DE102014100584A1 - Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen und optoelektronisches Halbleiterbauteil - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen und optoelektronisches Halbleiterbauteil Download PDF

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Matthias Sabathil
Frank Singer
Roland Hüttinger
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Osram Opto Semiconductors GmbH
Osram GmbH
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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen (1) eingerichtet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: A) Erstellen eines Rohlings (21) mittels Strangzug oder Extrusion aus einer Materialschmelze, B) Formen des Rohlings (21) zu einer strangförmigen Optik (2) mit einer Längsachse (A) sowie mit einer Montageseite (23) und mit einer Lichtaustrittsseite (22), C) Erzeugen von Leiterbahnen (4) auf der Montageseite (23), D) Montieren einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips (3) an der Montageseite (23) der Optik (2) und Anschließen an die Leiterbahnen (4), und E) Zerteilen der Optik (2) zu den optoelektronischen Halbleiterbauteilen (1), wobei die optoelektronischen Halbleiterbauteile (1) je mindestens zwei der Halbleiterchips (3) umfassen und die Optik (2) die mechanisch tragende Komponente der Halbleiterbauteile (1) ist.

Description

  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen angegeben. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem optoelektronische Halbleiterbauteile effizient herstellbar sind.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen eingerichtet. Bevorzugt werden mit dem Verfahren mehrere der Halbleiterbauteile hergestellt. Die Halbleiterbauteile sind bevorzugt jeweils zur Emission von Licht, insbesondere von sichtbarem Licht, eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei den optoelektronischen Halbleiterbauteilen um Leuchten oder um Module für Leuchten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erstellens eines Rohlings. Der Rohling wird insbesondere mittels Strangzug oder Extrusion aus einer Materialschmelze hergestellt. Mit solchen Verfahren sind Rohlinge in nahezu beliebigen Längen herstellbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Formens des Rohlings. Der Rohling wird dabei zu einer strangförmigen Optik geformt. Das Formen des Rohlings erfolgt bevorzugt nach dem Erstellen des Rohlings und mit einem eigenen Werkzeug. Alternativ hierzu ist es möglich, dass das Formen zusammen mit dem Erstellen erfolgt, beispielsweise durch eine speziell geformte Strangzugdüse oder Extrusionsdüse.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optik eine Längsachse auf. Die Längsachse verläuft entlang einer Längsrichtung der Optik, entlang der die Optik eine größte geometrische Ausdehnung aufweist. Die Längsachse kann entlang einer Geraden verlaufen. Beispielsweise verläuft die Längsachse innerhalb einer Symmetrieebene der Optik. Die Optik weist bevorzugt eine oder zwei Symmetrieebenen auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optik eine Montageseite auf. Die Montageseite ist dazu eingerichtet, dass an der Montageseite weitere Komponenten der Halbleiterbauteile angebracht werden. Ebenso kann die Montageseite dazu eingerichtet sein, die Optik an einer weiteren Komponente wie einem externen Träger zu befestigen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Optik eine Lichtaustrittsseite. Die Lichtaustrittsseite ist zu einer Strahlformung eingerichtet. Beispielsweise ist die Lichtaustrittsseite gekrümmt. Die Lichtaustrittsseite kann wie eine Linse oder wie mehrere Linsen geformt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Erzeugens von Leiterbahnen auf der Montageseite auf. Über die Leiterbahnen an der Montageseite ist eine elektrische Verschaltung innerhalb der Halbleiterbauteile erzeugbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Montierens einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips an der Montageseite. Die Halbleiterchips können dabei direkt oder mittelbar an der Montageseite befestigt sein. Insbesondere sind die Halbleiterchips an die Leiterbahnen an der Montageseite elektrisch und bevorzugt auch mechanisch angeschlossen. Es ist möglich, dass die Halbleiterchips nur über die Leiterbahnen an der Optik angebracht sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei den Halbleiterchips um Leuchtdioden oder um Leuchtdiodenchips. Hierbei kann es sich um gehauste oder, bevorzugt, um ungehauste Leuchtdiodenchips handeln. Zum Beispiel sind die Halbleiterchips zur Erzeugung von blauem, grünem, gelbem, rotem und/oder weißem Licht eingerichtet. An der Montageseite können nur baugleiche oder auch verschiedenartige Halbleiterchips zur Strahlungsemission angebracht sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Zerteilens der Optik zu den optoelektronischen Halbleiterbauteilen. Die Halbleiterbauteile können dabei gleiche oder auch unterschiedliche Längen aufweisen. Bei dem Zerteilen kann es sich um ein Sägen, ein Lasertrennen, ein Ritzen mit einem Brechen oder um ein Abdrücken handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die optoelektronischen Halbleiterbauteile je mindestens zwei oder mehr als zwei der Halbleiterchips auf. Beispielsweise weisen die Halbleiterbauteile mindestens fünf oder acht oder zehn oder zwanzig oder einhundert oder fünfhundert und/oder höchstens tausend oder zweihundert oder einhundert oder fünfzig der Halbleiterchips auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Optik die mechanisch tragende Komponente der fertigen Halbleiterbauteile, insbesondere die einzige mechanisch tragende Komponente. Mit anderen Worten ist die Optik selbsttragend und mechanisch stabil gestaltet. Ohne die Optik wären die Halbleiterbauteile mechanisch instabil und nicht alleine handhabbar.
  • In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen eingerichtet. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:
    • A) Erstellen eines Rohlings mittels Strangzug oder Extrusion aus einer Materialschmelze,
    • B) Formen des Rohlings zu einer strangförmigen Optik mit einer Längsachse sowie mit einer Montageseite und mit einer Lichtaustrittsseite,
    • C) Erzeugen von Leiterbahnen auf der Montageseite,
    • D) Montieren einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips an der Montageseite der Optik und Anschließen an die Leiterbahnen, und
    • E) Zerteilen der Optik zu den optoelektronischen Halbleiterbauteilen.
  • Die optoelektronischen Halbleiterbauteile weisen dabei je mindestens zwei der Halbleiterchips auf und die Optik ist die mechanisch tragende und stabilisierende Komponente der Halbleiterbauteile.
  • Lineare Leuchten sind für zahlreiche Beleuchtungsanwendungen von Interesse. Beispielsweise können lineare Leuchten zur Flächenbeleuchtung etwa in Großraumbüros, zur Hinterleuchtung von Anzeigeeinrichtungen wie Displays oder auch in Lichtkästen etwa für die Außenwerbung zum Einsatz kommen. Auch zu einer Beleuchtung von linearen oder linear gestalteten Bereichen sind lineare Lampen einsetzbar, beispielsweise in Gängen in einer Flugzeugkabine.
  • Als lineare Leuchtmittel werden in der Regel Leuchtstoffröhren eingesetzt. Leuchtstoffröhren haben jedoch vergleichsweise große und genormte Außenabmessungen, üblicherweise als T5 bis T12 bezeichnet. Zudem sind Leuchtstoffröhren in der Regel nur im Dauerbetrieb einsetzbar und im Normalfall nicht oder nur eingeschränkt regelbar, hinsichtlich abgestrahlter Intensität und Farbort des abgestrahlten Lichts.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen mindestens die oben genannten Verfahrensschritte A) bis D) in der angegebenen Reihenfolge. Ebenso können die Verfahrensschritte A) bis E) in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen mindestens die Verfahrensschritte B) und C) und optional auch die Verfahrensschritte D) und/oder E) während des Abkühlens nach dem Schritt A). Insbesondere erfolgen die Verfahrensschritte B) und C) bei einer Temperatur von mindestens 110° C oder 140° C. Dass die betreffenden Verfahrensschritte während des Abkühlens erfolgen können bedeuten, dass kein zusätzliches Aufheizen erfolgt und dass in der Reihenfolge der Verfahrensschritte eine Temperatur des Rohlings sowie der Optik monoton oder streng monoton abnimmt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Rohling aus einem Glas geformt. Insbesondere ist der Rohling aus einem niedrig schmelzenden Glas hergestellt. Beispielsweise ist das niedrig schmelzende Glas ein Silikatglas, ein Boratglas oder ein Phosphatglas. Das Silikatglas enthält als Hauptbestandteil SiO2, das Boratglas enthält als Hauptbestandteil B2O3 und das Phosphatglas enthält als Hauptbestandteil P2O5. Das Silikatglas kann weitere Metalloxide wie B2O3, P2O5, Na2O, K2O und/oder AgO enthalten, das Boratglas kann weitere Metalloxide wie SiO2, P2O5, Na2O, K2O, PbO und AgO enthalten und das Phosphatglas kann weitere Metalloxide wie B2O3, SiO2, Na2O, K2O und/oder AgO enthalten. Ein Anteil an AgO liegt zum Beispiel bei mindestens 20 Gewichts-% oder 40 Gewichts-%. Beispielsweise handelt es sich bei dem anorganischen Glas um ein Kalk-Natron-Glas.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Optik aus einem Kunststoff hergestellt. Beispielsweise umfasst oder besteht die Optik aus Polymethylmetacrylat, aus Polystyrol, aus Cycloolefin-Copolymeren oder aus Polycarbonat.
  • Es ist auch möglich, dass für die Optik mehrere Materialien kombiniert zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden für die Optik jeweils klarsichtige Materialien verwendet, die im von dem Halbleiterbauteil erzeugten Emissionsspektrum nicht oder nicht signifikant absorbieren und die bevorzugt auch alterungsstabil gegenüber der erzeugten Strahlung sind. Insbesondere ist die Optik hinsichtlich einer Materialzusammensetzung homogen, sodass keine Schwankungen in einer Materialzusammensetzung über die Optik hinweg auftreten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leiterbahnen auf die Montageseite aufgeklebt oder aufgedruckt. Insbesondere kommt eine Tinte zum Einsatz, die Silber und/oder Kupfer umfasst, beispielsweise in Form von Partikeln, insbesondere in Form von Nanopartikeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leiterbahnen nach dem Aufbringen, insbesondere nach dem Aufdrucken, durch ein Sintern geformt oder ausgehärtet. Das Sintern erfolgt bevorzugt ohne ein zusätzliches Aufheizen alleine aufgrund der Temperatur der Optik während des Abkühlens.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf die Montageseite stellenweise oder ganzflächig zumindest ein Leuchtstoff aufgebracht. Bevorzugt wird eine Kombination aus zumindest zwei Leuchtstoffen aufgebracht. Das Aufbringen des mindestens einen Leuchtstoffs erfolgt bevorzugt zwischen den Schritten B) und C).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des mindestens einen Leuchtstoffs bei einer Temperatur von mindestens 350 °C oder 400 °C oder 500 °C. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Aufbringen bei einer Temperatur von höchstens 650 °C oder 600 °C oder 560 °C.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sinkt der Leuchtstoff nach dem Aufbringen mindestens teilweise in die Optik ein. Mit anderen Worten liegt der Leuchtstoff dann nicht auf der Montageseite auf, sondern liegt zwischen der Montageseite und der Lichtaustrittsseite.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der mindestens eine Leuchtstoff in Form von Partikeln vor. Bevorzugt weisen die Partikel einen vergleichsweise großen mittleren Durchmesser auf. Insbesondere liegt der mittlere Durchmesser bei mindestens 3 µm oder 5 µm oder 7 µm und/oder bei höchsten 50 µm oder 15 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist einer der Leuchtstoffe oder umfasst einer der Leuchtstoffe oder ist der eine Leuchtstoff ein Nitrid oder ein Oxinitrid. Insbesondere handelt es sich bei diesem Leuchtstoff um einen rot emittierenden Leuchtstoff. Mit anderen Worten wandelt der Leuchtstoff dann bevorzugt blaues und/oder grünes Licht in rotes Licht um.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Montageseite, die der Lichtaustrittsseite gegenüber liegt, um eine glatte Seite. Mit anderen Worten ist die Montageseite dann eben geformt. Alternativ ist es möglich, dass die Montageseite leicht gekrümmt ist. Leicht gekrümmt kann bedeuten, dass ein Krümmungsradius mindestens 25 mm oder 50 mm oder 100 mm aufweist. Alternativ oder zusätzlich liegt der Krümmungsradius mindestens um einen Faktor 5 oder 10 oder 20 oberhalb eines mittleren Durchmessers der Optik.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in der Montageseite mehrere Sacklöcher geformt. Sackloch bedeutet, dass das entsprechende Loch nicht bis zur Lichtaustrittsseite reicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird je einer oder werden je mehrere der Halbleiterchips in je eines der Sacklöcher eingebracht. Elektrische Zuführungen und/oder Kontaktierungen der Halbleiterchips befinden sich dabei bevorzugt außerhalb der Sacklöcher an der Montageseite. Es ist damit möglich, dass eine mechanische und elektrische Befestigung der Halbleiterchips außerhalb der Sacklöcher erfolgt. Alternativ können sich die elektrischen Zuführungen und/oder Kontaktierungen der Halbleiterchips auch innerhalb der Sacklöcher befinden. Es können die Halbleiterchips direkt in die Sacklöcher mechanisch eingebaut und gleichzeitig elektrisch angeschlossen werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei den Halbleiterchips um sogenannte Saphir-Chips, die über ein insbesondere strahlungsdurchlässiges Saphir-Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips verfügen. Ebenso kann es sich bei den Halbleiterchips um sogenannte Flip-Chips handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen den Halbleiterchips und der Montageseite ein Füllmedium. Über ein solches Füllmedium ist eine Lichtauskoppeleffizienz von Strahlung aus dem Halbleiterchip in die Optik erhöhbar. Beispielsweise sind die Sacklöcher dann vollständig von den Halbleiterchips und dem Füllmedium ausgefüllt. Bei dem Füllmedium kann es sich um ein Silikon handeln. Das Füllmedium kann optional auch zu einer zusätzlichen Befestigung der Halbleiterchips an der Optik dienen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt im Schritt B) ein Formen des Rohlings mit Formrollen. Die Formrollen können dabei strukturiert sein, sodass entlang der Längsachse der Optik ein Querschnitt in Richtung senkrecht zur Längsachse variiert, bevorzugt periodisch variiert. Hierdurch können die optischen Eigenschaften der Optik gezielt variiert und effizient hergestellt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optik sowohl in mindestens einem Querschnitt parallel zur Längsachse als auch in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse jeweils konkav und konvex gekrümmte Bereiche der Lichtaustrittsseite auf. Es ist dabei möglich, dass die Optik Querschnitte in Richtung senkrecht zur Längsachse aufweist, die nur eine konvex gekrümmte Lichtaustrittsseite zeigen. Entlang der Längsachse weist die Optik bevorzugt mehrere konvex gekrümmte Bereiche und mehrere konkav gekrümmte Bereiche auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Montageseite in Bereichen, die nicht von den Halbleiterchips bedeckt sind, mit einer Spiegelschicht versehen. Bei der Spiegelschicht kann es sich um eine metallische Schicht handeln. Es ist möglich, dass aus der Spiegelschicht heraus die Leiterbahnen erzeugt sind. Die Leiterbahnen sind dann bevorzugt durch dünne, schmale Spalte von verbleibenden Bereichen der Spiegelschicht getrennt, sodass keine elektrischen Kurzschlüsse entstehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips entlang der Längsachse in einer oder in mehreren Reihen an der Montageseite angeordnet. Bevorzugt sind die Halbleiterchips in einem regelmäßigen Muster angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das fertige Halbleiterbauteile im roten Spektralbereich emittierende Halbleiterchips und im blauen Spektralbereich emittierende Halbleiterchips auf, insbesondere rotes Licht emittierende Leuchtdioden und blaues Licht emittierende Leuchtdioden. Die rot emittierenden und die blau emittierenden Halbleiterchips sind bevorzugt in einem regelmäßigen Muster abwechselnd an der Montageseite entlang der Längsachse angeordnet. Es ist dabei nicht erforderlich, dass auf einen rot emittierenden Halbleiterchip genau ein blau emittierender Halbleiterchip folgt und umgekehrt. Die Halbleiterchips können ihrer Emissionsfarbe nach gruppiert angeordnet sein, sodass mehrere blau emittierende Halbleiterchips auf einen oder mehrere rot emittierende Halbleiterchips folgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen den Halbleiterchips und der Lichtaustrittsseite und/oder zwischen den Halbleiterchips und der Montageseite ein Streumittel zu einer Lichtstreuung und/oder der mindestens eine Leuchtstoff. Durch das Streumittel, das beispielsweise durch eine Schicht aus lichtstreuenden Partikeln gebildet ist, lässt sich eine Abstrahlcharakteristik des Halbleiterbauteils gezielt einstellen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an der Montageseite eine Schutzvorrichtung gegen Schäden durch elektrostatische Entladungen. Die Schutzvorrichtung kann im oder nach dem Schritt D) aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann sich insbesondere an der Montageseite oder an Stirnseiten der Optik ein Stecker zum Anschließen und zum externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils befinden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt der Schritt E) unmittelbar dem Schritt B) nach oder ist in dem Schritt B) integriert. Die Stirnseiten der Optik können dabei im Schritt E) mit einer optisch wirksamen Krümmung, insbesondere mit einer konvexen Krümmung, versehen werden. Bei einem Zerteilen und Formen der Optik aus dem Rohling heraus ist ein nachträgliches Zerteilen insbesondere mit einem spanenden Verfahren oder mit einem Material abtragenden Verfahren vermeidbar.
  • Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Das Halbleiterbauteil ist insbesondere mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist eine Länge des Halbleiterbauteils um mindestens einen Faktor 8 oder 10 oder 12 oder 20 größer als eine Breite des Halbleiterbauteils. Die Länge und die Breite werden dabei insbesondere in Draufsicht auf die Lichtaustrittsseite der Optik bestimmt. Die Länge wird bevorzugt entlang der Längsachse gemessen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Breite und/oder eine Länge der Optik gleich der Länge und/oder der Breite des Halbleiterbauteils, in Draufsicht auf die Montageseite und/oder die Lichtaustrittsseite gesehen. Mit anderen Worten kann dann eine Größe des Halbleiterbauteils, in Draufsicht auf die Lichtaustrittsseite und/oder auf die Montageseite gesehen, durch die Optik vorgegeben sein.
  • Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, sofern nicht anders gekennzeichnet, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für hier beschriebene Halbleiterbauteile,
  • 2 bis 6 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
  • 7 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
  • 8 schematische Darstellungen von Optiken für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauteile.
  • In 1 ist in schematischen perspektivischen Darstellungen ein Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterbauteilen 1 illustriert.
  • In den 1A und 1B ist gezeigt, dass aus einer Schmelze heraus mittels Strangzug ein Rohling 21 für eine Optik 2 geformt wird. Der Rohling 21, der beispielsweise aus einer Schmelze gezogen wird und der insbesondere homogen aus einem Glas geformt ist, wird durch Formrollen 26 in die gewünschte Form gebracht.
  • Dabei weist die Optik 2 eine Montageseite 23 auf, die eben oder im Wesentlichen eben geformt ist. Der Montageseite 23 liegt eine Lichtaustrittsseite 22 gegenüber, die gekrümmt ist. Über die Lichtaustrittsseite 22 erfolgt eine Strahlformung durch die Optik 2. Im Querschnitt gesehen senkrecht zu einer Längsachse A der Optik 2 weist diese zum Beispiel eine halbkreisförmige Gestalt auf.
  • Optional mit dem Formen ist es möglich, dass die Optik 2 bereits zerteilt und abgelängt wird. Hierbei können Stirnflächen 28 gezielt mit einer optisch wirksamen Rundung oder Form versehen werden.
  • Das Strangziehen aus der Schmelze und das Formen mit den beispielsweise zwei Formrollen 26 ist insbesondere ein kontinuierlicher Prozess, mit dem ein Rohling und eine Optik 2 mit weitestgehend frei wählbaren Längen erzeugbar sind. Der Schritt des Ziehens des zähflüssigen Materials für den Rohling 21 aus einer Schmelze, insbesondere aus einer Schmelzwanne, erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 950 °C. Das Umformen des Rohlings 21 mit den Formrollen 26 zu der Optik 2 erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 650 °C. Aufgrund der Verwendung der Formrollen 26 ist die Optik 2 ohne seitliche Nähte und Anspritzpunkte, anders als zum Beispiel bei einem Pressen oder Spritzen, herstellbar.
  • In 1C ist gezeigt, dass die Optik 2 nach dem Formen umgelenkt, weiter abgekühlt und bevorzugt in derselben Fertigungsstraße weiter befördert wird. Ein Umlagern zu einer anderen Fertigungsstätte ist bevorzugt nicht erforderlich.
  • Während der Abkühlphase der Optik kann diese stetig entlang einer Abkühlstrecke weitergezogen werden und die weiteren Prozessschritte können entlang dieser Abkühlstrecke durchgeführt werden. Die am jeweiligen Prozessort herrschende Temperatur kann somit genutzt werden. Beispielsweise gemäß dem in 1D gezeigten, optionalen Verfahrensschritt werden mit einer Düse 50 Partikel eines Leuchtstoffs 5 auf die Montageseite 23 aufgesprüht. In diesem Prozessschritt weist die Optik 2 bevorzugt eine Temperatur zwischen einschließlich 500 °C und 600 °C auf, beispielsweise ungefähr 550 °C. Hierdurch ist es möglich, dass die Partikel des Leuchtstoffs 5 gezielt in die Optik 2 einsinken.
  • Optional ist es möglich, dass nach dem Schritt in 1D ein weiteres Rollen der Optik 2 erfolgt, um ein Einsinken der Partikel des Leuchtstoffs 5 zu erleichtern oder um die Montageseite 23 zu glätten. Alternativ ist es ferner möglich, dass das Anbringen des Leuchtstoffs 5 bereits im oder vor dem Schritt gemäß 1B erfolgt.
  • Im Verfahrensschritt gemäß 1E werden auf die Montageseite 23 mittels einer Druckdüse 40 Leiterbahnen 4 strukturiert aufgebracht. Dieser Verfahrensschritt erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 150 °C. Hierdurch ist ein Ansintern und/oder Aushärten einer Tinte für die Leiterbahnen 4 noch während des Abkühlens der Optik 2 möglich.
  • Im Verfahrensschritt gemäß 1F werden optoelektronische Halbleiterchips 3, insbesondere Leuchtdiodenchips, auf die Montageseite 23 und auf den Leuchtstoff 5 aufgebracht. Das Aufbringen der Halbleiterchips 3 erfolgt beispielsweise mittels Löten oder mittels elektrisch leitfähigem Kleben.
  • Die Halbleiterchips 3 weisen dabei eine Hauptemissionsrichtung in Richtung hin zur Montageseite 23 auf. Beide elektrischen Kontakte der Halbleiterchips 3 befinden sich bevorzugt an einer der Montageseite 23 zugewandten Seite der Halbleiterchips 3. Bei den Halbleiterchips 3 handelt es sich bevorzugt um ungehauste Chips. Die Halbleiterchips 3 können mit den Leiterbahnen 4 zu einer oder zu mehreren Reihenschaltungen verschaltet sein und/oder auch zu einer oder zu mehreren Parallelschaltungen.
  • Wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen weist die Optik 2 entlang der Längsachse A eine vergleichsweise große Länge L und in Richtung senkrecht zur Längsachse A eine vergleichsweise geringe Breite B auf. Die Länge L übersteigt die Breite B beispielsweise um mindestens einen Faktor 8 oder 12 oder 20. Es ist möglich, dass die Länge L bei mindestens 6 cm oder 10 cm oder 15 cm und/oder bei höchstens 2 m oder 60 cm oder 30 cm liegt. Die Breite B und/oder ein mittlerer Durchmesser der Optik 2 liegen insbesondere bei mindestens 2 mm oder 5 mm und/oder bei höchstens 30 mm oder 10 mm.
  • In 1G ist ein Anschließen des Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Über elektrische Leitungen 44 an beiden Stirnenden der Optik 4 ist das Halbleiterbauteil 1 an eine Ansteuerelektronik 45, beispielsweise an ein elektrisches Vorschaltgerät, angeschlossen. Über die Ansteuerelektronik 45 ist das Hauptleiterbauteil 1 elektrisch ansteuerbar und betreibbar.
  • In 2 ist in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Die Montageseite 23 ist, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, mit einer metallischen oder dielektrischen Spiegelschicht 6 versehen. Die Spiegelschicht 6 kann die Montageseite 23 vollständig bedecken, mit Ausnahme von Bereichen, auf denen sich die Halbleiterchips 3 befinden.
  • Die Montageseite 23 ist gemäß 2 frei von einem Leuchtstoff 5. Ein solcher Leuchtstoff kann bereits in den Halbleiterchips 3 integriert sein. Alternativ ist es möglich, dass die Halbleiterchips 3 in drei voneinander verschiedenen Farben emittieren. Beispielsweise sind rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht emittierende Halbleiterchips 3 verbaut.
  • In den 3A und 3B sind Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Zwischen den Halbleiterchips 3 und der Optik 2 befindet sich ein Füllmedium 29, das beispielsweise aus einem Silikon geformt ist. Hierdurch ist eine bessere optische Ankopplung der Halbleiterchips 3 an die Optik 2 gegeben. Ein solches Füllmedium 29 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
  • In 3B ist gezeigt, dass die Lichtaustrittsseite 22 der Optik 2 einen konkav gekrümmten und einen konvex gekrümmten Bereich aufweist. Hierdurch ist eine Strahlaufweitung in Richtung senkrecht zur Längsachse A erzielbar. Ein Verlauf einer Strahlung R aus dem Halbleiterchip 3 ist in 3B schematisch durch Pfeillinien gezeigt.
  • Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1, wie in 4 perspektivisch gezeigt, sind die Leiterbahnen 4 derart geführt, dass ein elektrisches Anschließen über einen Stecker 9 an der Montageseite 23 im Bereich nur einer der Stirnseiten 28 möglich ist. Solche Stecker 9 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Über den Stecker 9 kann eine externe elektrische und auch mechanische Befestigung der Halbleiterbauteile 1 realisiert sein. Abweichend von der Darstellung ist es auch möglich, dass der Stecker 9 direkt an einer der Stirnseiten 28 oder an beiden Stirnseiten 28 angebracht ist, um ein Aneinanderstecken von mehreren Halbleiterbauteilen 1 entlang der Längsachse A zu ermöglichen.
  • Optional ist an der Montageseite 23 ferner eine Schutzvorrichtung 8 gegen Schäden vor elektrostatischen Entladungen angebracht. Alternativ oder zusätzlich zur Schutzvorrichtung 8 können auch andere elektrische Bauteile wie Steuerchips montiert sein. Ebenso abweichend von der Darstellung ist es möglich, dass die Halbleiterchips 3 elektrisch einzeln ansteuerbar oder zu einzeln elektrisch ansteuerbaren Gruppen zusammengeschaltet sind. Hierdurch ist beispielsweise ein von dem Halbleiterbauteil 1 im Betrieb emittierter Farbort gezielt einstellbar.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der Leuchtstoff 5 nur in Bereichen an der Montageseite 23 aufgebracht, in denen sich die Halbleiterchips 3 befinden. Verbleibende Bereiche der Montageseite 23 können optional mit der Spiegelschicht 6 bedeckt sein.
  • Das Halbleiterbauteil 1, wie in 6 gezeigt, weist rotes Licht emittierende Halbleiterchips 3r und blaues Licht emittierende Halbleiterchips 3b auf. Die Halbleiterchips 3b, 3r sind abwechselnd entlang der Längsrichtung A angebracht. Zwischen den blau emittierenden Halbleiterchips 3b und der Optik 2 befindet sich jeweils zumindest ein Leuchtstoff 5, zum Beispiel YAG:Ce.
  • Zwischen den rot emittierenden Halbleiterchips 3r und der Optik 2 ist jeweils bereichsweise ein Streumittel 7 angebracht. Ein solches Streumittel 7 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Anders als dargestellt ist es wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, dass das Streumittel 7 vollständig die Montageseite 23 bedeckt. Alternativ oder zusätzlich kann das Streumittel 7 bereichsweise oder ganzflächig auf die Lichtaustrittsseite 22 angebracht sein, insbesondere um einer Entblendung zu dienen.
  • In 7 ist eine Anordnung 10 mit mehreren der Halbleiterbauteile 1 gezeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 7 Leiterbahnen zwischen den einzelnen Halbleiterbauteilen 1 jeweils nicht gezeichnet. Die Halbleiterbauteile 1 sind auf einem gemeinsamen Träger 11 angebracht. Auf dem Träger 11 befindet sich optional auch die Ansteuerelektronik 45. Beispielsweise handelt es sich bei der Anordnung 10 um einen Ersatz für eine Leuchtstoffröhre. Räumliche Abmessungen der Anordnung 10 sind dabei jedoch bevorzugt kleiner als Abmessungen einer herkömmlichen Leuchtstoffröhre, insbesondere in Richtung senkrecht zur Längsachse A.
  • In den 8A bis 8C sind in Schnittdarstellungen und in Aufsichten Ausführungsbeispiele für die Optik 2 gezeigt. Die Optiken 2 weisen je entlang von Querschnitten senkrecht zur Längsrichtung A als auch parallel zur Längsrichtung A konkav und konvex gekrümmte Bereiche auf, die entlang der Längsrichtung einander insbesondere periodisch abwechseln.
  • In den 8A bis 8C ist dabei links jeweils eine Schnittdarstellung senkrecht zur Längsachse A gezeigt. Die Darstellungen in den 8A bis 8C rechts oben sind Schnittdarstellungen entlang der Längsachse A. Die Figuren rechts unten stellen gemäß der 8A und 8B Draufsichten und gemäß 8C Unteransichten der Optiken 2 dar.
  • In den 8A und 8B ist zu sehen, dass die Optik 2 in Draufsicht auf die Lichtaustrittsseite 22 gesehen jeweils Knoten und Bäuche aufweist. In den Bäuchen ist bevorzugt eine Wanne gebildet, die ringsum wallartig von einem Material der Optik 2 umgeben ist.
  • In die Montageseiten 23 können, siehe 8C, Sacklöcher 25 geformt sein. Die Sacklöcher 25 sind zu einer Aufnahme der Halbleiterchips, in den 8A bis 8C nicht gezeichnet, eingerichtet. Pro Periodenlänge der Optik 2 entlang der Längsachse A ist dabei bevorzugt genau ein Sackloch 25 für einen der Halbleiterchips vorgesehen. Solche Sacklöcher 25 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
  • In den Schnittdarstellungen senkrecht zur Längsachse A in den 8A bis 8C sind jeweils beispielhaft mögliche Maße für die Optik 2 angegeben. Die Darstellungen in den 8A bis 8C sind insofern maßstäblich zu verstehen. Die genannten Maße gelten beispielsweise je mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 3 oder 2 oder 1,5 oder 1,25. Die Maßverhältnisse relativ zueinander gelten jeweils bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 2 oder 1,5 oder 1,15.
  • Durch ein hier beschriebenes Herstellungsverfahren und durch die hier beschriebenen Halbleiterbauteile 1 ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
    • – Es ist zum Verschalten der Halbleiterchips keine gedruckte Leiterplatte, kurz PCB, notwendig.
    • – Die Herstellung erfolgt mit einem nur geringen Prozessaufwand und ist flexibel gestaltbar, insbesondere sind Optiken mit verschiedenen Längen ohne große Prozessveränderungen realisierbar.
    • – Während der Abkühlphase und der Glasstabproduktion für die Optik ist die gesamte Prozessführung möglich, ein so genannter On the Fly-Prozess ist realisierbar.
    • – Es besteht ein nur geringer Platzbedarf für die Produktionsstätten und es ist kein zusätzlicher Transportaufwand zwischen Produktionsprozessen zu betreiben.
    • – Durch unterschiedliche Formrollen können unterschiedliche Geometrien der Optik 2 einfach erzeugt werden. Dadurch können unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken der Halbleiterbauteile 1 für verschiedene Anwendungen einfach erzeugt und umgestellt werden.
    • – Die Abmessungen der hier beschriebenen Halbleiterbauteile sind erheblich kleiner als die Abmessungen von herkömmlichen Systemen, insbesondere geringer als die Abmessungen von normalen Leuchtstoffröhren.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 (13)

  1. Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen (1) mit den Schritten: A) Erstellen eines Rohlings (21) mittels Strangzug oder Extrusion aus einer Materialschmelze, B) Formen des Rohlings (21) zu einer strangförmigen Optik (2) mit einer Längsachse (A) sowie mit einer Montageseite (23) und mit einer Lichtaustrittsseite (22), C) Erzeugen von Leiterbahnen (4) auf der Montageseite (23), D) Montieren einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips (3) an der Montageseite (23) der Optik (2) und Anschließen an die Leiterbahnen (4), und E) Zerteilen der Optik (2) zu den optoelektronischen Halbleiterbauteilen (1), wobei die optoelektronischen Halbleiterbauteile (1) je mindestens zwei der Halbleiterchips (3) umfassen und die Optik (2) die mechanisch tragende Komponente der Halbleiterbauteile (1) ist.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem wenigstens die Verfahrensschritte A) bis D) in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei zumindest die Schritte B) und C) während des Abkühlens nach dem Schritt A) bei einer Temperatur von mindestens 110 °C erfolgen, und wobei der Rohling (21) aus einem Glas geformt und im Schritt A) aus einer Glasschmelze strangezogen wird.
  3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Leiterbahnen (4) mit einer Silberpartikel enthaltenden Tinte aufgedruckt werden und ein Sintern zu den Leiterbahnen (4) durch die Temperatur der Optik (2) getrieben wird, ohne dass ein zusätzliches Aufheizen erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen den Schritte B) und C) in einem Schritt bc) zumindest stellenweise auf die Montageseite (23) wenigstens ein Leuchtstoff (5) aufgebracht wird, wobei der Leuchtstoff (5) mindestens teilweise in den Rohling (21) einsinkt.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Schritt bc) bei einer Temperatur zwischen einschließlich 400 °C und 600 °C durchgeführt wird, wobei der Leuchtstoff (5) oder zumindest einer der Leuchtstoffe (5) ein Nitrid oder ein Oxinitrid ist oder umfasst und wobei wenigstens dieser Leuchtstoff (5) in Form von Partikeln mit einem mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 3 µm und 25 µm vorliegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Montageseite (23) eben ist oder einen Krümmungsradius von mindestens 25 mm aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in die Montageseite (23) mehrere Sacklöcher (25) geformt sind, wobei im Schritt D) je einer der Halbleiterchips (3) in je eines der Sacklöcher (25) eingebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt B) der Rohling (21) mit strukturieren Formrollen (26) geformt wird, sodass entlang der Längsachse (A) ein Querschnitt der Optik (2), senkrecht zur Längsachse (A), periodisch variiert.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Optik (2) sowohl in einem Querschnitt parallel zur Längsachse (A) als auch in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) gesehen jeweils konkav und konvex gekrümmte Bereiche der Lichtaustrittsseite (22) aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf die Montageseite (23) mindestens in Bereichen, die nicht von den Halbleiterchips (3) bedeckt sind, eine Spiegelschicht (6) aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem entlang der Längsachse (A) abwechselnd rot emittierende Halbleiterchips (3r) und blau emittierende Halbleiterchips (3b) angeordnet sind, wobei sich zwischen den rot emittierenden Halbleiterchips (3r) und der Lichtaustrittsseite (2) je ein Streumittel (7) zur Lichtstreuung sowie zwischen den blau emittierenden Halbleiterchips (3b) und der Lichtaustrittsseite (2) je zumindest ein Leuchtstoff (5) befindet, und wobei auf die Montageseite (3) im oder nach dem Schritt D) Schutzvorrichtungen (8) gegen Schäden vor elektrostatischen Entladungen und Stecker (9) zum Anschließen des Halbleiterbauteile (1) angebracht werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt E) unmittelbar nach oder in dem Schritt B) erfolgt, wobei Stirnseiten (28) der Optik (2) mit einer konvexen Krümmung versehen werden.
  13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1), das mit einem Verfahren nach einem der vorigen Patentansprüche hergestellt ist, wobei – das Halbleiterbauteil (1) mindestens zwei der Halbleiterchips (3) umfasst, – die Halbleiterchips (3) entlang der Längsachse (A) der Optik (2) angeordnet sind, – eine Länge (L) und eine Breite (B) der Optik (2) gleich einer Länge und einer Breite des Halbleiterbauteils (1) sind, in Draufsicht auf die Montageseite (23) gesehen, – die Länge (L) die Breite (B) um mindestens einen Faktor 8 übersteigt, und – die Optik (2) die einzige mechanisch tragende Komponente des Halbleiterbauteils (1) ist.
DE102014100584.8A 2014-01-20 2014-01-20 Verfahren zum Herstellen von optoelektronischen Halbleiterbauteilen und optoelektronisches Halbleiterbauteil Withdrawn DE102014100584A1 (de)

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US15/100,559 US9691741B2 (en) 2014-01-20 2015-01-13 Method for producing optoelectronic semiconductor components and optoelectronic semiconductor component
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