DE102004045950A1

DE102004045950A1 - Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement, optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102004045950A1
Application number: DE102004045950A
Authority: DE
Inventors: Georg Bogner; Michael Hiegler; Günter Waitl; Herbert Brunner
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-03-30
Also published as: KR20070058616A; JP2008513983A; WO2006032251A1; CN101023533A; EP1792351B1; US8227821B2; EP1792351A1; US20080265266A1

Abstract

Es wird ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement angegeben, das einen Träger (7) mit einer Chipmontagefläche (3) aufweist. Auf dem Träger (7) ist ein vom Träger (7) separat gefertigtes optisches Element (2) aufgebracht, wobei die Trennebene (15) zwischen Träger (7) und optischem Element (2) in der Ebene der Chipmontagefläche (3) angeordnet ist. Es wird weiter ein optoelektronisches Bauelement mit solche einem Gehäuse und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelements angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement, ein optoelektronisches Bauelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.

Die Druckschrift WO 02/08 47 69 A2 beschreibt einen Leiterrahmen und ein Gehäuse, sowie ein damit gebildetes strahlungsemittierendes Bauelement. Im Gehäusegrundkörper ist dabei eine Ausnehmung in Form eines Strahlungsaustrittsfensters gebildet, wobei die Seitenwände des Strahlungsaustrittsfensters einen Reflektor bilden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das besonders vielseitig einsetzbar ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement mit solch einem Gehäuse, sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines optoelektronischen Bauelements anzugeben.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Gehäuse nach Patentanspruch 1, ein optoelektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach Patentanspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es wird ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Bevorzugt handelt es sich um ein Gehäuse für ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement.

In wenigstens einer Ausführungsform des Gehäuses weist das Gehäuse einen Träger mit einer Chipmontagefläche auf. Das heißt auf dem Träger ist eine Fläche vorgesehen, auf die beispielsweise wenigstens ein strahlungsemittierender oder strahlungsempfangender Halbleiterchip montiert werden kann.

Der Träger kann beispielsweise einen Grundkörper aufweisen, der ein elektrisch isolierendes Material enthält. Auf zumindest Teile der Oberfläche des Grundkörpers des Trägers sind dann strukturierte Leiterbahnen, die ein elektrisch leitendes Material enthalten, aufgebracht. Die Chipmontagefläche ist bevorzugt durch zumindest einen Teil der Oberfläche des Träger gegeben. Die Chipmontagefläche kann beispielsweise durch einen Teil der Leiterbahnen gebildet sein. Über die Leiterbahnen kann ein auf den Träger aufgebrachter Chip elektrisch kontaktiert werden.

Weiter weist das Gehäuse bevorzugt ein optisches Element auf. Bevorzugt ist das optische Element separat vom Träger gefertigt und ist mechanisch an den Träger befestigt. Die Trennebene zwischen Träger und optischem Element ist bevorzugt in der Ebene der Chipmontagefläche angeordnet.

Bevorzugt umschließt das optische Element die Chipmontagefläche zumindest teilweise. Dazu weist das optische Element beispielsweise Seitenwände auf, die die Chipmontagefläche zumindest teilweise umgeben.

Insgesamt wird gemäß zumindest einer Ausführungsform also ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement angegeben, das einen Träger mit einer Chipmontagefläche und ein optisches Element aufweist, wobei die Trennebene zwischen Träger und optischem Element in der Ebene der Chipmontagefläche angeordnet ist.

Das Gehäuse macht sich dabei die Idee zunutzte, dass sich durch den getrennten Aufbau von Träger und optischem Element zahlreiche neue Designmöglichkeiten für optoelektronische Bauelemente ergeben. So kann beispielsweise bei gleichem Träger durch die Auswahl eines bestimmten optischen Elements die Abstrahlcharakteristik des Bauelements je nach den Einsatzerfordernissen angepasst werden. Da Träger und optisches Element bevorzugt separat gefertigt sind, bieten sich zudem mehr Möglichkeiten bei der Auswahl der Materialsysteme, in denen Träger und optisches Element jeweils gebildet sind.

Das optische Element ist der Chipmontagefläche bevorzugt derart nachgeordnet, dass beispielsweise die Strahlung eines auf die Chipmontagefläche aufgebrachten strahlungsemittierenden Bauelements zumindest teilweise auf zumindest Teilbereiche des optischen Elements trifft.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Gehäuses ist zumindest ein Teil des optischen Elements geeignet, elektromagnetische Strahlung zumindest eines bestimmten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise zu reflektieren. Umschließen Seitenwände des optischen Elements die Chipmontagefläche zumindest teilweise, so können beispielsweise die Innenwände des optischen Elements, das heißt zum Beispiel die Innenseiten der Seitenwände, die der Chipmontagefläche nachgeordnet sind, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung eines vorgebbaren Wellenlängenbereichs zu reflektieren. Die Abstrahlcharakteristik des optischen Elements kann zum Beispiel durch die Form der Innenwände des optischen Elements sowie die Materialien, die das optische Element enthält, bestimmt sein.

So ist das optische Element in zumindest einer Ausführungsform ein nichtabbildender optischer Konzentrator, wobei die Lichteingangsöffnung des optischen Elements die eigentliche Lichtausgangsöffnung des Konzentrators ist. Die Lichteingangsöffnung ist bevorzugt der Chipmontagefläche nachgeordnet. Auf diese Weise kann das optischen Element geeignet sein, die Divergenz eines von einem auf die Chipmontagefläche befestigten strahlungsemittierenden Bauelements emittierten Lichtstrahls beim Durchtritt durch das optische Element zu verringern.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das optische Element zumindest teilweise nach Art eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound Parabolic Concentrator, CPC), eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound Elliptic Concentrator, CEC), eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (Compound Hyperbolic Concentrator, CHC) oder einer TIR (Total Internal Reflection) Optik gebildet. Das heißt, beispielsweise reflektierend ausgebildete Innenwände des optischen Elements, die dem Chipmontagebereich nachgeordnet sind, sind zumindest teilweise nach Art eines CPC, CEC, CHC oder einer TIR gebildet. Weiterhin ist es möglich, dass das optische Element durch eine Kombination von wenigstens zwei dieser optischen Elemente gebildet ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das optische Element Innenwände auf, die die Lichteingangsöffnung des optischen Elements mit einer Lichtausgangsöffnung verbinden und dabei im wesentlichen gerade verlaufen. Die Innenwände des optischen Elements bilden dabei beispielsweise einen Pyramidenstumpf oder einen Kegelstumpf. Bevorzugt sind die Innenwände wiederum reflektierend ausgestaltet.

In wenigstens einer Ausführungsform ist das optische Element ein dieelektrischer Konzentrator, zumindest dessen Seitenwände aus einem dieelektrischen Material mit geeignetem Brechungsindex gebildet sind, so dass über die Lichteingangsöffnung eintretende Strahlung durch Totalreflexion an den Grenzflächen der Seiten- oder Innenwände zum umgebenden Medium reflektiert wird.

Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem optischen Element um eine Freiformoptik handelt. Das heißt, die Form beispielsweise der Innenwände des optischen Elements, die der Chipmontagefläche nachgeordnet sind, ist der gewünschten Abstrahlcharakteristik des Bauelements angepasst. Die Form der Innenwände kann dabei beispielsweise durch Simulationsberechnungen sehr genau bestimmt werden. Aufgrund der getrennten Fertigung von Träger und optischem Element ist es dann besonders einfach möglich, die berechnete Optik herzustellen.

Zudem ist es möglich, dass es sich bei dem optischen Element um eine Linse, ein Linsensystem oder eine andere lichtbrechende Optik handelt. Das heißt, zumindest ein Teil des optischen Elements ist geeignet durch das optische Element tretende Strahlung zu brechen.

In wenigstens einer Ausführungsform ist der Lichtausgangsöffnung des optischen Elements wenigstens ein zusätzliches optisches Element nachgeordnet, das zur Beugung, Brechung oder Wellenlängen-Konvertierung der aus der Lichtausgangsöffnung austretenden elektromagnetischen Strahlung geeignet ist. Besonders bevorzugt erfüllt das zusätzliche optische Element wenigstens zwei dieser Aufgaben.

Nach zumindest einer Ausführungsform weist das zusätzliche optische Element eine Lichtausgangsfläche auf, die beispielsweise sphärisch oder asphärisch gewölbt sein kann. Beispielsweise ist die Lichtausgangsfläche konvex nach außen gewölbt. Dadurch kann beispielsweise eine Verringerung der Divergenz der aus der Lichtausgangsöffnung des optischen Elements austretenden elektromagnetischen Strahlung erreicht werden.

Bevorzugt ist die Lichtausgangsfläche des zusätzlichen optischen Elements nach Art einer asphärischen Linse gewölbt. Das heißt, die Lichtausgangsöffnung ist eine zur Brechung des austretenden Lichtstrahls dienende optische Fläche, die weder kugelförmig noch eben ist. Besonders bevorzugt kann ein derart gebildetes optisches Element eine Vielzahl von Formparametern aufweisen, wodurch etwa der Größe der Strahlungsauskoppelfläche eines auf die Chipmontagefläche befestigten strahlungsemittierenden Halbleiterchips Rechnung getragen werden kann. Im Gegensatz dazu sind sphärische Linsen für punktförmige Lichtquellen optimal und können bei nicht punktförmigen Lichtquellen signifikant schlechtere Eigenschaften etwa hinsichtlich einer Verringerung der Divergenz des austretenden Lichtbündels aufweisen.

In wenigstens einer Ausführungsform des Gehäuses enthält das optische Element ein reflektierendes Material. Bevorzugt ist das reflektierende Material geeignet, beispielsweise die von einem strahlungsemittierenden Bauelement, das auf der Chipmontagefläche aufgebracht ist, erzeugte elektromagnetische Strahlung zu reflektieren. Das optische Element kann dazu beispielsweise einen Kunststoff enthalten, in den geeignete Farbstoffpigmente eingebracht sind, welche die emittierte Strahlung reflektieren. Weiter ist es möglich, dass das optische Element aus einem keramischen Material gebildet ist. Das optische Element kann aber auch in einem Metallgussverfahren aus einem reflektierenden Material hergestellt sein.

Weiter kann der Grundkörper des optischen Elements beispielsweise aus einem nicht reflektierenden Material gebildet sein und die dem Chipmontagebereich nachgeordneten Innenwände des optischen Elements sind mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Die Beschichtung kann dabei wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten: Aluminiumoxid, Aluminium, Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid. Die reflektierende Beschichtung kann mittels eines Beschichtungsverfahren wie beispielsweise gepulster chemischer Dampfphasenepitaxie (PICVD) in definierter Dicke auf die Innenwände des optischen Elements aufgebracht sein. Dabei bedeckt die Beschichtung nicht notwendigerweise die gesamte Fläche der Innenwände.

Es ist zudem möglich, dass das optische Element zum Beispiel nahe an seiner Lichteingangsöffnung nicht reflektierend ausgestaltet ist. Auf diese Weise kann besonders divergente Strahlung, die beispielsweise von einem Halbleiterchip emittiert wird, der auf die Chipmontagefläche aufgebracht ist, am Eintritt in das optische Element gehindert werden.

Vorteilhaft kann die Dicke und Zusammensetzung der reflektierenden Schicht oder Schichten an das in das Gehäuse zu montierende optoelektronische Bauelement angepasst sein. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Beschichtung farboptimiert ist und Licht einer bestimmten Wellenlänge besonders gut reflektiert.

Besonders vorteilhaft ist die getrennte Herstellung von optischem Element und Träger, da bei der Beschichtung keine Vorkehrung gegen ein Bedecken der Chipmontagefläche oder der Leiterbahnen auf dem Träger mit elektrisch isolierendem oder elektrisch leitendem Material getroffen werden muss, wie es zum Beispiel bei einem einteiligen Gehäuse der Fall ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Gehäuses enthält das optische Element ein Material, das geeignet ist, eine Haftung zwischen dem optischen Element und einem Vergussmaterial, das beispielsweise den auf die Chipmontagefläche montierten Chip zumindest teilweise umgibt, zu vermitteln. Das Material kann als dünne Schicht auf die Innenwände des optischen Elements, die dem Chipmontagebereich nachgeordnet sind, aufgebracht sein. Enthält die Vergussmasse beispielsweise Silikon, so ist eine Beschichtung, die Siliziumdioxid enthält, besonders gut geeignet, die Haftung der Vergussmasse am optischen Element zu erhöhen.

Entsprechend zumindest einer Ausführungsform des Gehäuses für ein optoelektronisches Bauelement ist es möglich, dass das optische Element ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält. Das Lumineszenzkonversionsmaterial ist geeignet, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung, die beispielsweise von einem Halbleiterchip emittiert wird, der auf die Chipmontagefläche aufgebracht ist, Wellenlängen zu konvertieren. Das Lumineszenzkonversionsmaterial enthält dazu wenigstens eine Art von Leuchtstoffpartikeln. Besonders gut eignen sich beispielsweise anorganische Leuchtstoffe wie seltene Erden, dotierte Granate, oder organische Leuchtstoffe wie Perylen-Leuchtstoffe. Weitere geeignete Leuchtstoffe sind beispielsweise in der Druckschrift WO 98/12 757 aufgeführt, deren Inhalt hinsichtlich der Leuchtstoffe durch Rückbezug aufgenommen wird.

Mit Hilfe des Lumineszenzkonversionsmaterials kann entweder durch weitgehend vollständige Konversion einer Primärstrahlung oder durch gezielte teilweise Konversion und Mischung von Primärstrahlung und konvertierter Strahlung sichtbares Licht eines gewünschten Farbortes auf der CIE-Farbtafel, insbesondere weißes Licht erzeugt werden.

Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann beispielsweise als dünne Schicht auf die Innenwände des optischen Elements aufgebracht sein. Die Lumineszenzkonversionsschicht enthält dabei vorteilhaft ein Lumineszenzkonversionsmaterial-Matrixgemisch. Die Matrix enthält beispielsweise duroplastische Polymere oder Silikon. Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann in im wesentlichen gleichmäßiger Konzentration beispielsweise auf den Innenwänden des optischen Elements aufgebracht sein. Es ist aber auch möglich, dass die Konzentration von Lumineszenzkonversionsmaterial in definierten Bereichen des optischen Elements erhöht ist und in anderen Bereichen des optischen Elements verringert ist. Es ist zudem möglich, dass das optische Element Bereiche aufweist, die kein Lumineszenzkonversionsmaterial enthalten. Durch die definierte Einstellung der Konzentration von Lumineszenzkonversionsmaterial beispielsweise auf den Innenwänden des optischen Elements ist eine definierte Konversion der elektromagnetischen Strahlung erreicht.

In wenigstens einer Ausführungsform des Gehäuses enthält das optische Element besonders temperaturbeständige Materialien wie beispielsweise LCP (Liquid Crystal Polymer), PEEK (Polyetheretherketon) oder PPA (Polyphthalamid).

Das optische Element kann dabei beispielsweise durch Spritzguss- oder Spritzpressverfahren gebildet sein. Zur Bildung einer reflektiven Optik können wie oben beschrieben beispielsweise die Innenwände des optischen Elements, die der Chipmontagefläche nachgeordnet sind, mit einem reflektierenden Material beschichtet sein.

In zumindest einer Ausführungsform des Gehäuses für ein optoelektronisches Bauelement ist das optische Element mittels wenigstens einer Presspassung mit dem Träger mechanisch verbunden. Dazu ist im Träger beispielsweise wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen, in die ein Stift eingesetzt ist, der eine etwas größere Ausdehnung als die Ausnehmung aufweist, so dass durch ein Einpressen des Stifts in die Ausnehmung der Stift mechanisch stabil mit dem Träger verbunden ist. Der Stift kann dann in gleicher Weise in eine Ausnehmung im optischen Element gepresst werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Stift ein integraler Bestandteil des optischen Elements ist. Das heißt der Stift ist beispielsweise zusammen mit dem optischen Element etwa in einem Spritzpress-, Spritzguss- oder Metallgussverfahren hergestellt. Zudem ist es denkbar, dass der Stift integraler Bestandteil des Trägers ist und lediglich das optische Element eine Ausnehmung aufweist. Besonders bevorzugt ist das optische Element mittels mindestens zweier Presspassungen mechanisch mit dem Träger verbunden.

Bei den Ausnehmungen kann es sich beispielsweise um Bohrungen handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass Ausnehmungen bereits bei der Herstellung von Träger und/oder optischem Element, beispielsweise durch eine entsprechende Form mittels eines der erwähnten Verfahren, erzeugt werden.

Der Träger kann beispielsweise wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten: LCP, PEEK, PPA, Keramiken wie beispielsweise Al₂O₃ oder AlN. Als Vorteil der zweiteiligen Konstruktion ergibt sich dabei, dass das Trägermaterial unabhängig vom Material des optischen Elements gewählt werden kann. Auf diese Weise kann das Trägermaterial hinsichtlich der Anforderungen an den Träger optimiert werden.

Es wird weiter ein optoelektronisches Bauelement mit einem der oben beschriebenen Gehäuse angegeben.

Gemäß mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Bauelement wenigstens einen Leuchtdiodenchip auf, bei dem ein Grossteil der im Leuchtdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch eine Strahlungsauskoppelfläche in Hauptabstrahlrichtung austritt. Besonders bevorzugt tritt elektromagnetische Strahlung ausschließlich durch die Strahlungsauskoppelfläche aus.

Bevorzugt enthält der Leuchtdiodenchip einen epitaktisch gewachsenen Schichtstapel. Der Schichtstapel ist beispielsweise eine Abfolge von epitaktisch gewachsenen Schichten. Bevorzugt umfasst der Schichtstapel wenigstens eine aktive Zone, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignet ist.

Dazu kann die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf- oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) aufweisen.

Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.

Der Schichtstapel ist besonders bevorzugt eine Abfolge von epitaktisch gewachsenen Schichten, von denen das Aufwachssubstrat nach Abschluss des epitaktischen Wachstums entfernt worden ist. Besonders bevorzugt ist auf die dem ursprünglichen Aufwachssubstrat abgewandte Oberfläche des Schichtstapels ein Träger aufgebracht. Bauteile, die unter Entfernen des Aufwachssubstrats von einer epitaktisch gewachsenen Schichtfolge hergestellt sind, werden oftmals auch mit dem Oberbegriff Dünnfilmschicht-Bauteile bezeichnet.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilmschichtbauteils ist beispielsweise in I. Schnitzer at al., Appl. Phys. Lett. 63(16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176, beschrieben, deren Offenbarungsgehalt bezüglich des Grundprinzips von Dünnfilmschichtbauteilen hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Ein Dünnfilmleuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambertscher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut beispielsweise für die Anwendung in einem Scheinwerfer.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Träger des Dünnfilmschichtbauteils verglichen mit einem Aufwachssubstrat relativ frei gewählt werden kann. So kann der Träger hinsichtlich mancher Eigenschaften wie etwa Leitfähigkeit oder Stabilität für das Bauteil besser geeignet sein als verfügbare Aufwachssubstrate, die zur Herstellung hochwertiger, epitaktisch gewachsener Schichtfolgen engen Einschränkungen unterliegen. So muss, um hochwertige epitaktische Schichten zu erhalten, das epitaktisch abgeschiedene Material beispielsweise gitterangepasst zum Aufwachssubstrat sein.

Bevorzugt zeichnet sich der auf dem Schichtstapel aufgebrachte Träger durch einen an den Schichtstapel angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Beispielsweise kann der Träger ein Halbleitermaterial wie Germanium, Gallium-Arsenid, Gallium-Nitrid, Silizium-Karbid und andere Materialien wie Saphir, Molybdän oder Metalle enthalten.

Außerdem zeichnet sich der Träger bevorzugt durch eine besonders gute thermische Leitfähigkeit aus, so dass die bei der Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in der aktiven Zone entstehende Wärme zumindest teilweise über den Träger an die Umgebung abgegeben werden kann.

Gemäß wenigstens einer bevorzugten Ausgestaltung des Leuchtdiodenchips ist zwischen dem aufgebrachten Träger und dem Schichtstapel eine Spiegelschicht angeordnet. Die Spiegelschicht kann beispielsweise einen Bragg-Spiegel oder eine metallhaltige Spiegelschicht umfassen. Ein metallhaltiger Spiegel, der beispielsweise Gold, Gold-Germanium, Silber, Aluminium oder Platin enthalten kann, zeichnet sich gegenüber einem Bragg-Spiegel beispielsweise durch eine geringere Richtungsabhängigkeit der Reflektivität aus. Auch lässt sich mit metallhaltigen Spiegeln eine höhere Reflektivität als mit Bragg-Spiegeln ereichen.

Bevorzugt ist der Leuchtdiodenchip auf die Chipmontagefläche des Trägers aufgebracht. Beispielsweise kann der Leuchtdiodenchip auf die Chipmontagefläche aufgelötet oder thermisch beständig aufgeklebt sein.

In wenigstens einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das optische Element eine Lichteingangsöffnung auf, durch die ein Großteil der im Leuchtdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung in die Optik eintritt. Die Lichteingangsöffnung ist dabei bevorzugt der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips in Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Die Hauptabstrahlrichtung des Leuchtdiodenchips verläuft dabei beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche.

Bevorzugt weist die Lichteingangsöffnung eine Fläche auf, die maximal zwei mal so groß, bevorzugt maximal 1,5, besonders bevorzugt maximal 1,25 mal so groß wie die Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips ist. Eine solch kleine Lichteingangsöffnung der reflektiven Optik erlaubt beispielsweise eine signifikante Miniaturisierung der Leuchtdiodenanordnung. Die zweiteilige Gehäusekonstruktion erlaubt es dabei, die Optik sehr chipnah zu platzieren. Dies führt vor allem in Verbindung mit einem Leuchtdiodenchip in Dünnfilmbauweise zu einer Effizienzsteigerung des optoelektronischen Bauelements, da keine oder nur kaum Strahlung vor dem Eintritt in das optische Element beispielsweise als Streustrahlung verloren geht.

Zudem ist eine derart kleine Lichteingangsöffnung besonders gut geeignet, den Raumwinkel, in dem die elektromagnetische Strahlung vom Leuchtdiodenchip emittiert wird, mittels des optischen Elements zu verkleinern, da nahe an der Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips die Querschnittsfläche des Strahlenkegels der emittierten Strahlung besonders klein ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauelement geeignet sein soll, eine möglichst hohe Strahlungsstärke auf eine möglichst kleine Fläche zu projizieren.

Eine wichtige Erhaltungsgröße in der geometrischen Optik ist dabei das Etendue, d.h. die Strahldichte. Sie ist das Produkt aus dem Flächeninhalt einer Lichtquelle und dem Raumwinkel, in den sie abstrahlt. Die Erhaltung des Etendue hat unter anderem zur Konsequenz, dass man das Licht einer diffusen Strahlungsquelle, zum Beispiel einer Halbleiterleuchtdiode, nicht mehr konzentrieren, d.h. nicht mehr auf eine Fläche mit kleinerer Ausdehnung umlenken kann. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Strahlungsbündel mit einem möglichst kleinen Querschnitt in das optische Element eintritt. Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Halbleiterchip auf einem Träger befestigt. Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um einen wie weiter oben beschriebenen Träger, auf beispielsweise dessen Oberfläche Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren des Chips vorgesehen sind. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip in Dünnfilmbauweise.

Im folgenden Verfahrensschritt wird der Halbleiterchip elektrisch an den Träger angeschlossen. Dies kann beispielsweise mittels Die- und Wirebonding geschehen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein optisches Element auf dem Träger befestigt. Bevorzugt handelt es sich bei dem optischen Element um eines der oben beschriebenen optischen Elemente. Besonders bevorzugt wird das optische Element mittels wenigstens einer Presspassung mechanisch mit dem Träger verbunden. Das optische Element kann jedoch auch mittels Kleben oder Löten auf dem Träger befestigt werden. Die Trennebene zwischen optischem Element und Träger liegt bevorzugt in der Ebene der Chipmontagefläche, das heißt der Fläche des Trägers, auf die der Chip montiert ist.

Wichtig ist beim beschriebenen Verfahren, dass die elektrische Kontaktierung vor der Montage des optischen Elements erfolgt. Im Gegensatz zu Bauelementen bei denen Träger und optisches Element einteilig ausgebildet sind, kann die Kontaktierung beispielsweise mittels Wirebonding besonders einfach erfolgen, da ausreichend Platz für beispielsweise eine Wirebonding-Düse vorhanden ist. Das optische Element kann im Folgenden besonders nahe an den Chip und damit an die Strahlungsauskoppelfläche des Chips gebracht werden, da kein zusätzlicher Platz für die Chipmontage freigehalten werden muss. Auf diese Weise lassen sich Leuchtdiodenchips mit optimierter Etendue herstellen.

In folgenden Verfahrensschritten kann der Leuchtdiodenchip beispielsweise noch von einer Vergussmasse, die beispielsweise ein Epoxie- oder Silikonmaterial enthält, zumindest teilweise umschlossen werden. Die Vergussmasse benetzt dabei bevorzugt auch zumindest Teile der Innenwände des optischen Elements sowie des Trägers. Auf diese Weise kann zusätzlich der mechanische Halt zwischen optischem Element und Träger erhöht werden.

Im Folgenden wird das hier beschriebene Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement sowie das optoelektronische Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements.

2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements.

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements.
Ein Leuchtdiodenchip 1 ist hier auf die Chipmontagefläche 3 eines Trägers 7 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist das externe elektrische Anschlussteil 5a elektrisch mit einem thermischen Anschlussteil 6 verbunden, das am Träger 7 befestigt ist. Der Leuchtdiodenchip 1 ist beispielsweise auf das thermische Anschlussteil 6 gelötet und über das thermische Anschlussteil 6 mit dem externen elektrischen Anschlussteil 5a elektrisch verbunden.
Das thermische Anschlussteil 6 ist bevorzugt so geformt, dass es nach Art einer Niete mit dem Träger 7 verbunden werden kann. Gegebenenfalls genügt auch die Verformung einzelner Stege oder Streben des Anschlussteils 6, um eine Quetschverbindung ausreichender Festigkeit zwischen dem Anschlussteil 6 und dem Träger 7 zu bilden. Alternativ kann die Verbindung zwischen Anschlussteil 6 und Träger 7 beispielsweise durch eine Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindung gegeben sein.
Das thermische Anschlussteil 6 wirkt im Sinne eines Wärmeleitelements und führt die bei Betrieb im Chip 1 erzeugte Wärme auf die dem Chip abgewandte Seite des Trägers 7 ab. Das thermische Anschlussteil 6 kann an der dem Chip 1 abgewandten Seite des Trägers 7 beispielsweise mit einem Kühlkörper (nicht dargestellt), der als Wärmesenke fungiert, in thermischem Kontakt stehen.
Über einen Wirebondingdraht 4 ist der Chip 1 zusätzlich elektrisch mit dem externen elektrischen Anschlussteil 5b verbunden.
Auf dem Träger 7 ist das optische Element 2 aufgebracht. Das optische Element 2 kann wie im allgemeinen Teil der Beschreibung ausgeführt mittels Presspassung, Löten, Kleben oder einer anderen Verbindungstechnik mit dem Träger 7 verbunden sein. Die Trennebene 15 zwischen Träger 7 und optischem Element 2 liegt dabei in der Ebene der Chipmontagefläche 3.
Das optische Element ist beispielsweise eine reflektive Optik wie sie weiter oben beschrieben ist. Die Innenwände 14 des optischen Elements sind dazu zum Beispiel nach Art einer CPC Optik geformt. Beispielsweise kann die vom Leuchtdiodenchip abgegebenen elektromagnetische Strahlung mittels Totalreflexion an den Innenwänden 14 reflektiert werden.
Der Chip 1 kann zusätzlich zumindest teilweise von einer Vergussmasse 8 umgeben sein. Die Vergussmasse 8 stabilisiert einerseits die mechanische Verbindung zwischen Träger 7 und optischem. Element 2 und bietet andererseits einen mechanischen Schutz des Leuchtdiodenchips 1.
In die Vergussmasse 8 kann ein Lumineszenzkonversionsmaterial 9 eingebracht sein, das geeignet ist, die vom Leuchtdiodenchip 1 abgegebene elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise Wellenlängen zu konvertieren. Es ist jedoch auch möglich, dass das Lumineszenzkonversionsmaterial als dünne Schicht auf die Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips 1 aufgebracht ist.
In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen oberflächenemittierenden Bauelements gezeigt. Hier ist auf die dem Leuchtdiodenchip 1 nachgeordneten Innenwände 14 des optischen Elements 2 eine Beschichtung 10 aufgebracht, die wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten kann: Lumineszenzkonversionsmaterial, reflektierendes Material, Material das geeignet ist, die Haftung zwischen den Innenwänden 14 des optischen Elements 2 und der Vergussmasse 8 zu erhöhen. Bevorzugt enthält die Beschichtung 10 eine Kombination wenigstens zweier dieser Materialien.
Zusätzlich kann die Vergussmasse 8 eine Strahlungsauskoppelfläche 8a aufweisen, die eine definierte Krümmung aufweist und damit ein linsenartiges zusätzliches optisches Element bildet, wie es beispielsweise im allgemeinen Teil beschrieben ist. Mittels Brechungsindex der Vergussmasse 8 und Krümmung der Strahlungsauskoppelfläche 8a kann damit eine definierte Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelements eingestellt werden.
Wird als Träger 7 ein besonders gut wärmeleitendes Material verwendet, kann zudem auf die Verwendung eines separaten thermischen Anschlussteils 6 verzichtet werden.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement ist hier beispielsweise auf eine Leiterplatte 12 aufgebracht. Die Leiterplatte 12 ist beispielsweise eine bedruckte Leiterplatte (PCB). Das Bauelement ist thermisch und elektrisch mit der Leiterplatte 12 beispielsweise mittels eines Lötverfahrens verbunden. Die Leiterplatte 12 dient dabei beispielsweise als Kühlkörper im Sinne einer Wärmesenke für die vom Leuchtdiodenchip 1 über das thermische Anschlussteil 6 abgegebene Wärme.
Der Strahlungsauskoppelfläche 8a der Vergussmasse 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zusätzliches optisches Element 11 nachgeordnet, wie es beispielsweise im allgemeinen Teil beschrieben ist. Bei dem zusätzlichen optischen Element 11 kann es sich beispielsweise um eine defraktive, eine refraktive, eine holographische oder eine Fresnel-Optik handeln, mittels derer die Abstrahlcharakteristik des Bauelements definiert eingestellt werden kann.
Zusätzlich kann das zusätzliche optische Element 11 ein Lumineszenzkonversionsmaterial 9 enthalten, das geeignet ist, die vom Leuchtdiodenchip abgegebene elektromagnetische Strahlung Wellenlänge zu konvertieren.
In 3 sind zusätzlich Stifte 13 gezeigt, mittels derer das optische Element 2 mit dem Träger 7 durch eine Presspassung mechanisch stabil verbunden ist. Die Stifte 13 können dabei Teil des optischen Elements 2 sein. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich bei den Stiften 13 um separate Elemente handelt oder die Stifte 13 integraler Bestandteil des Trägers 7 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement, aufweisend – einen Träger (7) mit einer Chipmontagefläche (3), und – ein optisches Element (2), wobei die Trennebene (15) zwischen Träger (7) und optischem Element (2) in der Ebene der Chipmontagefläche (3) angeordnet ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem zumindest Teile des optischen Elements (2) geeignet sind, elektromagnetische Strahlung eines vorgebbaren Wellenlängenbereichs zu reflektieren.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das optische Element (2) zumindest teilweise nach Art wenigstens eines der folgenden optischen Elemente gebildet ist: CPC, CEC, CHC, TIR.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das optische Element (2) ein reflektierendes Material enthält.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das optische Element (2) ein Material enthält, das geeignet ist, eine Haftung zwischen Innenwänden (14) des optischen Elements (2) und einem Vergussmaterial (8) zu vermitteln.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das optische Element (2) ein Lumineszenzkonversionsmaterial (9) enthält.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das optische Element (2) wenigstens eines der folgenden Materialien enthält: Aluminium, Aluminiumoxid, LCP, PEEK, PPA, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das optische Element (2) mittels wenigstens einer Presspassung mit dem Träger (7) mechanisch verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement aufweisend ein Gehäuse nach einem der Ansprüchen 1 bis 8 und wenigstens einen Leuchtdiodenchip (1) in Dünnfilmbauweise.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, bei dem das optische Element (2) eine Lichteingangsöffnung aufweist, durch die ein Großteil der im Leuchtdiodenchip (1) erzeugten elektromagnetischen Strahlung eintritt und die Lichteingangsöffnung eine Fläche aufweist, die maximal zweimal eine Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit den folgenden Schritten: a) Befestigen eines Halbleiterchips (1) auf einem Träger (7) b) elektrisches Kontaktieren des Halbleiterchips (1), c) Befestigen eines optischen Elements (2) auf dem Träger (7)
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Halbleiterchip (1) im Verfahrenschritt b) mittels Wirebonding (4) kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das optische Element (2) im Verfahrensschritt c) mittels wenigstens einer Presspassung mit dem Träger (7) mechanisch verbunden wird.