光电子器件和用于制造光电子器件和复合结构的方法

摘要

提出一种光电子器件（10），所述光电子器件具有：壳体（1）；至少一个设置在壳体（1）中的半导体芯片（2）；和浇注料（3）。半导体芯片（2）具有适合于产生和检测电磁辐射的有源层。浇注料（3）至少局部地包围半导体芯片（2），其中在浇注料（3）中嵌入反射颗粒（3a）。此外，提出一种用于制造这种器件以及复合结构的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有壳体和半导体芯片的光电子器件。本发明还涉 及一种用于制造这种光电子器件的方法和一种用于制造由多个光电子 器件组成的复合结构的方法。

本申请要求德国专利申请102010021791.3的优先权，其公开内容 通过引用并入本文。

背景技术

具有壳体和半导体芯片的光电子器件例如从参考文献DE 102005 020908A1中已知。在此，壳体本体借助于两个连接件的包封以适当模 塑材料制成，其中半导体芯片设置在连接件之一上。

硅树脂尤其具有高温稳定性和UV（紫外线）辐射稳定性的优点， 然而相对于例如环氧化物具有小的机械断裂强度和高的材料成本的缺 点。相反地，尽管环氧化物具有良好的温度稳定性和低的材料成本，然 而具有差的UV辐射稳定性。

在具有由环氧化物制成的壳体的常规的光电子器件中，由于UV辐 射而能够在壳体材料中、基本上在表面处并且少量在体积材料中出现老 化效应。这种老化效应例如是壳体材料变黄、变色、变脆和/形成裂纹 以及附着的浇注材料脱层。所述老化效应例如能够由于由半导体芯片发 射的辐射而导致。由此，尤其当为了器件的功能性而需要完好地保持壳 体材料的表面时，例如当粘贴上透镜或类似物时，常规的器件的寿命受 到限制。由于老化效应不利地影响外表和外观以及机械稳定性。在常规 的黑色环氧化物作为壳体材料的情况下不出现由于老化效应引起的亮 度损失，然而在非黑色的、尤其亮色或者白色的环氧化物中会是这种情 况。因此，下述时间例如也能够定义为寿命，在所述时间内器件的所发 射辐射的亮度下降，直至初始值的所定义的一小部分。

发明内容

本发明的目的基于，在避免所述缺点的情况下提供一种光电子器 件，所述光电子器件具有壳体材料的减少退化并且由此具有提高的寿 命，并同时在制造中、例如在材料选择中致使低成本。

此外，所述目的通过一种具有独立权利要求的特征的光电子器件和 制造所述光电子器件的方法实现。

器件和方法的有利的改进形式是从属权利要求的主题。

根据本发明提出一种光电子器件，所述光电子器件具有：壳体；至 少一个设置在壳体中的半导体芯片；和浇注料。半导体芯片具有适合于 产生和检测电磁辐射的有源层。浇注料至少局部地包围半导体芯片，其 中在浇注料中嵌入反射颗粒。

光电子器件尤其是如下器件，其实现将电产生的能量转换成光发 射，或者反之亦然。例如，光电子器件是发射辐射的或者接收辐射的器 件。

半导体芯片具有辐射出射侧，由半导体芯片发射的辐射绝大部分地 从所述辐射出射侧中射出，其中辐射出射侧没有浇注料。例如，半导体 芯片是表面发射的芯片，其中浇注料直接地包围半导体芯片的侧面。因 此，由半导体芯片发射的辐射没有穿过浇注料射出，而能够直接地从器 件中耦合输出。

例如尤其优选地使用TiO₂颗粒作为浇注料中的反射颗粒。所述反射 颗粒均匀地分布在浇注料中。因此，局部地包围半导体芯片的浇注料形 成半导体芯片的反射的浇注部。

通过具有反射颗粒的浇注料，由壳体反射由半导体芯片发射的辐 射，使得由半导体芯片发射的辐射不传播到壳体材料。特别地，由半导 体芯片发射的辐射在所述辐射撞到壳体材料之前借助于在浇注料中的 反射颗粒被反射，使得所述辐射从器件中导出。由此有利地能够降低壳 体材料的材料退化，所述材料退化能够由半导体芯片辐射的影响而引 起。由此能够降低在壳体处的退化，由此有利地提高这种器件的寿命， 其中所述退化例如表现为在壳体中的变黄或变色、变脆、脱层和/或裂 纹形成的形式。

在改进形式中，壳体具有空腔，导线框设置在所述空腔的基面处， 在所述导线框上设置有半导体芯片，其中在空腔中引入浇注料。

具有反射颗粒的浇注料有利地至少局部地覆盖壳体材料。由此能够 最小化壳体材料的直接地遭受有害的UV辐射的部分。在此，具有反射 颗粒的浇注料不仅用作为用于提高必要时定向的光输出的反射器，而且 同时用作为用于易受老化影响的壳体材料的辐射保护。

为了制造壳体，优选利用壳体材料借助于例如喷射铸造、喷射压铸 或者压铸成形导线框。因此，壳体构成为所谓的预制壳体，例如构成为 预模制壳体模。在这种结构形式中，在制造壳体之后将半导体芯片装配 在导线框上。

导线框优选具有第一电连接件和第二电连接件。半导体芯片经由电 连接件电接触。半导体芯片例如能够经由连接层与第一连接件导电地连 接和/或固定在所述第一电连接件上，所述连接层例如是导电粘合剂或 者钎焊层。半导体芯片优选经由键合线与第二连接件导电地连接。

在一个改进形式中，例如能够由铜制成的导线框和尤其第一和第二 连接件具有银覆层。替选地或者附加地，导线框也能够具有金覆层、 NiPdAu覆层或者NiAu覆层。这种覆层与铜一样例如具有与环氧化物 的良好的附着。通过具有反射颗粒的浇注料能够在反射颗粒处反射由半 导体芯片发射的辐射的绝大部分，使得所述部分不射到导线框上，由此 能够有利地产生对于覆层的腐蚀保护。

半导体芯片优选为LED。优选地，半导体芯片为薄膜LED。在本 申请的范围内，将LED视作薄膜LED，在其制造期间，生长衬底被剥 离，在所述生长衬底上，形成薄膜半导体芯片的半导体本体的半导体层 序列例如外延地生长。

替选地，半导体芯片能够是光电二极管或者光电晶体管。在该情况 下，半导体芯片具有适合于检测电磁辐射的有源层。

半导体芯片的有源层优选具有尤其是双异质结构的异质结构、单量 子阱结构或多重量子阱结构。借助于尤其是多重量子阱结构或者双异质 结构的这种结构能够实现特别高的内部量子效应。

优选地，半导体芯片、尤其是有源层包含至少一种III/V族半导体 材料，例如选自In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或者In_xGa_yAl_1-x-yAs材料 系统中的材料，其中分别带有0≤x,y≤1，并且x+y≤1。III/V族半 导体材料尤其适合于在紫外光谱范围内（In_xGa_yAl_1-x-yN）、经过可见光 谱范围（In_xGa_yAl_1-x-yN，尤其对于蓝色至绿色的辐射，或者 In_xGa_yAl_1-x-yP，尤其对于黄色至红色的辐射）至红外光谱范围 （In_xGa_yAl_1-x-yAs）内的辐射产生。

在改进形式中，在浇注料上设置有覆盖层。在此，覆盖层优选不具 有反射颗粒。因此，覆盖层形成所谓的纯净的浇注部。

覆盖层优选设置在半导体芯片的辐射出射侧的下游。如果壳体例如 具有设置有半导体芯片的空腔，那么空腔至少部分地用浇注料填充，其 中覆盖层设置在浇注料上。在此，覆盖层能够与壳体上侧齐平地封闭壳 体。替选地，浇注料能够与壳体上侧齐平地封闭壳体，其中在该情况下 覆盖层设置在通过壳体的上侧和浇注料形成的面上。

在改进形式中，至少一种转换材料嵌入在覆盖层中。优选地，转换 材料均匀地分布在覆盖层的材料中。

半导体芯片优选发射具有第一波长的初级辐射。在覆盖层中的转换 材料优选吸收至少部分的第一波长辐射并且发射第二波长的次级辐射。 由此，器件发射不仅含有半导体芯片的初级辐射而且含有转换材料的次 级辐射的混合辐射。通过目的明确地选择转换材料能够进行由半导体芯 片发射的辐射的色度坐标的校正，由此得到由器件发射的辐射的期望的 色度坐标。

色度坐标尤其理解为在CIE色彩空间中描述器件所发射的光的色 彩的数值。

此外，覆盖层包含多于一种转换材料。由此得到由器件所发射的辐 射的混合辐射，所述混合辐射包含初级辐射和多种转换材料的多个次级 辐射。

通过在覆盖层中引入的转换材料例如能够产生白色光。此外，通过 应用例如氮化物或者硅酸盐的特殊的转换材料、通过转换由半导体芯片 发射的辐射产生在绿色至红色波长范围内的、由器件发射的辐射。在此， 颜色能够根据在饱和时的发光材料特性和混合比例来变化。

在器件的改进形式中，覆盖层构成为透镜。在此，透镜具有折射的 或者衍射的特性。透镜能够例如通过模压方法或者通过用于液态加工的 其他的模制方法来模塑成型。

在改进形式中，半导体芯片沿竖直方向从浇注料中伸出。因此，半 导体芯片的辐射出射侧没有借助浇注料来覆盖。优选地，辐射出射侧朝 向壳体上侧，其中浇注料侧向直接地包围半导体芯片。

特别地，垂直于壳体基面的方向视作为竖直方向。

在改进形式中，覆盖层直接地邻接于浇注料。因此，在覆盖层和浇 注料之间没有设置例如空气的间隔。在此，令人察觉不到在覆盖层和浇 注料之间的例如由制造引起的空气夹杂。

在改进形式中，半导体芯片沿竖直方向伸入到覆盖层中。因此，半 导体芯片至少局部地以直接接触的方式被覆盖层包围。优选地，半导体 芯片的辐射出射侧伸入到覆盖层中。

在改进形式中，壳体包含环氧化物、环氧化物模压材料、或者PPA （聚邻苯二甲酰胺）。环氧化物尤其具有良好的温度稳定性和低的材料 成本。环氧化物材料的差的UV辐射稳定性能够通过具有反射颗粒的浇 注料来克服。

壳体材料例如构成为黑色或者彩色的。例如，壳体材料借助于炭黑 来染色。替选于此，壳体也能够染成白色。

覆盖层优选具有硅树脂或者混合材料。混合材料例如包含硅树脂和 环氧化物或者类似适当的混合物。

浇注料优选包含硅树脂。

例如包含混合材料或者硅树脂的覆盖层具有与由硅树脂制成的浇 注材料的良好的附着。由此有利的是，不必需在覆盖层和浇注料之间使 用增附剂。

此外，通过引入具有含反射颗粒的浇注料的壳体得出下述优点：

–低成本制造，由于应用了例如由用于器件壳体的环氧化物构成的 低成本的模压材料，所述器件壳体也能够用于在普通照明中的应用；

–壳体的老化稳定性，由于在浇注料中的反射颗粒作为辐射保护以 及与此关联的光增强，并且作为用于必要时应用的银覆层的腐蚀保护， 或者作为用于由浇注料引起的积累的银的至少一个视觉保护；

–耐用的器件，由于应用具有匹配于铜的热膨胀系数和与铜良好的 附着的、机械稳定的环氧化物模压材料作为壳体，例如在应用铜导线框 的情况下，由此能够实现高的器件可靠性；

–可靠性，由于器件的层结构由具有环氧化物壳体的铜导线框、由 例如具有TiO₂颗粒的硅树脂构成的浇注料、作为覆盖层的施加在所述 浇注料之上的未填充的或者必要时用转换材料或者扩散剂填充的硅树 脂所组成，由此，由于这种多层结构实现逐步地提高各个部件的热膨胀 系数，由此能够实现高的器件可靠性和低的脱层危险。

此外，根据本发明的器件的制造能够在没有显著地改变已建立的工 艺和工艺工序的情况下集成到其中。同样有利的是，借助于替选的或者 可彼此组合的浇注部而在器件或者工艺设计中得到大的自由性，所述浇 注部例如是反射的浇注部、纯净的浇注部以及体积转换部或者透镜集成 部。

器件的壳体能够在制成之后根据相应期望的器件应用例如构成为 黑色或者白色的，例如对于具有高对比度的显示器应用构成为黑色。

在用于制造具有壳体和半导体芯片的器件的方法中借助于喷射压 铸方法或者喷射铸造方法来制造壳体。方法的有利的改进形式类似于器 件的有利的改进形式得出并且反之亦然。

优选地，在用于制造光电子器件的方法中，借助于具有闭合形状的 模具进行壳体的成型，其中壳体至少部分地在模具中硬化。优选地，接 下来将壳体在模具之外再硬化。

优选地，借助于喷射压铸方法或者喷射铸造方法至少部分地由壳体 材料包围经刻蚀的或者经冲压的导线框。优选地，壳体具有空腔，导线 框没有壳体材料地存在于所述空腔的基面上。尤其优选的是，导线框具 有第一和第二连接件，其中半导体芯片装配在连接件中的一个上并且借 助于键合线与另一连接件电连接。

优选地，将浇注料引入到壳体的空腔中，其中浇注料具有反射颗粒。 尤其优选的是，引入浇注料使得半导体芯片在竖直方向上突出于浇注 料。

尤其优选的是，将覆盖层施加到浇注料上，半导体芯片伸入到所述 覆盖层中。优选地，辐射出射侧伸入到覆盖层中，其中浇注料和覆盖层 直接地彼此邻接。

在改进形式中，借助于模压工艺将覆盖层成形成透镜。

在改进形式中，壳体具有多个空腔，在所述空腔的基面处分别施加 有半导体芯片，其中接下来将壳体分离成各个器件，使得每个单独的器 件具有至少一个半导体芯片。

此外，半导体芯片件能够借助确定数量的半导体芯片来制造。在该 情况下，空腔具有多个半导体芯片。由此，例如能够制造光电子器件， 所述光电子器件具有由发射芯片和检测芯片组成的组合。

在该方法中，尤其能够制造单独构件或者完整的阵列（具有确定数 量半导体芯片的半导体芯片行列）。由此，批量制造器件是可能的，由 此有利地降低制造成本。

附图说明

器件和其方法的其他特征、优点、改进形式和合理性得自于下面结 合附图1和2阐明的实施例中。

其示出：

图1、2分别示出根据本发明的器件的实施例的示意横截面图。

相同的或者起相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。示出 的组成部分以及组成部分彼此间的大小比例不能够示为是按照比例的。

具体实施方式

在图1和2中分别示出光电子器件10，所述光电子器件具有壳体1 和半导体芯片2。壳体1具有空腔4，半导体芯片2设置到所述空腔中。

壳体1具有导线框5a、5b。导线框5a、5b具有第一连接件5a和第 二连接件5b，所述第一和第二连接件用于电接触半导体芯片2。导线框 的连接件5a、5b彼此通过壳体材料相互电绝缘。导线框5a、5b能够是 经刻蚀的导线框，所述导线框优选具有打薄的区域。导线框的打薄的区 域优选借助于喷射压铸方法或者喷射铸造方法用壳体材料来包围。由 此，有利地得到导线框在壳体材料中的锚固。

半导体芯片2能够经由例如导电的粘结层或者钎焊层的连接层与第 一连接件5b电导电连接和/或固定在所述第一连接件上。特别地，半导 体芯片2借助固定侧2b固定在第一连接件5b上。半导体芯片2与第二 连接件5a优选经由键合线7导电连接。键合线优选从半导体芯片2的 辐射出射侧2a引导至第二连接件5a。

器件具有预模制的壳体，因为例如也能够称作所谓的预模制封装。 壳体1的成型在制造过程中借助于具有闭合形状的模具来确定，其中壳 体在模具中预硬化并且接下来在模具之外再硬化。

半导体芯片2具有适合于产生或者检测电磁辐射的有源层。例如， 半导体芯片2为LED。优选地，半导体芯片2为薄膜LED。半导体芯 片2优选基于氮化物、磷化物或者砷化合物半导体。

在壳体的空腔4中设置有浇注料3，所述浇注料优选具有硅树脂。 替选地或者附加地，浇注料3也能够具有带有硅树脂和环氧化物的混合 材料，或者具有环氧化物。尤其是TiO₂颗粒3a的反射颗粒均匀地分布 在浇注料3中。特别地，用浇注料填充壳体至使得壳体材料的绝大部分 用浇注料覆盖。通过在浇注料3中引入的反射颗粒3a能够使由半导体 芯片2发射的辐射朝器件辐射出射面的方向偏转。由此，由半导体芯片 2发射的辐射的较小部分射到壳体1上，因此最小化直接射到壳体材料 上的辐射部分。由此，能够有利地最小化壳体的材料退化。

因此，其中包含反射颗粒的浇注料不仅用作为用于提高器件的可能 定向的光输出的反射器，而且也用于可能地易于老化的壳体材料的辐射 保护。由此，易受辐射损坏的低成本的模压材料能够用于器件壳体。特 别地，通过如此构成的浇注料来降低射到壳体材料上的有害的UV辐射。

导线框5a、5b优选具有铜。在导线框5a、5b上例如能够应用银覆 层、Au覆层或者NiPdAu覆层。此外，环氧化物模压材料能够用作壳 体材料，所述环氧化物模压材料具有匹配于铜的热膨胀系数和与铜的良 好的附着，由此能够实现耐用的器件和高的器件可靠性。

在应用具有覆层的导线框的情况下，具有包含有反射颗粒的浇注料 同时用作为腐蚀保护或者至少用作为在导线框腐蚀的情况下的层保护。

覆盖层6设置在浇注料上。在图1的实施例中，覆盖层6设置在浇 注料3上，使得覆盖层6与壳体1的上侧向外齐平。因此，壳体的高度 相当于浇注料加上覆盖层的高度。

在覆盖层6中能够包含转换材料，所述转换材料将由半导体芯片2 发射的辐射以另一波长的辐射的形式发射。由此，能够实现发射由半导 体芯片2的所发射的辐射和转换辐射组成的混合辐射的器件，发射例如 白色辐射的器件。因此，覆盖层6在该情况下用作为转换层。

器件10具有包含壳体1、浇注料3和覆盖层6的三部件层结构。由 此，能够有利地从部件到部件逐步提高热膨胀系数。例如，由环氧化物 制成的壳体材料具有1ppm至18ppm的小的热膨胀系数，而覆盖层具 有优选大约150ppm至300ppm的热膨胀系数。

半导体芯片2优选沿竖直方向突出于浇注料3。优选地，半导体芯 片2具有辐射出射侧2a，所述辐射出射侧相对于固定侧2b，并且没有 浇注料。特别地，浇注料3设置在半导体芯片2的侧向上并且横向地完 全包围所述半导体芯片。

覆盖层6直接地邻接于浇注料3。优选不存在在覆盖层6和浇注料 3之间的间隔。在此，令人察觉不到尤其由制造引起的空气夹杂。

半导体芯片2沿竖直方向伸入到覆盖层6中。特别地，覆盖层6至 少局部地包围半导体芯片2。优选地，覆盖层6与半导体芯片2的辐射 输出侧2a直接接触。因此，由半导体芯片2发射的辐射能够在辐射出 射侧2a处离开半导体芯片，并且在所述辐射离开器件之前穿过覆盖层 6。

壳体1优选包含环氧化物、环氧化物模压材料或者PPA（聚邻苯二 甲酰胺）。覆盖层6优选包含硅树脂或者混合材料。浇注料3优选包含 硅树脂。

附加地存在下述可能性，批量地制造根据本发明的器件（没有示 出）。在此特别的是，制造由多个器件组成的复合结构。为此，壳体1 具有多个空腔，在所述空腔的基面上示出分别存在没有壳体材料的导线 框的连接件，并且分别将至少一个半导体芯片，即一个或多个半导体芯 片施加在空腔的导线框的连接件上。分别将浇注料引入到空腔中，其中 将覆盖层施加在浇注料上。在以复合结构制造光电子器件之后，能够将 复合结构分离成单个器件或者分离成特定大小的器件阵列，其中每个单 独的器件具有至少一个半导体芯片。为此，为了分离，锯开在图1和2 中示出的剖切区域S1或S2。

图2的实施例与图1的实施例的不同之处在于覆盖层6的布置以及 构造。在图2中，覆盖层6例如借助于模压方法构成为透镜。在此优选 的是，将透镜设置成，使得所述透镜直接地设置在半导体芯片2的辐射 出射侧的下游。

相反于图1的实施例，图2的器件具有以壳体1的上侧终止的浇注 料3。覆盖层6施加在平坦地构成的上侧上，所述上侧由壳体上侧和浇 注料上侧组成。因此，覆盖层6没有被引入在壳体的空腔4中，而是置 于空腔上并且朝向上部封闭器件。

此外，图2的器件基本上与图1的器件一致。

在此处示出的光电子器件中，有利地通过例如显现为白色的浇注料 保护例如黑色或者白色或其他颜色的壳体免受尤其是UV辐射的辐射。

本发明不由于根据实施例进行的描述而局限于这些实施例，而是包 括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在权利要求中的特 征的任意组合，即使这些特征或者这些组合本身没有明确地在权利要求 或者实施例中说明。