DE102011113483B4

DE102011113483B4 - Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102011113483B4
Application number: DE102011113483.6A
Authority: DE
Inventors: Claus Jäger; Hubert Halbritter; Bernhard Stojetz; Heinz Haas
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: KR102040995B1; US9466769B2; US20140225147A1; WO2013037556A1; DE102011113483A1; CN103797580A; CN103797580B; KR20140069123A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (1) mit den Schritten:a) Bereitstellen eines Anschlussträgerverbunds (20);b) Anordnen einer Mehrzahl von Halbleiterchips (3, 31) auf dem Anschlussträgerverbund (20);c) Positionieren eines Rahmenverbunds (40) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (41) derart relativ zum Anschlussträgerverbund (20), dass die Halbleiterchips (3, 31) jeweils in einer der Öffnungen (41) angeordnet sind;d) Positionieren einer Mehrzahl von optischen Elementen (5), die in einem Optikverbund (50) bereitgestellt werden, derart relativ zum Rahmenverbund (40), dass die optischen Elemente (5) die Öffnungen (41) überdecken; unde) Vereinzeln des Anschlussträgerverbunds (20) mit dem Rahmenverbund (40) und den optischen Elementen (5) in die Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (1), so dass jedes optoelektronische Bauelement (1) einen Anschlussträger (2) mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterchip (3, 31), einen Rahmen (4) mit zumindest einer Öffnung (41) und zwei optische Elemente (5) aufweist, wobei der Optikverbund (50), der Anschlussträgerverbund (20) und der Rahmenverbund (40) in einem gemeinsamen Vereinzelungsschritt durchtrennt werden und der Optikverbund (50) derart durchtrennt wird, dass die optischen Elemente (5) eines Bauelements (1) jeweils vollständig voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen und ein optoelektronisches Bauelement.
Die US 2006/0078246 A1 , die DD 1 60 263 A1 , die US 7 309 855 B2 , die US 2005 / 0 074 912 A1 , die US 2010 / 0 109 021 A1 , die JP 2008 - 300 553 A , und die JP H03- 85 749 A betreffen bekannte optoelektronische Vorrichtungen, bekannte Verfahren zu Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung und bekannte Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung.
Die Kombination von optischen Elementen wie beispielsweise Linsen und optoelektronischen Komponenten wie beispielsweise Halbleiterchips erfordert oftmals einen vergleichsweise komplizierten Herstellungsprozess. Eine Aufgabe ist es, ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen mit jeweils zumindest einem optischen Element auf einfache und zuverlässige Weise hergestellt werden kann. Weiterhin soll ein optoelektronisches Bauelement angegeben werden, das vereinfacht und zuverlässig herstellbar ist und sich durch gute optoelektronische Eigenschaften auszeichnet.
Diese Aufgaben werden durch das Herstellungsverfahren des unabhängigen Verfahrensanspruchs 1, sowie durch den Gegenstand des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 5 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
In einer Ausführungsform wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen ein Anschlussträgerverbund bereitgestellt. Eine Mehrzahl von Halbleiterchips wird auf dem Anschlussträgerverbund angeordnet. Ein Rahmenverbund mit einer Mehrzahl von Öffnungen wird derart relativ zum Anschlussträgerverbund positioniert, dass die Halbleiterchips jeweils in einer der Öffnungen angeordnet sind. Eine Mehrzahl von optischen Elementen wird derart relativ zum Rahmenverbund positioniert, dass die optischen Elemente die Öffnungen überdecken. Der Anschlussträgerverbund mit dem Rahmenverbund und dem Optikverbund wird in die Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen vereinzelt, sodass jedes optoelektronische Bauelement einen Anschlussträger mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterchip, einen Rahmen mit zumindest einer Öffnung und zumindest ein optisches Element aufweist.
Die optischen Elemente werden in einem Optikverbund bereitgestellt. Das Positionieren der optischen Elemente kann insbesondere in einem zusammenhängenden Optikverbund erfolgen, sodass einer Vielzahl von Halbleiterchips gleichzeitig ein optisches Element zugeordnet werden kann.
Das Verfahren muss nicht notwendigerweise in der Reihenfolge der oben genannten Aufzählung erfolgen. Beispielsweise können die optischen Elemente, insbesondere in Form eines Optikverbunds, relativ zu dem Rahmenverbund positioniert und weiterhin an diesem befestigt werden, bevor der Rahmenverbund relativ zum Anschlussträgerverbund positioniert wird. Weiterhin kann das Positionieren des Rahmenverbunds relativ zum Anschlussträgerverbund erfolgen, bevor die Mehrzahl von Halbleiterchips auf dem Anschlussträgerverbund angeordnet wird.
Der Optikverbund kann beim Vereinzeln in optoelektronische Bauelemente vereinzelt werden. Beim Vereinzeln des Anschlussträgerverbunds in die Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen werden der Optikverbund, der Anschlussträgerverbund und der Rahmenverbund in einem gemeinsamen Vereinzelungsschritt durchtrennt. Das Durchtrennen kann beispielsweise mechanisch, etwa mittels Sägens, erfolgen.
Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von optoelektronischen Bauelementen mit einem oder mehreren Halbleiterchips. Weiterhin kann das Bauelement eine oder eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisen. Jeder Öffnung kann genau ein Halbleiterchip zugeordnet sein. Es können in einer Öffnung jedoch auch mehr als ein Halbleiterchip angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest zwei optische Elemente im Optikverbund mittels eines Stegs miteinander verbunden. Unter einem Steg wird allgemein ein Verbindungselement zwischen zwei optischen Elementen verstanden, das im Wesentlichen der mechanischen Verbindung der optischen Elemente dient und insbesondere selbst keine optische Funktion erfüllt. Insbesondere kann der Steg in Aufsicht auf den Optikverbund zumindest in einer lateralen Richtung, also in einer in eine Haupterstreckungsebene des Optikverbunds verlaufenden Richtung, eine geringere Ausdehnung aufweisen als eines der optischen Elemente.
Beim Vereinzeln des Optikverbunds wird vorzugsweise der Steg durchtrennt. Im fertig gestellten Bauelement schließt der Steg also bündig mit einer das optoelektronische Bauelement in lateraler Richtung begrenzenden Seitenfläche ab.
Die optoelektronischen Bauelemente weisen jeweils zumindest zwei optische Elemente auf, wobei der Optikverbund vorzugsweise derart durchtrennt wird, dass die optischen Elemente eines Bauelements jeweils vollständig voneinander getrennt sind. Vollständig voneinander getrennt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die optischen Elemente eines Bauelements als separate Elemente ausgebildet sind, die weiterhin bevorzugt in lateraler Richtung voneinander beabstandet sind. Ein optisches Übersprechen, bedingt durch eine durchgängige Verbindung zwischen zwei benachbarten optischen Elementen eines Bauelements, kann so vermieden oder zumindest verringert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ragen die optischen Elemente beim Positionieren des Optikverbunds in die Öffnungen des Rahmenverbunds hinein. Vorzugsweise sind die optischen Elemente auf der dem Rahmenverbund zugewandten Seite und die Öffnungen des Rahmenverbunds derart aneinander angepasst, dass sich die optischen Elemente beim Einführen in die Öffnungen relativ zu den Öffnung in vorgegebener Weise positionieren, insbesondere zentrieren. Es erfolgt also eine Selbstjustage der optischen Elemente relativ zu den Öffnungen des Rahmenverbunds. Eine optische Achse der optischen Elemente verläuft in diesem Fall in Aufsicht auf das Bauelement vorzugsweise durch den Mittelpunkt oder im Wesentlichen durch den Mittelpunkt der Öffnungen.
So ist auf einfache Weise gewährleistet, dass die optischen Elemente zuverlässig in einer relativ zum Rahmenverbund genau definierten Position angeordnet und nachfolgend befestigt werden können.
Weiterhin kann ein Querschnitt eines in die Öffnung hineinragender Teils des optischen Elements in Richtung des Anschlussträgers abnehmen. Die Ausrichtung des optischen Elements relativ zum Rahmen kann so vereinfacht selbstjustierend ausgebildet sein. Ein optoelektronisches Bauelement weist gemäß einer Ausführungsform einen Anschlussträger auf, an dem zumindest ein optoelektronischer Halbleiterchip befestigt ist. Auf dem Anschlussträger ist ein Rahmen angeordnet. Der Rahmen weist eine Öffnung auf, die sich von einer dem Anschlussträger abgewandten Hauptfläche in Richtung des Anschlussträgers erstreckt und in der der Halbleiterchip angeordnet ist. Auf dem Rahmen ist ein optisches Elemente angeordnet, das die Öffnung insbesondere vollständig überdeckt.
Das optische Element schließt vorzugsweise das Bauelement auf der dem Anschlussträger abgewandten Seite des Rahmens ab. Das optische Element kann so der Strahlführung und gleichzeitig dem Schutz des Halbleiterchips, beispielsweise vor mechanischer Belastung, dienen.
Das optische Element erstreckt sich in einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest bereichsweise bis zu einer das optoelektronische Bauelement in einer lateralen Richtung begrenzenden Seitenfläche. Das optische Element schließt also bündig mit der Seitenfläche des optoelektronischen Bauelements ab. Bei der Herstellung kann so das optische Element vereinfacht beim Vereinzeln der optoelektronischen Bauelemente aus einem Optikverbund mit einer Mehrzahl von zusammenhängenden optischen Elementen hervorgehen.
Weiterhin bevorzugt schließen der Anschlussträger und der Rahmen zumindest in einer lateralen Richtung, vorzugsweise vollumfänglich, bündig miteinander ab.
Weiterhin bevorzugt ist das optoelektronische Bauelement als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet (surface mounted device, SMD). Vorzugsweise schließt der Anschlussträger das optoelektronische Bauelement auf der dem optischen Element gegenüberliegenden Seite ab. Der Rahmen ist also auf nur einer Seite des Anschlussträgers ausgebildet. Die externe elektrische Kontaktierung kann auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Anschlussträgers erfolgen.
Der Anschlussträger kann beispielsweise als eine Leiterplatte, etwa eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB) ausgeführt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Strahlengang zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterchip frei von einer den Halbleiterchip umgebenden Umhüllung ausgebildet. Der Strahlengang weist also zwischen dem Element und dem Halbleiterchip einen Freistrahlbereich auf. Das optische Element überdeckt den Halbleiterchip in Aufsicht auf das optoelektronische Bauelement und schützt so den Halbleiterchip vor äußeren Einflüssen wie mechanischer Belastung, Feuchtigkeit oder Staub. Auf eine als Verkapselung wirkende Umhüllung des Halbleiterchips kann deshalb verzichtet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verjüngt sich die Öffnung ausgehend von der Hauptfläche des Rahmens in Richtung des Anschlussträgers zumindest bereichsweise. Eine Zentrierung des optischen Elements relativ zur Öffnung des Rahmens bei der Herstellung des optoelektronischen Bauelements wird dadurch vereinfacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Öffnung eine Hinterschneidung auf. Der für die Montage des Halbleiterchips zur Verfügung stehende Raum in der Öffnung kann so bei gleicher Apertur vergrößert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterchip zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen. Weiterhin bevorzugt weist das Bauelement einen weiteren Halbleiterchip auf, der zum Empfangen von Strahlung vorgesehen ist. Die Halbleiterchips sind jeweils in einer Öffnung des Rahmens angeordnet. Mittels des Rahmens sind die Halbleiterchips also optisch voneinander getrennt. Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise als ein Näherungssensor ausgebildet sein, bei dem der weitere Halbleiterchip die vom Halbleiterchip erzeugte und an einem Zielobjekt außerhalb des Bauelements rückreflektierte Strahlung detektiert.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist auf der Hauptfläche des Rahmens zwischen den Öffnungen ein optisches Entkopplungselement ausgebildet. Das optische Entkopplungselement ist dafür vorgesehen, ein optisches Übersprechen zwischen dem Halbleiterchip und dem weiteren Halbleiterchip zu verringern. Das optische Entkopplungselement kann als ein Trennsteg ausgebildet sein, der sich in vertikaler Richtung von der Hauptfläche des Rahmens vom Anschlussträger weg erstreckt. Der Trennsteg kann insbesondere einstückig mit dem Rahmen ausgebildet sein. In lateraler Richtung verläuft eine Haupterstreckungsrichtung des Stegs vorzugsweise quer oder senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen dem Halbleiterchip und dem weiteren Halbleiterchip.
Alternativ oder ergänzend kann die Hauptfläche des Rahmens mit einem absorbierenden Material bedeckt sein. Insbesondere kann das absorbierende Material den freiliegenden Teil der Hauptfläche des Rahmens, also den nicht von dem optischen Element beziehungsweise den optischen Elementen bedeckten Teil der Hauptfläche, bedecken.
Das optische Element ragt vorzugsweise in die Öffnung hinein. Die Dicke, also die Ausdehnung des optischen Elements entlang seiner optischen Achse, kann so vergrößert werden, ohne dass sich die vertikale Ausdehnung des Bauelements erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Element auf der dem Halbleiterchip zugewandten Seite konvex gekrümmt.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist eine maximale Höhe des optischen Elements mindestens das 0,2-Fache der maximalen Querschnittsausdehnung der Öffnung, bevorzugt mindestens das 0,5-Fache der maximalen Querschnittsausdehnung der Öffnung auf. Insbesondere kann der in die Öffnung hineinragende Teil des optischen Elements zumindest bereichsweise eine kugelförmige Grundform aufweisen.
Das weiter oben beschriebene Verfahren ist zur Herstellung des vorstehend beschriebenen optoelektronischen Bauelements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Verfahren angeführte Merkmale können daher auch für das optoelektronische Bauelement herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

die 1A bis 1I ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten in Schnittansicht (1A, 1B, 1D, 1F, 1G) und in Aufsicht (1C, 1E, 1H, 1I); und
die 2 bis 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Bauelement in schematischer Schnittansicht.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben 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 zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 1A bis 1I ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen gezeigt. Das Verfahren wird exemplarisch anhand der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen mit jeweils einem Halbleiterchip 3 und einem weiteren Halbleiterchip 31 beschrieben. Wie in 1A dargestellt, werden die Halbleiterchips 3, 31 auf einem Anschlussträgerverbund 20 angeordnet und an diesem befestigt. Details zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen den Halbleiterchips und dem Anschlussträgerverbund sind zur vereinfachten Darstellung in 1A nicht gezeigt und werden im Zusammenhang mit 2 näher erläutert.
Der Anschlussträgerverbund 20 kann beispielsweise als eine Leiterplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB) oder als eine gedruckte Leiterplatte mit Metallkern (metal core printed circuit board (MCPCB) ausgebildet sein.
Wie in 1B dargestellt, wird ein Rahmenverbund 40 mit einer Mehrzahl von Öffnungen 41 auf dem Anschlussträgerverbund 20 angeordnet und an diesem befestigt, beispielsweise mittels einer Befestigungsschicht (in 1B nicht explizit dargestellt). Die Öffnungen erstrecken sich in vertikaler Richtung vollständig durch den Rahmenverbund 40 hindurch.
Der Rahmenverbund 40 kann beispielsweise als ein Kunststoffkörper ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Rahmenverbund mittels eines Spritzgussverfahrens (injection molding) oder eines Spritzpressverfahrens (transfer molding) hergestellt werden. Der Rahmenverbund stellt ein vorgefertigtes, zusammenhängendes Element dar.
Ein Ausschnitt des Rahmenverbunds 40 in schematischer Aufsicht ist in 1C gezeigt, wobei die 1B eine zugehörige Schnittansicht entlang der Linie A-A' darstellt. Bei der späteren Vereinzelung in einzelne Bauelemente gehen aus dem in 1C dargestellten Rahmenverbund 40 vier Rahmen 4 für vier Bauelemente 1 hervor.
Ein Ausschnitt eines Optikverbunds 50 ist in den 1E in schematischer Aufsicht und in 1D in zugehöriger Schnittansicht entlang der Linie B-B' gezeigt. Der Optikverbund 50 weist eine Mehrzahl von optischen Elementen 5 auf. Zur vereinfachten gleichzeitigen Positionierung der optischen Elemente ist der Optikverbund 50 vorzugsweise als ein zusammenhängender Verbund ausgeführt. Die optischen Elemente werden also in vorgefertigter Form bereitgestellt. Es ist folglich kein Verfahrensschritt erforderlich, in dem die optischen Elemente mittels eines Vergussmaterials in den Öffnungen 41 ausgebildet werden.
Vorzugsweise enthalten die optischen Elemente 5 einen transparenten oder zumindest transluzenten Kunststoff oder bestehen aus einem solchen Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die den Halbleiterchips 3 zugeordneten optischen Elemente von den den weiteren Halbleiterchips 31 zugeordneten optischen Elemente verschieden. Die Strahlformung kann so unabhängig voneinander für die Halbleiterchips 3, 31 eingestellt werden. Davon abweichend können die optischen Elemente auch gleichartig ausgebildet sein.
Bei dem in 1E dargestellten Ausführungsbeispiel sind die optischen Elemente 5 teilweise über Stege 51 miteinander verbunden. Der Optikverbund 50 ist vorzugsweise einstückig mit den Stegen 51 und den optischen Elementen 5 ausgebildet. Im Unterschied zu den optischen Elementen 5 müssen die Stege 51 im fertig gestellten Bauelement keine optische Funktion erfüllen, sondern dienen bei der Herstellung insbesondere zur vereinfachten gleichzeitigen Positionierung mehrerer optischer Elemente relativ zu den Halbleiterchips 3, 31.
Der Optikverbund wird so zu dem Rahmenverbund 40 positioniert, dass den Öffnungen 41 jeweils ein optisches Element 5 zugeordnet ist (1F). Die optischen Elemente sind so ausgeführt, dass sie teilweise in die Öffnungen 41 hineinragen. Weiterhin verjüngen sich die optischen Elemente 5 auf der dem Rahmenverbund 40 zugewandten Seite.
Der Rahmenverbund 40 weist eine dem Anschlussträgerverbund 20 abgewandte Hauptfläche 42 auf. Von der Hauptfläche 42 ausgehend verjüngen sich die Öffnungen 41 in Richtung des Anschlussträgerverbunds 20. So wird vereinfacht gewährleistet, dass sich die optischen Elemente, insbesondere in Verbindung mit der sich verjüngenden Ausgestaltung der optischen Elemente, beim Zusammenfügen von Optikverbund 50 und Rahmenverbund 40 so positionieren, dass eine optische Achse 9, des optischen Elements 5 jeweils mittig zu der Öffnung 41 verläuft. Weiterhin verläuft die optische Achse 9 vorzugsweise jeweils durch den Halbleiterchip 3 beziehungsweise den weiteren Halbleiterchip 31.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann der Optikverbund 50 auch relativ zum Rahmenverbund 40 positioniert und weiterhin an diesem befestigt werden, bevor der Rahmenverbund an dem Anschlussträgerverbund 20 befestigt wird.
Weiterhin ist auch denkbar, den Rahmenverbund 40 an dem Anschlussträgerverbund 20 anzuordnen, noch bevor die Halbleiterchips 3, 31 an dem Anschlussträgerverbund befestigt werden.
Nach dem Zusammenfügen von Anschlussträgerverbund 20, Rahmenverbund 40 und Optikverbund 50 werden diese in eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen vereinzelt.
Ein vereinzeltes Bauelement ist in 1H in schematischer Aufsicht und in 1G in zugehöriger Schnittansicht entlang der Linie C-C' gezeigt.
Das fertig gestellte Bauelement weist einen Anschlussträger 2 als Teil des Anschlussträgerverbunds 20 und einen Rahmen 4 als Teil des Rahmenverbunds 40 auf. In einer lateralen Richtung ist das Bauelement 1 durch eine Seitenfläche 11 begrenzt, die beim Vereinzeln entsteht. Das Vereinzeln kann beispielsweise mittels eines mechanischen Verfahrens, beispielsweise mittels Sägens oder mittels eines Lasertrennverfahrens erfolgen.
Der Anschlussträger 2 und der Rahmen 4 schließen an der Seitenfläche 11 entlang des gesamten Umfangs des Bauelements 1 bündig miteinander ab. Weiterhin bevorzugt erstreckt sich zumindest ein Teil des Optikverbunds 50, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die optischen Elemente 5 und der Steg 51, bis zu der Seitenfläche 11.
Die optischen Elemente 5 des Bauelements 1 sind im fertig gestellten Bauelement als separate Elemente ausgebildet. Es besteht also keine direkte Verbindung zwischen diesen optischen Elementen. Die Gefahr eines optischen Übersprechens zwischen den Halbleiterchips 3, 31 wird so verringert.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen auf einfache und zuverlässige Weise gleichzeitig hergestellt werden, wobei die Bauelemente beim Vereinzeln aus dem Verbund bereits jeweils mindestens ein optisches Element aufweisen.
Insbesondere kann die Herstellung so durchgeführt werden, dass die Anschlussträger 2, die Rahmen 4 und die optischen Elemente 5 jeweils im Verbund in vorgefertigter Form bereitgestellt und in einem gemeinsamen Schritt vereinzelt werden können.
Das Verfahren zeichnet sich weiterhin durch eine einfache Skalierbarkeit für die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von Bauelementen aus, wodurch die Massenfertigung vereinfacht wird. In 1I ist beispielsweise in Aufsicht ein Optikverbund 50 mit einer matrixförmigen Anordnung von 64 optischen Elementen 5 gezeigt. Bei der Vereinzelung in Bauelemente entlang der gitterförmig verlaufenden Trennlinien 6 entstehen hieraus 32 Bauelemente mit jeweils zwei optischen Elementen 5.
Für eine vereinfachte, zuverlässige Positionierung des Optikverbunds 50 relativ zum Rahmenverbund 40 sind vorzugsweise Positionierungselemente 65 vorgesehen. Beispielsweise können die Positionierungselemente jeweils als Löcher ausgebildet sein, in die Stifte eingreifen.
Selbstverständlich können mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren auch Bauelemente hergestellt werden, die nur ein optisches Element 5 und/oder nur einen Halbleiterchip 3 aufweisen. Weiterhin können in einer Öffnung 41 auch mehr als ein Halbleiterchip angeordnet sein.
Ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauelement ist in 2 in schematischer Schnittansicht dargestellt.
Die 2 ist eine detailliertere Darstellung des in 1G dargestellten Bauelements. Bereits im Zusammenhang mit den 1A bis 1I beschriebene Merkmale sind daher auch auf dieses Ausführungsbeispiel anwendbar und werden in dieser Stelle nicht explizit aufgeführt.
Das dargestellte optoelektronische Bauelement 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als in Näherungssensor ausgebildet. Das Bauelement weist einen Halbleiterchip 3 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 30 auf. Weiterhin weist das Bauelement einen weiteren Halbleiterchip 31 mit einem weiteren aktiven Bereich 310 auf, der dafür vorgesehen ist, vom Halbleiterchip 3 erzeugte und an einem Zielobjekt außerhalb des Bauelements reflektierte Strahlung zu detektieren. Die Halbleiterchips 3, 31 sind jeweils auf einer Anschlussfläche 21 des Anschlussträgers 2 angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden.
Die Halbleiterchips 3, 31 sind jeweils über eine Verbindungsschicht 35, beispielsweise ein Lot oder ein elektrisch leitfähiges Klebemittel, mit der Anschlussfläche 21 verbunden.
Weiterhin weist der Anschlussträger jeweils eine weitere Anschlussfläche 22 auf, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit den Halbleiterchips 3, 31 jeweils über einen Verbindungsleiter 36, beispielsweise einen Bonddraht, elektrisch leitend verbunden sind.
Der Anschlussträger 2 weist weiterhin Durchkontaktierungen 25 auf, über die die Anschlussflächen 21, 22 mit auf einem Montagefläche 12 des Bauelements 1 angeordnetem ersten externen Kontakt 26 beziehungsweise einem zweiten externen Kontakt 27 elektrisch leitend verbunden sind. Das optoelektronische Bauelement 1 ist also als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgeführt, das rückseitig, also seitens der in lateraler Richtung des Bauelements verlaufenden Montagefläche 12, kontaktierbar ist.
Die Kontaktierung der Halbleiterchips 3, 31 und die Ausgestaltung der Anschlussflächen 21, 22 sind lediglich exemplarisch beschrieben. Beispielsweise können alternativ auch Halbleiterchips Anwendung finden, die in Flip-Chip-Geometrie ausgebildet sind, sodass der Halbleiterchip zwei unterseitige Kontakte aufweist. Weiterhin kann der Halbleiterchip auch auf einer Fläche des Anschlussträgers 2 angeordnet sein, die nicht mit einem externen elektrischen Kontakt verbunden ist. Weiterhin kann auch zumindest einer der externen Kontakte 26, 27 als ein gemeinsamer Kontakt, beispielsweise ein gemeinsamer Massekontakt, für den Halbleiterchip 3 und den weiteren Halbleiterchip 31 dienen.
Der Rahmen 4 ist mittels einer Befestigungsschicht 8, beispielsweise einer Klebeschicht, an dem Anschlussträger 2 befestigt. Abhängig von den Anforderungen an die Emissionsbeziehungsweise Detektionseigenschaften des optoelektronischen Bauelements 1 kann der Rahmen, insbesondere eine Innenfläche 410 der Öffnung 41, mit einem absorbierenden Material, beispielsweise einem schwarzen Material, bedeckt sein. Bei einem Näherungssensor kann so die Gefahr einer Detektion von ungewollter Streustrahlung, beispielsweise aufgrund einer Reflexion einer dem optoelektronischen Bauelement nachgeordneten Abdeckung, wie einer Glasscheibe, reduziert werden.
Alternativ oder ergänzend kann der Rahmen 4 auch aus einem absorbierenden Material, beispielsweise einem schwarzen Kunststoff, gefertigt sein. In der Öffnung 41 ist jeweils eine umlaufende Apertur 45 ausgebildet, die in vertikaler Richtung von dem Anschlussträger 2 beabstandet ist. Die Apertur 45 definiert einen Strahlungskegel, in dem emittierte Strahlung des Halbleiterchips 3 direkt, also ohne Reflexion, an der Innenfläche 411 der Öffnung 41 aus dem Bauelement 1 austritt beziehungsweise aus dem von außerhalb des Bauelements auftreffende Strahlung direkt auf den weiteren Halbleiterchip 31 auftrifft.
Zwischen der Hauptfläche 42 und der Apertur 45 verjüngt sich die Öffnung 41 zum Anschlussträger 2 hin. Durch die schräge Ausgestaltung der Apertur wird bei der Herstellung eine genaue Positionierung der optischen Elemente 5 relativ zum Rahmen 4 vereinfacht. Der Rahmen 4 definiert also zum einen die Apertur für die Halbleiterchips und dient gleichzeitig der vereinfachten Positionierung der optischen Elemente.
Zwischen der Apertur 45 und dem Anschlussträger 2 weist die Öffnung 41 eine Hinterschneidung 411 auf. Mittels der Hinterschneidung kann ein für die Montage der Halbleiterchips 3, 31 zur Verfügung stehende Fläche unabhängig von der Querschnittsfläche der Apertur 45 eingestellt werden.
Auf der dem Anschlussträger 2 abgewandten Seite des Rahmens 4 sind die optischen Elemente 5 mittels einer weiteren Befestigungsschicht 85, beispielsweise einer Klebeschicht, befestigt. Die optischen Elemente 5 sind auf der den Halbleiterchips 3, 31 zugewandten Seite und auf der den Halbleiterchips abgewandten Seite konvex gekrümmt. Eine maximale Höhe der optischen Elemente 5, insbesondere die Dicke der optischen Elemente entlang der optischen Achse 9, beträgt vorzugsweise mindestens das 0,2-Fache, besonders bevorzugt mindestens das 0,5-Fache der maximalen Querschnittsausdehnung der Öffnung 41. Insbesondere können die optischen Elemente 5 bereichsweise, insbesondere im Bereich der optischen Achse, eine kugelartige Grundform aufweisen. Abhängig von der gewünschten Strahlformung kann die Ausgestaltung des optischen Elements in weiten Grenzen variiert werden. Beispielsweise kann das optische Element auch als eine Fresnel-Linse ausgebildet sein.
Die Halbleiterchips 3, 31 frei von einer die Halbleiterchip umgebenden Umhüllung ausgebildet. Ein Schutz der Halbleiterchips auf der dem Anschlussträger 2 abgewandten Seite wird mittels der optischen Elemente 5 erzielt. Auf einen zusätzlichen Herstellungsschritt für die Ausbildung einer Umhüllung kann verzichtet werden. Weiterhin kann so die Gefahr vermieden werden, dass die Umhüllung die Verbindung zwischen den Halbleiterchips 3, 31 und dem Anschlussträger 2 mechanisch belastet oder dass die Umhüllung die optischen Eigenschaften des Bauelements beeinträchtigt.
Es sind aber auch Anwendungen denkbar, bei denen eine Umhüllung zur Verkapselung der Halbleiterchips vorgesehen ist.
Das in 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist auf der Hauptfläche 42 des Rahmens 4 ein optisches Entkopplungselement in Form eines absorbierenden Materials 7 ausgebildet. Das absorbierende Material 7 absorbiert vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der auftreffenden Strahlung. Ein optisches Übersprechen zwischen den Halbleiterchips 3, 31 innerhalb des Bauelements 1 kann so weitgehend vermieden werden. Das absorbierende Material wird vorzugsweise auf die Bereiche der Hauptfläche 42 aufgebracht, die nicht von den optischen Elementen 5 bedeckt sind.
Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das optische Entkopplungselement in Form eines Trennstegs 75 ausgebildet. Der Trennsteg 75 ist vorzugsweise als ein Fortsatz des Rahmens 4 ausgebildet, der sich ausgehend von der Hauptfläche 42 von dem Rahmen 4 weg erstreckt. In lateraler Richtung verläuft eine Haupterstreckungsrichtung des Trennstegs 75 senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen dem Halbleiterchip 3 und dem weiteren Halbleiterchip 31. Vorzugsweise ist der Trennsteg einstückig mit dem Rahmen 4 ausgebildet. Davon abweichend kann der Trennsteg aber auch als ein separates, insbesondere vorgefertigtes Element ausgebildet sein, das an dem Rahmen 4 befestigt wird.
Der zur Erzeugung von Strahlung vorgesehene Halbleiterchip 3, insbesondere der aktive Bereich 30, basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip zur Erzeugung von Strahlung im nahen Infrarot, beispielsweise mit einer Peak-Wellenlänge zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1,5 um, vorgesehen.
Der weitere Halbleiterchip 31 kann insbesondere auf Silizium basieren. Beispielsweise kann der weitere Halbleiterchip 31 als eine Fotodiode, als ein Fototransistor oder als ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) mit einem fotoempfindlichen Bereich ausgebildet sein.
Weiterhin kann das Bauelement 1 auch mehr als einen Strahlungsempfänger aufweisen, wobei die Strahlungsempfänger vorzugsweise dafür vorgesehen sind, Strahlung in voneinander verschiedenen Spektralbereich zu empfangen. Beispielsweise kann ein weiterer Strahlungsempfänger als ein Umgebungslichtsensor ausgebildet sein. Der weitere Strahlungsempfänger kann in den weiteren Halbleiterchip 31 integriert sein oder als separater Halbleiterchip ausgebildet sein.
Das beschriebene optoelektronische Bauelement zeichnet sich aufgrund der Integration eines optischen Elements durch gute optoelektronische Eigenschaften bei einer gleichzeitig kompakten Bauform aus. Die Positionierung der optischen Elemente bei der Herstellung kann, insbesondere selbstjustierend, mit einer hohen Justagegenauigkeit gleichzeitig für eine Vielzahl von Bauelementen erfolgen, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (1) mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Anschlussträgerverbunds (20); b) Anordnen einer Mehrzahl von Halbleiterchips (3, 31) auf dem Anschlussträgerverbund (20); c) Positionieren eines Rahmenverbunds (40) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (41) derart relativ zum Anschlussträgerverbund (20), dass die Halbleiterchips (3, 31) jeweils in einer der Öffnungen (41) angeordnet sind; d) Positionieren einer Mehrzahl von optischen Elementen (5), die in einem Optikverbund (50) bereitgestellt werden, derart relativ zum Rahmenverbund (40), dass die optischen Elemente (5) die Öffnungen (41) überdecken; und e) Vereinzeln des Anschlussträgerverbunds (20) mit dem Rahmenverbund (40) und den optischen Elementen (5) in die Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (1), so dass jedes optoelektronische Bauelement (1) einen Anschlussträger (2) mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterchip (3, 31), einen Rahmen (4) mit zumindest einer Öffnung (41) und zwei optische Elemente (5) aufweist, wobei der Optikverbund (50), der Anschlussträgerverbund (20) und der Rahmenverbund (40) in einem gemeinsamen Vereinzelungsschritt durchtrennt werden und der Optikverbund (50) derart durchtrennt wird, dass die optischen Elemente (5) eines Bauelements (1) jeweils vollständig voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest zwei optische Elemente (5) im Optikverbund (50) mittels eines Stegs (51) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optischen Elemente (5) in Schritt d) in die Öffnungen (41) hineinragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Vereinzeln in Schritt e) mittels Sägens erfolgt.
Optoelektronisches Bauelement (1) mit einem Anschlussträger (2), an dem zumindest ein optoelektronischer Halbleiterchip (3, 31) befestigt ist, wobei - auf dem Anschlussträger (2) ein Rahmen (4) angeordnet ist; - der Rahmen (4) eine Öffnung (41) aufweist, die sich von einer dem Anschlussträger (2) abgewandten Hauptfläche (42) in Richtung des Anschlussträgers (2) erstreckt und in der der Halbleiterchip (3, 31) angeordnet ist; - das Bauelement zwei optische Elemente (5) aufweist, wobei eines der optischen Elemente (5) auf dem Rahmen (4) angeordnet ist und die Öffnung (41) überdeckt; und - zumindest eines der optischen Elemente (5) mit einem Steg (51) verbunden ist, der bündig mit einer das optoelektronische Bauelement (1) in lateraler Richtung begrenzenden Seitenfläche (11) abschließt.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, wobei sich eines der optischen Elemente (5) zumindest bereichsweise bis zu einer das optoelektronische Bauelement (1) in einer lateralen Richtung begrenzenden Seitenfläche (11) erstreckt.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei eines der optischen Elemente (5) in die Öffnung (41) hineinragt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein Strahlengang zwischen einem der optischen Elemente (5) und dem Halbleiterchip (3, 31) frei von einer den Halbleiterchip (3, 31) umgebenden Umhüllung ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei sich die Öffnung (41) ausgehend von der Hauptfläche (42) des Rahmens (4) in Richtung des Anschlussträgers (2) zumindest bereichsweise verjüngt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei - der Halbleiterchip (3) zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen ist; - das Bauelement (1) einen weiteren Halbleiterchip (31) aufweist, der zum Empfangen von Strahlung vorgesehen ist; und - die Halbleiterchips (3, 31) jeweils in einer Öffnung (41) des Rahmens angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei auf der Hauptfläche (42) des Rahmens (4) zwischen den Öffnungen (41) ein optisches Entkopplungselement (7, 75) ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei eines der optischen Elemente (5) auf der dem Halbleiterchip (3, 31) zugewandten Seite konvex gekrümmt ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 12, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.