DE102015105661B4 - Optoelektronische Vorrichtung mit einer Mischung aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv - Google Patents
Optoelektronische Vorrichtung mit einer Mischung aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv Download PDFInfo
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Abstract
Optoelektronische Vorrichtung (6) umfassend zumindest einen strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiter (1) und eine Mischung aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt und die Mischung Bestandteil zumindest eines der folgenden Elemente ist:
- Gehäusekörper-Element (2), das den zumindest einen Halbleiter (1) zumindest stellenweise umgibt,
- strahlungsleitendes Element (3), das in einem Strahlengang der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter (1) detektierten Strahlung angeordnet ist,
- wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter (1) abgegebene oder vom Halbleiter (1) aufgenommene Wärme leiten kann,
- Haftelement (4), wobei es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung handelt, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus
- Hydroxylgruppe,
- Epoxidgruppe,
- C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe, umfasst, wobei die funktionelle Gruppe kovalent an eine zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe angebunden ist, und
wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
- Gehäusekörper-Element (2), das den zumindest einen Halbleiter (1) zumindest stellenweise umgibt,
- strahlungsleitendes Element (3), das in einem Strahlengang der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter (1) detektierten Strahlung angeordnet ist,
- wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter (1) abgegebene oder vom Halbleiter (1) aufgenommene Wärme leiten kann,
- Haftelement (4), wobei es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung handelt, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus
- Hydroxylgruppe,
- Epoxidgruppe,
- C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe, umfasst, wobei die funktionelle Gruppe kovalent an eine zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe angebunden ist, und
wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Die Druckschrift
DE 10 2008 014 927 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Bauelementen und ein strahlungsemittierendes Bauelement. - Die Druckschrift
DE 10 2013 104 195 A1 beschreibt ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung. - Die Druckschrift
DE 20 2004 005 228 U1 beschreibt ein strahlungsemittierendes und/oder strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement. - Die Druckschrift US 2014 / 0 185 274 A1 beschreibt eine Verkapselungszusammensetzung für ein lichtemittierendes Element.
- Die Druckschrift
JP 2012-131985 A - Die Druckschrift
JP 2014-210843 A - Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine optoelektronische Vorrichtung mit verbesserter Stabilität, insbesondere einer verbesserten Feuchtebeständigkeit und Witterungsbeständigkeit bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
- Es wird eine optoelektronische Vorrichtung umfassend zumindest einen strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiter und eine Mischung, aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt, angegeben. Die besagte Mischung ist hierbei Bestandteil zumindest eines der folgenden Elemente:
- - Gehäusekörper-Element, das den zumindest einen Halbleiter zumindest stellenweise umgibt,
- - strahlungsleitendes Element, das in einem Strahlengang der vom Halbleiter emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlung angeordnet ist,
- - wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter abgegebene oder vom Halbleiter aufgenommene Wärme leiten kann,
- - Haftelement,
- - Hydroxylgruppe,
- - Epoxidgruppe,
- - C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe,
- Bei der optoelektronischen Vorrichtung handelt es sich also um eine strahlungsemittierende oder eine strahlungsdetektierende optoelektronische Vorrichtung, die zumindest einen entsprechenden optoelektronischen Halbleiter aufweist. Bei der vom Halbleiter detektierten oder emittierten Strahlung kann es sich um elektromagnetische Strahlung handeln, die beispielsweise einen Bereich von infrarotem Licht (IR-Strahlung) bis zu ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung) abdecken kann. Es kann sich beispielsweise um sichtbares Licht handeln. Beispielsweise kann es sich bei der optoelektronischen Vorrichtung um eine (anorganische) lichtemittierende Diode (LED), eine organische Leuchtdiode (OLED), um einen optischen Sensor oder um eine Solarzelle handeln. Außerdem kann es sich bei der optoelektronischen Vorrichtung um ein Modul handeln, das eines oder mehrere LEDs, OLEDs, optische Sensoren und Solarzellen oder Kombinationen davon umfasst.
- Die Mischung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zumindest ein Silikon (Polyorganosiloxan) und zumindest ein fluor-organisches Additiv auf, wobei das Silikon beispielsweise eine Matrix bilden kann, in die das fluor-organische Additiv eingelagert sein kann. Die Mischung kann auch aus dem zumindest einen Silikon und dem zumindest einen fluor-organischen Additiv bestehen. Sie kann auch genau ein Silikon und genau ein fluor-organisches Additiv umfassen oder daraus bestehen. Der Begriff Mischung bedeutet insbesondere, dass das fluor-organische Additiv nicht nur an einer Oberfläche des Silikons vorliegt, sondern im Silikon verteilt ist. Insbesondere ist es möglich, dass das fluor-organische Additiv gleichmäßig verteilt im Silikon vorliegt. Unter einem fluor-organischen Additiv sind organische Verbindungen aufweisend Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und Kohlenstoff-Fluor-Bindungen zu verstehen.
- C-F-Bindungen verfügen über eine besonders hohe Stabilität. Die Bindungsstärke beträgt 441 kJ/mol (ca. 4,6 eV). Dies wirkt sich positiv auf die Strahlen- und Lichtbeständigkeit der Mischung aus. Außerdem weist Si eine sehr hohe Fluor-Affinität auf. Dies führt zu einer verbesserten Feuchte- und Medienbeständigkeit der Mischung auch unter Strahlenbelastung gegenüber Silikonen ohne fluor-organisches Additiv.
- Der Begriff Medienbeständigkeit bedeutet dabei beispielsweise eine Beständigkeit gegenüber Spurengasen aus Luftverschmutzungen wie H2S, SO2, NOx (Stickoxide) oder NH3. Beispielsweise beinhaltet der Begriff Medienbeständigkeit auch die Beständigkeit gegenüber Mineralsalzen vor allem bei Außenanwendungen in Küstennähe. Medienbeständigkeit bedeutet aber auch eine hohe Stabilität gegenüber Lösungs- und Reinigungsmitteln sowie Lackbeschichtungen (etwa auf Basis von Acrylat- bzw. Polyurethan) etwa bei Einbausituationen in Displays und Lichtmodulen.
- Die optoelektronische Vorrichtung weist zumindest eines der folgenden Elemente auf:
- - Gehäusekörper-Element
- - strahlungsleitendes Element,
- - wärmeleitendes Element,
- - Haftelement
- Die optoelektronische Vorrichtung kann auch mehrere oder alle der genannten Elemente aufweisen.
- Das oder die jeweiligen Elemente können jeweils unabhängig voneinander die besagte Mischung umfassen oder aus der Mischung bestehen. Es ist insbesondere möglich, dass eines oder mehrere der Elemente die Mischung aufweisen, während andere der Elemente frei von der Mischung sind.
- Das Gehäusekörper-Element wird im Folgenden auch als Gehäuse oder Gehäusekörper bezeichnet. Es umgibt den Halbleiter zumindest teilweise. Unter einem strahlenleitenden Element kann sowohl ein strahlendurchlässiges Element, als auch ein strahlenreflektierendes Element verstanden werden. Strahlenleitende Elemente können beispielsweise ein Vergussmaterial aufweisen oder daraus bestehen. Es ist dann insbesondere möglich, dass das Vergussmaterial die Mischung aufweist oder aus ihr besteht. Typische Beispiele für strahlendurchlässige Elemente sind Linsen und Lichtkonversionselemente sowie der Verguß des optoelektronischen Halbleiters. Mit Lichtkonversionselementen sind Elemente zu verstehen, die zumindest teilweise eine kürzer-wellige Primärstrahlung in eine längerwellige Sekundärstrahlung überführen können. Im Fall der vorliegenden Erfindung sind unter strahlendurchlässigen Elementen auch Lichtkonversionselemente zu verstehen, bei welchen Primärstrahlung vollständig in Sekundärstrahlung überführt wird. In diesem Fall spricht man von Vollkonversion.
- Außerdem kann ein wärmeleitfähiges Element und/oder ein Haftelement der Vorrichtung die Mischung umfassen oder aus ihr bestehen. Wärmeleitfähige bzw. thermisch leitfähige Elemente können zum Beispiel Wärme, die vom Halbleiter abgegeben wird, effizient ableiten. Haftelemente können zum Beispiel den Halbleiter, die zuvor genannten anderen Elemente oder andere Bauteile der optoelektronischen Vorrichtung, als Klebstoff wirkend, miteinander verbinden und eine gute Haftung der jeweiligen Komponenten miteinander in der Vorrichtung sicherstellen.
- Bei der industriellen Herstellung herkömmlicher optoelektronischer Vorrichtungen werden Silikone anstelle der erfindungsgemäßen Mischung für die oben beschriebenen Elemente optoelektronischer Vorrichtungen verwendet. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird in herkömmlichen Vorrichtungen dem Silikon also kein fluor-organisches Additiv beigemischt.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, dass die Verwendung herkömmlicher Silikone häufig zu Zuverlässigkeitsdefiziten solcher optoelektronischen Vorrichtungen führt. Als Ursache wurde erkannt, dass insbesondere Feuchte- und Temperaturbelastungen zu Delaminationen im Grenzbereich zwischen Silikon und anderen Materialien der Vorrichtung führen. Beispielsweise kann es zur Delamination zwischen dem Silikon eines Elements bzw. Bauteils der Vorrichtung kommen und einem damit in Kontakt stehendem Material eines anderen Bauteils der Vorrichtung. Eine Delamination kann aber auch zwischen einer Silikonmatrix und darin eingebetteten Füllstoffen erfolgen. Dies führt häufig zu Lebensdauereinschränkungen der optoelektronischen Vorrichtung.
- Gegenüber optoelektronischen Vorrichtungen mit herkömmlichen Silikonen zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welchem dem Silikon ein fluor-organisches Additiv beigemischt ist, überraschende Eigenschaftsverbesserungen hinsichtlich der Feuchte-, Verbund- und Temperaturbeständigkeit.
- Die Beständigkeit von Silikonen gegenüber Feuchte und Temperatur lässt sich beispielsweise experimentell über eine Gewichtszunahme nach Feuchteaussetzung beziehungsweise eine Gewichtsabnahme nach Temperaturbelastung der Mischung bestimmen. Entsprechende Belege für die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Mischung gegenüber herkömmlichem Silikon ohne fluor-organisches Additiv finden sich in den Ausführungsbeispielen.
- Aufgrund der verbesserten Toleranz gegenüber Feuchtigkeit sind die erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtungen besonders gut für Außenanwendungen geeignet.
- Außerdem verfügen die Mischungen über eine gute thermische Stabilität und eine gute Strahlen- bzw. Lichtbeständigkeit. Sie sind bevorzugt transparent und vergilbungsstabil. Auch die Beschriftbarkeit, Bedruckbarkeit und Benetzbarkeit von Mischungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen kann gegenüber Silikonen ohne fluor-organischem Additiv verbessert sein. Die vorliegende Erfindung stellt zudem eine kostengünstigere Alternative gegenüber der ebenfalls denkbaren Verwendung von Fluor-Silikonen dar. Fluor-Silikone, sind erheblich teurer und zudem aufwendiger zu verarbeiten als erfindungsgemäße Mischungen. Demgegenüber sind die Silikone und Additive, welche die Mischung im vorliegenden Fall bilden, jeweils handelsübliche, leicht erhältliche und kostengünstige Materialien. In den Mischungen erfindungsgemäßer optoelektronischer Vorrichtungen können beispielsweise einfache Silikone eingesetzt werden, die anders als bei teuren und aufwendig herzustellenden Fluor-Silikonen Substituenten frei von Fluor aufweisen. Es kann sich dabei beispielsweise um Zweikomponenten-Silikone mit Substituenten frei von Fluor handeln. Die positiven Effekte, die aus der Anwesenheit von Fluor resultieren, werden in der erfindungsgemäßen Mischung durch das fluor-organische Additiv erreicht, während das native Silikon vor dem Mischen beispielsweise frei von Fluor sein kann.
- Die Mischungen erfindungsgemäßer optoelektronischer Vorrichtungen lassen sich überraschender Weise ohne großen technischen Aufwand mit herkömmlichen Verfahren, wie sie für Silikone ohne Additiv Anwendung finden, verarbeiten.
- Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung angegeben.
- Bei dem fluor-organischen Additiv handelt es sich um eine Verbindung, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus Hydroxylgruppe, Epoxidgruppe und eine, eine C=C-Doppelbindung aufweisende, funktionelle Gruppe umfasst. Bei der C=C-Doppelbindung aufweisenden funktionellen Gruppe kann es sich beispielsweise um eine Vinylgruppe handeln. Die funktionelle Gruppe ist kovalent an eine zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe angebunden.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass mittels der genannten funktionellen Gruppen fluor-organische Additive erhalten werden können, die sich gut mit Silikonen vermischen lassen. Mit den benannten funktionellen Gruppen wird eine Anbindung der fluor-organischen Verbindung an das Silikon unter Ausbildung einer kovalenten Bindung erreicht.
- Bei der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe kann es sich um lineare, verzweigte und zyklische Alkylgruppen handeln. Bevorzugt handelt es sich um lineare Alkylgruppen. Bevorzugt weist die Kettenlänge der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe zwischen zwei und zwanzig Kohlenstoffatome (C2-C20) auf. Fluor-organische Additive mit derartigen Resten sind für gewöhnlich flüssig und lassen sich daher besonders einfach und gleichmäßig handelsüblichen Silikonen beimischen. Die gewünschte Mischung kann somit ohne großen Aufwand und in guter Homogenität erhalten werden. Für die Kettenlänge kann es bevorzugt sein, dass sie nicht mehr als sechzehn, insbesondere nicht mehr als vierzehn, weiter bevorzugt nicht mehr als zwölf Kohlenstoffatome umfasst. Je kürzer die Kettenlänge, umso besser ist häufig die Mischbarkeit. Daneben ist es oftmals bevorzugt, dass die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe nicht zu kurzkettig ist. Es kann also bevorzugt sein, dass die fluorierte Alkylgruppe zumindest drei, insbesondere zumindest fünf Kohlenstoffatome aufweist. So können die positiven Eigenschaften des fluor-organischen Additivs vollständig ausgenutzt werden.
- Die kovalente Anbindung der funktionellen Gruppe an die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe kann direkt durch eine kovalente Bindung zwischen der funktionellen Gruppe und der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe erfolgen.
- Die kovalente Anbindung muss aber nicht direkt erfolgen, sondern kann auch über eine Linkergruppe erfolgen, die eine kovalente Anknüpfung zwischen funktioneller Gruppe und der zumindest teilweise fluorierten Gruppe herstellt. Die Linkergruppe ist also zwischen der funktionellen Gruppe und der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe angeordnet. Die Linkergruppe bildet dann eine kovalente Bindung sowohl mit der funktionellen Gruppe als auch mit der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe aus.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei der Linkergruppe um eine verzweigte oder lineare, nichtsubstituierte oder substituierte Alkylgruppe handeln. Beispielsweise kann die Alkylgruppe Fluoratome oder kurzkettige Alkylgruppen als Substituenten aufweisen, wobei letztere ihrerseits fluoriert sein können. Beispielsweise weist das Rückgrat der Alkylgruppe der Linkergruppe weniger als zwanzig Kohlenstoffatome auf. Bevorzugt weist das Rückgrat der Alkylgruppe der Linkergruppe ein bis zwölf Kohlenstoffatome auf (C1 bis C12). Weiter bevorzugt weist das Rückgrat der Alkylgruppe der Linkergruppe zwischen ein und sechs Kohlenstoffatomen (C1-C6) auf. Beispielsweise zwischen zwei und vier Kohlenstoffatome. Es ist zudem bevorzugt, wenn die Linkergruppe nicht substituiert ist, also nur Wasserstoffatome als Substituenten aufweist. Bevorzugt handelt es sich um eine lineare Alkylgruppe.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung handelt es sich bei der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe des fluor-organischen Additivs um eine perfluorierte Alkylgruppe. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass sich ein hoher Fluorierungsgrad der Alkylgruppe positiv auf die Feuchtebeständigkeit, Medienbeständigkeit, sowie Temperatur- und Verbundstabilität auswirkt.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung weist das fluor-organische Additiv die folgende allgemeine Formel auf:
- - wobei die funktionelle Gruppe X ausgewählt ist aus:
- - wobei R1, R2 und R3 unabhängig voneinander ein kurzkettiges Alkyl (C1-C3) oder Wasserstoff sind,
- - wobei Y1, Y2, Z1 und Z2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus: Fluor, Wasserstoff, kurzkettiges Alkyl (C1-C3), insbesondere zumindest teilweise fluoriertes kurzkettiges Alkyl (C1-C3),
- - wobei m eine ganze Zahl zwischen 0 und 12 ist, und
- - wobei q eine ganze Zahl zwischen 1 und 19 ist,
- - wobei zumindest einer der beiden Substituenten Z1 oder Z2 Fluor oder ein zumindest teilweise fluoriertes kurzkettiges Alkyl (C1-C3) ist,
- - wobei m + q ≤ 19 ist.
- Dadurch, dass die Summe von m und q kleiner oder gleich 19, ist, ist sichergestellt, dass die Kettenlänge der Linkergruppe und der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe zusammen insgesamt kleiner oder gleich 20 Kohlenstoffatome ist. Das Rückgrat der gesamten Alkylkette von Linkergruppe und zumindest teilweise fluorierter Alkylgruppe umfasst also weniger oder gleich 20 C-Atome. Derartige fluor-organische Verbindungen sind in der Regel flüssig. Die beschriebenen fluor-organischen Verbindungen lassen sich daher besonders gut mit Silikonen mischen, und die resultierenden Mischungen lassen sich gut weiterverarbeiten.
- „*“ bezeichnet hierbei und im Folgenden die Stelle mit der die Anbindung der funktionellen Gruppe entweder an die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe oder die Linkergruppe erfolgt.
- Unter den funktionellen Gruppen X ist die Hydroxylgruppe bevorzugt. Sie erlaubt es fluor-organische Additive mit besonders guter Mischbarkeit mit dem Silikon zu erlangen. Außerdem kann beispielsweise mit Hydroxylgruppen eine kovalente und damit besonders stabile Anbindung an das Silikon erreicht werden. Die Hydroxylgruppe kann weiterhin die Grenzflächenstabilität zu polaren oder hydroxylhaltigen Substrat-, Füllstoff- bzw. Leuchtstoffpigmentoberflächen über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen bzw. durch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen verbessern. Aber auch Epoxidgruppen können beispielsweise unter Ringöffnung eine kovalente Anknüpfung an das Silikon ermöglichen. Ebenso ist es möglich mit Gruppen, die eine C=C-Doppelbindung aufweisen, eine kovalente Bindung des fluor-organischen Additivs an das Silikon der Mischung zu erreichen.
- Als kurzkettige Alkylreste (C1-C3) sind hier und im Folgenden insbesondere Methyl-, Ethyl-, n-Propyl- sowie iso-Propylgemeint. Diese sind zum Beispiel für die Reste R1, R2 und R3 geeignet. Bevorzugt ist es jedoch, wenn zumindest einer, weiter bevorzugt zumindest zwei der Reste R1 bis R3 Wasserstoff sind. Am meisten bevorzugt ist der Fall, dass alle drei Reste R1 bis R3 Wasserstoff sind. Je mehr der Reste Wasserstoff sind, umso leichter ist die Doppelbindung bzw. die Epoxidgruppe sterisch zugänglich, was eine kovalente Anbindung erleichtern kann.
- Die Gruppe -(Y1Y2)m- fungiert als Linkergruppe. Sie kann vorliegen - d.h. m ist dann zwischen 1 und 12 - sie muss aber nicht vorliegen - d.h. m ist dann gleich Null. m ist bevorzugt größer oder gleich 1. m ist weiter bevorzugt zwischen 1 und 10 weiter bevorzugt zwischen 1 und 6, zum Beispiel zwischen 2 und 4. Es ist jeweils bevorzugt, dass Y1 und Y2 jeweils Wasserstoff sind.
- Die zumindest teilweise fluorierte Gruppe -(CZ1Z2)q-CF3 weist stets ein q größer Null auf. q ist kleiner oder gleich 19. Es ist beispielsweise möglich, dass q kleiner oder gleich 13 ist. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, dass q kleiner oder gleich neun oder gar kleiner oder gleich 5 ist. Es ist zudem beispielsweise möglich, dass q größer oder gleich eins oder größer oder gleich zwei ist. Die Erfinder haben erkannt, dass die Feuchte-beständigkeit und Temperaturbeständigkeit durch einen hohen Fluorierungsgrad begünstigt werden. Es ist besonders bevorzugt, wenn sowohl Z1 als auch Z2 Fluor oder ein perfluoriertes kurzkettiges Alkyl (C1-C3) zum Beispiel -CF3, -C2F5 oder -C3F7 aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl Z1 als auch Z2 Fluor aufweisen oder Fluor sind.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung handelt es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung der folgenden allgemeinen Formel:
- - wobei X ausgewählt ist aus:
- - wobei m eine ganze Zahl zwischen 0 und 12 ist, und
- - wobei n eine ganze Zahl zwischen 2 und 20 ist,
- - und wobei m + n ≤ 20.
- Die Summe von m und n ist kleiner oder gleich 20. Derartige fluor-organische Additive sind in der Regel flüssig. Sie lassen sich herzustellen und weisen eine besonders gute Mischbarkeit mit konventionellen Silikonen auf. Die genannten funktionellen Gruppen können beispielsweise für eine kovalente Anbindung im Rahmen des Härtens bzw. Vernetzens des Silikons genutzt werden und somit ein besonders stabiles und feuchtigkeitsabweisendes Material erzeugen. Dies führt zu besonders feuchtigkeits- und medienbeständigen optoelektronischen Vorrichtungen. m ist bevorzugt zwischen 1 und 6. m kann aber auch Null sein. n ist bevorzugt zwischen 2 und 14, weiter bevorzugt zwischen 2 und 10, zum Beispiel zwischen 2 und 6.
- In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung liegen das Silikon und das fluor-organische Additiv in der Mischung zumindest teilweise miteinander reagiert vor. Die Reaktion kann beim Aushärten des Silikons erfolgen, wobei beispielsweise ein Einbau des Additivs in das Silikonnetzwerk erfolgen kann.
Beispielsweise ist es möglich, dass das fluor-organische Additiv mit der funktionellen Gruppe an das Silikon kovalent gebunden ist. Eine derartige Verknüpfung führt zu einer dauerhaft stabilen Mischung und damit zu gleichbleibenden Eigenschaften und einer guten Zuverlässigkeit der Vorrichtung. - Im Folgenden sollen einige Reaktionen vorgestellt werden mittels welcher eine kovalente Anbindung des fluor-organischen Additivs an das Silikon beispielsweise erfolgen kann.
- Die allgemeine Strukturformel
- R' steht im Folgenden für die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe oder für die Linkergruppe und die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe.
- R' ist beispielsweise gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsformen:
- Eine Anbindung mittels der Hydroxylgruppe als funktionelle Gruppe an das Silikon kann beispielsweise mit Hilfe einer Kondensationsreaktion erfolgen, bei welcher z.B. eine Hydroxylgruppe des Silikons und die Hydroxylgruppe des fluor-organischen Additivs gemäß Gleichung (1) miteinander reagieren können:
- Auch mit einer Epoxidgruppe als funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs kann im Zuge einer Ringöffnung eine kovalente Bindung an das Silikon gebildet werden. Dies ist in Gleichung (2) beispielhaft für die Reaktion einer Epoxidgruppe mit einer Hydroxylgruppe des Silikons gezeigt:
- Auch mit einer Vinylgruppe als funktionelle Gruppe kann eine Anbindung an das Silikon erfolgen. Dies ist beispielsweise mit Hilfe einer Hydrosilierungsreaktion gemäß Gleichung (3) möglich:
- Hierbei steht die Formel
- Alternativ kann eine Anbindung über eine Vinylgruppe als funktionelle Gruppe an das Silikon auch radikalisch erfolgen. In diesem Fall kann beispielsweise für die Initiierung ein Radikalstarter zugegeben werden. Geeignete Radikalstarter sind dabei beispielsweise Radikalstarter auf Peroxid-Basis wie etwa Dibenzoylperoxid oder andere vergleichbare Radikalstarter. Diese Radikalstarter lassen sich zum Beispiel gut thermisch aktivieren (z.B. bei Temperaturen zwischen 60 und 100°C) und können somit die Reaktionen, die zu einer kovalenten Anbindung des fluor-Additivs an das Silikon führen, initiieren. Peroxid-basierte Radikalstarter bilden bei Erwärmung z.B. Alkoxyradikale, die ihrerseits eine radikalische Addition einleiten können. Ein Beispiel zur Veranschaulichung ist in Reaktion (4) gezeigt:
- Hierbei steht die Formel
- Bevorzugt ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn das fluor-organische Additiv in einer Matrix des Silikons gleichmäßig verteilt vorliegt und an das Silikon kovalent gebunden ist. So können nicht nur zeitlich, sondern auch örtlich gleichbleibende Eigenschaften der Mischung erreicht werden. Beispielsweise ist es bevorzugt, wenn die Anbindung des fluor-organischen Additivs an das Silikon gemäß einer statistischen Verteilung erfolgt.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das fluor-organische Additiv zumindest teilweise nicht an das Silikon gebunden. Es ist also nicht erforderlich, dass das fluor-organische Additiv mit dem Silikon reagiert vorliegt, insbesondere vollständig reagiert vorliegt. Stattdessen können auch zumindest Teile des fluor-organischen Additivs nicht an das Silikon gebunden sein, wobei die Mischung dennoch eine gute Feuchtebeständigkeit der optoelektronischen Vorrichtung ermöglichen kann. Weiterhin ist es möglich, dass manche Moleküle des fluor-organischen Additivs an das Silikon gebunden sind, während andere Moleküle des fluor-organischen Additivs nicht an das Silikon gebunden sind.
- Eine andere Weiterbildung betrifft eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 0,2 und 10 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 0,5 und 5 Gewichtsprozent beträgt.
- Damit die gewünschte Steigerung der Feuchtebeständigkeit der optoelektronischen Vorrichtung erreicht werden kann, ist eine gewisse Mindestmenge an fluor-organischem Additiv erforderlich, die zumindest 0,2 Gewichtsprozent des Additivs an der Mischung beträgt. Die Erfinder haben zudem festgestellt, dass die Wirkung verstärkt wird, wenn zumindest 0,5 Gewichtsprozent des Additivs an der gesamten Mischung vorliegen. Weiterhin kann es bevorzugt sein, wenn zumindest 1 Gewichtsprozent des Additivs vorliegt.
- Ebenso haben die Erfinder beobachtet, dass zu große Mengen des fluor-organischen Additivs an der Mischung zu unerwünschten Eigenschaftsänderungen führen. So führt ein besonders hoher Anteil an dem Additiv in der Mischung zu einer unerwünschten Trübung und Verringerung der Transparenz. Außerdem kann es zur Blasenbildung im Rahmen der Fertigung der Vorrichtung, z.B. bei der Aushärtung der Mischung kommen.
- Es wird weiterhin beschrieben, dass, um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, es bevorzugt ist, wenn der Anteil an Additiv an der Mischung unter 10 Gewichtsprozent liegt, besser kleiner oder gleich 5 Gewichtsprozent an der gesamten Mischung beträgt. Es kann weiter bevorzugt sein, wenn der Anteil kleiner oder gleich 4 Gewichtsprozent oder gar kleiner oder gleich 3 Gewichtsprozent beträgt.
- Ein Bereich für den Anteil an Additiv an der Mischung ist der Bereich zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent. Die besten Eigenschaften werden für gewöhnlich für Mischungen mit einem Anteil von ca. 2 Gewichtsprozent des fluor-organischen Additivs an der gesamten Mischung beobachtet. In diesem Bereich wird die Feuchte-, Medien-, Temperatur und Verbundstabilität besonders positiv beeinflusst, was sich zum Beispiel an den geringen Massenänderungen bei thermischer Behandlung und an den geringen Wasserdampfdurchlässigkeiten erkennen lässt. Zugleich weisen derartige Mischungen eine sehr gute Transparenz ohne nennenswerte unerwünschte Blasenbildung auf.
- Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Silikon der Mischung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung um ein Zweikomponenten-Silikon, insbesondere ein thermisch härtbares, additionsvernetzendes Zweikomponenten-Silikon. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Silikon, das selbst frei ist von Fluor-Substituenten und frei von fluorierten Substituenten. In die genannten Silikone können die zuvor beschriebenen fluor-organischen Additive gut eingemischt werden. Zudem können die fluor-organischen Additive direkt im Rahmen der Aushärtung der Silikone in das Silikonnetzwerk eingebaut werden.
- Gemäß einer Weiterbildung kann es sich bei dem Silikon um ein Vergussilikon handeln. Mischungen derartiger Silikone (Beispielsweise Silikone mit einer Härte von Shore A 40) können als Vergussmaterialien eingesetzt werden. Derartige Silikone zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften mit guter Reiss- und Bruchdehnung auf.
- Gemäß einer anderen Weiterbildung kann es sich bei dem Silikon um ein Hart-Silikon zum Beispiel ein hartes Linsensilikon handeln (Beispielsweise Silikone mit einer Härte von Shore A 80). Derartige Silikone weisen gute mechanische Eigenschaften mit moderater Reiß- und Bruchdehnung auf. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei härteren Silikonen die positiven Eigenschaften im Hinblick auf die verminderte Wasserdampfdurchlässigkeit und somit die Feuchtebeständigkeit insgesamt besonders positiv durch Zugabe des fluor-organischen Additivs beeinflusst werden können. Bei derartigen Silikonen kann oftmals die Wasserdampfdurchlässigkeit um mehr als 25% vermindert werden. Diese Silikone sind damit besonders feuchtestabil.
- Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung betrifft die Vorrichtung, wobei die Mischung eine Grenzfläche zu einem von der Mischung verschiedenen Material aufweist. Bei der Grenzfläche kann es sich beispielsweise um eine der Grenzflächen eines der Elemente der optoelektronischen Vorrichtung mit einem davon verschiedenen Element oder einer davon verschiedenen Komponente der optoelektronischen Vorrichtung handeln. Beispielsweise kann es sich um Grenzflächen zwischen einem der folgenden Elemente handeln: Halbleiter, Gehäuse, strahlenleitendes Element, Haftelement, aber auch Metall-Kontaktierungen und Leitungen oder andere übliche Bauteile der optoelektronischen Vorrichtung. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass Mischungen umfassend Silikon und das fluor-organische Additiv eine gute Haftung an nahezu alle herkömmlicherweise in optoelektronischen Vorrichtungen enthaltenen Materialien erlauben. Erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtungen zeigen daher eine sehr gute Verbundstabilität. Auch bei Einwirken von äußeren Medien oder Feuchtigkeit ist eine Delamination meist nicht in nennenswerter Weise zu beobachten, was die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht.
- Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Mischung eine Grenzfläche zu einem von der Mischung verschiedenen Material aufweist und, wobei es sich bei der Mischung um ein Matrixmaterial handelt und bei dem von der Mischung verschiedenen Material um Füllstoffpartikel, die in das Matrixmaterial eingebettet sind. Die Partikel können beispielsweise gleichmäßig verteilt in der Matrix vorliegen.
- Füllstoffpartikel können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend wärmeleitfähige Partikel, Reflektorpartikel und Farbstoffpartikel bzw. Partikel von Wellenlängenkonversionsstoffen. Es ist beispielsweise auch möglich, dass mehrere verschiedene Arten von Füllstoffen zugleich in das Matrixmaterial eingebettet sind.
- Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein wärmeleitendes Element aufweisen, das die Mischung umfassend Silikon und fluor-organisches Additiv als Matrixmaterial enthält oder das Matrixmaterial daraus besteht und als Füllstoffpartikel wärmeleitfähige Partikel enthält, die in das Matrixmaterial eingebettet sind. Dabei kann es sich zum Beispiel um Metallpartikel etwa Al-, Cu-, Ag-, Au-, und Pd-Partikel handeln. Auch andere wärmeleitfähige Materialien können Verwendung finden wie etwa wärmeleitfähige Kohlenstoffmaterialien wie z.B. Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren (sogenannte Carbonnanotubes, kurz CNTs) Geeignet sind zum Beispiel aber auch Partikel aus Cristobalit, Al2O3, BN oder ZrO2. Ebenso ist es möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung ein strahlenleitfähiges Element enthält, das die Mischung als Matrixmaterial aufweist und Füllstoffpartikel, die in das Matrixmaterial eingebettet sind. So kann die Vorrichtung ein strahlungsreflektierendes Element aufweisen, das die Mischung als Matrixmaterial enthält und Reflektorpartikel als Füllstoffpartikel. Beispielsweise kann es sich dabei um anorganische Oxide z.B. SiO2, TiO2 oder Al2O3 Partikel handeln. Als Reflektorpartikel kommen zudem zum Beispiel CaF2, CaCO3 oder BaSO4 in Frage. Ebenso kann die Vorrichtung ein strahlendurchlässiges Element aufweisen, das die Mischung als Matrixmaterial enthält. Wenn es sich bei dem strahlendurchlässigen Element um ein Lichtkonversionselement handelt, können Farbstoffpartikel bzw. Wellenlängenkonversionsstoffe in die Matrix als Füllstoffpartikel eingebracht sein. Diese können zumindest teilweise Primärstrahlung in Sekundärstrahlung überführen. Es handelt sich dabei um Strahlung, die vom Halbleiter emittiert oder vom Halbleiter detektiert wird. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Keramikpartikel handeln, die als Farb- bzw. Wellenlängenkonversionsstoffe fungieren können. Als Wellenlängenkonversionsstoffe eignen sich dabei zum Beispiel Granate, Aluminate, Halogenphosphate, Chloro-Silikate und Nitrid-basierte Leuchtstoffe.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass sich die Mischung umfassend Silikon und das fluor-organische Additiv hervorragend als Matrixmaterial für die verschiedenen Elemente und verschiedenen Arten von Füllstoffen eignet. Es verringert die Empfindlichkeit gegenüber einem Eindringen von Medien und Feuchtigkeit auch bei erhöhter Temperatur, so dass eine Delamination bzw. Enthaftung zwischen der Matrix und dem Füllstoff gegenüber herkömmlichen Silikonen ohne fluor-organisches Additiv verringert ist.
- Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung handelt es sich bei dem von der Mischung verschiedenen Material (z.B. eines Füllstoffes oder eines anderen Elementes bzw. einer anderen Komponente der optoelektronischen Vorrichtung) um ein Material ausgewählt aus der Gruppe der folgenden Materialen:
- - metallisches Material, insbesondere Cu, Ag, Au, Pd und Al,
- - wärmeleitfähige Kohlenstoffmaterialien, insbesondere Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs),
- - Oxide, Nitride, Carbide, Fluoride, Carbonate, Sulfate und/oder keramisches Material, insbesondere SiO2, Al2O3, AlN, Si3N4, SiC, GaN, Indiumzinnoxid (Engl.: Indium tin oxide = ITO), ZnO, SnO2, CaCO3, CaF2, BaSO4, ZrO2, TiO2, BN,
- - Glas,
- - Polymere,
- - Silikone,
- - Farbstoffe bzw. Wellenlängenkonversionsstoffe, insbesondere Granate, Aluminate, Halogenphosphate, Chloro-Silikate, Nitrid-basierte Leuchtstoffe.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Mischung eine gute Anhaftung an die genannten Materialien erlaubt. Ein Eindringen von Feuchtigkeit im Kontaktbereich zwischen der Mischung und dem jeweiligen Material kann so meist gegenüber herkömmlichen Silikonen ohne Additiv verringert werden. Die Materialien können dabei z.B. als Füllstoffpartikel in die Mischung, welche als Matrix fungiert, eingebettet sein. Die Mischung kann aber auch Teil eines Elementes der optoelektronischen Vorrichtung sein, während das von der Mischung verschiedene Material Teil eines anderen Elementes oder eines anderen Bauteils im Kontakt mit dem die Mischung enthaltenden Element sein kann. Beispielsweise kann das Element mit elektrischen Leitern (Drähten, Metallisierung, sonstige elektrische Kontaktierung) in direkter Verbindung stehen, die ein Metall aufweisen (z.B. Cu, Ag oder Au). Beispielsweise kann das Element aufweisend die Mischung mit einem anderen Element aufweisend oder bestehend aus Glas, einem Polymer oder einem Silikon ohne das fluor-organisches Additiv in Kontakt stehen. Dabei kann es sich bei besagtem Polymer zum Beispiel um Polyphthalamid (PPA), Polycyclohexylendimethylenterephthalat (PCT), Polybutylenterephthalat (PBT) oder um Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen davon handeln.
- So kann das Eindringen von Feuchtigkeit zwischen verschiedenen Elementen bzw. Bauteilen der optoelektronischen Vorrichtung verringert werden. Dies wirkt sich auch positiv auf die Medienbeständigkeit aus.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung kann das fluor-organische Additiv der Mischung eine chemische Reaktion mit der Oberfläche des von der Mischung verschiedenen Materials eingehen, z.B. mit der Oberfläche von Füllstoffpartikeln oder der Oberfläche eines Elementes bzw. eines Bauteils der optoelektronischen Vorrichtung, das aus dem von der Mischung verschiedenen Material besteht oder selbiges aufweist. Insbesondere kann eine Verankerung des fluor-organischen Additivs an Füllstoffoberflächen oder sonstigen Oberflächen mit der funktionellen Gruppe des fluor-organischen Additivs unter Ausbildung einer kovalenten Bindung erfolgen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass auf diese Weise eine besonders gute Verbindung der Mischung mit dem von der Mischung verschiedenen Material erfolgen kann.
- Die Erfindung betrifft neben der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung zudem ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- A) Bereitstellen eines strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiters
- B) Herstellen einer Mischung aus dem Silikon und dem fluor-organischen Additiv, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt
- C) Herstellen eines der folgenden Elemente unter Verwendung der Mischung:
- - Gehäusekörper-Element, das den zumindest einen Halbleiter zumindest stellenweise umgibt,
- - strahlungsleitendes Element, das in einem Strahlengang der vom Halbleiter emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlung angeordnet ist,
- - wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter abgegebene oder vom Halbleiter aufgenommene Wärme leiten kann,
- - Haftelement,
- - Hydroxylgruppe,
- - Epoxidgruppe,
- - C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe,
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Mischung sowie die optoelektronische Vorrichtung, umfassend Elemente aufweisend die Mischung, einfach und kostengünstig herstellen. Die Mischung lässt sich mit etablierten Prozessen wie sie für Silikone ohne das fluor-organische Additiv bekannt sind verarbeiten. Für herkömmliche Silikone ohne Additiv sind dagegen oftmals zusätzliche Prozessschritte erforderlich, auf die bei der erfindungsgemäßen Mischung verzichtet werden kann. So können Prozesse wie Niederdruck- oder Atmosphärenplasmabehandlung zur Verbesserung der Feuchte- und Medienbeständigkeit bei Gehäuse-Materialien oder sonstigen Bauelementen aus Silikon bei der Mischung mit Additiv eingespart werden.
- In Verfahrensschrittes C) erfolgt eine Härtung der Mischung. Im Rahmen der Härtung verfestigt sich die Mischung und bildet das fertige Element für die optoelektronische Vorrichtung. Typische Temperaturen für die Härtung sind beispielsweise Temperaturen zwischen 60 und 200°C, bevorzugt zwischen 100 und 180°C, zum Beispiel 150°C.
- Bei der Härtung erfolgt eine Reaktion des fluor-organischen Additivs unter Ausbildung einer kovalenten Bindung mit dem Silikon. Beispielsweise kann eine Anbindung an das Silikon durch eine Reaktion des Silikons mit einer Hydroxyl-, Epoxid- oder Vinylgruppe des fluor-organischen Additivs erfolgen.
- Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass auch mehrere der oben genannten Schritte kombiniert werden können.
- Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung im Außenbereich. Aufgrund der hohen Feuchte-, Temperatur- und Medienbeständigkeit sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen deutlich robuster und haltbarer bei Anwendungen im Außenbereich als herkömmliche Vorrichtungen.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und den Ausführungsbeispielen.
- Es zeigen
-
1 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften optoelektronischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Mischung aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv in einem oder mehreren der gezeigten Elemente enthalten sein kann. -
2 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere beispielhafte optoelektronische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Mischung in einem oder mehreren der gezeigten Elemente enthalten sein kann. -
3 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere beispielhafte optoelektronische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Mischung in einem oder mehreren der gezeigten Elemente enthalten sein kann. - Eine beispielhafte optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß der vorliegenden Erfindung ist in
1 vereinfacht als schematische Schnittdarstellung dargestellt. Die Vorrichtung (6) kann ein Gehäusekörper-Element (bzw. einen Gehäusekörper) (2) umfassen, welches einen optoelektronischen strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiter (1), mit einer strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche (5), teilweise umgibt. Der Halbleiter (1) kann beispielsweise über ein Haftvermittler-Element bzw. einen Haftvermittler (4) mit dem Gehäusekörper (2) verbunden sein. Im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter detektierten Strahlung kann ein strahlenleitendes Element (3) angeordnet sein. Im beispielhaft gezeigten Fall von1 handelt es sich dabei um einen Verguss (3a). Der Verguss (3a) kann auch zur strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Außenoberfläche der Vorrichtung hin kuppel- bzw. linsenförmig ausgeformt sein. In dem strahlenleitenden Element kann auch ein Zusatzstoff, beispielsweise ein Farb- oder Leuchtstoff, etwa ein Wellenlängenkonversionsstoff, enthalten sein. Dabei kann der Zusatzstoff beispielsweise in der Form von Füllstoffpartikeln vorliegen, die in das strahlenleitende Element eingebettet sein können. Der Gehäusekörper (2), das strahlenleitende Element (3) - hier ausgeführt als Verguss (3a) - und das Haftelement (4) können jeweils unabhängig voneinander die Mischung, umfassend das Silikon und das fluor-organische Additiv, aufweisen oder daraus bestehen. -
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung (6). Es sind die gleichen Elemente wie in1 enthalten, wobei zusätzlich eine Linse (3b) separat von dem Verguss (3a) ausgeformt ist. Die Linse (3b) kann ebenso wie der Verguss (3a) Zusatzstoffe enthalten. - Es können auch weitere Elemente vorhanden sein, wie in
3 gezeigt. Beispielsweise kann im Strahlengang beziehungsweise Detektorfenster der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter (1) detektierten Strahlung ein Lichtkonversionselement (3c) angeordnet sein. Weiterhin kann ein strahlungsreflektierendes Element (3d) teilweise seitlich und gegenüber der strahlenemittierenden beziehungsweise strahlendetektierenden Hauptoberfläche (5) des Halbleiters (1) angeordnet sein. - Bei dem Verguss (3a), der Linse (3b) und dem Lichtkonversionselement (3c) handelt es sich jeweils um Beispiele für strahlendurchlässige Elemente. Gemeinsam mit dem strahlungsreflektierenden Element (3d) bilden sie zusammen eine Gruppe von strahlungsleitenden Elementen (3).
- Eine oder mehrere der gezeigten Elemente (2), (3a), (3b), (3c), (3d) und (4) können jeweils unabhängig voneinander die Mischung - umfassend das Silikon und das fluor-organische Additiv - enthalten oder aus daraus bestehen. Es ist zudem möglich, dass sie die Mischung als Matrix und zusätzlich zumindest einen in diese Matrix eingebetteten Füllstoff umfassen oder daraus bestehen.
- Nicht gezeigt aber weiterhin möglich ist, dass ein wärmeleitfähiges Element vorliegt. Beispielsweise ist es möglich, dass das Gehäuse (2), das Haftelement (4) oder der Verguss (3a) zusätzlich wärmeleitfähige Partikel aufweisen. In diesem Fall sind das Gehäuse (2), das Haftelement (4) und der Verguss (3a) zugleich wärmeleitfähige Elemente im Sinne der Erfindung. Aber auch andere Elemente der optoelektronischen Vorrichtung können wärmeleitfähige Partikel aufweisen und somit wärmeleitfähige Elemente bilden.
- Des Weiteren ist für den Fachmann leicht ersichtlich, dass nicht alle der gezeigten Elemente vorhanden sein müssen, sondern dass auch verschiedene Kombinationen und Unterkombinationen der gezeigten Elemente vorhanden sein können.
- Im Folgenden sollen Beispiele für erfindungsgemäße Mischungen angegeben werden.
- Es wurden verschiedene Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Mischung untersucht und mit einem Silikon ohne fluor-organisches Additiv verglichen.
- Bei den Silikonen der untersuchten Zusammensetzungen handelte es sich um ein herkömmliches kommerziell erhältliches thermisch härtbares, additionsvernetzendes Zweikomponenten-Silikon. Als fluor-organisches Additiv wurde 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol verwendet, welches in verschiedenen Anteilen dem Silikon beigegeben wurde. Die Strukturformel von 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol lautet:
- Eine Zusammensetzung mit 0 Gew.-% des 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol an der Mischung - also das Silikon ohne Zugabe eines fluor-organischen Additivs - wurde als Referenz verwendet. Weitere Zusammensetzungen weisen 0,2, 0,5, 2 und 5 Gewichtsprozent des 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol auf.
- Die Zusammensetzungen wurden jeweils für eine Stunde bei 150°C gehärtet. Anschließend wurden die Eigenschaften der erhaltenen Mischungen bestimmt (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Eigenschaften der Mischungen nach der Härtung. Die Shore A Härte wurde mit einem Härteprüfgerät nach DIN 53505, ASTM D676 bei Raumtemperatur bestimmt.
1,1,2,2,-Tetrahydro-perfluorooktanol in Gew.-% 0 0,2 0,5 2 5 Visuelle Beurteilung Transparent Transparent Transparent Transparent Schwach Trüb Blasenbildung beim Härten Gering Gering Gering Gering Mittel Klebrigkeit Gering Gering Gering Gering Gering Shore A Härte bei rt vor Auslagerung 41 42 42 42 42 Shore A Härte nach 6 Wochen bei 150°C 41 46 46 46 46 - Die Daten zeigen, dass bei zu hohem Anteil an fluor-organischem Additiv die Transparenz abnimmt und eine Trübung eintreten kann. Zudem kann eine zu hohe Menge des Additivs zur Blasenbildung führen. Gegenüber herkömmlichen Silikonen mit 0 Gew.% Additiv kann die Härte erfolgreich erhöht werden. Dies stellt gegenüber herkömmlichen Silikonen einen wichtigen Vorteil der erfindungsgemäßen Mischung dar.
- Das Verhalten der erfindungsgemäßen Mischungen gegenüber Feuchte und Temperatur ist beispielhaft anhand der Mischung mit 2 Gew.-% 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol in Tabelle 2 gezeigt. Als Referenz sind die Messwerte für das Silikon ohne 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol angegeben. Tabelle 2: Verhalten gegenüber Feuchte und Temperatur
Gewichtsänderung in % 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol in Gew.-% 0 2 nach einer Woche bei 85 °C und 85% relativer Feuchte + 0,12 + 0,02 nach Rücktrocknung + 0,12 Keine Änderung - Aus den Messwerten ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Mischung gegenüber dem herkömmlichen Silikon ohne fluor-organisches Additiv eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme und einen geringeren Masseverlust bei Temperaturbelastung aufweist und somit eine verbesserte hydrolytische Stabilität. Die Mischung gewährleistet somit eine verbesserte Feuchte- und Witterungsbeständigkeit.
- Es wurde ferner die Wasserdampfdurchlässigkeit der Mischungen untersucht. Die Ermittlung der Wasserdampfdurchlässigkeit erfolgte mit einem Pematron-W-Gerät der Firma Mocon bei 37.8°C und 90% relativer Feuchte gemäß ASTMF-1249. Die Testprobe trennte dabei zwei Testräume voneinander, wobei in einem Testraum die relative Feuchte auf 90% kontrolliert eingestellt wurde und die durch die Probe diffundierte Feuchte mit trockenem Stickstoff zu einem IR-Sender transportiert und mittels des IR-Sensors im anderen Probenraum quantifiziert wurde. Die Ergebnisse sind exemplarisch für die Mischung mit 2 Gew.-% 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol in Tabelle 3 gezeigt. Es wurden hierbei Messungen mit verschiedenen additionsvernetzenden Zweikomponenten-Silikonen unterschiedlicher Härte durchgeführt. Der Effekt der Härte der Silikone auf die Eigenschaften der Mischung wird hierbei exemplarisch anhand von zwei Silikonen aufgezeigt. Silikon 1 ist ein weiches Verguss-Silikon (Shore A 40), während Silikon 2 ein hartes Linsen-Silikon (Shore A 80) darstellt. Beide Silikone wurden jeweils mit einem Anteil von 2 Gewichtsprozent 1,1,2,2,-Tetrahydro-perfluorooktanol sowie als Referenzwert ohne Zugabe von 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol auf ihre Wasserdampf-durchlässigkeit hin untersucht. Tabelle 3: Wasserdampfdurchlässigkeit
Wasserdampfdurchlässigkeit in [g/m2d] 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol in Gew.-% 0 2 Silikon 1 152 136 Silikon 2 138 106 - Die Wasserdampfdurchlässigkeit lässt sich also um zumindest 10% und für härtere Silikone sogar um mehr als 25% vermindern. Eine verminderte Wasserdampfdurchlässigkeit belegt eine verbesserte Stabilität gegenüber Feuchtigkeit und gewährleistet eine verringerte Neigung zur Delamination. Sie ist auch ein Hinweis für eine verbesserte Medienbeständigkeit im Allgemeinen.
- Die Untersuchung des thermischen Ausdehnungsverhaltens hat ergeben, dass die erfindungsgemäße Mischung zum Beispiel bei einem Anteil von 2 Gew.-% an 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol bei einer Heizrate von 3 K/min (gemessen nach einer Behandlung von 6 Wochen bei 150°C) eine thermische Ausdehnung von nur 402 ppm/K aufweist, während ohne das Additiv die thermische Ausdehnung (gemessen nach 6 Wochen bei 150°C) 441 ppm/K beträgt. Die Heizrate bei der Messung betrug 3 K/min unter He; die Werte beziehen sich auf den Temperaturbereich von -50 bis 260°C. Aus der geringeren thermischen Ausdehnung der erfindungsgemäßen Mischung ergeben sich Vorteile für die Verbundstabilität der optoelektronischen Vorrichtung.
- Darüber hinaus wurde das Vergilbungsverhalten der Mischung bei einem Anteil von 2 Gew.-% an 1,1,2,2,-Tetrahydroperfluorooktanol untersucht. Auch nach 6 Wochen Temperaturauslagerung mit 85°C bei 85% Feuchte konnte keine Vergilbung beobachtet werden.
wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
wobei bei der Härtung eine Reaktion des fluor-organischen Additivs unter Ausbildung einer kovalenten Bindung mit dem Silikon erfolgt,
wobei es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung handelt, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus
wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
Claims (10)
- Optoelektronische Vorrichtung (6) umfassend zumindest einen strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiter (1) und eine Mischung aufweisend ein Silikon und ein fluor-organisches Additiv, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt und die Mischung Bestandteil zumindest eines der folgenden Elemente ist: - Gehäusekörper-Element (2), das den zumindest einen Halbleiter (1) zumindest stellenweise umgibt, - strahlungsleitendes Element (3), das in einem Strahlengang der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter (1) detektierten Strahlung angeordnet ist, - wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter (1) abgegebene oder vom Halbleiter (1) aufgenommene Wärme leiten kann, - Haftelement (4), wobei es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung handelt, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus - Hydroxylgruppe, - Epoxidgruppe, - C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe, umfasst, wobei die funktionelle Gruppe kovalent an eine zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe angebunden ist, und wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
- Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das fluor-organische Additiv zusätzlich eine Linkergruppe umfasst, welche zwischen der funktionellen Gruppe und der zumindest teilweise fluorierten Alkylgruppe angeordnet ist.
- Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe eine perfluorierte Alkylgruppe ist.
- Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das fluor-organische Additiv die folgende allgemeine Formel aufweist:
- Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei das fluor-organische Additiv die folgende allgemeine Formel aufweist: - Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis5 , wobei die Mischung eine Grenzfläche zu einem von der Mischung verschiedenen Material aufweist. - Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei es sich bei der Mischung um ein Matrixmaterial handelt und bei dem von der Mischung verschiedenen Material um Füllstoffpartikel, die in das Matrixmaterial eingebettet sind.
- Optoelektronische Vorrichtung (6) gemäß einem der
Ansprüche 6 oder7 , wobei das von der Mischung verschiedene Material ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden Materialen: - metallisches Material, - wärmeleitfähige Kohlenstoffmaterialien, - Oxide, Nitride, Carbide, Fluoride, Carbonate, Sulfonate und/oder keramisches Material, - Glas - Polymere - Silikone, - Farbstoffe- bzw. Wellenlängenkonversionsstoffe. - Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung (6) umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines strahlungsemittierenden oder strahlungsdetektierenden Halbleiters (1) B) Herstellen einer Mischung aus einem Silikon und einem fluor-organischen Additiv, wobei der Anteil des fluor-organischen Additivs an der Mischung zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent beträgt und C) Herstellen eines der folgenden Elemente unter Verwendung der Mischung: - Gehäusekörper-Element (2), das den zumindest einen Halbleiter (1) zumindest stellenweise umgibt, - strahlungsleitendes Element (3), das in einem Strahlengang der vom Halbleiter (1) emittierten oder vom Halbleiter (1) detektierten Strahlung angeordnet ist, - wärmeleitendes Element, das eine vom Halbleiter (1) abgegebene oder vom Halbleiter aufgenommene Wärme leiten kann, - Haftelement (4), wobei während des Verfahrensschrittes C) eine Härtung der Mischung erfolgt, und wobei bei der Härtung eine Reaktion des fluor-organischen Additivs unter Ausbildung einer kovalenten Bindung mit dem Silikon erfolgt, wobei es sich bei dem fluor-organischen Additiv um eine Verbindung handelt, die eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus - Hydroxylgruppe, - Epoxidgruppe, - C=C Doppelbindung aufweisende Gruppe, umfasst, wobei die funktionelle Gruppe kovalent an eine zumindest teilweise fluorierte Alkylgruppe angebunden ist, und wobei die funktionelle Gruppe des fluor-organischen Additivs durch eine kovalente Bindung an das Silikon gebunden ist.
- Verwendung einer optoelektronischen Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 für Anwendungen im Außenbereich.
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