DE102011056813A1

DE102011056813A1 - Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode

Info

Publication number: DE102011056813A1
Application number: DE102011056813A
Authority: DE
Inventors: Ion Stoll; Hailing Cui; Kirstin Petersen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013092894A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode mit den folgenden Schritten angegeben: – Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips (1), – Bereitstellen eines Umhüllungsmaterials (2) für den Leuchtdiodenchip (1), – Bereitstellen von elektrisch geladenen Teilchen (31) eines ersten Leuchtstoffs, – Einbringen der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs in das Umhüllungsmaterial (2), – Umhüllen des Leuchtdiodenchips (1) mit dem Umhüllungsmaterial (2), – Aufbringen zumindest eines Teils der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs auf zumindest einen Teil einer Außenfläche (1a) des Leuchtdiodenchips (1) durch Sedimentation der Teilchen (31) im Umhüllungsmaterial (2), wobei – die Sedimentation unter Einfluss einer elektrischen Kraft (4) auf die elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs erfolgt.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode anzugeben, das besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Leuchtdiodenchip bereitgestellt. Bei dem Leuchtdiodenchip handelt es sich insbesondere um einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht emittiert. Der Leuchtdiodenchip kann zum Beispiel auf einem III–V-Verbindungs-Halbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial, basieren. Der Leuchtdiodenchip ist im Betrieb beispielsweise zur Erzeugung von UV-Strahlung und/oder blauem Licht geeignet.
Ein III–V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III–V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
"Auf Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone und/oder ein Aufwachssubstratwafer, ein Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Der Leuchtdiodenchip umfasst eine Außenfläche, die ihn nach außen begrenzt. Im Betrieb des Leuchtdiodenchips tritt zumindest ein Teil der im Leuchtdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen Teil der Außenfläche aus.
Der Leuchtdiodenchip kann beim Bereitstellen auf einem Anschlussträger wie etwa einer Leiterplatte oder einem Leiterrahmen (englisch auch Leadframe) angeordnet werden. Beispielsweise wird der Leuchtdiodenchip mechanisch und elektrisch leitend mit dem Anschlussträger verbunden. Ferner ist es möglich, dass nicht nur ein einzelner Leuchtdiodenchip, sondern zwei oder mehr Leuchtdiodenchips bereitgestellt werden. Die Leuchtdiodenchips sind dann insbesondere gleichartig aufgebaut, das heißt im Rahmen der Herstellungstoleranz emittieren sie im Betrieb elektromagnetische Strahlung im gleichen Wellenlängenbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Umhüllungsmaterial für den Leuchtdiodenchip bereitgestellt. Bei dem Umhüllungsmaterial handelt es sich insbesondere um ein Kunststoffmaterial, das für vom Leuchtdiodenchip im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Umhüllungsmaterial um ein Silikon oder um ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial handeln. Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Umhüllungsmaterial um ein glashaltiges Material handelt, beispielsweise handelt es sich bei dem Umhüllungsmaterial dann um ein Sol-Gel-Material. Das Umhüllungsmaterial wird in einer flüssigen oder zähflüssigen Form bereitgestellt. Das Umhüllungsmaterial kann insbesondere elektrisch isolierend sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden elektrisch geladene Teilchen eines ersten Leuchtstoffes bereitgestellt.
Bei dem Leuchtstoff kann es sich beispielsweise um einen keramischen Leuchtstoff wie einen der folgenden Leuchtstoffe handeln: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Sialone.
Besonders geeignete Leuchtstoffe sind Granate, Aluminate, Nitride und Mischungen von zumindest zwei dieser Leuchtstoffe. Beispielsweise können Partikel der folgenden Leuchtstoffe zum Einsatz kommen: (Y,Lu)₃(Al,Ga)₈O₁₂:Ce³⁺, CaAlSiN₃:Eu²⁺, (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺.
Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Leuchtstoff um einen so genannten Nano-Leuchtstoff handelt, bei dem Partikel des Leuchtstoffs Durchmesser zwischen beispielsweise wenigstens 1 nm und höchstens 100 nm aufweisen können. Nano-Leuchtstoffe sind zum Beispiel in der Druckschrift US 2009/0173957 beschrieben, die hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ferner ist es möglich, dass der Leuchtstoff mit Quantenpunkten gebildet ist. Geeignete Materialien sind hier beispielsweise PbS oder CdS. Insbesondere können die Quantenpunkte auf III–V- oder II–VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien basieren. Ein II–VI-Verbindungs-Halbleitermaterial weist insbesondere wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O, S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein II–VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
Der Leuchtstoff ist insbesondere zur so genannten Abwärtskonversion geeignet. Das heißt, Primärstrahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich wird vom Leuchtstoff absorbiert und Sekundärstrahlung aus einem zweiten Wellenlängenbereich wird vom Leuchtstoff emittiert, wobei der zweite Wellenlängenbereich Wellenlängen umfasst, die größer sind als der erste Wellenlängenbereich.
Die Teilchen des ersten Leuchtstoffs sind elektrisch geladen. Das heißt, die Teilchen des ersten Leuchtstoffs tragen beispielsweise eine Oberflächenladung, die bei der Herstellung des Leuchtstoffes erzeugt werden kann oder durch Nachbehandlung des Leuchtstoffes erzeugt wird. Beispielsweise kann die Ladung durch Behandlung der Teilchen mit einer Säure erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtdiodenchips in das Umhüllungsmaterial eingebracht. Dazu können die elektrisch geladenen Teilchen des Leuchtstoffs beispielsweise auf das Umhüllungsmaterial aufgestreut werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes mechanisch mit dem Umhüllungsmaterial vermischt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leuchtdiodenchip mit dem Umhüllungsmaterial umhüllt. Beispielsweise kann der Leuchtdiodenchip mit dem Umhüllungsmaterial umgossen oder umspritzt werden. Das Einbringen der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes in das Umhüllungsmaterial kann vor dem Umhüllen oder nach dem Umhüllen des Leuchtdiodenchips mit dem Umhüllungsmaterial erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Teil der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffs auf zumindest einen Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips durch Sedimentation der Teilchen im Umhüllungsmaterial aufgebracht. Das heißt, der Leuchtdiodenchip ist relativ zu zumindest einem Teil der Teilchen des ersten Leuchtstoffes in Gravitationsrichtung nachgeordnet, so dass aufgrund der auf die Teilchen wirkenden Gewichtskraft ein Absinken der Teilchen, also eine Sedimentation der Teilchen, in Richtung zumindest eines Teils der Außenfläche des Leuchtdiodenchips erfolgt. Die Außenfläche des Leuchtdiodenchips ist jene Fläche, die den Leuchtdiodenchip nach außen begrenzt. Im Betrieb des Leuchtdiodenchips tritt zumindest ein Teil der im Leuchtdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen Teil der Außenfläche aus. Zumindest ein Teil der Teilchen des ersten Leuchtstoffes wird auf diesen Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips aufgebracht.
Die Teilchen des ersten Leuchtstoffes sind derart gewählt, dass sie im Betrieb des Leuchtdiodenchips zumindest einen Teil der vom Leuchtdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung absorbieren. Nachfolgend emittieren die Teilchen elektromagnetische Strahlung aus einem anderen Wellenlängenbereich.
Die Sedimentation der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes erfolgt unter Einfluss einer elektrischen Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes. Die Kraft ist vorzugsweise zumindest teilweise in Richtung der Außenfläche des Leuchtdiodenchips gerichtet. Das heißt, die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes sinken im Umhüllungsmaterial in Richtung des Leuchtdiodenchips nicht nur aufgrund ihrer Gewichtskraft, sondern die Sedimentation wird durch den Einfluss einer elektrischen Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes unterstützt. Insgesamt wird die Sedimentation also beispielsweise durch eine elektrostatische Anziehung zwischen den Teilchen des Leuchtstoffes und der Außenfläche des Leuchtdiodenchips beschleunigt. Die Kraft wird dabei insbesondere gezielt eingesetzt. Das heißt, es werden Maßnahmen ergriffen, dass eine, die Sedimentation unterstützende, elektrische Kraft auf die Teilchen des Leuchtstoffs wirkt. Die Kraft wirkt in einer Vorzugsrichtung, zum Beispiel in Richtung der Außenfläche des Leuchtdiodenchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips,
– Bereitstellen eines Umhüllungsmaterials für den Leuchtdiodenchip,
– Bereitstellen von elektrisch geladenen Teilchen eines ersten Leuchtstoffs,
– Einbringen der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffs in das Umhüllungsmaterial,
– Umhüllen des Leuchtdiodenchips mit dem Umhüllungsmaterial,
– Aufbringen zumindest eines Teils der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes auf zumindest einen Teil einer Außenfläche des Leuchtdiodenchips durch Sedimentation der Teilchen im Umhüllungsmaterial, wobei
– die Sedimentation unter Einfluss einer elektrischen Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffs erfolgt.

Der Leuchtdiodenchip wird derart mit dem Umhüllungsmaterial umhüllt, dass die freiliegende Außenfläche des Leuchtdiodenchips, also beispielsweise der Teil der Außenfläche, der nicht vom Anschlussträger bedeckt ist, auf dem der Leuchtdiodenchip aufgebracht ist, stoffschlüssig den Leuchtdiodenchip bedeckt. Das Umhüllungsmaterial befindet sich dann beispielsweise in direktem Kontakt mit der Außenfläche des Leuchtdiodenchips und folgt der Form der Außenfläche des Leuchtdiodenchips nach.
Eine mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellte Leuchtdiode eignet sich beispielsweise zur Erzeugung von weißem Licht. Dazu erzeugt der Leuchtdiodenchip im Betrieb beispielsweise blaues Licht. Zumindest ein Teil dieses blauen Lichts wird mit Hilfe der Teilchen des ersten Leuchtstoffes in Licht anderer Farbe umgewandelt. Die Leuchtdiode emittiert dann im Betrieb Mischlicht, bei dem es sich um weißes Licht handeln kann.
Beim hier beschriebenen Verfahren weisen die Teilchen des Leuchtstoffs vorzugsweise eine Dichte auf, die größer ist als die Dichte des Umhüllungsmaterials. Aufgrund ihrer Gewichtskraft sinken die Teilchen des Leuchtstoffes in Richtung des Leuchtdiodenchips ab. Ohne eine zusätzlich wirkende elektrische Kraft kann es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Teilchen um den Leuchtdiodenchip herum kommen. Beispielsweise können Kanten des Leuchtdiodenchips im Vergleich zu den Durchmessern der Teilchen klein sein. Dies führt dazu, dass die Teilchen beim Absinken ohne den Einfluss einer elektrischen Kraft, die unmittelbar auf eine Kante des Leuchtdiodenchips treffen, an der Kante herabsinken und der Leuchtdiodenchip daher nicht mit einer gleichmäßig dicken Schicht aus Teilchen des Leuchtstoffes bedeckt wird. Dies kann bei der derart hergestellten Leuchtdiode zu einem ungleichmäßigen Farbbild des im Betrieb abgestrahlten Lichts führen. Beispielsweise emittiert die Leuchtdiode dann unter bestimmten Winkeln sichtbar blaues Licht (so genanntes "blue piping"). Dies kann sich als besonders nachteilig herausstellen, bei Leuchtdiodenchips, die einen elektrisch isolierenden Träger wie beispielsweise ein Aufwachssubstrat aus Saphir oder undotiertem Silizium umfassen. Ferner kann es sich bei komplexen Geometrien des Leuchtdiodenchips, wenn der Leuchtdiodenchip beispielsweise Hinterschneidungen aufweist, als nachteilig erweisen, dass durch die Hinterschneidung abgeschirmte Bereiche des Leuchtdiodenchips nicht mit sedimentierten Teilchen des Leuchtstoffes bedeckt werden. Ferner führt ein Absinken der Teilchen ohne Unterstützung einer elektrischen Kraft zu einer langsamen Prozessführung, die wenig wirtschaftlich ist.
Beim hier beschriebenen Verfahren wird die Sedimentation der Teilchen des ersten Leuchtstoffes durch die elektrische Kraft beschleunigt. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Nach dem Abschluss der Sedimentation unter Einfluss einer elektrischen Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes kann ein Aushärten des Umhüllungsmaterials beispielsweise mittels UV-Strahlung und/oder Erwärmen erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips vor dem Umhüllen mit dem Umhüllungsmaterial elektrisch geladen, wobei die Ladung elektrisch ungleichnamig zur Ladung der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes ist. Das heißt, sind die Teilchen beispielsweise negativ geladen, so wird zumindest ein Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips elektrisch positiv aufgeladen. Dazu umfasst die Außenfläche des Leuchtdiodenchips vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material, dass elektrisch aufgeladen werden kann.
Bei dem elektrisch isolierenden Material kann es sich beispielsweise um einen Träger des Leuchtdiodenchips und/oder eine Passivierungsschicht des Leuchtdiodenchips handeln. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise mit Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid gebildet sein. Bei dem Träger handelt es sich vorzugsweise um einen Träger für die Halbleiterschichten des Leuchtdiodenchips. Die Halbleiterschichten können epitaktisch auf den Träger abgeschieden sein. Bei dem Träger handelt es sich dann um ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten des Leuchtdiodenchips. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Aufwachssubstrat von den Halbleiterschichten des Leuchtdiodenchips entfernt ist und der Träger sich vom Aufwachssubstrat des Leuchtdiodenchips unterscheidet. Handelt es sich bei dem Träger um ein Aufwachssubstrat, so kann der Träger beispielsweise mit einem der folgenden Materialien gebildet sein oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Saphir, SiC.
Ein Träger, der vom Aufwachssubstrat verschieden ist, kann beispielsweise mit einem Kunststoffmaterial gebildet sein.
Ferner ist es möglich, dass der Träger, der von einem Aufwachssubstrat verschieden ist, mit einem keramischen Material wie Al₂O₃ oder AlN gebildet ist.
Aufgrund der Tatsache, dass zumindest ein Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips elektrisch geladen ist, zieht dieser Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips die elektrisch ungleichnamig geladenen Teilchen des Leuchtstoffes an. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch kompliziert ausgeformte Außenflächen, die beispielsweise eine Hinterschneidung aufweisen, mit den Teilchen des Leuchtstoffes beschichtet, insbesondere gleichmäßig beschichtet, werden. In diesem Fall ist es sogar möglich, dass sich ein Teil der Teilchen des Leuchtstoffes entgegen ihrer Gewichtskraft in Richtung der elektrisch geladenen Außenfläche des Leuchtdiodenchips bewegt. So können Hinterschneidungen, die in Gravitationsrichtung von einem Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschirmt werden, mit elektrisch geladenen Teilchen des Leuchtstoffes beschichtet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leuchtdiodenchip mit dem Umhüllungsmaterial in einem elektrischen Feld angeordnet, woraus die elektrische Kraft aus der Wechselwirkung der elektrischen Ladung der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes und dem elektrischen Feld resultiert, wobei die elektrische Kraft zumindest für manche der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffs eine Komponente in Richtung des Leuchtdiodenchips aufweist. Mit anderen Worten, erfolgt die Sedimentation der Leuchtstoffe in einem äußeren elektrischen Feld, das beispielsweise durch zwei Kondensatorplatten erzeugt werden kann. Der bereits mit dem Umhüllungsmaterial umhüllte Leuchtdiodenchip wird zum Beispiel zwischen die beiden Kondensatorplatten gesetzt. Das elektrische Feld wird derart gewählt, dass eine elektrische Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen des Leuchtstoffes ausgeübt wird, welche beispielsweise in die gleiche Richtung wie die Gewichtskraft, die auf die Teilchen des Leuchtstoffes wirkt, zeigt. Hierbei ist es zusätzlich möglich, dass zumindest ein Teil der Außenfläche des Leuchtdiodenchips vor dem Umhüllen mit dem Umhüllungsmaterial elektrisch geladen wird, wobei die Ladung elektrisch ungleichnamig zur Ladung der elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes ist. Das heißt, neben der durch das elektrische Feld vermittelten elektrischen Kraft auf die Teilchen des Leuchtstoffes kann eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Teilchen des Leuchtstoffes und der elektrisch geladenen Außenfläche des Leuchtdiodenchips vorhanden sein. Auf diese Weise ist eine besonders schnelle Sedimentation der elektrisch geladenen Teilchen des Leuchtstoffes möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die elektrische Kraft einstellbar. Die Einstellung der elektrischen Kraft kann beispielsweise über die Einstellung der Spannung, die an den Kondensatorplatten, welche das elektrische Feld erzeugen, anliegt, erfolgen. Ferner kann die Kraft durch eine Abänderung des Abstandes der Platten verändert werden. Insgesamt gilt, dass die elektrische Kraft proportional ist zur Größe der Ladung der Teilchen, zur Spannung und umgekehrt proportional zum Abstand der Platten ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zusätzlich zu den elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes elektrisch geladene Teilchen eines zweiten Leuchtstoffes bereitgestellt und in das Umhüllungsmaterial eingebracht. Hierbei können die elektrisch geladenen Teilchen des zweiten Leuchtstoffes zumindest im Mittel eine unterschiedlich große Ladung wie die elektrisch geladenen Teilchen des ersten Leuchtstoffes tragen. Die elektrisch geladenen Teilchen des zweiten Leuchtstoffes sind gleichnamig zu den Teilchen des ersten Leuchtstoffes geladen. Beispielsweise sind die Teilchen des zweiten Leuchtstoffes im Mittel stärker geladen, das heißt sie tragen eine größere Ladung, als die Teilchen des ersten Leuchtstoffes. Beispielsweise sind sowohl die Teilchen des ersten Leuchtstoffes als auch die Teilchen des zweiten Leuchtstoffes negativ geladen. Das heißt, die elektrische Kraft, die auf die Teilchen des zweiten Leuchtstoffes wirkt, ist beispielsweise größer als die elektrische Kraft, die auf die Teilchen des ersten Leuchtstoffes wirkt. Darüber hinaus ist es möglich, dass Teilchen weiterer Leuchtstoffe in das Umhüllungsmaterial eingebracht werden, die gleichgroße oder andere Ladungen wie die Teilchen des ersten und/oder die Teilchen des zweiten Leuchtstoffes tragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt mittels des elektrischen Feldes eine Selektion der elektrisch geladenen Teilchen des ersten und des zweiten Leuchtstoffes. Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Ladung, die die beiden Leuchtstoffarten tragen, erfolgt die Sedimentation für die eine Leuchtstoffart, mit der höheren Ladung, schneller als für die andere Leuchtstoffart. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, einen Schichtaufbau der unterschiedlichen Leuchtstoffe herbeizuführen. So können beispielsweise die stärker geladenen Leuchtstoffe eine erste Schicht auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips ausbilden, die größtenteils, also zu mehr als 50 %, diese Leuchtstoffteilchen umfasst. Auf dieser ersten Schicht kann eine zweite Schicht von Leuchtstoffen aufgebracht sein, die größtenteils, also zu mehr als 50 %, die schwächer geladenen Teilchen umfasst. Trotz gemeinsamer Sedimentation in der gleichen Umhüllungsmasse kann auf diese Weise also ein Schichtaufbau mit den Teilchen der Leuchtstoffe erzeugt werden, wobei elektrisch geladene Teilchen des ersten und des zweiten Leuchtstoffes in voneinander unterschiedlichen Schichten auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschieden sind.
Die Ladung der Leuchtstoffe, insbesondere die Oberflächenladung der Leuchtstoffe, kann durch Behandlung der Leuchtstoffe mit Säure oder ähnlichen Verfahren eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Oberflächenladung der Teilchen der Leuchtstoffe durch das Umhüllungsmaterial oder elektrolytische Zusatzstoffe zum Umhüllungsmaterial beeinflusst werden. Unterschiedliche Leuchtstoffe können auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden.
Im Folgenden wird das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1A, 1B, 2 und 3 zeigen schematische Schnittdarstellungen, anhand derer das hier beschriebene Verfahren näher erläutert ist.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren 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 dargestellt sein.
In Verbindung mit der 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Leuchtdiodenchip 1 auf einen Anschlussträger 91 mittels eines Verbindungsmaterials 6 aufgebracht. Der Leuchtdiodenchip 1 ist zumindest mechanisch am Anschlussträger 91 befestigt. Bei dem Anschlussträger 91 kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder einen Leiterrahmen handeln, an dem der Leuchtdiodenchip 1 mittels dem Verbindungsmaterial 6 auch elektrisch leitend angeschlossen sein kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei dem Anschlussträger 91 um einen temporären Hilfsträger handelt, an dem der Leuchtdiodenchip 1 lediglich zeitweise zur weiteren Verarbeitung aufgebracht ist.
Vorliegend ist der Leuchtdiodenchip 1 in einer Kavität 92 angeordnet, die als Behälter für ein Umhüllungsmaterial 2 sowie für den Leuchtdiodenchip 1 dient. Bei der Kavität 92 kann es sich um eine Gehäusekavität handeln, in der der Leuchtdiodenchip auch nach Abschluss des Verfahrens angeordnet bleibt. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Kavität 92 durch eine temporäre Form gebildet ist, die nach Fertigstellung der Leuchtdiode, also nach Abschluss des Verfahrens, entfernt wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 umfasst der Leuchtdiodenchip 1 einen Träger 11. Der Träger 11 ist mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Vorliegend handelt es sich bei dem Träger 11 um ein Aufwachssubstrat, das beispielsweise aus Saphir oder SiC besteht. Auf den Träger 11 sind die Halbleiterschichten 12 aufgebracht, vorliegend epitaktisch abgeschieden. Die Halbleiterschichten 12 umfassen beispielsweise einen aktiven Bereich, in dem im Betrieb des Leuchtdiodenchips 1 elektromagnetische Strahlung beispielsweise im UV-Bereich oder im Bereich von blauem Licht erzeugt wird.
Der Leuchtdiodenchip 1 ist in der Kavität 92 vom Umhüllungsmaterial 2 stoffschlüssig umhüllt. Bei dem Umhüllungsmaterial 2 handelt es sich beispielsweise um ein niedrig viskoses Silikon.
Für das Verfahren wird der Leuchtdiodenchip 1 an seiner Außenfläche 1a, vorliegend im Bereich des elektrisch isolierenden Trägers 11, positiv elektrisch aufgeladen. Diese Aufladung erfolgt beispielsweise vor Einbringung des Umhüllungsmaterials in die Kavität 92.
In das Umhüllungsmaterial 2 sind elektrisch geladene Teilchen 31 eines ersten Leuchtstoffes gemischt. Die elektrisch geladenen Teilchen 31 tragen eine ungleichnamige Ladung zur Ladung an der Außenfläche 1a des Leuchtdiodenchips 1. Aufgrund dieser ungleichnamigen Ladung wirkt eine elektrische Kraft 4 von den elektrisch geladenen Teilchen 31 in Richtung des Leuchtdiodenchips 1, vorliegend insbesondere in Richtung des Trägers 11. Die Sedimentation der elektrisch geladenen Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffes wird also durch die elektrische Kraft 4 unterstützt. Insgesamt kann auf diese Weise eine besonders gleichmäßige Beschichtung des Leuchtdiodenchips mit den Teilchen des Leuchtstoffes erfolgen. Insbesondere auch an Kanten des Leuchtdiodenchips erfolgt eine Beschichtung mit dem Leuchtstoffmaterial.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A weist der Träger 11 im Ausführungsbeispiel der 1B eine Hinterschneidung 1b. Aufgrund der elektrischen Kraft 4 folgt auch im Bereich dieser Hinterschneidung eine Beschichtung mit elektrisch geladenen Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffes, da die Kraft 4 dort der Gewichtskraft 7 auf die Teilchen 31 entgegenwirkt.
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Leuchtdiodenchip 1 in einem elektrischen Feld 5 angeordnet. Das elektrische Feld 5 wird durch zwei Kondensatorplatten 9a, 9b erzeugt, zwischen denen eine elektrische Spannung angelegt ist. Aufgrund des elektrischen Feldes 5 wirkt eine elektrische Kraft 4 auf die geladenen Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffes. Die Kraft 4 hat eine Komponente in Richtung der Gewichtskraft 7 und unterstützt damit die Sedimentation des Leuchtstoffes 31 im Umhüllungsmaterial 2. Der Auftrieb 8 wirkt der Sedimentation entgegen, wird vorliegend jedoch durch die Gewichtskraft 7 und die elektrische Kraft 4 überkompensiert.
In der 2 ist der Leuchtdiodenchip 1 ohne elektrisch isolierenden Träger 11 dargestellt. Ein solcher Träger kann jedoch vorhanden sein und wie in Verbindung mit den 1A und 1B beschrieben ungleichnamig zu den elektrisch geladenen Teilchen 31 aufgeladen sein.
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 sind im Ausführungsbeispiel der 3 in das Umhüllungsmaterial zwei unterschiedliche Arten von Leuchtstoffteilchen eingebracht. In das Umhüllungsmaterial 2 sind elektrisch geladene Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffs und elektrisch geladene Teilchen 32 eines zweiten Leuchtstoffs, der vom ersten Leuchtstoff verschieden ist, eingebracht. Vorliegend tragen die elektrisch geladenen Teilchen 32 des zweiten Leuchtstoffes eine größere elektrische Ladung als die elektrisch geladenen Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffes. Dadurch ist die elektrische Kraft 42 auf die Teilchen 32 des zweiten Leuchtstoffes größer als die elektrische Kraft 41 auf die Teilchen 31 des ersten Leuchtstoffes. Die Teilchen 42 können daher schneller in Richtung des Leuchtdiodenchips 1 absinken, so dass sich zunächst eine Schicht mit Teilchen 32 des zweiten Leuchtstoffes ausbilden kann, die hauptsächlich diese Leuchtstoffteilchen umfasst. Auf diese Schicht wird dann eine Schicht 31 mit Teilchen des ersten Leuchtstoffes aufgebracht, die hauptsächlich Teilchen des ersten Leuchtstoffes 31 umfasst. Mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens kann also noch während der Sedimentation der Leuchtstoffe eine Selektion der einzelnen unterschiedlichen Leuchtstoffarten in unterschiedliche Schichten erfolgen.
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 beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0173957 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Leuchtdiodenchips (1), – Bereitstellen eines Umhüllungsmaterials (2) für den Leuchtdiodenchip (1), – Bereitstellen von elektrisch geladenen Teilchen (31) eines ersten Leuchtstoffs, – Einbringen der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs in das Umhüllungsmaterial (2), – Umhüllen des Leuchtdiodenchips (1) mit dem Umhüllungsmaterial (2), – Aufbringen zumindest eines Teils der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs auf zumindest einen Teil einer Außenfläche (1a) des Leuchtdiodenchips (1) durch Sedimentation der Teilchen (31) im Umhüllungsmaterial (2), wobei – die Sedimentation unter Einfluss einer elektrischen Kraft (4) auf die elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs erfolgt.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei zumindest ein Teil der Außenfläche (1a) des Leuchtdiodenchips (1) vor dem Umhüllen mit dem Umhüllungsmaterial (2) elektrisch geladen wird, wobei die Ladung elektrisch ungleichnamig zur Ladung der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der elektrisch geladene Teil der Außenfläche (1a) des Leuchtdiodenchips (1) mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei es sich bei dem elektrisch isolierenden Material um einen Träger (11) für Halbleiterschichten (12) des Leuchtdiodenchips (1) handelt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei es sich bei dem elektrisch isolierenden Material um ein Kunststoffmaterial handelt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Leuchtdiodenchip (1) mit dem Umhüllungsmaterial (2) in einem elektrischen Feld (5) angeordnet wird, so dass die elektrische Kraft (4) aus der Wechselwirkung der elektrischen Ladung der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs und dem elektrischen Feld (5) resultiert, wobei die elektrische Kraft (4) zumindest für manche der elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs eine Komponente in Richtung des Leuchtdiodenchips (1) aufweist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die elektrische Kraft (4) einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei elektrisch geladene Teilchen (32) eines zweiten Leuchtstoffs bereitgestellt werden und in das Umhüllungsmaterial (2) eingebracht wird, wobei die elektrisch geladenen Teilchen (32) des zweiten Leuchtstoffs und die elektrisch geladenen Teilchen (31) des ersten Leuchtstoffs gleichnamig geladen sind und zumindest im Mittel unterschiedlich große Ladungen tragen.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei mittels des elektrischen Feldes (5) eine Selektion der elektrisch geladenen Teilchen (31, 32) des ersten und des zweiten Leuchtstoffs erfolgt.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei elektrisch geladenen Teilchen (31, 32) des ersten und des zweiten Leuchtstoffs in voneinander unterschiedlichen Schichten auf der Außenfläche (1a) des Leuchtdiodenchips (1) abgeschieden werden.