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DE102015106444A1 - Optoelektronische Bauelementanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen - Google Patents

Optoelektronische Bauelementanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen Download PDF

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DE102015106444A1
DE102015106444A1 DE102015106444.8A DE102015106444A DE102015106444A1 DE 102015106444 A1 DE102015106444 A1 DE 102015106444A1 DE 102015106444 A DE102015106444 A DE 102015106444A DE 102015106444 A1 DE102015106444 A1 DE 102015106444A1
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DE
Germany
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ceramic carrier
component arrangement
optoelectronic component
optoelectronic
semiconductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102015106444.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Schwarz
Frank Singer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors 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 Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
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Priority to PCT/EP2016/058110 priority patent/WO2016173841A1/de
Priority to US15/568,785 priority patent/US20180090652A1/en
Priority to JP2017552142A priority patent/JP2018518039A/ja
Priority to CN201680024427.2A priority patent/CN107534040A/zh
Priority to DE112016001929.7T priority patent/DE112016001929A5/de
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Abstract

Es wird eine optoelektronische Bauelementanordnung (100) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen (60) und einem Umhüllungskörper (81) angegeben. Hierbei ist vorgesehen, dass – jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (60) einen keramischen Trägerkörper (19) und einen auf einer Oberseite des keramischen Trägerkörpers angeordneten Halbleiterchip (50) mit einem zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen Halbleiterkörper (54) aufweist, – der Umhüllungskörper (81) jeden der keramischen Trägerkörper (19) der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zumindest in einer lateralen Richtung bereichsweise umgibt und benachbarte keramische Trägerkörper (19) miteinander verbindet, und – eine Unterseite des keramischen Trägerkörpers (19) jeweils von dem Halbleiterchip (50) elektrisch isoliert ist.

Description

  • Bei optoelektronischen Bauelementen stellt eine effiziente Wärmeabfuhr ein zentrales Problem dar. Werden optoelektronische Halbleiterchips auf thermisch gut leitende Wärmeabfuhrelemente angeordnet, so ist oftmals gewünscht, dass letztere elektrisch isolierend ausgebildet sind, so dass sie auf ihrer den Halbleiterchips abgewandten Seite potentialfrei gehalten werden können. Dies ermöglicht es, sie direkt auf eine metallische Wärmesenke zu montieren, insbesondere ohne Verwendung eines zusätzlichen dielektrischen Materials. In diesem Fall ist auch die gleichzeitige Montage einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelemente auf eine Wärmesenke ohne Gefahr eines Kurzschlusses möglich. Das geschilderte Problem ist besonders relevant bei Halbleiterchips, welche jeweils von ihrer Unterseite her, d.h. von einer dem Wärmeabfuhrelement zugewandten Seite her kontaktiert werden.
  • Eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung des Problems besteht darin, ein insbesondere oberflächenmontierbares Bauelement bereitzustellen, in welchem ein oder mehrere Halbleiterchips auf einem Träger aus einem elektrisch isolierenden, keramischen Material angeordnet sind und welches nachfolgend auf eine Wärmesenke gelötet wird. Hierbei tritt jedoch das zusätzliche Problem auf, dass aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials einerseits und des Lotmaterials andererseits starke Scherbelastungen im Lot zustande kommen, welche zu dessen Beschädigung und Ausfall beispielsweise durch Reißen führen können.
  • Eine Aufgabe ist es, eine optoelektronische Bauelementanordnung anzugeben, in welcher eine effiziente Wärmeabfuhr durch ein elektrisch isolierendes Element gewährleistet wird, während gleichzeitig die Gefahr einer Beschädigung des darunter angeordneten Lots ausgeschlossen oder vermindert wird. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von entsprechenden optoelektronischen Bauelementanordnungen angegeben werden.
  • Diese Aufgaben werden unter anderem durch eine optoelektronische Bauelementanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Es wird eine optoelektronische Bauelementanordnung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen und einem Umhüllungskörper angegeben.
  • Jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente weist einen keramischen Trägerkörper und einen auf einer Oberseite des keramischen Trägerkörpers angeordneten Halbleiterchip mit einem zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen Halbleiterkörper auf. Durch die Verwendung eines keramischen Trägerkörpers wird vorteilhaft gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit und hohe elektrische Durchbruchsfestigkeit erreicht. Mit Oberseite des Trägerkörpers wird hier und im Folgenden stets die Seite des Trägerkörpers bezeichnet, auf welcher der Halbleiterchip angeordnet ist. Analog wird mit Unterseite des Trägerkörpers die Seite bezeichnet, welche vom Halbleiterchip abgewandt ist. Des Weiteren wird analog mit Oberseite der Bauelementanordnung oder des Umhüllungskörpers eine Seite der jeweiligen Elemente bezeichnet, welche oben angeordnet ist, wenn die Bauelementanordnung so ausgerichtet ist, dass die Oberseite des Trägerkörpers oben und die Unterseite des Trägerkörpers entsprechend unten angeordnet sind.
  • Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar im direkten mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht angeordnet sein.
  • Bevorzugt umfasst jeder der Halbleiterchips ein Substrat, auf welchem jeweils der Halbleiterkörper angeordnet ist und welches von dem keramischen Trägerkörper verschieden ist. Beispielsweise ist das Substrat ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers. Alternativ ist das Substrat von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers verschieden. In diesem Fall dient das Substrat der mechanischen Stabilisierung des Halbleiterkörpers, sodass das Aufwachssubstrat hierfür nicht erforderlich ist und entfernt werden kann. Ein Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat entfernt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip bezeichnet. Beispielsweise kann das Substrat Silizium, Germanium oder ein Metall enthalten oder daraus bestehen. Der Halbleiterkörper weist insbesondere einen zur Erzeugung oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf. Der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich, enthält beispielsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass der Umhüllungskörper jeden der keramischen Trägerkörper der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zumindest in einer lateralen Richtung bereichsweise umgibt und benachbarte keramische Trägerkörper miteinander verbindet. Unter einer lateralen Richtung wird hier und im Folgenden eine Richtung parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterkörper verstanden. Unter einer vertikalen Richtung wird hier und im Folgenden analog eine Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterkörper verstanden.
  • Bevorzugt ist der Umhüllungskörper zumindest stellenweise an den keramischen Trägerkörper angeformt. Das heißt, das Material des Umhüllungskörpers – die Umhüllungmasse – steht in Kontakt mit dem Trägerkörper. Besonders bevorzugt umhüllt der Umhüllungskörper den Trägerkörper zumindest stellenweise formschlüssig. Der Umhüllungskörper kann dabei aus einem Material, das zumindest für einen Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom optoelektronischen Halbleiterchip im Betrieb des Halbleiterbauelements emittiert wird oder von diesem empfangen werden soll, durchlässig, beispielsweise transluzent oder transparent (klar), oder reflektierend (z.B. weiß) sein. In anderen Ausführungsformen ist das Material jedoch absorbierend, beispielsweise schwarz.
  • Die keramischen Trägerkörper sind bevorzugt mit der Umhüllungmasse des Umhüllungskörpers umgossen oder umspritzt. Das heißt, der Umhüllungskörper ist bevorzugt mittels eines Guss- oder Pressverfahrens hergestellt. Der Umhüllungskörper kann dabei zugleich eine Umhüllung des Halbleiterchips und ein Gehäuse für das Halbleiterbauelement darstellen.
  • Durch die Verwendung eines Umhüllungskörpers, insbesondere eines Umhüllungskörpers aus einem elastischen Material, wird erreicht, dass Scherspannungen in einem zur Befestigung der Bauelementanordnung auf einer Leiterplatte verwendeten Lots herabgesetzt werden, während eine effiziente Wärmeabfuhr durch die keramischen Trägerkörper weiterhin möglich ist.
  • Außerdem wird vorteilhaft eine Bauelementanordnung bereitgestellt, welche über eine Vielzahl von Emissionsflächen (oder Detektionsflächen) verfügt, aber in einem einzigen Prozessschritt beispielsweise auf einer Leiterplatte montiert werden kann. Hierzu ist die Bauelementanordnung bevorzugt oberflächenmontierbar ausgeführt. Außerdem kann ein Abstand zwischen benachbarten Halbleiterchips sehr gering gewählt werden; beispielsweise kann ein Abstand zwischen Kanten benachbarter Halbleiterchips kleiner als 200 µm, bevorzugt kleiner als 100 µm, beispielsweise kleiner als 50 µm betragen. Aufgrund der geringen durch die Bauelementanordnung eingenommene Fläche kommt es zu einem sparsamen Einsatz von teurer Keramik.
  • Bevorzugt ist ein Elastizitätsmodul des Materials des Umhüllungskörpers so gewählt, dass einerseits die oben erwähnten Scherspannungen in einem zur Montage der Bauelementanordnung verwendeten Lots ausreichend gering sind, dass andererseits aber das Material hart genug ist, beispielsweise eine Deformation von Bonddrähten auf den Oberseiten der keramischen Trägerkörper zu verhindern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass eine Unterseite des keramischen Trägerkörpers jeweils von dem Halbleiterchip elektrisch isoliert ist. Hierdurch wird erreicht, dass der keramische Trägerkörper als Wärmeabfuhrelement wirken kann, aber gleichzeitig eine effiziente elektrische Isolierung zustande kommt, so dass die Unterseite des keramischen Trägerkörpers potentialfrei gehalten werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass der keramische Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und frei von elektrisch leitenden Durchkontaktierungen ist. Der Trägerkörper dient somit lediglich der effizienten Wärmeabfuhr, aber nicht der elektrischen Versorgung der Halbleiterchips. Beispielsweise kann der Trägerkörper eines der folgenden Materialien enthalten oder aus diesem bestehen: Eine Oxid-Keramik, wie insbesondere Aluminiumoxid; eine Nicht-Oxid-Keramik wie beispielsweise ein Carbid (zum Beispiel Siliciumcarbid) oder ein Nitrid (zum Beispiel Siliciumnitrid oder Bornitrid), oder ein anderes keramisches Material, welches bevorzugt kein Metall und keine organischen Verbindungen enthält. Beispielsweise weist der keramische Trägerkörper eine Dicke zwischen 50 µm und 500 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 µm und 300 µm auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass benachbarte optoelektronische Halbleiterbauelemente im Bereich der Oberseiten der Trägerkörper miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
  • Eine solche elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise durch die Verwendung von Bonddrähten oder planaren Verbindungselementen hergestellt sein, welche den Oberseiten der Trägerkörper angeordnet sind. Bevorzugt sind die benachbarten optoelektronischen Halbleiterbauelemente im Bereich der Unterseiten ihrer Trägerkörper frei von elektrisch leitenden Verbindungselementen und insbesondere voneinander elektrisch isoliert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass die optoelektronischen Halbleiterbauelemente in einer Reihe oder mehreren parallelen Reihen angeordnet sind und die in einer der Reihen angeordneten Halbleiterbauelemente miteinander in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise kann die Bauelementanordnung lediglich eine einzige Reihe von optoelektronischen Halbleiterbauelementen umfassen. Eine solche Anordnung ist am einfachsten herzustellen, da sie eine Segmentierung des zur Herstellung verwendeten keramischen Trägers in lediglich einer Richtung erfordert. In anderen Ausführungsformen umfasst die Bauelementanordnung mehrere Reihen von Halbleiterbauelementen, welche dann beispielsweise in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass der Umhüllungskörper ein Silikon, ein Acrylat oder ein Epoxid enthält. Beispielsweise wird der Umhüllungskörper durch ein schwarzes Material gebildet. Beispielsweise kann der Umhüllungskörper ein schwarzes Epoxid-Material („black epoxy“) enthalten oder aus diesem bestehen. Ein solches Material ist aufgrund seiner weiten Verbreitung in der Elektronik besonders kostengünstig verfügbar und zeichnet sich durch eine gute Verarbeitbarkeit aus. Der Umhüllungskörper kann aber auch beispielsweise aus einem weißen Material, beispielsweise einem weißen Epoxid, bestehen. Außerdem kann das Material Füllstoffe, beispielsweise aus Siliziumdioxid, enthalten. Bevorzugt ist das Material des Umhüllungskörpers elektrisch isolierend.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass jeder der Halbleiterchips zumindest einen elektrischen Kontakt auf einer dem keramischen Trägerkörper, also insbesondere der Oberseite des keramischen Trägerkörpers zugewandten Seite aufweist. Beispielsweise kann jeder der Halbleiterchips von entgegengesetzten Seiten her kontaktiert sein. Alternativ kann jeder der Halbleiterchips einen Oberseitenkontakt und einen Unterseitenkontakt aufweisen, d.h. von zwei Seiten her kontaktiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass Seitenflächen jedes der keramischen Trägerkörper Verankerungsstrukturen aufweist. Durch die Verankerungsstrukturen wird eine Verbesserung der Haftung zwischen dem Umhüllungskörper und den keramischen Trägerkörpern durch Formschluss erlaubt. Die Verankerungsstrukturen können beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass der bei der Herstellung der Bauelementanordnung verwendete keramische Träger von entgegengesetzten Seiten her mit unterschiedlich breiten Sägeblättern durchtrennt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass eine Oberkante des Umhüllungskörpers jeweils bis an die keramischen Trägerkörper heranreicht. Außerdem ist bevorzugt, dass eine Unterkante des Umhüllungskörpers mit den Unterseiten der keramischen Trägerkörper bündig abschließt. In dieser Ausführungsform weist der Umhüllungskörper eine geringere Dicke auf als die keramischen Trägerkörper.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass der Umhüllungskörper jeden der Halbleiterchips lateral umgibt. Beispielsweise kann im Umhüllungskörper eine Vielzahl von Kavitäten ausgebildet sein, in welchen die Halbleiterchips angeordnet sind. In dieser Ausführungsform weist der Umhüllungskörper bevorzugt eine größere Dicke auf als die keramischen Trägerkörper.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass auf der Oberseite jedes der keramischen Trägerkörper eine erste Metallisierung und/oder auf der Unterseite jedes der keramischen Trägerkörper eine zweite Metallisierung ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Halbleiterchip auf der ersten Metallisierung angeordnet, beispielsweise gelötet oder geklebt, wobei eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem dem keramischen Trägerkörper zugewandten Kontakt des Halbleiterchips und der ersten Metallisierung besteht. Des Weiteren ist bevorzugt, dass ein zweiter Kontakt desselben Halbleiterchips elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung eines benachbarten Halbleiterchips verbunden ist. Hierdurch kann eine einfache Reihenschaltung benachbarter Halbleiterchips erreicht werden. Die zweite Metallisierung dient bevorzugt der Montage der Bauelementanordnung beispielsweise auf einer Leiterplatte und unterstützt hierbei die Ausbildung eines Lotes.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass die optoelektronische Bauelementanordnung mindestens zwei Durchkontaktierungselemente aufweist, durch welche die Halbleiterbauelemente von einer Unterseite der optoelektronischen Bauelementanordnung her kontaktiert werden. Bevorzugt sind die Durchkontaktierungselemente von den übrigen Halbleiterbauelementen lateral beabstandet und beispielsweise in entgegengesetzten Randbereichen der Bauelementanordnung angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Bauelementanordnung ist vorgesehen, dass jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente ein Konversionselement umfasst, welches beispielsweise auf einer von dem keramischen Trägerkörper abgewandten Seite des Halbleiterchips angeordnet ist. Das Konversionselement ist insbesondere dazu ausgebildet, in den Halbleiterchips erzeugte Primärstrahlung mit einer ersten Wellenlänge (beispielsweise aus dem blauen Spektralbereich) in Sekundärstrahlung mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen längeren Wellenlänge (beispielsweise aus dem gelben Spektralbereich) zu konvertieren. Beispielsweise ist das Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mischlicht, insbesondere von für das menschliche Auge weiß erscheinendem Mischlicht, vorgesehen. Beispielsweise weist das Konversionselement eine Dicke zwischen 20 µm und 150 µm, besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 100 µm auf.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst folgende Schritte:
    • a) Bereitstellen eines keramischen Trägers;
    • b) Durchtrennen des keramischen Trägers entlang einer Vielzahl von zueinander parallelen Trennungslinien;
    • c) Bereitstellen einer Mehrzahl von Halbleiterchips, wobei jeder der Halbleiterchips einen zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen Halbleiterkörper aufweist;
    • d) Befestigen der Mehrzahl von Halbleiterchips auf dem keramischen Träger;
    • e) Ausbilden einer Umhüllung zumindest in Bereichen, in welchen der keramische Träger durchtrennt wurde;
    • f) Vereinzeln in eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen, wobei jede Bauelementanordnung eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen und einen Teil der Umhüllung als Umhüllungskörper aufweist und wobei jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zumindest einen Teil des keramischen Trägers als Trägerkörper umfasst.
  • Die Umhüllung kann insbesondere mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden. Unter dem Begriff Gießverfahren fallen hierbei alle Herstellungsverfahren, bei denen eine Formmasse in eine vorgegebene Form eingebracht wird und insbesondere nachfolgend gehärtet wird. Insbesondere umfasst der Begriff Gießverfahren Gießen (Casting), Spritzgießen (Injection Molding), Spritzpressen (Transfer Molding) und Formpressen (Compression Molding). Bevorzugt wird die Umhüllung durch Formpressen oder durch ein folienassistiertes Gießverfahren (Film Assisted Transfer Molding) ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der keramische Träger in Schritt b) lediglich entlang der Vielzahl von zueinander parallelen Trennungslinien durchtrennt wird. Dies heißt, der keramische Träger wird lediglich in einer Richtung segmentiert, wodurch ein besonders einfaches Herstellungsverfahren bereitgestellt wird, da der keramische Träger seine mechanische Stabilität beibehalten kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der keramische Träger in Schritt b) entlang einer Vielzahl von zueinander parallelen ersten Trennungslinien und einer Vielzahl von hierzu senkrechten zweiten Trennungslinien durchtrennt wird. Dies ermöglicht die Herstellung einer Bauelementanordnung, in welcher mehrere zueinander parallele Reihen von Halbleiterbauelementen vorgesehen sind. Hierbei müssen jedoch im Allgemeinen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die mechanische Stabilität des keramischen Trägers während des Herstellungsprozesses zu unterstützen, beispielsweise die Verwendung eines Hilfsträgers wie beispielsweise einer Klebefolie, auf welchem der keramische Träger während seiner Durchtrennung angeordnet wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass vor Schritt b) eine Vielzahl von ersten Metallisierungen auf einer Oberseite des keramischen Trägers ausgebildet wird und in Schritt d) jeder der Halbleiterchips jeweils auf einer der ersten Metallisierungen angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden wird. Bevorzugt wird hierbei jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem dem keramischen Träger zugewandten Kontakt des Halbleiterchips und der ersten Metallisierung ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass vor Schritt b) eine Vielzahl von zweiten Metallisierungen auf einer Unterseite des keramischen Trägers ausgebildet wird. Die zweiten Metallisierungen dienen bevorzugt der Montage der Bauelementanordnung beispielsweise auf einer Leiterplatte und unterstützen hierbei die Ausbildung eines Lotes.
  • Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren ist für die Herstellung der optoelektronischen Bauelementanordnung besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Verfahren angeführte Merkmale können daher auch für das Halbleiterbauelement herangezogen werden oder umgekehrt.
  • Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen:
  • Die 1 bis 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Bauelementanordnungen anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht und Draufsicht dargestellten Zwischenschritten.
  • In den 1 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen gezeigt. Hierbei zeigen die jeweils mit a) bezeichneten Figuren schematische Schnittansichten und die jeweils mit b) bezeichneten Figuren die entsprechenden Draufsichten.
  • Wie in 1 dargestellt, wird zunächst ein keramischer Träger 10 beispielsweise aus Aluminiumnitrid bereitgestellt, auf dessen Oberseite 11 in einem späteren Verfahrensschritt eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern angeordnet wird. 1 und darauf folgende Figuren zeigen lediglich einen Ausschnitt des keramischen Trägers 10; entsprechend müssen die in den Figuren gezeigten Strukturen in einem zweidimensionalen Gitter fortgesetzt gedacht werden. Auf der Oberseite 11 des keramischen Trägers 10 wird eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten ersten Metallisierungen 21 ausgebildet, und jeweils gegenüberliegend auf der Unterseite 12 des keramischen Trägers 10 eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten zweiten Metallisierungen 22. Im vorliegenden Fall weisen die ersten Metallisierungen 21 eine größere Breite auf als die zweiten Metallisierungen 22.
  • Außerdem werden in zwei Bereichen, welche gegenüberliegenden Randbereichen der fertig gestellten Bauelementanordnung bilden, jeweils eine dritte Metallisierung 23 auf der Oberseite 11 und eine vierte Metallisierung 24 auf der Unterseite 12 des keramischen Trägers 10 ausgebildet. Die beiden dritten Metallisierungen 23 sind jeweils mit den beiden vierten Metallisierungen 24 über einen mit leitfähigem Material gefüllten Kanal 26, welcher den keramischen Träger 10 durchstößt, elektrisch leitend verbunden und bilden mit diesem zusammen zwei Durchkontaktierungselemente 28. Auf der Oberseite 11 des keramischen Trägers 10 ist außerdem eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten fünften Metallisierungen 25 ausgebildet, wobei jede der fünften Metallisierungen 25 neben jeweils einer der ersten Metallisierungen 21 angeordnet ist. Die die ersten Metallisierungen 21 bildende Reihe verläuft hierbei parallel zu der die fünften Metallisierungen 25 bildende Reihe.
  • Die Metallisierungen können beispielsweise Kupfer, Nickel, Palladium oder Gold enthalten oder aus einem dieser Metalle bestehen.
  • In dem in 2 gezeigten Verfahrensschritt wird der keramische Träger 10 von seiner Unterseite 12 her entlang zueinander paralleler Trennungslinien 30 teilweise, beispielsweise entsprechend der Hälfte seiner Dicke, gesägt und hierdurch teilweise durchtrennt. Die Trennungslinien 30 verlaufen hierbei zwischen benachbarten zweiten Metallisierungen 22 bzw. zwischen den gegenüberliegenden benachbarten ersten Metallisierungen 21. Die gestrichelten Linien zeigen die Breite a (beispielsweise 200 µm) und die Tiefe t1 der entsprechenden Materialabtragung an.
  • Bevorzugt wird der keramische Träger 10 nicht über seine gesamte Ausdehnung hinweg durchtrennt, sondern nur in einem mittleren Bereich des gesamten Verbundes (von dem die Figuren wie ausgeführt nur einen Ausschnitt zeigen). Hierdurch bleibt am Rand des Verbundes ein stabiler Rand stehen, welcher für die erforderliche mechanische Stabilität des keramischen Trägers 10 sorgt. Beispielsweise kann ein für den Sägeprozess verwendetes Sägeblatt von einem Rand des keramischen Trägers in dessen Innere hinein versetzt eingetaucht und vor Erreichen des gegenüberliegenden Randes angehoben werden, so dass die Ränder bestehen bleiben.
  • In dem in 3 gezeigten Verfahrensschritt wird der keramische Träger 10 von seiner Oberseite 11 her entlang der gleichen Trennungslinien 30 mit einem dünneren Sägeblatt gesägt und hierdurch vollständig durchtrennt, wodurch der keramische Träger 10 in eine Vielzahl von keramischen Trägerkörpern 19 aufgeteilt wird. Die gestrichelten Linien zeigen wiederum die Breite b (beispielsweise 50 µm) und die Tiefe t2 der entsprechenden Materialabtragung an. Zur Unterstützung der mechanischen Stabilität des durchtrennten keramischen Trägers 10 kann dieser auf einem Hilfsträger 40 angeordnet, beispielsweise aufgeklebt werden. Dadurch, dass der keramische Träger 10 von entgegengesetzten Seiten her mit unterschiedlich breiten Sägeblättern durchtrennt wird, wird erreicht, dass Seitenflächen jedes der keramischen Trägerkörper 19 in der fertigen Bauelementanordnung Verankerungsstrukturen 40 aufweist (siehe 4). Durch die Verankerungsstrukturen 40 wird dort eine Verbesserung der Haftung zwischen dem Umhüllungskörper und den keramischen Trägerkörpern durch Formschluss erlaubt.
  • In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der keramische Träger 10 bereits zu Prozessbeginn segmentiert und weist entsprechende Verankerungsstrukturen auf.
  • In dem in 4 gezeigten Verfahrensschritt wird eine Vielzahl von Halbleiterchips 50 bereitgestellt und auf den keramischen Trägerkörpern 19 befestigt. Jeder der Halbleiterchips 50 weist ein Substrat 52 und ein auf dem Substrat 52 angeordneten Halbleiterkörper 54 auf. Auf dem Halbleiterkörper 54 ist außerdem ein Konversionselement 56 angeordnet. Jeder der Halbleiterchips 50 weist einen Unterseitenkontakt auf (nicht dargestellt), welcher mit der darunter angeordneten ersten Metallisierung 21 elektrisch leitend verbunden ist. Hierdurch entsteht eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 60, welche jeweils eine erste und zweite Metallisierung 21, 22, einen keramischen Trägerkörper 19, einen Halbleiterchip 50 und ein Konversionselement 56 umfassen.
  • Jeder der Halbleiterchips 50 weist des Weiteren einen Oberseitenkontakt 58 auf. Bei benachbarten Paaren von optoelektronischen Halbleiterbauelementen wird jeweils die erste Metallisierung 21 eines der Halbleiterbauelemente durch jeweils einen Bonddraht 70 mit dem Oberseitenkontakt 58 des anderen Halbleiterbauelements verbunden. Hierdurch werden die Halbleiterbauelemente 60 miteinander in Serie geschaltet. Abgeführt werden die jeweiligen Potentiale der außen liegenden Halbleiterbauelemente durch Bonddrähte 71, 72 an die Durchkontaktierungselemente 28, welche als Kathode und Anode wirken und zwischen welche von einer Unterseite der fertig gestellten Bauelementanordnung her eine Spannung angelegt werden kann. Schließlich wird über Bonddrähte 73 und die fünften Metallisierungen 25 eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet, wodurch eine ESD-Schutzdiode 74 zwischen die beiden Durchkontaktierungselemente 28 geschaltet werden kann.
  • In dem nachfolgenden, in 5 gezeigten Verfahrensschritt wird eine Umhüllung 80 durch Formpressen oder alternativ durch Auffüllen unter Verwendung eines Dispensprozesses („Dam and Fill“) erzeugt, welche Bereiche zwischen den Trägerkörpern 19, den Halbleiterchips 50 und den Konversionselement 56 benachbarter Halbleiterbauelemente 60 zumindest bereichsweise ausfüllt.
  • In dem in 6 dargestellten Verfahrensschritt wird der gesamte durch die Umhüllung 80 zusammengehaltene Verbund entlang von Vereinzelungslinien 90 in eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen 100 vereinzelt. Dies kann beispielsweise mechanisch, etwa mittels Sägens oder Stanzens, chemisch, beispielsweise mittels Ätzens, und/oder mittels kohärenter Strahlung, etwa durch Laserablation erfolgen. 6 stellt gleichzeitig eine fertiggestellte Bauelementanordnung 100 dar.
  • Jede fertiggestellte Bauelementanordnung 100 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen 60 und einen Teil der Umhüllung 80 als Umhüllungskörper 81 sowie zwei Durchkontaktierungselemente 28 auf.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Viel mehr 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (15)

  1. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen (60) und einem Umhüllungskörper (81), wobei – jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (60) einen keramischen Trägerkörper (19) und einen auf einer Oberseite des keramischen Trägerkörpers angeordneten Halbleiterchip (50) mit einem zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen Halbleiterkörper (54) aufweist, – der Umhüllungskörper (81) jeden der keramischen Trägerkörper (19) der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zumindest in einer lateralen Richtung bereichsweise umgibt und benachbarte keramische Trägerkörper (19) miteinander verbindet, und – eine Unterseite des keramischen Trägerkörpers (19) jeweils von dem Halbleiterchip (50) elektrisch isoliert ist.
  2. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei der keramische Trägerkörper (19) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und frei von elektrisch leitenden Durchkontaktierungen ist.
  3. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei benachbarte optoelektronische Halbleiterbauelemente (60) im Bereich der Oberseiten der Trägerkörper (19) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
  4. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optoelektronischen Halbleiterbauelemente in einer Reihe oder mehreren parallelen Reihen angeordnet sind und die in einer der Reihen angeordneten Halbleiterbauelemente miteinander in Reihe geschaltet sind.
  5. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Umhüllungskörper (81) ein Silikon, ein Acrylat oder ein Epoxid enthält.
  6. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder der Halbleiterchips (50) zumindest einen elektrischen Kontakt auf einer dem keramischen Trägerkörper zugewandten Seite aufweist.
  7. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Seitenflächen jedes der keramischen Trägerkörper Verankerungsstrukturen (40) aufweist.
  8. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Oberkante des Umhüllungskörpers (81) jeweils bis an die keramischen Trägerkörper (19) heranreicht.
  9. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Umhüllungskörper (81) jeden der Halbleiterchips (50) lateral umgibt.
  10. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Oberseite jedes der keramischen Trägerkörper (19) eine erste Metallisierung (21) oder auf der Unterseite jedes der keramischen Trägerkörper eine zweite Metallisierung (22) ausgebildet ist.
  11. Optoelektronische Bauelementanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optoelektronische Bauelementanordnung mindestens zwei Durchkontaktierungselemente (28) aufweist, durch welche die Halbleiterbauelemente von einer Unterseite der optoelektronischen Bauelementanordnung her kontaktiert werden.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den Schritten: a) Bereitstellen eines keramischen Trägers (10); b) Durchtrennen des keramischen Trägers (10) entlang einer Vielzahl von zueinander parallelen Trennungslinien (30); c) Bereitstellen einer Mehrzahl von Halbleiterchips (50), wobei jeder der Halbleiterchips einen zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen Halbleiterkörper (54) aufweist; d) Befestigen der Mehrzahl von Halbleiterchips (50) auf dem keramischen Träger (10); e) Ausbilden einer Umhüllung (80) zumindest in Bereichen, in welchen der keramische Träger (10) durchtrennt wurde; f) Vereinzeln in eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementanordnungen (100), wobei jede Bauelementanordnung eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen (60) und einen Teil der Umhüllung (80) als Umhüllungskörper (81) aufweist und wobei jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zumindest einen Teil des keramischen Trägers (10) als Trägerkörper (19) umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der keramische Träger (10) in Schritt b) entlang einer Vielzahl von zueinander parallelen ersten Trennungslinien und einer Vielzahl von hierzu senkrechten zweiten Trennungslinien durchtrennt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei vor Schritt b) eine Vielzahl von ersten Metallisierungen (21) auf einer Oberseite des keramischen Trägers ausgebildet wird und in Schritt d) jeder der Halbleiterchips jeweils auf einer der ersten Metallisierungen angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei vor Schritt b) eine Vielzahl von zweiten Metallisierungen (22) auf einer Unterseite des keramischen Trägers ausgebildet wird.
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