光电子半导体器件及运行光电子半导体器件的方法与流程

1.说明了一种光电子半导体器件和一种用于运行光电子半导体器件的方法。


背景技术：

2.诸如发光二极管（简称led）的光电子半导体器件通常嵌入封装中。在将硅树脂用于封装的情况下，已经表明老化所导致的硅树脂收缩可能导致封装从半导体芯片和/或从半导体器件的引线框架剥离。由此，尤其可能损害半导体器件的耐腐蚀性和亮度。


技术实现要素：

3.任务是说明一种在具有良好光电子特性的同时以良好的老化特性为特征的半导体器件。
4.该任务尤其通过根据独立权利要求的光电子半导体器件或运行方法来解决。进一步的设计和适宜性是从属权利要求的主题。
5.说明了一种具有至少一个光电子半导体芯片的光电子半导体器件。所述光电子半导体器件也可以具有多于一个的光电子半导体芯片。所述光电子半导体芯片被设置用于产生和/或接收辐射，例如在紫外、可见或红外光谱范围内的辐射。
6.例如，所述半导体芯片、特别是所述半导体芯片的有源区具有iii-v族化合物半导体材料。iii-v族化合物半导体材料特别适合于从紫外光谱范围（al
x
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1-x-y
n）经由可见光谱范围（al
x
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n，特别是用于蓝到绿辐射，或al
x
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p，特别是用于黄到红辐射）到红外光谱范围（al
x
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as）。在此情况下，分别适用0x1、0y1和x y1，特别是其中x1、y1、x0和/或y0。此外，使用iii-v族化合物半导体材料，特别是来自于提到的材料系统，可以在产生辐射时实现高的内部量子效率。
7.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述光电子半导体器件具有封装，所述半导体芯片嵌入在所述封装中。所述封装例如局部地直接邻接所述光电子半导体芯片。
8.所述封装例如通过浇铸方法制造。浇铸方法通常理解为可以根据预给定形状设计模塑料并且在必要时固化所述模塑料的方法。特别地，术语“浇铸方法”包括浇铸（molding）、薄膜辅助浇铸（film assisted molding）、注塑（injection molding）、传递模塑（transfer molding）和压缩成型（compression molding）。
9.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述封装具有基质材料。所述基质材料适宜地对于由所述光电子半导体芯片在运行期间产生和/或接收的辐射是可透过的。
10.特别是透明的基质材料可以是例如硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、酰亚胺、碳酸酯、烯烃、苯乙烯、氨基甲酸酯或其单体形式的衍生物、低聚物或聚合物，此外还可以具有混合物、共聚物或化合物。例如，所述基质材料可以包括或可以是环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂或诸如聚硅氧烷的硅酮树脂、或它们的混合物。
11.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述基质材料具有硅树脂或由硅树脂构成。
12.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述封装被构造为，使得在所述光电子半导体器件的运行期间形成空腔。所述空腔完全布置在所述封装内。所述空腔特别是在光电子半导体器件的运行期间才产生。因此，紧接在光电子半导体器件制造之后封装中还没有存在空腔。特别地，空腔的数量可以至少在特定的运行时间段中随着光电子半导体器件的运行持续时间增加而增加。
13.在光电子半导体器件的至少一种实施方式中，所述光电子半导体器件具有光电子半导体芯片和具有基质材料的封装，其中所述半导体芯片嵌入所述封装中，并且其中所述封装被构造为使得在所述光电子半导体器件的运行时形成完全布置在所述封装内的空腔。
14.因此，所述封装有针对性地构造为，使得在所述半导体器件的运行期间在所述封装中产生空腔。所述空腔完全被封装材料包围并且不延伸到封装的外表面。换言之，所述空腔不形成例如空气和/或湿气可以通过其到达半导体芯片的路径。
15.所述封装的外表面例如是所述封装与所述半导体器件的其他部分的界面，例如与所述半导体芯片和/或与壳体和/或与壳体的引线框架的界面。此外，所述封装的外表面可以局部封闭所述半导体器件。这意味着封装的外表面局部地也是半导体器件的外表面。
16.已经表明，这种封闭的空腔导致剥离力减小，所述剥离力可能导致封装与半导体芯片或半导体器件的其他部分脱离。换言之，空腔导致封装中的应力减小以及剥离力减小。
17.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述封装被构造为，使得老化引起的基质材料收缩导致空腔的形成。特别是，所述封装的材料成分被构造为，使得在光电子半导体器件的运行期间产生所述空腔。
18.由此可以确保，即使基质材料因老化而收缩，所述封装也粘附地保持在半导体芯片和/或光电子半导体器件的与封装邻接的其余部分上。避免或至少降低了在封装与半导体芯片和/或半导体器件的其他部分之间的界面处形成裂纹的风险。
19.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，将颗粒作为裂纹核引入所述封装的基质材料中，从而在光电子半导体器件的运行期间至少在一些裂纹核处形成空腔。因此，所述颗粒用作形成空腔的起点，例如以微裂纹的形式。例如，所述空腔沿着最大伸展的方向具有至多100μm或至多50μm的伸展。替代地或附加地，空腔沿着最大伸展的方向具有至少5μm或至少10μm的伸展。
20.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述颗粒对于要由所述光电子半导体芯片产生和/或接收的辐射是可透过的。特别地，所述颗粒不吸收所述辐射或吸收所述辐射至少仅到可忽略的程度。
21.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述颗粒是光学惰性的。这特别是意味着，颗粒不设置用于塑造光电子半导体器件的空间和/或光谱发射特性。特别地，这些颗粒不是漫射体，也不是发光物质。换言之，具有这种颗粒的封装基本上具有与没有这种颗粒的封装相同的光学特性。
22.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述颗粒由以下材料构成，所述材料的折射率与所述基质材料的折射率相适配。优选地，颗粒材料的折射率与基质材料的折射率相差至多10％，特别优选至多5％。颗粒材料与基质材料的折射率差异越小，诸如折射
效应的光学界面效应就越小。
23.为免怀疑，这些折射率分别涉及材料在室温下的折射率。
24.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，至少一些颗粒具有有角的基本形状。因此所述颗粒不是完全旋转对称的。已经表明，颗粒的边缘特别有效地充当裂纹核。例如，至少一些颗粒沿着一个方向的最大伸展比具有相同体积的理想球形颗粒的直径大至少10%。
25.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述颗粒具有介于5μm和30μm之间的平均直径，包括两个端值。在非球形颗粒的情况下，在此将最大伸展认为是直径。因此，与要产生的和/或要接收的辐射的最大强度的波长相比，颗粒的直径较大。
26.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述颗粒以介于3重量％和30重量％之间的比例、特别是以介于5重量％和25重量％之间的比例存在于所述封装中，包括所有端值。在颗粒的比例太低的情况下，在封装中无法以足够的密度产生空腔。如果比例过高，颗粒会引起封装材料的粘度过度增加，由此使得在制造光电子半导体器件时的加工更加困难。
27.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述基质材料是硅树脂。所述基质材料优选地是所谓的高折射率硅树脂，其中折射率在1.52和1.6之间，特别是在1.54和1.56之间，包括所有端值。
28.由于采用高折射硅树脂，可以减小光电子半导体芯片和封装之间的折射率差异。由此改进了光电子半导体芯片与封装的光学耦合。因此在光电子半导体芯片产生辐射的情况下，耦合输出效率得到改善。
29.然而，原则上，高折射率硅树脂比低折射率硅树脂表现出更大的剥离趋势。
30.然而，利用当前情况下描述的封装的构造，也可以可靠地基于作为基质材料的高折射率硅树脂来构造封装，使得可以实现高的老化稳定性。因此可以将高水平的老化稳定性和半导体芯片与封装的良好光学耦合统一起来。
31.然而，原则上，也可以使用低折射率的硅树脂，例如折射率在1.4和1.5之间、特别是在1.45和1.48之间的硅树脂，包括所有端值。
32.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述基质材料的折射率在1.4和1.6之间，包括两个端值。例如，所述基质材料具有聚合物材料或混合材料。
33.根据光电子半导体器件的至少一种实施方式，所述封装除了颗粒之外还具有发光物质。所述发光物质被设置用于将由所述光电子半导体芯片产生的初级辐射完全或部分地转换成具有至少部分不同于所述初级辐射的波长范围的次级辐射。例如，所述初级辐射位于蓝色或紫外光谱范围内，而所述次级辐射位于红色、黄色、绿色或蓝色光谱范围内。例如，所述光电子半导体器件总体上发出人眼看来呈白色的混合光。
34.所述发光物质在此可以具有以下材料中的一种或多种：稀土和碱土金属的石榴石，例如yag:ce3 、氮化物、氮化硅酸盐、sione、赛隆、铝酸盐、氧化物、卤代磷酸盐、原硅酸盐、硫化物、钒酸盐和氯硅酸盐。此外，发光物质可以附加地或替代地包括有机材料，所述有机材料可以选自包括苝、苯并芘、香豆素、若丹明和偶氮颜料的组。封装可以具有所提及的发光物质的合适混合物和/或组合。由此例如可以如上所述使得封装在蓝色的第一波长范围内吸收并且在具有绿色和红色波长和/或黄色波长范围的第二波长范围内发射。
35.此外，说明了一种用于运行光电子半导体器件的方法。
36.根据用于运行光电子半导体器件的方法的至少一种实施方式，提供一种光电子半导体器件，其具有光电子半导体芯片和包括基质材料的封装，其中所述半导体芯片嵌入所述封装中。所述光电子半导体器件被运行为，使得形成完全布置在所述封装内的空腔。
37.因此，所述光电子半导体器件有针对性地运行，使得在所述封装中形成所述空腔。这在光电子半导体器件的正常运行期间适宜地进行。因此不必为此设置单独的制造步骤或额外的运行模式。通过空腔的形成可以避免或至少降低在运行期间封装剥离的风险，特别是至少在平均时间内不会降低光电子半导体器件的功耗。
38.具有上述光电子半导体器件的一个或多个特征的光电子半导体器件特别适用于该运行方法。因此，结合描述所述光电子半导体器件的特征也可以用于运行方法，反之亦然。
39.进一步的设计和示意性从以下结合附图对实施例的描述得出。
附图说明
40.图1a和图1b基于在制造之后（图1a）和在预给定运行持续时间之后（图1b）的示意性截面图的图示示出了半导体器件的实施例和半导体器件的运行方法；图2a示出了具有剥离的参考封装的参考样品的扫描电子显微照片；图2b示出了具有带有空腔的封装的上述半导体器件的截面的扫描电子显微照片；图3a和3b示出了根据以小时为单位的运行持续时间t对上述半导体器件和参考样品测量标准化光通量ln的以百分比表示的测量结果，在图3a中标准化为时间t=0时的光通量（也称为流明维持率/），在图3b中是相对于时刻t=0的以pts表示的色度坐标变化（也称为色移）；图4a和图4b分别示出了在假设具有6个空腔（图4a）和具有18个空腔（图4b）的封装的情况下剥离应力的模拟结果。
41.相同、相同类型或具有相同作用的元件在图中设有相同的附图标记。
42.这些图都是示意图，因此不一定是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，可以夸大地显示相对较小的元件和特别是层厚度。
具体实施方式
43.根据图1a中所示的实施例的光电子半导体器件具有光电子半导体芯片2，该光电子半导体芯片例如构造为led半导体芯片。光电子半导体芯片2嵌入封装3中。
44.在所示的实施例中，半导体芯片2位于壳体6的腔体中并且可以经由引线框架61从外部予以电接触。然而，所描述的封装3的设计原则上适用于任何类型的外壳，其中光电子半导体芯片嵌入在特别是辐射可透过的封装3中。
45.封装3被构造为使得在光电子半导体器件的运行期间形成空腔5，所述空腔完全布置在封装3内。这在图1b中示意性地示出。半导体器件1因此有针对性地运行，使得空腔5形成在封装3中，特别是以微裂纹的形式。
46.借助于空腔5可以减小可能导致封装3从半导体芯片2或壳体6的部分（例如引线框架61）剥离的应力。
47.这从图2a和图2b所示的扫描电子显微照片中变得清楚。在传统的参考封装39的情况下，老化引起的参考封装收缩可能导致参考封装39与局部地脱离半导体芯片2。这可以在图2a中箭头91指向的位置处看到。
48.与此不同，封装3中由图2b中的箭头95指向的空腔5导致封装3与半导体芯片2和壳体6保持牢固的连接。
49.封装3和半导体芯片2之间的间隙例如由于腐蚀效应可能导致从光电子半导体器件1发射的辐射的亮度降低。光电子半导体芯片2与封装3的光学耦合也可能被这种间隙损害，这同样导致亮度降低。
50.此外，这也可能引起从半导体器件总体发射的辐射的色度坐标偏移。这在图3a和图3b中示出。测量表明，具有上述封装的半导体器件的亮度下降（通过曲线7示出）明显低于参考曲线8的亮度下降。对于参考曲线8，色度坐标的变化也明显更大，如图3b所示。
51.图4a和图4b示出了出现的剥离应力的模拟结果。为此基于横截面为150μm x 250μm的封装。此外，假设封装3存在老化引起的4.5%的收缩。对于传统的均匀封装，即没有空腔的参考封装，由此会产生0.154 mpa的剥离应力。
52.图4a和图4b示出了模拟，其中分别假设有六个空腔（图4a）和18个空腔（图4b）而不是均匀的传统封装，其中每个空腔具有20μm的长度。根据模拟结果，在6个空腔的情况下产生了0.139 mpa的减小的剥离应力，而在18个空腔的情况下产生了0.109mpa的减小的剥离应力。因此，这些模拟证明了空腔对剥离应力具有积极的效应，由此总体上促进了半导体器件1的老化稳定性。
53.例如，具有硅树脂或由硅树脂构成的基质材料31适用于封装3。具有高折射率，例如具有1.54和1.56之间的折射率的硅树脂是特别合适的。然而，原则上也可以使用说明书发明内容中提到的其他基质材料。
54.在封装的基质材料31中可以引入颗粒4，所述颗粒用作裂纹核并促进在封装中形成空腔。原则上，所有对将由光电子半导体芯片产生或接收的辐射可透过的材料都适用于所述颗粒。优选地，颗粒4由在折射率方面与基质材料31的折射率没有差异或仅略微不同的材料构成。折射率优选地彼此相差至多10％，特别优选地相差至多5％。例如，所述颗粒包含氧化物，例如二氧化硅。
55.替代地，诸如聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）的丙烯酸酯、诸如聚甲基丙烯酰甲基酰亚胺（pmmi）的酰亚胺或玻璃适用于所述颗粒。
56.颗粒4优选具有介于5μm和30μm之间的平均直径，包括两个端值。
57.此外已经表明，具有有角的基本形状的颗粒4特别有效地充当裂纹核，用于在封装3中形成空腔5。然而，原则上也可以使用球形颗粒。
58.颗粒4优选以至少3重量％，优选至少5重量％的比例存在于封装3中。由此可靠地保证由于老化引起的基质材料收缩在封装3中形成足够的空腔5。
59.适宜地，颗粒4以至多30重量％，特别是至多25重量％的比例存在于封装中。由此保证了封装在制造半导体器件1期间不会太粘。
60.附加地，发光物质35也可以布置在封装3中，从而半导体器件1总体上产生混合辐射，例如在人眼看来是白色的混合光。
61.所描述的封装3的设计特别适合于光电子半导体器件1，其中在连续波运行中需要
高的光输出，由此在封装3中出现比较高的温度。由此，对于这种光电子半导体器件1，由于老化引起的基质材料收缩存在更高的剥离效应风险。在这种光电子半导体器件1的情况下，可以实现半导体器件的高水平老化稳定性，特别是在所发射辐射的亮度和色度坐标方面，而不必降低光电子半导体器件的功耗。
62.然而，原则上所描述的封装适合于所有类型的光电子半导体器件，特别是也适合于被设置用于接收辐射的光电子半导体芯片2。
63.本专利申请要求德国专利申请10 2019 134 904.4的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
64.本发明不受基于实施例的描述限制。相反，本发明包括每个新特征和特征的每个组合，特别是包括权利要求中的特征的每个组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或实施例中明确说明。
65.附图标记列表1
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光电子半导体器件2
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半导体芯片3
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封装31
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基质材料35
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发光物质39
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参考封装4
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颗粒5
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空腔6
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壳体61
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引线框架7
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测量曲线8
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参考曲线91
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箭头95
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箭头