DE102019134904A1

DE102019134904A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zum betreiben eines optoelektronischen halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102019134904A1
Application number: DE102019134904.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Betthausen; Olivier Leray; Muyuan Li; Benjamin Gruber; Michael Steyer; Alexander Linkov; Stefan Handl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US20220416133A1; WO2021122321A1; CN114762134A

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) und einer Umhüllung (3) mit einem Matrixmaterial (31) angegeben, wobei der Halbleiterchip in die Umhüllung eingebettet ist und wobei die Umhüllung so ausgebildet ist, dass sich im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements Hohlräume (5) ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet sind.Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauelements angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Leuchtdioden, kurz LEDs, werden oftmals in eine Umhüllung eingebettet. Bei der Verwendung von Silikon für die Umhüllung hat sich gezeigt, dass ein alterungsbedingtes Schrumpfen des Silikons zu einer Delaminierung der Umhüllung von dem Halbleiterchip und/oder von einem Leiterrahmen des Halbleiterbauelements führen kann. Dadurch können unter anderem die Korrosionsbeständigkeit und die Helligkeit des Halbleiterbauelements beeinträchtigt werden.
Eine Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das sich bei guten optoelektronischen Eigenschaften durch ein gutes Alterungsverhalten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement beziehungsweise durch ein Betriebsverfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterchip angegeben.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann auch mehr als einen optoelektronischen Halbleiterchip aufweisen. Der optoelektronische Halbleiterchip ist zum Erzeugen und/oder Empfangen von Strahlung vorgesehen, beispielsweise für Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich.
Beispielsweise weist der Halbleiterchip, insbesondere ein aktiver Bereich davon, ein III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial auf. III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Al_x In_y Ga_1-x-y N) über den sichtbaren (Al_x In_y Ga_1-x-y N, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Al_x In_y Ga_1-x-y P, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Al_x In_y Ga_1-x-y As) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0. Mit III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Umhüllung auf, in die der Halbleiterchip eingebettet ist. Die Umhüllung grenzt beispielsweise stellenweise unmittelbar an den optoelektronischen Halbleiterchip an.
Die Umhüllung ist beispielsweise durch ein Gießverfahren hergestellt. Unter einem Gießverfahren wird allgemein ein Verfahren verstanden, mit dem eine Formmasse gemäß einer vorgegebenen Form ausgestaltet und erforderlichenfalls ausgehärtet werden kann. Insbesondere umfasst der Begriff „Gießverfahren“ Gießen (molding), Folien assistiertes Gießen (film assisted molding), Spritzgießen (injection molding), Spritzpressen (transfer molding) und Formpressen (compression molding).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Umhüllung ein Matrixmaterial auf. Das Matrixmaterial ist zweckmäßigerweise für die von dem optoelektronischen Halbleiterchip im Betrieb zu erzeugende und/oder empfangende Strahlung durchlässig.
Das insbesondere transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan, ein Silikon oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das Matrixmaterial ein Silikon auf oder besteht aus einem Silikon.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Umhüllung so ausgebildet, dass sich im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements Hohlräume ausbilden. Die Hohlräume sind vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet. Die Hohlräume entstehen insbesondere erst im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Unmittelbar nach der Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die Hohlräume in der Umhüllung also noch nicht vorhanden. Insbesondere kann die Anzahl der Hohlräume zumindest in einem bestimmten Betriebszeitraum mit zunehmender Betriebsdauer des optoelektronischen Halbleiterbauelements zunehmen.
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das optoelektronische Halbleiterbauelement einen optoelektronischen Halbleiterchip und eine Umhüllung mit einem Matrixmaterial auf, wobei der Halbleiterchip in die Umhüllung eingebettet ist und wobei die Umhüllung so ausgebildet ist, dass sich im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements Hohlräume ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet sind.
Die Umhüllung ist also gezielt so ausgebildet, dass im Betrieb des Halbleiterbauelements Hohlräume in der Umhüllung entstehen. Die Hohlräume sind vollständig vom Material der Umhüllung umschlossen und erstrecken sich nicht bis zu einer Außenfläche der Umhüllung. Mit anderen Worten bilden die Hohlräume keine Pfade, über die beispielsweise Luft und/oder Feuchtigkeit zum Halbleiterchip gelangen kann.
Die Außenfläche der Umhüllung ist beispielsweise eine Grenzfläche der Umhüllung zu einem anderen Teil des Halbleiterbauelements, beispielsweise zum Halbleiterchip und/oder zum Gehäusekörper und/oder zum Leiterrahmen des Gehäusekörpers. Weiterhin kann die Außenfläche der Umhüllung das Halbleiterbauelement stellenweise abschließen. Das heißt, die Außenfläche der Umhüllung ist stellenweise auch eine Außenfläche des Halbleiterbauelements.
Es hat sich gezeigt, dass derartige umschlossene Hohlräume dazu führen, dass sich Delaminationskräfte, die zum Ablösen der Umhüllung von dem Halbleiterchip oder einem anderen Teil des Halbleiterbauelements führen können, verringert werden. Mit anderen Worten bewirken die Hohlräume, dass Verspannungen in der Umhüllung abgebaut und Delaminationskräfte verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Umhüllung so ausgebildet, dass ein alterungsbedingtes Schrumpfen des Matrixmaterials die Ausbildung der Hohlräume bewirkt. Insbesondere ist die Materialzusammensetzung der Umhüllung so ausgebildet, dass die Hohlräume im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements entstehen.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Umhüllung an dem Halbleiterchip und/oder den übrigen an die Umhüllung angrenzenden Teilen des optoelektronischen Halbleiterbauelements im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements auch haften bleibt, wenn das Matrixmaterial alterungsbedingt schrumpft. Die Gefahr, dass sich an der Grenzfläche zwischen der Umhüllung und dem Halbleiterchip und/oder anderen Teilen des Halbleiterbauelements Risse ausbilden, ist vermieden oder zumindest verringert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind in das Matrixmaterial der Umhüllung Partikel als Risskeime eingebracht, sodass sich die Hohlräume im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements zumindest an einigen der Risskeime ausbilden. Die Partikel dienen also als Ausgangspunkt für die Ausbildung der Hohlräume, etwa in Form von Mikrorissen. Beispielsweise weisen die Hohlräume entlang einer Richtung maximaler Ausdehnung eine Ausdehnung von höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm auf. Alternativ oder zusätzlich weisen die Hohlräume entlang einer Richtung maximaler Ausdehnung eine Ausdehnung von mindestens 5 µm oder mindestens 10 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die Partikel für die von dem optoelektronischen Halbleiterchip zu erzeugende und/oder zu empfangende Strahlung durchlässig. Insbesondere absorbieren die Partikel die Strahlung nicht oder zumindest nur zu einem vernachlässigbaren Anteil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die Partikel optisch inaktiv. Dies bedeutet insbesondere, dass die Partikel nicht dafür vorgesehen sind, die räumliche und/oder spektrale Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Halbleiterbauelements zu formen. Insbesondere sind die Partikel keine Diffusoren und keine Leuchtstoffe. Mit anderen Worten hat die Umhüllung mit solchen Partikeln im Wesentlichen dieselben optischen Eigenschaften wie eine Umhüllung ohne solche Partikel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die Partikel durch ein Material gebildet, das bezüglich seines Brechungsindizes an einen Brechungsindex des Matrixmaterials angepasst ist. Vorzugsweise weicht der Brechungsindex des Materials der Partikel um höchstens 10 %, besonders bevorzugt um höchstens 5 % vom Brechungsindex des Matrixmaterials ab. Je geringer der Brechungsindexunterschied zwischen dem Material der Partikel und dem Matrixmaterial ist, desto geringer sind optische Grenzflächeneffekte wie beispielsweise Brechungseffekte.
Im Zweifel beziehen sich die Brechungsindizes jeweils auf den Brechungsindex der Materialien bei Raumtemperatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen zumindest einige der Partikel eine kantige Grundform auf. Die Partikel sind also nicht vollständig rotationssymmetrisch. Es hat sich gezeigt, dass Kanten der Partikel besonders effizient als Risskeime wirken. Beispielsweise ist eine maximale Ausdehnung von zumindest einigen der Partikel entlang einer Richtung um mindestens 10 % größer als ein Durchmesser eines idealen sphärischen Partikels mit demselben Volumen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die Partikel einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 30 µm auf. Bei nicht-sphärischen Partikeln wird hierbei die maximale Ausdehnung als Durchmesser angesehen. Der Durchmesser der Partikel ist also groß im Vergleich zu einer Wellenlänge maximaler Intensität der zu erzeugenden und/oder zum empfangenden Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die Partikel mit einem Anteil zwischen einschließlich 3 Gew.-% und einschließlich 30 Gew.- %, insbesondere mit einem Anteil zwischen einschließlich 5 Gew.-% und einschließlich 25 Gew.-% in der Umhüllung vorhanden. Bei einem zu geringen Anteil an Partikeln werden die Hohlräume nicht mit ausreichender Dichte in der Umhüllung erzeugt. Bei einem zu hohen Anteil bewirken die Partikel eine zu starke Erhöhung der Viskosität des Materials der Umhüllung, wodurch die Verarbeitung bei der Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements erschwert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist das Matrixmaterial ein Silikon. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial ein sogenanntes hochbrechendes Silikon mit einem Brechungsindex zwischen einschließlich 1,52 und einschließlich 1,6, insbesondere zwischen einschließlich 1,54 und einschließlich 1,56.
Durch ein hochbrechendes Silikon kann der Brechungsindexunterschied zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip und der Umhüllung verringert werden. Dadurch verbessert sich die optische Ankopplung des optoelektronischen Halbleiterchips an die Umhüllung. Für den Fall eines strahlungserzeugenden optoelektronischen Halbleiterchips verbessert sich somit die Auskoppeleffizienz.
Grundsätzlich zeigt jedoch hochbrechendes Silikon eine stärkere Neigung zur Delamination als niedrigbrechendes Silikon.
Mit der vorliegend beschriebenen Ausgestaltung der Umhüllung kann jedoch auch eine Umhüllung basierend auf hochbrechendem Silikon als Matrixmaterial zuverlässig so ausgebildet werden, dass eine hohe Alterungsstabilität erzielt werden kann. Eine hohe Alterungsstabilität und eine gute optische Ankopplung des Halbleiterchips an die Umhüllung können also vereint werden.
Grundsätzlich kann jedoch auch ein niedrigbrechendes Silikon Anwendung finden, beispielsweise ein Silikon mit einem Brechungsindex zwischen einschließlich 1,4 und einschließlich 1,5, insbesondere zwischen einschließlich 1,45 und einschließlich 1,48.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das Matrixmaterial einen Brechungsindex von zwischen einschließlich 1,4 und einschließlich 1,6 auf. Beispielsweise weist das Matrixmaterial ein Polymer-Material oder ein Hybrid-Material auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Umhüllung zusätzlich zu den Partikeln einen Leuchtstoff auf. Der Leuchtstoff ist dafür vorgesehen, von dem optoelektronischen Halbleiterchip erzeugte Primärstrahlung vollständig oder teilweise in Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich umzuwandeln. Beispielsweise liegen die Primärstrahlung im blauen oder ultravioletten Spektralbereich und die Sekundärstrahlung im roten, gelben, grünen oder blauen Spektralbereich. Beispielsweise strahlt das optoelektronische Halbleiterbauelement insgesamt für das menschliche Auge weiß erscheinendes Mischlicht ab.
Der Leuchtstoff kann dabei einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, beispielsweise YAG:Ce³⁺, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und Chlorosilikate. Weiterhin kann der Leuchtstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Die Umhüllung kann geeignete Mischungen und/oder Kombinationen der genannten Leuchtstoffe aufweisen. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, dass, wie oben beschrieben, die Umhüllung in einem blauen ersten Wellenlängenbereich absorbiert und in einem zweiten Wellenlängenbereich emittiert, der grüne und rote Wellenlängen und/oder gelbe Wellenlängenbereiche aufweist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem optoelektronischen Halbleiterchip und einer Umhüllung mit einem Matrixmaterial bereitgestellt, wobei der Halbleiterchip in die Umhüllung eingebettet ist. Das optoelektronische Halbleiterbauelement wird so betrieben, dass sich Hohlräume ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet sind.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement wird also gezielt so betrieben, dass sich in der Umhüllung die Hohlräume ausbilden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise im regulären Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Es ist also nicht erforderlich, hierfür einen separaten Herstellungsschritt oder einen zusätzlichen Betriebsmodus vorzusehen. Die Gefahr einer Delamination der Umhüllung während des Betriebs kann durch die Ausbildung der Hohlräume vermieden oder zumindest reduziert werden, insbesondere ohne die Leistungsaufnahme des optoelektronischen Halbleiterbauelements zumindest im zeitlichen Mittel abzusenken.
Für das Betriebsverfahren eignet sich insbesondere ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem oder mehreren Merkmalen des vorstehend beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements. Im Zusammenhang mit dem optoelektronischen Halbleiterbauelement beschriebene Merkmale können daher auch für das Betriebsverfahren herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

Die 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement und ein Betriebsverfahren eines Halbleiterbauelements anhand von Darstellungen in schematischer Schnittansicht unmittelbar nach der Herstellung (1A) und nach einer vorgegebenen Betriebsdauer ( 1B) ;
die 2A eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme einer Referenzprobe mit delaminierter Referenzumhüllung;
2B eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme eines Schnitts durch ein vorstehend beschriebenes Halbleiterbauelement mit einer Umhüllung mit Hohlräumen;
die 3A und 3B Messergebnisse von Messungen des normierten Lichtstroms L_N in Prozent, normiert auf den Lichtstrom zur Zeit t=0 (auch als Lumen Maintenance / Φ_□) in 3A und der Veränderung des Farborts (auch color shift) Δv' in pts gegenüber dem Zeitpunkt t=0 in 3B an vorstehend beschriebenen Halbleiterbauelementen und an Referenzproben in Abhängigkeit von der Betriebsdauer t in Stunden; und
die 4A und 4B Simulationsergebnisse der Delaminationsverspannung unter Annahme einer Umhüllung mit sechs Hohlräumen (4A) beziehungsweise 18 Hohlräumen (4B).

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement gemäß dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel weist einen optoelektronischen Halbleiterchip 2 auf, der beispielsweise als ein LED-Halbleiterchip ausgebildet ist. Der optoelektronische Halbleiterchip 2 ist in eine Umhüllung 3 eingebettet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Halbleiterchip 2 in einer Kavität eines Gehäusekörpers 6 und ist über einen Leiterrahmen 61 extern elektrisch kontaktierbar. Die beschriebene Ausgestaltung der Umhüllung 3 eignet sich jedoch grundsätzlich für jede Art von Gehäusen, bei denen ein optoelektronischer Halbleiterchip in eine insbesondere strahlungsdurchlässige Umhüllung 3 eingebettet ist.
Die Umhüllung 3 ist so ausgebildet, dass sich im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements Hohlräume 5 ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung 3 angeordnet sind. Dies ist in 1B schematisch dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 wird also gezielt so betrieben, dass sich die Hohlräume 5 in der Umhüllung 3 ausbilden, insbesondere in Form von Mikrorissen.
Mittels der Hohlräume 5 kann erzielt werden, dass sich Verspannungen, die zu einer Delamination der Umhüllung 3 von dem Halbleiterchip 2 oder Teilen des Gehäusekörpers 6, beispielsweise des Leiterrahmens 61, führen könnten, verringert werden.
Dies wird anhand der in den 2A und 2B gezeigten Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen deutlich. Bei einer konventionellen Referenzumhüllung 39 kann ein alterungsbedingtes Schrumpfen der Referenzumhüllung dazu führen, dass sich die Referenzumhüllung 39 stellenweise von dem Halbleiterchip 2 ablöst. Dies ist in 2A an Stellen zu sehen, auf die die Pfeile 91 zeigen.
Im Unterschied hierzu bewirken in der Umhüllung 3 die Hohlräume 5, auf welche die Pfeile 95 in 2B zeigen, dass die Umhüllung 3 mit dem Halbleiterchip 2 und dem Gehäusekörper 6 fest verbunden bleibt.
Spalte zwischen der Umhüllung 3 und einem Halbleiterchip 2 können beispielsweise aufgrund von Korrosionseffekten zu einer Verringerung der Helligkeit der von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten Strahlung führen. Auch die optische Ankopplung des optoelektronischen Halbleiterchips 2 an die Umhüllung 3 kann durch einen solchen Spalt beeinträchtigt werden, was ebenfalls zur Verringerung der Helligkeit führt.
Weiterhin kann dies auch eine Farbortverschiebung der vom Halbleiterbauelement insgesamt abgestrahlten Strahlung bewirken. Dies ist in den 3A und 3B gezeigt. Die Messungen belegen, dass der Helligkeitsabfall für Halbleiterbauelemente mit der vorstehend beschriebenen Umhüllung, dargestellt durch die Kurven 7, deutlich geringer ist als für die Referenzkurven 8. Auch die Veränderung des Farborts ist, wie in 3B gezeigt, für die Referenzkurven 8 deutlich größer.
In den 4A und 4B sind Ergebnisse von Simulationen der auftretenden Delaminationsverspannung gezeigt. Hierfür wurde eine Umhüllung mit einem Querschnitt von 150 µm × 250 µm zugrunde gelegt. Weiterhin wurde für die Umhüllung 3 eine alterungsbedingte Schrumpfung von 4,5 % angesetzt. Für eine konventionelle homogene Umhüllung, also eine Referenzumhüllung ohne Hohlräume, ergibt sich dadurch eine Delaminationsverspannung von 0,154 MPa.
Die 4A und 4B zeigen Simulationen, bei denen anstelle einer homogenen, konventionellen Umhüllung sechs Hohlräume (4A) beziehungsweise 18 Hohlräume (4B) angenommen wurden, wobei die Hohlräume jeweils eine Länge von 20 µm aufweisen. Gemäß den Simulationsergebnissen ergibt sich für den Fall von sechs Hohlräumen eine reduzierte Delaminationsverspannung von 0,139 MPa und für den Fall mit 18 Hohlräumen eine noch stärker reduzierte Delaminationsverspannung von 0,109 MPa. Die Simulationen belegen also, dass die Hohlräume einen positiven Effekt auf die Delaminationsverspannung haben und somit die Alterungsstabilität des Halbleiterbauelements 1 insgesamt fördern.
Für die Umhüllung 3 eignet sich beispielsweise ein Matrixmaterial 31, welches ein Silikon aufweist oder aus einem Silikon besteht. Insbesondere eignet sich ein hochbrechendes Silikon, beispielsweise mit einem Brechungsindex zwischen 1,54 und 1,56. Grundsätzlich kann aber auch ein anderes der im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Matrixmaterialien Anwendung finden.
In das Matrixmaterial 31 der Umhüllung können Partikel 4 eingebracht werden, welche als Risskeime dienen und die Ausbildung von Hohlräumen in der Umhüllung fördern. Für die Partikel eignen sich grundsätzlich alle Materialien, die für die von dem optoelektronischen Halbleiterchip zu erzeugende oder zu empfangende Strahlung durchlässig sind. Vorzugsweise sind die Partikel 4 durch ein Material gebildet, das sich hinsichtlich seines Brechungsindizes nicht oder nur geringfügig vom Brechungsindex des Matrixmaterials 31 unterscheidet. Vorzugsweise unterscheiden sich die Brechungsindizes um höchstens 10 %, besonders bevorzugt um höchstens 5 %, voneinander. Beispielsweise enthalten die Partikel ein Oxid, etwa Siliziumdioxid.
Alternativ eignet sich für die Partikel beispielsweise ein Acrylat, etwa Polymethylmetacrylat (PMMA), ein Imid, beispielsweise Polymetacrylmethylimid (PMMI), oder ein Glas.
Vorzugsweise weisen die Partikel 4 einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 30 µm auf.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass Partikel 4 mit einer kantigen Grundform besonders effizient als Risskeime für die Ausbildung von Hohlräumen 5 in der Umhüllung 3 wirken. Grundsätzlich können jedoch auch sphärische Partikel Anwendung finden.
Vorzugsweise sind die Partikel 4 mit einem Anteil von mindestens 3 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, in der Umhüllung 3 vorhanden. Dadurch wird zuverlässig gewährleistet, dass sich aufgrund des alterungsbedingten Schrumpfens des Matrixmaterials ausreichend Hohlräume 5 in der Umhüllung 3 ausbilden.
Zweckmäßigerweise sind die Partikel 4 mit einem Anteil von höchstens 30 %, insbesondere höchstens 25 Gew.-%, in der Umhüllung vorhanden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Umhüllung bei der Herstellung des Halbleiterbauelements 1 nicht zu zähflüssig ist.
Zusätzlich kann in der Umhüllung 3 auch ein Leuchtstoff 35 angeordnet sein, sodass das Halbleiterbauelement 1 insgesamt eine Mischstrahlung, beispielsweise für das menschliche Auge weiß erscheinendes Mischlicht, erzeugt.
Die beschriebene Ausgestaltung der Umhüllung 3 eignet sich insbesondere für optoelektronische Halbleiterbauelemente 1, bei denen hohe Lichtleistungen im Dauerstrich-Betrieb erforderlich sind, wodurch vergleichsweise hohe Temperaturen in der Umhüllung 3 auftreten. Dadurch besteht bei solchen optoelektronischen Halbleiterbauelementen 1 eine erhöhte Gefahr von Delaminationseffekten aufgrund von alterungsbedingtem Schrumpfen des Matrixmaterials. Bei solchen optoelektronischen Halbleiterbauelementen 1 kann eine hohe Alterungsstabilität des Halbleiterbauelements, insbesondere hinsichtlich Helligkeit und Farbort der abgestrahlten Strahlung, erzielt werden, ohne dass die Leistungsaufnahme des optoelektronischen Halbleiterbauelements reduziert werden muss.
Grundsätzlich eignet sich die beschriebene Umhüllung jedoch für alle Arten von optoelektronischen Halbleiterbauelementen, insbesondere auch für optoelektronische Halbleiterchips 2, die zum Empfangen von Strahlung vorgesehen sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Halbleiterbauelement
2: Halbleiterchip
3: Umhüllung
31: Matrixmaterial
35: Leuchtstoff
39: Referenzumhüllung
4: Partikel
5: Hohlraum
6: Gehäusekörper
61: Leiterrahmen
7: Messkurve
8: Referenzkurve
91: Pfeil
95: Pfeil

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) und einer Umhüllung (3) mit einem Matrixmaterial (31), wobei der Halbleiterchip in die Umhüllung eingebettet ist und wobei die Umhüllung so ausgebildet ist, dass sich im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements Hohlräume (5) ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Umhüllung so ausgebildet ist, dass ein alterungsbedingtes Schrumpfen des Matrixmaterials die Ausbildung der Hohlräume bewirkt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei in das Matrixmaterial der Umhüllung Partikel (4) als Risskeime eingebracht sind, so dass sich die Hohlräume im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements zumindest an einigen der Risskeime ausbilden.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel für eine von dem optoelektronischen Halbleiterchip zu erzeugende oder empfangende Strahlung durchlässig sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel optisch inaktiv sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel durch ein Material gebildet sind, das bezüglich des Brechungsindizes an einen Brechungsindex des Matrixmaterials angepasst ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brechungsindex des Materials der Partikel um höchstens 10 % vom Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brechungsindex des Materials der Partikel um höchstens 5 % vom Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einige der Partikel eine kantige Grundform aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 30 µm aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel mit einem Anteil zwischen einschließlich 3 Gew.-% und einschließlich 30 Gew.-% in der Umhüllung vorhanden sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Partikel mit einem Anteil zwischen einschließlich 5 Gew.-% und einschließlich 25 Gew.-% in der Umhüllung vorhanden sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Matrixmaterial ein Silikon ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Matrixmaterial einen Brechungsindex von zwischen einschließlich 1,4 und einschließlich 1,6 aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit den Schritten: a) Bereitstellen eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) und einer Umhüllung (3) mit einem Matrixmaterial (31), wobei der Halbleiterchip in die Umhüllung eingebettet ist; und b) Betreiben des optoelektronischen Halbleiterbauelements, so dass sich Hohlräume (5) ausbilden, die vollständig innerhalb der Umhüllung angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das optoelektronische Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.