DE102014108362A1

DE102014108362A1 - Verfahren zur Herstellung mehrerer Konversionselemente, Konversionselement und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102014108362A1
Application number: DE102014108362.8A
Authority: DE
Inventors: Hailing Cui; Norwin Von Malm; Britta Göötz; Robert Schulz; Dominik Schulten
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: US10224467B2; CN106463588B; WO2015189285A1; US20170125648A1; DE102014108362B4; CN106463588A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Konversionselemente (10) angegeben, umfassend ein Bereitstellen eines Trägersubstrats (1), ein Einbringen eines Konvertermaterials (3) in ein Matrixmaterial (2), ein Aufbringen des Matrixmaterials (2) mit dem Konvertermaterial (3) auf einzelne Bereiche (8) des Trägersubstrats (1) in einem nicht zusammenhängenden Muster, ein Aufbringen eines Barrieresubstrats (5) auf das Matrixmaterial (2) und auf das Trägersubstrat (1), und ein Vereinzeln des Trägersubstrats (1) mit dem Matrixmaterial (2) und dem Barrieresubstrat (5) in mehrere Konversionselemente (10) entlang von Vereinzelungslinien (V), wobei die Konversionselemente (10) jeweils zumindest einen der Bereiche (8) des Matrixmaterials (2) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Konversionselemente, ein Konversionselement und ein optoelektronisches Bauelement.
Konversionsbauteile zur Konversion der Wellenlänge von Licht benötigen zur Anwendung in Bildschirmen einen breiten Farbbereich. Neuartige hochauflösende Bildschirmdarstellungen wie 2k oder 4k (Ultra High Definition) erhöhen die Notwendigkeit von Konversionsbauteilen mit breiten Farbbereichen. Mittels der Anwendung von Konversionsbauteilen basierend auf herkömmlichen Konvertermaterialien, wie etwa Phosphor (pc-LED), ist die Anforderung eines breiten Farbbereiches allerdings schwer erzielbar, da herkömmliche Konvertermaterialien, beispielsweise für LEDs, eine breite Bandemission (etwa für die Farbe Grün eine Bandbreite von größer 60 nm und für die Farbe Rot eine Bandbreite von größer 70 nm) und eine begrenzte Breite eines Emissionsmaximums aufweisen. Für eine solche Anwendung erweisen sich Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter als vorteilhaft, da diese die Eigenschaft einer schmalen Bandemission (etwa für die Farbe Grün eine Bandbreite von kleiner 50 nm und für die Farbe Rot eine Bandbreite von kleiner 60 nm) und einer Flexibilität im Emissionsmaximum aufweisen.
Aus Gründen der Stabilität, ist bisher eine direkte Anordnung von Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertern auf LEDs, vorallem eine direkte Anordnung auf Ebene einer LED-Einheit, nicht möglich.
Hersteller gängiger Bildschirme verwenden Konversionsbauteile mit Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertern, welche nicht direkt auf die Lichtquelle, beispielsweise auf die Emissionsfläche einer LED, aufgebracht sind, was auch als remote concept bezeichnet wird. Bekannt sind verschiedene Arten von remote concepts, wie Color IQ in Glaskapillaren für Randbeleuchtungen oder Quantum Dot Enhancement Films (QDEFs) in Plattenform.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung mehrerer Konversionselemente sowie ein Konversionselement für ein optoelektronisches Bauelement anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Konversionselement gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einem Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung mehrerer Konversionselemente wird ein Trägersubstrat bereitgestellt. Das Trägersubstrat weist beispielsweise eine rigide Konsistenz auf, um während des Herstellungsverfahrens vorteilhaft eine mechanisch stabile Unterlage für weitere Komponenten zu gewährleisten. Weiterhin ist es auch möglich, das Trägersubstrat in flüssiger Form bereitzustellen und anschließend auszuhärten. Das Trägersubstrat kann vorteilhaft aus einer einzelnen Schicht oder alternativ dazu aus einer Mehrschichtstruktur bestehen oder eine solche enthalten. Die Mehrschichtstruktur enthält oder besteht beispielsweise aus verschiedenen Polymeren wie Silikone, Epoxid, PET, Parylen oder Polysilazane oder enthält oder besteht aus unterschiedlichen anorganischen Materialien wie SiO_x, SiN_x, Al₂O₃, TiO₂ oder ZrO₂. Die Mehrschichtstruktur kann weiterhin eine Schichtfolge aus organischen und anorganischen Materialien umfassen. Das Trägersubstrat kann vorteilhafterweise auch aus dünnem Glas hergestellt werden und weist vorteilhaft eine Dicke von 50 µm bis 100 µm auf.
In einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens wird ein Konvertermaterial in ein Matrixmaterial eingebracht. Das Konvertermaterial kann je nach Anwendungsbedarf gewählt werden. Das Konvertermaterial wird vorteilhaft in das Matrixmaterial eingebracht, wobei das Matrixmaterial beispielsweise flüssig ist und nach dem Einbringen des Konvertermaterials ausgehärtet wird. Dazu handelt es sich bei dem Matrixmaterial beispielsweise um ein flüssiges Polymermaterial wie etwa Silikon, Acrylat oder Ähnliches. In weiterer Folge kann das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial vorteilhaft zu einer dünnen Platte verarbeitet werden, wobei die Platte vorzugsweise eine Dicke von 20 µm bis 200 µm aufweist. Die Verarbeitung des Matrixmaterials zu einer dünnen Platte erfolgt beispielsweise mittels Vergießen in einer Blende (slit casting), Siebdrucken (screen printing), Schablonendrucken (stencil printing) oder Formpressen (molding). Nachträglich kann vorteilhaft ein Vereinzeln der Platte in mehrere Plättchen mittels Stanzen (punching), Sägen oder Schneiden mit Messern oder Lasern erfolgen.
In einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens wird des Matrixmaterials mit dem Konvertermaterial auf einzelne Bereiche des Trägersubstrats in einem nicht zusammenhängenden Muster aufgebracht. Eine Anordnung des Matrixmaterials in Bereichen in einem nicht zusammenhängenden Muster ergibt eine unterbrochene Anordnung auf dem Trägersubstrat. Die Verteilung der Bereiche mit dem Konvertermaterial auf dem Trägersubstrat kann daher vorteilhaft dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. So kann beispielsweise die Form eines Bereichs der Form einer Abstrahlfläche einer Lichtquelle, beispielsweise einer LED, oder einem Teilgebiet davon entsprechen über welcher das fertiggestellte Konversionselement positioniert oder angebracht werden soll. Auf diese Weise kann ein vorteilhaft transparentes Trägersubstrat mit konvertierenden und nicht-konvertierenden Segmenten darauf ausgebildet werden, wobei die Anordnung der Segmente bei der Herstellung vorteilhaft je nach Bedarf erfolgen kann.
In einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens wird ein Barrieresubstrat auf das Matrixmaterial und auf das Trägersubstrat aufgebracht. Das Barrieresubstrat kann vorteilhaft auf das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial und auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Dabei ist es vorteilhaft möglich das Barrieresubstrat im bereits ausgefertigten Zustand aufzubringen oder es während des Aufbringens auszuformen, beispielsweise weist dazu das Barrieresubstrat eine rigide Konsistenz auf oder wird in nicht fester Form, beispielsweise flüssig, auf das Matrixmaterial und auf das Trägersubstrat aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Ein Barrieresubstrat, welches nicht in fester Phase auf das Matrixmaterial und das Trägersubstrat aufgebracht wird, kann vorteilhaft nach oder während dem Aufbringen in Form und Design verändert und angepasst werden, beispielsweise kann vorteilhaft eine gewünschte Form der Außenfläche und/oder der Randflächen erzielt werden. Nach dem Aufbringen und vorteilhaft Laminieren des Barrieresubstrats kann die Anordnung aus Barrieresubstrat, Matrixmaterial und Trägersubstrat mit dem Barrieresubstrat eine ebene Außenfläche aufweisen, die dem Trägersubstrat abgewandt ist.
Das Barrieresubstrat kann vorteilhaft aus einer einzelnen Schicht oder alternativ dazu aus einer Mehrschichtstruktur bestehen oder eine solche enthalten. Die Mehrschichtstruktur enthält oder besteht beispielsweise aus verschiedenen Polymeren wie Silikone, Epoxid, PET, Parylen oder Polysilazane oder enthält oder besteht aus unterschiedlichen anorganischen Materialien wie SiO_x, SiN_x, Al₂O₃, TiO₂ oder ZrO₂ oder enthält oder besteht aus Schichtfolgen aus organischen und anorganischen Materialien. Das Barrieresubstrat kann vorteilhafterweise aus dünnem Glas hergestellt werden und weist vorteilhaft eine Dicke von 50 µm bis 100 µm auf.
Weiterhin kann das Barrieresubstrat vorteilhaft derart auf das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial und auf das Trägersubstrat aufgebracht werden, dass ein dreidimensional vollständig verkapseltes Matrixmaterial resultiert.
In einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens wird das Trägersubstrat mit dem Matrixmaterial und dem Barrieresubstrat in mehrere Konversionselemente entlang von Vereinzelungslinien vereinzelt, wobei die Konversionselemente jeweils zumindest einen der Bereiche des Matrixmaterials umfassen.
Die Vereinzelungslinien können vorteilhaft je nach Bedarf über das Barrieresubstrat, das Matrixmaterial und das Trägersubstrat verlaufen und sich gegebenenfalls auch kreuzen, beispielsweise in Form eines Gitters. Die Vereinzelung erfolgt mit Vereinzelungsmethoden wie etwa Sägen, Schneiden mit Messern oder Lasern oder Stanzen. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf eine einfache Art eine Vielzahl von Konversionselementen hergestellt werden. Dazu können die jeweiligen Konversionselemente beispielsweise als Plättchen oder in länglicher Streifenform umfassend vorteilhaft einen oder mehrere konvertierende Bereiche (Bereiche des Matrixmaterials) ausgebildet werden.
Die vereinzelten Konversionselemente können direkt auf ein lichtemittierendes Bauelement (etwa auf die Emissionsfläche eines LED-Chips) aufgebracht werden (beispielsweise mittels Kleben) oder mit Distanz (semi-remote) zum lichtemittierenden Bauelement, beispielsweise auf dessen Gehäuse, aufgebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Konvertermaterial einen Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter.
Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Reinheit der konvertierten Farben aus. So ist es beispielsweise möglich, eine hohe Farbreinheit einzelner Pixel eines Bildschirms zu erzielen. So emittiert ein mit einem Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter versehenes Pixel nur die konvertierte Farbe und keine Anteile anderer Farben, mittels welcher ohne die Anwendung eines Quantenpunkt-Wellenlängenkonverters die zu emittierende Farbe als Mischfarbe resultieren würde.
Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter erweisen sich als vorteilhaft, da diese eine schmale Bandemission (etwa für die Farbe Grün eine Bandbreite von kleiner 50 nm und für die Farbe Rot eine Bandbreite von kleiner 60 nm) und eine Flexibilität in der Breite des Emissionsmaximums aufweisen.
Es können Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter aller Art in das Matrixmaterial eingebracht werden.
Weiterhin ist es auch möglich, Matrixmaterialien mit vorteilhaft unterschiedlichen Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertern anzuwenden und in Bereiche des Trägersubstrats in einem nicht zusammenhängenden Muster aufzubringen. So können Konversionselemente mit unterschiedlichen Konvertermaterialien in einem Konversionselement hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Barrieresubstrat als Verguss auf das Matrixmaterial und das Trägersubstrat aufgebracht.
Der Verguss wird vorteilhaft in flüssiger Form aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Dabei ist es vorteilhaft möglich, eine Außenform des Barrieresubstrats bis zum endgültigen Aushärten zu prägen, so können Seitenflächen und/oder Außenflächen wie die Strahlungsaustrittsfläche nach Bedarf modelliert werden. Der Verguss kann beispielsweise Silikone, Epoxid, PET, Parylene oder Polysilazane aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens bestehen das Trägersubstrat und das Barrieresubstrat aus unterschiedlichen Materialien. Das Trägersubstrat und das Barrieresubstrat weisen vorteilhaft unterschiedliche Funktionen im fertigen Konversionselement auf. So dient beispielsweise das Trägersubstrat als das Material, durch welches das zu konvertierende Licht in das Konversionselement eintritt und das Barrieresubstrat beispielsweise als das Material, durch welches das konvertierte Licht aus dem Konversionselement austritt. Weiterhin kann, wegen dem Aufbringen des Matrixmaterials mit dem Konvertermaterial auf das Trägersubstrat zur besseren Stabilität des Konversionselements, beispielsweise das Material des Trägersubstrats eine rigidere Konsistenz aufweisen als das Material des Barrieresubstrats. Es ist auch möglich, dass das Trägersubstrat eine flexible und biegbare Konsistenz aufweist um ein biegbares Konversionselement auszubilden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Barrieresubstrat aus einer Gasphase auf das Matrixmaterial und auf das Trägersubstrat abgeschieden. Ein Aufbringen des Barrieresubstrats aus gasförmiger Form kann vorteilhaft mittels Prozessen wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Abscheidung aus der Gasphase (PVD, CVD) oder Ähnlichen erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Bereiche als Kavitäten in dem Trägersubstrat ausgeformt.
Dazu ist es vorteilhaft möglich, dass das Trägersubstrat selbst als eine Schicht aus beispielsweise flüssigem Polymermaterial auf einem Substrat ausgebildet wird oder eine solche Anordnung umfasst, wobei diese Schicht aus Polymermaterial strukturiert und prozessiert werden kann und anschließend ausgehärtet wird, so dass sich Kavitäten für das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial ergeben. Die Kavitäten können vorteilhaft mit dem Matrixmaterial gefüllt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, nur das Konvertermaterial ohne das Matrixmaterial in die Kavitäten zu füllen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Aufbringen des Matrixmaterials mit dem Konvertermaterial mittels einer Maske ausgeführt, wobei die Maske auf das Trägersubstrat aufgebracht wird.
Die Maske kann dabei vorteilhaft Materialien wie Metalle, Keramiken oder Polymere umfassen oder aus diesen gebildet werden. Weiterhin ist es möglich, die Maske auszubilden, indem eine Schicht auf das Trägersubstrat aufgebracht wird und die für das Matrixmaterial vorgesehenen Bereiche vor oder nach dem Aufbringen des Maskenmaterials in diesem ausgebildet werden. Das Matrixmaterial wird vorteilhaft in die dafür vorgesehenen Bereiche der Maske eingebracht, wobei das Matrixmaterial beispielsweise flüssig ist und nach dem Einbringen ausgehärtet wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Aufbringen des Matrixmaterials die Maske wieder entfernt. Das Entfernen der Maske erfolgt vorteilhaft mittels Ablösen oder Auflösen des Materials der Maske. Nach dem Entfernen der Maske kann vorteilhaft das Barrieresubstrat direkt mit dem Trägersubstrat in Kontakt stehen und dieses beispielsweise zusammen mit dem Matrixmaterial vergießen oder umgeben.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Aufbringen des Matrixmaterials unter Schutzgas oder Vakuum mittels Sprühbeschichtung, Dispensierung, Drucken oder Verspritzen (Jetting).
Durch die Anwendung von Schutzgas kann vorteilhaft eine unerwünschte Beeinträchtigung durch Fremdstoffe, beispielsweise aus atmosphärischem Gase vermieden werden und somit eine höhere Reinheit des aufgebrachten Materials erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vereinzeln unter Schutzgas oder Vakuum.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Trägersubstrat, zumindest einen Bereich mit einem Matrixmaterial, wobei ein Konvertermaterial in das Matrixmaterial eingebettet ist, und ein Barrieresubstrat, wobei das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial zwischen dem Trägersubstrat und dem Barrieresubstrat eingeschlossen ist, wobei das Konversionselement eine Plättchenform oder eine Streifenform aufweist.
Der zumindest eine Bereich des Matrixmaterials ist vorteilhaft mit einer Seite auf dem Trägersubstrat aufgebracht und an den anderen Seiten von dem Barrieresubstrat umgeben, beispielsweise durch das Barrieresubstrat verkapselt oder vergossen, wobei das Trägersubstrat und das Barrieresubstrat vorteilhafterweise zwei einander gegenüberliegende Außenflächen des Konversionselements bilden, welche vorzugsweise planar ausgebildet sind. Das vorteilhaft vollständig mit dem Trägersubstrat und mit dem Barrieresubstrat umgebene Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial entspricht somit einem vollständig drei-dimensional verkapselten Konversionselement, welches als eigenständiges Bauelement auf weitere Bauelemente wie beispielsweise LED-Anordnungen (mit einem Abstand zum lichtemittierenden Chip als „semi-remote“) oder direkt auf Emissionsflächen von lichtemittierenden Chips aufgebracht werden kann.
Das Konvertermaterial umfasst vorteilhaft ein Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertermaterial.
Das Konversionselement weist vorteilhaft eine Plättchenform oder eine Streifenform auf, wobei das Konversionselement auch mehrere Bereiche mit dem Matrixmaterial umfassen kann, welche vorteilhaft nicht zusammenhängen und auf welche das Barrieresubstrat aufgebracht ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest einen Halbleiterchip auf einer Anschlussplatte und zumindest ein Konversionselement, wobei dem zumindest einen Halbleiterchip jeweils zumindest ein Konversionselement zugeordnet ist.
Das zumindest eine Konversionselement ist derart auf dem Halbleiterchip angeordnet, dass in einer Draufsicht auf das optoelektronische Bauelement die vom Halbleiterchip abgestrahlte Strahlung zumindest zu einem Teil als vom Konversionselement konvertierte Strahlung zu sehen ist. Mit anderen Worten bedeckt das Konversionselement den Halbleiterchip zumindest teilweise. Weiterhin ist es auch möglich, dass mehrere gleiche oder unterschiedliche Konversionselemente einen Halbleiterchip abdecken, oder dass ein Konversionselement mehrere Halbleiterchips abdeckt. Mittels dem zumindest einen Konversionselement weist das optoelektronische Bauelement eine Abstrahlung mit einer schmalen Bandemission (etwa für die Farbe Grün eine Bandbreite von kleiner 50 nm und für die Farbe Rot eine Bandbreite von kleiner 60 nm) und einer Flexibilität in der Breite des Emissionsmaximums auf. Vorteilhaft ist gegenüber geläufigen Konversionsplatten, welche als Platte die Abstrahlfläche eines lichtemittierenden Bauelements abdecken, eine flexiblere und genauere Abdeckung von kleinen Bereichen, beispielsweise Teilbereichen der Abstrahlfläche (oder eines Pixels), ermöglicht. Mit anderen Worten kann ein Konversionselement präzise an einer bedarfsweise gewählten Position angeordnet sein, an welcher Licht konvertiert werden soll. Dabei ist das Konversionselement als kleinskaliges Bauteil, beispielsweise einzeln oder in einem Ensemble mit weiteren Konversionselementen, angeordnet.
Weiterhin können durch das gezielte Anbringen Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertermaterialien vorteilhaft genauer an dem zur Konversion vorgesehenen Bereich positioniert werden und so gegenüber einer das gesamte optoelektronische Bauelement abdeckenden Konversionsplatte Wellenlängenkonvertermaterialien gespart werden, da sich diese nur am benötigten Bereich befinden müssen.
Auf diese Weise kann das zumindest eine Konversionselement vorteilhaft auf jede Art von lichtemittierenden optoelektronischen Bauelement aufgebracht sein. Solche optoelektronischen Bauelemente mit Konversionselementen umfassend Quantenpunkt-Wellenlängenkonvertermaterialien sind in ihrer Funktion mit pc-LEDs (phosphor konvertierte LEDS) vergleichbar und bieten zahlreiche Designvariationen für Bildschirme.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Konversionselement eine Streifenform auf und wird von mehreren Halbleiterchips bestrahlt.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das Konversionselement direkt auf eine Emissionsfläche des zugehörigen Halbleiterchips aufgebracht.
Das zumindest eine Konversionselement ist vorteilhaft als eigenständiges Bauelement direkt auf dem zumindest einen Halbleiterchip aufgebracht. Vorteilhaft befindet sich somit kein weiteres Material und auch kein Abstand zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip. Dies ermöglicht eine flache und einfach herzustellende Bauweise. Durch das direkte Aufbringen können weiterhin Kosten für eine Hinterleuchtung (BLU) des Konversionselements eingespart werden.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das Konversionselement zum zugehörigen Halbleiterchip und zu dessen Emissionsfläche beabstandet.
In einer beabstandeten Anordnung des Konversionselements zum Halbleiterchip kann das Konversionselement sowohl innerhalb des optoelektronischen Bauelements als auch außerhalb davon in einer Abstrahlrichtung des Halbleiterchips angeordnet sein und diesen in Draufsicht aus einer Abstrahlrichtung zumindest teilweise überdecken. Dabei wird der Abstand zwischen Halbleiterchip und Konversionselement („semi remote“) vorteilhaft durch das Trägersubstrat erzielt. Weiterhin kann über die gesamte Anordnung aus Halbleiterchip, Trägersubstrat und Konversionselement ein Barrieresubstrat auflaminiert sein. Dies ist beispielsweise bei Chip-on-Board Anordnungen anwendbar. Vorteilhaft kann mit dieser beabstandeten Anordnung eine Konversion in einem Schritt (Ein-Schritt-Konversion) erzielt werden.
Der zumindest eine Halbleiterchip kann auf der Anschlussplatte vorteilhaft mittels Kleben, Löten oder Ähnlichem fixiert sein. Bei mehreren Halbleiterchips kann die Anordnung auf der Anschlussplatte vorteilhaft beliebig erfolgen. Der Halbleiterchip wird entweder durch das Trägersubstrat verkapselt oder das Trägersubstrat ist nur auf den Halbleiterchip selbst aufgebracht. Durch das aufgebrachte Barrieresubstrat wird vorteilhaft die gesamte Anordnung aus Anschlussplatte, Halbleiterchip, Trägersubstrat und Matrixmaterial verkapselt.
Bei mehreren Halbleiterchips kann mittels Vereinzelung eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen, beispielsweise als Chip-on-Board, mit zumindest einem Halbleiterchip und einem Konversionselement in direkter oder beabstandeter Bauweise erzeugt werden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1a, 2, 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung mehrerer Konversionselemente.
Die 1b zeigt eine Seitenansicht eines Konversionselements.
Die 5a, 5b, 5c und 5d zeigen Anordnungen von Konversionselementen auf optoelektronischen Bauelementen.
Die 6 zeigt ein optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In der 1a ist eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung mehrerer Konversionselemente 10 in einer Draufsicht dargestellt. Im ersten Schritt wird ein Trägersubstrat 1 bereitgestellt. Das Trägersubstrat 1 weist beispielsweise eine feste Konsistenz und einen rechteckigen Grundriss auf, um während des Herstellungsverfahrens vorteilhaft als mechanisch stabile Unterlage für weitere Komponenten zu dienen. Weiterhin ist es auch möglich, das Trägersubstrat 1 in flüssiger Form bereitzustellen und anschließend auszuhärten. Das Trägersubstrat 1 kann vorteilhaft aus einer einzelnen Schicht oder alternativ dazu aus einer Mehrschichtstruktur bestehen oder eine solche enthalten. Die Mehrschichtstruktur enthält oder besteht beispielsweise aus verschiedenen Polymeren wie Silikone, Epoxid, PET, Parylen oder Polysilazane oder enthält oder besteht aus unterschiedlichen anorganischen Materialien wie SiO_x, SiN_x, Al₂O₃, TiO₂ oder ZrO₂. Die Mehrschichtstruktur kann weiterhin eine Schichtfolge aus organischen und anorganischen Materialien umfassen. Das Trägersubstrat 1 kann vorteilhafterweise auch aus dünnem Glas hergestellt werden und weist vorteilhaft eine Dicke von 50 µm bis 100 µm auf.
In nächsten Verfahrensschritt werden mehrere nicht-zusammenhängende Bereiche 8 eines Matrixmaterials 2 umfassend ein Quantentopf-Wellenlängenkonvertermaterial 3 auf das Trägersubstrat 1 in einem nicht zusammenhängenden Muster aufgebracht. Die Bereiche 8 weisen insbesondere quadratische Strukturen auf.
Das Konvertermaterial 3 wird vorteilhaft in das Matrixmaterial 2 eingebracht, wobei das Matrixmaterial beispielsweise flüssig ist und nach dem Einbringen des Konvertermaterials ausgehärtet wird. Bei dem Matrixmaterial 2 handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Polymermaterial wie etwa Silikon, Acrylat oder Ähnliches. In weiterer Folge kann das Matrixmaterial mit dem Konvertermaterial vorteilhaft zu einer dünnen Platte verarbeitet werden, wobei die Platte eine Dicke von 20 µm bis 200 µm aufweist. Die Verarbeitung des Matrixmaterials zu einer dünnen Platte erfolgt beispielsweise mittels Vergießen in einer Blende, Siebdrucken, Schablonendrucken oder Formpressen. Nachträglich kann vorteilhaft ein Vereinzeln der Platte in mehrere Plättchen mittels Stanzen, Sägen oder Schneiden mit Messern oder Lasern erfolgen.
Die Verteilung der Bereiche 8 auf dem Trägersubstrat 1 kann daher vorteilhaft dem jeweiligen Bedarf angepasst werden.
Im nächsten Verfahrensschritt wird ein Barrieresubstrat 5 auf das Matrixmaterial 2 und auf das Trägersubstrat 1 aufgebracht. Dabei ist es vorteilhaft möglich das Barrieresubstrat 5 im bereits ausgefertigten Zustand aufzubringen oder es während des Aufbringens auszuformen, beispielsweise weist dazu das Barrieresubstrat 5 eine rigide Konsistenz auf oder wird in nicht fester Form, beispielsweise flüssig, auf das Matrixmaterial 2 und auf das Trägersubstrat 1 aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Ein Barrieresubstrat 5, welches nicht in fester Phase auf das Matrixmaterial 2 und das Trägersubstrat 1 aufgebracht wird, kann vorteilhaft nach oder während dem Aufbringen in Form und Design verändert und angepasst werden, beispielsweise kann vorteilhaft eine gewünschte Form der Außenfläche und/oder der Randflächen erzielt werden. Nach dem Aufbringen wird das Barrieresubstrat 5 laminiert und weist eine ebene Außenfläche auf, die dem Trägersubstrat 1 abgewandt ist.
Das Barrieresubstrat 5 kann vorteilhaft aus einer einzelnen Schicht oder alternativ dazu aus einer Mehrschichtstruktur bestehen oder eine solche enthalten. Die Mehrschichtstruktur enthält oder besteht beispielsweise aus verschiedenen Polymeren wie Silikone, Epoxid, PET, Parylen oder Polysilazane oder enthält oder besteht aus unterschiedlichen anorganischen Materialien wie SiO_x, SiN_x, Al₂O₃, TiO₂ oder ZrO₂ oder enthält oder besteht aus Schichtfolgen aus organischen und anorganischen Materialien. Das Barrieresubstrat 5 kann vorteilhafterweise aus dünnem Glas hergestellt werden und weist vorteilhaft eine Dicke von 50 µm bis 100 µm auf.
Das Barrieresubstrat 5 verkapselt vorteilhaft das Matrixmaterial und das Trägersubstrat 1 vollständig, so dass alle freiliegenden Flächen des Matrixmaterials von dem Barrieresubstrat bedeckt werden.
Im nächsten Verfahrensschritt wird das Trägersubstrat 1 mit dem Matrixmaterial und dem Barrieresubstrat 5 in mehrere Konversionselemente 10 entlang von Vereinzelungslinien V vereinzelt, wobei die Konversionselemente 10 jeweils einen der Bereiche 8 des Matrixmaterials umfassen.
Die Vereinzelungslinien V verlaufen in geraden Linien parallel zu den Seitenflächen des Trägersubstrats 1 und schneiden sich unter rechten Winkeln.
Die Vereinzelung erfolgt mit Vereinzelungsmethoden wie etwa Sägen, Schneiden mit Messern oder Lasern oder Stanzen. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf eine einfache Art eine Vielzahl von Konversionselementen 10 hergestellt werden, die in der 1b in einer Seitenansicht mit dem Trägersubstrat 1 und dem Barrieresubstrat 5 und einem Querschnitt durch das Matrixmaterial 2 gezeigt sind.
Die 2 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung mehrerer Konversionselemente 10 in einer Draufsicht. Zusätzlich zum Verfahrensablauf der 1a wird vor dem Aufbringen des Matrixmaterials 2 eine Maske 15 auf das Trägersubstrat 1 aufgebracht. Die Maske 15 umfasst vorteilhaft rechteckige oder quadratische Aussparungen 16, in welche das Matrixmaterial 2 eingebracht wird. Nach dem Einbringen des Matrixmaterials 2 wird gemäß der 1a das Barrieresubstrat 5 auf das Matrixmaterial 2 und die Maske 15 aufgebracht. Alternativ ist es möglich die Maske 15 vom Trägersubstrat 1 abzulösen, nachdem das Matrixmaterial 2 aufgebracht ist.
Die 3 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung mehrerer Konversionselemente 10 in einer Draufsicht, wobei das Trägersubstrat 1 quadratische Kavitäten K umfasst, in welche das Matrixmaterial 2 eingebracht, insbesondere als flüssiges Material eingefüllt wird. Die Form und Anordnung der Kavitäten sind beliebig. Die 3 zeigt auch eine Seitenansicht des Trägersubstrats 1 mit den Kavitäten K entlang einer Schnittlinie S.
Die 4 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung mehrerer Konversionselemente in einer Draufsicht, wobei die Konversionselemente zusätzlich auf Halbleiterchips 21 angeordnet sind.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Vielzahl von Halbleiterchips 21 auf einer Anschlussplatte 11 bereitgestellt. Die Halbleiterchips können dabei in einem beliebigen Raster auf der Anschlussplatte angeordnet sein.
Nachfolgend wird über die Halbleiterchips 21 in weiteren Verfahrensschritten gemäß dem Verfahren aus der 1a ein Trägersubstrat 1, ein Matrixmaterial 2 und ein Barrieresubstrat 5 bereitgestellt und aufgebracht. Das Matrixmaterial 2 ist dabei beabstandet zur Emissionsfläche 22 des Halbleiterchips 21. Der Abstand wird durch die Dicke des Trägersubstrats 1 gewählt. Das Barrieresubstrat 5 wird dabei so aufgebracht, dass es die gesamte Anordnung aus Matrixmaterial 2, Trägersubstrat 1, Halbleiterchip 21 und Anschlussplatte 11 verkapselt.
Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt ein Vereinzeln entlang von Vereinzelungslinien V, so dass eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen 20 mit je einem Halbleiterchip 21 auf einer Anschlussplatte 11 entsteht. In der letzten Bildfolge zeigt die 4 eine Seitenansicht des optoelektronischen Bauelements 20, wobei die Beabstandung des Matrixmaterials 2 von dem Halbleiterchip 21 und die Verkapselung des Matrixmaterials 2, des Trägersubstrats 1 und des Halbleiterchips 21 auf der Anschlussplatte 11 zu sehen ist.
Die 5a zeigt eine direkte Anordnung eines Konversionselements 10 in einem optoelektronischen Bauelement 20, beispielsweise direkt auf einer Emissionsfläche 22 eines Halbleiterchips 21, wobei das Konversionselement 10 und der Halbleiterchip 21 innerhalb einer Kavität eines Gehäuses 9, beispielsweise als QFN-Package, vergossen sind.
Die 5b zeigt das optoelektronische Bauelement 20 gemäß der 5a, wobei das Konversionselement 10 nicht direkt auf dem Halbleiterchip 21 sondern auf dem Gehäuse 9 angeordnet ist. In den Verguss 12 des Halbleiterchips 21 kann dabei ein weiteres Konvertermaterial eingebracht sein.
Die 5c zeigt ein optoelektronisches Bauelement 20, wobei das Konversionselement 10 direkt auf einer Emissionsfläche 22 eines Halbleiterchips 21 angebracht ist und ein Verguss 12 das Konversionselement 10 und den Halbleiterchip 21 auf einer Anschlussplatte 11 in Linsenform verkapselt.
Die 5d zeigt ein optoelektronisches Bauelement 20 gemäß der 5c, wobei ein Verguss 12 nicht in Linsenform ausgebildet ist, eine Abstrahlfläche des Konversionselements 10 nicht überdeckt und selbst ein Konvertermaterial umfasst. Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise als chip-scale Package (CSP) ausgebildet sein.
Die 6 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 20 mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips 21 auf einer Anschlussplatte 11, wobei die Halbleiterchips 21 mit einem streifenförmigen Konversionselement 10 überdeckt sind.
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

Verfahren zur Herstellung mehrerer Konversionselemente (10) mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Trägersubstrats (1), – Einbringen eines Konvertermaterials (3) in ein Matrixmaterial (2), – Aufbringen des Matrixmaterials (2) mit dem Konvertermaterial (3) auf einzelne Bereiche (8) des Trägersubstrats (1) in einem nicht zusammenhängenden Muster, – Aufbringen eines Barrieresubstrats (5) auf das Matrixmaterial (2) und auf das Trägersubstrat (1), – Vereinzeln des Trägersubstrats (1) mit dem Matrixmaterial (2) und dem Barrieresubstrat (5) in mehrere Konversionselemente (10) entlang von Vereinzelungslinien (V), wobei die Konversionselemente (10) jeweils zumindest einen der Bereiche (8) des Matrixmaterials (2) umfassen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Konvertermaterial (3) einen Quantenpunkt-Wellenlängenkonverter umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Barrieresubstrat (5) als Verguss auf das Matrixmaterial (2) und das Trägersubstrat (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat (1) und das Barrieresubstrat (5) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Barrieresubstrat (5) aus einer Gasphase auf das Matrixmaterial (2) und auf das Trägersubstrat (1) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bereiche (8) als Kavitäten in dem Trägersubstrat (1) ausgeformt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufbringen des Matrixmaterials (2) mit dem Konvertermaterial (3) mittels einer Maske (15) ausgeführt wird, wobei die Maske (15) auf das Trägersubstrat (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem nach dem Aufbringen des Matrixmaterials (2) die Maske (15) wieder entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufbringen des Matrixmaterials (2) unter Schutzgas oder Vakuum mittels Sprühbeschichtung, Dispensierung, Drucken oder Verspritzen (Jetting) erfolgt.
Konversionselement (10) umfassend – ein Trägersubstrat (1), – zumindest einen Bereich (8) mit einem Matrixmaterial (2), wobei ein Konvertermaterial (3) in das Matrixmaterial (2) eingebettet ist, – ein Barrieresubstrat (5), wobei das Matrixmaterial (2) mit dem Konvertermaterial (3) zwischen dem Trägersubstrat (1) und dem Barrieresubstrat (5) eingeschlossen ist, wobei das Konversionselement (10) eine Plättchenform oder eine Streifenform aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (20) umfassend zumindest einen Halbleiterchip (21) auf einer Anschlussplatte (11) und zumindest ein Konversionselement (10) nach Anspruch 10, wobei dem zumindest einen Halbleiterchip (21) jeweils zumindest ein Konversionselement (10) zugeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (20) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Konversionselement (10) eine Streifenform aufweist und von mehreren Halbleiterchips (21) bestrahlt wird.
Optoelektronisches Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Konversionselement (10) direkt auf eine Emissionsfläche (22) des zugehörigen Halbleiterchips (21) aufgebracht ist.
Optoelektronisches Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem das Konversionselement (10) zum Halbleiterchip (21) und zu dessen Emissionsfläche (22) beabstandet ist.