Forschungsschwerpunkt

Herstellung von LED-Beleuchtungsmodulen mittels innovativer Flip Chip Technologie

Die Beleuchtungmittels LED Chips bietet zahlreiche Vorteile und findet Anwendung in allen Lebensbereichen. Jedoch stellen die LED Chips komplett andere Bedingungen an den Aufbau als übliche Beleuchtungslösungen. Ein kritischer Faktor, der zu einer verkürzten Lebenszeit führt, ist das thermische Management jedes einzelnen LED Chips in einem Beleuchtungsmodul.

Um das thermische Management zu verbessern, gibt es bereits verschiedene Ansätze, die entstehende Wärme aus dem System abzuführen. Ein Weg, den thermischen Widerstand zu reduzieren, ist den Abstand zwischen der wärmeproduzierenden Schicht, also dem PN-Übergang in der LED und dem Substrat so kurz wie möglich zu gestalten [4]. Ein typischer Aufbau eines LED Moduls besteht aus einem oder mehreren LED-Chips, die in ein LED-Package integriert sind (1.Level interconnect), das mittels eines Reflow-Prozesses auf eine Leiterplatte gelötet wird.

Im Rahmen des Förderprojekts FlipTheLED konnte ein komplett neues Aufbaukonzept entwickelt werden. Um den thermischen Widerstand zu reduzieren, wird auf das LED-Package verzichtet und der LED-Chip direkt auf die Leiterplatte montiert. Bei den neuartigen LED-Chips befinden sich Anode und Kathode
auf der Rückseite und der übliche Oberseitenkontakt fällt weg. Dieses Aufbaukonzept bietet einige signifikante Vorteile gegenüber dem klassischen Aufbau mit den üblichen LED-Packages [5]. Der Herstellungsprozess eines solchen Beleuchtungsmoduls wird günstiger, weil auf einen Prozessschritt, das Drahtbonden, komplett verzichtet werden kann. Zusätzlich befindet sich der P/N- Übergangs, an dem die abzuführende Wärme des Systems produziert wird, direkt an der wärmespreizenden Schicht, so dass der thermische Widerstand des gesamten Systems reduziert werden kann.

Die Herausforderungen an die Verbindungs- und Aufbautechnologie ergeben sich aus den Geometrien der LED-Chips (Spalt zwischen Anode und Kathode < 200 µm) und auch aus prozesstechnischer Sicht. Bei den ersten Demonstratoren wurde ein SnAgCu-Lot verwendet und nach den ersten Versuchenzeigte sich eine durch den Lötprozess bedingte Verkippung der LEDs. Ein planparalleler Aufbau der Komponenten ist für die homogene Abstrahlcharakteristik notwendig. Durch die Erprobung unterschiedlicher Lotpasten sowie eine Anpassung der Prozessparameter des Lötprofils und gezieltes Einstellen der Lotspaltdicke konnten Demonstratoren mit einer sehr porenarmen und gleichmäßig dicken Verbindungsschicht erzielt werden. Es wurden zwei funktionale Demonstratortypen mit jeweils 42 LED Chips mittels eines vollautomatischen Bestückers (Datacon Evo) aufgebaut und getestet. Im weiteren Verlauf des Projekts konnten für die gleichen Demonstratoren auch Silbersinterverbindungen erprobt werden. Diese zeichnen sich im Vergleich zu SnAgCu-Lotverbindungen durch eine verbesserte Zuverlässigkeit aus. In vorherigen Arbeiten konnte bereits nachgewiesen werden, dass Silbersinterschichten im Vergleich zu klassischen Lotverbindungen um den Faktor 100 besser hinsichtlich der Lebensdauer sind.

Danksagung: Der österreichischen Bundesregierung (insbesondere dem Bundesministerium für Verkehr, Innovation) vertreten durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) wird für die Förderung im Rahmen des „7. Ausschreibung Produktion der Zukunft nat. Projekte“ Förderprogramms (Projektnummer: 848574, Projektname: FlipTheLED) sowie den Projektpartnern Projektpartnern Materials Center Leoben Forschung GmbH, Tridonic Jennersdorf GmbH, Häusermann GmbH für die erfolgreiche Zusammenarbeit gedankt.  

Leuchtendes LED-Modul mit 42 Flip-Chip-Komponenten | Fraunhofer IZM | Volker Mai
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Leuchtendes LED-Modul mit 42 Flip-Chip-Komponenten

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