DE10125374C1 - Gehäuse für einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Gehäuse für einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Keramikgehäuses (1) wird zunächst ein Keramikgrundkörper (4) aus einem Keramikboden (2) und aus Seitenteilen (3) hergestellt. Anschließend wird aud den Keramikgrundkörper (4) ein Metallrahmen (7) aufgebracht und ein Fenster (11) auf eine Seitenöffnung (6) aufgelötet. Das Keramikgehäuse (1) wird nach Einbringen eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips in den Keramikgrundkörper (4) mit einem Metalldeckel (12) verschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchip.
Die Erfindung betrifft ferner ein Gehäuse für einen elektro­ magnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchip mit einem trogförmigen Keramikgrundkörper.
Derartige Keramikgehäuse sind allgemein bekannt. Gegenüber Kunststoffgehäusen bieten sie den Vorteil, daß sie sowohl ge­ gen tiefe als auch hohe Temperaturen beständig sind. Während Kunststoffgehäuse bei tiefen Temperaturen verspröden und bei hohen Temperaturen aufweichen, treten bei Keramikgehäusen so gut wie keine Veränderungen der Materialeigenschaften auf.
Keramikgehäuse für Halbleiterchips sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen erhältlich. Bei sogenannten LCC-Keramikge­ häusen ("Leadless Chip Carrier") sind beispielsweise am Ge­ häuse keine nach draußen führenden Kontaktstifte angebracht. Diese Art von Gehäuse ist vielmehr für die SMD-Technik ausge­ bildet.
In WO 87/02 833 A1 liegt ein Multilayergehäuse mit einer Tro­ göffnung vor, dessen nichtleitendes Gehäuse eine seitliche Öffnung aufweist. Die seitliche Öffnung kann eine optische Faser aufnehmen. Mit einer schmelzbaren metallischen Schicht als oberster Schicht des Gehäuses ist vorgesehen, die Trog­ öffnung beispielsweise mit einem Deckel hermetisch zu ver­ schließen.
In JP 61-13 677 A (abstract) wird ein Verfahren zur Herstel­ lung von Halbleitergehäusen beschrieben. Die Gehäuse mit einer Seitenöffnung zur Aufnahme optischer Fasern werden durch Laminieren von Keramiklagen mit Aussparungen und Kerben und anschließendes Zuschneiden gefertigt.
Bislang sind jedoch keine Keramikgehäuse für elektromagneti­ sche Strahlung emittierende Halbleiterchips bekannt, deren Seitenwände für Licht großflächig transparent sind. Solche Keramikgehäuse werden aber benötigt, wenn mehrere optisch ak­ tive Halbleiterchips, wie beispielsweise Halbleiterlaser, in einem Keramikgehäuse angeordnet werden sollen. Denn in diesem Fall muß das Licht von jedem optisch aktiven Bauelement aus durch die Seitenwand des Keramikgehäuses hindurchtreten kön­ nen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kera­ mikgehäusen mit einem Fenster in einer Seitenwand anzugeben und ein für elektromagnetische Strahlung emittierende Halb­ leiterchips geeignetes Keramikgehäuse zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:
  • - Bereitstellen eines trogförmigen Keramikgrundkörpers mit einer Trogöffnung, in dessen einer Seitenwand von der Tro­ göffnung her eine Seitenöffnung ausgebildet ist;
  • - Ausbilden einer die Seitenöffnung umschließenden Befesti­ gungsfläche für ein Fenster durch Anbringen eines die Tro­ göffnung von der Seitenöffnung trennenden Metallteils auf dem Keramikgrundkörper; und
  • - Anbringen des Fensters auf der Befestigungsfläche.
Ein Gehäuse gemäß der Erfindung weist einen trogförmigen Ke­ ramikgrundkörper auf, in dessen einer Seitenwand eine Sei­ tenöffnung ausgebildet ist, die von der Trogöffnung durch ein Metallteil getrennt ist, das zusammen mit Rändern des Kera­ mikgrundkörpers eine Befestigungsfläche bildet, auf der ein Fenster angebracht ist.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst der Kera­ mikgrundkörper ausgebildet. Dieser Keramikgrundkörper weist keine freitragenden keramische Teile mit geringer Material­ stärke auf. Der Keramikgrundkörper weist daher eine große Fe­ stigkeit und Robustheit auf.
Der Rahmen für das Fenster wird von den die Seitenöffnung um­ gebenden Rändern des Keramikgrundkörpers und von dem Metall­ teil gebildet, das nach der Herstellung des Keramikgrundkör­ pers auf diesen aufgebracht wird. Auf diese Weise wird in ei­ ner Seitenwand eine rahmenförmige Befestigungsfläche ausge­ bildet, ohne daß am Keramikgrundkörper freitragende kerami­ sche Teile mit geringer Materialstärke vorhanden sind oder für das Gehäuse eine große Bauhöhe gewählt werden muß. Außer­ dem läßt sich das Metallteil mit Hilfe von herkömmlichen Löt­ prozessen am Keramikgrundkörper befestigen. Es ist daher ohne zusätzlichen Aufwand mit den üblichen Prozessen der Halblei­ terindustrie herstellbar.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird für das Metallteil ein um die Trogöffnung umlaufender Metallrah­ men verwendet.
Durch den Metallrahmen können elektromagnetische Strahlung emittierende Halbleiterchips in das Keramikgehäuse einge­ bracht und dort gebondet werden. Anschließend kann auf den Metallrahmen ein Metalldeckel aufgelegt und mit dem Metall­ rahmen verlötet werden, so daß sich ein hermetisch dichtes Gehäuse für die elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips ergibt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­ genstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige­ fügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsansicht eines Keramikgehäuses;
Fig. 2a bis c aufeinanderfolgende Verfahrensschritte bei der Herstellung des Keramikgehäuses; und
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Keramikgehäuse gemäß der Erfindung.
Das Keramikgehäuse 1 aus Fig. 1 weist einen Keramikboden 2 auf. Die Seitenwände des Keramikgehäuses 1 werden von aufein­ andergestapelten U-förmigen Seitenteilen 3 gebildet. Der Ke­ ramikboden 2 und die Seitenteile 3 bilden zusammen einen Ke­ ramikgrundkörper 4, der insbesondere in den Fig. 2a bis 2c deutlich erkennbar ist. Der Keramikgrundkörper 4 wird herge­ stellt, indem die Seitenteile 3 auf den Keramikboden 2 gesta­ pelt werden und indem anschließend der Keramikboden 2 zusam­ men mit den Seitenteilen 3 zu dem Keramikgrundkörper 4 gesin­ tert wird. Dieses Verfahren ist dem Fachmann bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
Der Keramikgrundkörper 4 weist eine trogförmige Gestalt mit einer Trogöffnung 5 auf. Aufgrund der U-förmigen Gestalt der Seitenteile 3 verfügt der Keramikgrundkörper auch über eine Seitenöffnung 6, die durch einen die Trogöffnung 5 umschlie­ ßenden Metallrahmen 7, der auf den Keramikgrundkörper 4 auf­ gebracht ist, von der Trogöffnung 5 getrennt ist. Auf einer von einer Vorderseite 8 des Keramikbodens 2, von Vorderseiten der Seitenteile 3 und einer Vorderseite 10 des Metallrahmens 7 gebildeten Befestigungsfläche ist ein Fenster 11 ange­ bracht. Der Verschluß des Keramikgehäuses 1 erfolgt schließ­ lich durch einen am Metallrahmen 7 angebrachten Metalldeckel 12.
Das Verfahren zur Herstellung des Keramikgehäuses 1 wird nachfolgend im einzelnen anhand der Fig. 2a bis 2c erläu­ tert.
Zunächst wird der Keramikgrundkörper 4 hergestellt, indem die Seitenteile 3 auf den Keramikboden 2 aufgebracht werden. An­ schließend werden der Keramikboden 2 und die Seitenteile 3 zusammen zu dem Keramikgrundkörper 4 gesintert. Anschließend wird auf den Keramikgrundkörper 4 der Metallrahmen 7 aufgelö­ tet. Dazu eignet sich insbesondere eines der üblichen Hartlo­ te. Derartige Hartlote sind dem Fachmann bekannt und sind nicht Gegenstand der Erfindung.
Daraufhin wird die Seitenöffnung 6 durch das Fenster 11 her­ metisch dicht verschlossen. Dies kann entweder mit Hilfe von Glaslot erfolgen oder mit Hilfe von Metalloten, wobei in die­ sem Fall das Fenster an den auf der Befestigungsfläche aufliegenden Stellen mit einer Metallschicht versehen sein muß, um zu gewährleisten, daß das Metallot das Fenster 11 benetzt.
Das Fenster 11 ist typischerweise aus einem Glas hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikgrundkörpers 4 angepaßt ist. Kommerziell erhältliche Glassorten weisen Ausdehnungs­ koeffizienten zwischen 0,5 und 20 × 10-6/°C auf. Es ist da­ her gut möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Fensters 11 an den Ausdehnungskoeffizienten des Keramikgrund­ körpers 4 anzupassen, denn bei einer Keramik auf der Basis von Al2O3 liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient bei­ spielsweise zwischen 6-6,5 × 10-6/°C.
Das Fenster 11 kann auch mit einer Antireflexionsschicht oder einer Filterschicht beschichtet sein. Ferner ist es möglich, im Fenster 11 Linsen oder auch Führungen oder Flansche für Lichtwellenleiter auszubilden.
Nach dem Anlöten des Fensters 11 kann in den Keramikgrundkör­ per ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halblei­ terchip 13 eingebracht und dort beispielsweise mit Hilfe von Golddrähten 14 gebondet werden. Anschließend kann der Metall­ deckel 12 auf den Metallrahmen 7 aufgelötet werden. Dadurch ergibt sich ein hermetisch dichtes Gehäuse, das über den Ke­ ramikgrundkörpers 4 eine im Vergleich zu Kunststoffgehäusen bessere Wärmeableitung aufweist.
Auf dem Keramikboden 2 können auch Leiterbahnen ausgebildet sein, die zu nicht dargestellten Kontakten auf der Unterseite des Keramikbodens 2 führen. Bei einer abgewandelten Ausfüh­ rungsform sind beispielsweise am Keramikboden zwei Kontakt­ stifte angebracht, die es gestatten, das Keramikgehäuse 1 in eine Leiterplatte einzulöten.
Bei dem Halbleiterchip 13 kann es sich beispielsweise um ei­ nen Laserbarren handeln. Auch ein derartiger breiter Laserbarren kann durch das ausgedehnte Fenster 11 Licht 15 emit­ tieren.
Demnach eignet sich das Keramikgehäuse für Anwendungen in der Automobiltechnik, beispielsweise zur Aufnahme von gepulsten Laserbarren, oder für Anwendungen in der Drucktechnik, da in beiden Umgebungen jeweils hohe Temperaturschwankungen auftre­ ten können, gegen die das Keramikgehäuse 1 unempfindlich ist.
Außerdem ist die Maßhaltigkeit des Keramikgehäuses 1 von be­ sonderem Vorteil. Eine besonders gute Maßhaltigkeit des Kera­ mikgehäuses und des darin eingebrachten Halbleiterchips 13 ergibt sich, wenn der Halbleiterchip 13 auf der Basis eines III-V-Verbindungshalbleiters hergestellt ist, für die Keramik Material auf der Basis von Al2O3 verwendet wird und ein an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepaß­ tes Glas sowie ein an die Keramik angepaßter Deckel, bei­ spielsweise aus Kovar, ausgewählt wird.
Schließlich ist auch die besondere Dichtigkeit des Keramikge­ häuses gemäß der Erfindung hervorzuheben, die das Keramikge­ häuse 1 ebenfalls für Anwendungen in schmutzbehafteten Umge­ bungen geeignet erscheinen läßt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (1) für elek­ tromagnetische Strahlung emittierende Halbleiterchips (13) mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Bereitstellen eines trogförmigen Keramikgrundkörpers (4) mit einer Trogöffnung (5), in dessen einer Seitenwand (3) von der Trogöffnung (5) her eine Seitenöffnung (6) ausge­ bildet ist,
  • - Ausbilden einer die Seitenöffnung (6) umschließenden Befe­ stigungsfläche (8, 9, 10) für ein Fenster (11) durch An­ bringen eines die Trogöffnung (5) von der Seitenöffnung (6) trennenden Metallteils (7) auf dem Keramikgrundkörper (4); und
  • - Anbringen des Fensters (11) auf der Befestigungsfläche (8, 9, 10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zunächst ein Boden (2) aus keramischem Material be­ reitgestellt wird, auf den Seitenwände (3) aufgesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Seitenwände von U-förmigen, aufeinandergestapel­ ten Streifen (3) gebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Keramikgrundkörper (4) vor dem Aufbringen des Me­ tallteils (7) gesintert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Fenster (11) am Keramikgrundkörper (4) und am Me­ tallteil (7) angelötet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem für den Lötvorgang ein Glaslot verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Fenster (11) mit einer Metallschicht beschichtet wird und mit Hilfe eines Metallots angelötet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Metallteil ein Metallrahmen (7) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem durch die Öffnung (5) des Metallrahmens (7) hindurch der elektromagnetische Strahlung emittierende Halbleiterchip (13) in das Gehäuse eingebracht und dann der Metallrahmen (7) durch Auflöten eines Metalldeckels (12) geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der elektromagnetische Strahlung emittierende Halb­ leiterchip (13) auf der Basis eines III-V- Verbindungshalbleiters und die Keramik auf der Basis von Al2O3 hergestellt wird, wobei für das Fenster Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 6 und 8 × 10-6/ °C verwendet wird.
11. Gehäuse für einen elektromagnetische Strahlung emittie­ renden Halbleiterchip mit einem trogförmigen Keramikgrundkör­ per (4), in dessen einer Seitenwand (3) eine Seitenöffnung (6) ausgebildet ist, die von der Trogöffnung (5) durch ein Metallteil (7) getrennt ist, das zusammen mit Rändern (8, 9, 10) des Keramikgrundkörpers (4) eine Befestigungsfläche bil­ det, auf der ein Fenster (11) angebracht ist.
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