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WO2023094504A1 - Strahlungsemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines strahlungsemittierenden bauelements - Google Patents

Strahlungsemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines strahlungsemittierenden bauelements Download PDF

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Publication number
WO2023094504A1
WO2023094504A1 PCT/EP2022/083090 EP2022083090W WO2023094504A1 WO 2023094504 A1 WO2023094504 A1 WO 2023094504A1 EP 2022083090 W EP2022083090 W EP 2022083090W WO 2023094504 A1 WO2023094504 A1 WO 2023094504A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conversion element
semiconductor chip
radiation
emitting component
top surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/083090
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Peskoller
Gertrud KRÄUTER
Angela Eberhardt
Moritz Laubscher
Original Assignee
Ams-Osram International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ams-Osram International Gmbh filed Critical Ams-Osram International Gmbh
Priority to KR1020247020769A priority Critical patent/KR20240103060A/ko
Priority to DE112022004064.5T priority patent/DE112022004064A5/de
Priority to CN202280077783.6A priority patent/CN118302867A/zh
Publication of WO2023094504A1 publication Critical patent/WO2023094504A1/de

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/505—Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
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    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials

Definitions

  • a radiation-emitting component and a method for producing a radiation-emitting component are specified.
  • the object of at least one embodiment is to specify a radiation-emitting component with improved properties.
  • the object of at least one further embodiment is to specify a method for producing a radiation-emitting component with improved properties.
  • the radiation-emitting component has a semiconductor chip which, during operation, emits electromagnetic radiation in a first wavelength range from a radiation exit area.
  • the electromagnetic radiation of the first wavelength range thus forms the emission spectrum of the semiconductor chip and is also referred to as primary radiation.
  • the radiation exit surface can also be referred to as a radiation-emitting surface.
  • the semiconductor chip is, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip.
  • the building element can thus be a light emitting diode (LED) or a laser.
  • the semiconductor chip preferably has an epitaxially grown semiconductor layer sequence with an active zone that is suitable for generating electromagnetic radiation.
  • the active zone has, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or a multiple quantum well structure.
  • the semiconductor chip can emit electromagnetic radiation, for example from the ultraviolet spectral range and/or from the visible spectral range, in particular from the blue spectral range.
  • the primary radiation thus has wavelengths in the range from 400 nm to 500 nm, for example.
  • the radiation-emitting component also has a conversion element on a top surface of the semiconductor chip that includes the radiation exit surface, which contains a matrix material and phosphor particles embedded therein that convert electromagnetic radiation of the first wavelength range into electromagnetic radiation of a second wavelength range.
  • a top surface of the semiconductor chip is to be understood as meaning the side facing away from a bottom side of the semiconductor chip, which side runs parallel to the main direction of extension of the semiconductor chip.
  • the cover area can include areas for electrical connections, saw kerfs and/or dark, ie non-emitting edge areas.
  • the term "phosphor particles” is understood here and below as a wavelength conversion substance in particle form, i.e. a material that is designed to absorb and emit electromagnetic radiation. In particular, the phosphor particles absorb electromagnetic radiation that has a different wavelength maximum than the electromagnetic emitted by the phosphor particles has radiation.
  • the phosphor particles absorb radiation with a wavelength maximum at shorter wavelengths than the emission maximum and thus emit radiation with an emission maximum shifted towards red. Pure scattering or pure absorption are not understood here as wavelength-converting.
  • the conversion element has a contact area that is the same as or smaller than the top area of the semiconductor chip.
  • the conversion element therefore covers the top surface of the semiconductor chip completely or only partially. With only partial coverage, ie a partial coating of the top surface of the semiconductor chip with the conversion element, certain areas, for example areas for contacting the semiconductor chip such as bond pads, edge areas and/or saw ditches, can remain specifically free of the conversion element.
  • the bearing surface is in full direct contact with the top surface of the semiconductor chip.
  • the contact surface of the conversion element nestles against the top surface of the semiconductor chip without a gap, regardless of the Surface finish of the top surface of the semiconductor chip. This means that the conversion element is fixed without adhesive on the top surface of the semiconductor chip and accordingly has a common interface with the semiconductor chip.
  • a radiation-emitting component which has a semiconductor chip which, during operation, emits electromagnetic radiation in a first wavelength range from a radiation exit surface, and a conversion element on a top surface of the semiconductor chip that includes the radiation exit surface, which has a matrix material and phosphor particles embedded therein, the electromagnetic Convert radiation of the first wavelength range into electromagnetic radiation of a second wavelength range, wherein the conversion element has a bearing surface that is equal to or smaller than the top surface of the semiconductor chip, and the bearing surface is completely in direct contact with the top surface of the semiconductor chip.
  • the inventors have recognized that the direct, ie adhesive-free arrangement of the conversion element on the top surface of the semiconductor chip enables good heat conduction of the conversion element.
  • conversion plates are used, which have to be glued onto a semiconductor chip, for which purpose silicone is usually used.
  • silicone has low thermal conductivity, which creates a thermal barrier between the conversion plate and the semiconductor chip, which increases with increasing layer thickness.
  • On such a thermal barrier can be dispensed with in the component described here due to the direct arrangement of the conversion element on the semiconductor chip.
  • the component can thus also be operated at high currents, for example in applications in which high luminance levels are required, such as for headlights or stage lighting. Even in such so-called high-current applications, with current densities of more than 1 A/mm 2 , the heat generated in the conversion element can be easily dissipated from it into the semiconductor chip.
  • an adhesive layer also has an advantageous effect in the manufacture of the component.
  • the adhesive material is pressed out, the so-called squeeze-out, and/or reflector material, such as silicone filled with titanium dioxide, penetrates into adhesive-free cavities under the edge of the plate.
  • squeeze-out, and/or reflector material such as silicone filled with titanium dioxide
  • Such phenomena lead to reduced brightness, which means that an adhesive layer also represents an optical barrier.
  • dispensing with an adhesive layer also results in a simplified and cost-reduced production method for the component, since on the one hand no gluing process is necessary and furthermore fewer binning processes, ie processes for sorting the components according to their color locations, are necessary.
  • the conversion element can only be applied to partial areas of the semiconductor chip, ie only defined areas of the top surface of the semiconductor chip with the Be coated conversion element.
  • the conversion element can only radiation-emitting and radiation-reflecting surfaces and no (dark) light traps can be provided with the conversion element, which leads to improved efficiency of the component.
  • a partial coating for example, an approximately 10 ⁇ m to 12 ⁇ m wide edge region (mesa edge) of the top surface of the semiconductor chip can be free of the conversion element. Areas for electrical contacting can also remain free of the conversion element and/or the radiation exit surface can only be partially coated with the conversion element.
  • a component described here is equally suitable for cold white applications at e.g. 5700 K or 6500 K and for warm white applications at e.g. B. 3200 K and for applications in which a color rendering index Ra of greater than or equal to 80, in particular greater than or equal to 90 is desired.
  • a color rendering index Ra of greater than or equal to 80, in particular greater than or equal to 90 is desired.
  • red there is a comparatively high proportion of red in the emission spectrum, with typical red phosphors being particularly sensitive to high operating currents and operating temperatures due to the larger Stokes shift and stronger thermal quenching.
  • Such high current densities and/or high operating temperatures can be realized with the component described here, since the conversion element described here can dissipate the heat generated well, in particular due to its direct contact with the semiconductor chip.
  • the contact area of the conversion element is equal to or smaller than the radiation exit area.
  • the semiconductor chip has side faces, and the side faces are free of the conversion element.
  • the side areas of the semiconductor chip are to be understood as meaning the areas which run largely perpendicularly to the main extension direction of the semiconductor chip and connect the top area to the underside of the semiconductor chip.
  • the side surfaces do not include the radiation exit surface. A loss of efficiency over the side faces of the chip can thus be avoided.
  • the conversion element has side surfaces which have an average roughness of less than 2 ⁇ m, in particular less than 1 ⁇ m, and/or have no saw marks.
  • the side surfaces of the conversion element run in particular largely perpendicularly to the bearing surface of the conversion element.
  • the side faces of the conversion element therefore have particularly smooth surfaces.
  • a smooth surface of the side faces of the conversion element can lead to reduced emissions via the side faces.
  • a smooth surface of the conversion element ensures that no particles, in particular phosphor particles, which are embedded in the matrix material of the conversion element damage elements adjoining the conversion element. This is an advantage over conventionally used conversion plates, which are made by splitting or sawing are isolated and have a significantly rougher surface on their side surfaces.
  • the conversion element has side faces that have rounded corners. Two side faces that meet each other therefore do not form a clearly defined corner which, for example, does not have a 90° angle, but rather a rounded corner which has a radius.
  • a radius can be in the range of 0.04 mm up to and including 0.1 mm, in particular in the range of 0.05 mm up to and including 0.06 mm.
  • the conversion element has a cross-sectional area which tapers from the bearing surface in the direction of that side of the conversion element which is remote from the semiconductor chip.
  • a certain light conduction in particular a reduction in the size of the radiation-emitting area and an increase in the luminance, that is to say the bundling of the emitted radiation, can be brought about by such a conical geometry.
  • the conversion element has a cross-sectional area that tapers from a side of the conversion element that faces away from the semiconductor chip in the direction of the bearing surface.
  • a certain light conduction, in particular an expansion of the emitted radiation, can be brought about by such a conical geometry.
  • Conversion element has a thickness that is less than or equal to 150 pm, in particular less than or equal to 100 pm.
  • the thickness can be less than or equal to 35 ⁇ m, for example less than or equal to 25 ⁇ m.
  • the exact thickness can be tailored to the phosphor particle size and desired conversion level.
  • a thickness of less than 25 ⁇ m can be used, for example, for cool white emission, and a thickness of around 80 ⁇ m to 90 ⁇ m can be chosen for orange tones.
  • the conversion element can thus be made particularly thin, which leads to reduced side emission, for example, and ensures a good thermal connection of the conversion element to the semiconductor chip.
  • the thickness of the conversion element described here is, in particular, reduced compared to the conversion plates used to date, which are produced on a glass plate or film and are only attached to the semiconductor chip by means of an adhesive layer after their completion.
  • the conversion element has a thickness that is greater than or equal to 10 ⁇ m.
  • the conversion element has a solids content of greater than or equal to 45% by volume, in particular greater than or equal to 50% by volume.
  • the solid fraction is formed by solid particles which are up to 100% phosphor particles.
  • the matrix material thus has a high proportion of solids, which has a positive effect on the temperature, radiation and chemical resistance of the conversion element.
  • the solid fraction can be formed from microparticles/fillers and/or nanoparticles/fillers. In other words can the phosphor particles can be partially replaced by non-converting microparticles or nanoparticles, for example in order to be able to adapt and/or control the color locus with the same thickness of the conversion layer.
  • the conversion element is stable over the long term at up to 220° C. and up to 6 W/mm 2 .
  • the matrix material has an organic content that is less than 40% by weight, in particular less than 20% by weight.
  • a low organic content contributes in particular to the long-term stability of the conversion element and thus of the component.
  • the matrix material has a Shore D hardness greater than 50.
  • the conversion element for example that side of the conversion element which is remote from the semiconductor chip, can thus be well reworked, for example ground or polished. Modifications of the conversion element, for example on the side of the conversion element facing away from the semiconductor chip, are also conceivable. So this conversion element can easily be provided with an additional layer, a small plate or a structure.
  • the conversion element due to its hardness, the conversion element has high mechanical stability, which is advantageous, for example, if conversion elements that have already been applied are to be separated from one another by sawing.
  • the matrix material has a three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane.
  • a polyorganosiloxane results from a precursor material that has a curing temperature that does not damage the semiconductor chip and bonds well to it or liable.
  • a curing temperature is, for example, less than or equal to 220°C.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane can be shaped without cracks or pores after curing, especially if it has a high solids content of greater than or equal to 45% by volume.
  • a three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane is also a good conductor of heat, especially if it has a low organic content, for example less than 40% by weight.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane has a high proportion of phosphor particles, in particular with a proportion of more than 45% by volume, and thus to bring about high temperature, radiation and chemical resistance of the conversion element.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane has sufficient hardness to allow further mechanical processing and/or modification of the conversion element.
  • the thickness of the conversion element can also be set precisely, for example by grinding, and the precise color locus of the converted radiation can thus be set in particular.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane has the following repeating unit:
  • a + b + c l, 0.65 ⁇ ad 1 and 0 ⁇ b + cd 0.35 with 0 ⁇ b ⁇ 0.35 and 0 ⁇ c ⁇ 0.35.
  • R is independently selected from methyl, phenyl, and combinations thereof.
  • T 1 and T 2 are independently selected from methyl, methoxy, and combinations thereof. The ... represent the connection points to further repeat units.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane also enables various phosphor particles to be embedded.
  • the phosphor particles are selected from the group: (RE 1 -x Ce x )3(Al 1 -y A' y ) 5 O 12 with 0 ⁇ x ⁇ 0.1 and 0 ⁇ y ⁇ 1,
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane thus enables similar flexibility in terms of color locus selection as a conventional silicone matrix, and superior flexibility in terms of color locus selection compared to conversion ceramics and converters in which phosphor particles are embedded in glass, but has improved optical and thermal performance and Temperature resistance compared to a conventional silicone matrix.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane is produced from a precursor material that comprises an alkoxy-functionalized, in particular methoxy-functionalized, polyorganosiloxane resin.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane produced therefrom thus has a low organic content of less than 40% by weight, in particular less than 20% by weight.
  • the precursor material has the following repeat unit:
  • the conversion element also has fillers.
  • the fillers can be from the group
  • Oxides for example SiO 2 , in particular nano-SiO 2 and micro-SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 and ZnO, nitrides, for example AIN, Si 3 N 4 , BN and GaN,
  • Carbon-based fillers e.g. carbon nanotubes, graphene and their derivatives, heteropolyacids, e.g. 12-tungstophosphoric acid (H 3 PW 12 O 40 ) and 12-tungstosilicylic acid (H 4 SiW 12 O 40 )
  • organometallic components for example alkoxides of silicon, titanium, zirconium, aluminum and/or hafnium,
  • organic molecules such as adhesion promoters, defoamers, thickeners, diluents and plasticizers,
  • organic and inorganic polymers such as poly(dimethylsiloxane), poly(methylphenylsiloxane), poly(diphenylsiloxane) and polysilsesquioxane (PSQ), and combinations thereof.
  • PQ polysilsesquioxane
  • the abovementioned inorganic nanoparticles can be provided with a coating material on their surface in order to achieve better miscibility with the precursor material for producing the matrix material of the conversion element.
  • the component has connections for making electrical contact, the connections being present on that side of the semiconductor chip which is remote from the radiation exit area.
  • the connections are therefore present on the non-emitting side of the semiconductor chip and can be conductively soldered or glued on there.
  • Such a semiconductor chip can also be referred to as a flip chip and can easily be combined with the conversion element described here.
  • the component has connections for making electrical contact, the connections being present on that side of the semiconductor chip which faces the radiation exit area.
  • semiconductor chips have, in particular, an insulating bond or soldering to their base, for example a substrate, and can be easily combined with the conversion element described here.
  • the component has connections for electrical contacting, the connections being present on the side of the semiconductor chip facing away from the radiation exit area and on the side of the semiconductor chip facing the radiation exit area.
  • the connections are therefore on different sides of the semiconductor chip.
  • Such a semiconductor chip can also be easily combined with the conversion element described here.
  • the possibility of combining the conversion element described here with different semiconductor chip types is based, among other things, on the fact that the conversion element can be applied as a partial coating and thus dark areas, in particular edge areas, and/or areas for contacting the semiconductor chip can be left free of the conversion element can.
  • a method for producing a component is also specified.
  • the method is particularly suitable for producing a component described here. All of the features mentioned in connection with the component also apply to the method and vice versa.
  • the method provides at least one semiconductor chip which, during operation, emits electromagnetic radiation in a first wavelength range from a radiation exit area.
  • At least one semiconductor chip should be understood to mean that the method can be used to provide a single semiconductor chip with a conversion element and also a number of semiconductor chips at the same time. If a plurality of semiconductor chips are provided with conversion elements at the same time, the semiconductor chips can also be connected to one another and separated after the conversion elements have been applied. The method thus enables multichip coating.
  • a precursor material is also applied in the method, in which phosphor particles are embedded, which convert electromagnetic radiation of the first wavelength range into electromagnetic radiation of a second wavelength range. The application takes place directly on at least one region of a top surface of the semiconductor chip that includes the radiation exit surface.
  • a precursor material is understood to mean a material that reacts through a chemical reaction induced by external influences to form the desired material present in the finished device.
  • External influences can include, for example, an increase in temperature or radiation.
  • the precursor material can be, for example, an alkoxy-functionalized, in particular methoxy-functionalized, polyorganosiloxane resin. Such precursor materials can react to form a three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane.
  • Direct application should be understood to mean that the precursor material is brought into direct contact with the top surface of the semiconductor chip, so that it has a common interface with the semiconductor chip and nestles against the top surface of the semiconductor chip without a gap.
  • An adhesive layer can thus be dispensed with. This is possible in particular because the precursor material has a certain stickiness, which ensures that the precursor material is fixed on the desired region of the semiconductor chip.
  • "On at least part of a top surface” is intended to mean that the entire top surface of the semiconductor chip is coated with the precursor material or only a partial coating takes place, in which specific areas of the top surface of the semiconductor chip are left free of precursor material.
  • the precursor material is applied using a method selected from doctor blades, spraying and printing.
  • the precursor material in which the phosphor particles are embedded is applied in the form of a homogeneous mixture, it being possible for the mixture to have further fillers. Possible fillers and also phosphor particles have already been mentioned in relation to the component and also apply to the method.
  • the precursor material is also cured in the method to form a conversion element, which has a matrix material (5) and the phosphor particles (1) embedded therein, the conversion element having a contact area that is the same as or smaller than the top area of the semiconductor chip , and the bearing surface is completely in direct contact with the top surface of the semiconductor chip.
  • the precursor material thus forms the matrix material in which the phosphor particles are embedded and which is largely or completely free of pores and cracks.
  • the conversion element is then fixed on the area of the top surface of the semiconductor chip to which the precursor material was previously applied.
  • a method for producing a radiation-emitting component is specified, with the method steps
  • the precursor material can be applied in a targeted manner to emitting and/or reflective areas of the semiconductor chip, and thus the geometry of the active Surface are mapped and, for example, dark edge areas are left free of the conversion element. This leads to a reduction in efficiency loss. Further advantages of the component produced using the method described here have already been presented with regard to the component and apply equally to the component produced using the method.
  • curing takes place at a temperature that is less than or equal to 220°C.
  • a temperature is thus used for curing which has no damaging effect on the semiconductor chip and temperature-sensitive phosphors such as, for example, nitridic phosphors.
  • the hardening takes place for a period of less than or equal to 5 hours, in particular less than or equal to 2 hours.
  • a multiplicity of semiconductor chips is provided, which are singulated after the application and curing of the precursor material.
  • a multichip coating can thus be realized with the method.
  • the separation leads to semiconductor chips with conversion elements arranged thereon, which have smooth side surfaces. After the separation, the side surfaces of the conversion element have, for example, a roughness of less than 2 ⁇ m, in particular less than 1 ⁇ m. Due to the hardness of the matrix material, the conversion elements can easily be separated mechanically, for example by sawing. Alternatively, a separation or isolation of the conversion elements is not necessary at all if the precursor material is applied in such a way that the contact area of the conversion element is smaller than the top area of the semiconductor chip. In this case only the semiconductor chips are separated.
  • conversion elements are provided which already receive their smooth side surfaces through the manufacturing process. If only the semiconductor chips have to be separated, this again leads to a cost advantage, since the sawing of the conversion elements and the associated wear are avoided. Furthermore, components with a particularly good optical performance can thus be provided due to very smooth side surfaces of the conversion elements.
  • the structured photoresist layer can represent a mask and the resulting conversion element can have a cross-sectional area that widens in a direction away from the semiconductor chip.
  • a so-called LDI (laser direct imaging) process can be used to produce a conversion element which has a cross-sectional area which tapers in a direction away from the semiconductor chip.
  • the precursor material three-dimensionally crosslinks during curing.
  • a three-dimensional SiO2 network with a low proportion of less than 40% by weight, in particular less than 20% by weight, of organic residues is formed during curing.
  • Solid particles which are up to 100% phosphor particles, are embedded in this network.
  • the proportion of solids in the conversion element is, for example, at least 45 percent, in particular at least 50 percent.
  • Figure 1 shows schematic cross-sectional views
  • Figures 2, 3a to c, 4a to c, 5 and 6 show schematic cross-sectional views of components according to embodiments.
  • FIGS. 3d and 4d show top views of components according to exemplary embodiments.
  • FIGS. 7 and 8 show light micrographs of conversion elements according to exemplary embodiments.
  • FIGS. 9a to c show components according to different exemplary embodiments in a schematic cross section.
  • a semiconductor chip 10 in particular an LED chip or a multiplicity of semiconductor chips in the form of a chip wafer, is provided.
  • the precursor material is a methoxy functionalized one
  • Polyorganosiloxane resin which has the following repeating unit:
  • a homogeneous mixture is produced, which comprises the precursor material and also nano-SiCt to adjust the rheology and micro-SiCh as fillers to improve processing.
  • the mixture also includes phosphor particles 1, which are selected from the group: (RE 1 - x Ce x ) 3 (Al 1 - y A' y ) 5 O 12 with 0 ⁇ x ⁇ 0.1 and 0 ⁇ y ⁇ 1,
  • RE is at least one of Y, Lu, Tb and Gd
  • AE is at least one of Mg, Ca, Sr, Ba
  • A' is at least one of Sc and Ga, where the phosphor particles can optionally contain one or more halogens.
  • the mixture is applied directly to areas of the top surface 12 (partial coating) or to the entire top surface 12 of the semiconductor chip or chips 10 by means of doctor blades, printing or spraying.
  • a partial coating for example the areas of the semiconductor chip 10 which are to remain free of a conversion element 20 are protected by a photoresist which is removed again after the precursor material has been applied and pre-cured.
  • the precursor material or the mixture containing the precursor material After the precursor material or the mixture containing the precursor material has been applied, the precursor material is cured so that a three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane is produced as matrix material 5 . Hardening takes place at a temperature less than or equal to 220°C.
  • the three-dimensionally crosslinked polyorganosiloxane has the following repeating unit:
  • R is independently selected from methyl
  • T 1 and T 2 are independently selected from methyl, methoxy, and combinations from it.
  • the ... represent the connection points to further repeat units.
  • the thickness of the conversion element 20 produced in this way is 10 ⁇ m to 150 ⁇ m, depending on the desired color locus.
  • FIG. 1 shows cross sections of exemplary embodiments of conversion elements 20, which are produced as described above.
  • the conversion elements 20 are shown here without the semiconductor chips 10 on which they are applied directly, so that details can be better represented.
  • a conversion element 20 contains a matrix material 5 in which the phosphor particles 1 are embedded. Also shown in FIG. 1a is the bearing surface 21, which is in direct contact with the top surface 12 of the semiconductor chip 10 (not shown here). The conversion element 20 of FIG.
  • 1b and 1c show two alternative geometries of the conversion element 20. In contrast to FIG 10 opposite side) tapers.
  • Such a conical geometry enables, for example, radiation bundling during operation of the component 100.
  • FIG Geometry enables, for example, radiation expansion during operation of the component 100.
  • FIG. 2 shows schematic cross sections of exemplary embodiments of components 100 which contain the conversion elements 20 shown in FIG.
  • a semiconductor chip 10 is shown in each case, on whose cover surface 12 the contact surface 21 of the conversion element 20 is applied in direct contact, without adhesive and nestled without a gap. This ensures good heat conduction between the conversion element 20 and the semiconductor chip 10 .
  • the top surface 12 also includes the radiation exit surface 11 of the semiconductor chip 10, but can also be larger than this.
  • 2a shows the component 100 with the conversion element 20 according to FIG. 1a
  • FIG. 2b shows the component 100 with the conversion element 20 according to FIG. 1b
  • FIG. 2c shows the component 100 with the conversion element 20 according to FIG.
  • Also shown are the side faces 15 of the semiconductor chip 10 that are free of the conversion element 20 .
  • FIGS. 3a to c and 4a to c show schematic cross sections of components 100 in which the conversion element 20 is applied in each case as a partial coating on the semiconductor chip 10.
  • FIG. 1 and 2 show the components 100 in plan view.
  • FIGS. 3d and 4d each show the components 100 in plan view.
  • FIG. 1c is the conversion element 20 of Figure la
  • in Figures 3b and 4b is the conversion element 20 of Figure 1b
  • in Figures 3c and 4c is that Conversion element 20 of FIG. 1c is shown on the semiconductor chip 10.
  • the conversion element 20 is applied in each case as a partial coating on the semiconductor chip 10 .
  • areas for electrical connections 40 (bond pads or bond bars) and saw ditches 41 are free of the conversion element 20.
  • the conversion element 20 covers the radiation exit area 11 and dark edge areas (mesa edges) 42 of the top surface of the semiconductor chip 10 and is shown hatched for clarity.
  • the conversion element 20 extends only to the radiation exit surface 11, which is shown as a hatched layer in FIGS. 4a to 4c for clarity.
  • FIG. 4d shows this arrangement of the conversion element 20 again in a plan view of the component 100, where the conversion element 20 is shown hatched.
  • FIG. 5 shows a further variant of the component 100.
  • the conversion element 20 extends only over a partial area of the radiation exit surface 11, which is again shown in FIGS. 5a to 5c as an additional layer for illustration purposes.
  • the conversion element according to FIG. 1a is located on the semiconductor chip 10 of FIG. 5a, the conversion element according to FIG.
  • FIG. 5 also shows an encapsulation 30 which laterally encloses both the semiconductor chip 10 and the conversion element 20 .
  • the spill 30 can have different geometries and fill levels.
  • the encapsulation 30 can end with the conversion element 20, as shown in FIG. 5a, or protrude beyond the conversion element 20 (FIGS. 5b and 5c).
  • the encapsulation 30 can have plane-parallel side walls (FIG. 5a) or side walls that are slanted in the direction of the conversion element 20 (FIGS. 5b and 5c).
  • the encapsulation can be made of silicone or epoxy resin, for example, and can optionally be filled with TiO 2 , for example. In a further configuration, in addition to, for example, TiO 2 , other fillers can also be present.
  • FIG. 6 shows, in a schematic cross section, a semiconductor chip wafer as a multiplicity of connected semiconductor chips 10 to which conversion elements 20 have already been applied. After singulation, a multiplicity of components 100 are thus obtained by means of multichip coating.
  • FIG. 7 shows a light micrograph of a conversion element 20 in a plan view. It can be seen that the area for electrical connections 40 (bond bars) and sawing ditches 41 is free of conversion element 20 . The conversion element 20 thus only covers the radiation exit surface 11. The size of the conversion element 20 is approximately 1 mm 2 . The underlying semiconductor chip 10 has not yet been isolated in this photograph, so the conversion elements 20 were produced by means of multichip coating. The corners of the conversion element 20 are rounded off and the side faces 25 of the conversion elements 20 appear straight and intact, ie no cracks (chipping) can be seen.
  • FIG. 8 shows conversion elements 20 that are comparable to FIG. 7, still in an oblique view before the isolation of the semiconductor chip 10, ie after the multichip coating.
  • conversion elements 20 which have a geometry as described with reference to FIG. 1b and are approximately 1 mm 2 in size. In addition to the rounded corners, the smooth, clearly structured and intact surfaces of the side faces 25 of the conversion element can also be seen here. In this case, the thickness of the conversion element is 25-30 ⁇ m. Embedded are garnet phosphor particles 1 for a cold white application.
  • FIG. 9 shows, in a schematic cross section, components 100 with different types of semiconductor chips 10, which can be combined with the conversion elements 20 described here.
  • conversion elements 20 according to FIG. 1a are applied to the semiconductor chip 10 in each case.
  • the semiconductor chips 10 are each provided with electrical connections 40, both of which can be present on the side of the semiconductor chip 10 facing away from the top surface 12 (flip-chip design, FIG. 9a).
  • the top surface 12 can be completely covered by the conversion element 20, but a partial coating is also conceivable.
  • the electrical connections 40 can also be present on the top surface 12 and on the side of the semiconductor chip 10 facing away from the top surface 12 (FIG. 9b) and both be present on the top surface 12 of the semiconductor chip (FIG. 9c).
  • the layer thickness of the resulting conversion element 20 for this color point is 10 to 100 ⁇ m, depending on the exact composition and grain size of the phosphor particles 1.
  • the homogeneous mixture can also be applied by a doctor blade process or printing.
  • top surface 12 If areas of the top surface 12 are to be free of the conversion element 20, this can also be partially removed there again. Alternatively, these areas can also be protected by a photoresist, which is removed again after the homogeneous mixture has been applied and the conversion element 20 has been formed.
  • an optical coating e.g. an anti-reflection coating (AR) or a coating to improve color-over-angles (COA)
  • AR anti-reflection coating
  • COA color-over-angles
  • the surface of the conversion element 20 facing away from the semiconductor chip 10 can be designed to be rough or smooth the thickness of the conversion element 20 can also be readjusted.
  • top surface 12 of semiconductor chip 10 that are to remain without conversion element 20, such as bond pad/bar as electrical connection 40 for electrical contacting on top surface 12 of semiconductor chip 10, and optionally saw ditches 41 and optionally dark non-light-emitting ones Areas on the top surface 12 of the semiconductor chip 10 are protected by a photoresist. Then a homogeneous mixture containing alkoxy-functionalized polyorganosiloxane resin as a precursor material, nano-SiCt, optionally micro-SiCL and phosphor particles 1, which comprise one or more yellow-emitting garnet phosphors to generate a cold-white emission, by a doctor blade process or printing on the top surface 12 of an LED semiconductor chip 10 or LED semiconductor chip wafers and hardened at max.
  • alkoxy-functionalized polyorganosiloxane resin as a precursor material, nano-SiCt, optionally micro-SiCL and phosphor particles 1, which comprise one or more yellow-emitting garnet phosphors to generate a cold-white
  • the resulting conversion element 20 can be post-cured again at a higher temperature, for example at 220.degree.
  • the layer thickness of the conversion element is 10 to 100 ⁇ m for this color locus, depending on the precise composition and particle size of the phosphor particles 1.
  • the homogeneous mixture can also be applied by spraying. Alternatively, a complete coating of the top surface 12 with the homogeneous mixture in combination with a subsequent partial removal of the conversion element 20 is also conceivable.
  • an optical coating e.g. an anti-reflection coating (AR) or a coating to improve color-over-angles (COA)
  • AR anti-reflection coating
  • COA color-over-angles
  • the surface of the conversion element 20 facing away from the semiconductor chip 10 can be made rough or smooth, and the thickness of the conversion element 20 can also be readjusted.
  • the component is produced as in exemplary embodiment 2, but with a phosphor mixture for amber (green- and red-emitting phosphor particles 1).
  • the layer thickness of the conversion layer is 30 to 150 ⁇ m for this color point, depending on the exact composition and grain size of the phosphor particles.
  • an optical coating for example, an anti-reflection layer (AR) is possible.
  • AR anti-reflection layer
  • the surface facing away from the semiconductor chip 10 of the Conversion element 20 are designed rough or smooth and the thickness of the conversion element 20 can be readjusted.
  • Exemplary embodiment 4 component 100 with LED semiconductor chip 10 with electrical connection 40 only on top surface 12 with conversion element 20 for warm-white applications
  • the component is produced analogously to exemplary embodiment 3, but with a different chip type with regard to the electrical connections 40 and with a phosphor mixture for warm white containing one or more different green and red-emitting phosphor particles 1.
  • the layer thickness of the conversion element 20 is 20 to 120 for this color location pm, depending on the exact composition and grain size of the phosphor particles 1.
  • an optical coating e.g. an anti-reflection coating (AR) or a coating to improve color-over-angles (COA)
  • AR anti-reflection coating
  • COA color-over-angles
  • the surface of the conversion element 20 facing away from the semiconductor chip 10 can be made rough or smooth, and the thickness of the conversion element 20 can also be readjusted.
  • the subsequent surface coating can in each case also be a multiple coating, ie several identical or different coatings can be applied to the conversion element 20 .
  • the features and exemplary embodiments described in connection with the figures can be combined with one another according to further exemplary embodiments, even if not all combinations are explicitly described. Furthermore, the exemplary embodiments described in connection with the figures can alternatively or additionally have further features in accordance with the description in the general part.

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Abstract

Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben, aufweisend einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert, und ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben.

Description

Beschreibung
STRAHLUNGSEMITTIERENDES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STRAHLUNGSEMITTIERENDEN BAUELEMENTS
Es werden ein strahlungsemittierendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es ein strahlungsemittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Aufgabe zumindest einer weiteren Ausführungsform ist es ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Ansprüche .
Es wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben. Das strahlungsemittierende Bauelement weist einen Halbleiterchip auf, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs bildet somit das Emissionsspektrum des Halbleiterchips aus und wird auch als Primärstrahlung bezeichnet. Die Strahlungsaustrittsfläche kann auch als strahlungsemittierende Fläche bezeichnet werden.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Das Bauelement kann somit eine Licht emittierende Diode (LED) oder ein Laser sein. Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder eine Mehrfachquantentopfstruktur auf.
Der Halbleiterchip kann im Betrieb elektromagnetische Strahlung beispielsweise aus dem ultravioletten Spektralbereich und/oder aus dem sichtbaren Spektralbereich, insbesondere aus dem blauen Spektralbereich aussenden. Die Primärstrahlung weist somit beispielsweise Wellenlängen aus dem Bereich 400 nm bis 500 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das strahlungsemittierende Bauelement weiterhin ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips auf, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält. Unter einer Deckfläche des Halbleiterchips soll die von einer Unterseite des Halbleiterchips abgewandte Seite verstanden werden, die parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Halbleiterchips verläuft. Neben der Strahlungsaustrittsfläche kann die Deckfläche Bereiche für elektrische Anschlüsse, Sägegräben und/oder dunkle, also nicht-emittierende Randbereiche umfassen. Unter dem Begriff „Leuchtstoffpartikel" wird hier und im Folgenden ein Wellenlängenkonversionsstoff in Partikelform verstanden, also ein Material, das zur Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Insbesondere absorbieren die Leuchtstoffpartikel elektromagnetische Strahlung, die ein anderes Wellenlängenmaximum als die von den Leuchtstoffpartikeln emittierte elektromagnetische Strahlung aufweist.
Beispielsweise absorbieren die Leuchtstoffpartikel Strahlung mit einem Wellenlängenmaximum bei kleineren Wellenlängen als das Emissionsmaximum und emittieren somit Strahlung mit einem in Richtung Rot verschobenen Emissionsmaximum. Reine Streuung oder reine Absorption werden vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Auflagefläche auf, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips. Somit bedeckt das Konversionselement die Deckfläche des Halbeiterchips vollständig oder nur teilweise. Bei einer nur teilweisen Bedeckung, also einer Teilbeschichtung der Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Konversionselement, können bestimmte Bereiche, beispielsweise Bereiche zur Kontaktierung des Halbleiterchips wie Bondpads, Randbereiche und/oder Sägegräben, gezielt frei von dem Konversionselement bleiben .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips. Mit anderen Worten schmiegt sich die Auflagefläche des Konversionselements spaltlos an die Deckfläche des Halbleiterchips an, unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Deckfläche des Halbleiterchips. Das bedeutet, dass das Konversionselement kleberlos auf der Deckfläche des Halbleiterchips fixiert ist und dementsprechend eine gemeinsame Grenzfläche mit dem Halbleiterchip aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben, das einen Halbleiterchip aufweist, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert, und ein Konversionselement auf einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips, das ein Matrixmaterial und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die direkte, also kleberlose Anordnung des Konversionselements auf der Deckfläche des Halbleiterchips eine gute Wärmeleitung des Konversionselements ermöglicht wird. Herkömmlich werden Konversionsplättchen verwendet, die auf einen Halbleiterchip geklebt werden müssen, wozu meist Silikon verwendet wird. Silikon hat jedoch eine geringe Wärmeleitung, wodurch eine Wärmebarriere zwischen Konversionsplättchen und Halbleiterchip entsteht, die sich mit zunehmender Schichtdicke vergrößert. Auf eine solche Wärmebarriere kann in dem hier beschriebenen Bauelement aufgrund der direkten Anordnung des Konversionselements auf dem Halbleiterchip verzichtet werden. Damit kann das Bauelement auch bei hohen Strömen betrieben werden, beispielsweise bei Anwendungen, bei denen hohe Leuchtdichten benötigt werden, wie beispielsweise bei Frontscheinwerfern oder Bühnenbeleuchtungen. Auch in solchen sogenannten Hochstromanwendungen, mit Stromdichten von mehr als 1 A/mm2, kann die in dem Konversionselement entstehende Wärme gut von diesem in den Halbleiterchip abgeleitet werden.
Der Verzicht auf eine Kleberschicht wirkt sich auch vorteilhaft bei der Herstellung des Bauelements aus. Beispielsweise kommt es beim Aufsetzen eines herkömmlichen vorgefertigten Konversionsplättchens auf eine zuvor aufgebrachte Kleberschicht zu einem Herausdrücken des Klebermaterials, dem sogenannten Squeeze-out, und/ oder zum Eindringen von Reflektormaterial, beispielsweise mit Titandioxid gefülltem Silikon, in kleberfreie Hohlräume unter dem Plättchenrand. Solche Phänomene führen zu reduzierter Helligkeit, womit eine Kleberschicht somit auch eine optische Barriere darstellt. Eine solche kann durch Verwendung eines hier beschriebenen Konversionselements vermieden werden. Schließlich bewirkt der Verzicht auf eine Kleberschicht auch ein vereinfachtes und kostenreduziertes Herstellungsverfahren des Bauelements, da zum einen kein Klebeprozess notwendig ist und des Weiteren auch weniger Binning-Prozesse, also Prozesse zur Sortierung der Bauelemente nach ihren Farborten, notwendig sind.
Weiterhin kann das Konversionselement nur auf Teilbereichen des Halbleiterchips aufgebracht sein, also nur definierte Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Konversionselement beschichtet sein. Es können dadurch nur strahlungsemittierende und strahlungsreflektierende Flächen und keine (dunklen) Lichtfallen mit dem Konversionselement versehen werden, was zu einer verbesserten Effizienz des Bauelements führt. Bei einer solchen Teilbeschichtung kann beispielsweise ein etwa 10 pm bis 12 pm breiter Randbereich (Mesa-Rand) der Deckfläche des Halbleiterchips frei von dem Konversionselement sein. Auch Bereiche zur elektrischen Kontaktierung können von dem Konversionselement frei bleiben und/oder die Strahlungsaustrittsfläche kann nur teilweise mit dem Konversionselement beschichtet sein.
Ein hier beschriebenes Bauelement ist gleichermaßen geeignet für kaltweiße Anwendungen bei z.B. 5700 K oder 6500 K und für warmweiße Anwendungen bei z. B. 3200 K sowie für Anwendungen, bei denen ein Farbwiedergabeindex Ra von größer oder gleich 80, insbesondere von größer oder gleich 90 gewünscht ist. Bei einem so hohen Farbwiedergabeindex liegt ein vergleichsweise hoher Rotanteil im Emissionsspektrum vor, wobei typische rote Leuchtstoffe durch den größeren Stokes-Shift und stärkeres thermisches Quenchen besonders empfindlich gegenüber hohen Betriebsströmen und Betriebstemperaturen sind. Mit dem hier beschriebenen Bauelement können solch hohe Stromdichten und/oder hohe Betriebstemperaturen realisiert werden, da das hier beschriebene Konversionselement die entstehende Wärme gut ableiten kann, insbesondere aufgrund seines direkten Kontakts zu dem Halbleiterchip. Im Vergleich zu herkömmlichen Konversionsplättchen, die beispielsweise Silikon als Matrixmatrixmaterial haben, ist das eine deutliche Verbesserung, da Silikon eine geringe thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit aufweist, womit solche Konversionsplättchen nur für Anwendungen bis 150°C und Stromdichten von weniger als 1 A/mm2 geeignet sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Auflagefläche des Konversionselements gleich oder kleiner als die Strahlungsaustrittsfläche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip Seitenflächen auf, und die Seitenflächen sind frei von dem Konversionselement. Unter den Seitenflächen des Halbleiterchips sollen hier und im Folgenden die Bereiche verstanden werden, die weitgehend senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Halbleiterchips verlaufen und die Deckfläche mit der Unterseite des Halbleiterchips verbinden. Insbesondere umfassen die Seitenflächen nicht die Strahlungsaustrittsfläche. Ein Effizienzverlust über die Seitenflächen des Chips kann somit vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Seitenflächen auf, die eine mittlere Rauigkeit von weniger als 2 pm, insbesondere von weniger als 1 pm, aufweisen und/oder keine Sägespuren aufweisen. Die Seitenflächen des Konversionselements verlaufen insbesondere weitgehend senkrecht zu der Auflagefläche des Konversionselements. Somit weisen die Seitenflächen des Konversionselements besonders glatte Oberflächen auf. Eine glatte Oberfläche der Seitenflächen des Konversionselements kann zu einer verminderten Emission über die Seitenflächen führen. Zudem wird durch eine glatte Oberfläche des Konversionselements sichergestellt, dass keine Partikel, insbesondere Leuchtstoffpartikel, die in dem Matrixmaterial des Konversionselements eingebettet sind, an das Konversionselement angrenzende Elemente beschädigen. Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlich verwendeten Konversionsplättchen, welche durch Spaltbrechen oder Sägen vereinzelt werden und eine deutlich rauere Oberfläche an ihren Seitenflächen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Seitenflächen auf, die abgerundete Ecken aufweisen. Zwei aufeinandertreffende Seitenflächen bilden somit keine klar definierte Ecke aus, welche beispielsweise keinen 90° Winkel hat, sondern eine abgerundete Ecke, welche einen Radius aufweist. Ein solcher Radius kann in dem Bereich einschließlich 0,04 mm bis einschließlich 0,1 mm, insbesondere in dem Bereich einschließlich 0,05 mm bis einschließlich 0,06 mm liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Querschnittsfläche auf, die sich von der Auflagefläche in Richtung der von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements hin verjüngt. Durch eine derartige konische Geometrie kann eine gewisse Lichtleitung, insbesondere eine Verkleinerung der strahlungsemittierenden Fläche und eine Erhöhung der Leuchtdichte, also eine Bündelung der emittierten Strahlung, bewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Querschnittsfläche auf, die sich von einer von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements in Richtung Auflagefläche verjüngt. Durch eine derartige konische Geometrie kann eine gewisse Lichtleitung, insbesondere eine Aufweitung der emittierten Strahlung, bewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Dicke auf, die kleiner oder gleich 150 pm, insbesondere kleiner oder gleich 100 pm, ist. Insbesondere kann die Dicke kleiner oder gleich 35 pm, beispielsweise kleiner oder gleich 25 pm sein. Die genaue Dicke kann auf die Leuchtstoffpartikelgröße und den gewünschten Konversionsgrad abgestimmt sein. Eine Dicke von weniger als 25 pm kann beispielsweise für kaltweiße Emission verwendet werden, bei Orangetönen kann eine Dicke von etwa 80 pm bis 90 pm gewählt werden. Damit kann das Konversionselement besonders dünn ausgebildet sein, was beispielsweise zu einer verringerten Seitenemission führt und für eine gute thermische Anbindung des Konversionselements an den Halbleiterchip sorgt. Die Dicke des hier beschriebenen Konversionselements ist insbesondere reduziert gegenüber bisherig verwendeten Konversionsplättchen, die auf einer Glasplatte oder Folie erzeugt werden und nach ihrer Fertigstellung erst auf den Halbleiterchip mittels einer Klebeschicht befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Dicke auf, die größer oder gleich 10 pm ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Vol%, insbesondere von größer oder gleich 50 Vol% auf. Der Feststoffanteil wird gemäß einer Ausführungsform durch Feststoffpartikel gebildet, die zu bis zu 100% Leuchtstoffpartikel sind. Damit weist das Matrixmaterial also einen hohen Feststoffanteil auf, was sich positiv auf die Temperatur-, Strahlungs- und chemische Beständigkeit des Konversionselements auswirkt. Der Feststoffanteil kann neben Leuchtstoffpartikeln aus Mikro-Partikel/-Füllern und/oder Nanopartikel/-füller gebildet sein. Mit anderen Worten können die Leuchtstoffpartikel teilweise durch nicht-konvertierende Mikro- oder Nanopartikel ersetzt sein, um beispielsweise den Farbort bei gleicher Dicke der Konversionsschicht anzupassen und/oder steuern zu können. Beispielsweise ist das Konversionselement bei bis zu 220°C und bis zu 6 W/mm2 langzeitstabil .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen organischen Anteil auf, der kleiner als 40 Gew%, insbesondere kleiner als 20 Gew% ist. Ein geringer organischer Anteil trägt insbesondere zur Langzeitstabilität des Konversionselements und damit des Bauelements bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial eine Shore D-Härte auf, die größer als 50 ist. Somit kann das Konversionselement, beispielsweise die von dem Halbleiterchip abgewandte Seite des Konversionselements, gut nachbearbeitet werden, beispielsweise geschliffen oder poliert werden. Auch Modifikationen des Konversionselements, beispielsweise auf der von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements, sind denkbar. So kann dieses Konversionselement gut mit einer weiteren Schicht, einem Plättchen oder einer Strukturierung versehen werden. Zudem weist das Konversionselement aufgrund seiner Härte eine hohe mechanische Stabilität auf, was beispielsweise vorteilhaft ist, wenn bereits aufgebrachte Konversionselemente durch Sägen voneinander getrennt werden sollen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Matrixmaterial ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan auf. Ein solches Polyorganosiloxan geht aus einem Vorläufermaterial hervor, welches eine Härtungstemperatur aufweist, die den Halbleiterchip nicht beschädigt und gut an diesen anbindet bzw. haftet. Eine solche Härtungstemperatur ist beispielsweise kleiner oder gleich 220 °C. Somit kann zur Herstellung des Konversionselements, ein Vorläufermaterial des Matrixmaterials direkt auf den Halbleiterchip aufgebracht und dort gehärtet werden. Dadurch entsteht insbesondere eine im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen verbesserte und effizientere Wärmeanbindung des Konversionselements an den Halbleiterchip. Weiterhin kann das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan nach der Härtung riss- und porenfrei ausgeformt sein, insbesondere, wenn es einen hohen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Vol% aufweist. Ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan ist darüber hinaus gut wärmeleitend, insbesondere, wenn es einen geringen organischen Anteil, beispielsweise von weniger als 40 Gew% aufweist.
Weiterhin ist es möglich, das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan mit einem hohen Anteil an Leuchtstoffpartikeln, insbesondere mit einem Anteil von größer 45 Vol%, zu füllen und damit eine hohe Temperatur-, Strahlungs- und chemische Beständigkeit des Konversionselements zu bewirken. Nach seiner Härtung weist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan eine ausreichende Härte auf, die eine mechanische Weiterbearbeitung und/oder Modifikation des Konversionselements erlaubt. Auch die Dicke des Konversionselements kann beispielsweise durch Schleifen präzise eingestellt und damit insbesondere der genaue Farbort der konvertierten Strahlung eingestellt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan folgende Wiederholeinheit auf:
Figure imgf000014_0001
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c = l, 0,65 ≤ a d 1 und 0 ≤ b + c d 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T1 und T2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan ermöglicht weiterhin das Einbetten verschiedener Leuchtstoffpartikel. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel ausgewählt aus der Gruppe: (RE1-xCex)3(Al1-yA'y)5O12 mit 0 < x ≤ 0.1 und 0 ≤ y ≤ 1,
(RE1-xCex)3(Al5-2yMgySiy)O12mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 2,
(RE1-xCex)3Al5-ySiyO12-yNy mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5,
(RE1-xCex)2CaMg2Si30i2:Ce3+ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE1-xEUx)2Si5N8 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)AlSiN3 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)2Al2Si2N6 mit 0 < x ≤ 0,1, (Sri-xEUx)LiAl3N4 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)3Ga3N5 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)Si2O2N2 mit 0 < x ≤ 0,1, (AExEUy)Si12-2x-3yAl2x+3yOyN16-y mit 0,2 ≤ x ≤ 2,2 und 0 < y ≤ 0,1, (AE1-xEUx)2SiO4 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)3Si2O5 mit 0 < x ≤ 0,1,
K2 (Si1-x-yTiyMnx)F6 mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 < y ≤ 1-x, (AE1-xEUx)5 (PO4)3C1 mit 0 < x ≤ 0,2, (AE1-xEUx)Al10O17 mit 0 < x ≤ 0,2 und Kombinationen daraus. Dabei ist RE zumindest eines aus Y, Lu, Tb und Gd, AE ist zumindest eines aus Mg, Ca, Sr, Ba, A' zumindest eines aus Sc und Ga, wobei die Leuchtstoffpartikel optional ein oder mehrere Halogene enthalten können.
Damit ermöglicht das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan eine ähnliche Flexibilität hinsichtlich der Farbortwahl wie eine herkömmliche Silikonmatrix, und eine überlegene Flexibilität hinsichtlich der Farbortwahl im Vergleich zu Konversionskeramiken als auch zu Konvertern, bei denen Leuchtstoffpartikel in Glas eingebettet sind, hat aber eine verbesserte optische und thermische Performance und Temperaturbeständigkeit gegenüber einer herkömmlichen Silikonmatrix .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan aus einem Vorläufermaterial hergestellt, das ein alkoxyfunktionalisiertes, insbesondere methoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz umfasst. Damit weist das daraus hergestellte dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan einen geringen organischen Anteil von weniger als 40 Gew%, insbesondere weniger als 20 Gew% auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Vorläufermaterial folgende Wiederholeinheit auf:
Figure imgf000016_0001
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c = l, 0,65 ≤ a d 1 und 0 ≤ b + c d 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T1 und T2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement weiterhin Füllstoffe auf. Die Füllstoffe können aus der Gruppe
- Oxide, beispielsweise SiO2, insbesondere Nano-SiO2 und Mikro-SiO2, ZrO2, TiO2, AI2O3 und ZnO, Nitride, beispielsweise AIN, Si3N4, BN und GaN,
- Kohlenstoff-basierte Füllstoffe, beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Graphen und deren Derivate, Heteropolysäuren, beispielsweise 12-Wolframphosphorsäure (H3PW12O40) und 12-Wolframsilicylsäure (H4SiW12O40 )
- metallorganische Komponenten, beispielsweise Alkoxide von Silizium, Titan, Zirkon, Aluminium und/oder Hafnium,
- organische Moleküle, beispielsweise Haftvermittler, Entschäumer, Verdickungsmittel, Verdünnungsmittel und Weichmacher,
- organische und anorganische Polymere, beispielsweise Poly (dimethylsiloxan), Poly (methylphenylsiloxan), Poly (diphenylsiloxan) und Polysilsesquioxan (PSQ), und Kombinationen daraus ausgewählt sein. Die oben genannten anorganischen Nanopartikel können an ihrer Oberfläche mit Beschichtungsmaterial versehen sein, um eine bessere Mischbarkeit mit dem Vorläufermaterial zur Herstellung des Matrixmaterials des Konversionselements zu erzielen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Damit sind die Anschlüsse auf der nicht emittierenden Seite des Halbleiterchips vorhanden und können dort leitfähig aufgelötet oder aufgeklebt sein. Ein solcher Halbleiterchip kann auch als Flipchip bezeichnet werden und ist gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombinierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der der Strahlungsaustrittfläche zugewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Solche Halbleiterchips weisen insbesondere eine isolierende Klebung bzw. Lötung zu ihrem Untergrund, beispielsweise ein Substrat auf, und sind gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombinierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei die Anschlüsse auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips und auf der der Strahlungsaustrittfläche zugewandten Seite des Halbleiterchips vorhanden sind. Die Anschlüsse befinden sich also auf verschiedenen Seiten des Halbleiterchips. Beispielsweise befindet sich ein Bondpad auf der der Strahlungsaustrittsfläche zugewandten Seite des Halbeiterchips und eine leitfähige Lötung oder Klebung auf der von der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips. Auch ein solcher Halbleiterchip kann gut mit dem hier beschriebenen Konversionselement kombiniert werden.
Die Möglichkeit, das hier beschriebene Konversionselement mit verschiedenen Halbleiterchiptypen zu kombinieren, begründet sich unter anderem darin, dass das Konversionselement als Teilbeschichtung aufgebracht werden kann und somit gezielt dunkle Bereiche, insbesondere Randbereiche, und/oder Bereiche zur Kontaktierung des Halbleiterchips frei von dem Konversionselement gelassen werden können.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements angegeben. Das Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, ein hier beschriebenes Bauelement herzustellen. Sämtliche in Verbindung mit dem Bauelement genannten Merkmale gelten somit auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren mindestens ein Halbleiterchip bereitgestellt, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert. Unter mindestens einem Halbleiterchip soll verstanden werden, dass mit dem Verfahren ein einzelner Halbleiterchip mit einem Konversionselement versehen werden kann sowie auch mehrere Halbleiterchips gleichzeitig. Wenn mehrere Halbleiterchips gleichzeitig mit Konversionselementen versehen werden, können die Halbleiterchips auch miteinander verbunden vorliegen, und nach dem Aufbringen der Konversionselemente vereinzelt werden. Das Verfahren ermöglicht somit eine Multichipbeschichtung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren weiterhin ein Vorläufermaterial aufgebracht, in dem Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren. Das Aufbringen erfolgt direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips .
Unter einem Vorläufermaterial ist ein Material zu verstehen, dass durch eine chemische Reaktion, die durch äußere Einflüsse eingeleitet wird, zu dem gewünschten Material reagiert, das in dem fertiggestellten Bauelement vorhanden ist. Äußere Einflüsse können zum Beispiel eine Temperaturerhöhung oder eine Bestrahlung umfassen. Bei dem Vorläufermaterial kann es sich beispielsweise um alkoxyfunktionalisiertes , insbesondere methoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz handeln. Solche Vorläufermaterialien können zu einem dreidimensional vernetzten Polyorganosiloxan reagieren.
Unter dem direkten Aufbringen soll verstanden werden, dass das Vorläufermaterial in unmittelbaren Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips gebracht wird, so dass es mit dem Halbleiterchip eine gemeinsame Grenzfläche aufweist und sich spaltlos an die Deckfläche des Halbleiterchips anschmiegt. Auf eine Kleberschicht kann somit verzichtet werden. Das ist insbesondere dadurch möglich, dass das Vorläufermaterial eine gewisse Klebrigkeit aufweist, die für eine Fixierung des Vorläufermaterials auf dem gewünschten Bereich des Halbleiterchips sorgt. „Auf zumindest einen Teil einer Deckfläche" soll bedeuten, dass die gesamte Deckfläche des Halbleiterchips mit dem Vorläufermaterial beschichtet wird oder nur eine Teilbeschichtung stattfindet, bei der gezielt Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips frei von Vorläufermaterial gelassen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des Vorläufermaterials mit einer Methode, die ausgewählt ist aus Rakeln, Sprühen und Drucken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Vorläufermaterial, in dem die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, in Form einer homogenen Mischung aufgebracht, wobei die Mischung weitere Füllstoffe aufweisen kann. Mögliche Füllstoffe sowie auch Leuchtstoffpartikel sind bereits in Bezug auf das Bauelement genannt und gelten für das Verfahren ebenso.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in dem Verfahren weiterhin das Vorläufermaterial zur Bildung eines Konversionselements gehärtet, das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht. Während der Härtung bildet sich aus dem Vorläufermaterial somit das Matrixmaterial, in dem die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, und das weitgehend oder vollständig frei von Poren und Rissen ist. Das Konversionselement ist dann auf dem Bereich der Deckfläche des Halbleiterchips fixiert, auf den das Vorläufermaterial zuvor aufgebracht wurde. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements angegeben, mit den Verfahrensschritten
- Bereitstellen mindestens eines Halbleiterchips, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche emittiert,
- Aufbringen eines Vorläufermaterials, in dem Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche umfassenden Deckfläche des Halbleiterchips,
- Härten des Vorläufermaterials zur Bildung eines Konversionselements, das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement eine Auflagefläche aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche des Halbleiterchips, und die Auflagefläche vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche des Halbleiterchips steht.
Das Verfahren ist besonders einfach und kostengünstig durchführbar, da auf eine zwischen Halbleiterchip und Konversionselement vorhandene Kleberschicht verzichtet werden kann. Ein Klebeprozess ist somit nicht notwendig. Zudem ist in dem hergestellten Bauelement keine Klebeschicht vorhanden, die eine Wärme- und/oder optische Barriere zwischen Konversionselement und Halbleiterchip darstellen würde.
Weiterhin kann das Vorläufermaterial gezielt auf emittierende und/oder reflektierende Bereiche des Halbleiterchips aufgebracht werden, und damit die Geometrie der aktiven Fläche abgebildet werden und beispielsweise dunkle Randbereiche frei von dem Konversionselement gelassen werden. Das führt zu einer Reduzierung des Effizienzverlusts. Weitere Vorteile des mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Bauelements wurden bereits bezüglich des Bauelements dargestellt und gelten für das mit dem Verfahren hergestellte Bauelement gleichermaßen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Härten bei einer Temperatur, die kleiner oder gleich 220°C ist. Damit wird eine Temperatur zum Härten verwendet, die keine schädigende Wirkung auf den Halbleiterchip und temperaturempfindliche Leuchtstoffe wie zum Beispiel nitridische Leuchtstoffe hat. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Härten für eine Zeitspanne von kleiner oder gleich 5h, insbesondere kleiner oder gleich 2h.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Halbleiterchips bereitgestellt, welche nach dem Aufbringen und Härten des Vorläufermaterials vereinzelt werden. Mit dem Verfahren ist somit eine Multichipbeschichtung realisierbar. Weiterhin führt das Vereinzeln zu Halbleiterchips mit darauf angeordneten Konversionselementen, welche glatte Seitenflächen aufweisen. Die Seitenflächen des Konversionselements weisen nach der Vereinzelung beispielsweise eine Rauigkeit von weniger als 2 pm, insbesondere weniger als 1 pm auf. Aufgrund der Härte des Matrixmaterials können die Konversionselemente gut mechanisch getrennt werden, beispielsweise durch Sägen. Alternativ ist eine Trennung bzw. Vereinzelung der Konversionselemente gar nicht notwendig, wenn das Vorläufermaterial so aufgebracht wird, dass die Auflagefläche des Konversionselements kleiner als die Deckfläche des Halbleiterchips ist. In diesem Fall werden nur die Halbleiterchips vereinzelt. Auch in dieser Variante werden Konversionselemente bereitgestellt, die ihre glatten Seitenflächen bereits durch den Herstellungsprozess erhalten. Wenn nur die Halbleiterchips vereinzelt werden müssen, führt das nochmals zu einem Kostenvorteil, da das Sägen der Konversionselemente und der damit einhergehende Verschleiß vermieden werden. Weiterhin können damit Bauelemente mit besonders guter optischer Performance durch sehr glatte Seitenflächen der Konversionselemente bereitgestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Dicke und Form des Konversionselements während des Aufbringens und/oder des Härtens des Vorläufermaterials eingestellt. Beispielsweise kann das Vorläufermaterial auf zumindest Bereiche der Deckfläche des Halbleiterchips aufgebracht werden, dort bei einer ersten Temperatur vorgehärtet werden und in diesem Zustand mechanisch, beispielsweise durch Schleifen, auf die gewünschte Dicke gebracht werden. Anschließend kann das Material dann bei einer zweiten Temperatur, die insbesondere größer als die erste Temperatur ist, vollständig zu dem Matrixmaterial ausgehärtet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Vorläufermaterial während des Aufbringens strukturiert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Lithographieprozesses erfolgen. So kann vor dem Aufbringen des Vorläufermaterials eine Fotolackschicht auf die Deckfläche des Halbleiterchips aufgebracht und mittels Belichtung strukturiert werden. Danach kann das Vorläufermaterial in die resultierenden Strukturen, also in die Bereiche auf der Deckfläche des Halbleiterchips, die frei von Fotolackschicht sind, eingefüllt und vorgehärtet werden. Nach einem weiteren Schritt, in dem die strukturierte Fotolackschicht beispielsweise chemisch entfernt wird, kann eine vollständige Härtung erfolgen. Mit einem derartigen Verfahren kann insbesondere eine konische Geometrie und/oder abgerundete Ecken des Konversionselements wie bereits oben beschrieben erzeugt werden. Beispielsweise kann die strukturierte Fotolackschicht eine Maske darstellen und das resultierende Konversionselement eine sich in eine von dem Halbleiterchip abwendende Richtung verbreiternde Querschnittsfläche aufweisen. Gemäß eines weiteren Beispiels kann mittels eines sogenannten LDI (laser direct imaging) Prozesses ein Konversionselement erzeugt werden, welches eine sich in eine von dem Halbleiterchip abwendende Richtung verjüngende Querschnittsfläche aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform vernetzt während des Härtens das Vorläufermaterial dreidimensional. Insbesondere, wenn als Vorläufermaterial ein alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz verwendet wird, bildet sich beim Härten ein dreidimensionales SiO2-Netzwerk mit einem niedrigen Anteil von weniger als 40 Gew%, insbesondere weniger als 20 Gew%, organischen Resten. In dieses Netzwerk sind Feststoffpartikel, die zu bis zu 100% Leuchtstoffpartikel sind, eingebettet. Der Feststoffanteil in dem Konversionselement beträgt beispielsweise mindestens 45 Voll, insbesondere mindestens 50 Voll.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen .
Figur 1 zeigt schematische Querschnittsansichten von
Konversionselementen gemäß Ausführungsbeispielen. Figuren 2, 3a bis c, 4a bis c, 5 und 6 zeigen schematische Querschnittsansichten von Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen .
Figuren 3d und 4d zeigen Draufsichten von Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen .
Figuren 7 und 8 zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen von Konversionselementen gemäß Ausführungsbeispielen.
Figur 9a bis c zeigen in schematischem Querschnitt Bauelemente gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Zur Herstellung eines Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterchip 10, insbesondere ein LED-Chip oder eine Vielzahl von Halbleiterchips in Form eines Chip-Wafers bereitgestellt. Auf die Deckfläche 12 des oder der Halbleiterchips 10 wird ein Vorläufermaterial, in dem Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind, bzw. eine homogene Mischung enthaltend das Vorläufermaterial, in dem Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind, direkt aufgebracht. Das Vorläufermaterial ist ein methoxyfunktionalisiertes
Polyorganosiloxanharz , das folgende Wiederholeinheit aufweist :
Figure imgf000026_0001
Dabei gilt a + b + c = l, 0,65 ≤ a d 1 und 0 ≤ b + c ≤ 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Phenyl und Kombinationen daraus. T1 und T2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar. Es wird eine homogene Mischung, die das Vorläufermaterial und weiterhin Nano-SiCt zur Einstellung der Rheologie und Mikro- SiCh als Füllstoffe zur Verbesserung der Verarbeitung umfasst, hergestellt. Die Mischung umfasst außerdem Leuchtstoffpartikel 1, welche ausgewählt sind aus der Gruppe: (RE1-xCex)3(Al1-yA'y)5O12mit 0 < x ≤ 0.1 und 0 ≤ y ≤ 1,
(RE1-xCex)3(AL5-2yMgySiy)O12 mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 2,
(RE1-xCex)3AL5-ySiyO12-yNy mit 0 < x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5,
(RE1-xCex)2CaMg2Si30i2:Ce3+ mit 0 < x ≤ 0,1,
(AE1-xEUx)2Si5N8 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)AlSiN3 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)2Al2Si2N6 mit 0 < x ≤ 0,1, (Sri-xEUx)LiAl3N4 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)3Ga3N5 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)Si2O2N2 mit 0 < x ≤ 0,1, (AExEUy)Si12-2x-3yAl2x+3yOyN16-y mit 0,2 ≤ x ≤ 2,2 und 0 < y ≤ 0,1, (AE1-xEUx)2SiO4 mit 0 < x ≤ 0,1, (AE1-xEUx)3Si2O5 mit 0 < x ≤ 0,1,
K2 (Si1-x-yTiyMnx)F6 mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 < y ≤ 1-x, (AE1-xEUx)5 (PO4)3C1 mit 0 < x ≤ 0,2,
Figure imgf000027_0003
und Kombinationen daraus. Dabei ist RE zumindest eines aus Y, Lu, Tb und Gd, AE ist zumindest eines aus Mg, Ca, Sr, Ba, A' zumindest eines aus Sc und Ga, wobei die Leuchtstoffpartikel optional ein oder mehrere Halogene enthalten können.
Die Mischung wird mittels Rakeln, Drucken oder Sprühen auf Bereiche der Deckfläche 12 (Teilbeschichtung) oder auf die ganze Deckfläche 12 des oder der Halbleiterchips 10 direkt aufgebracht. Bei einer Teilbeschichtung, werden beispielsweise die Bereiche des Halbleiterchips 10, die frei von einem Konversionselement 20 bleiben sollen, von einem Fotolack geschützt, der nach dem Aufbringen und Vorhärten des Vorläufermaterials wieder entfernt wird.
Nach dem Aufbringen des Vorläufermaterials bzw. der das Vorläufermaterial enthaltenden Mischung wird das Vorläufermaterial gehärtet, so dass ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan als Matrixmaterial 5 entsteht. Das Härten findet bei einer Temperatur von weniger oder gleich 220°C statt. Das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan weist folgende Wiederholeinheit auf:
Figure imgf000027_0001
In dieser allgemeinen Formel gilt a + b + c 1,
Figure imgf000027_0002
,65 ≤ a ≤ 1 und 0 ≤ b + c d 0,35 mit 0 ≤ b < 0,35 und 0 ≤ c < 0,35. Weiterhin ist R unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl,
Phenyl und Kombinationen daraus. T1 und T2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Methoxy und Kombinationen daraus. Die ... stellen die Verknüpfungspunkte zu weiteren Wiederholeinheiten dar.
Die Dicke des so hergestellten Konversionselements 20 beträgt je nach gewünschtem Farbort 10 pm bis 150 pm.
Figur 1 zeigt Querschnitte von Ausführungsbeispielen von Konversionselementen 20, welche wie oben dargestellt hergestellt werden. Die Konversionselemente 20 werden hier zur besseren Darstellbarkeit von Details ohne die Halbleiterchips 10, auf denen sie direkt aufgebracht sind, gezeigt.
Ein Konversionselement 20 enthält ein Matrixmaterial 5, in dem die Leuchtstoffpartikel 1 eingebettet sind. In Figur la ist zudem noch die Auflagefläche 21 gezeigt, die in direktem Kontakt zu der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10 (hier nicht gezeigt) steht. Das Konversionselement 20 der Figur la weist planparallele Seitenflächen 25 auf, welche senkrecht zur Auflagefläche 21 stehen.
Die Figuren 1b und 1c zeigen zwei alternative Geometrien des Konversionselements 20. Im Unterschied zur Figur la ist hier zusätzlich die Querschnittsfläche 26 des Konversionselements gezeigt, welche sich in Figur 1b von der Auflagefläche 21 zu der von der Auflagefläche 21 gegenüberliegenden Seite (die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Seite) hin verjüngt.
Eine solche konische Geometrie ermöglicht beispielsweise eine Strahlungsbündelung im Betrieb des Bauelements 100. In Figur 1c weist das Konversionselement 20 ebenfalls eine konische Geometrie auf, allerdings vergrößert sich die Querschnittsfläche 26 des Konversionselements 20 mit zunehmendem Abstand von der Auflagefläche 21. Eine solche Geometrie ermöglicht beispielsweise eine Strahlungsaufweitung im Betrieb des Bauelements 100.
Figur 2 zeigt schematische Querschnitte von Ausführungsbeispielen von Bauelementen 100, welche die in Figur 1 gezeigten Konversionselemente 20 enthalten. Gezeigt ist jeweils ein Halbleiterchip 10, auf dessen Deckfläche 12 in direktem Kontakt, kleberlos und spaltlos angeschmiegt die Auflagefläche 21 des Konversionselements 20 aufgebracht ist. Damit wird eine gute Wärmeleitung zwischen Konversionselement 20 und Halbleiterchip 10 gewährleistet. Die Deckfläche 12 umfasst auch die Strahlungsaustrittsfläche 11 des Halbleiterchips 10, kann aber auch größer sein als diese. Figur 2a zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß Figur la, Figur 2b zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß Figur 1b und Figur 2c zeigt das Bauelement 100 mit dem Konversionselement 20 gemäß Figur 1c. Weiterhin gezeigt sind die Seitenflächen 15 des Halbleiterchips 10, die frei von dem Konversionselement 20 sind.
Figuren 3a bis c und 4a bis c zeigen schematische Querschnitte von Bauelementen 100, bei denen das Konversionselement 20 jeweils als Teilbeschichtung auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht ist. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nicht alle in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bezugszeichen wiedergegeben, gelten aber für die Figuren 3 und 4 analog. Die Figuren 3d und 4d zeigen die Bauelemente 100 jeweils in Draufsicht.
In den Figuren 3a und 4a ist das Konversionselement 20 der Figur la, in den Figuren 3b und 4b ist das Konversionselement 20 der Figur 1b und in den Figuren 3c und 4c ist das Konversionselement 20 der Figur 1c auf dem Halbleiterchip 10 gezeigt. Das Konversionselement 20 ist jeweils als Teilbeschichtung auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht. Gemäß der Draufsicht in Figur 3d sind Flächen für elektrische Anschlüsse 40 (Bondpads bzw. Bondbars) sowie Sägegräben 41 frei von dem Konversionselement 20. Das Konversionselement 20 bedeckt die Strahlungsaustrittsfläche 11 sowie dunkle Randbereiche (Mesa-Ränder) 42 der Deckfläche des Halbleiterchips 10 und ist zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt .
In Figur 4 erstreckt sich das Konversionselement 20 nur auf die Strahlungsaustrittsfläche 11, die zur Verdeutlichung in den Figuren 4a bis 4c als schraffierte Schicht dargestellt ist. Figur 4d zeigt diese Anordnung des Konversionselements 20 wieder in Draufsicht auf das Bauelement 100, wo das Konversionselement 20 schraffiert dargestellt ist.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante des Bauelements 100. Hier erstreckt sich das Konversionselement 20 nur auf einen Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche 11, die in den Figuren 5a bis 5c wieder zur Veranschaulichung als zusätzliche Schicht dargestellt ist. Auf dem Halbleiterchip 10 der Figur 5a befindet sich das Konversionselement gemäß Figur la, auf dem Halbleiterchip 10 der Figur 5b befindet sich das Konversionselement gemäß Figur 1b und auf dem Halbleiterchip 10 der Figur 5c befindet sich das Konversionselement gemäß Figur 1c.
Ein weiterer Unterschied zu den Bauelementen 100 der vorherigen Figuren ist, dass in Figur 5 noch ein Verguss 30 gezeigt ist, der sowohl Halbleiterchip 10 als auch Konversionselement 20 seitlich umschließt. Der Verguss 30 kann verschiedene Geometrien und Füllhöhen aufweisen. Der Verguss 30 kann mit dem Konversionselement 20 abschließen, wie in Figur 5a gezeigt, oder über das Konversionselement 20 hinausragen (Figuren 5b und 5c). Weiterhin kann der Verguss 30 planparallele Seitenwände aufweisen (Figur 5a) oder in Richtung Konversionselement 20 abgeschrägte Seitenwände aufweisen (Figuren 5b und 5c). Der Verguss kann beispielsweise aus Silikon oder Epoxidharz gebildet sein und optional mit beispielsweise TiO2 gefüllt sein. In einer weiteren Ausgestaltung können neben beispielweise TiO2 auch weitere Füllstoffe enthalten sein.
Figur 6 zeigt in schematischem Querschnitt einen Halbleiterchip-Wafer, als eine Vielzahl zusammenhängender Halbleiterchips 10, auf den bereits Konversionselemente 20 aufgebracht sind. Nach Vereinzelung werden somit mittels Multichipbeschichtung eine Vielzahl von Bauelementen 100 erhalten .
Figur 7 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Konversionselements 20 in Draufsicht. Es ist zu erkennen, dass der Bereich für elektrische Anschlüsse 40 (Bondbars) sowie Sägegräben 41 frei von Konversionselement 20 ist. Das Konversionselement 20 bedeckt somit nur die Strahlungsaustrittsfläche 11. Die Größe des Konversionselements 20 beträgt etwa 1 mm2. Der darunterliegende Halbleiterchip 10 ist in dieser Aufnahme noch nicht vereinzelt, die Konversionselemente 20 wurden also mittels Multichipbeschichtung hergestellt. Die Ecken des Konversionselementes 20 sind abgerundet und die Seitenflächen 25 der Konversionselemente 20 erscheinen gerade und intakt, d.h. es sind keine Ausbrüche (Chipping) zu erkennen. Figur 8 zeigt zur Figur 7 vergleichbare Konversionselemente 20 noch in Schrägansicht vor der Vereinzelung des Halbleiterchips 10, also nach der Multichipbeschichtung. Es handelt sich dabei um Konversionselemente 20, die eine wie bezüglich Figur 1b beschriebene Geometrie aufweisen und eine Größe von etwa 1 mm2 haben. Zu erkennen sind hier neben den abgerundeten Ecken auch die glatten, klar strukturierten und intakten Oberflächen der Seitenflächen 25 des Konversionselements. Die Dicke des Konversionselementes liegt in diesem Fall bei 25-30 pm. Eingebettet sind Granat- Leuchtstoffpartikel 1 für eine kaltweiße Applikation.
Figur 9 zeigt in schematischem Querschnitt Bauelemente 100 mit verschiedenen Typen an Halbleiterchips 10, die mit den hier beschriebenen Konversionselementen 20 kombiniert werden können. In den Figuren 9a bis c sind jeweils Konversionselemente 20 gemäß Figur la auf dem Halbleiterchip 10 aufgebracht. Es ist aber jede Kombination von hier beschriebenen Konversionselementen 20 mit den verschiedenen Halbleiterchiptypen ebenso möglich. In den Figuren 9a bis c sind die Halbleiterchips 10 jeweils mit elektrischen Anschlüssen 40 versehen, welche beide auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden sein können (Flipchip-Bauweise, Figur 9a). In diesem Fall kann die Deckfläche 12 vollständig von dem Konversionselement 20 bedeckt sein, eine Teilbeschichtung ist aber ebenso denkbar. Die elektrischen Anschlüsse 40 können auch auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden sein (Figur 9b) und beide auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips vorhanden sein (Figur 9c). Ausführungsbeispiel 1: Bauelement 100 mit LED-Flipchip 10 mit Konversionselement 20 für kaltweiße Anwendungen
Eine homogene Mischung enthaltend alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz als Vorläufermaterial, Nano-SiCt, optional Mikro-SiCt und Leuchtstoffpartikel 1, die ein oder mehrere gelb emittierende Granatleuchtstoffe zur Erzeugung einer kaltweißen Emission umfassen, wird durch Sprühen ganzflächig auf die Deckfläche 12 eines LED-Halbleiterchips 10 in Flipchip-Bauweise (d.h. alle elektrischen Anschlüsse 40 zur elektrischen Kontaktierung sind auf der von dem Konversionselement 20 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 vorhanden) oder eines LED-Halbleiterchip-Wafers in Flipchipbauweise aufgebracht und bei maximal 150°C für mehrere Stunden ausgehärtet. Die Schichtdicke des resultierenden Konversionselements 20 beträgt für diesen Farbort 10 bis 100 pm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1. Das Aufbringen der homogenen Mischung ist auch durch einen Rakelprozess oder Drucken möglich.
Falls Bereiche der Deckfläche 12 frei von dem Konversionselement 20 sein sollen, kann dieses partiell dort auch wieder entfernt werden. Alternativ können diese Bereiche auch durch einen Fotolack geschützt werden, der nach dem Aufbringen der homogenen Mischung und Bilden des Konversionselements 20 wieder entfernt wird.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 2: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 und mit Konversionselement 20 auf der Deckfläche 12 für kaltweiße Anwendungen
Alle Bereiche der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, die ohne Konversionselement 20 bleiben sollen, wie z.B. das Bondpad/-bar als elektrischer Anschluss 40 für die elektrische Kontaktierung auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, und optional die Sägegräben 41 und optional die dunklen nicht lichtemittierende Bereiche auf der Deckfläche 12 des Halbleiterchips 10, werden durch einen Fotolack geschützt. Dann wird eine homogene Mischung enthaltend alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz als Vorläufermaterial, Nano-SiCt, optional Mikro-SiCL und Leuchtstoffpartikel 1, die ein oder mehrere gelb emittierende Granatleuchtstoffe zur Erzeugung einer kaltweißen Emission umfassen, durch einen Rakelprozess oder Drucken auf die Deckfläche 12 eines LED-Halbleiterchips 10 oder LED- Halbleiterchips-Wafers aufgebracht und bei max. 120°C für eine Stunde gehärtet. Nach dem Entfernen des Fotolacks kann das resultierende Konversionselement 20 nochmals bei höherer Temperatur beispielsweise bei 220°C nachgehärtet werden. Die Schichtdicke des Konversionselements beträgt für diesen Farbort 10 bis 100 pm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1. Das Aufbringen der homogenen Mischung ist auch durch Sprühen möglich . Alternativ ist auch eine komplette Beschichtung der Deckfläche 12 mit der homogenen Mischung in Kombination mit einer nachträglichen partiellen Entfernung des Konversionselements 20 denkbar.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 3: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 auf der Deckfläche 12 und auf der von der Deckfläche 12 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 und mit Konversionselement 20 auf der Deckfläche 12 für orangefarbene (Amber) Anwendungen
Die Herstellung des Bauelements erfolgt wie in Ausführungsbeispiel 2, jedoch mit einer Leuchtstoffmischung für Amber (grün- und rot emittierende Leuchtstoffpartikel 1). Die Schichtdicke der Konversionsschicht beträgt für diesen Farbort 30 bis 150 pm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Ausführungsbeispiel 4: Bauelement 100 mit LED-Halbleiterchip 10 mit elektrischem Anschluss 40 nur auf der Deckfläche 12 mit Konversionselement 20 für warmweiße Anwendungen
Die Herstellung des Bauelements erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 3, jedoch mit einem hinsichtlich der elektrischen Anschlüsse 40 anderen Chiptyp und mit einer Leuchtstoffmischung für Warmweiß enthaltend ein oder mehrere verschiedene grün und rot emittierende Leuchtstoffpartikel 1. Die Schichtdicke des Konversionselements 20 beträgt für diesen Farbort 20 bis 120 pm, abhängig von der genauen Zusammensetzung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel 1.
Eine anschließende Oberflächenbeschichtung des Konversionselements 20 mit z. B. einer optischen Beschichtung (beispielsweise eine Antireflexionsschicht (AR) oder eine Schicht zur Verbesserung der Farbe-über-Winkel (COA)) ist möglich. Je nach gewünschten Eigenschaften kann die von dem Halbleiterchip 10 abgewandte Oberfläche des Konversionselements 20 rau oder glatt gestaltet werden als auch die Dicke des Konversionselements 20 nachjustiert werden.
Die anschließende Oberflächenbeschichtung kann jeweils auch eine Mehrfachbeschichtung sein, es können also mehrere gleiche oder unterschiedliche Beschichtungen auf das Konversionselement 20 erfolgen. Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021131112.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Leuchtstoffpartikel
5 Matrixmaterial 10 Halbleiterchip
11 Strahlungsaustrittsfläche
12 Deckfläche
15 Seitenfläche des Halbleiterchips
20 Konversionselement 21 Auflagefläche
25 Seitenfläche des Konversionselements
26 Querschnittsfläche des Konversionselements
30 Verguss
40 Anschluss 41 Sägegraben
42 Randbereich
100 Bauelement

Claims

37
Patentansprüche
1. Strahlungsemittierendes Bauelement (100), aufweisend einen Halbleiterchip (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert, und ein Konversionselement (20) auf einer die Strahlungsaustrittsfläche (11) umfassenden Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), das ein Matrixmaterial (5) und darin eingebettete Leuchtstoffpartikel (1), die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, enthält, wobei das Konversionselement (20) eine Auflagefläche (21) aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), und die Auflagefläche (21) vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10) steht, wobei das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche
(26) aufweist, die sich von der Auflagefläche (21) in Richtung der von dem Halbleiterchip (10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) hin verjüngt, oder wobei das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche (26) aufweist, die sich von einer von dem Halbleiterchip (10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) in Richtung Auflagefläche (21) verjüngt, und/oder wobei das Konversionselement (20) Seitenflächen (25) aufweist, die abgerundete Ecken aufweisen.
2. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auflagefläche (21) gleich oder kleiner als die Strahlungsaustrittsfläche (11) ist.
3. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) Seitenflächen (15) aufweist, und die Seitenflächen (15) frei von dem Konversionselement (20) sind.
4. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) Seitenflächen (25) aufweist, die eine mittlere Rauigkeit von weniger als 2 pm aufweisen und/oder keine Sägespuren aufweisen.
5. Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) nur auf Teilbereichen des Halbleiterchips (10) aufgebracht ist.
6. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Randbereich der Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10) frei von dem Konversionselement (20) ist, wobei der Randbereich eine Breite aufweist, die ausgewählt ist aus dem Bereich einschließlich 10 pm bis einschließlich 12 pm.
7. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 150 pm ist, und/oder die größer oder gleich 10 pm ist.
8. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (20) einen Feststoffanteil von größer oder gleich 45 Voll aufweist.
9. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) einen organischen Anteil aufweist, der kleiner als 40 Gew% ist.
10. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) eine Shore D-Härte aufweist, die größer als 50 ist.
11. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (5) ein dreidimensional vernetztes Polyorganosiloxan ist.
12. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das dreidimensional vernetzte Polyorganosiloxan aus einem Vorläufermaterial hergestellt ist, das ein alkoxyfunktionalisiertes Polyorganosiloxanharz umfasst .
13. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der von der Strahlungsaustrittsfläche (11) abgewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
14. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der der der Strahlungsaustrittfläche (11) zugewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
15. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin aufweisend Anschlüsse (40) zur elektrischen Kontaktierung, wobei die Anschlüsse (40) auf der von der Strahlungsaustrittsfläche (11) abgewandten Seite des Halbleiterchips (10) und auf der der Strahlungsaustrittfläche (11) zugewandten Seite des Halbleiterchips (10) vorhanden sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements (100) mit den Verfahrensschritten
- Bereitstellen mindestens eines Halbleiterchips (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert,
- Aufbringen eines Vorläufermaterials, in dem Leuchtstoffpartikel (1) eingebettet sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertieren, direkt auf zumindest einen Bereich einer die Strahlungsaustrittsfläche (11) umfassenden Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10),
- Härten des Vorläufermaterials zur Bildung eines Konversionselements (20), das ein Matrixmaterial (5) und die darin eingebetteten Leuchtstoffpartikel (1) aufweist, wobei das Konversionselement (20) eine Auflagefläche (21) aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10), und die Auflagefläche (21) vollständig in direktem Kontakt mit der Deckfläche (12) des Halbleiterchips (10) steht, wobei das Vorläufermaterial während des Aufbringens strukturiert wird und das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche (26) aufweist, die sich von der Auflagefläche (21) in Richtung der von dem Halbleiterchip
(10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) hin verjüngt, oder das Konversionselement (20) eine Querschnittsfläche (26) aufweist, die sich von einer von dem Halbleiterchip (10) abgewandten Seite des Konversionselements (20) in Richtung Auflagefläche (21) verjüngt, und/oder wobei das Konversionselement (20) Seitenflächen (25) aufweist, die abgerundete Ecken aufweisen.
17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Härten bei einer Temperatur erfolgt, die kleiner oder gleich 220°C ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei eine Vielzahl Halbleiterchips (20) bereitgestellt wird, welche nach dem Aufbringen und Härten des Vorläufermaterials vereinzelt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Dicke und Form des Konversionselements (20) während des Aufbringens und/oder des Härtens des Vorläufermaterials eingestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei während des Härtens das Vorläufermaterial dreidimensional vernetzt .
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