DE10043483A1 - Optisches Sendemodul - Google Patents

Optisches Sendemodul

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Sendemodul, das mindestens einen ersten Halbleiterchip aufweist, der jeweils mindestens ein vertikales Licht emittierendes Halbleiterbauelement, das zum Senden von Daten und/oder Signalen ausgelegt ist, das mindestens einen zweiten Halbleiterchip, welcher eine Halbleiterschaltvorrichtung, die zum Schalten des vertikalen Licht emittierenden Halbleiterbauelementes vorgesehen ist, aufweist, wobei der/die ersten Halbleiterchip(s) und der/die zweiten Halbleiterchip(s) zusammen in einem einzigen Gehäuse eingebettet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sendemodul auf Halblei­ terbasis.
Optische Sendemodule auf Halbleiterbasis, wie etwa Infrarot­ dioden, werden in zahlreichen technischen Anwendungsbereichen zur Übertragung von Signalen und Daten, z. B. als Türöffner in Kraftfahrzeugen, in Fernbedienungen für TV-, Video- und Hifi- Geräten, zur Datenübertragung von programmgesteuerten Einhei­ ten zu Peripheriegeräten und dergleichen, eingesetzt.
Für die optische Datenübertragung mittels Dioden wird heute vorwiegend der weit verbreitete IRDA-Standard eingesetzt. Ein Vorteil dieses Standards besteht darin, dass bei Batteriege­ räten eine besonders effiziente Leistungsausnutzung der op­ tisch emittierten Leistung erzielt werden kann, indem ein verbessertes Verfahren zur Bereitstellen optimierter Pulswei­ ten zur Verfügung steht. Dadurch wird sowohl die Reichweite der Datenübertragung, die Batterielebensdauer und auch die Übertragungsqualität verbessert.
Zur Datenübertragung gemäß dem vorstehend genannten Standard werden heute vorwiegend Infrarot Leuchtdioden (IR-LED), wel­ che durch LPE- und MOVPE-Verfahren herstellbar sind, einge­ setzt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades weisen diese opti­ schen Dioden typischerweise eine im Gehäuse integrierte Linse zum Fokussieren der emittierten Strahlung auf.
In modernen Schaltungsanordnungen zur optischen Datenübertra­ gung ist in der Regel ein erster Halbleiterbaustein mit einer Treiberstufe, wie etwa ein Bipolar-Transistor, mit einem zweiten Halbleiterbaustein mit einer Sendediode verbunden. Allerdings sind bislang die Treiberstufe und die Sendediode in getrennten Gehäuse angeordnet, die extern auf der Platine miteinander verschaltet sind. Der gesamte Platzbedarf der Schaltungsanordnung auf der Platine wird dadurch verhältnis­ mäßig groß, was neben dem Montagemehraufwand auch mit hohen Kosten aufgrund der beiden diskret voneinander getrennten Bauteilen verbunden ist.
Es besteht nun der Bedarf, zum einen diese Schaltungsanord­ nung hinsichtlich der Sendeleistung und des Batterie­ verbrauchs noch weiter zu verbessern. Zum anderen soll auch der Platzbedarf bekannter Schaltungsanordnungen zur optischen Datenübertragung möglichst verringert werden.
Mit bekannten Schaltungsanordnungen zur Datenübertragung be­ stehend aus einem Leistungstreiber-Baustein und einem Sende­ dioden-Baustein lassen sich Verbesserungen durch Reduktion der Breite der Lichtpulse nur schwer erzielen. Zum einen sind die Schaltzeiten typischerweise eingesetzter Treiberbausteine sehr groß, zum anderen sind die bekannten IR-LED-Dioden mit vorgeschalteten Halbleiterschaltern nicht in der Lage, aus­ reichend kurze Lichtimpulse mit einer Pulsbreite von weniger als etwa 5000 ns zu erzeugen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber bekannten Sendemodulen zur Datenübertragung verbessertes optisches Sendemodul bereitzustellen, welches einen optimierten Wirkungsgrad aufweist. Ferner soll das Sen­ demodul möglichst klein ausbildbar und damit gut in bestehen­ de Systeme integrierbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Sendemodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Demgemäss ist ein optisches Sendemodul vorgesehen, das ge­ kennzeichnet ist durch mindestens einen ersten Halbleiter­ chip, der jeweils mindestens ein vertikales, Licht emittierendes Halbleiterbauelement, das zum Senden von Daten und/oder Signalen ausgelegt ist, aufweist, durch mindestens einen zweiten Halbleiterchip, welcher eine Halbleiterschalt­ vorrichtung, die zum Schalten des vertikalen Licht emittie­ renden Halbleiterbauelementes vorgesehen ist, aufweist, wobei der/die ersten Halbleiterchip(s) und der/die zweiten Halblei­ terchip(s) zusammen in einem einzigen Gehäuse eingebettet sind.
Geeignete optische Halbleitersendeelemente sind vorzugsweise in vertikaler Richtung emittierende Dioden, insbesondere ver­ tikale Licht emittierende Laserdioden. Solche Laserdioden sind auch als VCSEL-Dioden (vertical-cavity surface-emitting Laser) bekannt. Der Aufbau einer VCSEL-Laserdiode ist bei­ spielsweise in der DE 198 39 305 A1 beschrieben. VCSEL-Dioden weisen einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine kurze Schaltzeit von vorzugsweise weniger als 10 ns auf. VCSEL- Dioden sind im Gegensatz zu den meisten optischen Dioden, wie den LPE-Dioden oder den MOVPE-Dioden, die sehr temperaturemp­ findlich sind, thermisch überaus robust.
Insbesondere wenn die Halbleiterschaltvorrichtung bei einer sehr hohen Schaltfrequenz betrieben wird, erwärmt sich diese signifikant, dass heißt um einige zehn bis hundert Grad Cel­ sius. Beispielsweise liegt im Fall von Leistungs-MOSFETs die Betriebstemperatur bei etwa 125°C. Während eine derartige Er­ wärmung in der Umgebung üblicherweise verwendeter optischer Dioden zum Ausfall dieser Bauelemente führen würde, hat eine derartige Temperaturerhöhung nahezu keine Auswirkung auf die Funktionsweise und den Betrieb einer VCSEL-Dioden. Die erfin­ dungsgemäßen Halbleiterbauelemente lassen sich somit sehr gut in einem einzigen Gehäuse integrieren, wodurch ein großer Schritt bei der weiteren Miniaturisierung solcher Sendemodule erreicht wird. Derartige optische Sendemodule lassen sich da­ mit auch - selbstverständlich - sehr viel kostengünstiger als bisherige optische Sendemodule herstellen. Näherungsweise werden dadurch die bisher erforderlichen Logistik- und Monta­ gekosten zumindest halbiert.
Ein weiterer Vorteil von VCSEL-Dioden besteht in einer ver­ schwindend geringen Degradation, wodurch das erfindungsgemäße Sendemodul vorteilhafterweise über die gesamte Lebensdauer nahezu ohne Beeinträchtungung dessen Funktionalität bzw. des­ sen Leistung betreibbar ist.
Die Erfindung sei jedoch nicht auf als VCSEL-Laserdioden aus­ gebildete optische Sendeelemente beschränkt. Vielmehr wäre auch jede andere (vertikal emittierende) Sendediode, bei­ spielsweise die sogenannte RCLED-Diode (resonant-cavity light-emitting diode), verwendbar, wenngleich diese auch nicht so vorteilhaft sind wie eine als VCSEL-Diode ausgebil­ dete Sendediode.
Das optische Sendemodul kann ein oder mehrere Halbleiterchips enthalten, die jeweils eine oder mehrere in dem jeweiligen Halbleitersubstrat integrierte, optische, vertikal emittie­ rende Sendedioden aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die beiden Halbleiterchips zusammen auf einem gemeinsamen Leadframe angeordnet.
Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise ein Gießgehäuse oder ein Molding-Gehäuse, insbesondere ein Gießgehäuse oder ein Mol­ ding-Gehäuse aus einem Werkstoff, das zumindest teilweise für sichtbares Licht und/oder Infrarot-Licht durchlässig ist. Als Gehäusetechnologie lässt sich ganz besonders bevorzugt die bei der Firma Infineon Technologies AG eingesetzte CoolSET- Technologie oder Duopack-Technologie einsetzen. Das Gehäuse des optischen Sendemoduls ist vorzugsweise auch in bekannter SMD-Bauweise ausbildbar.
Durch die Verwendung einer im Gehäuse integrierten, vertikal emittierenden Laserdiode kann vorteilhafterweise auf optische Mittel zur Strahlfokussierung, wie zum Beispiel einer Linse, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, verzichtet werden. Es ergibt sich dadurch ein besonders platzsparendes optisches Bauelement.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn dem Werkstoff des Gehäuses ein Diffusormaterial beigemischt ist. Über die Konzentration des Diffusors, der zum Beispiel Car­ bonpulver enthalten kann, welches dem Material des Gehäuses beigemischt wird, läßt sich der Halbwinkel bzw. die Divergenz der Abstrahlung gezielt und definiert einstellen. Auf diese Weise läßt sich eine mehr oder weniger ideale Abstrahlcharak­ teristik einstellen. Die Abstrahlcharakteristik hängt von vielen Parametern - zum Beispiel der gewünschten Anforderung, dem Sendemodul, der Sendeleistung, etc. - ab. Bei Optimierung der Abstrahlcharakteristik läßt sich vorteilhafterweise auch die erforderliche Sendeleistung optimieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zusätzlich zu dem vertikalen, Licht emittierenden Halbleiterbauelementes auch noch mindestens ein weiteres optisches Halbleiterbauelement, zum Beispiel eine einfache LED-Diode, in dem Gehäuse mitin­ tegriert sein.
Bei der Halbleiterschaltvorrichtung handelt es sich vorzugs­ weise um einen Leistungshalbleiterschalter. In einer beson­ ders vorteilhaften und einfachen Ausgestallung ist die Halb­ leiterschaltvorrichtung als MOSFET ausgebildet. Denkbar wären hier alle MOSFET-Typen, also p-Kanal und n-Kanal MOSFETs so­ wie Anreicherungs-MOSFETs und Verarmungs-MOSFETs. Besonders bevorzugt sind die von der Firma Infineon Technologies AG vertriebenen CoolMOS-Halbleiterbauelemente. MOSFETs eignen sich insbesondere aufgrund deren hoher Schaltgeschwindigkeit von weniger als etwa 50 ns, so dass sich Lichtpulse einer Breite von weniger als 500 ns erzeugen lassen. MOSFETs weisen auch eine geringe Schaltenergie sowie eine sehr geringe Ver­ lustleistung auf, so dass insbesondere bei Systemen mit loka­ ler Energieversorgung ein batterieschonender Betrieb ermög­ licht wird.
Darüberhinaus könnten zum Schalten bzw. zum Treiben des opti­ schen Sendeelementes auch gewöhnliche Bipolartransistoren, IGBTs, Thyristoren, Triacs oder ähnliche zum Schalten ausge­ legte Halbleiterbauelemente verwendet werden, wenngleich die­ se auch nicht so vorteilhaft sind wie MOSFETs.
Die Halbleiterschaltvorrichtung kann sowohl als sogenannter High-Side-Schalter als auch als Low-Side-Schalter ausgebildet sein. Als Halbleiterschaltvorrichtung könnte jedoch auch jede andere mehr oder weniger komplexe Treiberschaltung, zum Bei­ spiel eine Vollbrücken- oder Halbbrückenschaltung, verwendet werden. Denkbar wäre auch eine Logikschaltung oder eine pro­ grammgesteuerte Einheit - zum Beispiel ein Mikroprozessor - die eine Ausgangstreiberschaltung aufweisen und die das opti­ sche Sendeelemente nach Maßgabe der programmierten Logik bzw. des in ihr enthaltenen Programmes entsprechend ansteuern.
Für den Fall, dass es sich bei der Halbleiterschaltvorrich­ tung um einen MOSFET handelt, kann dieser zweckmäßigerweise mit einer integrierten Freilaufdiode, die paralell zur Last­ strecke des MOSFETs angeordnet ist, ausgestattet sein.
Geeignete Halbleiterschaltvorrichtungen zur Erzeugung von Strom- und/oder Spannungsimpulsen zur Ansteuerung der Sende­ module sind vorzugsweise dazu ausgelegt, rechteckförmige Im­ pulse mit einer Pulsbreite von weniger als etwa 800 ns, ins­ besondere weniger als etwa 400 ns, zu erzeugen.
Das vertikale, Licht emittierende Halbleiterbauelement und die Halbleiterschaltvorrichtung sind innerhalb des Gehäuses typischerweise mittels Bonddrähten elektrisch miteinander verbunden. Deren Anschlüsse für ein Versorgungspotential so­ wie der Steueranschluss der Halbleiterschaltvorrichtung sind extern mit nach außen führenden Kontaktstiften elekrisch ver­ bunden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschrei­ bung und den Figuren entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung für den Aufbau des er­ findungsgemäßen optischen Sendemoduls;
Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele für die Realisierung einer Halbleiterschaltvorrichtung zur Ansteuerung der opti­ schen Sendediode;
Fig. 3 zwei Ersatzschaltbilder eines erfindungsgemäßen Sen­ demoduls zum Senden von Signalen.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktions­ gleiche Elemente - sofern nichts anderes gesagt wird - mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung für den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Sendemoduls. In Fig. 1 ist mit 1 das optische Sendemodul 1 bezeichnet. Das optischen Sendemodul 2 enthält zwei Halbleiterchips 2, 3.
Der erste Halbleiterchip 2 umfasst eine vertikale Licht emit­ tierende Laserdiode 10, die im vorliegenden Fall als soge­ nannte VCSEL-Diode 10 ausgebildet ist. Der erste Halbleiterchip 2 besteht aus einem Galliumarsenid (GaAs) enthaltenden Halbleitersubstrat. Der zweite Halbleiterchip 3 umfasst eine als n-Kanal Depletion-MOSFET ausgebildete Halbleiterschalt­ vorrichtung 9 zum Schalten der vertikalen Licht emittierenden Laserdiode 10. Der zweite Halbleiterchip 3 besteht üblicher­ weise aus Silicium-Substrat.
Die beiden Halbleiterchip 2, 3 sind erfindungsgemäß auf einem gemeinsamen Leadframe 20 angeordnet und zusammen in einem ge­ meinsamen Gehäuse 4 eingeschlossen. Das Gehäuse 4 besteht ty­ pischerweise aus einem Epoxydharz-Werkstoff oder einem gängi­ gen dunklen Kunststoff, wobei der Werkstoff des Gehäuses 4 zumindest teilweise IR-Licht durchlässig ist. Dem Epoxydharz ist eine Diffusor-Komponente beigemischt, über die je nach Menge des beigemischten Diffusors sich ein Halbwinkel ein­ stellen läßt. Unter dem Halbwinkel ist derjenige Winkel zu verstehen, unter dem das Licht gemessen von seiner Strahl­ quelle seitlich abgelenkt wird. Typischerweise wird ein Halb­ winkel von ±30° eingestellt, um dem industriellen Standard ICE 825 zur Einhaltung der Augensicherheit Genüge zu leisten. Das Gehäuse 4 weist extern nach außen führende Kontaktstifte 17. . .19 auf, die mit den Halbleiterchips 2, 3 elektrisch ge­ koppelt sind.
Die Laserdiode 10 weist einen Katodenanschluss 15 und einen Anodenanschluss 16 auf. Die Halbleiterschaltvorrichtung 10 weist drei Anschlüsse 12. . .14 - zwei Lastanschlüsse 12, 14 und einen Steueranschluss 13 - auf. Ein erster Lastanschluss 14 ist über den Kontaktstift 18 mit einem ersten Versorgungspo­ tential, beispielsweise einem Bezugspotential, beaufschlag­ bar. Der zweite Lastanschluss 12 ist innerhalb des Gehäuses 4 mittels eines Bonddrahtes 11 mit dem Katodenanschluss 15 der Laserdiode 10 verbunden.
Der Steueranschluss 13 der Halbleiterschaltervorrichtung 9 ist über einen weiteren Bondraht 22 mit dem Kontaktstift 17 elektrisch leitfähig verbunden. Im vorliegenden Fall ist der Anschluss 14 als Sourceanschluss 14 ausgebildet, der bei dem Halbleiterchip 3 auf dessen Rückseite angeordnet ist, so dass der Rückseitenkontakt elektrisch leitfähig auf dem Leadframe 20 befestigt ist. Der zweite metallische Kontaktstift 18 ist dann mechanisch mit dem Leadframe 20 und damit auch elekt­ risch mit dem Sourceanschluss 18 verbunden. Eine Bondverbin­ dung ist deshalb hier nicht erforderlich. Der Anodenanschluss 16 der Laserdiode 10 ist elektrisch über einen Bonddraht 21 mit dem dritten Kontaktstift 19, der mit einem zweiten Ver­ sorgungspotential beaufschlagt ist, gekoppelt.
Fig. 2 zeigt zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiele für die Realisierung einer Halbleiterschaltvorrichtung 9 zur Ansteue­ rung der optischen Laserdiode 10. Die Halbleiterschaltvor­ richtung 9 in Fig. 2(a) zeigt einen n-Kanal MOSFET 5 mit Freilaufdiode 7. Fig. 2(b) zeigt eine alternative Halblei­ terschaltvorrichtung 9, die einen p-Kanal MOSFET 6 mit Frei­ laufdiode 7 aufweist. Die Freilaufdioden 7 sind jeweils pa­ rallel zur Laststrecke der MOSFETs 5, 6 angeordnet.
Fig. 3 zeigt zwei mögliche Ersatzschaltbilder des erfin­ dungsgemäßen Sendemoduls 1 zum Senden von Signalen. In Fig. 3(a) ist ein p-Kanal MOSFET 6 als High-Side-Schalter ausge­ führt. Der MOSFET 6 ist hier zum Treiben, d. h. zum Schalten der zwischen dem Bezugspotential GND und dem Drainanschluss D des MOSFET 6 angeordneten Laserdiode 10 ausgelegt. Die Schal­ tungsanordnung in Fig. 3(b) zeigt eine alternative Ausfüh­ rungsform mit einem als n-Kanal-MOSFET 5 ausgebildeten Low- Side-Schalter, bei dem die Laserdiode 10 zwischen dem Drai­ nanschluss D des MOSFET 5 und dem Versorgungspotential Vbb angeordnet ist.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei dem wie beschrieben aufgebauten erfindungsgemäßen optischen Sendemo­ dul ein im Vergleich zum Stand der Technik montagetechnisch geringerer konstruktiver Aufwand erforderlich ist, aber nichts desto trotz zumindest dieselbe Funktionalität bei deutlich geringeren Herstellungskosten erreichbar ist, ohne dass gleichzeitig die Nachteile von optischen Sendemodulen nach dem Stand der Technik in Kauf genommen werden müssen.
Das erfindungsgemäße optische Sendemodul wurden anhand der vorstehenden Beschreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglich zu er­ klären. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung im Rahmen des fachmännischen Handelns in geeigneter Weise in mannigfal­ tiger Art und Weise abwandeln.
Bezugszeichenliste
1
(optisches) Sendemodul
2
Halbleiterchip (aus GaAs)
3
Halbleiterchip (aus Silizium)
4
Gehäuse
5
(n-Kanal) MOSFET
6
(p-Kanal) MOSFET
7
Freilaufdiode
9
Halbleiterschaltvorrichtung
10
optisches Sendeelement, vertikale Licht emittierende Laserdiode, VCSEL-Diode
11
interner Bonddraht
12
Lastanschluss, Lastausgang
13
Steueranschluss
14
Lastanschluss
15
Katodenanschluss
16
Anodenanschluss
17
,
18
,
19
Kontaktstifte
20
Leadframe
21
,
22
Bonddrähte
D Drainanschluss
G Gateanschluss
S Sourceanschluss
GND Bezugspotential
Vbb Versorgungspotential

Claims (11)

1. Optisches Sendemodul (1),
mit mindestens einem ersten Halbleiterchip (2), der jeweils mindestens ein vertikales Licht emittierendes Halbleiter­ bauelement (10), das zum Senden von Daten und/oder Signa­ len ausgelegt ist, aufweist,
mit mindestens einem zweiten Halbleiterchip (3), welcher eine Halbleiterschaltvorrichtung (9), die zum Schalten des vertikalen Licht emittierenden Halbleiterbauelementes (10) vorgesehen ist, aufweist,
wobei der/die ersten Halbleiterchip(s) (2) und der/die zwei­ ten Halbleiterchip(s) (3) zusammen in einem einzigen Ge­ häuse (4) eingebettet sind.
2. Sendemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vertikale Licht emittierende Halbleiterbauelemente (10) als sogenannte vertikale lichtemittierende Laserdioden (10) ausgebildet ist.
3. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die ersten Halbleiterchip(s) (2) und der/die zweiten Halbleiterchip(s) (3) zusammen auf einem einzigen Leadframe (20) befestigt sind
4. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf optisch Mittel zur Strahlfokussierung, die innerhalb des Gehäuses (4) angeordnet sind, verzichtet wird.
5. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstoff des Gehäuses (4) ein Diffusormaterial bei­ gemischt ist.
6. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) als Gießgehäuse oder als Molding-Gehäuse ausgebildet ist.
7. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einen Werkstoff enthält, der zumindest teilweise durchlässig ist für sichtbares Licht- und/oder IR- Licht.
8. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem vertikalen Licht emittierenden Halb­ leiterbauelementes (10) ein LED-Halbleiterbauelement in dem Gehäuse (4) mitintegriert ist.
9. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltvorrichtung (9) als MOSFET (5, 6), insbesondere mit mitintegrierter Freilaufdiode (7), ausgebil­ det ist.
10. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltvorrichtung (9) zur Erzeugung von annähernd rechteckförmigen Impulsen mit einer Impulsbreite von weniger als 800 ns, insbesondere weniger als 400 ns, aus­ gelegt ist.
11. Sendemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastanschlüsse (12, 15) des vertikalen Licht emit­ tierenden Halbleiterbauelementes (10) und der Halbleiter­ schaltvorrichtung (9) innerhalb des Gehäuses (4) miteinander mittels Bonddrähten (11) elektrisch verbunden sind und dass deren Anschlüsse (14, 16) für ein Versorgungspotential (GND, Vbb) sowie ein Steueranschluss (13) der Halbleiterschaltvor­ richtung (9) mit extern nach außen führenden Kontaktstiften (17. . .19) elektrisch verbunden sind.
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