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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Subträgers, der insbesondere für ein optoelektronisches Bauelemente vorgesehen ist und eine ausreichende Ableitung der im Betrieb des Bauelements erzeugten Wärme ermöglicht.
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Hocheffiziente und langlebige LED-Module verdrängen immer mehr die bisher üblichen Lampen, die z. B. in der Beleuchtungstechnik und bei Scheinwerfern verwendet werden. Hierbei werden nicht selten optische Leistungen in der Größenordnung von 1 W bis 10 W benötigt. Aufgrund der Tatsache, dass LED (lichtemittierende Dioden) im oberen Leistungsspektrum sehr temperaturempfindlich sind, ist beim Entwurf eines LED-Gehäuses eine ausreichende Ableitung der entstehenden Wärme zu berücksichtigen. Bei Bauelementen, die sehr kompakte, insbesondere flache Gehäuseformen ermöglichen, tritt das Problem einer schlechten thermischen Kopplung des Bauelements an die zur Wärmeableitung vorgesehenen Komponenten auf. Bei Hochleistungs-LEDs werden auch Wärmesenken aus AlN und Metallkernplatinen zum Ableiten der Verlustwärme eingesetzt. Diese Gehäuseformen sind häufig zu groß und zu schwer.
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Anordnungen optoelektronischer Bauelemente aufweisend einen Subträger sind beispielsweise aus den Druckschriften
EP 1 503 433 A2 ,
US 6 114 715 A ,
US 2006/0 249 745 A1 ,
EP 1 521 313 A2 ,
DE 103 17 328 A1 und
JP 09-055 535 A bekannt. Die Druckschriften
EP 1503433 A2 ,
US 6 114 715 A1 und
EP 1 521 313 A2 beschreiben jeweils beispielsweise einen Subträger, der Bereiche aus Silizium mit dazwischen angeordneten Bereichen aus Glas aufweist. In der Druckschrift
US 2006/0249745 A1 ist beispielsweise ein Träger beschrieben, der eine Ausnehmung aufweist, die zumindest teilweise mit einem Metall zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Trägers gefüllt ist. Die Druckschrift
DE 103 17 328 A1 betrifft ein Substrat, das Metallblasen und eine Wärme isolierende Schicht aufweist, die zwischen den Metallblasen angeordnet ist. Die Druckschrift
JP 09-055 535 A beschreibt eine Anordnung von lichtemittierenden Dioden, die auf elektrisch leitfähigen Teilen eines Trägersubstrats angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung zur Montage eines Bauelementes hoher Leistung anzugeben, mit der eine ausreichende Ableitung der im Betrieb des Bauelementes entstehenden Wärme ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines Subträgers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Der herzustellende Subträger umfasst zwei Leiterblöcke aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial, zwischen denen ein Isolatorblock angeordnet ist, der mit den Leiterblöcken dauerhaft verbunden ist. Eine Metallisierung der Leiterblöcke kann vorgesehen sein und ist in diesem Fall für jeden Leiterblock getrennt jeweils auf zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten der Leiterblöcke aufgebracht. Der Isolatorblock kann ein Glas sein.
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Zur Herstellung des Subträgers werden an einer Oberseite eines Wafers aus elektrisch leitfähig dotiertem Halbleitermaterial Gräben geätzt. Das für den Isolatorblock vorgesehene Material wird in die Gräben eingeschmolzen. Der Wafer wird beidseitig soweit gedünnt, dass die Isolatorblöcke und die Leiterblöcke beidseitig freie Oberseiten aufweisen und man eine Abfolge von abwechselnd angeordneten Leiterblöcken und Isolatorblöcken erhält. In der Abfolge von Leiterblöcken und Isolatorblöcken wird jeder zweite Isolatorblock entfernt, sodass Elemente gebildet werden, die jeweils zwei von einem Isolatorblock voneinander getrennte Leiterblöcke umfassen. Es kann dann noch beidseitig eine Metallisierung aufgebracht werden. Die Metallisierung wird auf die Oberflächen der Leiterblöcke beschränkt, sodass die Leiterblöcke beidseitig mit elektrischen Anschlusspads versehen werden. Die Anordnung aus Leiterblöcken und Isolatorblöcken wird in einzelne Substräger zerlegt.
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Auf einer Seite der Anordnung aus Leiterblöcken und Isolatorblöcken können Halbleiterwafer mit darauf hergestellten Bauelementstrukturen montiert werden, wobei die Anschlusskontakte der Bauelementstrukturen mit den zugehörigen Anschlusskontaktpads der jeweiligen Subträger elektrisch leitend verbunden werden. Die so erhaltene Anordnung kann anschließend z. B. durch Sägen in einzelne Bauelemente zerlegt werden. Die Bauelemente, die insbesondere optoelektronische Bauelemente sein können, werden auf diese Weise mit einem relativ dicken Subträger versehen. Die Leiterblöcke stellen eine elektrisch leitende Verbindung der Anschlüsse der Bauelementstrukturen mit den Anschlusskontaktflächen, die auf der gegenüberliegenden Oberseite des Subträgers vorhanden sind, her und ermöglichen dabei aufgrund ihres im Vergleich zu herkömmlichen Trägern größeren Volumens eine gute Ableitung der beim Betrieb des Bauelements entstehenden Wärme.
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Es folgt eine genauere Beschreibung verschiedener Beispiele des herzustellenden Subträgers, zugehöriger Herstellungsverfahren und Anordnungen eines optoelektronischen Bauelements auf einem solchen herzustellenden Subträger anhand der beigefügten 1 bis 8.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Aufsicht auf ein Zwischenprodukt eines Herstellungsverfahrens des Subträgers.
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Die 2 zeigt eine Aufsicht gemäß 1 nach dem Dünnen des Wafers.
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Die 3 zeigt das Zwischenprodukt gemäß 2 nach dem Aufbringen einer beidseitigen Metallisierung.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung aus einem Subträger gemäß 3 und einem Bauelement-Wafer.
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Die 5 zeigt einen Querschnitt gemäß 4 für ein alternatives Ausführungsbeispiel.
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Die 6 zeigt eine perspektivische Aufsicht auf ein Zwischenprodukt eines weiteren Herstellungsverfahrens.
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Die 7 zeigt eine Aufsicht gemäß 6 nach dem Aufbringen einer Metallisierung.
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Die 8 zeigt eine Anordnung von optoelektronischen Bauelementen auf einem Subträger gemäß 7.
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Die 1 zeigt einen Wafer 1 aus einem Halbleitermaterial, das für elektrische Leitung ausreichend hoch dotiert ist. Es genügt hierbei, wenn diejenigen Anteile des Wafers 1, die in nachfolgenden Verfahrensschritten nicht entfernt werden, ausreichend hoch dotiert sind. Der Wafer 1 kann insbesondere Silizium sein. An einer Oberseite des Wafers 1 werden Gräben 2 geätzt. Das kann mit einem der für das Halbleitermaterial üblicherweise verwendeten nasschemischen Ätzmittel oder auch durch RIE (reactive ion etching) erfolgen. Es ist hier ein beliebiges der für die Herstellung von Gräben bekannten Verfahren, einschließlich der üblichen Maskierungstechnik, geeignet. Die Gräben können vorzugsweise in der in 1 dargestellten parallelen Ausrichtung hergestellt werden. Es ist aber auch eine andere Anordnung der Gräben möglich.
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Die Gräben 2 werden dann mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, aus dem die vorgesehenen Isolatorblöcke hergestellt werden. Zu diesem Zweck muss das Material so beschaffen sein, dass es in die Gräben 2 eingebracht werden kann und nach der Fertigstellung des Subträgers eine ausreichende Festigkeit aufweist, damit der Subträger mechanisch ausreichend stabil ist. Ein hierfür geeignetes Material ist z. B. ein Glas wie z. B. Borofloatglas, das bei typischen Temperaturen von etwa 850°C bis 1000°C in die Gräben eingeschmolzen werden kann. Nach dem Abkühlen erstarrt das Glas und bildet mechanisch stabile Isolatorblöcke in den Gräben.
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Die 2 zeigt eine Ansicht entsprechend der 1, nachdem der Wafer mit den gefüllten Gräben zumindest von der den Gräben gegenüberliegenden Rückseite her gedünnt worden ist, z. B. durch Schleifen. Der Wafer kann sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite her gedünnt werden. Dadurch wird gegebenenfalls überschüssiges Füllmaterial, das die Gräben überragt, von der Vorderseite des Wafers entfernt. Mit diesem Verfahrensschritt erhält man die in der 2 dargestellte abwechselnde Aufeinanderfolge von Leiterblöcken 3 aus dem elektrisch leitfähig dotierten Halbleitermaterial und Isolatorblöcken 4 aus dem elektrisch isolierenden Material. Diese Anordnung wird für die Subträger verwendet. Die gemäß 1 hergestellten Gräben können typisch z. B. etwa 200 μm breit hergestellt werden und eine Tiefe von typisch 150 μm bis 200 μm aufweisen. Mit dem Dünnen des Wafers können so Subträger einer typischen Dicke von weniger als 150 μm hergestellt werden.
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Für den elektrischen Anschluss können Anschlusskontaktflächen ausgebildet werden, indem die Leiterblöcke 3 mit einer geeigneten Metallisierung versehen werden. Die 3 zeigt ein weiteres Zwischenprodukt in einer Ansicht gemäß 2 nach dem Aufbringen einer Metallisierung 5. Diese Metallisierung kann z. B. eine Beschichtung aus Titan/Platin/Gold sein. Das Metall kann zunächst ganzflächig aufgebracht und in an sich bekannter Weise mittels einer Fotolithographietechnik im Bereich der Isolatorblöcke 4 entfernt werden. Statt dessen kann die Metallisierung 5 selektiv nur auf die Leiterblöcke 3 aufgebracht werden. Mit der Metallisierung wird eine elektrisch leitende Verbindung von oberseitigen Kontaktflächen der einzelnen Anteile der Metallisierung 5 durch die Leiterblöcke 3 hindurch bis zu einer entsprechenden Anschlusskontaktfläche auf der gegenüberliegenden Oberseite gebildet. Die in der 3 dargestellte Anordnung ist für eine Mehrzahl von Bauelementen vorgesehen.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung eines Bauelement-Wafers 6 auf einer Vorrichtung gemäß der 3. Diese Anordnung bietet besondere Vorteile bei der Herstellung, da die Verbindung des Bauelement-Wafers 6 mit dem Subträger erfolgt, während die Bauelemente noch im Verbund des Wafers vorhanden sind. Daher brauchen die Bauelemente nicht einzeln auf einem jeweiligen Subträger montiert zu werden. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel sind die Anschlusspads 7 für den elektrischen Anschluss der Bauelemente nach außen alle auf derselben Oberseite des Bauelement-Wafers 6 aufgebracht. Bei dieser Oberseite kann es sich z. B. um die Rückseite des Bauelement-Wafers handeln, wenn die Bauelementstrukturen an der Vorderseite des Bauelement-Wafers hergestellt worden sind.
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In der 4 ist eine einfache Struktur optoelektronischer Bauelemente in dem Bauelement-Wafer 6 als Beispiel dargestellt. Hierbei ist eine für Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht 9 zwischen elektrisch leitfähigen Mantelschichten 10 angeordnet. Die in der 4 untere Mantelschicht ist direkt mit einem Anschlusspad 7 verbunden. Für die Verbindung der oberen Mantelschicht mit einem weiteren Anschlusspad 7 auf der Rückseite ist eine Durchkontaktierung 11 aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen, das mit einem Dielektrikum 12 von der aktiven Schicht und der unteren Mantelschicht isoliert ist. Auf der Vorderseite ist noch eine Deckschicht 13, z. B. eine isolierende Passivierung, dargestellt.
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Die Verbindungen zwischen den Anschlusspads 7 und der Metallisierung 5 können mit einer herkömmlichen Waferbondtechnik hergestellt werden, die z. B. von Gehäuseformen des CSP (chip size package) bekannt ist. Eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung mittels der Kontakte 8 wird z. B. mit einem geeigneten Lotmaterial hergestellt. Derartige Verfahren sind bekannt und in ihren spezifischen Verfahrensschritten nicht erfindungswesentlich. Bei der Montage können insbesondere auch Hilfsträger verwendet werden, die anschließend entfernt werden. Nachdem die Wafer miteinander verbunden sind, können die Bauelemente 14 vereinzelt werden, indem die Anordnung an den in der 4 durch die senkrechten gestrichelten Linien markierten Stellen aufgetrennt wird, z. B. durch Sägen oder Einsatz von Laserstrahlung. Zuvor kann der Bauelement-Wafer gegebenenfalls noch gedünnt werden. Wenn der Bauelement-Wafer 6 eine Dicke von weniger als 50 μm aufweist und der Subträger eine Dicke von weniger als 150 μm, lassen sich folglich mit der in 4 dargestellten Anordnung im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen extrem flache Aufbauten realisieren.
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Die elektrischen Anschlüsse für externen Anschluss sind dann durch die Anschlusskontaktflächen 15 der Metallisierung auf der der Bauelementstruktur gegenüberliegenden Oberseite des Subträgers gebildet. Das Bauelement kann somit durch die Leiterblöcke 3 hindurch und über die Anschlusskontaktflächen 15 nach außen elektrisch angeschlossen werden, wobei mit dem relativ dicken Leiterblock 3 eine effektive Ableitung der Verlustwärme bewirkt wird.
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Die 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Bauelemente 16 auf zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten jeweils ein Anschlusspad 17 aufweisen, Eines der Anschlusspads 17 ist auf der Metallisierung 5 des Subträgers aufgebracht und bildet dort einen Kontakt 18. Die dargestellte vereinfachte Struktur eines optoelektronischen Bauelements umfasst eine aktive Schicht 19 zwischen Mantelschichten 20. Für den elektrischen Anschluss des oberen Anschlusspads 17 sind hier ein weiteres Anschlusspad 21 auf der Metallisierung 5 des Subträgers und ein Bonddraht 22 vorgesehen, der das obere Anschlusspad 17 des Bauelements 16 mit dem weiteren Anschlusspad 21 verbindet. Das weitere Anschlusspad 21 kann gegebenenfalls auch weggelassen werden, wenn der Banddraht 22 direkt auf der Metallisierung des Subträgers aufgebracht wird. Es kann bei dieser Ausführungsform für jedes Bauelement 16 eine Vergussmasse 23 aufgebracht werden, mit der die Anordnung einschließlich des Bonddrahtes 22 abgedeckt wird. Die Vergussmasse 23 kann aber auch weggelassen werden.
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Das montierte Bauelement 24 wird aus dem Verbund der Subträger vereinzelt, indem die Isolatorblöcke an den in der 5 mit den senkrechten gestrichelten Linien markierten Stellen durchgetrennt oder auch ganz entfernt werden. Für den externen elektrischen Anschluss stehen auch bei diesem Ausführungsbeispiel die rückseitigen Anschlusskontaktflächen 25 zur Verfügung, die z. B. mittels eines Lotmateriales oder eines elektrisch leitenden Klebstoffes mit Anschlusskontaktflächen einer produktspezifischen Platine kontaktiert werden können.
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Das elektrisch isolierende Material, das für die Isolatorblöcke 4 vorgesehen wird, kann an die jeweilige Anwendung des Subträgers angepasst werden, insbesondere im Hinblick auf die Ausdehnungseigenschaften bei Temperaturänderung. Durch geeignete Wahl des Materials kann ein anwendungsspezifischer Wärmeausdehnungskoeffizient des Subträgers vorgesehen werden. Hierbei können auch die relativen Abmessungen der Leiterblöcke 3 und der Isolatorblöcke 4 berücksichtigt werden.
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Die 6 zeigt einen streifenförmigen Subträger, der zwei Leiterblöcke 33 und einen Isolatorblock 34, der die Leiterblöcke miteinander verbindet, umfasst. Bei diesem Subträger besitzen die Leiterblöcke 33 auf der von dem Isolatorblock 34 abgewandten Seite jeweils einen seitlichen Rand 36. Der Subträger kann aus einem Zwischenprodukt gemäß der 2 hergestellt werden, indem in der Abfolge von Leiterblöcken und Isolatorblöcken jeder zweite Isolatorblock entfernt wird.
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Die 7 zeigt den Subträger gemäß 6 nach dem Aufbringen einer Metallisierung 35. Jeder der beiden getrennten Anteile der Metallisierung 35 bedeckt bei diesem Ausführungsbeispiel auch einen Rand 36, so dass die einander zugehörigen Anteile der Metallisierung, die auf den einander gegenüberliegenden Oberseiten des Subträgers vorhanden sind und über den elektrisch leitend dotierten Leiterblock miteinander verbunden sind, auch über die randseitige Metallisierung miteinander verbunden sind. Die Metallisierung 35 kann z. B. durch eine galvanische Beschichtung des Zwischenproduktes gemäß 6 hergestellt werden.
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Bei dem in der 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl einzelner Bauelemente – in dem dargestellen Ausführungsbeispiel sind das wieder optoelektronische Bauelemente – auf einer Vorrichtung gemäß 7 montiert. Die Bauelemente 26 besitzen bei diesem Ausführungsbeispiel Anschlusspads 27 auf derselben Oberfläche. Die Bauelemente 26 werden so auf den Subträger aufgesetzt, dass die Anschlusspads 27 jeweils mit der Metallisierung 35 Kontakte 28 bilden. Die Anschlusspads 27 sind auf diese Weise mit elektrisch voneinander getrennten Anteilen der Metallisierung 35 verbunden. Die Bauelemente 26 sind hier als Beispiel entsprechend den Bauelementen der 4 dargestellt und besitzen eine aktive Schicht 29 zwischen Mantelschichten 30 sowie eine Durchkontaktierung 31, die mittels eines Dielektrikums 32 von der aktiven Schicht 29 und einer der Mantelschichten 30 getrennt ist. Diese Struktur des Bauelements ist hier jedoch nur als Beispiel angegeben und für die Erfindung nicht wesentlich. Auch auf dem streifenförmigen Subträger gemäß 7 können zum Beispiel Bauelemente nach Art der in der 5 dargestellten Bauelemente angeordnet und mittels eines Bonddrahts angeschlossen werden.
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Der beschriebene Subträger und die Anordnung eines Bauelements auf dem Subträger ermöglichen eine gute Wärmeableitung. Die Anordnung ermöglicht zudem eine gute Ankopplung passiver optischer Bauelemente, insbesondere planarer Optiken, an die auf dem Subträger montierten optoelektronischen Bauelemente. Ein elektrisches Interface für Ströme von 0,1 A bis über 10 A sowie eine impedanzangepasste Zuführung niederfrequenter Treiberströme lassen sich bei dieser Bauform einfach realisieren. Die Anordnung ist bei sehr kleiner Baugröße und geringer Masse robust, bequem zu handhaben und einfach zu verarbeiten. Eine sichere thermische Ankopplung des auf dem Subträger montierten Bauelements an produktspezifische Komponenten und eine sehr kostengünstige Herstellung sind weitere Vorteile.