(57)【要約】  オプトエレクトロニクス素子は電磁的な一次ビームを放射する半導体チップ、半導体チップを収容する切欠部および半導体チップを電気的に外部に接続する電気的な接続導体を有するケーシング基体、切欠部内の半導体チップを包囲するチップ封止構成要素を有し、接続導体は一方で半導体チップの電気的なコンタクトと導電的に接続され、他方で外部から接触可能な接続面を有し、ケーシング基体は少なくとも一次ビームの一部に対し少なくとも部分的に透過性であり、半導体チップの光学軸はケーシング基体を通って延在し、半導体チップから放射される一次ビームの大部分はケーシング基体に入射する。ケーシング基体は一次ビームの少なくとも一部を一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長の二次ビームに変換するルミネセンス変換材料を有し、素子の動作時に一次ビームと二次ビームとを包含する混合ビームを放射する。
2008515211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オプトエレクトロニクス素子において、
−電磁的な一次ビームを放射する半導体チップ（１）を備え、
−前記半導体チップ（１）を収容するための切欠部（３１）および該半導体チップ（１）を電気的に外部に接続するための電気的な接続導体（３２，３３）を有するケーシング基体（３）を備え、前記接続導体（３２，３３）はそれぞれ一方では前記半導体チップ（１）の電気的なコンタクト（１１，１２）と導電的に接続されており、且つそれぞれ他方では外部から接触可能な接続面（３４，３５）を有し、
−前記切欠部内の前記半導体チップ（１）を包囲するチップ封止構成要素（４）を備え、
−前記ケーシング基体（３）は少なくとも前記一次ビームの一部に対して少なくとも部分的に透過性であり、前記半導体チップ（１）の光学軸（１３）は前記ケーシング基体（３）を通って延在し、前記半導体チップ（１）から放射される前記一次ビームの大部分は前記ケーシング基体（３）へと入射し、
−前記ケーシング基体（３）はルミネセンス変換材料（５）を有し、該ルミネセンス変換材料（５）は前記一次ビームの少なくとも一部を該一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長を有する二次ビーム（６）に変換し、
−前記ケーシング基体（３）は素子の動作時に、前記ケーシング基体（３）を通過して生じた一次ビームと前記ルミネセンス変換材料（５）から放射された二次ビーム（６）とを包含する混合ビームを放射することを特徴とする、オプトエレクトロニクス素子。
【請求項２】
前記ケーシング基体はトランスファ成形法または射出成型法により事前製造されたプラスチック成形体を包含する、請求項１記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項３】
前記ケーシング基体はガラスまたはビーム透過性のセラミックからなる事前製造された成形体を包含する、請求項１記載のケーシング。
【請求項４】
前記ケーシング基体はビーム成形型の光学素子を包含する、請求項１から３までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項５】
前記ケーシング基体は前記切欠部から離れた位置にある外部層と前記切欠部を包囲する内部層とを有し、前記外部層と前記内部層との間には前記ルミネセンス変換材料（５）を含有する変換層（５１）が設けられている、請求項１から４までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項６】
前記外部層および前記内部層はルミネセンス変換材料を有していない、請求項５記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項７】
前記変換層（５１）の厚さおよび／または形状は前記半導体チップ（１）の立体角を上回る不均一な放射特性に応じて構成されている、請求項５または６記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項８】
前記一次ビームは紫外線ビームおよび／または短波の青色ビームを包含する、請求項１から７までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項９】
前記ルミネセンス変換材料（５）は前記ケーシング基体（３）に埋め込まれている、請求項１から８までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
【請求項１０】
電磁的な一次ビームを放射するオプトエレクトロニクス半導体チップ用のケーシングにおいて、
前記半導体チップを収容するための切欠部と前記半導体チップを電気的に接続するための電気的な接続導体とを有するケーシング基体を備え、該ケーシング基体は前記一次ビームの少なくとも一部に対して少なくとも部分的に透過性であり、且つ該ケーシング基体にはルミネセンス変換材料が埋め込まれており、該ルミネセンス変換材料は前記一次ビームの少なくとも一部を該一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長を有する二次ビームに変換することを特徴とする、ケーシング。
【請求項１１】
前記ケーシング基体はトランスファ成形法または射出成型法により事前製造されたプラスチック成形体を包含する、請求項１０記載のケーシング。
【請求項１２】
前記プラスチック成形体は金属性の電気的な導体フレームに成形されている、請求項１１記載のケーシング。
【請求項１３】
前記ケーシング基体はガラスまたはビーム透過性のセラミックからなる事前製造された成形体を包含する、請求項１０記載のケーシング。
【請求項１４】
前記ケーシング基体はビーム成形型の光学素子を包含する、請求項１０から１３までの少なくとも１項記載のケーシング。
【請求項１５】
前記ケーシング基体は前記切欠部から離れた位置にある外部層と前記切欠部を包囲する内部層とを有し、前記外部層と前記内部層との間には前記ルミネセンス変換材料（５）を含有する変換層が設けられている、請求項１０から１４までの少なくとも１項記載のケーシング。
【請求項１６】
前記外部層および前記内部層はルミネセンス変換材料（５）を有していない、請求項１５記載のケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプトエレクトロニクス素子およびオプトエレクトロニクス素子用のケーシングに関する。
【０００２】
リードフレーム技術における表面実装可能な（ＳＭＤ）発光ダイオード素子（ＬＥＤ）は、リードフレームにトランスファ成形または射出成形により事前製造されたプラスチックケーシングボディ内に多用に実装され、その位置において電気的な接続導体と接続され、また有害な外的影響から保護するために透明な注型材料によって封止され、この注型材料を介してＬＥＤの動作時に光が出力結合される。
【０００３】
殊に、半導体チップから放射されるビーム（以下では一次ビームと称する）の少なくとも一部が注型材料内の蛍光物質によってこの一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長を有するビームに変換されるいわゆる波長変換型ＬＥＤにおいては、所定量の蛍光物質を所定の位置に埋め込むことは技術的にしばしば困難である。殊に、名目的に相互に同種の半導体チップの波長分布ならびに輝度分布は困難である。殊に技術的な問題として、チップに注型材料を被着させた後の蛍光物質の偏析がしばしば観察される。上述の問題は従来の波長変換型ＬＥＤの放射特性における不均一性に少なからず関係している可能性があり、また大量生産の効率を低下させるおそれがある。
【０００４】
公知の波長変換型ＬＥＤは例えば刊行物WO 97/50132 A1、WO 98/12757 A1およびWO 01/50540 A1に記載されている。
【０００５】
殊に本発明の課題は、技術的に可能な限り簡単な手段によって大量生産において再現可能な放射特性を達成できるオプトエレクトロニクス素子を提供することである。
【０００６】
この課題は請求項１記載の特徴を備えたオプトエレクトロニクス素子により解決される。その種のオプトエレクトロニクス素子用のケーシングは請求項８に記載されている。
【０００７】
オプトエレクトロニクス素子の有利な実施形態および発展形態は従属請求項２から７に記載されており、ケーシングの有利な実施形態および発展形態は従属請求項９から１３に記載されている。
【０００８】
本発明によるオプトエレクトロニクス素子においては、半導体チップおよびルミネセンス変換材料が設けられており、この半導体チップないしルミネセンス変換材料は電磁的な一次ビームを放射すること、ないしはこの一次ビームの少なくとも一部を吸収し、一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長を有する二次ビームを放射することに適している。
【０００９】
さらにはケーシング基体が設けられており、このケーシング基体は半導体チップを収容するための切欠部およびこの半導体チップを電気的に外部に接続するための電気的な接続導体を有し、これらの接続導体はそれぞれ一方では半導体チップの電気的なコンタクトと導電的に接続されており、またそれぞれ他方では外部から接触可能な接続面を有する。
【００１０】
半導体チップは切欠部内に実装されており、また半導体チップを有害な周囲の影響から保護すべきチップ封止構成要素によって包囲されている。半導体チップは例えば有利にはシリコーン樹脂材料によって切欠部内に実装されている。チップ封止構成要素を例えば有利にはシリコーン樹脂材料を包含することができる。しかしながら同様に、例えば機械的な影響に対する改善された保護を達成するためにチップ封止構成要素がエポキシ樹脂および／またはＰＭＭＡをベースとする材料を包含することも考えられる。さらにはチップ封止素子が、例えばエポキシ樹脂５０％、シリコーン樹脂５０％のエポキシ樹脂−シリコーン樹脂ハイブリッド材料をベースとする材料を包含することができる。
【００１１】
ケーシング基体は少なくとも一次ビームの一部に対して光学的に透過性であり、また半導体チップの光学軸はケーシング基体を通って延在しており、その結果半導体チップから放射される一次ビームの大部分はケーシング基体へと入射する。本明細書において光学軸とは半導体チップから放射されたビーム円錐の中心軸である。「光学的に透過性」の概念は広義において、分散媒を用いる透明、半透明、透過性、また他の種の光学的な透過性を含む。
【００１２】
ルミネセンス変換材料はケーシング基体に埋め込まれており、また一次ビームの少なくとも一部をこの一次ビームとは少なくとも部分的に異なる波長を有する二次ビームに変換することに適している。適切なルミネセンス変換材料に関する例は刊行物WO 97/50132 A1, WO 98/12757 A1およびWO 01/08452 A1に記載されており、その限りにおいてその開示内容は明示的な参照により本発明に含まれる。
【００１３】
素子の動作時にケーシング基体からは電磁ビームが放出され、この電磁ビームはケーシング基体を通過して現れた一次ビームとルミネセンス変換材料から放射された二次ビームとを包含する。
【００１４】
ケーシング基体の有利な実施形態においては、このケーシング基体がトランスファ成形法または射出成型法により事前製造されたプラスチック成形体を包含する。
【００１５】
別の有利な実施形態においては、ケーシング基体がガラスおよび／またはビーム透過性のセラミックからなる事前製造されたプラスチック成形体を包含する。
【００１６】
有利には、ケーシング基体がビーム成形型の光学素子を包含する、および／または、ケーシング基体自体がビーム成形型の光学素子として構成されている。
【００１７】
素子の有利な実施形態においては、ケーシング基体が切欠部から離れた位置にある外部層と切欠部を包囲する内部層とを有し、これらの層の間にルミネセンス変換材料を含有する変換層が設けられている。
【００１８】
変換層の厚さおよび／または形状を有利には半導体チップの立体角を上回る不均一な放射特性に応じて構成することができる。
【００１９】
本発明による構造形状は、一次ビームが紫外線ビームおよび／または短波の青色ビームを包含する素子に殊に適している。
【００２０】
素子の有利な実施形態においては、ケーシング基体が金属性の電気的な導体フレームの電気的な接続線路に成形されており、この接続線路は半導体チップの電気的なコンタクト面と例えばボンディングワイヤを用いて接続されている。
【００２１】
本発明による素子およびケーシングにおいては光出力結合のために事前製造されたケーシング基体が使用され、従来のように事前に製造されたケーシング基体の明らかにモールド成形された切欠部は使用されない。このために事前製造されるケーシング基体は光学的に透過性な材料から製造されている。この材料に殊にルミネセンス変換材料を所定量および所定の形状で埋め込むことができる。
【００２２】
この種の構造形状でケーシング基体へとビームを放射する半導体チップはケーシング基体の切欠部に嵌め込まれ、そこにおいて固定される。ケーシング基体側に電気的なコンタクトを有する半導体チップにおいては、この固定が有利には例えば透明で導電性の接着剤を用いて行われる。ケーシング基体側とは反対側において２つのコンタクトを有する半導体チップ（例えば透明な基板、例えばサファイア基板を有する窒化物ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体材料をベースとした半導体チップ）においては、半導体チップの固定を例えばシリコーン樹脂材料を用いて行うことができる。
【００２３】
シリコーン樹脂材料の利点は殊にＵＶビームおよび／または短波の青色ビームに対する安定性にある。切欠部においては半導体チップがその裏面から材料によって包囲されており、この材料を有害な周囲の影響に対する耐性に関して最適化することができ、またその光学的な特性は重要ではない。
【００２４】
素子の特別な利点は、ケーシング基体がルミネセンス変換材料も含めて、技術的に比較的簡単なやり方でそれぞれの所定のチップ特性に適合させることができるということである。半導体チップが取付けられる前に、ルミネセンス変換材料を所定の形、量および厚さでケーシング基体に予め組み込むことも可能である。半導体チップが取付けられた後には、将来の素子の光学的な特性は既に確定しているので、半導体チップを電気的に電気的な接続導体と接続するだけで良い。
【００２５】
実際の大量生産において使用される実装技術を用いた半導体チップの設置精度は組立速度に依存して４０〜７０μｍから５μｍのオーダである。事前製造されたケーシング基体の事前製造された光学系と関連するこの設置精度は有利には非常に精確に規定されたＬＥＤ素子の放射特性を実現する。
【００２６】
別の重要な利点は、本発明によるケーシングコンセプトがビームに対して耐性のある材料、例えばガラスを短波、すなわち紫外線ビームおよび／または短波の青色ビームを放射する半導体チップと組み合わせることができるという点にある。
【００２７】
本発明のさらなる利点、有利な実施形態および発展形態は図１から４に関連させて以下において説明する実施例から明らかになる。
【００２８】
ここで、
図１は、第１の実施例の概略的な断面図を示し、
図２は、第２の実施例の概略的な断面図を示し、
図３は、第３の実施例の概略的な断面図を示し、
図４は、第４の実施例の概略的な断面図を示す。
【００２９】
実施例および添付の図面において、同一の構成要素または同じ働きをもつ構成要素にはそれぞれ同じ参照番号が付されている。図面に図示されている構成要素、殊に層厚は縮尺通りに示していない。より良い理解のためにむしろ部分的に強調して大きく描かれている。
【００３０】
図１による実施例においてドーム状に成形されているケーシング基体３は、このケーシング基体３のドーム状に湾曲した表面ではない面において切欠部３１を有している。ケーシング基体３内にはルミネセンス変換材料５が変換層５１の形で埋め込まれており、この変換層５１はドーム状に湾曲した表面に並行に延在している。すなわち、変換層５１は例えばドーム状に湾曲した表面と等しい曲率、または実質的に等しい曲率を有する。ケーシング基体３はそのドーム状の形状に基づきビーム集束型の出力結合光学系として機能する。
【００３１】
ケーシング基体３は例えばトランスファ成形または射出成形により事前製造された成形体あり、透明なプラスチック材料、ガラスまたは透明なセラミック材料から構成されている。
【００３２】
ケーシング基体３は切欠部３１から離れた位置にある外部層および切欠部を包囲する内部層を有し、これらの層の間にルミネセンス変換材料５を有する変換層５１が設けられている。少なくとも１つの実施例によれば、内部層および外部層はルミネセンス変換材料を有していない。
【００３３】
適切なルミネセンス変換材料に関する例は刊行物WO 97/50132 A1, WO 98/12757 A1およびWO 01/08452 A1に記載されており、したがってここでは詳細に説明しない。
【００３４】
切欠部３１はビーム放射型の半導体チップ１よりも僅かに大きく寸法設計されている。例えば切欠部３１はビーム放射型の半導体チップ１よりも最大で１０％大きく寸法設計されている。有利には切欠部３１はビーム放射型の半導体チップ１よりも最大で７％大きく寸法設計されている。殊に有利には切欠部３１はビーム放射型の半導体チップ１よりも最大で２．５％大きく寸法設計されている。例えばビーム放射型の半導体チップ１は窒化物ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体材料をベースとしており、また動作時には殊に紫外線ビームおよび短波の青色のビームを放射する。例えば、ビーム放射型の半導体チップ１においてｐ側の電気的な接続面およびｎ側の電気的な接続面はこの半導体チップ１のケーシング基体３側ではない裏面に配置されている。この種の半導体チップ１は当業者に周知であり、したがってここではこれ以上詳細に説明しない。その種の半導体チップは例えば刊行物EP 599224 A1およびEP 622 858 A2に記載されており、その限りにおいてこの刊行物の開示内容は参照により本願に含まれる。
【００３５】
半導体チップ１は透明なシリコーン樹脂から成る接続層７を用いて、半導体チップ１からのビームが先ずケーシング基体３内へと放射されるように切欠部３１に固定されている。半導体チップ１の光学軸１３はケーシング基体３を通って延びている。
【００３６】
ケーシング基体３の裏面にはこのケーシング基体３の外側から切欠部３１に向って電気的な接続導体３２，３３が延びており、これらの接続導体と半導体チップ１の電気的なコンタクト１１，１２は導電的に接続されている。この接続を例えば図１に示されているように半導体材料から成る支台プレート８を用いて行うことができ、この支台プレート８は半導体チップ１のｐ型コンタクト面と、このｐ型コンタクト面に対応付けられた接続導体３２との間においてｐ導電型のドープ領域８１を有し、また半導体チップ１のｎ型コンタクト面と、このｎ型コンタクト面に対応付けられた接続導体３３との間のｎ導電型のドープ領域８２を有する。半導体チップ１のコンタクト面と所属のドープ領域８１，８２、支台プレート８との間における導電性の接続部を例えばＩＴＯ層および／または導電性のＺｎＯ層により形成することができる。他のＴＣＯ（透明酸化物導電体；transparent conductive oxide）材料から成る層も考えられる。
【００３７】
択一的に半導体チップ１のコンタクト面と接続導体３２，３３との間の電気的な接続を例えばボンディングワイヤ（図２を参照されたい）または金属フィルムまたは適切な他の手段を用いて実現することができる。
【００３８】
半導体チップ１の電気的な接続のための電気的な接続導体３２，３３は自己支持型の金属ストリップであり、この金属ストリップはそれぞれ一方では半導体チップ１の電気的なコンタクト１１，１２と導電的に接続されており、またそれぞれ他方では外部から接触可能な接続面３４，３５を有する。これらの接続面はケーシング基体の外部において、例えばロッカアーム状に素子が表面実装可能であるように成形されている。
【００３９】
ｎ側の電気的な接続面およびｐ側の電気的な接続面が半導体チップ１の相互に対向する主面に設けられている半導体チップ１を使用する場合には、例えば切欠部内に電気的な接続路、例えば金属性の導体路が配置され、ケーシング基体３側の接続面が接続導体３２，３３の内の一方と接続される。
【００４０】
ケーシング基体３の裏面には半導体チップ１を支台プレート８も含め封入するプラスチック材料４が設けられており、このプラスチック材料４は例えばエポキシ樹脂またはＰＭＭＡをベースとし、ビーム吸収性および／または反射性に構成することができる。
【００４１】
図３による実施例は殊に、ルミネセンス変換材料５がケーシング基体３には埋め込まれておらず、切欠部３１における半導体チップ１とケーシング基体３の成形体との間の変換層５１に包含されている点において前述の実施例とは異なる。この変換層は例えばシリコーン樹脂ベースのマトリクスを有することができ、このマトリクス内にルミネセンス変換材料５が埋め込まれている。しかしながら同様に、ガラスベースまたはビーム透過性のセラミックのマトリクスを使用することもできる。
【００４２】
択一的に、図４に示されているように、切欠部３１の内面にルミネセンス変換材料５をコーティングすることもできる。この場合、半導体チップ１とルミネセンス変換材料５との間に残存する中間空間は有利には透明な充填材料、例えばシリコーン樹脂でもって充填されている。
【００４３】
全ての実施例において技術的に比較的簡単なやり方で、変換層５１の厚さおよび／または形状を半導体チップ１の立体角を上回る不均一な放射特性に応じて構成することができる。
【００４４】
勿論、本発明は明示的に説明した実施例に限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新しい特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に種々の請求項において当業者に開示した特徴のあらゆる組み合わせ各々が含まれ、このことはそのような組み合わせが特許請求の範囲に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。
【００４５】
本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第102004047640.3-33号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施例の概略的な断面図。
【図２】第２の実施例の概略的な断面図。
【図３】第３の実施例の概略的な断面図。
【図４】第４の実施例の概略的な断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2008515211.tif 000007
2008515211.tif 000008
2008515211.tif 000009
2008515211.tif 000010
2008515211.tif 000011
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