DE102014116529A1

DE102014116529A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils

Info

Publication number: DE102014116529A1
Application number: DE102014116529.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz; Frank Singer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US20170331019A1; DE112015005127B4; CN107078131B; JP2017538286A; WO2016074914A1; CN107078131A; KR20170085042A; US9887336B2; JP6348660B2; KR102407430B1; DE112015005127A5

Abstract

Es umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil (1) einen Träger (2) mit einer Trägeroberseite (23) und einer Trägerunterseite (24). Mehrere lichtemittierende Halbleiterchips (3) sind an der Trägeroberseite (23) angebracht. Mindestens zwei elektrische Kontaktflächen (4) befinden sich an der Trägerunterseite (24). Der Träger (2) weist einen Metallkern (25) auf, wobei der Metallkern (25) mindestens 60 % einer Dicke des Trägers (2) ausmacht und zu mindestens 70 % zu einer mechanischen Steifigkeit des Trägers (2) beiträgt. Der Metallkern (25) ist mindestens teilweise unmittelbar mit einer Keramikschicht (26) beschichtet, deren Dicke höchstens 100 µm beträgt. Die Keramikschicht (26) ist stellenweise unmittelbar mit einer Metallschicht (27) beschichtet. Die Halbleiterchips (3) sind über die Metallschicht (27) elektrisch mit den Kontaktflächen (4) verbunden.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Halbleiterbauteils angegeben.
In der Druckschrift US 2014/0293554 A1 sind Metallträger mit einer elektrisch isolierenden Keramikbeschichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das zu einem externen Träger hin einen geringen thermischen Widerstand aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil einen Träger. Der Träger weist eine Trägeroberseite und eine dieser gegenüberliegenden Trägerunterseite auf. Bei der Trägeroberseite und der Trägerunterseite handelt es sich bevorzugt um Hauptseiten des Trägers. Die Trägeroberseite und/oder die Trägerunterseite können eben und planar gestaltet sein. Es ist möglich, dass sich der Träger aus mehreren Trägerteilen zusammensetzt. Alternativ hierzu kann der Träger einstückig ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen oder mehrere lichtemittierende Halbleiterchips. Lichtemittierend kann bedeuten, dass der Halbleiterchip Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 300 nm oder 400 nm oder 430 nm und/oder von höchstens 950 nm oder 680 nm oder 550 nm oder 495 nm aussendet. Insbesondere handelt es sich bei den lichtemittierenden Halbleiterchips um blaues Licht emittierende Leuchtdioden.
Es ist optional möglich, dass das Halbleiterbauteil zusätzliche Halbleiterchips aufweist, die nicht zu einer Strahlungserzeugung vorgesehen sind. Bei solchen Halbleiterchips handelt es sich beispielsweise um Schutzdioden gegen Schäden vor elektrostatischen Entladungen oder auch um Adressierungschips oder um Steuerchips. Im Folgenden werden nur die lichtemittierenden Halbleiterchips detaillierter betrachtet und der Begriff Halbleiterchip bezeichnet nachfolgend jeweils die lichtemittierenden Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips an der Trägeroberseite angebracht. Beispielsweise sind die Halbleiterchips angelötet oder insbesondere elektrisch leitfähig angeklebt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil zwei oder mehr als zwei elektrische Kontaktflächen an der Trägerunterseite auf. Die elektrischen Kontaktflächen sind nicht unmittelbar elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise ist eine der Kontaktflächen als Anodenkontakt und eine andere der Kontaktflächen als Katodenkontakt eingerichtet. Über die elektrischen Kontaktflächen ist das Halbleiterbauteil extern elektrisch kontaktierbar, beispielsweise auf einer Leiterplatte elektrisch und bevorzugt auch gleichzeitig mechanisch anbringbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich alle elektrischen Kontaktflächen an der Trägerunterseite. Dies kann bedeuten, dass das optoelektronische Halbleiterbauteil oberflächenmontierbar ist, dass es sich also um ein SMT-Bauteil handelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Träger einen Metallkern auf. Bei dem Metallkern handelt es sich bevorzugt um ein homogenes, massives, monolithisches Material. Der Metallkern kann aus einem Reinmetall oder, bevorzugt, aus einer Metalllegierung gebildet sein. Der Metallkern ist elektrisch leitfähig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform macht der Metallkern mindestens 40 % oder 60 % oder 80 % oder 90 % einer Gesamtdicke des Trägers aus. Die Gesamtdicke des Trägers ist insbesondere in Richtung senkrecht zu der Trägeroberseite zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich trägt der Metallkern des Trägers zu einer mechanischen Steifigkeit des Trägers zu mindestens 50 % oder 70 % oder 85 % oder 95 % bei. Mit anderen Worten stellt dann der Metallkern die den Träger stabilisierende oder im Wesentlichen stabilisierende Komponente dar. Es geht dann die Trägereigenschaft des Trägers auf den Metallkern zurück. Weitere Komponenten des Trägers weisen in diesem Fall andere Hauptfunktionen auf, unabhängig von einer Steigerung der Tragkraft des Trägers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Metallkern stellenweise oder ganzflächig mit einer Keramikschicht beschichtet. Die Keramikschicht steht bevorzugt in unmittelbarem, direktem Kontakt zu dem Metallkern. Bei der Keramikschicht handelt es sich um eine elektrisch isolierende, thermisch gut leitfähige Schicht. Insbesondere ist die Keramikschicht zu einer elektrischen Isolierung eingerichtet, das heißt im bestimmungsgemäßen Gebrauch des optoelektronischen Halbleiterbauteils wirkt die Keramikschicht als elektrische Isolierschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Keramikschicht eine Dicke von mindestens 2 µm oder 5 µm oder 8 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Keramikschicht bei höchstens 100 µm oder 50 µm oder 20 µm oder 15 µm. Es ist möglich, dass die Keramikschicht aus einer Vielzahl von Keramikpartikeln, beispielsweise AlN-Partikeln, zusammengesetzt ist. Ein mittlerer Durchmesser der Keramikpartikel liegt bevorzugt bei mindestens 10 nm oder 50 nm und/oder bei höchstens 500 nm oder 250 nm oder 120 nm. Solche Keramikschichten sind etwa aus der Druckschrift US 2014/0293554 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich der Keramikschicht durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf die Keramikschicht stellenweise eine Metallschicht aufgebracht. Die Metallschicht steht bevorzugt in unmittelbarem, physischem Kontakt zu der Keramikschicht. Es bedeckt die Metallschicht die Keramikschicht besonders bevorzugt nur unvollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips mit den elektrischen Kontaktflächen über die Metallschicht elektrisch verbunden. Das heißt, ein elektrischer Strom von den Kontaktflächen hin zu den Halbleiterchips wird mindestens zum Teil über die Metallschicht geführt. Hierbei können zusätzliche elektrische Verbindungen, etwa über Bonddrähte, vorhanden sein.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil einen Träger mit einer Trägeroberseite und einer dieser gegenüberliegenden Trägerunterseite. Mehrere lichtemittierende Halbleiterchips sind an der Trägeroberseite angebracht. Mindestens zwei elektrische Kontaktflächen zu einer externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils befinden sich an der Trägerunterseite. Der Träger weist einen Metallkern auf, wobei der Metallkern mindestens 60 % einer Dicke des Trägers ausmacht und zu mindestens 70 % zu einer mechanischen Steifigkeit des Trägers beiträgt. Der Metallkern ist mindestens teilweise unmittelbar mit einer Keramikschicht beschichtet, deren Dicke höchstens 100 µm beträgt. Die Keramikschicht ist stellenweise unmittelbar mit einer Metallschicht beschichtet. Die Halbleiterchips sind über die Metallschicht elektrisch mit den Kontaktflächen verbunden.
Durch die Keramikschicht ist eine elektrische Isolation des Metallkerns erzielbar, wobei der Metallkern thermisch leitfähig kontaktierbar bleibt. Hierdurch ist eine kostengünstige Bauform des Halbleiterbauteils, insbesondere eine QFN-ähnliche Bauform, realisierbar. Weiterhin sind die Halbleiterchips räumlich eng an der Trägeroberseite anordenbar und seriell verschaltbar. Solche Halbleiterbauteile können beispielsweise im Automobilbereich als Scheinwerfer, insbesondere als Frontscheinwerfer, Verwendung finden.
Bei einem solchen Halbleiterbauteil besteht mittels des Trägers eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine effiziente Wärmespreizung zwischen den Halbleiterchips und einer externen Montagefläche. Dies wird insbesondere erreicht durch die nur dünne Isolationsschicht in Form der Keramikschicht und durch den massiven Metallkern, etwa aus einem thermisch gut leitfähigen Material wie Aluminium oder Kupfer. Gleichzeitig ist durch die elektrisch isolierende Keramikschicht eine Trennung der elektrischen Potenziale zu der Trägerunterseite und zu den elektrischen Kontaktflächen hin erzielbar. Auf diese Weise sind einfache Designs und Schaltbilder auf den Montageplattformen, beispielsweise Metallkernplatinen oder gedruckte Leiterplatten, kurz PCB, erzielbar. Ein Abstand zwischen den einzelnen Halbleiterchips auf dem Träger spielt dadurch bei der Montage des Halbleiterbauteils an der externen Montageplattform keine signifikante Rolle mehr. Aufgrund der Verwendung von insbesondere Aluminium oder Kupfer als Material für den Metallkern ist auch eine gute Anpassung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterbauteils an Metallkernplatinen oder gedruckte Leiterplatten möglich. Ferner befindet sich bei einem Vereinzelungsprozess nur vergleichsweise wenig Metall in einem Sägebereich, wodurch hohe Sägegeschwindigkeiten während der Herstellung der Halbleiterbauteile bei einem Vereinzeln erzielbar sind. Weiterhin ist der Aufbau des Halbleiterbauteils kosteneffizient umsetzbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Träger aus genau drei oder aus genau zwei oder aus genau vier oder aus mehr als vier Trägerteilen gebildet. Dabei befinden sich alle Trägerteile bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene. Weiterhin sind die Trägerteile bevorzugt voneinander beabstandet angeordnet, das heißt, die Trägerteile berühren sich dann nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips, insbesondere alle Halbleiterchips, auf dem größten der Trägerteile angeordnet. Das größte Trägerteil ist hierbei insbesondere ein mittleres der Trägerteile.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen an zwei kleineren der Trägerteile angebracht. Diese kleineren Trägerteile, an denen sich die Kontaktflächen befinden, sind bevorzugt außen liegende Trägerteile. Insbesondere kann sich das größte Trägerteil mit den Halbleiterchips zwischen den beiden äußeren Trägerteilen befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Trägeroberseiten und/oder die Trägerunterseiten aller Trägerteile in einer gemeinsamen Ebene. Hierbei sind die Trägeroberseiten und die Trägerunterseiten bevorzugt alle eben und planar geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Keramikschicht eines jeden Trägerteils um eine einzige, zusammenhängende und geschlossene Schicht um den zugehörigen Metallkern herum. Dies gilt entweder in jedem Querschnitt senkrecht zu der Trägeroberseite gesehen oder zumindest in einem Querschnitt senkrecht zu der Trägeroberseite entlang einer Längsachse des Trägers. Die Längsachse ist beispielsweise, in Draufsicht gesehen, eine längste Symmetrielinie des Trägers. Bei der Längsachse kann es sich also um eine längste Mittellinie des Trägers handeln, in Draufsicht auf die Trägeroberseiten gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Metallkerne aller Trägerteile aus demselben Halbzeug, insbesondere Blechhalbzeug, geformt. Das Formen zu den Metallkernen erfolgt beispielsweise über ein Stanzen, Ätzen, Sägen und/oder Laserschneiden. Da die Metallkerne aus demselben Blechzeug geformt sind, weisen bevorzugt alle Metallkerne dieselbe Materialzusammensetzung und Dicke auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Trägerteil, auf dem die Halbleiterchips angebracht sind, frei von den elektrischen Kontaktflächen. Mit anderen Worten ist dieses Trägerteil, auf dem sich die Halbleiterchips befinden, nicht zu einer elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils nach außen hin vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Trägeroberseiten der Trägerteile jeweils eine größere Fläche auf als die zugehörigen Trägerunterseiten oder ungekehrt. Dabei handelt es sich bei den Trägerunterseiten bevorzugt um eine verkleinerte Trägeroberseite. Mit anderen Worten sind über einen Skalierungsfaktor dann die Trägeroberseiten und die Trägerunterseiten deckungsgleich übereinander bringbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen benachbarte Trägerteile an den Trägeroberseiten jeweils einen größeren Abstand auf als an den zugehörigen Trägerunterseiten. Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Spalt zwischen den entsprechenden, benachbarten Trägerteilen an den Trägeroberseiten eine kleinere Breite aufweist als an den Trägerunterseiten. Realisierbar ist dies beispielsweise durch ein Ätzen des Halbzeugs, aus dem die Trägerteile gebildet sind, von zwei einander gegenüberliegenden Seiten her.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Trägerteile über einen oder über mehrere Vergusskörper mechanisch fest miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass sich im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterbauteils die Trägerteile nicht von dem Vergusskörper lösen und umgekehrt. Eine mechanische Integrität ist also durch den Vergusskörper hergestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform stellt der mindestens eine Vergusskörper, zusammen mit den Trägerteilen, die mechanisch tragende Komponente des Halbleiterbauteils dar. Weitere Komponenten des Halbleiterbauteils tragen dann zu einer mechanischen Stabilisierung nicht oder nur untergeordnet bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen alle Trägerunterseiten bündig mit dem Vergusskörper ab. Hierdurch ist eine ebene Montagefläche erzeugbar. Die Montagefläche umfasst die Trägerunterseiten und eine Unterseite des Vergusskörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil einen lichtundurchlässigen ersten Vergusskörper auf. Der erste Vergusskörper schließt bevorzugt bündig mit den Trägeroberseiten und den Trägerunterseite ab. Weiterhin kann der Vergusskörper bündig mit Stirnseiten des Trägers abschließen, wobei die Stirnseiten Trägerunterseiten und Trägeroberseiten miteinander verbinden. Dieses bündige Abschließen liegt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 25 µm oder 10 µm oder 5 µm oder 0,5 µm vor. Mit anderen Worten ist dann der erste Vergusskörper auf einen Bereich in Richtung senkrecht der Trägeroberseite beschränkt, in dem sich auch die Trägerteile befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil einen zweiten Vergusskörper auf. Der zweite Vergusskörper ist lichtdurchlässig oder reflektierend für die im Betrieb des Halbleiterbauteils erzeugte Strahlung ausgeformt. Der zweite Vergusskörper kann bündig mit den Stirnseiten des Trägers und/oder mit der Trägeroberseite und/oder mit Seitenflächen der Halbleiterchips abschließen. In einer Ebene, in der sich die Trägeroberseiten befinden, kann der zweite Vergusskörper in direktem Kontakt mit dem ersten Vergusskörper stehen, insbesondere in Bereichen zwischen den Trägerteilen, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil mindestens drei oder mindestens fünf lichtemittierende Halbleiterchips auf. Die Halbleiterchips, bevorzugt alle lichtemittierenden Halbleiterchips, sind elektrisch in Serie geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Metallschicht an der Trägeroberseite des Trägerteils, auf dem die Halbleiterchips angebracht sind, zu elektrischen Leiterbahnen und/oder zu elektrischen Anschlussflächen strukturiert. Beispielsweise ist dann auf jeder elektrischen Anschlussfläche genau einer der Halbleiterchips aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die elektrischen Anschlussflächen elektrisch isoliert von der Trägerunterseite des zugehörigen Trägerteils. Diese elektrische Isolierung ist einerseits durch eine Strukturierung zu den Anschlussflächen und andererseits durch die elektrisch isolierende Keramikschicht erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips je an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten elektrisch kontaktiert. Beispielsweise ist eine der Hauptseiten als flächiger, elektrischer Kontakt gestaltet und die andere Hauptseite umfasst einen Anschlussbereich etwa für einen Bonddraht. Alternativ ist es möglich, dass es sich bei den Halbleiterchips um Flip-Chips handelt. In diesem Fall können die Halbleiterchips auf zwei verschiedenen elektrischen Anschlussflächen angebracht und mit diesen elektrisch verbunden sein. Weiterhin ist es möglich, dass im Falle von Flip-Chips die Halbleiterchips mit keiner der Anschlussflächen elektrisch in Verbindung stehen. Es kann dann sein, dass die Anschlussflächen zusätzlich oder ausschließlich als mechanische Befestigungsflächen dienen und eine elektrische Kontaktierung zum Beispiel nur über Bonddrähte erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil eines oder mehrere Leuchtstoffplättchen auf. Die Leuchtstoffplättchen können separat hergestellt sein. Dies kann bedeuten, dass die Leuchtstoffplättchen hinsichtlich ihrer Form separat von anderen Bestandteilen des Halbleiterbauteils hergestellt sind. Insbesondere sind die Leuchtstoffplättchen mechanisch selbsttragend und in mechanisch selbsttragendem Zustand in dem Halbleiterbauteil verbaut.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist je genau einem der Halbleiterchips genau eines der Leuchtstoffplättchen zugeordnet. Mit anderen Worten liegt dann eine eineindeutig Zuordnung zwischen den Halbleiterchips und den Leuchtstoffplättchen vor. Alternativ kann ein Leuchtstoffplättchen mehreren der Halbleiterchips zugeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Leuchtstoffplättchen jeweils deckungsgleich über einem der Halbleiterchips, in Draufsicht gesehen. Benachbarte Leuchtstoffplättchen berühren sich bevorzugt nicht. Die Leuchtstoffplättchen sind jeweils zu einer teilweisen oder vollständigen Umwandlung von Licht des zugehörigen Halbleiterchips in langwelligeres Licht eingerichtet. Insbesondere wird über die Leuchtstoffplättchen grünes, gelbes und/oder rotes Licht erzeugt. Das Licht direkt von den Halbleiterchips und das langwelligere Licht des Leuchtstoffs kann sich zu mischfarbigem Licht, insbesondere zu weißem Licht, mischen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen die Leuchtstoffplättchen, in Richtung weg von dem Träger, bündig mit dem Vergusskörper ab. Eine Oberseite des Halbleiterbauteils ist dann durch die Leuchtstoffplättchen zusammen mit dem Vergusskörper gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Leuchtstoffplättchen eine Dicke von mindestens 10 µm oder 25 µm und/oder von höchstens 500 µm oder 250 µm oder 75 µm auf. Weiterhin befinden sich die Leuchtstoffplättchen bevorzugt nahe an dem zugehörigen Halbleiterchip. Ein mittlerer Abstand zwischen dem zugehörigen Halbleiterchip und dem Leuchtstoffplättchen liegt dann bevorzugt bei höchstens 25 µm oder 10 µm oder 5 µm. Beispielsweise sind die Leuchtstoffplättchen über ein Silikon an dem zugehörigen Halbleiterchip angeklebt. Die Leuchtstoffplättchen können Leuchtstoffpartikel und ein Matrixmaterial, in das die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die Leuchtstoffplättchen etwa aus einer Leuchtstoffkeramik geformt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Keramikschicht auf die Trägeroberseite desjenigen Trägerteils beschränkt, auf dem die Halbleiterchips angebracht sind. Mit anderen Worten besteht dann durch die Keramikschicht lediglich eine elektrische Isolierung zwischen den Halbleiterchips und dem Metallkern des betreffenden Trägerteils. Die weiteren Trägerteile, auf denen sich keine Halbleiterchips befinden, können also frei von der Keramikschicht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Metallkern von einem der Trägerteile oder von allen der Trägerteile ringsum und vollständig mit der Keramikschicht versehen. Mit anderen Worten liegt dann der Metallkern an keiner Stelle frei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Metallkern aus Aluminium, aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung oder aus einer Aluminiumlegierung geformt. Die Keramikschicht ist bevorzugt aus einer Keramik gebildet, die einen Hauptbestandteil des Metallkerns, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, aufweist. Handelt es sich bei dem Metallkern um einen Aluminiumkern, so umfasst die Keramik dann beispielsweise Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid oder besteht hieraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Metallschicht aus einem oder mehreren der nachfolgend genannten Materialien, in einer oder auch in mehreren Teilschichten der Metallschicht: Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Halbleiterbauteils angegeben. Merkmale für das Verfahren sind daher auch für das optoelektronische Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren mindestens oder ausschließlich die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

– Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs und Formen des Halbzeugs zu einem Trägerverbund durch Ätzen, Stanzen, Sägen, Schneiden und/oder Laserbehandlung, so dass die Metallkerne geformt werden,
– Erzeugen der Keramikschicht an den Metallkernen des Trägerverbunds,
– Erzeugen und Strukturieren der Metallschicht auf der Keramikschicht, so dass auch die elektrischen Kontaktflächen gebildet werden,
– Aufbringen und elektrisches Kontaktieren der Halbleiterchips,
– Erzeugen zumindest eines Vergusskörpers, und
– Vereinzeln des Trägerverbunds zu den Trägern und den optoelektronischen Halbleiterbauteilen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Trägerverbund die Träger und deren Trägerteile auf sowie Verbindungsstege, die die Träger und die Trägerteile mechanisch miteinander verbinden. Diese Verbindungsstege werden beim Vereinzeln des Trägerverbunds teilweise oder vollständig entfernt und/oder zerteilt. Durch die Verbindungsstege ist der Trägerverbund zumindest bis zum Erzeugen des Vergusskörpers mechanisch stabilisiert und als einziges Bauteil handhabbar. Alternativ zu den Verbindungsstegen ist es möglich, dass die Träger und die Trägerteile auf einer temporären Trägerfolie, etwa mittels Kleben, angebracht sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Trägerteile ganzflächig mit der Keramikschicht versehen, mit Ausnahme von Oberflächen, die bei einem Vereinzeln zu den Halbleiterbauteilen, insbesondere durch ein Zerteilen der Verbindungsstege, entstehen.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 5 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen.
In 1B ist in einer Draufsicht und in 1A in einer Schnittdarstellung entlang einer Längsachse L ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Bei der Längsachse L handelt es sich dabei, in Draufsicht gesehen, um eine längste Mittelachse eines Trägers 2 und/oder des Halbleiterbauteils 1.
Das Halbleiterbauteil 1 weist einen Träger 2 auf. Der Träger 2 ist durch drei voneinander beabstandete Trägerteile 21a, 21b, 21c gebildet. Jedes der Trägerteile 21a, 21b, 21c umfasst einen Metallkern 25. Auf den Metallkernen 25 ist je eine Keramikschicht 26 aufgebracht. Im Querschnitt gesehen, siehe 1A, handelt es sich bei den Keramikschichten 26 je um eine durchgehende, zusammenhängende und geschlossene Schicht um den zugehörigen Metallkern 25 herum. Auf die Keramikschichten 26 ist je eine Metallschicht 27 aufgebracht. Die Metallschichten 27 sind beispielsweise mittels Bedampfen oder Galvanik erzeugt.
Der Träger 2 weist eine Trägerunterseite 24 und einer dieser gegenüberliegende Trägeroberseite 23 auf. Auf der Trägeroberseite 23 sind mehrere lichtemittierende Halbleiterchips 3, insbesondere Leuchtdiodenchips, aufgebracht. An der Trägeroberseite 23 ist die Metallschicht 27 zu mehreren elektrischen Anschlussflächen 7 strukturiert. Je einer der Halbleiterchips 3 ist auf genau einer der Anschlussflächen 7 aufgebracht und elektrisch sowie mechanisch mit dieser Anschlussfläche 7 verbunden. Über die Strukturierung der Metallschicht 27 zu den Anschlussflächen 7 ist eine Serienschaltung der Halbleiterchips 3 realisiert. Die Halbleiterchips 3 stehen dabei nicht in direktem elektrischem Kontakt zu der Unterseite 24 des größten Trägerteils 21b, das sich mittig zwischen den kleineren Trägerteilen 21a, 21c befindet, entlang der Längsachse L gesehen. Damit ist eine Unterseite des mittleren Trägerteils 21b potenzialfrei.
Eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauteils 1 erfolgt durch die beiden außen liegenden Trägerteile 21a, 21c. An deren Unterseiten befinden sich elektrische Kontaktflächen 4, mit denen das Halbleiterbauteil 1 extern elektrisch kontaktierbar ist. Ein externer Montageträger ist dabei in den Abbildungen jeweils nicht dargestellt. Eine elektrische Verbindung der Trägerteile 21a, 21c zu dem mittleren Trägerteil 21b ist über Bonddrähte 8 hergestellt.
Optional, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, ist auf einem der Trägerteile eine ESD-Schutzdiode 9 angebracht. Die ESD-Schutzdiode 9 ist in Halbleiterchips 3 elektrisch parallel geschaltet.
In der Draufsicht in 1B ist ein Trägerverbund 20 mit mehreren der Träger 2 angedeutet. Eine Strich-Punkt-Linie, die den Träger 2 umläuft, stellt insbesondere eine Separationslinie S dar, an der der Trägerverbund 20 in die einzelnen Träger 2 vereinzelbar ist. Benachbarte Träger 2 sind über Verbindungsstege, die nur unvollständig gezeichnet sind, miteinander verbunden. Entlang der Separationslinie S befinden sich lediglich die Verbindungsstege, so dass bei einem Zerteilen zu den einzelnen Trägern 2 etwa mittels Sägen nur wenig hartes, insbesondere metallisches und/oder keramisches Material zu durchdringen ist. Ein Vereinzeln zu den Trägern 2 sowie Halbleiterbauteilen 1 erfolgt bevorzugt nach einem Erzeugen eines in 1 nicht dargestellten Vergusskörpers, vergleiche auch die 2 und 3.
An den Trägerunterseiten 24 ist ein Abstand zwischen den benachbarten Trägerteilen 21a, 21b, 21c kleiner als an den Trägeroberseiten 23. Dies ist beispielsweise durch unterschiedliche Ätzprozesse von der Trägeroberseite 23 und von der Trägerunterseite 24 her realisierbar. Durch den größeren Abstand zwischen den Trägerteilen 21a, 21b, 21c an den Trägerunterseiten 24 sind größere Positioniertoleranzen an einem externen Montageträger erzielbar.
Zum Herstellen des Halbleiterbauteils 1 wird insbesondere zuerst ein Halbzeug aus einem Material der Metallkerne 25 bereitgestellt. Anschließend wird dieses Halbzeug zu dem Trägerverbund 20 strukturiert, beispielsweise mittels Ätzen von den Unterseiten 24 und den Oberseiten 23 her. Hierzu sind insbesondere zwei Fotoebenen, jeweils von einer Hauptseite des Trägerverbunds 20 her, erforderlich.
Anschließend erfolgt das Aufbringen der Keramikschicht 26 und das Aufbringen der Metallschicht 27. Nachfolgend wird, insbesondere über eine dritte Fotoebene, die Metallschicht 27 zu den Anschlussflächen 7 strukturiert. Danach werden die Halbleiterchips 3 und die optionale ESD-Schutzdiode 9 aufgebracht sowie über die Bonddrähte 8 elektrisch verschaltet.
Nach dem Aufbringen und/oder Verschalten der Halbleiterchips 3 kann ein elektrisches und/oder optisches Testen der Bauteile noch im Trägerverbund 20 erfolgen. Nach dem optionalen Testen wird der in 1 nicht dargestellte Vergusskörper erzeugt, über den die Trägerteile 21a, 21b, 21c miteinander mechanisch fest verbunden werden.
Nach dem Erzeugen des in 1 nicht dargestellten Vergusskörpers erfolgt ein Vereinzeln entlang der Separationslinie S, etwa mittels Sägen. Das Sägen erfolgt somit im Wesentlichen nur durch den Vergusskörper hindurch.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in der Schnittdarstellung in 2 gezeigt, ist den Halbleiterchips 3 jeweils ein separates Leuchtstoffplättchen 6 nachgeordnet. Über die von den Halbleiterchips 3 erzeugte Strahlung, zusammen mit dem Leuchtstoffplättchen 6, kann beispielsweise weißes Licht erzeugt werden. Die Leuchtstoffplättchen 6 können alle baugleich sein oder auch unterschiedliche Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen aufweisen. Bei den Leuchtstoffplättchen handelt es sich beispielsweise um Silikonplättchen, denen Leuchtstoffpartikel beigegeben sind, oder um Leuchtstoffkeramikplättchen.
Nach dem Aufbringen der Leuchtstoffplättchen 6, die auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein können, wird der Vergusskörper 5 erzeugt. Der Vergusskörper 5 ist bevorzugt lichtdurchlässig oder reflektierend für das erzeugte Licht. Der Verguss 5 ist beispielsweise aus einem Thermoplasten, Epoxid, Silikon oder Epoxid-Silikon-Hybridmaterial als Grundmaterial hergestellt. Dem Grundmaterial des Vergusskörpers 5 sind beispielsweise absorbierende oder, bevorzugt, reflektierende Partikel etwa aus Titandioxid beigegeben.
Die Bonddrähte 8 überragen bevorzugt die Leuchtstoffplättchen 6 nicht, in Richtung weg von der Trägeroberseite 23. Der Vergusskörper 5 sowie die Leuchtstoffplättchen 6 können, in Richtung weg von der Trägeroberseite 23, bündig miteinander abschließen. Alternativ ist es möglich, dass der Vergusskörper 5 die Leuchtstoffplättchen 6 bedeckt, in Draufsicht gesehen.
An Stirnflächen 22 des Trägers 2 schließen der Vergusskörper 5 und die äußeren Leiterrahmenteile 21a, 21c ebenfalls bündig miteinander ab. Alternativ kann der Vergusskörper 5 die Trägerteile 21a, 21b, 21c in seitlicher Richtung auch jeweils überragen, so dass in Draufsicht gesehen die Trägerteile 21a, 21b, 21c ringsum vollständig von einem Material des Vergusskörpers 5 umgeben sein können. Eine entsprechende Anordnung ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in der Schnittdarstellung in 3 gezeigt, weist das Halbleiterbauteil 1 einen ersten Vergusskörper 5a und einen zweiten Vergusskörper 5b auf. Der erste Vergusskörper 5a ist beispielsweise strahlungsundurchlässig gestaltet, etwa aus einem dunklen oder schwarzen Epoxidmaterial oder Thermoplasten. Der lichtdurchlässige oder reflektierende zweite Vergusskörper 5b kann gestaltet sein, wie in Verbindung mit 2 erläutert.
Durch die Aufteilung in den ersten Vergusskörper 5a und in den zweiten Vergusskörper 5b können die mechanischen Eigenschaften und die optischen Eigenschaften separat voneinander optimiert werden. So ist beispielsweise der erste Vergusskörper 5a, der sich im Querschnitt gesehen im selben Bereich befindet wie der Träger 2, zu einer mechanischen Verbindung der Trägerteile miteinander optimiert.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 3 dem Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt.
Abweichend von den Darstellungen der 2 und 3 ist es möglich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, dass die Stirnseiten 22 des Trägers 2 sowie Seitenflächen der Vergusskörper 5, 5a, 5b schräg zu der Montagefläche 10 verlaufen, also in einem Winkel ungleich 90°. Ebenso ist es möglich, dass in den Stirnseiten 22 oder in den Seitenflächen der Vergusskörper 5, 5a, 5b eine Stufe geformt ist. Solche schräge oder gestufte Seitenflächen entstehen zum Beispiel bei einem Zerteilen zu den Halbleiterbauteilen 1 etwa durch ein Sägen mit V-förmigen Sägeblättern oder durch ein Sägen von zwei einander gegenüberliegenden Seiten her, etwa mit Sägeblättern mit unterschiedlichen Breiten.
In 4A ist in einer Schnittdarstellung entlang der Längsachse L und in einer Draufsicht in 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 illustriert. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Vergusskörper in 4 nicht gezeichnet.
In 4 ist nur das größte, mittlere Trägerteil 21b an der Trägeroberseite 23 mit der Keramikschicht 26 auf dem Metallkern 25 versehen. Auch die Metallschicht 27 erstreckt sich nur auf die Trägeroberseiten 23 und Trägerunterseiten 24 und nicht auf Seitenflächen der Trägerteile 21a, 21b, 21c. Das Halbleiterbauteil gemäß 4 ist analog zu dem Halbleiterbauteil der 1 darstellbar. Abweichend hiervon sind bevorzugt lediglich zwei Fotoebenen und eine Schattenmaske erforderlich.
Durch die nur dünne Keramikschicht 26 ist einerseits eine elektrische Isolation erzielbar und andererseits ist ein thermischer Widerstand durch den Träger 2 hindurch zu einer externen Wärmesenke oder einem externen Montageträger gering. Dadurch ist auch eine höhere Flächendichte der Halbleiterchips 3 an der Trägeroberseite 23 realisierbar.
Bei dem nächsten Ausführungsbeispiel, siehe die Schnittdarstellung in 5A und die Draufsicht in 5B, ist der Träger 2 einstückig ausgebildet. Eine elektrische Verbindung zwischen der Trägeroberseite 23 und der Trägerunterseite 24 ist über Durchgangslöcher 28, die mit der Metallschicht 26 versehen sind, realisiert. Ein Vereinzeln zu den Halbleiterbauteilen erfolgt insbesondere durch ein Kerben und Brechen in den Separationsbereichen S. Über eine erste Fotoebene sind die Durchgangslöcher 28 erzeugbar. Mit einer zweiten Fotoebene sind die Anschlussflächen 7 aus der Metallschicht 27 strukturierbar.
Anders als bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist die Unterseite des einzigen Trägerteils, auf den die Halbleiterchips 3 aufgebracht sind, nicht potenzialfrei. Die elektrischen Kontaktflächen 4 sind an dieser Unterseite 24 angebracht.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Halbleiterbauteil
10: Montagefläche
2: Träger
20: Trägerverbund
21: Trägerteil
22: Stirnseite des Trägers
23: Trägeroberseite
24: Trägerunterseite
25: Metallkern
26: Keramikschicht
27: Metallschicht
28: Durchgangsloch
3: Licht emittierender Halbleiterchip
4: elektrische Kontaktfläche
5: Vergusskörper
6: Leuchtstoffplättchen
7: Anschlussfläche
8: Bonddraht
9: ESD-Schutzdiode
L: Längsachse des Trägers
S: Separationslinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0293554 A1 [0002, 0014]

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – einem Träger (2) mit einer Trägeroberseite (23) und einer dieser gegenüber liegenden Trägerunterseite (24), – mehreren Licht emittierenden Halbleiterchips (3), die an der Trägeroberseite (23) angebracht sind, und – mindestens zwei elektrischen Kontaktflächen (4) an der Trägerunterseite (24) zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils (1), wobei – der Träger (2) einen Metallkern (25) aufweist und der Metallkern (25) mindestens 60 % einer Dicke des Trägers (2) ausmacht und zu mindestens 70 % zu einer mechanischen Steifigkeit des Trägers (2) beiträgt, – der Metallkern (25) mindestens teilweise unmittelbar mit einer Keramikschicht (26) beschichtet, deren Dicke (26) höchstens 100 µm beträgt, – die Keramikschicht (26) stellenweise unmittelbar mit einer Metallschicht (27) beschichtet ist, und – die Halbleiterchips (3) über die Metallschicht (27) elektrisch mit den Kontaktflächen (4) verbunden sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Träger (2) aus genau drei separaten, voneinander beabstandeten Trägerteilen (21) gebildet ist, wobei die Trägerteile (21) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und voneinander beabstandet sind, und wobei die Halbleiterchips (3) auf einem größten, mittleren der Trägerteile (21) angeordnet sind und sich die Kontaktflächen (4) an den beiden kleineren, äußeren Trägerteilen (21) befinden.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Trägeroberseiten (23) und die Trägerunterseiten (24) aller Trägerteile (21) eben geformt sind und in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Keramikschicht (26) eines jeden Trägerteils (21) eine einzige, zusammenhängende und geschlossene Schicht um den zugehörigen Metallkern (25) herum bildet, gesehen in einem Querschnitt senkrecht zu den Trägeroberseiten (23) sowie entlang einer Längsachse (L) des Trägers (2), und wobei die Metallkerne (26) aller Trägerteile (21) aus demselben Blechhalbzeug durch Stanzen, Ätzen und/oder Sägen geformt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Trägerteil (2), auf dem die Halbleiterchips (3) angebracht sind, frei von den Kontaktflächen (4) ist, wobei die Trägeroberseiten (23) jeweils eine größere Fläche aufweisen als die zugehörigen Trägerunterseiten (24), und wobei ein Abstand zwischen benachbarten Trägerteilen (21) an den Trägeroberseiten (23) jeweils größer ist als an den zugehörigen Trägerunterseiten (24).
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger (2) aus mehreren Trägerteilen (21) gebildet ist, wobei die Trägerteile (21) über zumindest einen Vergusskörper (5) mechanisch fest miteinander verbunden sind und der Vergusskörper (5) zusammen mit den Trägerteilen (21) die mechanisch tragende Komponente des Halbleiterbauteils (1) darstellt, wobei alle Trägerunterseiten (24) bündig mit dem Vergusskörper (5) abschließen, sodass das Halbleiterbauteil (1) eine ebene Montagefläche (10), die die Trägerunterseiten (24) umfasst, aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, das einen lichtundurchlässigen ersten Vergusskörper (5a) und einen lichtdurchlässigen zweiten Vergusskörper (5b) umfasst, wobei der erste Vergusskörper (5a) bündig mit den Trägeroberseiten (23) und den Trägerunterseiten (24) sowie bündig mit Stirnseiten (22) des Trägers (2) abschließt, je mit einer Toleranz von höchstens 25 µm.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens drei Licht emittierenden Halbleiterchips (3) elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei die Metallschicht (27) an der Trägeroberseite (23), auf der sich die Halbleiterchips (3) befinden, zu Leiterbahnen und/oder zu elektrischen Anschlussflächen (7) strukturiert ist, und wobei die elektrischen Anschlussflächen (7) elektrisch von der zugehörigen Trägerunterseite (24) isoliert sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Halbleiterchips (3) je an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten elektrisch kontaktiert sind und je mit genau einer der elektrischen Anschlussflächen (7) in direktem elektrischem Kontakt stehen und an der entsprechenden Anschlussfläche (7) mechanisch befestigt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehrere separat hergestellte Leuchtstoffplättchen (6) umfasst, die je genau einem der Halbleiterchips (3) zugeordnet sind und die zu einer teilweisen Umwandlung von Licht des zugehörigen Halbleiterchips (3) in langwelligeres Licht eingerichtet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 5, bei dem die Leuchtstoffplättchen (6), in Richtung weg von dem Träger (2), bündig mit dem Vergusskörper (5) abschließen, wobei eine mittlere Dicke der Leuchtstoffplättchen (6) zwischen einschließlich 25 µm und 250 µm liegt und ein mittlerer Abstand der Leuchtstoffplättchen (6) zu dem zugehörigen Halbleiterchip (3) höchstens 10 µm beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger (2) aus mehreren Trägerteilen (21) gebildet ist und die Keramikschicht (26) auf die Trägeroberseite (23) desjenigen Trägerteils (21) beschränkt ist, auf dem die Halbleiterchips (3) angebracht sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Metallkern (25) vollständig mit der Keramikschicht (26) beschichtet ist und diese eine Dicke von mindestens 2 µm und höchstens 15 µm aufweist, wobei die Keramikschicht (26) aus AlN-Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von höchstens 250 nm hergestellt ist, und wobei der Metallkern (25) aus Al, Cu oder einer Legierung mit Al oder Cu besteht und die Metallschicht (27) Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pd und/oder Pt umfasst oder hieraus besteht.
Verfahren, mit dem ein optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt wird, mit den Schritten: – Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs und Formen des Halbzeugs zu einem Trägerverbund (20) durch Ätzen, Stanzen und/oder Laserschneiden, sodass die Metallkerne (25) geformt werden, – Erzeugen der Keramikschicht (26) an den Metallkernen (25) des Trägerverbunds (20), – Erzeugen und Strukturieren der Metallschicht (27) auf der Keramikschicht (26), sodass auch die elektrischen Kontaktflächen (4) gebildet werden, – Aufbringen und elektrisches Kontaktieren der Halbleiterchips (3), – Erzeugen zumindest eines Vergusskörpers (5), und – Vereinzeln des Trägerverbunds (20) zu den Trägern (2) und den optoelektronischen Halbleiterbauteilen (1).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei beim Formen des Halbzeugs zu dem Trägerverbund (20) ein Ätzen von zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten des Halbzeugs erfolgt.