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Es
wird ein optoelektronisches Bauteil mit einem Halbleiterchip und
einem Vergusskörper angegeben.
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Optoelektronische
Bauteile wie beispielsweise Leucht- oder Photodioden haben eine
breite technische Verwendung und Einzug in den Alltag gefunden.
Einige Gesichtspunkte, die der Verbreitung solcher Bauteile Vorschub
leisteten, sind deren hohe Effizienz, Widerstandsfähigkeit
gegen äußere Umwelteinflüsse wie etwa
mechanische Belastungen oder Feuchtigkeit und Wärme, hohe
Lebensdauer, kompakte Bauweise und vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten,
und dies bei vergleichsweise geringen Fertigungskosten. Oft entscheidend
für diese Eigenschaften ist die Hausung beziehungsweise
das Gehäuse des optoelektronischen Bauteils. Auf insbesondere
die Hausung wird daher in der Regel großer Wert gelegt.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches
Bauteil anzugeben, das besonders alterungsstabil ist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst
dieses mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer
Dicke von höchstens 200 μm. In einer bevorzugten
Ausführungsform beträgt die Dicke des Halbleiterchips
höchstens 150 μm. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform höchstens 100 μm, insbesondere
weniger als 50 μm. Insbesondere kann der Halbleiterchip
beispielsweise wie in der Druckschrift
WO 2005/081319A1 beschrieben
ausgeformt sein, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich des dort beschriebenen
Halbleiterchips sowie des dort beschriebenen Herstellungsverfahrens
hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird. Die Kontaktflächen
des Halbleiterchips zu dessen elektrischen Kontaktierung können
sich beispielsweise auf einer Seite des Halbleiterchips befinden,
so dass der Halbleiterchip als Flip-Chip ausgestaltet ist, oder
auch auf zwei gegenüberliegenden Seiten angebracht sein.
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Der
Halbleiterchip umfasst eine aktive Schicht, die zur Strahlungserzeugung
oder Strahlungsdetektion vorgesehen ist. Die aktive Schicht des Halbleiterchips
kann beispielsweise auf GaN- oder GaAs-Basis beruhen. Ebenso sind
auf GaP basierende aktive Schichtenfolgen möglich. Der
Halbleiterchip kann etwa als Leuchtdiode, Laserdiode oder Photodiode
ausgestaltet sein.
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Bevorzugt
ist der Halbleiterchip mechanisch selbsttragend ausgestaltet. Das
heißt, er kann zum Beispiel mit einer Pinzette oder einem
anderen geeigneten Werkzeug gehandhabt, insbesondere auf einem Anschlussträger
platziert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils enthält
dieses einen Anschlussträger mit mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen
zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips. Bevorzugt beinhaltet
der Anschlussträger ebenfalls elektrische Leitungen, die
etwa zur Stromversorgung des Halbleiterchips dienen. Der Grundkörper
des Anschlussträgers kann beispielsweise aus einer Keramik,
einem Glas oder einem Metall geformt sein. Auf Kunststoff basierende
Anschlussträger sind ebenso möglich. Bevorzugt
weist der Anschlussträger eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf, um im Betrieb des Halbleiterchips entstehende Abwärme
gut nach außen abführen zu können. Die
Anschlussseite des Anschlussträgers, auf der der Halbleiterchip
angebracht werden kann, kann eben ausgestaltet sein oder Strukturierungen
aufweisen, wie beispielsweise als eine Art Reflektor wirkende Mulden,
die zur Aufnahme der Halbleiterchips vorgesehen sind.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst
dieses einen Vergusskörper. Der Vergusskörper
umgibt den Halbleiterchip zumindest stellenweise. Der Vergusskörper
ist bevorzugt aus einem Material gestaltet, das im für
den Betrieb des Halbleiterchips relevanten elektromagnetischen Spektralbereich
zumindest teilweise durchlässig ist. Der Vergusskörper
kann beispielsweise aus einem Silikon oder Epoxidharz oder einem
Silikon-Epoxid-Hybrid-Material gestaltet sein. Vorzugsweise ist
der Vergusskörper alterungsstabil gegenüber der
vom Halbleiterchip zu emittierenden oder zu empfangenden elektromagnetischen
Strahlung, und ebenso alterungsstabil gegenüber der im Betrieb
des Halbleiterchips auftretenden thermischen Belastungen. Der Vergusskörper
kann zum Beispiel linsenartig geformt sein. „Linsenartig"
bedeutet hierbei, dass der Vergusskörper nicht die exakte
geometrische Form beziehungsweise Oberfläche einer Linse
aufweisen muss, sondern beispielsweise über eine konvexe,
vom Anschlussträger weg gerichtete Krümmung verfügt. „Linsenartig"
schließt auch beispielsweise Fresnel-artige Strukturierung
der Außenfläche des Vergusskörpers mit
ein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Halbleiterchip direkt auf den Anschlussträger aufgebracht.
Das bedeutet, dass sich bis auf ein Verbindungsmittel, wie beispielsweise
einem elektrisch leitfähigen Kleber oder einem Lot, keine
weiteren Komponenten beziehungsweise Materialien zwischen Halbleiterchip
und elektrischen Anschlussstellen des Anschlussträgers befinden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet
sich der Vergusskörper in direktem Kontakt zum Anschlussträger.
Das bedeutet, dass zwischen der Anschlussseite des Anschlussträgers
und dem Vergusskörper an zumindest einer Stelle kein weiteres
Material wie beispielsweise eine Folie oder eine Klebeschicht angebracht
ist. Bevorzugt steht der Vergusskörper ebenfalls in direktem
Kontakt zum Halbleiterchip. Bevorzugt steht der Vergusskörper
nur in direktem Kontakt zu Anschlussträger und Halbleiterchip.
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In
mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen
Bauteils beinhaltet dieses mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip
mit einer Dicke von höchstens 200 μm sowie einen
Anschlussträger mit mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen
zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips. Der Halbleiterchip
ist direkt auf den Anschlussträger aufgebracht und stellenweise
von einem Vergusskörper umgeben. Der Vergusskörper steht
ebenfalls in direktem Kontakt zum Anschlussträger.
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Ein
solches optoelektronisches Bauteil ist leicht zu fertigen, kostengünstig
herzustellen, besitzt gute optische Eigenschaften und ist alterungsstabil.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Halbleiterchip als Flip-Chip ausgestaltet. Das heißt,
die Kontaktflächen des Halbleiterchips zur elektrischen
Kontaktierung befinden sich auf einer Hauptseite des Halbleiterchips.
Bevorzugt befinden sich die beiden elektrischen Kontakte des Chips
auf der dem Anschlussträger zugewandten Seite des Halbleiterchips.
Wird ein Flip-Chip verwendet, so vereinfacht sich die elektrische
Kontaktierung des Chips.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Vergusskörper mit einem Material gestaltet, das eine
geringere Härte als Shore A 90 aufweist. Bevorzugt beträgt
die Härte des den Vergusskörper bildenden Materials weniger
als Shore A 80. Bei der Skala gemäß Shore A entspricht
Shore A 0 der geringsten Härte und Shore A 100 der höchsten
Härte.
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Dem
hier beschriebenen Bauteil liegt dabei unter anderem die folgende
Erkenntnis zugrunde. Vergusskörper aus zum Beispiel Silikon
weisen typische Wärmeausdehnungen im Bereich von etwa 150 ppm
pro Kelvin bis 300 ppm pro Kelvin auf. Die Wärmeausdehnung
des Halbleiterchips liegt in der Größenordnung
von 5 ppm pro Kelvin und ist damit erheblich geringer. Die Wärmeausdehnung
beispielsweise eines keramischen Anschlussträgers ist mit
15 bis 20 ppm pro Kelvin vergleichbar mit der eines Halbleiterchips,
weicht jedoch auch deutlich von der eines Silikons ab. Der Temperaturunterschied
zwischen abgeschaltetem Zustand und Betrieb des optoelektronischen
Bauteils kann 100 Kelvin deutlich übersteigen. Dementsprechend
können signifikante thermische Spannungen zwischen Halbleiterchip
und Vergusskörper auftreten.
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Bei
der Verwendung härterer Silikone bilden sich daher relativ
leicht Risse im Vergusskörper aus, die von den Kanten des
Halbleiterchips ausgehen. Diese Risse führen zu einer Verschlechterung
der Lichtaus- beziehungsweise Lichteinkoppelung in beziehungsweise
aus dem Halbleiterchip und können zudem die mechanische
Verbindung des Vergusskörpers zum Halbleiterchip beziehungsweise
zum Anschlussträger deutlich verschlechtern, so dass die Gefahr
besteht, dass sich der Vergusskörper von Halbleiterchip
beziehungsweise Anschlussträger ablöst und das
optoelektronische Bauteil hierdurch zerstört wird. Der
Rissbildung kann entgegengewirkt werden, wenn, wie beschrieben,
weichere Materialien für den Vergusskörper verwendet
werden, die die Belastungen aufgrund der thermischen Spannungen aufnehmen
beziehungsweise ausgleichen können.
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Werden
für den Vergusskörper Hybridmaterialien, wie zum
Beispiel Silikon-Epoxid-Hybridmaterialien, verwendet, so können
diese auch eine größere Härte als Shore
A 80 aufweisen, etwa zwischen Shore A80 und Shore D 70, da deren
thermischer Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu Silikonen geringer
ist.
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Außerdem
verringern sich die thermischen Spannungen erheblich, wenn die Dicke
der Halbleiterchips gering ist, wie beschrieben, zum Beispiel weniger
als 200 μm beträgt. Über weiche Vergusskörpermaterialien
und/oder dünne Halbleiterchips kann somit die Alterungsstabilität
eines optoelektronischen Bauteils signifikant verbessert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils beinhaltet
der Vergusskörper mindestens eine Beimengung in Form eines
Reflexionsmittels, Filtermittels, Diffusionsmittels oder Konversionsmittels.
Ein Reflexionsmittel kann beispielsweise in Form von reflektierenden
Metallpartikeln dem Vergusskörper beigegeben sein. Filtermittel
können etwa aus Pigmenten oder Farbstoffen bestehen. Als
Diffusionsmittel eignen sich beispielsweise lichtstreuende Partikel
aus etwa Titandioxid oder Aluminiumoxid. Als Konversionsmittel können zum
Beispiel organische oder anorganische Lumineszenzleuchtstoffe eingesetzt
werden, die mindestens einen Teil der vom Halbleiterchip zu emittierenden
oder zu empfangenden Strahlung in eine Strahlung einer anderen Frequenz
umwandeln. Auch optisch wirksame oder photonische Kristalle können
als Konversionsmittel eingesetzt werden, beispielsweise zu Zwecken
der Frequenzverdoppelung oder Frequenzverdreifachung. Durch eine
Beimengung im Vergusskörper erhöhen sich die Ausgestaltungsmöglichkeiten
des optoelektronischen Bauteils erheblich und es kann in vielfältigen
Anwendungen eingesetzt werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
die Beimengung inhomogen im Vergusskörper verteilt. Ist
die Beimengung ein Konversionsmittel, so kann dessen Konzentration über
dem Zentralbereich der dem Anschlussträger abgewandten
Seite des Halbleiterchips, die beispielsweise eine Strahlungsdurchtrittsfläche
bildet, höher sein als an den Randbereichen. Hierdurch können über
die gesamte strahlungsemittierende Fläche eines Halbleiterchips
gleichmäßige Farbverteilungen erzielt werden.
Enthält der Vergusskörper ein Reflexionsmittel,
so kann das Reflexionsmittel beispielsweise in den Bereichen des
Vergusskörpers konzentriert sein, die sich nahe der Anschlussseite befinden.
Dadurch ist es möglich, dass sich eine gerichtetere Abstrahlcharakteristik
ergibt, falls der Halbleiterchip als Licht emittierendes Element
ausgestaltet ist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Vergusskörper mittels Compression Molding (Formpressen),
Liquid Transfer Molding (Flüssigspritzpressen), Liquid Injection
Molding (Flüssigspritzgießen) oder Casting (Gießen)
erzeugt, wobei der Anschlussträger einen Teil der Gießform
bildet. Compression Molding stellt eine effektive Methode dar, um
Vergusskörper für Halbleiterchips zu erstellen.
Hierbei wird das Material für den Vergusskörper
in die Form eingebracht und der Anschlussträger in das
in der Form befindliche Material gedrückt. In einer Abwandlung
des Compression Molding kann auch festes, granulatförmiges Material,
zum Beispiel Hybridmaterialien, verwendet werden. Hierbei kann das
Material auch auf den Anschlussträger und den Halbleiterchip
vor dem Schließen der Form aufgebracht werden. Die Abdichtung zwischen
Anschlussträger und Gießform kann beispielsweise über
eine Abdichtfolie erfolgen, die nach dem Compression Molding Prozess
entfernt wird. Werden feste, zum Beispiel in Tablettenform gepresste
Materialien, etwa Hybridmaterialien, verwendet, kann das Herstellen
des Vergusskörpers auch mittels Transfer Molding erfolgen.
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Zum
Beispiel ist Liquid Injection Molding von Halbleiterbauteilen in
der Druckschrift
WO 2005/017995
A1 beschrieben, Casting von Halbleiterbauteilen in der
Druckschrift
EP 1 589
569 A2 und Liquid Transfer Molding von integrierten Halbleiterschaltkreisen
in der Druckschrift
US
2002/0153637 A1 .
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Anschlussträger mit einer Keramik gestaltet. Der Anschlussträger kann
gänzlich aus einer Keramik gestaltet sein oder einen keramischen
Bestandteil beinhalten. Die Keramik kann etwa aus Aluminium-Nitrid
oder Aluminium-Oxid bestehen. Bevorzugt weist die verwendete Keramik
eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Die Keramik kann
als Dünnfilmkeramik ausgestaltet sein mit Dicken weniger
als 500 μm, bevorzugt weniger als 400 μm, oder
als Multilagenkeramik ausgeführt sein, bei der beispielsweise
verschiedene Schichten an Keramik mit verschiedenen Schichten aus
leitendem Material, wie beispielsweise einem Metall, abwechseln.
Eine Multilagenkeramik weist eine beziehungsweise mehrere Schichtenfolgen
auf, bei dem eine Keramik und eine Wolframpaste beispielsweise von
8 μm Nickel und 1 μm Gold gefolgt werden.
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Im
Falle der Verwendung einer Dünnfilmkeramik kann diese mit
Kupfer beschichtet sein. Um eine hohe Wärmeleitfähigkeit
zu erzielen und damit die thermischen Belastungen zu reduzieren,
kann das Kupfer in einer dicken Schicht aufgebracht sein. Beispielsweise
kann die Dünnfilmkeramik, von der Oberfläche der
Keramik aus gesehen in Richtung Anschlussseite beziehungsweise Halbleiterchip,
folgende Schichtenfolge aufweisen: etwa 0,05 μm bis 0,3 μm
Titan, zirka 50 μm bis 100 μm, zum Beispiel 75 μm Kupfer,
zirka 1,5 bis 4 μm Nickel, und etwa 0,3 bis 1,1 μm
Gold.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst
der Vergusskörper mehrere Schichten. Das heißt,
beispielsweise in verschiedenen Compression Molding Schritten kann
ein Vergusskörper erstellt werden, der verschiedene Schichten,
beispielsweise aus verschiedenen Materialien zwiebelartig umfasst.
In einer innersten ersten Schicht, die den Halbleiterchip direkt umgibt,
kann etwa ein weiches Silikon mit einer Härte geringer
als Shore A 90, insbesondere weicher als Shore A 80, verwendet werden.
In einer nachfolgenden Schicht kann etwa in einer gleichmäßigen
Dicke ein Konversionsmittel aufgebracht sein. Als äußerste Schicht
etwa kann ein härteres Silikon mit einer Shore-Härte
zwischen zum Beispiel Shore A 80 und Shore D 60 Verwendung finden,
um das optoelektronische Bauteil gegen mechanische Beschädigung besser
zu schützen. Bevorzugt ist die äußerste Schicht
härter als Shore A 80, insbesondere härter als
Shore D 60.
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Je
nach Erfordernissen können auch Zwischenschichten eingebracht
werden, die beispielsweise eine weitere Beimengung, wie etwa ein
Filtermittel, in einer gleichmäßigen Schichtdicke
umfassen, beziehungsweise die besondere mechanische oder chemische
Eigenschaften verleiht. Die Anzahl an aufgebrachten Schichten und
eventuellen Zwischenschichten sowie die Eigenschaften der Schichten
richten sich nach den jeweiligen Erfordernissen und können
flexibel gehandhabt werden. Über mehrere Schichten kann
der Anwendungsbereich eines optoelektronischen Bauteils daher deutlich
erweitert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Anschlussträger mit einer bedruckten Leiterplatte,
kurz PCB, einem Quad Flat Pack, kurz QFP oder QFN, einer flexiblen
Leiterplatte oder einem Chipkartenmaterial ausgestaltet. Die aufgeführten
Anschlussträger sind in der herkömmlichen Elektronik
weit verbreitet und bestehen häufig aus Materialien, die
eine mit dem Vergusskörper vergleichbare thermische Ausdehnung
aufweisen. Die Verwendung dieser Ausgestaltungsformen für
den Anschlussträger für ein optoelektronisches
Bauteil bietet eine einfache Möglichkeit, elektromagnetische
Strahlung emittierende oder empfangende Bauteile mit weiteren, nicht
optoelektronischen elektronischen Komponenten zu verbinden und somit
vielfältige Schaltungsmöglichkeiten zu erzielen,
und kann zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Bauteils
führen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils weist
der Anschlussträger elektrische Vias beziehungsweise Durchkontaktierungen
auf, die abgedeckt sind. Die Abdeckung der Vias kann beispielsweise
durch den Halbleiterchip selbst oder durch den Vergusskörper
erfolgen. Ebenso können die Vias durch elektrisch leitende, beispielsweise
metallisch ausgeformte Schichten oder auch durch aufgebrachte Isolatorschichten
abgedeckt sein. Ebenso möglich ist es, dass im Falle, dass
der Anschlussträger aus einer Multilagenkeramik gestaltet
ist, die Vias sich im Inneren des Anschlussträgers befinden.
Durch abgedeckte Vias wird ein gegenüber äußeren
Einflüssen robustes optoelektronisches Bauteil ermöglicht.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Anschlussträger mindestens teilweise strahlungsdurchlässig
ausgestaltet. Der Grundkörper des Anschlussträgers kann
zum Beispiel aus einem Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik,
wie Aluminiumoxid, bestehen. Insbesondere in Verbindung mit aus
transparenten Materialien gestalteten, elektrischen Anschlussstellen
beziehungsweise elektrischen Leitungen bietet sich hierdurch die
Möglichkeit, ein transparentes optoelektronisches Bauteil
zu erstellen. Als Materialien für transparente, elektrische
Leitungen sind beispielsweise Transparent Conductive Oxides, kurz TCO,
wie zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid, geeignet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
der Anschlussträger zumindest teilweise reflektierend ausgestaltet. Die
reflektierende Wirkung kann über Beimengungen, wie beispielsweise
Titan-Dioxid-Partikel, zustande kommen, oder eine intrinsische Eigenschaft
des verwendeten Materials sein. Auch auf dem Anschlussträger
aufgebrachte beispielsweise metallische Schichten oder dielektrisch
reflektierende Schichten, wie etwa Bragg-Spiegel, sind möglich. Durch
einen reflektierend wirkenden Anschlussträger wird die
etwa vom Bauteil emittierte Strahlung effizient in eine gewisse
Richtung ausgestrahlt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
eine Mehrzahl der Halbleiterchips zweidimensional auf einem Anschlussträger
angeordnet. Die einzelnen Halbleiterchips können hierbei
jeweils von einem separaten Vergusskörper umgeben sein.
Ebenso ist es möglich, dass mehrere Halbleiterchips von
einem gemeinsamen Vergusskörper umgeben sind. Die zweidimensionale
Anordnung kann in einem regelmäßigen matrixartigen
Raster bestehen oder auch unregelmäßiger sein.
Beispielsweise sind auch hexagonale Anordnungsmuster möglich.
Es können baugleiche Halbleiterchips oder auch unterschiedliche
Halbleiterchips Verwendung finden. Bevorzugt können Halbleiterchips
verwendet werden, die etwa rotes, grünes und blaues Licht
ausstrahlen, so dass sich eine insgesamt weiß abstrahlende
Beleuchtungseinrichtung etwa zur Hinterleuchtung von Displays ergibt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
dieses bis auf den Anschlussträger und den Vergusskörper
gehäusefrei. Der Vergusskörper kann hierbei mehrschichtig ausgestaltet
sein und Beimengungen enthalten.
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Ein
derartiges optoelektronisches Bauteil umfasst wenige Komponenten,
ist daher kostengünstig herzustellen und weist außerdem
geringe geometrische Abmessungen auf.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist
dieses mittels einer Oberflächenmontagetechnologie, kurz
SMT, an einem externen Träger befestigbar. Bevorzugt sind die
Anschlussstellen so gestaltet, dass eine Montage des Bauteils mittels
Löten erfolgen kann.
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Einige
Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene optoelektronische
Bauteile Verwendung finden können, sind etwa die Hinterleuchtungen von
Displays oder Anzeigeeinrichtungen. Weiter können die hier
beschriebenen optoelektronischen Bauteile auch in Beleuchtungseinrichtungen
zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern oder Richtstrahlern, oder
zu Zwecken der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.
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Nachfolgend
wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauteil 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.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
mit Fresnel-Linse,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
mit einer Multilagenkeramik,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
einer transparenten Anordnung,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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6 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
mit einem mehrlagigen Vergusskörper,
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7 eine schematische Schnittdarstellung (a)
und eine schematische Draufsicht (b) eines Ausführungsbeispiels
mit mehreren Halbleiterchips, und
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8 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
mit einem Chipkartensubstrat.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils
dargestellt. Auf der Anschlussseite 10 eines Anschlussträgers 4,
der beispielsweise aus einer Dünnfilmkeramik mit einer Dicke
von 380 μm gestaltet ist, sind elektrische Leiterbahnen 9,
die aus einem Metall geformt sind, aufgebracht. Aus den Leiterbahnen 9 sind
auch die elektrischen Anschlussstellen 5a, 5b gebildet.
Die dem Anschlussträger 4 zugewandte Seite eines
auf dem Anschlussträger 4 angebrachten Halbleiterchips 2 wird
komplett von der zugehörigen Anschlussstelle 5a eingenommen.
Das heißt, die der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 abgewandte
Seite des Halbleiterchips 2 liegt gänzlich auf
der Anschlussstelle 5a auf. An der dem Anschlussträger 4 abgewandten
Seite des Halbleiterchips 2, die eine Strahlungsdurchtrittsfläche 11 des
Halbleiterchips 2 ausbildet, ist ein Bonddraht 8 angebracht,
der den Halbleiterchip 2 mit einer weiteren Anschlussstelle 5b elektrisch
leitend verbindet. Die Kontaktierungsflächen des Halbleiterchips
befinden sich somit an zwei gegenüberliegenden Seiten.
Der Bonddraht 8 nimmt nur einen geringen Anteil der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 ein. Ebenso
bedecken die Leiterbahnen 9 nur einen geringen Anteil der
Anschlussseite 10.
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Auf
der Anschlussseite 10 ist ein Vergusskörper 3 derart
aufgebracht, dass dieser in direktem Kontakt mit der Anschlussseite 10 steht,
sowie den Halbleiterchip 2 ebenfalls in direktem Kontakt
an der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 sowie an
Chipflanken 12 umgibt. Die Chipflanken 12 werden
hierbei durch die Seitenflächen des Halbleiterchips 2 gebildet,
die die Strahlungsdurchtrittsfläche 11 mit der
dem Anschlussträger 4 zugewandten Seite des Halbleiterchips 2 verbinden.
Der Vergusskörper 3 ist aus einem weichen Silikon
geformt.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
der Anschlussträger 4 ein mechanisch flexibles
Substrat. Die Leiterbahnen 9 befinden sich im Inneren des
Anschlussträgers 4 und verbinden den optoelektronischen
Halbleiterchip 2 beispielsweise mit einem sich im Substrat
befindlichen weiteren, nicht gezeichneten Halbleiterchip, der etwa
die Ansteuerung des optoelektronischen Halbleiterchips 2 übernehmen kann.
Die Leiterbahnen 9 sind über Vias 7 mit
dem optoelektronischen Halbleiterchip 2 verbunden. Die Vias 7 bilden
an der Anschlussseite 10 die elektrischen Anschlussstellen 5 aus.
Der optoelektronische Halbleiterchip 2 ist zum Beispiel
als Oberflächenemitter ausgestaltet, so dass die Strahlung
im Wesentlichen an beziehungsweise nahe der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 entsteht
und eben an dieser emittiert wird. Dadurch wird kein separater Reflektor
etwa an der dem Anschlussträger 4 zugewandten
Seite des Halbleiterchips 2 nötig, da im Wesentlichen
kein Licht in Richtung Anschlussseite emittiert wird. Der Vergusskörper 3 ist
als Fresnel-Linse ausgeformt. Dadurch wird die Höhe des
Vergusskörpers 3 in Richtung senkrecht zur Anschlussseite 10 minimiert. Über die
flache, Platz sparende Ausgestaltung als Fresnel-Linse können
sich ebenfalls thermisch bedingte Spannungen zwischen Vergusskörper 3 und
optoelektronischem Halbleiterchip 2 reduzieren lassen.
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Optional
kann die Anschlussseite 10 des Anschlussträgers 4 nicht
eben ausgestaltet sein, sondern eine Art Mulde aufweisen, in der
sich der optoelektronische Halbleiterchip 2 befindet. Die
Mulde kann dann vom Vergusskörper 3 im Wesentlichen ausgefüllt
sein, so dass Vergusskörper 3 und optoelektronischer
Halbleiterchip 2 insbesondere gegenüber mechanischen
Belastungen, wie diese bei einen flexiblen Substrat auftreten können,
gut geschützt sind. Weiterhin können alternativ
die Leiterbahnen 9 zur Anschlussseite 10 oder
zu einer der Anschlussseite abgewandten Seite des Anschlussträgers 4 geführt
sein. Die Leiterbahnen 9 können für eine
Kontaktierung mittels einer Oberflächenmontagetechnik, kurz
SMT, ausgestaltet sein.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Anschlussträger 4 aus
einer Multilagenkeramik gestaltet ist. Innerhalb der Multilagenkeramik
verläuft eine Leiterbahn 9a, an der dem Halbleiterchip 2 angewandten
Seite eine Leiterbahn 9b. Die Leiterbahnen 9a und 9b sind über
Vias 7a, 7b mit dem Halbleiterchip 2 elektrisch
verbunden. Da die Leiterbahnen 9a, 9b in den Anschlussträger 4 integriert
sind beziehungsweise keinen direkten Kontakt zum Vergusskörper 3 aufweisen,
lässt sich zusätzlicher, eventuell durch die Leiterbahnen 9a, 9b hervorgerufener
thermischer Stress auf den Vergusskörper 3, eben
durch die Verwendung einer Multilagenkeramik, reduzieren.
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Der
Halbleiterchip 2 ist als mittels Surface Mount Technology
kontaktierbares Bauteil, kurz SMT-Bauteil ausgestaltet. Der Halbleiterchip 2 ist
mit den aus den Vias 7a, 7b gebildeten elektrischen
Anschlussstellen 5, die sich an der Anschlussseite 10 befinden, über
Lötkontakte verbunden. Der ebenfalls linsenartig ausgestaltete
Vergusskörper 3 umfasst eine Beimengung 6 etwa
in Form eines Diffusors, eines Konversions- oder eines Filtermittels.
Ist der Halbleiterchip 2 beispielsweise als Photodiode
ausgestaltet, so kann über die Verwendung geeigneter Beimengung 6 in
Form eines oder mehrerer Filtermittel im Vergusskörper 3 der
vom Halbleiterchip 2 zu empfangende Spektralbereich je
nach Erfordernissen auf einfache Art und Weise eingeschränkt
werden.
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Der
Halbleiterchip 2 ist, wie auch im Ausführungsbeispiel
gemäß 2, als Flip-Chip ausgestaltet.
Alternativ ist es auch möglich, dass sich die beiden nicht
gezeichneten elektrischen Kontaktierungsstellen des Halbleiterchips 2 auf
der dem Anschlussträger 4 abgewandten Seite des
Halbleiterchips 2 befinden. Die elektrische Kontaktierung
des Halbleiterchips 2 würde dann zum Beispiel
mittels zweier Bonddrähte 8 erfolgen können.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird der
Anschlussträger 4 aus einer transparenten thermisch
leitfähigen Keramik wie zum Beispiel Aluminiumoxid gebildet.
Auch die Leiterbahnen 9 und Anschlussstellen 5 sind
aus einem transparenten Material, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid
oder einem anderen TCO beziehungsweise Transparent Conductive Oxide,
geformt. Der als Flip-Chip gestaltete Halbleiterchip 2 ist
beispielsweise eine so genannte substratlose Leuchtdiode mit einer
Dicke von weniger als 10 μm. Durch die geringe Dicke des
Halbleiterchips 2 lassen sich thermische Spannungen zwischen
Vergusskörper 3 und Halbleiterchip 2 deutlich reduzieren.
Dies wirkt sich positiv auf die Alterungsstabilität des
optoelektronischen Bauteils 1 aus. Im Vergusskörper 3 ist
eine Beimengung 6 in Form eines Konversionsmittels inhomogen
verteilt, in 4 durch die Schraffurabstände
angedeutet, so dass über den Zentralbereichen der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 eine
höhere Konzentration der Beimengung 6 vorliegt
als in den Randbereichen des Vergusskörpers 3.
Hierdurch wird eine farblich gleichmäßige Abstrahlung
des optoelektronischen Bauteils 1 ermöglicht.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
der Anschlussträger 4 aus einer Multilagenkeramik
gebildet. Beide Leiterbahnen 9 befinden sich im Inneren des
Anschlussträgers 4, wodurch, wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 3, thermische Belastungen auf
den Vergusskörper 3 durch die Leiterbahnen 9 unterbunden
werden. Die Leiterbahnen 9 sind über Vias 7,
die auch die elektrischen Anschlussstellen 5 an der Anschlussseite 10 bilden,
mit dem Halbleiterchip 2 verbunden. Der Halbleiterchip 2 ist
beispielsweise als blau emittierende, auf GaN basierende Leuchtdiode
ausgestaltet. Der Halbleiterchip 2 umfasst eine im Vergleich
zum Halbleiterchip 2 gut thermisch leitfähige
Keramikplatte 13, die mit einem Leuchtstoff versetzt ist
und sich an der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 befindet.
Der Leuchtstoff wandelt das vom Halbleiterchip 2 im Betrieb
emittierte blaue Licht mindestens zum Teil beispielsweise in weißes Mischlicht
um. Über die thermisch leitfähige Keramikplatte 13 wird
eine gleichmäßigere Wärmeverteilung an
der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 des Halbleiterchips 2 gewährleistet.
Hierdurch verringern sich ebenfalls thermisch bedingte Spannungen
zwischen Chip 2 und Vergusskörper 3.
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Der
Vergusskörper 3 weist eine Beimengung 6 in
Form reflektierender Partikel auf, die sich auf die Bereiche des
Vergusskörpers 3 konzentrieren, die im Wesentlichen
parallel zu den Chipflanken 12 ausgerichtet sind. Hierdurch
wird bewirkt, dass etwa vom Halbleiterchip 2 emittierte
Strahlung gerichtet in Richtung senkrecht zur Anschlussseite 10 das
optoelektronische Bauteil 1 verlässt. Die reflektierenden
Partikel lassen sich zum Beispiel vor dem Einspritzen des den Vergusskörper 3 bildenden
Materials in den entsprechenden Bereichen einer Gießform
platzieren.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel wie in 6 gezeigt,
umfasst der Vergusskörper 3 mehrere zwiebelartige
Schichten 3a, 3b, 3c. Die innerste Schicht 3a,
die in direktem Kontakt zum Halbleiterchip 2 steht, ist
aus einem weichen Silikon geformt, das etwa eine Härte
geringer als Shore A 70 aufweist. Die mittlere Schicht 3b beinhaltet
in gleichmäßiger Dicke beispielsweise ein Konversionsmittel oder
eine andere Beimengung 6. Die vom Halbleiterchip 2 aus
gesehen äußerste Schicht 3c ist mit einem Silikon
einer größeren Härte gestaltet, etwa
härter als Shore A 70, um das optoelektronische Bauteil 1 gegen äußere
Einflüsse mechanisch robuster zu gestalten und eine geringere
Klebrigkeit sowie eine bessere Sägbarkeit des Silikons
zu erzielen.
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Der
Anschlussträger 4 ist aus einer bedruckten Leiterplatte
gefertigt. Als Basismaterial für Leiterplatten werden zum
Beispiel Epoxid-Harze verwendet, die eine ähnliche thermische
Ausdehnung aufweisen wie der Vergusskörper 3. Über
die Verwendung von Leiterplatten kann somit die thermische Belastung
auf das Bauteil 1 verringert werden. Die Leiterbahnen 9 befinden
sich auf der dem Halbleiterchip 2 abgewandten Seite des
Anschlussträgers 4. Die Leiterbahnen 9 sind über
Vias 7 mit den elektrischen Anschlussstellen 5,
die sich auf der Anschlussseite 10 befinden, leitend verbunden.
Der Halbleiterchip 2 ist etwa über einen leitfähigen
Kleber auf die Anschlussstellen 5 aufgebracht. Die Anschlussstellen 5 sind
metallisch ausgestaltet und wirken reflektierend auf die vom Halbleiterchip 2 zu
empfangende oder zu emittierende Strahlung. Die Anschlussstellen 5 nehmen
einen Großteil der dem Anschlussträger 4 zugewandten
Seite des Halbleiterchips 2 ein, bevorzugt mehr als 50%,
insbesondere mehr als 80%. Zudem können die Anschlussstellen 5 als
Reflektoren bezüglich der vom Halbleiterchip 2 zu
emittierenden oder zu empfangenden Strahlung ausgestaltet sein.
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Optional
können die Leiterbahnen 9 von einer Isolatorschicht 14,
beispielsweise aus einem aufgeklebten Kunststofffilm oder einer
Lackschicht, abgedeckt sein. Ebenso möglich ist es, dass
die Leiterbahnen 9, je nach Komplexität der angestrebten Schaltung,
auch auf beiden Hauptseiten des Anschlussträgers 4 aufgebracht
sind.
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Je
nach Erfordernissen kann der mehrschichtige Vergusskörper 3 derart
gestaltet sein, dass die verschiedenen Schichten beispielsweise unterschiedlichen
optischen Brechungsindex aufweisen. Hierdurch kann die Qualität
der optischen Abbildung verbessert werden.
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Das
in 7a, 7b gezeigte Ausführungsbeispiel
beinhaltet mehrere Halbleiterchips 2. Die nicht gezeichneten
elektrischen Kontaktflächen des Halbleiterchips 2 befinden
sich an der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 und
an der dem Anschlussträger 4 zugewandten Seite
des Halbleiterchips 2. Der Anschlussträger weist
eine Dicke von zirka 0,7 mm auf. Die Anschlussstellen 5 sind
durch die an der Anschlussseite 10 befindlichen Enden der
elektrischen Vias 7 gebildet. Die Kontaktflächen
an der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 sind je über
einen Bonddraht 8 mit einer korrespondierenden Anschlussstelle 5 kontaktiert.
Die Leiterbahnen 9 befinden sich auf der dem Halbleiter 2 abgewandten
Seite des Anschlussträgers 4. Über die
Leiterbahnen 9 kann beispielsweise eine Reihenschaltung
der Halbleiterchips 2 realisiert werden. Pro Halbleiterchip 2 ist je
ein linsenartig gestalteter Vergusskörper 3 vorgesehen.
Die Vergusskörper 3 weisen in Draufsicht je einen
Durchmesser von zirka 2 mm auf. Optional können die Durchmesser
der Vergusskörper 3 auch deutlich kleiner oder
deutlich größer gewählt werden, abhängig
von den konkreten Erfordernissen, besonders bezüglich der
Qualität der optischen Abbildung durch die Vergusskörper 3.
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Alternativ
können auch mehrere Halbleiterchips 2 von einem
einzigen Vergusskörper 3 umgeben sein. Der Vergusskörper 3 kann
dann linsenartige Substrukturen aufweisen. Der Anschlussträger 4 ist
bevorzugt aus einem eine hohe thermische Leitfähigkeit
aufweisenden Material gestaltet, um die im Betrieb der Halbleiterchip 2 anfallende
Abwärme beziehungsweise Verlustleistung gut nach außen
abführen zu können.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist der
Anschlussträger 4 als Chipkartensubstrat gestaltet
und mit einem Epoxid-Glasfaserhartgewebe gebildet. An der Anschlussseite 10 des
Anschlussträgers 4 sind elektrische Anschlussstellen 5a, 5b angebracht.
Die Anschlussstellen 5a, 5b sind aus Kupfer gefertigt
und an der Anschlussseite 10 abgewandten Seiten zweilagig
mit Nickel und mit Gold beschichtet. Die Anschlussstellen 5a, 5b können über
eine Oberflächenmontagetechnik, kurz SMT, mit einem in 8 nicht
dargestellten, externen Träger oder Gerät verbunden
werden.
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Auf
der Anschlussstelle 5a ist der Halbleiterchip 2 mittels
Löten in einer Ausnehmung des Anschlussträgers 4 angebracht.
Von der Strahlungsdurchtrittsfläche 11 des Halbleiterchips 2 ist über
einen Bonddraht 8 und eine weitere Ausnehmung des Anschlussträgers 4 eine
elektrische Verbindung zur zweiten Anschlussstelle 5b hergestellt.
An einer der Anschlussseite 10 abgewandten Seite des Anschlussträgers 4 befindet
sich ein transparenter linsenförmiger Vergusskörper 3 aus
einem Silikon oder einem Hybridmaterial, der den Halbleiterchip 2 und die
Ausnehmungen überdeckt. Optional kann der Vergusskörper 3 auch
die gesamte, der Anschlussseite 10 abgewandte Seite des
Anschlussträgers 4 bedecken.
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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
durch diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen
oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/081319
A1 [0004]
- - WO 2005/017995 A1 [0022]
- - EP 1589569 A2 [0022]
- - US 2002/0153637 A1 [0022]