WO2013083334A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauteils - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauteils Download PDF

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WO2013083334A1
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heat
radiation exit
conducting
insulating material
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PCT/EP2012/071577
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Stefan Stegmeier
Karl Weidner
Stefan Illek
Walter Wegleiter
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/647—Heat extraction or cooling elements the elements conducting electric current to or from the semiconductor body

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor component is specified.
  • a method for producing such a semiconductor device is specified.
  • An object to be solved is to provide an optoelectronic semiconductor device in which a conversion element, which is used to convert a primary radiation into a
  • Semiconductor device a carrier.
  • the carrier has a
  • the carrier is preferably that component of the semiconductor device which contains the
  • the carrier can be a printed circuit board, in particular a so-called Printed Circuit Board, or PCB for short.
  • the carrier may be a ceramic, a
  • Semiconductor body such as silicon, a metal core board or a fiber reinforced silicone act.
  • the carrier is formed by a thermally and electrically conductive material such as a metal, for example made of copper or aluminum, or of a copper alloy or aluminum alloy.
  • the carrier may be printed conductors and / or electrical
  • a thickness of the carrier is preferably between
  • this includes
  • Semiconductor device one or more semiconductor chips.
  • Semiconductor chips are set up to generate electromagnetic primary radiation.
  • the semiconductor chips are light-emitting diode chips.
  • the semiconductor component preferably has at least one semiconductor chip which is in the ultraviolet or blue spectral range in the
  • the semiconductor device may comprise various types of semiconductor chips, in particular blue and red emitting semiconductor chips.
  • the at least one semiconductor chip or all semiconductor chips are at the
  • the semiconductor chips can be any semiconductor chips. Mounting side attached.
  • the semiconductor chips can be any semiconductor chips.
  • Conductor tracks and / or contact surfaces be appropriate.
  • Semiconductor chips only a connecting means such as a solder or an adhesive. Are several semiconductor chips on the
  • Assembled mounting side so they have in a lateral direction, ie in a direction parallel to the mounting side, preferably at a distance from each other.
  • the conversion elements are configured to convert part or all of the primary radiation into secondary radiation
  • each semiconductor chip is exactly one
  • the Conversion element mounted on a radiation exit side of the semiconductor chip.
  • the radiation exit side of the semiconductor chip is in this case facing away from the mounting side.
  • the radiation exit side is the side in which the intended use of the
  • the conversion element is preferably applied directly to the radiation exit side. This may mean that a material of the conversion element is in direct, physical contact with a material of the semiconductor chip. It may also be that between the conversion element and the semiconductor chip only a connecting means for fixing the conversion element is located on the semiconductor chip, such as an adhesive.
  • the raw material on or more preferably has a thermal conductivity which is at least ten times or at least fifty times an average thermal conductivity of the conversion element.
  • the at least one heat conduction structure is located outside the at least one heat conduction structure
  • the heat conduction structure is in places or over the entire area in direct, physical contact with the
  • Optoelectronic semiconductor device on a support with a mounting side.
  • On the mounting side is at least one semiconductor chip for generating an electromagnetic
  • the semiconductor chip has a radiation exit side which faces away from the mounting side. At least one conversion element for at least
  • the semiconductor device includes at least one heat conduction structure for cooling the conversion element.
  • the heat conduction structure is outside the
  • Conversion element and, in a lateral direction parallel to the radiation exit side is at least in places in direct contact with the conversion element.
  • Lamps that have light-emitting diodes as light sources are increasingly being used for spotlights or headlamps with a high brightness.
  • spotlights or headlamps with a high brightness are increasingly being used for spotlights or headlamps with a high brightness.
  • Luminances needed If a plurality of light-emitting diode chips are used, as a rule only a small distance between adjacent light-emitting diode chips is necessary in order to achieve the desired luminance.
  • LED chips and a smaller size can be achieved if the heat loss in the wavelength conversion is effectively led out of the interior of the conversion element, with a light transmission through the conversion element is to be influenced as little as possible in order to achieve a high Lichtauskoppeleffizienz.
  • This can be achieved by using at least one heat-conducting structure, preferably in combination with a heat-conducting element.
  • the conversion element has one or more
  • the heat-conducting elements are for
  • a material of the heat-conducting elements particularly preferably has one
  • Thermal conductivity which is at least a tenfold or at least a fifty times a mean
  • the heat-conducting element and the heat-conducting structure can be a common, continuous
  • the heat-conducting elements can run in one or more cutting planes parallel to the radiation exit side.
  • Heat conducting element or the heat conducting elements are formed by threads, by one or more networks, by one or more plates and / or by elongated filler particles of a thermally conductive material or have such
  • the heat-conducting structures are located on outer surfaces of the conversion element in order to dissipate heat therefrom from the conversion element, and thus preferably also from the at least one heat-conducting element.
  • Thermal conductivity structure has a thermal conductivity of at least 20 W / mK or at least 50 W / mK or at least
  • Thermal conductivity of the material of the cherriesleitelements the average thermal conductivity of the remaining components of the conversion element by at least a factor of 10 or by at least a factor of 100.
  • the average thermal conductivity of the remaining components of the conversion element by at least a factor of 10 or by at least a factor of 100.
  • the heat conducting element formed by a metal such as copper, aluminum or silver or alloys hereby.
  • the material may be formed by a ceramic or by carbonaceous materials such as carbon nanotubes or diamond or have the substances mentioned.
  • Thermal conduction structure may be formed of the same or different materials.
  • the heat-conducting elements have a volume fraction of the total conversion element of at most 10% or at most 5% or at most 2%.
  • the Volume fraction of the heat conduction thus significantly below a percolation threshold for spherical particles.
  • Entóffizienz is realized by the particular net-like or thread-like shape of the heat conducting elements.
  • Embed conversion element Such filler particles are often spherical. For the formation of heat conduction paths, a volume fraction of at least 30% to 35% is necessary. Since the filler particles must have a high thermal conductivity, a choice of material for the filler particles is limited and from the high volume fraction results in a reduced light transmission of the conversion element. By such filler particles is a
  • Translucency can be increased.
  • Conversion element by at most 0.5 or at most 0.2 or at most 0.1.
  • a refractive index of a material of the heat-conducting elements is then adapted to the refractive index of the conversion element.
  • the material of the heat-conducting elements is preferably permeable as well as clear-sighted or scattering for the primary radiation and / or the secondary radiation.
  • the heat conduction structure surrounds the conversion element in the lateral direction all around. In other words, then forms a material of the heat conduction structure a closed ring, seen in plan view of the radiation exit side, around the conversion element, wherein all around direct contact between the conversion element and the
  • the conversion element has a matrix material and conversion particles embedded therein.
  • the matrix material is in particular a silicone or a
  • the conversion particles may have an average diameter of between 2 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the conversion particles are formed, for example, from a garnet, an orthosilicate, a nitridosilicate, a silicon oxynitride and / or a silicon nitride, the substance classes mentioned being preferred
  • Conversion particles on the entire conversion element is preferably between 5% and 80%, in particular between 10% and 25% or between
  • Conversion element have a ceramic matrix or even a ceramic that is sintered from conversion particles.
  • an electrical contacting of the semiconductor chip takes place at least in part via the heat conduction structure.
  • one of the electrical connections of the semiconductor chip is through the
  • Thermal conductivity realized is an electrical contact of the semiconductor chip to the
  • Radiation exit side in electrically conductive connection with the heat conduction structure.
  • the semiconductor chip is electrically insulated from the heat-conducting structure.
  • the semiconductor chip is in thermal contact with the semiconductor chip
  • the at least one semiconductor chip or the semiconductor chips are in the lateral direction of a thermally conductive
  • the insulation material is electrically insulating.
  • a specific thermal conductivity of the insulating material is for example at least 1 W / mK or at least 2 W / mK or at least 5 W / mK or at least 20 W / mK.
  • the specific thermal conductivity of the insulating material is at least a factor of 10 or at least a factor of 50 above that of the matrix material of the conversion element, if such a matrix material is present.
  • the insulating material is a hybrid material made by a sol-gel method. According to at least one embodiment, the
  • Insulation material to a height such that, starting from the mounting side of the carrier, at least until
  • Radiation exit side surmounted.
  • the insulating material preferably ends flush with the radiation exit side.
  • the heat conduction structure is above the insulation material. It is possible in this case that the insulation material, seen in plan view of the mounting side, is completely covered by the heat conduction structure. Furthermore, it is possible that, seen in plan view, the heat conduction structure exclusively on the
  • Insulation material is attached.
  • the heat conduction structure then, as seen in plan view, does not extend to those areas in which no insulation material is attached.
  • the cooling fins preferably point in a direction away from the mounting side.
  • the cooling fins may be located on the same side of the carrier as the semiconductor chips.
  • the roughening is at least at such boundary surfaces and / or
  • An average roughness of the roughening is for example at least 1 ⁇ or at least 5 ⁇ or at least 10 ⁇ . Alternatively or additionally, the average roughness of the roughening is at most 100 ⁇ or
  • Roughening is an adhesion-increasing gearing between the heat conduction structure and the conversion element achievable.
  • the conversion element is in places in direct contact with an electrical contact structure.
  • Contact structure is adapted to electrically contact the semiconductor chip, in particular at the
  • the heat conduction structure may be electrically isolated from the electrical contact structure. It is possible that a cooling of the conversion element takes place via the electrical contact structure.
  • the electrical contact structure is located in places or over the entire surface between the heat-conducting structure and the insulating material or the carrier, in particular as seen along a direction perpendicular to the mounting side. In other words, the heat conduction structure is then applied over the contact structure.
  • Between the contact structure and the leit Jardin may be another insulation material.
  • the heat conduction structure and the conversion element in a direction away from the mounting side, flush within the manufacturing tolerances. In other words, then have the heat conduction structure and the conversion element, based on the mounting side, an equal height.
  • Semiconductor chips which are arranged in a matrix-like manner on the mounting side.
  • the semiconductor chips are surrounded in each case by the heat conduction structure, in plan view of the
  • Assembly side seen.
  • at least a part of the heat conduction structure is then located between adjacent semiconductor chips.
  • a front side of the semiconductor device, which is opposite to the carrier, can, seen in plan view of the mounting side, completely through the
  • Conversion elements and the heat conduction structure to be formed.
  • side walls of the heat-conducting structure are oriented perpendicular to the radiation exit side within the scope of the manufacturing tolerances.
  • the side walls can, in particular with a tolerance of at most 30 ⁇ or of at most 50 ⁇ along a
  • chip edges are boundary surfaces of
  • the method has at least the following steps:
  • FIGS 1 and 2 are schematic representations of
  • FIGS 3 to 7 are schematic representations of
  • FIG. 8 shows a modification of a semiconductor component.
  • FIG. 1 shows a method for producing a
  • Optoelectronic semiconductor device 1 illustrated.
  • a plurality of semiconductor chips 3 are attached to a mounting side 20 of a carrier 2 in a line-like or, preferably, matrix-like manner.
  • the semiconductor chips 3 are light-emitting diode chips which emit blue light, for example.
  • the semiconductor chips 3 each have
  • an insulation material 7 is applied in areas between the semiconductor chips 3.
  • the insulating material 7 is electrically insulating and has a high thermal conductivity. It is possible that the insulating material 7 is in direct physical contact with chip flanks 35, wherein the chip flanks 35
  • the insulating material 7 projects beyond the semiconductor chips 3, in the direction away from the mounting side 20.
  • the upper side 70 of the insulating material 7 facing away from the carrier 2 and the radiation exit sides 30 can be approximately flush.
  • the insulation material 7 can be partially removed after application.
  • Insulation material 7 and in places on the
  • the semiconductor chips 3 are electrically contacted via the electrical contact structure 8 and via the carrier 2, which may be electrically conductive and a metal body.
  • the semiconductor device 1 can thus be free of bond wires.
  • step shown in Figure 1D is on a side facing away from the carrier 2 of the electric
  • a thickness of the further insulating material 7b is for example at most 100 ⁇ or at most 10 ⁇ or at most 0.5 ⁇ .
  • the further insulation material 7b may be a lacquer. Unlike shown in Figure 1D, the other
  • Insulation material 7b completely cover the electrical contact structure 8 and optionally also the radiation exit sides 30.
  • the further insulating material 7b is, for example, a few tens of nanometers thin
  • a material of the heat-conducting structure 5 preferably a metal such as copper or a copper alloy, is applied galvanically. It is also possible that the
  • Insulation material 7b is placed and fastened
  • An adhesive may also be the further insulation material 7b itself.
  • the heat-conducting structure 5 which is preferably a continuous, one-piece structure, has cooling fins 50.
  • the heat-conducting structure 5 preferably has a plurality of cooling fins 50.
  • the heat-conducting structure 5 with a reflective coating for example, with a white paint or with a
  • the heat-conducting structure 5 has a roughening 55 on side surfaces.
  • Roughening 55 is a mechanical stop of a
  • Heat conduction structure 5 can be improved. By roughening 55 a toothing with the conversion element 4 can be achieved, so that can be dispensed with a thermally poorly conductive adhesive between the conversion element 4 and the semiconductor chip 3 or 5 bathleit Modell.
  • the conversion element 4 is for example in the form of prefabricated platelets in areas between the Heat conduction structure 5 pressed. It is also possible that the conversion element, for example by means of doctoring or screen printing or dispensing above the semiconductor chip 3 between
  • Part of the heat conduction structure 5 is introduced.
  • the attachment of the conversion elements 4 to the semiconductor chips 3 and / or to the heat-conducting structure 5 preferably takes place without a connection.
  • the heat conduction structure 5 is, in the context of manufacturing tolerances, on areas with the
  • Insulation material 7 limited, in plan view of the
  • Heat-conducting structure 5 flush.
  • the heat conduction structure 5 is not at a front side of the semiconductor device 1, which is opposite to the carrier 2, of the conversion elements 4th
  • FIG. 1 Another manufacturing method for the semiconductor device 1 is illustrated in FIG. 1A. The method steps according to FIGS. 1A to 1C can be shown in FIG. 1A.
  • the conversion elements 4 are applied in a structured manner before the heat-conducting structure 5 is applied.
  • the conversion elements 4 are applied in a structured manner before the heat-conducting structure 5 is applied.
  • the further insulation material 7b is applied in layers in intermediate spaces between adjacent, island-like conversion elements 4.
  • the material for the heat-conducting structure 5 is then attached all around.
  • the optional method step according to FIG. 2C the
  • Cooling fins 50 made.
  • FIG. 1 Front view of an embodiment of the semiconductor device 1 to see.
  • the front side is essentially formed by the conversion elements 4 and by the heat-conducting structure 5.
  • the optional cooling fins 50 are not shown in FIG.
  • the semiconductor chips 3 are, as in all others
  • Embodiments possible arranged in a matrix and can form island-like areas, seen in plan view around the heat conduction structure 5 and the
  • Insulation material 7 are surrounded.
  • An average distance between adjacent semiconductor chips 3 is preferably between 0.25 times and three times the mean edge length of the semiconductor chips 3.
  • they are arranged around the matrix
  • thermal vias 9 About the thermal vias 9 is a thermally conductive connection of the
  • the thermal vias are 9 metal-filled recesses through the insulating material 7 therethrough
  • the thermal vias 9 are located in particular in regions in which no contact structure 8 between the sauceleit Quilt 5 and the insulating material 7 is present to prevent electrical short circuits.
  • thermal vias 9 may also be mounted around each individual semiconductor chip 3.
  • a further exemplary embodiment of the semiconductor component 1 is shown in a sectional illustration in FIG. 4A and in a plan view in FIG. 4B.
  • the carrier 2 On the carrier 2,
  • the conversion element 4 is located on the radiation exit side 30.
  • the conversion element 4 comprises a plurality of heat-conducting elements 6.
  • the heat-conducting elements 6 are net-shaped, compare Figure 4B. By the heat-conducting elements 6 is a cooling of the
  • a diameter of the network forming threads is for example between 10 nm and 5 ⁇ , in particular between 10 nm and 0.5 ⁇ inclusive.
  • the heat-conducting elements 6 can also be formed by threads, which can emanate in a star shape from the heat-conducting structure 5, cf. FIG. 4C.
  • Such heat-conducting elements 6 are in the conversion element 4, for example during an injection process,
  • the semiconductor device 1 is electrically contacted via a lower side of the carrier 2 via contact points 8b, 8c.
  • a contact pad 8e which is electrically connected via the contact structure 8a, 8d to the contact point 8c at the underside, see also FIG. 4B.
  • Contact structures 8a, 8b be applied over a large area and thus serve to heat the conversion element 4.
  • the contact structure 8d also forms the heat-conducting structure 5 and is in direct contact with the conversion element 4 in the lateral direction.
  • the heat-conducting elements 6 stand
  • the heat-conducting element 6 is formed by a plurality of plates which, viewed in plan view, extend over the whole surface through the conversion element 4.
  • the plates are thin layers of a transparent, thermally conductive material, for example thin diamond layers.
  • a thickness of the layers is intermediate
  • Heat-conducting elements 6 may be present.
  • the heat-conducting elements 6 are formed by aligned elongated fillers
  • nanotubes or nanowires such as out
  • Fillers for the heat-conducting elements 6 can in the manufacture of the conversion element by applying electric fields or obtained by rolling.
  • the conversion elements 6 also run according to FIG. 6 essentially parallel to the radiation exit side 30 and are plane-like
  • Such heat-conducting elements 6, as shown in FIGS. 4 to 6, can also be present in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3. Likewise, an electrical contact according to the figures 4 to 6 at
  • Insulation material 7 shown as a thin layer, the main side 20 and the chip flanks 35 and parts of the
  • Insulating material is, for example, at most 1 ym.
  • the heat conduction structure 5 is located, along a lateral direction, in places next to the chip edges 35.
  • a protective layer 75 attached, such as with a silicon oxide.
  • the protective layer 75 may also be a filter, for example for UV radiation. It is also possible that the protective layer 75 is designed as an antireflection layer.
  • FIG. 8 shows a modification of a semiconductor component.
  • the semiconductor chip 3 is located in a

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauteil (1) einen Träger (2) auf. An einer Montageseite (20) ist ein Halbleiterchip (3) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung angebracht. Mindestens ein Konversionselement (4) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung, die eine größere Wellenlänge aufweist als die Primärstrahlung, ist auf einer Strahlungsaustrittsseite (30) des Halbleiterchips (3) angebracht. Das Halbleiterbauteil (1) beinhaltet eine Wärmeleitstruktur (5) zur Entwärmung des Konversionselements (4). Die Wärmeleitstruktur (5) befindet sich außerhalb des Konversionselements (4) und steht mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4).

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauteil und Verfahren zur
Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauteils angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, bei dem ein Konversionselement, das zu einer Umwandlung einer Primärstrahlung in eine
Sekundärstrahlung eingerichtet ist, effizient entwärmbar ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen Träger. Der Träger weist eine
Montageseite auf. Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um diejenige Komponente des Halbleiterbauteils, die das
Halbleiterbauteil mechanisch stützt und stabilisiert. Bei dem Träger kann es sich um eine Leiterplatte, insbesondere ein so genanntes Printed Circuit Board, kurz PCB, handeln. Ebenso kann es sich bei dem Träger um eine Keramik, einen
Halbleiterkörper wie Silizium, eine Metallkernplatine oder um ein faserverstärktes Silikon handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Träger durch ein thermisch und elektrisch leitfähiges Material wie ein Metall gebildet, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder aus einer Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung. Der Träger kann Leiterbahnen und/oder elektrische
Durchkontaktierungen aufweisen, die von der Montageseite zu einer der Montageseite gegenüberliegenden Rückseite reichen. Eine Dicke des Trägers liegt bevorzugt zwischen
einschließlich 50 μιη und 500 μιη.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen oder mehrere Halbleiterchips. Die
Halbleiterchips sind zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei den Halbleiterchips um Leuchtdiodenchips. Bevorzugt weist das Halbleiterbauteil mindestens einen Halbleiterchip auf, der im ultravioletten oder im blauen Spektralbereich im
Betrieb Primärstrahlung erzeugt. Das Halbleiterbauteil kann verschiedene Arten von Halbleiterchips umfassen, insbesondere blau und rot emittierende Halbleiterchips. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip oder sind alle Halbleiterchips an der
Montageseite angebracht. Die Halbleiterchips können
unmittelbar an der Montageseite, beispielsweise auf
Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen, angebracht sein.
Bevorzugt befindet sich zwischen dem Träger und den
Halbleiterchips lediglich ein Verbindungsmittel wie ein Lot oder ein Kleber. Sind mehrere Halbleiterchips auf der
Montageseite angeordnet, so weisen diese in einer lateralen Richtung, also in einer Richtung parallel zur Montageseite, bevorzugt einen Abstand voneinander auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das
Halbleiterbauteil eines oder mehrere Konversionselemente. Die Konversionselemente sind dazu eingerichtet, einen Teil oder die gesamte Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung
umzuwandeln, wobei die Sekundärstrahlung bevorzugt eine größere Wellenlänge als die Primärstrahlung aufweist. Es ist möglich, dass jedem Halbleiterchip genau ein
Konversionselement zugeordnet ist und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement auf einer Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips angebracht. Die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips ist hierbei der Montageseite abgewandt. Bei der Strahlungsaustrittsseite handelt es sich um diejenige Seite, bei der im bestimmungsgemäßen Gebrauch des
Halbleiterchips anteilig die meiste Primärstrahlung den
Halbleiterchip verlässt. Das Konversionselement ist bevorzugt unmittelbar auf die Strahlungsaustrittsseite aufgebracht. Das kann bedeuten, dass ein Material des Konversionselements in unmittelbarem, physischem Kontakt mit einem Material des Halbleiterchips steht. Es kann auch sein, dass sich zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip lediglich ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Konversionselements an dem Halbleiterchip befindet, etwa ein Kleber.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Halbleiterbauteil eine oder mehrere Wärmeleitstrukturen auf. Die Wärmeleitstrukturen sind zu einer Kühlung und Entwärmung des Konversionselements eingerichtet. Ein Material, aus dem die Wärmeleitstrukturen gebildet sind, weist bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit auf, die mindestens ein Zehnfaches oder mindestens ein Fünfzigfaches einer mittleren thermischen Leitfähigkeit des Konversionselements beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die mindestens eine Wärmeleitstruktur außerhalb des
Konversionselements. In einer lateralen Richtung, parallel zu der Strahlungsaustrittsseite und/oder parallel zu der
Montageseite, steht die Wärmeleitstruktur stellenweise oder ganzflächig in direktem, physischem Kontakt mit dem
Konversionselement .
In mindestens einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Halbleiterbauteil einen Träger mit einer Montageseite auf. An der Montageseite ist mindestens ein Halbleiterchip zur Erzeugung einer elektromagnetischen
Primärstrahlung angebracht. Der Halbleiterchip weist eine Strahlungsaustrittsseite auf, die der Montageseite abgewandt ist. Mindestens ein Konversionselement zur wenigstens
teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine
Sekundärstrahlung, die eine größere Wellenlänge aufweist als die Primärstrahlung, ist auf der Strahlungsaustrittsseite angebracht. Das Halbleiterbauteil beinhaltet mindestens eine Wärmeleitstruktur zur Entwärmung des Konversionselements. Die Wärmeleitstruktur befindet sich außerhalb des
Konversionselements und, in einer lateralen Richtung parallel zur Strahlungsaustrittsseite, steht mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement.
Lampen, die als Lichtquellen Leuchtdioden aufweisen, werden zunehmend auch für Strahler oder Scheinwerfer mit einer großen Helligkeit eingesetzt. Hierbei werden hohe
Leuchtdichten benötigt. Sind mehrere Leuchtdiodenchips eingesetzt, so ist in der Regel ein nur geringer Abstand zwischen benachbarten Leuchtdiodenchips notwendig, um die gewünschten Leuchtdichten zu erzielen.
Für die Erzeugung von weißem Licht wird oft kurzwellige blaue Strahlung einer Leuchtdiode in langwelligere Strahlung konvertiert. Die nach dem Stokes-Prinzip entstehende
Verlustwärme wird typisch in dem Konversionselement
deponiert. Hierdurch steigt eine Temperatur des Konversionselements an. Durch die Temperaturerhöhung wird in der Regel die Effizienz der Konversion der Primärstrahlung in die Sekundärstrahlung verringert, so genanntes Quenching tritt auf. Ebenso wird durch höhere Temperaturen die
Langzeitstabilität des Konversionselements reduziert, da eine Degradation, insbesondere eine Oxidation, eines organischen Materials des Konversionselements durch erhöhte Temperaturen beschleunigt auftritt.
Durch die Verlustwärme in dem Konversionselement kann somit eine Größe einer Leuchtdiodenanordnung und eine Dichte von Leuchtdiodenchips in der Anordnung limitiert sein. Eine höhere Effizienz und/oder eine höhere Dichte von
Leuchtdiodenchips sowie eine geringer Baugröße ist erzielbar, wenn die Verlustwärme bei der Wellenlängenkonversion effektiv aus dem Inneren des Konversionselements herausgeleitet wird, wobei eine Lichttransmission durch das Konversionselement hindurch möglichst wenig beeinflusst werden soll, um eine hohe Lichtauskoppeleffizienz zu erzielen. Dies ist durch die Verwendung mindestens einer Wärmeleitstruktur, bevorzugt in Kombination mit einem Wärmeleitelement, erreichbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist das Konversionselement ein oder mehrere
Wärmeleitelemente auf. Die Wärmeleitelemente sind zur
Entwärmung des Konversionselements vorgesehen. Ein Material der Wärmeleitelemente weist besonders bevorzugt eine
Wärmeleitfähigkeit auf, die mindestens einem Zehnfachen oder mindestens einem Fünfzigfachen einer mittleren
Wärmeleitfähigkeit des Konversionselements entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das
Wärmeleitelement vollständig oder teilweise innerhalb des Konversionselements. Das kann heißen, dass Teile des
Wärmeleitelements, in einer Schnittdarstellung gesehen, ringsum von einem Material des Konversionselements umgeben sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das
Wärmeleitelement stellenweise in direktem Kontakt zu der Wärmeleitstruktur außerhalb des Konversionselements. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitelement die
Wärmeleitstruktur berühren. Das Wärmeleitelement und die Wärmeleitstruktur können eine gemeinsame, durchgehende
Materialverbindung und/oder Materialkomponente aufweisen. Hierdurch ist durch die Konversionselemente die Verlustwärme an den Rand des Konversionselements leitbar und von dort aus durch die Wärmeleitstrukturen weiter ableitbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Wärmeleitelemente eine Haupterstreckungsrichtung auf, die parallel zur Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips orientiert ist. Insbesondere sind die Wärmeleitelemente anisotrop in dem Konversionselement verteilt sowie
ausgerichtet. Beispielsweise sind die Wärmeleitelemente, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, parallel zu der
Strahlungsaustrittsseite orientiert. Die Wärmeleitelemente können in einer oder in mehreren Schnittebenen parallel zu der Strahlungsaustrittsseite verlaufen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Wärmeleitelement oder sind die Wärmeleitelemente durch Fäden, durch ein oder mehrere Netze, durch eine oder mehrere Platten und/oder durch langgestreckte Füllstoffpartikel aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet oder weisen solche
Strukturen auf. Mit anderen Worten weichen Bestandteile der Wärmeleitelemente deutlich von einer sphärischen oder
ellipsoiden Gestalt ab.
Es sind also die Wärmeleitelemente insbesondere innerhalb des Konversionselements angebracht, speziell um eine hohe
Entwärmung aus dem Inneren des Konversionselements heraus zu realisieren. Die Wärmeleitstrukturen dagegen befinden sich an Außenflächen des Konversionselements, um von dort aus Wärme von dem Konversionselement, und somit bevorzugt auch von dem mindestens einen Wärmeleitelement, abzuführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist ein Material der Wärmeleitelemente und/oder der
Wärmeleitstruktur eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK oder von mindestens 50 W/mK oder von mindestens
100 W/mK auf. Alternativ oder zusätzlich übersteigt die
Wärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmeleitelements die mittlere Wärmeleitfähigkeit der restlichen Komponenten des Konversionselements um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 100. Beispielsweise sind die
Wärmeleitstruktur und/oder das Wärmeleitelement durch ein Metall wie Kupfer, Aluminium oder Silber oder Legierungen hiermit gebildet. Ebenso kann das Material durch eine Keramik oder durch kohlenstoffhaltige Materialien wie Kohlenstoff- Nanoröhren oder Diamant gebildet sein oder die genannten Stoffe aufweisen. Das Wärmeleitelement und die
Wärmeleitstruktur können aus demselben oder aus verschiedenen Materialien gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weisen die Wärmeleitelemente einen Volumenanteil an dem gesamten Konversionselement von höchstens 10 % oder von höchstens 5 % oder Von höchstens 2 % auf. Bevorzugt liegt der Volumenanteil des Wärmeleitelements somit deutlich unterhalb einer Perkolationsschwelle für sphärische Partikel. Der niedrige Volumenanteil der Wärmeleitelemente bei hoher
Entwärmeffizienz ist durch die insbesondere netzartige oder fädenartige Form der Wärmeleitelemente realisierbar.
Hierdurch ist eine erhöhte Strahlungsdurchlässigkeit des Konversionselements erzielbar.
Eine alternative Möglichkeit, um eine verbesserte Wärmeabfuhr aus einem Konversionselement heraus zu erreichen, besteht darin, Füllstoffpartikel hochkonzentriert in das
Konversionselement einzubetten. Solche Füllstoffpartikel sind oft sphärisch ausgebildet. Zur Ausbildung von Wärmeleitpfaden ist ein Volumenanteil von mindestens 30 % bis 35 % nötig. Da die Füllstoffpartikel eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen müssen, ist eine Materialauswahl für die Füllstoffpartikel limitiert und aus dem hohen Volumenanteil resultiert eine verminderte Lichtdurchlässigkeit des Konversionselements. Durch solche Füllstoffpartikel ist eine
Lichtauskoppeleffizienz in der Regel deutlich herabgesetzt. Durch die anisotrop ausgerichteten Wärmeleitelemente mit einem erheblich geringen Volumenanteil ist die
Lichtdurchlässigkeit steigerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Wärmeleitelemente einen optischen Brechungsindex auf, der sich von einem mittleren Brechungsindex des
Konversionselements um höchstens 0,5 oder um höchstens 0,2 oder um höchstens 0,1 unterscheidet. Mit anderen Worten ist dann ein Brechungsindex eines Materials der Wärmeleitelemente an den Brechungsindex des Konversionselements angepasst. Das Material der Wärmeleitelemente ist bevorzugt durchlässig sowie klarsichtig oder streuend für die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils umgibt die Wärmeleitstruktur das Konversionselement in lateraler Richtung ringsum. Mit anderen Worten bildet dann ein Material der Wärmeleitstruktur einen geschlossenen Ring, in Draufsicht auf die Strahlungsaustrittsseite gesehen, um das Konversionselement herum, wobei ringsum unmittelbarer Kontakt zwischen dem Konversionselement und der
Wärmeleitstruktur besteht. Entlang einer Richtung senkrecht zur Strahlungsaustrittsseite kann die Wärmeleitstruktur entlang des gesamten Konversionselements mit dieser in unmittelbarem physischem Kontakt stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist das Konversionselement ein Matrixmaterial und darin eingebettete Konversionspartikel auf. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich insbesondere um ein Silikon oder ein
silikonhaltiges Material. Die Konversionspartikel können einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 2 μιη und 20 μιη aufweisen. Die Konversionspartikel sind beispielsweise aus einem Granat, einem Orthosilikat , einem Nitridosilikat , einem Siliziumoxinitrid und/oder einem Siliziumnitrid gebildet, wobei die genannten Stoffklassen bevorzugt
Seltenerden-dotiert sind. Ein Gewichtsanteil der
Konversionspartikel an dem gesamten Konversionselement liegt bevorzugt zwischen einschließlich 5 % und 80 %, insbesondere zwischen einschließlich 10 % und 25 % oder zwischen
einschließlich 60 % und 80 %. Ebenso kann das
Konversionselement eine Keramikmatrix aufweisen oder auch eine Keramik, die aus Konversionspartikeln gesintert ist, sein . Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips mindestens zum Teil über die Wärmeleitstruktur. Insbesondere ist einer der elektrischen Anschlüsse des Halbleiterchips durch die
Wärmeleitstruktur realisiert. Beispielsweise steht ein elektrischer Kontakt des Halbleiterchips an der
Strahlungsaustrittsseite in elektrisch leitfähiger Verbindung mit der Wärmeleitstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip von der Wärmeleitstruktur elektrisch isoliert. Es besteht also keine direkte, elektrisch leitende Verbindung von dem Halbleiterchip hin zu der Wärmeleitstruktur. Bevorzugt steht der Halbleiterchip aber in thermischem Kontakt mit der
Wärmeleitstruktur .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip oder sind die Halbleiterchips in lateraler Richtung ringsum von einem wärmeleitfähigen
Isolationsmaterial umgeben. Das Isolationsmaterial ist elektrisch isolierend. Eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials beträgt beispielsweise mindestens 1 W/mK oder mindestens 2 W/mK oder mindestens 5 W/mK oder mindestens 20 W/mK. Alternativ oder zusätzlich liegt die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 50 über der des Matrixmaterials des Konversionselements, sofern ein solches Matrixmaterial vorhanden ist. Zum Beispiel ist das Isolationsmaterial ein Hybridmaterial, das mit einem Sol- Gel-Verfahren hergestellt ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Isolationsmaterial eine solche Höhe auf, dass es, ausgehend von der Montageseite des Trägers, mindestens bis zur
Strahlungsaustrittsseite reicht oder die
Strahlungsaustrittsseite überragt. Bevorzugt schließt das Isolationsmaterial bündig mit der Strahlungsaustrittsseite ab .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt die
Wärmeleitstruktur, in Richtung weg von der Montageseite, dem Isolationsmaterial nach. Mit anderen Worten befindet sich die Wärmeleitstruktur über dem Isolationsmaterial. Es ist hierbei möglich, dass das Isolationsmaterial, in Draufsicht auf die Montageseite gesehen, vollständig von der Wärmeleitstruktur überdeckt ist. Weiterhin ist es möglich, dass, in Draufsicht gesehen, die Wärmeleitstruktur ausschließlich auf dem
Isolationsmaterial angebracht ist. Die Wärmeleitstruktur reicht dann, in Draufsicht gesehen, nicht in solche Bereiche, in denen kein Isolationsmaterial angebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in der
Wärmeleitstruktur eine oder mehrere Kühlrippen geformt. Die Kühlrippen weisen bevorzugt in eine Richtung weg von der Montageseite. Die Kühlrippen können sich an derselben Seite des Trägers befinden wie die Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Wärmeleitstruktur zumindest eine Aufrauung auf. Die Aufrauung ist mindestens an solchen Begrenzungsflächen und/oder
Bereichen der Wärmeleitstruktur angebracht, in denen die Wärmeleitstruktur in direktem Kontakt mit dem
Konversionselement steht. Eine mittlere Rauheit der Aufrauung beträgt beispielsweise mindestens 1 μιη oder mindestens 5 μιη oder mindestens 10 μιη. Alternativ oder zusätzlich beträgt die mittlere Rauheit der Aufrauung höchstens 100 μιη oder
höchstens 50 μιη oder höchstens 20 μιη. Durch eine solche
Aufrauung ist eine haftsteigernde Verzahnung zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Konversionselement erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils steht das Konversionselement stellenweise in direktem Kontakt zu einer elektrischen Kontaktstruktur. Die elektrische
Kontaktstruktur ist dazu eingerichtet, den Halbleiterchip elektrisch zu kontaktieren, insbesondere an der
Strahlungsaustrittsseite. Die Wärmeleitstruktur kann von der elektrischen Kontaktstruktur elektrisch isoliert sein. Es ist möglich, dass eine Entwärmung des Konversionselements über die elektrische Kontaktstruktur erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die elektrische Kontaktstruktur stellenweise oder ganzflächig zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Isolationsmaterial oder dem Träger, insbesondere gesehen entlang einer Richtung senkrecht zur Montageseite. Mit anderen Worten ist dann die Wärmeleitstruktur über der Kontaktstruktur aufgebracht.
Zwischen der Kontaktstruktur und der Wärmeleitstruktur kann sich ein weiteres Isolationsmaterial befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils schließen die Wärmeleitstruktur und das Konversionselement, in eine Richtung weg von der Montageseite, im Rahmen der Herstellungstoleranzen bündig ab. Mit anderen Worten weisen dann die Wärmeleitstruktur und das Konversionselement, bezogen auf die Montageseite, eine gleiche Höhe auf.
Insbesondere in diesem Fall kann die Wärmeleitstruktur, in Draufsicht gesehen, frei oder unbedeckt von dem
Konversionselement sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
Halbleiterbauteils weist dieses eine Mehrzahl von
Halbleiterchips auf, die matrixartig auf der Montageseite angeordnet sind. Die Halbleiterchips sind ringsum jeweils von der Wärmeleitstruktur umgeben, in Draufsicht auf die
Montageseite gesehen. Mit anderen Worten befindet sich dann zwischen benachbarten Halbleiterchips mindestens ein Teil der Wärmeleitstruktur. Eine Vorderseite des Halbleiterbauteils, die dem Träger gegenüber liegt, kann, in Draufsicht auf die Montageseite gesehen, vollständig durch die
Konversionselemente und die Wärmeleitstruktur gebildet sein. Zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Träger kann sich das Isolationsmaterial befinden, das im Wesentlichen dieselbe Fläche des Trägers bedeckt wie die Wärmeleitstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenwände der Wärmeleitstruktur im Rahmen der Herstellungstoleranzen senkrecht zu der Strahlungsaustrittsseite orientiert. Die Seitenwände können, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 30 μιη oder von höchstens 50 μιη entlang einer
Richtung parallel zu der Strahlungsaustrittsseite, in
Verlängerung von Chipflanken der Halbleiterchips verlaufen. Die Chipflanken sind hierbei Begrenzungsflächen des
Halbleiterchips, die von der Strahlungsaustrittsseite hin zu der Montageseite reichen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils angegeben. Mit dem Verfahren kann ein Halbleiterbauteil hergestellt werden, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform weist das Verfahren mindestens die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen eines Trägers mit einer Montageseite,
- Anbringen mindestens eines Halbleiterchips an der
Montageseite, wobei eine Strahlungsaustrittsseite des
Halbleiterchips der Montageseite abgewandt ist,
- Anbringen eines wärmeleitfähigen Isolationsmaterials ringsum um den Halbleiterchip, wobei das Isolationsmaterial elektrisch isolierend ist,
- Aufbringen einer elektrischen Kontaktstruktur an einer der Montageseite abgewandten Oberseite des Isolationsmaterials und an der Strahlungsaustrittsseite,
- Anbringen einer Wärmeleitstruktur an der Oberseite und/oder an der Strahlungsaustrittsseite,
- Anbringen eines Konversionselements an der
Strahlungsaustrittsseite, und
- Fertigstellen des Halbleiterbauteils.
Die einzelnen Verfahrensschritte können in der angegebenen oder auch in einer hiervon abweichenden Reihenfolge
durchgeführt werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebenes Verfahren 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, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein. Es zeigen:
Figuren 1 und 2 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figuren 3 bis 7 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
Figur 8 eine Abwandlung eines Halbleiterbauteils. In Figur 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 illustriert. Gemäß Figur 1A werden an einer Montageseite 20 eines Trägers 2 mehrere Halbleiterchips 3 linienartig oder, bevorzugt, matrixartig angebracht. Bei den Halbleiterchips 3 handelt es sich um Leuchtdiodenchips, die beispielsweise blaues Licht emittieren. Die Halbleiterchips 3 weisen jeweils
Strahlungsaustrittsseiten 30 auf, die der Montageseite 20 abgewandt sind. Im Verfahrensschritt gemäß Figur 1B wird in Bereiche zwischen den Halbleiterchips 3 ein Isolationsmaterial 7 angebracht. Das Isolationsmaterial 7 ist elektrisch isolierend und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Es ist möglich, dass das Isolationsmaterial 7 in unmittelbarem physischem Kontakt zu Chipflanken 35 steht, wobei die Chipflanken 35
näherungsweise senkrecht zu der Montageseite 20 orientiert sind. Gemäß Figur 1B überragt das Isolationsmaterial 7 die Halbleiterchips 3, in Richtung weg von der Montageseite 20. Optional ist es möglich, vergleiche Figur IC, dass dem Träger 2 abgewandte Oberseiten 70 des Isolationsmaterials 7 und die Strahlungsaustrittsseiten 30 näherungsweise bündig verlaufen. Hierzu kann das Isolationsmaterial 7 nach dem Aufbringen teilweise wieder entfernt werden.
In Figur IC ist zu sehen, dass auf die Oberseite 70 des
Isolationsmaterials 7 sowie stellenweise auf den
Strahlungsaustrittsseiten 30 eine elektrische Kontaktstruktur 8 aufgebracht wird. Eine Kontaktierung der Halbleiterchips 3 über derartige Kontaktstrukturen 8 ist auch in der
Druckschrift US 2009/0127573 AI offenbart, deren
Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bevorzugt sind die Halbleiterchips 3 elektrisch kontaktiert über die elektrische Kontaktstruktur 8 und über den Träger 2, der elektrisch leitfähig und ein Metallkörper sein kann. Das Halbleiterbauteil 1 kann also frei von Bond-Drähten sein.
Gemäß dem in Figur 1D gezeigten Verfahrensschritt wird an einer dem Träger 2 abgewandten Seite der elektrischen
Kontaktstruktur 8 ein weiteres Isolationsmaterial 7b in Form einer dünnen Schicht aufgebracht. Eine Dicke des weiteren Isolationsmaterials 7b beträgt zum Beispiel höchstens 100 μιη oder höchstens 10 μιη oder höchstens 0,5 μιη. Bei dem weiteren Isolationsmaterial 7b kann es sich um einen Lack handeln. Anders als in Figur 1D dargestellt, kann das weitere
Isolationsmaterial 7b die elektrische Kontaktstruktur 8 und optional auch die Strahlungsaustrittsseiten 30 vollständig bedecken. In diesem Fall ist das weitere Isolationsmaterial 7b beispielsweise durch eine einige zehn Nanometer dünne
Siliziumoxid-Schicht oder Siliziumnitrid-Schicht gebildet. Auf das weitere Isolationsmaterial 7b wird nachfolgend eine Wärmeleitstruktur 5 aufgebracht, siehe Figur IE.
Beispielsweise wird ein Material der Wärmeleitstruktur 5, bevorzugt ein Metall wie Kupfer oder eine Kupferlegierung, galvanisch aufgebracht. Ebenso ist es möglich, dass die
Wärmeleitstruktur 5 nach Art eines Leiterrahmens separat vorgefertigt, strukturiert und dann auf das weitere
Isolationsmaterial 7b aufgesetzt und befestigt wird,
beispielsweise aufgeklebt oder aufgelötet. Ein Klebstoff kann auch das weitere Isolationsmaterial 7b selbst sein.
Optional weist die Wärmeleitstruktur 5, die bevorzugt eine durchgehende, einstückige Struktur ist, Kühlrippen 50 auf. In jedem Bereich zwischen benachbarten Halbleiterchips 3 weist die Wärmeleitstruktur 5 bevorzugt mehrere der Kühlrippen 50 auf. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen kann die Wärmeleitstruktur 5 mit einer reflektierenden Beschichtung, beispielsweise mit einem weißen Lack oder mit einem
reflektierenden Material wie Silber, versehen sein, um die Gesamteffizienz des Halbleiterbauteils 1 zu erhöhen.
Weiterhin optional ist es möglich, dass die Wärmeleitstruktur 5 an Seitenflächen eine Aufrauung 55 aufweist. Über die
Aufrauung 55 ist ein mechanischer Halt eines
Konversionselements 4, vergleiche Figur 1F, an der
Wärmeleitstruktur 5 verbesserbar. Durch die Aufrauung 55 ist eine Verzahnung mit dem Konversionselement 4 erreichbar, sodass auf einen thermisch schlecht leitenden Kleber zwischen dem Konversionselement 4 und dem Halbleiterchip 3 oder der Wärmeleitstruktur 5 verzichtet werden kann.
Das Konversionselement 4 wird beispielsweise in Form von vorgefertigten Plättchen in Bereiche zwischen der Wärmeleitstruktur 5 gedrückt. Ebenso ist es möglich, dass das Konversionselement etwa mittels Rakeln oder Siebdruck oder Dispensen oberhalb der Halbleiterchips 3 zwischen
Teilbereichen der Wärmeleitstruktur 5 eingebracht wird.
Bevorzugt erfolgt die Befestigung der Konversionselemente 4 an den Halbleiterchips 3 und/oder an der Wärmeleitstruktur 5 verbindungsmittelfrei .
Gemäß Figur 1F verlaufen die Seitenwände der
Wärmeleitstruktur 5 mit der Aufrauung 55 in Verlängerung der Chipflanken 35. Die Wärmeleitstruktur 5 ist, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, auf Bereiche mit dem
Isolationsmaterial 7 beschränkt, in Draufsicht auf die
Montageseite 20 gesehen. In Richtung weg von dem Träger 2 schließen die Konversionselemente 4 sowie die
Wärmeleitstruktur 5 bündig ab. Die Wärmeleitstruktur 5 ist an einer Vorderseite des Halbleiterbauteils 1, die dem Träger 2 gegenüber liegt, nicht von den Konversionselementen 4
bedeckt .
Ein weiteres Herstellungsverfahren für das Halbleiterbauteil 1 ist in Figur 2 illustriert. Die Verfahrensschritte gemäß der Figuren 1A bis IC können den in Figur 2 gezeigten
Verfahrensschritten vorausgehen.
Beim Verfahren gemäß Figur 2A werden die Konversionselemente 4 strukturiert aufgebracht, bevor die Wärmeleitstruktur 5 angebracht wird. Beispielsweise werden die
Konversionselemente 4 über Siebdruck erstellt. Es ist
möglich, dass die Konversionselemente 4 die zuvor
aufgebrachte elektrische Kontaktstruktur 8 teilweise
überdecken . Im Verfahrensschritt gemäß Figur 2B wird in Zwischenräume zwischen benachbarte, inselartige Konversionselemente 4 das weitere Isolationsmaterial 7b schichtartig aufgebracht.
Oberhalb des weiteren Isolationsmaterials 7b wird dann das Material für die Wärmeleitstruktur 5 ringsum angebracht. Im optionalen Verfahrensschritt gemäß Figur 2C werden die
Kühlrippen 50 gefertigt.
In Figur 3 ist eine schematische Draufsicht auf die
Vorderseite eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauteils 1 zu sehen. Die Vorderseite ist im Wesentlichen durch die Konversionselemente 4 sowie durch die Wärmeleitstruktur 5 gebildet. Die optionalen Kühlrippen 50 sind in Figur 3 nicht dargestellt .
Die Halbleiterchips 3 sind, wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen möglich, matrixartig angeordnet und können inselartige Bereiche bilden, die in Draufsicht gesehen ringsum von der Wärmeleitstruktur 5 sowie dem
Isolationsmaterial 7 umgeben sind. Ein mittlerer Abstand benachbarter Halbleiterchips 3 liegt bevorzugt zwischen einem 0,25-Fachen und einem Dreifachen einer mittleren Kantenlänge der Halbleiterchips 3. Optional befinden sich um die matrixartig angeordneten
Halbleiterchips 1 herum Thermo-Vias 9. Über die Thermo-Vias 9 ist eine thermisch leitende Verbindung von der
Wärmeleitstruktur 5 zu dem Träger 2 realisierbar.
Beispielsweise sind die Thermo-Vias 9 durch Metall gefüllte Ausnehmungen durch das Isolationsmaterial 7 hindurch
gebildet. Die Thermo-Vias 9 befinden sich insbesondere in Regionen, in denen keine Kontaktstruktur 8 zwischen der Wärmeleitstruktur 5 und dem Isolationsmaterial 7 vorhanden ist, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern.
Es ist möglich, dass die Anordnung gemäß Figur 3 zu
Halbleiterbauteilen 1 mit nur einem Halbleiterchip 3
vereinzelt wird. In diesem Fall können die Thermo-Vias 9 auch um jeden einzelnen Halbleiterchip 3 herum angebracht sein.
In Figur 4A ist in einer Schnittdarstellung und in Figur 4B in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Auf dem Träger 2,
beispielsweise einer Keramik, ist der Halbleiterchip 3 aufgebracht. An der Strahlungsaustrittsseite 30 befindet sich das Konversionselement 4. Das Konversionselement 4 umfasst mehrere Wärmeleitelemente 6. Die Wärmeleitelemente 6
erstrecken sich parallel zur Strahlungsaustrittsseite 30 in mehreren Lagen. Die Wärmeleitelemente 6 sind netzartig geformt, vergleiche Figur 4B. Durch die Wärmeleitelemente 6 ist eine Entwärmung aus dem
Inneren des Konversionselements 4 heraus effizient möglich. Beispielsweise sind die Wärmeleitelemente 6 durch
reflektierende Metallfäden gebildet, etwa aus Silber. Ein Durchmesser der das Netz bildenden Fäden liegt beispielsweise zwischen einschließlich 10 nm und 5 μιτι, insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und 0,5 μιη. Anstelle von Netzen können die Wärmeleitelemente 6 auch durch Fäden gebildet sein, die sternförmig von der Wärmeleitstruktur 5 ausgehen können, vergleiche Figur 4C.
Derartige Wärmeleitelemente 6 sind in das Konversionselement 4 beispielsweise während eines Spritzprozesses,
Gießprozesses, Dispensprozesses oder Walzens einbringbar. Das Halbleiterbauteil 1 wird über eine Unterseite des Trägers 2 über Kontaktstellen 8b, 8c elektrisch kontaktiert. An der Strahlungsaustrittsseite 30 befindet sich ein Kontaktpad 8e, das über die Kontaktstruktur 8a, 8d mit der Kontaktstelle 8c an der Unterseite elektrisch verbunden ist, vergleiche auch Figur 4B. Über dem Isolationsmaterial 7 können die
Kontaktstrukturen 8a, 8b großflächig aufgebracht sein und so zu einer Entwärmung des Konversionselements 4 dienen. Die Kontaktstruktur 8d bildet auch die Wärmeleitstruktur 5 und steht in lateraler Richtung in unmittelbarem Kontakt zu dem Konversionselement 4. Die Wärmeleitelemente 6 stehen
ebenfalls stellenweise in direktem Kontakt mit der
Wärmeleitstruktur 5.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 5A und 5B ist das Wärmeleitelement 6 durch mehrere Platten gebildet, die, in Draufsicht gesehen, ganzflächig durch das Konversionselement 4 verlaufen. Beispielsweise handelt es sich bei den Platten um dünne Schichten aus einem transparenten, wärmeleitfähigen Material, beispielsweise um dünne Diamantschichten. Eine Dicke der Schichten liegt beispielsweise zwischen
einschließlich 5 nm und 10 μιτι, insbesondere zwischen
einschließlich 100 nm und 2 μιη. Abweichend von der
Darstellung gemäß Figur 5 kann auch nur eines der
Wärmeleitelemente 6 vorhanden sein.
Gemäß den Figuren 6A und 6B sind die Wärmeleitelemente 6 durch ausgerichtete, längliche Füllstoffe gebildet,
beispielsweise Nanoröhren oder Nanodrähte, etwa aus
Kohlenstoff oder aus einem Metall. Eine Ausrichtung der
Füllstoffe für die Wärmeleitelemente 6 kann beim Herstellen des Konversionselements durch Anlegen elektrischer Felder oder durch ein Walzen erzielt werden. Die Konversionselemente 6 verlaufen auch gemäß Figur 6 im Wesentlichen parallel zu der Strahlungsaustrittsseite 30 und sind ebenenartig
angeordnet .
Derartige Wärmeleitelemente 6, wie in den Figuren 4 bis 6 dargestellt, können auch in den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 1 bis 3 vorhanden sein. Ebenfalls kann eine elektrische Kontaktierung gemäß der Figuren 4 bis 6 bei
Bauteilen gemäß der Figuren 1 bis 3 zum Einsatz kommen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 ist das
Isolationsmaterial 7 als dünne Schicht dargestellt, die die Hauptseite 20 sowie die Chipflanken 35 und Teile der
Strahlungsaustrittsseiten 30 bedeckt, Eine Dicke des
Isolationsmaterials beträgt zum Beispiel höchstens 1 ym. Die Wärmeleitstruktur 5 befindet sich, entlang einer lateralen Richtung, stellenweise neben den Chipflanken 35. Eine
elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips 3 erfolgt an einer Stelle der Strahlungsaustrittsseiten 30 über die
Wärmeleitstruktur 5, wie auch in den Figuren 4 bis 6.
Optional ist, wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen, an einer Vorderseite des
Halbleiterbauteils 1 eine Schutzschicht 75 angebracht, etwa mit einem Siliziumoxid. Bei der Schutzschicht 75 kann es sich auch um einen Filter, beispielsweise für UV-Strahlung, handeln. Ebenso ist es möglich, dass die Schutzschicht 75 als Antireflexschicht ausgeführt ist.
In Figur 8 ist eine Abwandlung eines Halbleiterbauteils gezeigt. Der Halbleiterchip 3 befindet sich in einer im
Querschnitt gesehen trapezförmigen Ausnehmung, die mit dem Konversionselement 4 gefüllt ist. Da das Konversionselement 4 eine vergleichsweise große Ausdehnung aufweist, ist es nur schwer entwärmbar. 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 .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 056 220.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit
- einem Träger (2) mit einer Montageseite (20),
- mindestens einem Halbleiterchip (3) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung, der an der Montageseite (20) angebracht ist und der eine
Strahlungsaustrittsseite (30) aufweist, wobei die
Strahlungsaustrittsseite (30) der Montageseite (20) abgewandt ist,
- mindestens einem Konversionselement (4) zur
wenigstens teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer größeren Wellenlänge, wobei das Konversionselement (4) auf der
Strahlungsaustrittsseite (30) angebracht ist, und
- mindestens einer Wärmeleitstruktur (5) zur Entwärmung des Konversionselements (4),
wobei sich die Wärmeleitstruktur (5) außerhalb des Konversionselements (4) befindet und, in einer
lateralen Richtung parallel zu der
Strahlungsaustrittsseite (30), mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4) steht .
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem
- die Wärmeleitstruktur (5) das Konversionselement (3) in lateraler Richtung ringsum umgibt,
- die Halbleiterchips (3) matrixartig an der
Montageseite (20) angeordnet sind,
- die Wärmeleitstruktur (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung geformt und einstückig ist, - die Halbleiterchips (3) in lateraler Richtung ringsum von einem Isolationsmaterial (7) umgeben sind,
- das Isolationsmaterial (7), ausgehend von der
Montageseite (20), mindestens bis zu den
Strahlungsaustrittsseiten (30) reicht und elektrisch isolierend sowie thermisch leitfähig ist,
- eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des
Isolationsmaterials (7) mindestens 1 W/mK beträgt, und
- das Isolationsmaterial (7) in direktem Kontakt mit Chipflanken (35) steht und das Konversionselement (4) die Strahlungsaustrittsseiten (30) berührt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Konversionselement (4) mindestens ein
Wärmeleitelement (6) zur Entwärmung des
Konversionselements (4) umfasst,
wobei sich das Wärmeleitelement (6) innerhalb des
Konversionselements (4) befindet und stellenweise in direktem Kontakt zu der Wärmeleitstruktur (5) steht, und
wobei eine Haupterstreckungsrichtung des
Wärmeleitelements (6) parallel zu der
Strahlungsaustrittsseite (30) orientiert ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich die mehreren Wärmeleitelemente (6) in mehreren Lagen parallel zur Strahlungsaustrittsseite (30) erstrecken und die Wärmeleitelement (6) aus Fäden, Netzen oder Platten bestehen,
wobei ein Volumenanteil des Wärmeleitelements (6) an dem gesamten Konversionselement (4) höchstens 10 % beträgt, und
wobei eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmeleitelements (6) um mindestens einen Faktor 10 über der mittleren Wärmeleitfähigkeit der restlichen Komponenten des Konversionselements (4) liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) das
Konversionselement (3) in lateraler Richtung ringsum umgibt, und
wobei eine Mehrzahl der Halbleiterchips (3) matrixartig an der Montageseite (20) angeordnet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung geformt und einstückig ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine elektrische Kontaktierung des
Halbleiterchips (3) mindestens zum Teil über die
Wärmeleitstruktur (5) erfolgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der mindestens eine Halbleiterchip (3) in lateraler Richtung ringsum von einem Isolationsmaterial (7) umgeben ist,
wobei das Isolationsmaterial (7), ausgehend von der Montageseite (20), mindestens bis zur
Strahlungsaustrittsseite (30) reicht und elektrisch isolierend sowie thermisch leitfähig ist, und wobei die spezifische Wärmeleitfähigkeit des
Isolationsmaterials (7) mindestens 1 W/mK beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) , in Richtung weg von der Montageseite (20), dem Isolationsmaterial (7) nachfolgt .
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) Kühlrippen (50) umfasst, wobei sich die Kühlrippen (50) und der
Halbleiterchip (3) an derselben Seite des Trägers (2) befinden und die Kühlrippen (50) sich von der
Montageseite (30) weg erstrecken.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) mindestens in
Bereichen, in denen die Wärmeleitstruktur (5) in direktem Kontakt mit dem Konversionselement (4) steht, eine Aufrauung (55) aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Konversionselement (4) in direktem Kontakt zu einer elektrischen Kontaktstruktur (8) steht, wobei die Kontaktstruktur (8) von der Wärmeleitstruktur (5) elektrisch isoliert ist.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) zumindest nach Anspruch 7 und dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich die elektrische Kontaktstruktur (8) stellenweise zwischen der Wärmeleitstruktur (5) und dem Isolationsmaterial (7) befindet.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeleitstruktur (5) und das
Konversionselement (4), in eine Richtung weg von der Montageseite (30), bündig abschließen.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Trägers (2) mit einer
Montageseite (20),
- Anbringen mindestens eines Halbleiterchips (3) an der Montageseite (20), wobei eine Strahlungsaustrittsseite (30) des Halbleiterchips (3) der Montageseite (20) abgewandt ist,
- Anbringen eines wärmeleitfähigen Isolationsmaterials (7) ringsum um den Halbleiterchip (3), wobei das
Isolationsmaterial (7) elektrisch isolierend ist und eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mindestens
1 W/mK aufweist,
- Aufbringen einer elektrischen Kontaktstruktur (8) an einer der Montageseite (20) abgewandten Oberseite (70) des Isolationsmaterials (7) und an der
Strahlungsaustrittsseite (30),
- Anbringen einer Wärmeleitstruktur (5) an der
Oberseite (70) und/oder an der Strahlungsaustrittsseite (30) ,
- Anbringen eines Konversionselements (4) an der
Strahlungsaustrittsseite (30),
wobei die Wärmeleitstruktur (5) , in einer lateralen Richtung parallel zu der Strahlungsaustrittsseite (30), mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4) steht.
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