CN103797580B - 用于制造多个光电子器件的方法和光电子器件 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于制造多个光电子器件（1）的方法，所述方法具有下述步骤：a）提供连接载体复合件（20）；b）将多个半导体芯片（3，31）设置在所述连接载体复合件（20）上；c）将具有多个开口（41）的框架复合件（40）相对于连接载体复合件（20）定位，使得将半导体芯片（3，31）分别设置在开口（41）中的一个中；d）将多个光学元件（5）相对于框架复合件（40）定位，使得光学元件遮盖开口；和e）将连接载体复合件连同框架复合件和光学元件分割成多个光电子器件，使得每个光电子器件具有带有至少一个光电子半导体芯片的连接载体（2）、带有至少一个开口的框架（4）和至少一个光学元件。此外提出一种光电子器件。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于制造多个光电子器件的方法和一种光电子器件。
发明内容
例如透镜的光学元件和例如半导体芯片的光电子部件的组合通常需要相对复杂的制造工艺。一个目的是，提出一种制造方法，借助所述制造方法能够以简单且可靠的方式制造分别具有至少一个光学元件的多个光电子器件。此外，应提出一种光电子器件，所述光电子器件能够简单且可靠地制成并且其特征在于良好的光电子特性。
所述目的通过一种用于制造多个光电子器件的方法和一种光电子器件来实现。
在一个实施形式中，在用于制造多个光电子器件的方法中提供连接载体复合件。将多个半导体芯片设置在连接载体复合件上。将具有多个开口的框架复合件相对于连接载体复合件定位，使得将半导体芯片分别设置在开口中的一个中。将多个光学元件相对于框架复合件定位，使得光学元件遮盖开口。将连接载体复合件连同框架复合件和光学复合件分割成多个光电子器件，使得每个光电子器件具有带有至少一个光电子半导体芯片的连接载体、带有至少一个开口的框架和至少一个光学元件。
优选地，以光学复合件提供光学元件。光学元件的定位尤其能够在连续的光学复合件中进行，使得光学元件同时能够与多个半导体芯片相关联。
该方法不一定必须以上面列出的顺序进行。例如，在将框架复合件相对于连接载体复合件定位之前，能够将尤其呈光学复合件的形式的光学元件相对于框架复合件定位并且还固定在所述框架复合件上。此外，在将多个半导体芯片设置在连接载体复合件上之前，能够实现框架复合件相对于连接载体复合件的定位。
光学复合件能够在分割成光电子器件时被分割。优选地，在将连接载体复合件分割成多个光电子器件时，在共同的分割步骤中割开光学复合件、连接载体复合件和框架复合件。割开例如能够机械地、例如借助于锯割来进行。
该方法适合于制造具有一个或多个半导体芯片的光电子器件。此外，器件能够具有一个或多个开口。每个开口能够与刚好一个半导体芯片相关联。然而，在一个开口中也能够设置有多于一个半导体芯片。
在一个优选的设计方案中，借助于连接片将光学复合件中的至少两个光学元件彼此连接。连接片通常理解为两个光学元件之间的连接元件，所述连接元件基本上用于光学元件的机械连接并且尤其本身不实现光学功能。特别地，连接片在光学复合件的俯视图中能够至少在横向方向上、即在沿光学复合件的主延伸平面中伸展的方向上具有比光学元件中的一个更小的延展。
在分割光学复合件时，优选割开连接片。在制成的器件中，连接片与在横向方向上对光电子器件限界的侧面齐平。
在另一优选的设计方案中，光电子器件分别具有至少两个光学元件，其中优选割开光学复合件，使得一个器件的光学元件分别完全地彼此分开。完全地彼此分开在本文中表示：一个器件的光学元件构成为单独的元件，所述元件还优选在横向方向上彼此间隔开。因此，能够避免或至少减少通过一个器件的两个相邻的光学元件之间的连续的连接引起的光学串扰。
在一个优选的设计方案中，光学元件在将光学复合件定位时伸入到框架复合件的开口中。优选的是，光学元件在朝向框架复合件的一侧上和框架复合件的开口彼此匹配，使得光学元件在引入到开口中时相对于开口以预设的方式定位，尤其定心。因此实现了光学元件相对于框架复合件的开口的自校准。光学元件的光学轴线在该情况下在器件的俯视图中优选伸展穿过中点或基本上穿过开口的中点。
因此，以简单的方式确保：光学元件能够可靠地设置并且后续地固定在相对于框架复合件精确限定的位置中。
此外，光学元件的伸入到开口中的部分的横截面在朝连接载体的方向上减小。光学元件相对于框架的定向因此能够简化地以自校准的方式构成。
根据一个实施形式，光电子器件具有连接载体，在所述连接载体上固定有至少一个光电子半导体芯片。在连接载体上设置有框架。该框架具有开口，所述开口从背离连接载体的主面起沿朝连接载体的方向延伸并且在所述开口中设置有半导体芯片。在框架上设置有光学元件，所述光学元件尤其完全地遮盖开口。
光学元件优选在框架的背离连接载体的一侧上封闭器件。因此，光学元件能够用于射束引导并且同时用于保护半导体芯片例如免受机械负荷。
在一个优选的设计方案中，光学元件至少局部地延伸至在横向方向上对光电子器件限界的侧面。因此，光学元件与光电子器件的侧面齐平。因此在制造时，能够简单地在分割光电子器件时从具有多个连续的光学元件的光学复合件中得出光学元件。
此外，连接载体和框架至少在横向方向上、优选全方位地彼此齐平。
此外优选的是，光电子器件构成为可表面安装的器件(表面贴装器件，SMD)。优选地，连接载体在与光学元件相对置的一侧上封闭光电子器件。因此，框架构成在连接载体的仅一侧上。外部的电接触能够在连接载体的背离半导体芯片的一侧上进行。
连接载体例如能够构成为电路板、例如印刷电路板(printed circuit board，PCB)。
在另一优选的设计方案中，在光学元件和半导体芯片之间的光路在不具有包围半导体芯片的包封物的情况下构成。因此，光路在元件和半导体芯片之间具有自由射束区域。光学元件在光电子器件的俯视图中遮盖半导体芯片进而保护半导体芯片免受如机械负荷、湿气或灰尘的外部影响。因此能够弃用半导体芯片的用作为封装件的包封物。
在另一优选的设计方案中，开口自框架的主面起在朝连接载体的方向上至少局部地渐缩。在制造光电子器件时，光学元件相对于框架的开口的定心由此被简化。
在另一优选的设计方案中，开口具有底切部。因此在孔口相同的情况下能够扩大开口中的提供用于安装半导体芯片的空间。
在另一优选的设计方案中，半导体芯片设置用于产生辐射。此外优选的是，器件具有设置用于接收辐射的另一半导体芯片。半导体芯片分别设置在框架的开口中。因此，借助于框架将半导体芯片光学上彼此分开。光电子器件例如能够构成为接近传感器，其中另一半导体芯片检测由半导体芯片所产生的且在器件之外的目标物体处向回反射的辐射。
在一个优选的改进形式中，在框架的主面上，在开口之间构成有光学脱耦元件。光学脱耦元件设置用于减少在半导体芯片和另一半导体芯片之间的光学串扰。光学脱耦元件能够构成为分隔片(Trennsteg)，所述分隔片在竖直方向上从框架的主面起远离连接载体延伸。分隔片尤其能够与框架一件式地构成。连接片的主延伸方向在横向方向上优选横向于或垂直于半导体芯片和另一半导体芯片之间的连接线伸展。
替选地或补充地，框架的主面能够被吸收材料覆盖。特别地，吸收材料能够覆盖框架的主面的露出的部分、即覆盖主面的没有被一个或多个光学元件所覆盖的部分。
光学元件优选伸入到开口中。因此能够扩大厚度、即光学元件沿着其光学轴线的延展，而不会提高器件的竖直的延展。
在另一优选的设计方案中，光学元件在朝向半导体芯片的一侧上凸形地弯曲。
在一个优选的改进形式中，光学元件的最大高度具有开口的最大横截面延展的0.2倍，优选为开口的最大横截面延展的0.5倍。特别地，光学元件的伸入到开口中的部分至少局部地具有球形的基本形状。
在更上面描述的方法尤其适合于制造上面描述的光电子器件。结合方法所详述的特征因此也能够考虑用于光电子器件并且反之亦然。
附图说明
从实施例的下面的描述中结合附图得出另外的特征、设计方案和适宜方案。
附图示出：
图1A至1I借助于示意示出的中间步骤示出用于制造多个光电子器件的方法的一个实施例的剖面图(图1A、1B、1D、1F、1G)和俯视图(图1C、1E、1H、1I)；和
图2至4分别示出光电子器件的一个实施例的示意剖面图。
具体实施方式
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
附图和附图中示出的元件彼此间的尺寸比例不能够视为是合乎尺寸的。更确切地说，为了更好的可视出性和/或为了更好的理解能够夸张大地示出个别元件。
在图1A至1I中示意地示出用于制造多个光电子器件的方法的一个实施例。该方法借助于分别具有半导体芯片3和另一半导体芯片31的光电子器件的制造来示例地描述。如在图1A中示出，半导体芯片3、31设置在连接载体复合件20上并且固定在其上。用于在半导体芯片和连接载体复合件之间建立机械连接和电连接的细节为了简化的视图而没有在图1A中示出并且结合图2详细阐明。
连接载体复合件20例如能够构成为电路板、尤其印刷电路板(printed circuitboard，PCB)或构成为具有金属芯的印刷电路板(metal core printed circuit board，MCPCB)。
如在图1B中示出，具有多个开口41的框架复合件40设置在连接载体复合件20上并且固定在其上，例如借助于固定层(在图1B中没有明确地示出)。开口在竖直方向上完全地延伸穿过框架复合件40。
框架复合件40例如能够构成为塑料体。例如，框架复合件能够借助于注塑方法(injection molding)或模塑方法(transfer molding)来制造。框架复合件为预制的、连续的元件。
在图1C中示出框架复合件40的一部分的示意俯视图，其中图1B示出沿着线A-A’的所属的剖面图。在稍后分割成各个器件时，从图1C中示出的框架复合件40中得出用于四个器件1的四个框架4。
在图1E中示出光学复合件50的一部分的示意俯视图并且在图1D中示出沿着线B-B’的所属的剖面图。光学复合件50具有多个光学元件5。为了简化地同时将光学元件定位，光学复合件50优选构成为连续的复合件。因此，光学元件以预制的形式提供。因此不需要借助于浇注材料在开口41中构成光学元件的方法步骤。
优选地，光学元件5含有透明的或至少半透明的塑料或者由这种材料制成。在所示出的实施例中，与半导体芯片3相关联的光学元件和与另一半导体芯片31相关联的光学元件不同。因此，能够彼此无关地为半导体芯片3、31设定射束造型。与此不同的是，光学元件也能够构成为是相同类型的。
在图1E中示出的实施例中，光学元件5部分地经由连接片51彼此连接。光学复合件50优选地一件式地构成为具有连接片51和光学元件5。与光学元件5不同的是，连接片51在制成的器件中不必满足光学功能，而是在制造时尤其用于将多个光学元件相对于半导体芯片3、31简化的同时定位。
因此光学复合件相对于框架复合件40定位成，使得光学元件5分别与开口41相关联(图1F)。因此光学元件构成为，使得其部分地伸入到开口41中。此外，光学元件5在朝向框架复合件40的一侧上渐缩。
框架复合件40具有背离连接载体复合件20的主面42。开口41从主面42起在朝连接载体复合件20的方向上渐缩。因此简化地确保在组合光学复合件50和框架复合件40时将光学元件尤其在结合光学元件的渐缩的设计方案的情况下定位成，使得光学元件5的光学轴线9总是相对于开口41居中地伸展。此外，光学轴线9优选分别延伸穿过半导体芯片3或另一半导体芯片31。
与所描述的实施例不同的是，在将框架复合件固定在连接载体复合件20上之前，也能够将光学复合件50相对于框架复合件40定位并且还固定在其上。
此外也能够考虑的是，还在将半导体芯片3、31固定在连接载体复合件上之前，能够将框架复合件40设置在连接载体复合件20上。
在组合连接载体复合件20、框架复合件40和光学复合件50之后，将它们分割成多个光电子器件。
在图1H中示出被分割的器件的示意俯视图，并且在图1G中示出沿着线C-C’的所属的剖面图。
制成的器件具有作为连接载体复合件20的一部分的连接载体2和作为框架复合件40的一部分的框架4。器件1在横向方向上通过在分割时形成的侧面11限界。分割例如能够借助于机械方法、例如借助于锯割或借助于激光分离方法来进行。
连接载体2和框架4在侧面11上沿着器件1的整个环周彼此齐平。此外优选的是，光学复合件50的至少一部分、在所示出的实施例中为光学元件5和连接片51延伸至侧面11。
因此，制成的器件具有两个光学元件，其中光学元件中的至少一个与连接片51连接，所述连接片与在横向方向上对光电子器件限界的侧面齐平。
器件1的光学元件5在制成的器件中构成为单独的元件。因此，在所述光学元件之间不存在直接的连接。因此，降低半导体芯片3、31之间的光学串扰的危险。
借助所描述的方法，能够以简单的且可靠的方式同时制造多个光电子器件，其中器件在从复合件分割时已经分别具有至少一个光学元件。
特别地，能够这样实施制造，使得能够分别以预制形状的复合件提供连接载体2、框架4和光学元件5并且能够在共同的步骤中分割。
该方法的特征还在于对同时制造多个器件的简单的可缩放性(Skalierbarkeit)，由此简化批量生产。在图1I中例如示出具有64个光学元件5的矩阵状的布置的光学复合件50的俯视图。在沿着格栅状伸展的分隔线6分割成器件时，从中形成分别具有两个光学元件5的32个器件。
为了将光学复合件50相对于框架复合件40简化地、可靠地定位而优选设有定位元件65。定位元件例如能够分别构成为孔，销接合到所述孔中。
不言而喻，借助所描述的制造方法也能够制造具有仅一个光学元件5和/或仅一个半导体芯片3的器件。此外，在开口41中也能够设置有多于一个半导体芯片。
在图2中示出光学器件的一个实施例的示意剖面图。
图2示出图1G中所示出的器件的细节图。因此，已经结合图1A至1I描述的特征也能够应用于该实施例并且就此点不明确详述。
所示出的光电子器件1在该实施例中构成为接近传感器。器件具有带有设置用于产生辐射的有源区域30的半导体芯片3。此外，器件具有带有另一有源区域310的另一半导体芯片31，所述另一半导体芯片设置用于检测由半导体芯片3所产生的且在器件之外的目标物体处向回反射的辐射。半导体芯片3、31分别设置在连接载体2的连接面21上并且与其电连接。
导体芯片3、31分别经由连接层35、例如焊料或能导电的粘结剂与连接面21连接。
此外，连接载体分别具有另一连接面22，所述另一连接面在所示出的实施例中分别经由连接导体36、例如接合线与导体芯片3、31导电地连接。
连接载体2还具有贯通接触部25，连接面21、22经由所述贯通接触部与设置在器件1的安装面12上的第一外部接触部26或者第二外部接触部27导电地连接。因此，光电子器件1构成为可表面安装的器件，所述可表面安装的器件能够在后侧上、即在其在朝器件的横向方向上伸展的安装面12的一侧上接触。
半导体芯片3、31的接触和连接面21、22的设计方案仅示例地被描述。例如，替选地，也能够应用以倒装芯片几何形状构成的半导体芯片，使得半导体芯片具有两个下侧的接触部。此外，半导体芯片也能够设置在连接载体2的没有与外部电接触部连接的面上。此外，外部的接触部26、27中的至少一个对于半导体芯片3和另一半导体芯片31而言也能够用作为共同的接触部、例如共同的接地接触部。
框架4借助于固定层8、例如粘结层固定在连接载体2上。根据对光电子器件1的发射特性或检测特性的要求，能够用吸收材料、例如黑色材料覆盖框架、尤其是覆盖开口41的内面410。因此，在接近传感器中能够降低检测例如由于设置在光电子器件下游的覆盖件、例如玻璃盘的反射所引起的不期望的散射辐射的危险。
替选地或补充地，框架4也能够由吸收材料、例如黑色塑料制成。
在开口41中分别构成有环绕的孔口45，所述孔口在竖直方向上与连接载体2间隔开。孔口45限定辐射锥，在所述辐射锥中，半导体芯片3所发射的辐射直接地、即在没有在开口41的内面411上反射的情况下从器件1中射出或者从在器件之外出现的辐射直接地射到另一半导体芯片上。
开口41在主面42和孔口45之间朝连接载体2渐缩。在制造时，通过孔口的倾斜的设计方案简化光学元件5相对于框架4的精确的定位。因此，框架4一方面限定用于半导体芯片的孔口并且同时用于对光学元件的简化的定位。
开口41在孔口45和连接载体2之间具有底切部411。借助于底切部能够与孔口45的横截面无关地设定提供用于半导体芯片3、31的安装面积。
在框架4的背离连接载体2的一侧上借助于另一固定层85、例如粘结层固定光学元件5。光学元件5在朝向半导体芯片3、31的一侧上并且在背离半导体芯片的一侧上凸形地弯曲。光学元件5的最大高度、尤其光学元件沿着光学轴线9的厚度优选为开口41的最大横截面延展的至少0.2倍、尤其优选为至少0.5倍。特别地，光学元件5能够局部地、尤其在光学轴线的区域中具有球形的基本形状。根据期望的射束造型能够在宽的范围内改变光学元件的构造。例如，光学元件也能够构成为菲涅尔透镜。
半导体芯片3、31以不具有包围半导体芯片的包封物的方式构成。借助于光学元件5实现在背离连接载体2的一侧上保护半导体芯片。能够省去用于构成包封物的附加的制造步骤。此外，能够避免包封物对半导体芯片3、31和连接载体2之间的连接造成机械负荷或包封物对器件的光学特性产生不利影响的危险。
但是也能够考虑设有用于封装半导体芯片的包封物的应用。
图3中示出的另一实施例基本上相应于结合图2所描述的实施例。与此不同的是，在框架4的主面42上构成有呈吸收材料7的形式的光学脱耦元件。吸收材料7优选吸收所入射的辐射的至少80％、尤其优选至少90％。因此，尽可能地避免器件1之内的半导体体芯片3、31之间的光学串扰。吸收材料优选施加到主面42的没有被光学元件5覆盖的区域上。
与图3中示出的实施例不同的是，在图4中示出的实施例中，光学脱耦元件以分隔片75的形式构成。分隔片75优选构成为框架4的突起，所述突起从主面42起远离框架4延伸。在横向方向上，分隔片75的主延伸方向垂直于半导体芯片3和另一半导体芯片31之间的连接线伸展。优选的是，分隔片与框架4一件式地构成。但是与此不同的是，分隔片也能够构成为单独的、尤其预制的元件，所述元件固定在框架4上。
设置用于产生辐射的半导体芯片3、尤其是有源区域30优选基于III-V族化合物半导体材料。优选的是，半导体芯片设置用于产生近红外的、例如具有700nm和1.5μm之间的峰值波长的辐射，其中包括边界值。
另一半导体芯片31尤其能够基于硅。例如，另一半导体芯片31能够构成为光电二极管、构成为光电晶体管或构成为具有光敏区域的应用特定的、集成电路(ASIC)。
此外，器件1也能够具有多于一个辐射接收器，其中辐射接收器优选设置用于接收在彼此不同的光谱范围中的辐射。例如，另一辐射接收器能够构成为环境光传感器。所述另一辐射接收器能够集成到半导体芯片31中或者构成为单独的半导体芯片。
由于光学元件的集成，所描述的光电子器件的特征在于在结构紧凑的同时的良好的光电子特性。在制造时的光学元件的定位尤其以自校准的方式能够以高的校准精度同时针对多个器件来进行，由此能够降低制造成本。
本专利申请要求德国专利申请10 2011 113 483.6的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
在此描述的发明不由于借助于实施例进行的描述而受限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意的组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意的组合，即使该特征或者该组合本身在权利要求或实施例中没有明确地说明时也如此。
Claims (12)
1.一种用于制造多个光电子器件(1)的方法，所述方法具有下述步骤：
a)提供连接载体复合件(20)；
b)将多个半导体芯片(3，31)设置在所述连接载体复合件(20)上；
c)将具有多个开口(41)的框架复合件(40)相对于所述连接载体复合件(20)定位，使得将所述半导体芯片(3，31)分别设置在所述开口(41)中的一个中；
d)将以连续的、由透明的或至少半透明的材料制成的光学复合件提供的多个光学元件(5)相对于所述框架复合件(40)定位，使得所述光学元件遮盖所述开口；和
e)将所述连接载体复合件连同所述框架复合件和所述光学元件分割成多个光电子器件，使得每个光电子器件具有带有至少一个光电子半导体芯片的连接载体(2)、带有至少一个开口的框架(4)和两个光学元件，其中将所述光学复合件、所述连接载体复合件和所述框架复合件在共同的分割步骤中割开，并且将所述光学复合件割开，使得一个器件的所述光学元件分别完全地彼此分开。
2.根据权利要求1所述的方法，其中借助于连接片(51)将所述光学复合件中的至少两个光学元件彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述光学元件在步骤d)中伸入到所述开口中。
4.根据权利要求中1或2所述的方法，其中在步骤e)中借助于锯割来进行分割。
5.一种光电子器件(1)，具有连接载体(2)，在所述连接载体上固定有至少一个光电子半导体芯片(3，31)，其中
-在所述连接载体(2)上设置有框架(4)；
-所述框架(4)具有开口(41)，所述开口从背离所述连接载体(2)的主面(42)起沿朝所述连接载体(2)的方向延伸并且在所述开口中设置有所述半导体芯片(3，31)；
-所述器件具有两个光学元件，其中所述光学元件(5)中的一个设置在所述框架上并且遮盖所述开口(41)；-两个所述光学元件完全地彼此分开；
-所述光学元件中的至少一个与连接片(51)一件式构成并且由透明的或至少半透明的材料制成，所述连接片与在横向方向上对所述光电子器件限界的侧面齐平；以及
-所述连接片在横向方向上具有比所述光学元件中的一个更小的延展。
6.根据权利要求5所述的光电子器件，其中所述光学元件(5)至少局部地延伸至在横向方向上对所述光电子器件(1)限界的侧面(11)。
7.根据权利要求5或6所述的光电子器件，其中所述光学元件伸入到所述开口中。
8.根据权利要求5或6所述的光电子器件，其中在所述光学元件(5)和所述半导体芯片(3，31)之间的光路在不具有包围所述半导体芯片的包封物的情况下构成。
9.根据权利要求5或6所述的光电子器件，其中所述开口从所述框架的主面起在朝所述连接载体的方向上至少局部地渐缩。
10.根据权利要求5或6所述的光电子器件，其中
-所述半导体芯片(3)设置用于产生辐射；
-所述器件具有设置用于接收辐射的另一半导体芯片(31)；和
-所述半导体芯片(3，31)分别设置在所述框架的开口中。
11.根据权利要求10所述的光电子器件，其中在所述框架的主面上，在所述开口之间构成有光学脱耦元件(7，75)。
12.根据权利要求5或6所述的光电子器件，其中所述光学元件在朝向所述半导体芯片的一侧上凸形地弯曲。
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