der Ausführungsform des Bauelementes, die hergestellt werden soll. Für ein Bauelement, das ein optisches Element im Strahlengang aufweist, kann die hier angegebene Reihenfolge A), B) und C) verwendet werden. Gegebenenfalls kann bei einer Ausführungsform, die ein als Reflektor ausgebildetes optisches Element aufweist, die Reihenfolge der Schritte B) und C) auch geändert werden. Das optische Element wird insbesondere so erzeugt das in Wechselwirkung mit der vom Halbleiterchip emittierten oder empfangenen Strahlung tritt. Kann es separat hergestellt werden, zum Beispiel im Falle einer aufsetzbaren Linse, so beinhaltet der Schritt C) auch ein Anordnen des optischen Elementes im Bauelement, sodass eine solche Wechselwirkung möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird im Schritt C) zum Erzeugen des optischen Elementes eine Zusammensetzung gehärtet, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III
n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R¹ jeweils unabhängig aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und
R³ jeweils unabhängig voneinander ein Substituent ist, der durch die folgende Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Beim Härten der Zusammensetzung können cyclische Siloxane, die durch die Formel I repräsentiert werden, gebildet werden. Es können die oben Beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen der cyclischen Siloxane nach den Formeln I, II und III entsprechend verwendet beziehungsweise gebildet werden.
Die Vernetzung des ersten cyclischen Siloxan mit dem zweiten cyclischen Siloxan kann über eine Hydrosilierung erfolgen. Hierzu kann die Zusammensetzung einen Katalysator, beispielsweise ein Platin-Katalysator, enthalten. Beispielsweise kann die Zusammensetzung 1 bis 100 ppm eines Platin-Katalysators enthalten. Als Platin-Katalysatoren können H₂PtCl₆, Komplexe von Platin mit Vinyl-haltigen Organosiloxanen, wie zum Beispiel der Karstedt-Katalysator, sowie Komplexe von Platin mit anderen organischen Liganden verwendet werden. Platin-Komplexe mit Vinyl-haltigen Organosiloxanen sind in US 3,419,593 , US 3,715,334 , US 3,377,432 und US 3,814,730 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden. Platin-Komplexe mit anderen organischen Liganden sind in US 3,150,601 , US 3,159,602 , US 3,220,972 , EP 0 057 459 , EP 0 188 978 und EP 0 190 530 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt in der Zusammensetzung das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, liegt. Das Verhältnis kann 1,3:1 bis 2,5:1, insbesondere 1,8:1 bis 2,2:1, beispielsweise 2:1, betragen. Es werden also insbesondere mehr erste cyclische Siloxane als zweite cyclische Siloxane in der Zusammensetzung eingesetzt. Beim Härten der Zusammensetzung regieren die Vinyl-Gruppen in den Substituenten R³ daher weitgehend oder vollständig ab und bilden dabei verbrückende Gruppen, Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen, aus. Weitgehend bedeutet dabei mindestens 90%, insbesondere mindestens 98%. Dies ist von Vorteil, da verbleibende Vinyl-Gruppen störende Reaktionen oder Zersetzungen im optischen Element eingehen können. Es können jedoch in dem Silikon noch nicht abreagierte H-Atome als Substituenten R² in den cyclischen Siloxanen der Formel I verbleiben, was auf die oben beschriebenen Verhältnisse zurückzuführen ist. Im Gegensatz zu Vinyl-Gruppen sind Si-H-Bindungen jedoch (weitgehend) unbedenklich für die Haltbarkeit und Qualität des optischen Elements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung mindestens eine weitere vernetzbare Polymerkomponente. Eine solche vernetzbare Polymerkomponente kann ein Polysiloxan sein, das beispielsweise zur Verdünnung eingesetzt wird. Des Weiteren kann diese, wenn das Polymermaterial beispielsweise ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial oder ein Silikon-Block-Copolymer ist, auch von einem Silikon verschieden sein. Es können hierfür gegebenenfalls herkömmliche, dem Fachmann bekannte Materialien verwendet werden. Das Polymermaterial kann jedoch bevorzugt ein Silikon sein, sodass auf andere vernetzbare Polymermaterialien in der Zusammensetzung weitgehend oder vollständig verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung mindestens eines aus der Gruppe, umfassend Adhesionsvermittler, Katalysatorinhibitor, Vergilbungsstabilisator und Thixotropiermittel. Bei diesen Additiven können herkömmliche, dem Fachmann bereits bekannte Verbindungen eingesetzt werden, die im Allgemeinen zum Herstellen von Silikonen oder silikonhaltigen Polymermaterialien verwendet werden.
Beispiele für Inhibitoren sind Polyorganosiloxane, insbesondere ringförmige Siloxane, bei denen mindestens eine Alkyl-Gruppe durch eine Alkenyl-Gruppe ersetzt ist, zum Beispiel Trimethylvinyltetrasiloxan, Pyridin, Phosphine, organische Phosphite, ungesättigte Amide, Alkyl-haltige Maleate, Acetylenalkohole und Kombinationen hiervon. Beispiele für Acetylenalkohole sind 1-Ethinyl-1-cyclohexanol, 3-Methyl-1-dodecin-3-ol, 3,7,11-Trimethyl-1-dodecin-3-ol, 1,1-Diphenyl-2-propin-1-ol, 3,6-Diethyl-1-nonin-3-ol, 3-Methyl-1-pentadecin-3-ol, wobei insbesondere 1-Ethinyl-1-cyclohexanol verwendet wird.
Beispiele für Adhesionsvermittler sind Alkoxy-haltige Organosilane, wie zum Beispiel Vinyltrimethoxysilan, (3-Methacryloxypropyl)trimethoxysilan, (3-Glycidoxypropyl)-trimethoxysilan und Kombinationen hiervon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Härten im Schritt C) für mindestens eine Stunde auf über 140°C erhitzt. Es kann für mindestens 3 Stunden, insbesondere mindestens 5 Stunden, auf über 150°C zum Härten erhitzt werden. Es können dabei mindestens drei unterschiedliche, in der Regel ansteigende, Temperaturstufen eingehalten werden. Dies dient der Herstellung eines möglichst spannungsfreien und blasenfreien optischen Elementes.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß und/oder vereinfacht dargestellt sein.
Es zeigen
1 einen Ausschnitt aus einem Silikon in einem optischen Element,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem optischen Element zur Volumenkonversion,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem zur Linse ausgeformten Verguss als optisches Element,
4 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement, bei dem als optisches Element eine separat ausgeformte Linse aufgesetzt ist,
5 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem als Reflektor ausgebildeten optischen Element.
In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Silikon gezeigt, wie es in einem optischen Element des Bauelements nach einer anmeldungsgemäßen Ausführungsform vorkommen kann. Die dargestellten vernetzten cyclischen Siloxane entsprechen Siloxanen der Formel I, wobei in diesem Beispiel einheitlich n = 2 und m = 0 ist. Die verbrückenden Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen (R² in Formel I) sind daher Ethylen-Brücken, die in 1 der Übersichtlichkeit halber reduziert dargestellt sind.
Ein solches Silikon ist zum Beispiel durch Platin-katalysierte Hydrosilylierungsreaktion eines ersten cyclischen Siloxans der Formel II mit n = 2 und eines zweiten cyclischen Siloxans der Formel III mit n = 2 und m = 0 durch Härten einer entsprechenden Zusammensetzung erhältlich. Das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan kann dabei im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, bevorzugt von 1,3:1 bis 2,5:1, liegen und beispielsweise 2:1 betragen. Wenn das erste cyclische Siloxan im Überschuss eingesetzt wird, weist das Silikon kaum oder gar keine Vinyl-Gruppen mehr auf. Es sind jedoch dann in der Regel noch Si-H-Bindungen vorhanden, was einem R² = H-Atom in Formel I entspricht. Im Gegensatz zu Vinyl-Gruppen beziehungsweise Olefinen im Allgemeinen sind Si-H-Bindungen in Hinblick auf thermische Zersetzungen nicht problematisch.
Das in 1 dargestellte Silikon ist reich an cyclischen Siloxanen; es kann zum Beispiel mindestens 40 Gew-%, insbesondere mindestens 75 Gew-% oder sogar mindestens 90 Gew-%, cyclische Siloxane enthalten oder auch vollständig daraus bestehen. Ferner weist das Silikon einen hohen Vernetzungsgrad auf, da mindestens 40%, insbesondere mindestens 50% oder sogar mindestens 60%, der Siliciumatome der cyclischen Siloxane mit einem weiteren Siliciumatom über eine Ethylen-Gruppe vernetzt sind. In der Regel ist das weitere Siliciumatom in diesem Beispiel ebenfalls Teil eines cyclischen Siloxans.
Der Brechungsindex des Silikons richtet sich insbesondere nach den Substituenten R¹. R¹ ist aus Alkyl, Cycloalkyl und Aryl ausgewählt und kann insbesondere C1-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl oder Phenyl sein. Ein hochbrechendes Silikon kann erhalten werden, wenn mindestens 40% der Substituenten R¹ aus C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl ausgewählt sind.
Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel für ein Silikon der 1 kann durch Härten einer Zusammensetzung gebildet werden, die erste cyclische Siloxane der Formel II und zweite cyclische Siloxane der Formel III, insbesondere im Verhältnis 1,8:1 bis 2,2:1, zum Beispiel 2:1, enthält, wobei in Formel II sowie in Formel III n = 0, m = 0 und R¹ = Methyl ist. Das Silikon nach 1 weist dann einheitlich R¹ = Methyl auf, was vernetzten cyclischen Siloxanen der Formel I mit n = 0, m 1 = 0 und R = Methyl entspricht. Das Polymermaterial kann dabei insbesondere das Silikon selbst sein, das zu mindestens 90 Gew-% oder vollständig aus den cyclischen Siloxanen der Formel I bestehen kann. Nach diesem Beispiel wird ein hoch vernetztes Poly(dimethylsiloxan) als Polymermaterial erhalten. Es können nach diesem Beispiel über 60%, insbesondere über 65%, der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über eine Ethylen-Brücke mit einem weiteren Siliciumatom vernetzt sein. Das Silikon kann ein E-Modul von 1,3 GPa bis 1,7 GPa aufweisen (Zugversuch). Die Härte kann ca. 0,34 GPa betragen (Nanoindentierung).
In 2 ist ein Bauelement nach einer Ausführungsform der Anmeldung am Beispiel einer LED gezeigt. Das Bauelement umfasst hier ein Gehäuse 20 in Verbindung mit einem Trägersubstrat 15. Das Gehäuse 20 kann eine Keramik oder einen hitze- und strahlungsbeständigen Kunststoff umfassen. In einer Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ist ein Halbleiterchip 10 angeordnet, der im Betrieb des Bauelements Strahlung emittiert. Die Seitenwände der Ausnehmung 25 sind hier abgeschrägt und können ein reflektierendes Material umfassen. Der Halbleiterchip 10 kann über elektrisch leitende Anschlüsse 30, 31 und einen Bonddraht 32 bestromt werden.
Das Bauelement weist ein optisches Element 50 aus einem Polymermaterial auf, das hier als Verguss 51 die Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ausfüllt und den Halbleiterchip 10 umhüllt. Das optische Element 50 ist hier für die vom Halbleiterchip 10 emittierte Strahlung transparent und kann als Linse ausgeformt sein (nicht gezeigt). In dem Beispiel nach 2 liegen in dem Polymermaterial Partikel 60, umfassend ein oder mehrere Konvertermaterialen als anorganischen Füllstoff, homogen verteilt vor (sogenannte Volumenkonversion). Alternativ oder zusätzlich kann das Bauelement ein Konversionselement umfassen, das beispielsweise in Form eines Plättchens auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet sein kann (nicht gezeigt). Zudem können weitere anorganische Füllstoffe wie Diffusoren oder wärmeleitende Partikel, zum Beispiel SiO₂-Partikel, in dem Polymermaterial des optischen Elements 50 verteilt vorliegen. Die anorganischen Füllstoffe können 10 bis 80 Gew-% des optischen Elements 50 ausmachen. Das Bauelement kann sichtbares Licht mit einem beliebigen Farbeindruck, insbesondere weißes Licht, emittieren.
Das Polymermaterial umfasst ein Silikon und kann insbesondere aus Silikon bestehen. Das Silikon kann einem Silikon nach 1 entsprechen. Es umfasst mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane. Des Weiteren ist das Silikon hochvernetzt, da mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades ist das Silikon stabil gegenüber thermischer Zersetzung, hart, weist eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf und ist mit Vorteil auch elastisch.
Das optische Element 50 wird durch die vom Halbleiterchip 10 sowie vom Konvertermaterial entwickelte Hitze kaum oder gar nicht beeinträchtigt und neigt daher nicht zur Vergilbung oder Rissbildung. Das Bauelement wird daher gut vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt und weist eine lange Lebensdauer auf. Je nach Bedarf kann über die Wahl der Substituenten im Silikon, insbesondere der cyclischen Siloxane, der Brechungsindex des Silikons beziehungsweise des optischen Elements 50 eingestellt werden. Mit hochbrechenden Silikonen, die zum Beispiel einen Brechungsindex von mindestens 1,44 aufweisen, kann die Lichtauskopplung im Vergleich zu herkömmlichem PDMS verbessert werden.
In 3 ist ein Bauelement nach einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt dargestellt. Es entspricht weitgehend dem Bauelement aus 2. Anstelle von Konvertermaterialien umfassenden Partikeln 60 ist hier ein Konversionselement 61 auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet. Das optische Element 50 ist hier als Linse 70 ausgeformt, die das Gehäuse 20 überragen kann.
In 4 ist ein Bauelement nach einer weiteren Ausführungsform der Anmeldung im Querschnitt gezeigt. Es umfasst als optisches Element 50 eine Linse 70, die auf dem Bauelement, beispielsweise mittels eines Klebers, angeordnet ist. Das optische Element 50 umfasst ein Silikon nach zumindest einer anmeldungsgemäßen Ausführungsform. Eine solche Linse 70 kann separat, zum Beispiel in einer Form, gegossen und gehärtet werden. Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 51 umhüllt, der die Ausnehmung 25 ausfüllt. Der Verguss 51 kann ebenfalls ein optisches Element nach einer Ausführungsform Anmeldung sein oder aus herkömmlichen Materialien bestehen. Das Bauelement kann Konvertermaterialien, zum Beispiel in Form von Partikeln oder eines Plättchens, umfassen (hier nicht gezeigt).
In 5 ist ein Bauelement nach einer weiteren Ausführungsform der Anmeldung im Querschnitt gezeigt. Das optische Element 50 ist hier als Reflektor (52) ausgebildet und umfasst einen reflektierenden Füllstoff. Der reflektierende Füllstoff kann 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, des optischen Elements 50 ausmachen und zum Beispiel aus TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ und Kombinationen hiervon ausgewählt sein. Das optische Element 50 kann, wie in 5 gezeigt, zumindest einen Teil der Ausnehmung 25 auskleiden und somit die erzeugte Strahlung reflektieren, wodurch die Strahlungsausbeute erhöht wird.
Alternativ kann das optische Element 50 auch einen Teil des Gehäuses 20 ausbilden. Das Gehäuse 20 kann auch ganz aus dem Polymermaterial des optischen Elements 50 gefertigt sein und weist dann zumindest im Bereich der Ausnehmung 25 einen reflektierenden Füllstoff auf.
Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 51 vergossen, wobei der Verguss 51 wiederum ein optisches Element nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung sein kann.
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 und jede Kombination in den Ausführungsbeispielen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0905797 A2 [0014]
WO 02/13281 A1 [0014]
WO 98/12757 A1 [0015, 0050]
US 3419593 [0059]
US 3715334 [0059]
US 3377432 [0059]
US 3814730 [0059]
US 3150601 [0059]
US 3159602 [0059]
US 3220972 [0059]
EP 0057459 [0059]
EP 0188978 [0059]
EP 0190530 [0059]

Claims

Optoelektronisches Bauelement, umfassend: – ein Gehäuse (20); – einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip (10), der in dem Gehäuse (20) angeordnet ist; und – ein optisches Element (50), das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst; wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei mindestens 50% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Silikon zu mindestens 75 Gew-% cyclische Siloxane enthält.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die cyclischen Siloxane durch eine Struktur der Formel I repräsentiert werden
wobei n aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist, R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, R² jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe, H-Atom, einen Substituenten der Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen und ein angebundenes Heteroatom umfasst, und wobei mindestens 40% der Substituenten R² der Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das R²-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt ist, und die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe jeweils unabhängig voneinander eine Struktur der folgenden Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen aufweist.
Bauelement nach Anspruch 4, wobei das optische Element (50) durch Härten einer Zusammensetzung erhältlich ist, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist, R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und R³ jeweils unabhängig voneinander ein Substituent ist, der durch die folgende Formel
mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, wobei R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die C1-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei mindestens 40% der Substituenten R¹ jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sind, die C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst.
Bauelement nach Anspruch 7, wobei der Brechungsindex n des Silikons größer oder gleich 1,44 ist.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element (50) ein Verguss (51) ist, der den Halbleiterchip (10) umhüllt.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element (50) einen anorganischen Füllstoff enthält, der in dem Polymermaterial eingebettet ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wärmeleitende Partikel, einen Diffusor, ein Konvertermaterial und eine Kombination hiervon umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das optische Element (50) als Reflektor (52) ausgebildet ist und einen reflektierenden Füllstoff enthält.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse (20) eine Ausnehmung (25) aufweist, in der der Halbleiterchip (10) angeordnet ist, und das optische Element (50) zumindest einen Teil der Ausnehmung (25) auskleidet oder zumindest einen Teil des Gehäuses (20) im Bereich der Ausnehmung (25) ausbildet.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes mit einem optischen Element (50), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Gehäuses (10); B) Anordnen eines Strahlung emittierenden oder Strahlung detektierenden Halbleiterchips (10) in dem Gehäuse (20); C) Erzeugen eines optischen Elementes (50), das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst; wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Schritt C) zum Erzeugen des optischen Elementes (50) eine Zusammensetzung gehärtet wird, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist, R¹ jeweils unabhängig aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und R³ jeweils unabhängig voneinander ein Substituent ist, der durch die folgende
Formel mit m = 0 oder 1 und X = C1-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei in der Zusammensetzung das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, liegt.