WO2013174761A2 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Bert Braune
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    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/80—Light emitting diode

Definitions

  • optoelectronic component for example light-emitting diodes (LEDs)
  • LEDs light-emitting diodes
  • silicones are frequently used for optical elements, for example for potting.
  • silicones have the disadvantage that they are at high
  • the operating temperatures of an LED are sometimes relatively high and can sometimes exceed 120 ° C.
  • stresses in the optical elements can build up from silicones, which can lead to cracks.
  • the emission characteristic of an LED may deteriorate.
  • cracks in a silicone encapsulation can penetrate harmful gases and moisture and thereby damage the component or reduce its service life.
  • Poly (dimethylsiloxane) (PDMS) optical elements typically consisting of long, substantially linear chains with little cross-linking in comparison to the molecular size occur.
  • PDMS Poly (dimethylsiloxane)
  • an opto electro ⁇ African component comprising a silicone-containing optical
  • Another object is to provide a method for
  • the optoelectronic component comprises
  • a radiation-emitting or radiation-receiving semiconductor chip disposed in the housing; and an optical element containing a polymeric material comprising a silicone;
  • the silicone contains at least 40% by weight of cyclic siloxanes and at least 40% of the silicon atoms of the cyclic siloxanes are cross-linked via alkylene and / or alkylarylene groups with another silicon atom of the silicone.
  • the optoelectronic component can also be referred to as “component” for short.
  • “% By weight” stands for
  • Silicones may also be referred to as polysiloxanes.
  • the "further silicon atom of the silicone” may be any silicon atom of a silicone. It can be part of a linear, branched or cyclic
  • the optical element interacts with at least a portion of the radiation emitted or received by the semiconductor chip.
  • cyclic siloxanes the cyclic structure is formed from siloxane units; cyclic structures which have other bridging groups in the ring, for example an alkylene group and / or an alkylarylene group, according to the application are not cyclic siloxanes. However, parts of the last-mentioned cyclic structures can be formed by cyclic siloxanes within the meaning of the application.
  • the statement on the% by weight of cyclic siloxane according to the application refers to the total mass of the actual
  • Silicone Elements embedded in the silicone, for example any fillers, are therefore not counted to the total mass of the silicone. To the mass of the cyclic siloxanes are also counted substituents which are attached only to a cyclic siloxane or crosslink only cyclic siloxanes with each other. Substituents sharing a cyclic siloxane with another grouping of the silicone, polymeric material, or another constituent of the device other than a cyclic siloxane are calculated to be one half of their mass to the mass of the cyclic siloxane to which they are attached. According to the application, the silicone in the optical element has a high proportion of cyclic siloxanes, of which numerous crosslinks to other silicon atoms of the
  • the silicone therefore has a very high degree of crosslinking, which for example is significantly above the degree of crosslinking of conventional silicones. Due to the high degree of crosslinking, the silicone has a very high thermal stability and hardness. This causes the optical element or the silicone even after prolonged operation of the device only a few damage such as yellowing or cracks due to thermal
  • the cyclic siloxanes give the silicone or the polymer material due to their structure a surprisingly high elasticity, so that they are not brittle despite high hardness or become porous.
  • the silicone or the polymer material shows due to the high
  • the type of housing is not limited, so that all types known to the person skilled in the art can be used for the component.
  • the housing of the component may for example comprise a ceramic or a heat and radiation ⁇ resistant plastic or be made entirely of it. It may further comprise a recess in which the semiconductor chip is arranged.
  • the recess can For example, include a reflector.
  • the housing may be connected to or comprise a carrier substrate. Furthermore, the device can be electrically
  • Conductive terminals such as lead frame, bond pad, bonding wire or electrodes to contact the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip may in particular be a radiation-emitting semiconductor chip, for example an LED chip. This may be present in combination with a growth substrate or else embodied as a thin-film light-emitting diode chip. Examples of thin-film light-emitting diode chips are described in EP 0905797 A2 and in WO 02/13281 A1, the disclosure contents of which are hereby incorporated by reference.
  • the component may comprise a conversion element which is arranged, for example, in the form of a chip on the semiconductor chip ⁇ .
  • a conversion element which is arranged, for example, in the form of a chip on the semiconductor chip ⁇ .
  • the choice of converter materials for such a conversion element is not according to the application
  • the device according to the application if it is designed to emit radiation, in particular emit visible light with any desired color locus in the CIE diagram, in particular white light.
  • the device can therefore for all sorts of purposes within the electronics, for example
  • the polymer material is a silicone, a silicone block copolymer or a silicone-epoxy hybrid material.
  • the statement that the polymer material comprises a silicone thus also includes the above-mentioned Coplymere and hybrid materials.
  • the polymer material may in particular be a silicone, so that the optical
  • Element as polymer material so a silicone or a mixture of silicones.
  • it may contain only a highly crosslinked polysiloxane containing at least 40% by weight of cyclic siloxanes.
  • the optical element is usually no further polymer ⁇ materials.
  • the cyclic siloxanes each independently contain from three to seven
  • the cyclic siloxanes may each inde pendently ⁇ three to five silicon atoms, in particular four silicon atoms contained. According to this embodiment, the cyclic siloxanes thus have a mean ring size. In addition to the strong crosslinking of the silicone, this is another reason for the high thermal stability of the silicone.
  • Decomposition mechanism can not occur in the cyclic siloxanes or only extremely restricted, so that a strand break in the silicone no or only a slight thermal decomposition entails. Overall, this results in a greatly improved thermal stability of the silicone in comparison to weakly crosslinked, largely linear
  • Such crosslinking may be present at at least 55%, especially at least 60%, of the silicon atoms of the cyclic siloxanes. It follows that at least every other silicon atom of the cyclic siloxanes is a crosslinking point in the silicone, resulting in a very highly crosslinked silicone.
  • the silicone contains at least 75% by weight of cyclic siloxanes.
  • the silicone can also be at least 90% by weight, or even completely, of cyclic siloxanes.
  • the silicone may optionally small amounts of largely linear, less branched
  • Polysiloxanes for example, for dilution be added.
  • the polymer material usually corresponds to the silicone.
  • a silicone of this embodiment is characterized by a very high thermal stability, hardness and high elasticity, which brings about the advantages described above.
  • the hardness can be determined by nanoindentation to about 0.34 GPa.
  • As a measure of the elasticity of the modulus of elasticity is given, which can be determined by tensile test for this embodiment to about 1.3 GPa to 1.7 GPa.
  • the high thermal stability also manifests itself in the fact that with prolonged heating to high temperatures only a very small loss of mass occurs. For example, the weight loss at 300 ° C is less than 1% when heated from room temperature to 10 K / min (TGA measurement).
  • Nanoindentation, tensile testing and TGA measurement are methods known to those skilled in the art for determining properties of polymeric materials. Furthermore, such a silicone has a low
  • Glazing of the surface by means of plasma as with
  • the cyclic siloxanes are represented by a structure of the formula I.
  • n is selected from 1, 2, 3, 4 or 5
  • Each R 1 is independently selected from a group comprising alkyl, cycloalkyl and aryl,
  • Each R 2 is independently selected from a group consisting of the alkylene and / or alkylarylene group, H atom, a
  • R 2 -substituted silicon atom of the cyclic siloxane of the formula I with a further silicon atom of the silicone is cross-linked, and each of the alkylene and / or alkylarylene group has a structure of the following
  • Substituents R 2 correspond to one of the above-described alkylene and / or alkylarylene groups. At times, even at least 60% of the substituents R 2 of such
  • Alkylene and / or alkylarylene group correspond.
  • Corresponding alkylarylene group via which the R 2 -substituted silicon atom of the cyclic siloxane of the formula I is crosslinked with a further silicon atom of the silicone, may correspond to non-crosslinked functional groups from which the alkylene and / or alkylarylene groups during curing be formed. If R 2 is none of the above
  • R 2 can usually be, for example, at least 90%, an H atom.
  • a tethered heteroatom may already be present before curing or, for example, introduced by subsequent hydrolysis of a Si-H bond, so that the heteroatom is in particular an oxygen atom. It can over one
  • heteroatom also carried a further connection to another silicon atom of the silicone.
  • the heteroatom can also be further substituents, for example a
  • C 1 -C 4 -alkylene represents an alkylene group which may contain 1, 2, 3 or 4 carbon atoms (C atoms), ie methylene, ethylene, propylene or butylene. This writing As is known to those skilled in the art and is used in analogous form for other substituents. In the
  • the unlabeled bonds correspond to the binding sites of this group to silicon atoms
  • Refractive index can be modified.
  • the optical element is obtainable by curing a composition comprising a first cyclic siloxane represented by Formula II and a second cyclic siloxane represented by Formula III
  • each n is independently selected from 1, 2, 3, 4 or 5
  • Each R 1 is independently selected from a group comprising alkyl, cycloalkyl and aryl, and Each R is independently a substituent which
  • X Cl-C4-alkylene or phenylene is represented.
  • each silicon atom carries a group suitable for crosslinking, such that these cyclic siloxanes
  • the first cyclic siloxane can be used in a ratio to the second cyclic siloxane of> 1, so that usually H atoms and much less rare substituents R 3 in the cyclic siloxanes of the formula I than not
  • bridging substituents R 2 may be present.
  • the composition may further comprise a catalyst, for example a platinum catalyst.
  • a catalyst for example a platinum catalyst.
  • the first cyclic siloxane (see formula II) is crosslinked with the second cyclic siloxane (see formula III), which can be done, for example, via hydrosilylation.
  • a suitable catalyst is for example the
  • a substituent R 2 can be formed, which corresponds to an alkylene and / or alkylarylene group, so that in the crosslinking cyclic siloxanes, which are represented by formula I, from the first and second cyclic siloxanes are formed.
  • Traces of the catalyst can - optionally in the finished Component - in the silicone of the optical element
  • the degree of crosslinking in the silicone, the proportion of cyclic siloxanes on the silicone and the substituents of the cyclic siloxanes can be determined by NMR spectroscopy and nach ⁇ shown. This can be done for example by means of a so-called solid-state NMR, in particular selected from a group comprising 1 H, 13 C and 29 Si NMR.
  • the proof is also possible in principle in a finished component, for example in sections through the optical element.
  • each R 1 is independently selected from a group comprising C 1 -C 4 alkyl, C 5 -C 6 cycloalkyl and phenyl.
  • R 1 may in particular be selected from a group comprising methyl, cyclohexyl and phenyl.
  • R 1 can be methyl, so that to a certain extent a highly crosslinked poly (dimethylsiloxane) is obtained as silicone. This distinguishes itself in comparison to conventional, low-branched PDMS
  • Silicone has one similar to conventional PDMS
  • the polymer material may be special into ⁇ the silicone itself, which can consist of at least 90% by weight or entirely of the cyclic siloxanes of the formula I. According to this example, a highly crosslinked poly (dimethylsiloxane) is obtained as the polymer material.
  • Silicone according to this example has an E-modulus of approx.
  • the refractive index of the silicone can be adjusted via the substituents on the silicon atoms. Polysiloxanes with numerous methyl groups have a low refractive index. With higher alkyl groups respectively
  • the refractive index of a silicone can be increased. It is therefore possible, for example, to use a combination of methyl groups and cyclohexyl groups or phenyl groups to set the refractive index of the silicone in a targeted manner, which can be done via the ratio of these substituents.
  • the refractive index may for example be adapted to a possible filling ⁇ material in order to optimize light out-coupling or to improve the transparency of an optical element.
  • R 1 is independently selected from a group comprising C 2 -C 4 alkyl, C 5 -C 6 cycloalkyl and phenyl.
  • R 1 can be independently selected from a group comprising cyclopentyl,
  • R 1 may be cyclohexyl and / or phenyl.
  • the cyclic siloxane contains no methyl groups, but only higher (cyclo) alkyl groups or phenyl groups.
  • the silicone of this embodiment typically has a higher refractive index than methyl. Group-containing silicones is the case. Due to the higher refractive index of the silicone, for example, the
  • polysiloxanes having higher alkyl groups, cycloalkyl groups or phenyl groups as substituents have lower thermal stability than methyl-substituted silicones.
  • This negative property can be at least largely compensated in a component according to the application due to the high degree of crosslinking of the silicone.
  • the component according to the application can therefore comprise an optical element which is a high-index and yet
  • At least 40% of the substituents R 1 are each independently selected from a group comprising C 5 -C 6 cycloalkyl and phenyl. At least 60%, in particular at least 80%, of the substituent R 1 may be selected from this group. It is also possible for all substituents R 1 to be selected from this group.
  • a silicone according to this embodiment has
  • the silicone therefore has a refractive index n which is greater than or equal to 1.44.
  • the refractive index n of the silicone may be greater than or equal to 1.46, in particular greater than or equal to 1.48. If the silicone has a large proportion of phenyl groups, the refractive index n may even be greater than or equal to 1.50. in the
  • the refractive index can be matched to any filler.
  • ⁇ Si02 particles for example, have a refractive index ⁇ n of about 1.46.
  • All data relating to indices of refraction refer Application ⁇ according to a wavelength of 632 nm and a temperature of 25 ° C (room temperature).
  • the refractive index can be abbreviated as "n"; it is determined with a refractometer.
  • the optical element is permeable to the radiation used in the component.
  • the optical element can thus be made transparent or at least translucent for the radiation used, which is understood to mean a relative transmission of at least 50%, in particular at least 80%.
  • Such an optical element is arranged in particular in a beam path of the component.
  • the optical element is a potting that encloses the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip may be from the potting or the optical
  • the semiconductor chip is usually arranged in the recess of a housing, and the potting is permeable to the emitted radiation.
  • the recess can then be sealed, for example, with the optical element as potting and the semiconductor chip from harmful
  • the optical element comprises a lens.
  • the optical element can be a separately produced lens, which subsequently on the
  • Component is arranged.
  • an adhesive can be used.
  • a lens can as Example ⁇ be cast in a mold and cured (so-called Molding).
  • the optical element may also, as described above, be a potting, which surrounds the semiconductor chip and is partially formed to the lens.
  • the optical element contains an inorganic filler embedded in the polymer material and selected from a group comprising thermally conductive particles, a diffuser, a converter material and a combination thereof. It may in particular comprise a converter material.
  • the inorganic filler may constitute 10 to 80% by weight, especially 20 to 60% by weight, of the optical element.
  • the inorganic filler may be present in particles comprising or consisting of the inorganic filler.
  • the optical element may apart from some other additives, mostly (greater than 95% by weight) of the polymer material and the inorganic
  • Thermally conductive particles may, for example from a group comprising Si0 2 ⁇ particles, for example cristobalite, aluminum ⁇ oxide (Al 2 O 3), aluminum nitride (A1N), zirconium carbide (ZrC> 2) and combinations thereof, are selected.
  • Si0 2 particles for example in the form of spherical SiO 2 -
  • the thermally conductive particles have a higher thermal conductivity than a silicone and can thereby further increase the thermal conductivity of the optical element.
  • the refractive index of the silicone or the polymer material can for example be adapted to Si0 2 ⁇ Partiel, so that, for example, little or no scattering occurs on these particles during operation. However, it is also possible to set a specific difference in the refractive indices in order to achieve a well-defined scattering or an attractive emission characteristic.
  • the diffusers may for example be selected from the group T1O 2, ZrÜ 2, Al 2 O 3, and combinations thereof.
  • An example of such a combination is a TiO 2 particle coated with Al 2 O 3 , so that TiO 2 -catalytic decomposition reactions are suppressed.
  • the choice of converter materials according to the application is not limited, so that all converter materials that are suitable for volume conversion can be used in this embodiment. Examples of such converter materials are described in WO 98/12757 A1, the content of which is hereby incorporated by reference.
  • the converter material can be present as a constituent of particles, for example together with binders.
  • the particles can also consist of the converter material.
  • the heat generated by conversion can be due to the
  • the heat conductivity can be further increased by heat-conducting particles as described above.
  • the component according to the application according to a further embodiment may comprise an optical element which is designed as a reflector and a reflective
  • the optical element can, for example, 10 to 80% by weight, in particular contain from 20 to 60% by weight, reflectors ⁇ animal forming filler.
  • reflectors for example, TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and combinations thereof can be used.
  • the housing has a recess in which the semiconductor chip is arranged, wherein the optical element lines at least part of the recess or at least forms part of the housing in the region of the recess.
  • the entire housing may also contain the polymer material and comprise at least in the region of the recess reflective fillers, so that in turn a reflector is obtained as an optical element.
  • the recess can with a casting
  • an optoelectronic component with an optical element is specified. According to at least one
  • the method comprises the steps:
  • Polymer material comprising a silicone
  • the silicone contains at least 40% by weight of cyclic siloxanes and at least 40% of the silicon atoms of the cyclic siloxanes are cross-linked via alkylene and / or alkylarylene groups with another silicon atom of the silicone.
  • the method of manufacturing the device is also referred to as "method" for short.
  • the method can produce a component according to at least one embodiment of the application. Therefore, described herein execution ⁇ shape of the component and its properties are figuratively also for the embodiments according to the application of the method, and vice versa.
  • the order of steps B) and C) are also changed.
  • the optical element is generated in such a way that interacts with the radiation emitted or received by the semiconductor chip.
  • the step C) also includes an arrangement of the optical element in the component, so that such an interaction is possible.
  • a composition comprising a first cyclic siloxane represented by Formula II and a second cyclic siloxane represented by Formula III
  • each n is independently selected from 1, 2, 3, 4 or 5
  • Each R 1 is independently selected from a group comprising alkyl, cycloalkyl and aryl, and
  • Each R 3 is independently a substituent which
  • X Cl-C4-alkylene or phenylene is represented.
  • cyclic siloxanes represented by Formula I can be formed.
  • the above-described modifications and developments of the cyclic siloxanes according to the formulas I, II and III can be used or formed accordingly.
  • the crosslinking of the first cyclic siloxane with the second cyclic siloxane can be carried out via a hydrosilation.
  • the composition may contain a catalyst, for example a platinum catalyst.
  • the composition may contain 1 to 100 ppm of a platinum catalyst.
  • platinum catalysts H 2 PtCl 6, complexes of platinum with vinyl-containing organosiloxanes, such as
  • Example of the Karstedt catalyst, as well as complexes of platinum with other organic ligands can be used.
  • Platinum complexes with vinyl-containing organosiloxanes are in
  • the ratio of first cyclic siloxane to second cyclic siloxane is in the range from 1: 1 to 4: 1, in particular from 1.2: 1 to 3: 1.
  • the ratio can be 1.3: 1 to 2.5: 1, in particular 1.8: 1 to 2.2: 1, for example 2: 1. So it will be more first
  • composition used. When the composition is cured, the vinyl groups in the substituents R 3 therefore largely or completely react, forming bridging groups, alkylene and / or alkylarylene groups.
  • the composition contains at least one further crosslinkable polymer component.
  • a crosslinkable polymer component may be a polysiloxane, which is used for example for dilution.
  • the polymer material is, for example, a silicone-epoxy hybrid material or a silicone block copolymer, it may also be different from a silicone. If appropriate, conventional materials known to the person skilled in the art can be used for this purpose.
  • the polymeric material may preferably be a silicone such that other crosslinkable polymeric materials in the composition may be substantially or completely eliminated.
  • the composition contains at least one of the group comprising adhesion promoter, catalyst inhibitor, yellowing stabilizer and thixotropic agent.
  • silicone-containing polymer materials are used.
  • inhibitors are polyorganosiloxanes,
  • acetylene alcohols are 1-ethynyl-1-cyclohexanol, 3-methyl-1-dodecin-3-ol, 3, 7, 11-trimethyl-1-dodecin-3-ol, 1, 1-diphenyl-2-propyne 1-ol, 3, 6-diethyl-1-nonyn-3-ol,
  • 3-methyl-1-pentadecine-3-ol in particular 1-ethynyl-1-cyclohexanol being used.
  • adhesion promoters are alkoxy-containing
  • Organosilanes such as vinyltrimethoxysilane
  • Step C) is heated to above 140 ° C for at least one hour. It can be heated to above 150 ° C for at least 3 hours, especially at least 5 hours, for curing. It can be at least three different, as a rule
  • Figure 1 shows a detail of a silicone in one
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a component with an optical element for volume conversion
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a component with a potting shaped as an optical element
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a component in which a separately shaped lens is placed as the optical element
  • Figure 5 shows a schematic cross section through a device with an optical element designed as a reflector.
  • FIG. 1 shows a section of a silicone, as may occur in an optical element of the component according to an embodiment according to the application.
  • the bridging alkylene and / or alkylarylene groups (R 2 in formula I) are therefore ethylene bridges, which in Figure 1 for clarity
  • the ratio of the first cyclic siloxane to the second cyclic siloxane can be in the range from 1: 1 to 4: 1, in particular from 1.2: 1 to 3: 1, preferably from 1.3: 1 to 2.5: 1 and for example 2: 1.
  • Si-H bonds are not problematic in terms of thermal decomposition.
  • the silicone shown in Figure 1 is rich in cyclic siloxanes; it may, for example, be at least 40% by weight,
  • the silicone has a high
  • the silicon atoms of the cyclic siloxanes are crosslinked with another silicon atom via an ethylene group.
  • the further silicon atom in this example is also part of a cyclic siloxane.
  • the refractive index of the silicone depends in particular on the substituents R 1 .
  • R 1 is selected from alkyl, cycloalkyl and aryl and may in particular be C 1 -C 4 -alkyl, C 5 -C 6 -cycloalkyl or phenyl.
  • a high refractive index silicone can be obtained when at least 40% of the substituents R 1 are selected from C 5 -C 6 cycloalkyl and phenyl.
  • I can be formed by curing a composition comprising the first cyclic siloxanes of formula II and second
  • the polymer material may in particular be the silicone itself, which may consist of at least 90% by weight or completely of the cyclic siloxanes of the formula I.
  • the silicone may have an modulus of elasticity of 1.3 GPa to 1.7 GPa (tensile test).
  • the hardness can be about 0.34 GPa (nanoindentation).
  • FIG. 2 shows a component according to an embodiment of the application using the example of an LED.
  • the component here comprises a housing 20 in conjunction with a
  • the housing 20 may comprise a ceramic or a heat and radiation resistant plastic.
  • a semiconductor chip 10 is arranged, which emits radiation during operation of the device.
  • the side walls of the recess 25 are chamfered here and may comprise a reflective material.
  • the semiconductor chip 10 may be electrically conductive
  • Terminals 30, 31 and a bonding wire 32 are energized.
  • the device comprises an optical element 50 of a
  • the optical element 50 is here transparent to the radiation emitted by the semiconductor chip 10 and may be formed as a lens (not shown).
  • the polymer material contains particles 60 comprising one or more converter materials as inorganic
  • volume con version Filler, homogeneously distributed before (so-called volume con version).
  • the device can
  • Conversion element may be arranged, for example in the form of a plate on the semiconductor chip 10 (not shown).
  • further inorganic fillers such as diffusers or heat-conducting particles, for example SiO 2 particles, may be distributed in the polymer material of the optical element 50.
  • the inorganic fillers may constitute 10 to 80% by weight of the optical element 50.
  • Component can be visible light with any
  • the polymer material comprises a silicone and may in particular consist of silicone.
  • the silicone may correspond to a silicone according to FIG. It comprises at least 40% by weight of cyclic siloxanes. Furthermore, the silicone is highly crosslinked, since at least 40% of the silicon atoms of the cyclic siloxanes are crosslinked via alkylene and / or alkylarylene groups with another silicon atom of the silicone. Due to the high degree of crosslinking, the silicone is stable
  • Thermal decomposition hard, has an increased thermal conductivity and is also elastic with advantage.
  • the optical element 50 is hardly or even by the heat developed by the semiconductor chip 10 and the converter material not affected and therefore does not tend to yellowing or cracking. The device will therefore be good
  • the refractive index of the silicone or the optical element 50 are adjusted.
  • high-indexing silicones for example, a refractive index of
  • FIG. 3 shows a component according to a further embodiment in cross section. It corresponds largely to the component of Figure 2. Instead of
  • Converter materials comprehensive particles 60 here is a conversion element 61 disposed on the semiconductor chip 10.
  • the optical element 50 is here formed as a lens 70, which can project beyond the housing 20.
  • FIG. 4 shows a component according to another
  • the optical element 50 comprises a silicone according to
  • Such a lens 70 may be molded and cured separately, for example in a mold.
  • the semiconductor chip 10 is wrapped in this example with a potting 51, the
  • the potting 51 can also be an optical element according to an embodiment application or consist of conventional materials.
  • the device may comprise converter materials, for example in the form of particles or a platelet (not shown here).
  • FIG. 5 shows a component according to a further embodiment of the application in cross section.
  • the optical element 50 is embodied here as a reflector (52) and comprises a reflective filler.
  • the reflecting filler may constitute 10 to 80% by weight, in particular 20 to 60% by weight, of the optical element 50, and the
  • the optical element 50 can line at least part of the recess 25 and thus reflect the generated radiation, thereby increasing the radiation efficiency.
  • the optical element 50 may also form part of the housing 20.
  • the housing 20 may also be made entirely of the polymer material of the optical element 50 and then has at least in the region of the recess 25 on a reflective filler.
  • the semiconductor chip 10 is in this example with a
  • Potting 51 potted wherein the potting 51 may in turn be an optical element according to at least one embodiment of the application.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Nach zumindest einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das optoelektronische Bauelement ein Gehäuse (20) und einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip (10), der in dem Gehäuse (20) angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Bauelement ein optisches Element (50), das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst. Das Silikon enthält zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane, und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane sind über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen
Herstellung
Die Patentanmeldung betrifft ein optoelektronisches
Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung des
optoelektronischen Bauelements. In optoelektronischen Bauelementen, zum Beispiel Licht emittierende Dioden (LEDs) , werden häufig Silikone für optische Elemente, zum Beispiel für einen Verguss, verwendet. Silikone haben jedoch den Nachteil, dass sie bei hohen
Temperaturen zur Vergilbung und Rissbildung neigen, da eine thermische Zersetzung der Silikone im Betrieb der LED
erfolgen kann. Die Betriebstemperaturen einer LED sind teilweise relativ hoch und können mitunter über 120°C betragen. Dabei können sich Spannungen in den optischen Elementen aus Silikonen aufbauen, was zu Rissen führen kann. Durch Vergil- bungen und Risse kann sich die Abstrahlcharakteristik einer LED verschlechtern. Des Weiteren können durch Risse in einem Silikonverguss schädliche Gase und Feuchtigkeit eindringen und dadurch das Bauelement schädigen beziehungsweise dessen Lebensdauer senken.
Diese Nachteile können zum Beispiel bei herkömmlichen
optischen Elementen aus Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) , das in der Regel aus langen, weitgehend linearen Ketten mit im Vergleich zur Molekülgröße wenig Vernetzungspunkten besteht, auftreten. Bei herkömmlichem PDMS kann die thermische
Zersetzung beispielsweise nach einem Strangbruch über einen intramolekularen Abbaumechanismus erfolgen, wobei
insbesondere trimere Siloxane abgespalten werden. Ein weiterer Nachteil von herkömmlichem PDMS ist dessen niedriger Brechungsindex von etwa 1,41.
Es ist daher wünschenswert, Bauelemente mit silikonhaltigen optischen Elementen zu entwickein, die weniger anfällig für thermische Zersetzungen sind und auch nach längerem Betrieb des Bauelements noch sehr gute optische Eigenschaften
aufweisen .
Eine zu lösende Aufgabe besteht daher darin, ein optoelektro¬ nisches Bauelement mit einem silikonhaltigen optischen
Element, das verbesserte Eigenschaften aufweist, anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelements anzugeben .
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch das optoelektronische Bauelement und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 gelöst.
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Nach zumindest einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das optoelektronische Bauelement
ein Gehäuse;
einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip, der in dem Gehäuse angeordnet ist; und ein optisches Element, das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst;
wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind. Im Folgenden kann das optoelektronische Bauelement auch kurz als "Bauelement" bezeichnet werden. "Gew-%" steht für
Gewichtsprozent. Silikone können auch als Polysiloxane bezeichnet werden. Das "weitere Siliciumatom des Silikons" kann ein beliebiges Siliciumatom eines Silikons sein. Es kann Bestandteil einer linearen, verzweigten oder cyclischen
Gruppierung eines Silikons sein. Das optische Element tritt mit zumindest einem Teil der vom Halbleiterchip emittierten oder empfangenen Strahlung in Wechselwirkung.
Bei den "cyclischen Siloxanen" wird die cyclische Struktur aus Siloxan-Einheiten ausgebildet; cyclische Strukturen, die andere verbrückende Gruppen im Ring aufweisen, zum Beispiel eine Alkylen-Gruppe und/oder eine Alkylarylen-Gruppe, stellen anmeldungsgemäß keine cyclischen Siloxane dar. Teile der letztgenannten cyclischen Strukturen können jedoch von cyclischen Siloxanen im Sinne der Anmeldung ausgebildet werden . Die Angabe zu den Gew-% an cyclischem Siloxan bezieht sich anmeldungsgemäß auf die Gesamtmasse des eigentlichen
Silikons. In das Silikon eingelagerte Elemente, zum Beispiel etwaige Füllstoffe, werden daher nicht zu der Gesamtmasse des Silikons gezählt. Zu der Masse der cyclischen Siloxane werden auch Substituenten gezählt, die nur an ein cyclisches Siloxan angebunden sind oder nur cyclische Siloxane miteinander vernetzen. Substituenten, die ein cyclisches Siloxan mit einer anderen von einem cyclischen Siloxan verschiedenen Gruppierung des Silikons, des Polymermaterials oder einem weiteren Bestandteil des Bauelements teilt, werden mit der Hälfte ihrer Masse zu der Masse des cyclischen Siloxans gerechnet, an das sie angebunden sind. Anmeldungsgemäß weist das Silikon in dem optischen Element einen hohen Anteil an cyclischen Siloxanen auf, von denen zahlreiche Vernetzungen zu anderen Siliciumatomen des
Silikons ausgehen. Das Silikon weist daher einen sehr hohen Vernetzungsgrad auf, der beispielsweise deutlich über dem Vernetzungsgrad von herkömmlichen Silikonen liegt. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades weist das Silikon eine sehr hohe thermische Stabilität und Härte auf. Dies bewirkt, dass das optische Element beziehungsweise das Silikon auch nach längerem Betrieb des Bauelementes nur wenige Beschädigungen wie Vergilbungen oder Risse aufgrund von thermischen
Zersetzungen aufweist. Hierdurch wird die Lebensdauer des anmeldungsgemäßen Bauelementes im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen erhöht.
Die cyclischen Siloxane verleihen dem Silikon beziehungsweise dem Polymermaterial aufgrund ihrer Struktur eine erstaunlich hohe Elastizität, sodass diese trotz hoher Härte nicht spröde sind oder porös werden. Vorteilhafterweise zeigt das Silikon beziehungsweise das Polymermaterial aufgrund des hohen
Vernetzungsgrades im Vergleich zu herkömmlichen Silikonen eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit, da die Wärmeenergie über das dichte Netzwerk an kovalenten Bindungen besser transportiert beziehungsweise abgeführt werden kann. Hierdurch wird die Effizienz des Bauelements erhöht.
Die Art des Gehäuses ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt, sodass alle dem Fachmann bekannten Typen für das Bauelement verwendet werden können. Das Gehäuse des Bauelements kann beispielsweise eine Keramik oder einen hitze- und strahlungs¬ beständigen Kunststoff umfassen oder ganz daraus gefertigt sein. Es kann des Weiteren eine Ausnehmung aufweisen, in der der Halbleiterchip angeordnet ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise einen Reflektor umfassen. Das Gehäuse kann mit einem Trägersubstrat verbunden sein beziehungsweise dieses umfassen. Des Weiteren kann das Bauelement elektrisch
leitende Anschlüsse wie zum Beispiel Leiterrahmen, Bondpad, Bonddraht oder Elektroden umfassen, um den Halbleiterchip zu kontaktieren .
Bei dem Halbleiterchip kann es sich insbesondere um einen Strahlung emittierenden Halbleiterchip, zum Beispiel ein LED- Chip, handeln. Dieser kann im Verbund mit einem Aufwachssubstrat vorliegen oder auch als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ausgeführt sein. Beispiele für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips sind in EP 0905797 A2 und in WO 02/13281 AI beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
Das Bauelement kann ein Konversionselement umfassen, das beispielsweise in Form eines Plättchens auf dem Halbleiter¬ chip angeordnet ist. Die Wahl der Konvertermaterialen für ein solches Konversionselement ist anmeldungsgemäß nicht
begrenzt; geeignete Konvertermaterialien sind zum Beispiel in der WO 98/12757 AI beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das anmeldungsgemäße Bauelement kann, wenn es Strahlung emittierend ausgeführt ist, insbesondere sichtbares Licht mit einem beliebigen Farbort im CIE-Diagramm, insbesondere weißes Licht, emittieren. Das Bauelement kann daher zu allerlei Zwecken innerhalb der Elektronik, zum Beispiel zur
Beleuchtung, in Displays, Anzeigen und auch in Scheinwerfern, verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Polymermaterial ein Silikon, ein Silikon-Blockcopolymer oder ein Silikon- Epoxid-Hybridmaterial . Die Angabe, dass das Polymermaterial ein Silikon umfasst schließt also auch vorstehend genannte Coplymere und Hybridmaterialien mit ein. Das Polymermaterial kann insbesondere ein Silikon sein, sodass das optische
Element als Polymermaterial also ein Silikon oder ein Gemisch von Silikonen aufweist. Es kann insbesondere nur ein hoch- vernetztes Polysiloxan mit mindestens 40 Gew-% cyclischen Siloxanen enthalten. Neben diesem Polymermaterial weist das optische Element in der Regel keine weiteren Polymer¬ materialien auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die cyclischen Siloxane jeweils unabhängig voneinander drei bis sieben
Siliciumatome. Die cyclischen Siloxane können jeweils unab¬ hängig voneinander drei bis fünf Siliciumatome, insbesondere vier Siliciumatome, enthalten. Nach dieser Ausführungsform weisen die cyclischen Siloxane also eine mittlere Ringgröße auf. Neben der starken Vernetzung des Silikons ist hierin ein weiterer Grund für die hohe thermische Stabilität des
Silikons zu sehen. In herkömmlichen nur schwach vernetzten Silikonen, die überwiegend lange lineare Polysiloxanketten enthalten, können über einen intramolekularen Mechanismus Trisiloxane abgespalten werden. Dieser an sich bekannte
Zersetzungsmechanismus kann in den cyclischen Siloxanen nicht oder nur ausgesprochen eingeschränkt auftreten, sodass auch ein Strangbruch im Silikon keine oder nur eine geringfügige thermische Zersetzung nach sich zieht. Es wird also insgesamt eine stark verbesserte thermische Stabilität des Silikons im Vergleich zu schwach vernetzten, weitgehend linearen
Polysiloxanen erhalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens 50% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des
Silikons vernetzt. Eine solche Vernetzung kann bei mindestens 55%, insbesondere mindestens 60%, der Siliciumatome der cyclischen Siloxane vorhanden sein. Daraus folgt, dass mindestens jedes zweite Siliciumatom der cyclischen Siloxane eine Vernetzungsstelle im Silikon darstellt, was zu einem ausgesprochen hoch vernetzten Silikon führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Silikon mindestens 75 Gew-% cyclische Siloxane. Das Silikon kann auch zu mindestens 90 Gew-% oder sogar vollständig aus cyclischen Siloxanen bestehen. Dem Silikon können gegebenenfalls geringe Mengen an weitgehend linearen, wenig verzweigten
Polysiloxanen, zum Beispiel zur Verdünnung, hinzugesetzt sein. Bei dieser Ausführungsform entspricht in der Regel das Polymermaterial dem Silikon. Ein Silikon dieser Ausführungsform zeichnet sich durch eine sehr hohe thermische Stabilität, Härte sowie durch eine hohe Elastizität aus, was die oben beschriebenen Vorteile mit sich bringt. Die Härte kann über Nanoindentierung zu ca. 0,34 GPa bestimmt werden. Als Maß für die Elastizität wird das E-Modul angegeben, das für diese Ausführungsform zu ca. 1,3 GPa bis 1,7 GPa mittels Zugversuch bestimmt werden kann. Die hohe thermische Stabilität äußert sich auch darin, dass bei längerem Erhitzen auf hohe Temperaturen nur ein sehr geringer Masseverlust auftritt. Beispielsweise beträgt der Gewichts- verlust bei 300°C weniger als 1%, wenn von Raumtemperatur mit 10 K/min erhitzt wird (TGA-Messung) . Nanoindentierung, Zugversuch und TGA-Messung sind dem Fachmann bekannte Verfahren, um Eigenschaften von Polymermaterialien zu bestimmen. Des Weiteren weist ein solches Silikon eine geringe
Oberflächenenergie und eine geringe Klebrigkeit auf. Es ist daher wenig staubempfindlich und daher geeignet, eine
Außenfläche des Bauelements auszubilden. Mit Vorteil kann bei der Herstellung des Bauelements auf eine zusätzliche
Verglasung der Oberfläche mittels Plasma, wie sie bei
herkömmlichen Silikonen notwendig ist, verzichtet und der entsprechende Arbeitsschritt eingespart werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die cyclischen Siloxane durch eine Struktur der Formel I repräsentiert
R2
Rl- /
^Si— -0
/ \ Rl
0 Si
\ NR2
Si— -o
/ \
R2 Rl
n
I
wobei
n aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst,
R2 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkylen- und/ode Alkylarylen-Gruppe, H-Atom, einen
Figure imgf000010_0001
Substituenten der Formel mit m = 0 oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen und ein angebundenes Heteroatom umfasst, und
wobei mindestens 40% der Substituenten R2 der Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das
R2-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt ist, und die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe jeweils oneinander eine Struktur der folgenden
Figure imgf000011_0001
Formel mit m = 0 oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen aufweist.
Es können auch mindestens 50%, insbesondere 55%, der
Substituenten R2 einer der vorstehend beschriebenen Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen entsprechen. Es können mitunter sogar mindestens 60% der Substituenten R2 einer solchen
Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen.
Die Substituenten R2, die nicht einer Alkylen- und/oder
Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das R2-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt ist, können dabei nicht vernetzten funktionellen Gruppen entsprechen, aus denen die Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen während des Härtens gebildet werden. Wenn R2 keine der oben beschriebenen
Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen ist, so kann R2 in der Regel, zum Beispiel zu mindestens 90%, ein H-Atom sein. Ein angebundenes Heteroatom kann bereits vor dem Härten vorhanden sein oder beispielsweise auch durch nachträgliche Hydrolyse einer Si-H-Bindung eingeführt werden, sodass das Heteroatom insbesondere ein Sauerstoffatom ist. Es kann über ein
Heteroatom auch eine weitere Anbindung zu einem weiteren Siliciumatom des Silikons erfolgen. Prinzipiell kann das Heteroatom auch weitere Substituenten, zum Beispiel ein
H-Atom, tragen.
Die Bezeichnung Cl-C4-Alkylen steht für eine Alkylen-Gruppe, die 1, 2, 3 oder 4 Kohlenstoffatome (C-Atome) enthalten kann, also Methylen, Ethylen, Propylen oder Butylen. Diese Schreib- weise ist dem Fachmann an sich bekannt und wird in analoger Form auch für andere Substituenten verwendet. In der
angegebenen Formel für die Alkylen- und/oder Alkylarylen- Gruppe entsprechen die nicht beschrifteten Bindungen den Bindungsstellen dieser Gruppe zu Siliciumatomen, wobei die Orientierung beliebig sein kann. Es kann insbesondere m = 0 sein, sodass die Verbrückung über eine Ethylen-Gruppe
erfolgt. Andererseits können über die Gruppe X mit m = 1 die mechanischen Eigenschaften des Silikons und/oder dessen
Brechungsindex modifiziert werden.
Des Weiteren kann in Formel I n jeweils unabhängig
voneinander 1, 2 oder 3, insbesondere 2, sein. Diese Siloxane sind in der Regel thermisch stabiler als die größeren
cyclischen Siloxane.
Gemäß einer anderen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das optische Element durch Härten einer Zusammensetzung erhältlich, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
Figure imgf000012_0001
II III
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III
n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und R jeweils unabhängig vonein nder ein Substituent ist, der
Figure imgf000013_0001
durch die folgende Formel mit m = 0 oder 1 und
X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Es kann in Formel II beziehungsweise in Formel III jeweils unabhängig voneinander n = 1, 2 oder 3, insbesondere n = 2, sein. Es kann insbesondere, wie oben beschrieben, m = 0 sein. Mit Vorteil trägt bei dem ersten beziehungsweise zweiten cyclischen Siloxan jedes Siliciumatom eine zur Vernetzung geeignete Gruppe, sodass diese cyclischen Siloxane für
Silikone mit einem hohen Vernetzungsgrad prädestiniert sind. Das erste cyclische Siloxan kann in einem Verhältnis zum zweiten cyclischen Siloxan von > 1 eingesetzt werden, sodass in der Regel H-Atome und sehr viel seltener Substituenten R3 in den cyclischen Siloxanen der Formel I als nicht
verbrückende Substituenten R2 vorliegen können.
Die Zusammensetzung kann des Weiteren einen Katalysator, zum Beispiel einen Platin-Katalysator, umfassen. Beim Härten erfolgt eine Vernetzung des ersten cyclischen Siloxans (siehe Formel II) mit dem zweiten cyclischen Siloxan (siehe Formel III), was zum Beispiel über eine Hydrosilylierung erfolgen kann. Ein geeigneter Katalysator ist beispielsweise der
Karstedt-Katalysator . Aus der Reaktion einer Si-H-Bindung mit einem Substituenten R3 kann ein Substituent R2 gebildet werden, der einer Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entspricht, sodass bei der Vernetzung cyclische Siloxane, die durch Formel I repräsentiert werden, aus dem ersten und dem zweiten cyclischen Siloxanen gebildet werden. Spuren des Katalysators können - gegebenenfalls auch im fertigen Bauelement - in dem Silikon des optischen Elementes
nachgewiesen werden.
Der Vernetzungsgrad im Silikon, der Anteil der cyclischen Siloxane am Silikon sowie die Substituenten der cyclischen Siloxane können per NMR-Spektroskopie bestimmt und nach¬ gewiesen werden. Dies kann beispielsweise anhand eines sogenannten Festkörper-NMR, insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend 1H-, 13C- und 29Si-NMR, geschehen. Der Nach- weis ist prinzipiell auch in einem fertigen Bauelement, zum Beispiel an Schnitten durch das optische Element, möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C1-C4- Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Dabei kann R1 insbesondere aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Methyl, Cyclohexyl und Phenyl umfasst. Es kann R1 insbesondere Methyl sein, sodass gewissermaßen ein hochvernetztes Poly (dimethyl- siloxan) als Silikon erhalten wird. Dieses zeichnet sich im Vergleich zu herkömmlichem, wenig verzweigtem PDMS
insbesondere durch eine erhöhte thermische Stabilität aus. Mit R1 = Methyl wird insbesondere ein preisgünstiges und leicht zu verarbeitendes Silikon erhalten. Ein solches
Silikon weist ähnlich wie herkömmliches PDMS einen
vergleichsweise niedrigen Brechungsindex von etwa 1,42 auf.
Ein vorteilhaftes Beispiel für ein solches Silikon kann durch Härten einer Zusammensetzung gebildet werden, die erste cyclische Siloxane der Formel II und zweite cyclische
Siloxane der Formel III, insbesondere im Verhältnis 1,8:1 bis 2,2:1, zum Beispiel 2:1, enthält, wobei in Formel II sowie in Formel III n = 0, m = 0 und R1 = Methyl ist. Das Silikon weist dann cyclische Siloxane der Formel I mit n = 0, m = 0 und R = Methyl auf. Das Polymermaterial kann dabei ins¬ besondere das Silikon selbst sein, das zu mindestens 90 Gew-% oder vollständig aus den cyclischen Siloxanen der Formel I bestehen kann. Nach diesem Beispiel wird ein hoch vernetztes Poly (dimethylsiloxan) als Polymermaterial erhalten. Das
Silikon nach diesem Beispiel weist ein E-Modul von ca.
1,3 GPa bis 1,7 GPa auf (Zugversuch) . Die Härte beträgt ca. 0,34 GPa (Nanoindentierung) . Der Brechungsindex des Silikons kann über die Substituenten an den Siliciumatomen eingestellt werden. Polysiloxane mit zahlreichen Methyl-Gruppen weisen einen niedrigen Brechungsindex auf. Mit höheren Alkyl-Gruppen beziehungsweise
Cycloalkyl-Gruppen sowie aromatischen Substituenten kann der Brechungsindex eines Silikons erhöht werden. Es ist daher beispielsweise möglich, mit einer Kombination aus Methyl- Gruppen und Cyclohexyl-Gruppen beziehungsweise Phenyl-Gruppen den Brechungsindex des Silikons gezielt einzustellen, was über das Verhältnis dieser Substituenten geschehen kann. Der Brechungsindex kann beispielsweise an einen etwaigen Füll¬ stoff angepasst werden, um die Lichtauskopplung zu optimieren oder die Transparenz eines optischen Elementes zu erhöhen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist R1 unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C2-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Es kann R1 unabhängig voneinander aus einer Gruppe, umfassend Cyclopentyl,
Cyclohexyl und Phenyl, ausgewählt sein. R1 kann insbesondere Cyclohexyl und/oder Phenyl sein. Nach dieser Ausführungsform enthält das cyclische Siloxan keine Methyl-Gruppen, sondern nur höhere (Cyclo- ) Alkyl-Gruppen beziehungsweise Phenyl- Gruppen. Das Silikon dieser Ausführungsform weist in der Regel einen höheren Brechungsindex auf, als dies bei Methyl- Gruppen-haltigen Silikonen der Fall ist. Durch den höheren Brechungsindex des Silikons kann beispielsweise die
Lichtauskopplung aus dem Bauelement verbessert werden. Im Allgemeinen weisen Polysiloxane mit höheren Alkyl-Gruppen, Cycloalkyl-Gruppen oder Phenyl-Gruppen als Substituenten eine geringere thermische Stabilität als Methyl-substituierte Silikone auf. Diese negative Eigenschaft kann in einem anmeldungsgemäßen Bauelement aufgrund des hohen Vernetzungs- grads des Silikons zumindest weitgehend kompensiert werden. Das anmeldungsgemäße Bauelement kann daher ein optisches Element umfassen, das ein hochbrechendes und dennoch
thermisch stabiles Silikon enthält oder ganz daraus besteht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens 40% der Substituenten R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt, die C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. Es können mindestens 60%, insbesondere mindestens 80%, der Substituenten R1 aus dieser Gruppe ausgewählt sein. Es können auch sämtliche Substituenten R1 aus dieser Gruppe ausgewählt sein. Ein Silikon nach dieser Ausführungsform weist
insbesondere einen höheren Brechungsindex als ein Methyl¬ substituiertes Silikon auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Silikon daher einen Brechungsindex n auf, der größer oder gleich 1,44 ist. Der Brechungsindex n des Silikons kann größer oder gleich 1,46, insbesondere größer oder gleich 1,48, sein. Sofern das Silikon einen großen Anteil an Phenyl-Gruppen aufweist, kann der Brechungsindex n sogar größer oder gleich 1,50 sein. Im
Vergleich zu herkömmlichem PDMS, welches einen Brechungsindex von n = 1,41 aufweist, kann mit diesem Silikon eine deutlich bessere Lichtauskopplung erhalten werden. Des Weiteren kann der Brechungsindex auf einen etwaigen Füllstoff abgestimmt sein. Si02~Partikel weisen beispielsweise einen Brechungs¬ index n von etwa 1,46 auf. Alle Angaben zu Brechungsindizes beziehen sich anmeldungs¬ gemäß auf eine Wellenlänge von 632 nm und eine Temperatur von 25°C (Raumtemperatur) . Der Brechungsindex kann mit "n" abgekürzt werden; er wird mit einem Refraktometer bestimmt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element für die im Bauelement verwendete Strahlung durchlässig. Das optische Element kann also für die verwendete Strahlung transparent oder zumindest transluzent ausgebildet sein, worunter eine relative Transmission von mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, verstanden wird. Ein solches optisches Element ist insbesondere in einem Strahlengang des Bauelements angeordnet.
Als "Strahlengang des Bauelements" werden mögliche Pfade verstanden, über die Strahlung von dem Halbleiterchip aus dem Bauelement hinaus gelangen beziehungsweise ausgekoppelt werden kann. Anmeldungsgemäß werden die Begriffe "Strahlengang" und "Strahlengang des Bauelements" synonym verwendet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element ein Verguss, der den Halbleiterchip umhüllt. Der Halbleiterchip kann von dem Verguss beziehungsweise dem optischen
Element auch unmittelbar umhüllt sein. Aufgrund der
verbesserten mechanischen Eigenschaften des Silikons, das sowohl thermisch sehr stabil, hart als auch elastisch ist und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist, eignet sich dieses sehr gut zum Vergießen von Halbleiterchips, selbst wenn diese im Betrieb sehr hohe Temperaturen, zum Beispiel größer 120°C, erzeugen. In einem Bauelement nach dieser
Ausführungsform ist der Halbleiterchip in der Regel in der Ausnehmung eines Gehäuses angeordnet, und der Verguss ist für die emittierte Strahlung durchlässig. Die Ausnehmung kann dann beispielsweise mit dem optischen Element als Verguss versiegelt sein und den Halbleiterchip vor schädlichen
Umwelteinflüssen schützen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische Element eine Linse. Das optische Element kann dabei eine separat erzeugte Linse sein, die nachträglich auf dem
Bauelement angeordnet wird. Hierfür kann zum Beispiel ein Kleber verwendet werden. Eine solche Linse kann beispiels¬ weise in einer Form gegossen und gehärtet werden (sogenanntes Molding) . Das optische Element kann jedoch auch, wie oben beschrieben, ein Verguss sein, der den Halbleiterchip umhüllt und teilweise zur Linse ausgeformt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das optische Element einen anorganischen Füllstoff, der in dem Polymermaterial eingebettet ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wärmeleitende Partikel, einen Diffusor, ein Konvertermaterial und eine Kombination hiervon umfasst. Es kann insbesondere ein Konvertermaterial umfassen. Der anorganische Füllstoff kann 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, des optischen Elementes ausmachen. Der anorganische Füllstoff kann in Partikeln vorliegen, die den anorganischen Füllstoff umfassen oder daraus bestehen. Das optische Element kann von einigen weiteren Additiven abgesehen, großteils (größer 95 Gew-%) aus dem Polymermaterial und dem anorganischen
Füllstoff bestehen. Wärmeleitende Partikel können zum Beispiel aus einer Gruppe, umfassend Si02~Partikel , zum Beispiel Cristobalit, Aluminium¬ oxid (AI2O3) , Aluminiumnitrid (A1N) , Zirkoniumoxid (ZrC>2) und Kombinationen hiervon, ausgewählt werden. Es können insbeson- dere Si02~Partikel , zum Beispiel in Form sphärischer S1O2-
Partikel verwendet werden. Die wärmeleitenden Partikel weisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein Silikon auf und können dadurch die Wärmeleitfähigkeit des optischen Elements weiter erhöhen. Der Brechungsindex des Silikons beziehungsweise des Polymermaterials kann zum Beispiel an Si02~Partiel angepasst werden, sodass beispielsweise im Betrieb kaum oder gar keine Streuung an diesen Partikeln auftritt. Es kann jedoch auch gezielt eine Differenz in den Brechungsindizes eingestellt werden, um eine wohl definierte Streuung beziehungsweise eine ansprechende Abstrahlcharakteristik zu erzielen.
Mit einem Diffusor in dem optischen Element kann die
Lichtauskopplung verbessert werden. Die Diffusoren können beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die T1O2, ZrÜ2, AI2O3 und Kombinationen hiervon umfasst. Ein Beispiel für eine solche Kombination ist ein mit AI2O3 beschichteter Ti02~Partikel , sodass Ti02-katalytische Zersetzungsreaktionen unterbunden werden. Die Wahl der Konvertermaterialien ist anmeldungsgemäß nicht begrenzt, sodass sämtliche Konvertermaterialien, die zur Volumenkonversion geeignet sind, in dieser Ausführungsform Anwendung finden können. Beispiele für solche Konvertermaterialien sind in der WO 98/12757 AI beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das Konvertermaterial kann als Bestandteil von Partikeln, zum Beispiel zusammen mit Bindemitteln, vorliegen. Die Partikel können auch aus dem Konvertermaterial bestehen. Die durch Konversion erzeugte Wärme kann aufgrund der
verbesserten Wärmeleitfähigkeit des Silikons beziehungsweise des Polymermaterials, die auf den hohen Vernetzungsgrad im Silikon zurückgeführt werden kann, gut abgeführt werden.
Hierdurch wird ein stabiler Farbort für das von dem
Bauelement emittierte Licht erhalten. Die Wärmeleitfähigkeit kann gegebenenfalls, wie oben beschrieben, durch wärmeleitende Partikel weiter erhöht werden. Als Alternative zu einem für die verwendete Strahlung
durchlässigen, im Strahlengang angeordneten optischen
Element, kann das anmeldungsgemäße Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform ein optisches Element aufweisen, das als Reflektor ausgebildet ist und einen reflektierenden
Füllstoff enthält. Das optische Element kann beispielsweise 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, reflek¬ tierenden Füllstoff enthalten. Als reflektierende Füllstoffe können beispielsweise Ti02, ZrÜ2, AI2O3 und Kombinationen hiervon verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist das Gehäuse eine Ausnehmung auf, in der der Halbleiterchip angeordnet ist, wobei das optische Element zumindest einen Teil der Ausnehmung auskleidet oder zumindest einen Teil des Gehäuses im Bereich der Ausnehmung ausbildet. Prinzipiell kann auch das ganze Gehäuse das Polymermaterial enthalten und zumindest im Bereich der Ausnehmung reflektierende Füllstoffe umfassen, sodass wiederum als optisches Element ein Reflektor erhalten wird. Die Ausnehmung kann mit einem Verguss
versiegelt sein, der beispielsweise ein herkömmlicher Verguss oder auch ein weiteres optisches Element nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung sein kann. Als weiterer Aspekt der Anmeldung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem optischen Element angegeben. Gemäß zumindest einer
Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
A) Bereitstellen eines Gehäuses;
B) Anordnen eines Strahlung emittierenden oder Strahlung
detektierenden Halbleiterchips in dem Gehäuse;
C) Erzeugen eines optischen Elementes, das ein
Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst;
wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind. Das Verfahren zur Herstellung des Bauelementes wird auch kurz als "Verfahren" bezeichnet. Durch das Verfahren kann ein Bauelement nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung hergestellt werden. Die hierin beschriebenen Ausführungs¬ formen des Bauelements und deren Eigenschaften gelten daher im übertragenen Sinne auch für die Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte A) , B) und C) richtet sich nach der Ausführungsform des Bauelementes, die herge- stellt werden soll. Für ein Bauelement, das ein optisches Element im Strahlengang aufweist, kann die hier angegebene Reihenfolge A) , B) und C) verwendet werden. Gegebenenfalls kann bei einer Ausführungsform, die ein als Reflektor
ausgebildetes optisches Element aufweist, die Reihenfolge der Schritte B) und C) auch geändert werden. Das optische Element wird insbesondere so erzeugt das in Wechselwirkung mit der vom Halbleiterchip emittierten oder empfangenen Strahlung tritt. Kann es separat hergestellt werden, zum Beispiel im Falle einer aufsetzbaren Linse, so beinhaltet der Schritt C) auch ein Anordnen des optischen Elementes im Bauelement, sodass eine solche Wechselwirkung möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird im Schritt C) zum Erzeugen des optischen Elementes eine
Zusammensetzung gehärtet, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
Figure imgf000022_0001
II III
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III
n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und
R3 jeweils unabhängig vonein nder ein Substituent ist, der
Figure imgf000022_0002
durch die folgende Formel mit m = 0 oder 1 und
X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird.
Beim Härten der Zusammensetzung können cyclische Siloxane, die durch die Formel I repräsentiert werden, gebildet werden. Es können die oben Beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen der cyclischen Siloxane nach den Formeln I, II und III entsprechend verwendet beziehungsweise gebildet werden. Die Vernetzung des ersten cyclischen Siloxan mit dem zweiten cyclischen Siloxan kann über eine Hydrosilierung erfolgen. Hierzu kann die Zusammensetzung einen Katalysator, beispielsweise ein Platin-Katalysator, enthalten. Beispielsweise kann die Zusammensetzung 1 bis 100 ppm eines Platin-Katalysators enthalten. Als Platin-Katalysatoren können H2PtCl6, Komplexe von Platin mit Vinyl-haltigen Organosiloxanen, wie zum
Beispiel der Karstedt-Katalysator, sowie Komplexe von Platin mit anderen organischen Liganden verwendet werden. Platin- Komplexe mit Vinyl-haltigen Organosiloxanen sind in
US 3,419,593, US 3,715,334, US 3,377,432 und US 3,814,730 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden. Platin-Komplexe mit anderen organischen Liganden sind in US 3,150,601, US 3,159,602, US 3,220,972, EP 0 057 459, EP 0 188 978 und EP 0 190 530 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt in der Zusammen- setzung das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, liegt. Das Verhältnis kann 1,3:1 bis 2,5:1, insbesondere 1,8:1 bis 2,2:1, beispielsweise 2:1, betragen. Es werden also insbesondere mehr erste
cyclische Siloxane als zweite cyclische Siloxane in der
Zusammensetzung eingesetzt. Beim Härten der Zusammensetzung regieren die Vinyl-Gruppen in den Substituenten R3 daher weitgehend oder vollständig ab und bilden dabei verbrückende Gruppen, Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen, aus.
Weitgehend bedeutet dabei mindestens 90%, insbesondere mindestens 98%. Dies ist von Vorteil, da verbleibende Vinyl- Gruppen störende Reaktionen oder Zersetzungen im optischen Element eingehen können. Es können jedoch in dem Silikon noch nicht abreagierte H-Atome als Substituenten R2 in den
cyclischen Siloxanen der Formel I verbleiben, was auf die oben beschriebenen Verhältnisse zurückzuführen ist. Im
Gegensatz zu Vinyl-Gruppen sind Si-H-Bindungen jedoch
(weitgehend) unbedenklich für die Haltbarkeit und Qualität des optischen Elements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung mindestens eine weitere vernetzbare Polymerkomponente. Eine solche vernetzbare Polymerkomponente kann ein Poly- siloxan sein, das beispielsweise zur Verdünnung eingesetzt wird. Des Weiteren kann diese, wenn das Polymermaterial beispielsweise ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial oder ein Silikon-Block-Copolymer ist, auch von einem Silikon verschie- den sein. Es können hierfür gegebenenfalls herkömmliche, dem Fachmann bekannte Materialien verwendet werden. Das Polymermaterial kann jedoch bevorzugt ein Silikon sein, sodass auf andere vernetzbare Polymermaterialien in der Zusammensetzung weitgehend oder vollständig verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung mindestens eines aus der Gruppe, umfassend Adhesions- vermittler, Katalysatorinhibitor, Vergilbungsstabilisator und Thixotropiermittel . Bei diesen Additiven können herkömmliche, dem Fachmann bereits bekannte Verbindungen eingesetzt werden, die im Allgemeinen zum Herstellen von Silikonen oder
silikonhaltigen Polymermaterialien verwendet werden.
Beispiele für Inhibitoren sind Polyorganosiloxane,
insbesondere ringförmige Siloxane, bei denen mindestens eine Alkyl-Gruppe durch eine Alkenyl-Gruppe ersetzt ist, zum
Beispiel Trimethylvinyltetrasiloxan, Pyridin, Phosphine, organische Phosphite, ungesättigte Amide, Alkyl-haltige Maleate, Acetylenalkohole und Kombinationen hiervon.
Beispiele für Acetylenalkohole sind 1-Ethinyl-l-cyclohexanol, 3-Methyl-l-dodecin-3-ol, 3, 7, ll-Trimethyl-l-dodecin-3-ol, 1, l-Diphenyl-2-propin-l-ol, 3, 6-Diethyl-l-nonin-3-ol,
3-Methyl-l-pentadecin-3-ol, wobei insbesondere 1-Ethinyl-l- cyclohexanol verwendet wird.
Beispiele für Adhesionsvermittler sind Alkoxy-haltige
Organosilane, wie zum Beispiel Vinyltrimethoxysilan,
( 3-Methacryloxypropyl ) trimethoxysilan, ( 3-Glycidoxypropyl ) - trimethoxysilan und Kombinationen hiervon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Härten im
Schritt C) für mindestens eine Stunde auf über 140°C erhitzt. Es kann für mindestens 3 Stunden, insbesondere mindestens 5 Stunden, auf über 150°C zum Härten erhitzt werden. Es können dabei mindestens drei unterschiedliche, in der Regel
ansteigende, Temperaturstufen eingehalten werden. Dies dient der Herstellung eines möglichst spannungsfreien und
blasenfreien optischen Elementes.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß und/oder vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Silikon in einem
optischen Element,
Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem optischen Element zur Volumenkonversion,
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem zur Linse ausgeformten Verguss als optisches Element,
Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement, bei dem als optisches Element eine separat ausgeformte Linse aufgesetzt ist,
Figur 5 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem als Reflektor ausgebildeten optischen Element.
In Figur 1 ist ein Ausschnitt aus einem Silikon gezeigt, wie es in einem optischen Element des Bauelements nach einer anmeldungsgemäßen Ausführungsform vorkommen kann. Die dargestellten vernetzten cyclischen Siloxane entsprechen Siloxanen der Formel I, wobei in diesem Beispiel einheitlich n = 2 und m = 0 ist. Die verbrückenden Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen (R2 in Formel I) sind daher Ethylen- Brücken, die in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber
reduziert dargestellt sind.
Ein solches Silikon ist zum Beispiel durch Platin-kataly- sierte Hydrosilylierungsreaktion eines ersten cyclischen Siloxans der Formel II mit n = 2 und eines zweiten cyclischen Siloxans der Formel III mit n = 2 und m = 0 durch Härten einer entsprechenden Zusammensetzung erhältlich. Das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan kann dabei im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, bevorzugt von 1,3:1 bis 2,5:1, liegen und beispielsweise 2:1 betragen. Wenn das erste cyclische Siloxan im Überschuss eingesetzt wird, weist das Silikon kaum oder gar keine Vinyl-Gruppen mehr auf. Es sind jedoch dann in der Regel noch Si-H-Bindungen vorhanden, was einem R2 = H-Atom in Formel I entspricht. Im Gegensatz zu Vinyl-Gruppen
beziehungsweise Olefinen im Allgemeinen sind Si-H-Bindungen in Hinblick auf thermische Zersetzungen nicht problematisch.
Das in Figur 1 dargestellte Silikon ist reich an cyclischen Siloxanen; es kann zum Beispiel mindestens 40 Gew-%,
insbesondere mindestens 75 Gew-% oder sogar mindestens 90 Gew-%, cyclische Siloxane enthalten oder auch vollständig daraus bestehen. Ferner weist das Silikon einen hohen
Vernetzungsgrad auf, da mindestens 40%, insbesondere
mindestens 50% oder sogar mindestens 60%, der Siliciumatome der cyclischen Siloxane mit einem weiteren Siliciumatom über eine Ethylen-Gruppe vernetzt sind. In der Regel ist das weitere Siliciumatom in diesem Beispiel ebenfalls Teil eines cyclischen Siloxans.
Der Brechungsindex des Silikons richtet sich insbesondere nach den Substituenten R1. R1 ist aus Alkyl, Cycloalkyl und Aryl ausgewählt und kann insbesondere Cl-C4-Alkyl, C5-C6- Cycloalkyl oder Phenyl sein. Ein hochbrechendes Silikon kann erhalten werden, wenn mindestens 40% der Substituenten R1 aus C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl ausgewählt sind. Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel für ein Silikon der Figur
I kann durch Härten einer Zusammensetzung gebildet werden, die erste cyclische Siloxane der Formel II und zweite
cyclische Siloxane der Formel III, insbesondere im Verhältnis 1,8:1 bis 2,2:1, zum Beispiel 2:1, enthält, wobei in Formel
II sowie in Formel III n = 0, m = 0 und R1 = Methyl ist. Das Silikon nach Figur 1 weist dann einheitlich R1 = Methyl auf, was vernetzten cyclischen Siloxanen der Formel I mit n = 0, m = 0 und R1 = Methyl entspricht. Das Polymermaterial kann dabei insbesondere das Silikon selbst sein, das zu mindestens 90 Gew-% oder vollständig aus den cyclischen Siloxanen der Formel I bestehen kann. Nach diesem Beispiel wird ein hoch vernetztes Poly (dimethylsiloxan) als Polymermaterial
erhalten. Es können nach diesem Beispiel über 60%,
insbesondere über 65%, der Siliciumatome der cyclischen
Siloxane über eine Ethylen-Brücke mit einem weiteren
Siliciumatom vernetzt sein. Das Silikon kann ein E-Modul von 1,3 GPa bis 1,7 GPa aufweisen (Zugversuch) . Die Härte kann ca. 0,34 GPa betragen (Nanoindentierung) .
In Figur 2 ist ein Bauelement nach einer Ausführungsform der Anmeldung am Beispiel einer LED gezeigt. Das Bauelement umfasst hier ein Gehäuse 20 in Verbindung mit einem
Trägersubstrat 15. Das Gehäuse 20 kann eine Keramik oder einen hitze- und strahlungsbeständigen Kunststoff umfassen.
In einer Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ist ein Halbleiterchip 10 angeordnet, der im Betrieb des Bauelements Strahlung emittiert. Die Seitenwände der Ausnehmung 25 sind hier abgeschrägt und können ein reflektierendes Material umfassen. Der Halbleiterchip 10 kann über elektrisch leitende
Anschlüsse 30, 31 und einen Bonddraht 32 bestromt werden. Das Bauelement weist ein optisches Element 50 aus einem
Polymermaterial auf, das hier als Verguss 51 die Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ausfüllt und den Halbleiterchip 10
umhüllt. Das optische Element 50 ist hier für die vom Halb- leiterchip 10 emittierte Strahlung transparent und kann als Linse ausgeformt sein (nicht gezeigt) . In dem Beispiel nach Figur 2 liegen in dem Polymermaterial Partikel 60, umfassend ein oder mehrere Konvertermaterialen als anorganischen
Füllstoff, homogen verteilt vor (sogenannte Volumenkonver- sion) . Alternativ oder zusätzlich kann das Bauelement ein
Konversionselement umfassen, das beispielsweise in Form eines Plättchens auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet sein kann (nicht gezeigt) . Zudem können weitere anorganische Füllstoffe wie Diffusoren oder wärmeleitende Partikel, zum Beispiel Si02~Partikel , in dem Polymermaterial des optischen Elements 50 verteilt vorliegen. Die anorganischen Füllstoffe können 10 bis 80 Gew-% des optischen Elements 50 ausmachen. Das
Bauelement kann sichtbares Licht mit einem beliebigen
Farbeindruck, insbesondere weißes Licht, emittieren.
Das Polymermaterial umfasst ein Silikon und kann insbesondere aus Silikon bestehen. Das Silikon kann einem Silikon nach Figur 1 entsprechen. Es umfasst mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane. Des Weiteren ist das Silikon hochvernetzt, da mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades ist das Silikon stabil gegenüber
thermischer Zersetzung, hart, weist eine erhöhte Wärmeleit- fähigkeit auf und ist mit Vorteil auch elastisch.
Das optische Element 50 wird durch die vom Halbleiterchip 10 sowie vom Konvertermaterial entwickelte Hitze kaum oder gar nicht beeinträchtigt und neigt daher nicht zur Vergilbung oder Rissbildung. Das Bauelement wird daher gut vor
schädlichen Umwelteinflüssen geschützt und weist eine lange Lebensdauer auf. Je nach Bedarf kann über die Wahl der
Substituenten im Silikon, insbesondere der cyclischen
Siloxane, der Brechungsindex des Silikons beziehungsweise des optischen Elements 50 eingestellt werden. Mit hochbrechenden Silikonen, die zum Beispiel einen Brechungsindex von
mindestens 1,44 aufweisen, kann die Lichtauskopplung im
Vergleich zu herkömmlichem PDMS verbessert werden.
In Figur 3 ist ein Bauelement nach einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt dargestellt. Es entspricht weitgehend dem Bauelement aus Figur 2. Anstelle von
Konvertermaterialien umfassenden Partikeln 60 ist hier ein Konversionselement 61 auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet. Das optische Element 50 ist hier als Linse 70 ausgeformt, die das Gehäuse 20 überragen kann. In Figur 4 ist ein Bauelement nach einer weiteren
Ausführungsform der Anmeldung im Querschnitt gezeigt. Es umfasst als optisches Element 50 eine Linse 70, die auf dem Bauelement, beispielsweise mittels eines Klebers, angeordnet ist. Das optische Element 50 umfasst ein Silikon nach
zumindest einer anmeldungsgemäßen Ausführungsform. Eine solche Linse 70 kann separat, zum Beispiel in einer Form, gegossen und gehärtet werden. Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 51 umhüllt, der die
Ausnehmung 25 ausfüllt. Der Verguss 51 kann ebenfalls ein optisches Element nach einer Ausführungsform Anmeldung sein oder aus herkömmlichen Materialien bestehen. Das Bauelement kann Konvertermaterialien, zum Beispiel in Form von Partikeln oder eines Plättchens, umfassen (hier nicht gezeigt) . In Figur 5 ist ein Bauelement nach einer weiteren Ausführungsform der Anmeldung im Querschnitt gezeigt. Das optische Element 50 ist hier als Reflektor (52) ausgebildet und umfasst einen reflektierenden Füllstoff. Der reflek- tierende Füllstoff kann 10 bis 80 Gew-%, insbesondere 20 bis 60 Gew-%, des optischen Elements 50 ausmachen und zum
Beispiel aus Ti02, ZrC>2, AI2O3 und Kombinationen hiervon ausgewählt sein. Das optische Element 50 kann, wie in Figur 5 gezeigt, zumindest einen Teil der Ausnehmung 25 auskleiden und somit die erzeugte Strahlung reflektieren, wodurch die Strahlungsausbeute erhöht wird.
Alternativ kann das optische Element 50 auch einen Teil des Gehäuses 20 ausbilden. Das Gehäuse 20 kann auch ganz aus dem Polymermaterial des optischen Elements 50 gefertigt sein und weist dann zumindest im Bereich der Ausnehmung 25 einen reflektierenden Füllstoff auf.
Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem
Verguss 51 vergossen, wobei der Verguss 51 wiederum ein optisches Element nach zumindest einer Ausführungsform der Anmeldung sein kann.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2012 104 363.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen und jede Kombination in den Ausführungsbeispielen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement, umfassend:
ein Gehäuse (20);
einen Strahlung emittierenden oder Strahlung empfangenden Halbleiterchip (10), der in dem Gehäuse (20) angeordnet ist; und
ein optisches Element (50), das ein Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst;
wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder
Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1,
wobei mindestens 50% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Silikon zu mindestens 75 Gew-% cyclische Siloxane enthält.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die cyclischen Siloxane durch eine Struktur der Formel I repräsentiert werden
Figure imgf000034_0001
I
wobei
n aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, R2 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkylen- und/oder Alkylarylen- ruppe, H-Atom, einen Substituenten der Formel
Figure imgf000034_0002
mit m = 0 oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen und ein angebundenes Heteroatom umfasst, und
wobei mindestens 40% der Substituenten R2 der Alkylen- und/oder Alkylarylen-Gruppe entsprechen, über die das R2-substituierte Siliciumatom des cyclischen Siloxans der Formel I mit einem weiteren Siliciumatom des
Silikons vernetzt ist, und die Alkylen- und/oder
Alkylarylen-Gruppe jeweils una nander eine
Struktur der folgenden Formel
Figure imgf000034_0003
mit m = 0 oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen aufweist.
5. Bauelement nach Anspruch 4,
wobei das optische Element (50) durch Härten einer Zusammensetzung erhältlich ist, die ein erstes
cyclisches Siloxan, das durch die Formel II repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
Figure imgf000035_0001
II III
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III
n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und
R3 jeweils unabhängig voneinan r ein Substituent ist,
Figure imgf000035_0002
der durch die folgende Formel mit m = 0 oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird .
Bauelement nach Anspruch 4 oder 5,
wobei R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Cl-C4-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst. 7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei mindestens 40% der Substituenten R1 jeweils unabhängig voneinander aus einer Gruppe ausgewählt sind, die C5-C6-Cycloalkyl und Phenyl umfasst.
8. Bauelement nach Anspruch 7,
wobei der Brechungsindex n des Silikons größer oder gleich 1,44 ist .
9. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das optische Element (50) ein Verguss (51) ist, der den Halbleiterchip (10) umhüllt.
10. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das optische Element (50) einen anorganischen Füllstoff enthält, der in dem Polymermaterial
eingebettet ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die wärmeleitende Partikel, einen Diffusor, ein
Konvertermaterial und eine Kombination hiervon umfasst.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei das optische Element (50) als Reflektor (52) ausgebildet ist und einen reflektierenden Füllstoff enthält .
12. Bauelement nach Anspruch 11,
wobei das Gehäuse (20) eine Ausnehmung (25) aufweist, in der der Halbleiterchip (10) angeordnet ist, und das optische Element (50) zumindest einen Teil der
Ausnehmung (25) auskleidet oder zumindest einen Teil des Gehäuses (20) im Bereich der Ausnehmung (25) ausbildet.
13. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelementes mit einem optischen Element (50), umfassend die Schritte:
A) Bereitstellen eines Gehäuses (10); B) Anordnen eines Strahlung emittierenden oder Strahlung detektierenden Halbleiterchips (10) in dem Gehäuse (20) ;
C) Erzeugen eines optischen Elementes (50), das ein
Polymermaterial enthält, das ein Silikon umfasst; wobei das Silikon zu mindestens 40 Gew-% cyclische
Siloxane enthält und mindestens 40% der Siliciumatome der cyclischen Siloxane über Alkylen- und/oder
Alkylarylen-Gruppen mit einem weiteren Siliciumatom des Silikons vernetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 13,
wobei im Schritt C) zum Erzeugen des optischen Elementes (50) eine Zusammensetzung gehärtet wird, die ein erstes cyclisches Siloxan, das durch die Formel II
repräsentiert wird, und ein zweites cyclisches Siloxan, das durch die Formel III repräsentiert wird, umfasst
Figure imgf000037_0001
II III
wobei in Formel II beziehungsweise in Formel III n jeweils unabhängig voneinander aus 1, 2, 3, 4 oder 5 ausgewählt ist,
R1 jeweils unabhängig aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkyl, Cycloalkyl und Aryl umfasst, und
R3 jeweils unabhängig voneinan r ein Substituent ist,
Figure imgf000037_0002
der durch die folgende Formel mit m oder 1 und X = Cl-C4-Alkylen oder Phenylen repräsentiert wird .
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
wobei in der Zusammensetzung das Verhältnis von erstem cyclischen Siloxan zu zweitem cyclischen Siloxan im Bereich von 1:1 bis 4:1, insbesondere von 1,2:1 bis 3:1, liegt .
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