DE102011105374A1

DE102011105374A1 - Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund, derart hergestelltes Halbleiterbauelement und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102011105374A1
Application number: DE102011105374A
Authority: DE
Inventors: Martin Haushalter; Markus Lermer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: DE102011105374B4; US9269848B2; US20140175462A1; WO2012175631A2; WO2012175631A3; KR20140042820A; KR101918325B1; CN103608922A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund angegeben, bei dem eine Mehrzahl von strahlungsemittierenden und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (1a, 1b) auf einem Trägersubstrat (2) aufgebracht werden. Die Halbleiterchips (1a, 1b) werden mit jeweils einer Vergussmasse (3a, 3b) vergossen. Anschließend werden die Vergussmassen (3a, 3b) mittels Sägen zwischen benachbarten Halbleiterchips durchtrennt. Anschließend wird ein gemeinsamer Rahmen (5) auf das Trägersubstrat (2) aufgebracht, der eine Mehrzahl von nach oben offenen Kammern (6a, 6b) aufweist, wobei der Rahmen (5) so angeordnet wird, dass jeweils ein Halbleiterchip (1a, 1b) in jeweils einer Kammer (6a, 6b) des Rahmens (5) angeordnet wird. Weiter wird ein derart hergestelltes Halbleiterbauelement und dessen Verwendung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund, die jeweils einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip und einen Rahmen aufweisen, sowie ein derart hergestelltes Halbleiterbauelement und dessen Verwendung.
Herkömmlicherweise werden Halbleiterbauelemente, die einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip und einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip aufweisen, meist nicht im Verbund hergestellt. Beispielsweise wird herkömmlicherweise zwar eine Mehrzahl von Halbleiterchips auf einem gemeinsamen Trägersubstrat aufgebracht. Vor Aufbringen eines Rahmens wird das Trägersubstrat jedoch zu einzelnen Halbleiterbauelementen vereinzelt. Anschließend werden jeweils einzelne Rahmen auf die vereinzelten Bauelemente aufgebracht.
Aufgrund dieser Weiterverarbeitung im vereinzelten Zustand erhöhen sich jedoch nachteilig die Produktionskosten sowie die Produktionszeit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund anzugeben, dass kostengünstig sowie zeiteffizient ist. Zudem ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Herstellungsverfahren anzugeben, das einen flexiblen Rahmen hinsichtlich des Designs ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das mit einem derartigen Verfahren im Verbund hergestellt ist.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch eine Verwendung eines derartigen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens, des Halbleiterbauelements und dessen Verwendung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund, die jeweils einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip und einen Rahmen aufweisen, folgende Verfahrensschritte auf:

A) Bereitstellen eines Trägersubstrats,
B) Aufbringen und elektrisches Kontaktieren einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips auf das Trägersubstrat, wobei jeweils einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip zugeordnet wird,
C) Vergießen der Mehrzahl der strahlungsemittierenden Halbleiterchips mit einer ersten Vergussmasse,
D) Vergießen der Mehrzahl der strahlungsdetektierenden Halbleiterchips mit einer zweiten Vergussmasse,
E) Durchtrennen der ersten und zweiten Vergussmasse mittels Sägen zwischen benachbarten Halbleiterchips,
F) Aufbringen eines gemeinsamen Rahmens auf das Trägersubstrat, der eine Mehrzahl von nach oben offenen Kammern aufweist, wobei der Rahmen so angeordnet wird, dass jeweils ein Halbleiterchip in jeweils einer Kammer des Rahmens angeordnet wird.

Weiter kann das Verfahren den Verfahrenschritt G) umfassen, indem ein Vereinzeln zu einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen erfolgt.
Im vorliegenden Herstellungsverfahren wird demnach ein Trägersubstrat mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips bestückt, die im Verbund angeordnet sind, wobei anschließend ein gemeinsamer Rahmen auf die Halbleiterchips im Verbund angeordnet wird. Es werden demnach nicht einzelne Rahmen für die Halbleiterbauelemente ausgebildet, sondern der Rahmen wird ebenfalls einstückig ausgebildet und im Verbund über die Halbleiterchips auf das Trägersubstrat montiert. Dadurch erhöht sich vorteilhafterweise der Durchsatz beim Anbringen des Rahmens auf das Trägersubstrat, wodurch sich die Produktionszeit vorteilhafterweise reduziert. Zudem erhöht sich die Produktivität, wodurch geringere Produktionskosten anfallen. Da der Rahmen einstückig ausgebildet wird und in einem separaten Verfahrensschritt herstellbar ist, erhöht sich zudem mit Vorteil die Flexibilität und die Designfreiheit des Rahmens. Ein derart ausgebildeter Rahmen kann somit auf gewünschte Anforderungen angepasst werden.
Vorzugsweise werden im Verfahrensschritt B) die strahlungsemittierenden Halbleiterchips in einer oder mehrerer geraden Linien auf dem Trägersubstrat angeordnet, wobei die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips ebenfalls in einer oder mehrerer geraden Linien auf dem Trägersubstrat angeordnet werden, die parallel zu den geraden Linien der strahlungsemittierenden Halbleiterchips verlaufen. Die Linien mit strahlungsemittierenden und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips wechseln sich dabei vorteilhafterweise ab. In Aufsicht auf das Trägersubstrat sind die Halbleiterchips demnach matrixartig angeordnet, wobei die Spalten der Matrixanordnung dabei jeweils strahlungsemittierende oder strahlungsdetektierende Halbleiterchips umfassen. In den Zeilen der Matrixanordnung wechseln sich strahlungsemittierende und strahlungsdetektierende Halbleiterchips alternierend ab.
Aufgrund dieser linienförmigen Anordnung kann im Verfahrensschritt C) die Mehrzahl der strahlungsemittierenden Halbleiterchips mit einer ersten Vergussmasse gemeinsam vergossen werden. Insbesondere werden die strahlungsemittierenden Halbleiterchips einer Linie gemeinsam vergossen. Ebenso können die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips einer Linie gemeinsam vergossen werden.
Im Verfahrensschritt E) werden die Vergussmassen durch Sägen getrennt. Das Durchtrennen erfolgt dabei in der Matrixanordnung parallel zu einer Zeile. Insbesondere erfolgt das Durchtrennen senkrecht zur linienförmigen Anordnung der Vergussmassen.
Die Anordnung jeweils eines Halbleiterchips in jeweils einer Kammer des Rahmens bedingt, dass jeder Halbleiterchip von dem Rahmen lateral vollständig umschlossen beziehungsweise umrundet ist. Jede Kammer ist lediglich nach oben offen, sodass dort Strahlung in die Kammer ein- oder aus der Kammer austreten kann. Der Rahmen verhindert vorteilhafterweise ein optisches Übersprechen zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterchip und strahlungsdetektierendem Halbleiterchip.
Der Rahmen ist dabei vorteilhafterweise so ausgebildet, dass dieser das Trägersubstrat im bis auf die Bereiche der Kammern im Wesentlichen vollständig bedeckt. Die Abmessungen des Rahmens sind somit auf die Abmessungen des Trägersubstrats angepasst.
Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips weisen jeweils eine Strahlungsaustrittsseite für die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung auf. Aus der Strahlungsaustrittsseite wird vorzugsweise jeweils ein großer Anteil der im Chip erzeugten Strahlung ausgekoppelt, vorzugsweise 80% bevorzugt 90%, besonders bevorzugt 95% der im Chip erzeugten Strahlung. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip weist eine entsprechende Strahlungseintrittsseite für die im Halbleiterchip zu detektierende Strahlung auf.
Die aktiven Schichten der Halbleiterchips enthalten jeweils vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die Halbleiterchips weisen jeweils beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf, die jeweils die aktive Schicht enthält. Die Halbleiterschichtenfolge basiert jeweils bevorzugt auf einem III/V-Halbleitermaterial. Die Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt auf ein Aufwachssubstrat aufgewachsen, das vollständig oder teilweise abgelöst sein kann.
Die Halbleiterbauelemente sind jeweils als optoelektronische Bauelemente ausgebildet, die die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglichen oder umgekehrt. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip ist beispielsweise eine LED. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist beispielsweise ein Strahlungsdetektor beziehungsweise ein Lichtsensor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Verfahrensschritt E) zumindest teilweise in das Trägersubstrat gesägt. Dabei wird mit Vorteil das Trägersubstrat nicht durchgesägt, sondern lediglich angesägt. Dadurch kann vorteilhafterweise im nachfolgenden Verfahrensschritt F) der Rahmen in den Sägeschnitten des Trägersubstrats mechanisch befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Verfahrensschritt F) oder vor dem Verfahrensschritt F) der Verbund, insbesondere mittels Sägen, in einzelne Halbleiterbauelemente vereinzelt. Der Rahmen kann demnach nach dem ersten Sägeschritt und vor dem zweiten Sägeschritt auf dem Trägersubstrat montiert werden. Die Halbleiterbauelemente können anschließend im Verbund weiter verarbeitet werden. Beispielsweise kann eine visuelle Endkontrolle der Halbleiterbauelemente im Verbund durchgeführt werden.
Alternativ ist es möglich, den Rahmen nach dem zweiten Sägeschritt auf die vereinzelten Bauelemente aufzubringen.
Der Rahmen ist dabei einstückig ausgebildet und wird anschließend vereinzelt.
Das Herstellungsverfahren weist demnach zumindest zwei Sägeschritte auf, wobei der erste Sägeschritt das Trägersubstrat nicht vereinzelt, höchstens ansägt. Erst der zweite Sägeschritt vereinzelt den Verbund zu einzelne Halbleiterbauelemente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Verfahrensschritt C) und D) die Vergussmassen, also zum Beispiel die erste Vergussmasse und die zweite Vergussmasse, jeweils durch ein Transfer Molding Verfahren aufgebracht. Die Verfahrenschritte C) und D) können dabei in einem einzigen Prozessschritt erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Verfahrensschritt F) der gemeinsame Rahmen mit einer Klebeschicht auf dem Trägersubstrat befestigt. Der Rahmen wird demnach nicht mittels eines Transfer-Moldverfahrens auf das Trägersubstrat aufgebracht, sondern separat hergestellt und anschließend mittels einer Klebeschicht auf dem Trägersubstrat montiert. Dadurch ermöglicht sich eine höhere Flexibilität und eine höhere Designfreiheit des Rahmens.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der gemeinsame Rahmen in einem separaten Spritzgussverfahren hergestellt. Der Rahmen kann demnach ein spritzgegossener Rahmen sein, der parallel zum Trägersubstrat hergesellt wird und nach Montage der Halbleiterchips auf dem Trägersubstrat montiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Verfahrensschritt F) der Rahmen zumindest teilweise in den im Verfahrensschritt E) durchtrennten Bereichen der Vergussmassen auf dem Trägersubstrat aufgebracht. Im Verfahrensschritt E) werden also die erste und die zweite Vergussmasse zwischen benachbarten Halbleiterchips durchtrennt. Dabei werden die Vergussmassen derart getrennt, dass in der Trennlinie beziehungsweise Sägelinie Kammerwände eingebracht werden können. So kann im Verfahrensschritt F) jeder Halbleiterchip in einer eigenen Kammer des Rahmens angeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein so hergestelltes optoelektronisches Halbleiterbauelement ein Trägersubstrat, einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip und einen Rahmen auf. Der Rahmen ist auf dem Trägersubstrat befestigt, um Reflexionen am Rahmen möglichst zu vermeiden.
Dabei ist es möglich, dass in dem Rahmen eine erste Kammer und eine zweite Kammer ausgebildet sind, die jeweils nach oben offen sind. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip weist dann eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf, ist mittels einer ersten Vergussmasse vergossen und ist in der ersten Kammer auf dem Trägersubstrat angeordnet. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip weist in diesem Fall eine zur Strahlungsdetektion geeignete aktive Schicht auf, ist mittels einer zweiten Vergussmasse vergossen und ist in der zweiten Kammer auf dem Trägersubstrat angeordnet. Durch die Kammern mittels des Rahmens ist zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip eine optische Barriere ausgebildet.
Nach oben hin offen bedeutet insbesondere, dass der Rahmen auf der von dem Trägersubstrat abgewandten Seite jeweils eine Öffnung im Bereich der Kammer aufweist.
Die in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren angeführten Merkmale finden auch in Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement Verwendung und umgekehrt.
Das Halbleiterbauelement weist demnach zumindest zwei Halbleiterchips auf, die mittels eines Rahmens, vorzugsweise eines spritzgegossenen Rahmens, räumlich getrennt sind, sodass der Rahmen ein optisches Übersprechen zwischen den einzelnen Halbleiterchips verhindert. Der Rahmen ist dabei bevorzugt mit einer Klebeschicht auf dem Trägersubstrat aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Rahmen aus einer schwarzen Vergussmasse gebildet. Beispielsweise enthält die Vergussmasse des Rahmens Ruß, sodass der Rahmen lichtundurchlässig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Rahmen aus einem lichtundurchlässigen Material und die erste Vergussmasse und die zweite Vergussmasse aus einem lichtdurchlässigen Material gebildet. So wird gewährleistet, dass zwischen den Halbleiterchips aufgrund des lichtundurchlässigen Rahmens ein optisches Übersprechen verhindert werden kann, wobei gleichzeitig eine Lichtein- beziehungsweise Lichtauskopplung in die Halbleiterchips oder aus den Halbleiterchips durch die Öffnungen des Rahmens und durch die lichtdurchlässigen Vergussmassen ermöglicht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Vergussmasse und die zweite Vergussmasse zumindest bereichsweise in Form einer Linse ausgebildet. Beispielsweise sind die Halbleiterchips jeweils mit der jeweiligen Vergussmasse vollständig umschlossen, wobei im Bereich der Lichtein- beziehungsweise Lichtaustrittsöffnung der Halbleiterchips die Vergussmassen eine Linsenform aufweisen. So kann eine Strahlungsformung der vom Halbleiterchip emittierten beziehungsweise vom Halbleiterchip zu detektierenden Strahlung erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in der zweiten Kammer ein weiterer strahlungsdetektierender Halbleiterchip angeordnet. In diesem Fall weist das Halbleiterbauelement demnach einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip und zwei strahlungsdetektierende Halbleiterchips auf, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterchip von den zwei strahlungsdetektierenden Halbleiterchips mittels des Rahmens optisch getrennt ist. Die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips dagegen sind optisch nicht voneinander getrennt. In diesem Fall erfüllen die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips beispielsweise unterschiedliche Funktionen und sind für Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen empfindlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der strahlungsemittierende Halbleiterchip ein IR-Sender, beispielsweise eine LED, die infrarote Strahlung emittiert. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist vorzugsweise ein IR-Empfänger, beispielsweise ein Strahlungsdetektor, der empfindlich ist für Infrarotstrahlung und der weitere strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist bevorzugt ein Umgebungslichtsensor. Der weitere strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist somit beispielsweise auf Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich. Die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips erfüllen demnach unterschiedliche Funktionen. Insbesondere ist der IR-Empfänger dafür vorgesehen, die vom IR-Sender emittierte Strahlung zu detektieren. Der weitere strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist vorgesehen, das Umgebungslicht des Bauelements zu detektieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die erste Kammer und die zweite Kammer jeweils eine Blendenöffnung in eine Vorzugsrichtung auf. Insbesondere sind die Öffnungen im Rahmen im Bereich jeder Kammer derart ausgebildet, dass die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung beziehungsweise die für den Halbleiterchip zu detektierende Strahlung in eine Vorzugsrichtung gelenkt wird. Hierzu weist die Blendenöffnung beispielsweise an einer Seite eine schräge Seitenfläche auf, an der die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung oder vom Halbleiterchip zu detektierende Strahlung in eine Vorzugsrichtung reflektiert wird. Die gegenüberliegende Seitenfläche der Blendenöffnung kann dabei beispielsweise senkrecht ausgebildet sein, sodass an dieser Seitenfläche eine Reflexion in Richtung eines anderen Winkels erzeugt wird. Vorzugsweise weisen die Seitenflächen der Blendenöffnungen, die benachbart zu dem benachbarten Halbleiterchip liegen, die senkrechte Ausgestaltung auf. Die restlichen Seitenflächen der Kammeröffnungen weisen vorzugsweise jeweils eine schräge Seitenfläche auf, also eine Seitenfläche, die in Bezug auf die laterale Ausdehnung des Trägersubstrats in einem Winkel zwischen 0 und 90° angeordnet ist. Dadurch kann weiter ein optisches übersprechen zwischen den Halbleiterchips verhindert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement mit strahlungsemittierendem Halbleiterchip und strahlungsdetektierendem Halbleiterchip als Abstandssensor und/oder Umgebungslichtsensor verwendet. Insbesondere bei der Ausgestaltung des Bauelements mit drei Halbleiterchips, also einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und zwei strahlungsdetektierenden Halbleiterchips, kann sowohl ein Abstandssensor als auch ein Umgebungslichtsensor in einem Bauelement realisiert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
2A bis 2D jeweils Ausschnitte von erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen im Verbund im Herstellungsverfahren, und
3 eine schematische Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
1 zeigt einen Querschnitt eines Halbleiterbauelements, das ein Trägersubstrat 2 aufweist, auf dem ein strahlungsemittierender Halbleiterchip 1a und ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip 1b angeordnet und elektrisch mit beispielsweise Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat verbunden sind. Die Halbleiterchips 1a, 1b sind dabei lateral beabstandet zueinander auf dem Trägersubstrat 2 angeordnet.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 1a weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf. Beispielsweise ist der strahlungsemittierende Halbleiterchip 1a eine LED, der Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittiert. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 1b weist eine zur Strahlungsdetektion geeignete aktive Schicht auf und ist beispielsweise ein Lichtsensor, der geeignet ist, Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich zu detektieren.
Das Trägersubstrat 2 ist beispielsweise eine Leiterplatte, vorzugsweise ein PCB (printed circuit board).
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 1a ist mit einer ersten Vergussmasse 3a vergossen. Entsprechend ist der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 1b mit einer zweiten Vergussmasse 3b vergossen. Zwischen den Vergussmassen 3a, 3b ist in lateraler Richtung ein Abstand angeordnet. Die Vergussmassen 3a und 3b umhüllen die Halbleiterchips 1a und 1b jeweils vorzugsweise vollständig. Die erste Vergussmasse 3a und die zweite Vergussmasse 3b sind aus einem lichtdurchlässigen Material gebildet, sodass die von dem Halbleiterchip 1a emittierte Strahlung beziehungsweise die von dem Halbleiterchip 1b zu detektierende Strahlung durch die Vergussmassen 3a, 3b zur Lichtein- beziehungsweise Lichtauskoppelfläche der Halbleiterchips gelangen kann. Die Vergussmassen 3a, 3b sind beispielsweise lichtdurchlässig für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die erste Vergussmasse 3a und die zweite Vergussmasse 3b sind bereichsweise in Form einer Linse 4a, 4b ausgebildet. Insbesondere ist der Lichtaustrittsfläche des ersten Halbleiterchips 1a die Linse 4a nachgeordnet. Ebenso ist der Lichteintrittsfläche des zweiten Halbleiterchips 1b die zweite Linse 4b nachgeordnet. Beispielsweise ist die erste Vergussmasse 3a bereichsweise in Form eines Quaders oder eines Würfels ausgebildet, in der der Halbleiterchip 1a angeordnet ist, wobei auf dem Würfel in Abstrahlrichtung die erste Linse 4a ausgebildet ist. Entsprechend kann die zweite Vergussmasse 3b ausgebildet sein. Die Vergussmassen 3a, 3b, insbesondere die Linsen 4a, 4b sind dabei beispielsweise in einem Transfer Molding Verfahren hergestellt.
Auf dem Trägersubstrat 2 ist weiter ein Rahmen 5 befestigt, der eine erste Kammer 6a und eine zweite Kammer 6b aufweist, die jeweils nach oben offen sind. Nach oben offen bedeutet insbesondere, dass der Rahmen 5 auf der von dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite zwei Öffnungen im Bereich der Kammern 6a, 6b aufweist. Der erste Halbleiterchip 1a sowie die erste Vergussmasse 3a sind in der ersten Kammer 6a des Rahmens 5 angeordnet. Entsprechend sind der zweite Halbleiterchip 1b und die zweite Vergussmasse 3b in der zweiten Kammer 5b des Rahmens angeordnet. Zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 1b ist durch die Kammern mittels des Rahmens eine optische Barriere 51 ausgebildet. Insbesondere sind Kammerwände zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement 1b angeordnet, die die optische Barriere 51 bilden und so ein optisches Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 1b verhindern.
Der Rahmen 5 ist vorzugsweise ein spritzgegossener Rahmen, der in einem separaten Herstellungsschritt hergestellt und nachträglich auf dem Trägersubstrat montiert ist. Insbesondere ist der Rahmen 5 nach dem Aufbringen und Vergießen der Halbleiterchips auf dem Rahmen montiert. Beispielsweise wird der Rahmen mittels einer Klebeschicht 7 auf dem Trägersubstrat 2 befestigt.
Aufgrund der nachträglichen Befestigung des Rahmens 5 ist zwischen den Vergussmassen 3a, 3b und dem Rahmen 5 jeweils ein Abstand angeordnet, der beispielsweise zumindest teilweise mit der Klebeschicht 7 gefüllt sein kann. Die Vergussmassen 3a, 3b grenzen demnach nicht direkt an den Rahmen 5 an.
Der Rahmen 5 ist vorzugsweise aus einem lichtundurchlässigen Material gebildet, beispielsweise ist der Rahmen 5 aus einer schwarzen Vergussmasse gebildet. So kann vorzugsweise das optische Übersprechen zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterchip und strahlungsdetektierendem Halbleiterchip unterbunden werden.
Die Linsen 4a, 4b sind zumindest bereichsweise in den Öffnungen des Rahmens 5 angeordnet. Vorzugsweise überragen die Linsen 4a, 4b den Rahmen 5 in vertikaler Richtung nicht. Bevorzugt entspricht die Höhe der Linsen 4a, 4b etwa der Höhe des Rahmens 5.
Der Rahmen 5 weist im Bereich der Kammern 6a, 6b, insbesondere in den Öffnungen des Rahmens 5, jeweils eine Blendenöffnung in eine Vorzugsrichtung auf. Diese Blendenöffnung in Vorzugsrichtung kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass Seitenflächen der Öffnungen des Rahmens unterschiedlich schräg ausgebildet sind, also einen unterschiedlichen Winkel bezogen auf die laterale Ausdehnung des Trägersubstrats 2 aufweisen. Beispielsweise ist eine erste Seitenfläche 5a der Öffnungen des Rahmens 5 schräg ausgebildet, also in einem Winkel zwischen 0 und 90° bezogen auf die laterale Ausrichtung des Trägersubstrats 2. Eine zweite Seitenfläche 5b, die beispielsweise. der ersten Seitenfläche 5a gegenüberliegend angeordnet ist, weist eine senkrechte Ausrichtung zur lateralen Ausdehnung des Trägersubstrats 2 auf. So wird die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a emittierte Strahlung an der zweiten Seitenfläche 5b in einem anderen Winkel reflektiert als an der ersten schrägen Seitenfläche 5a, sodass die aus der Öffnung des Rahmens 5 austretende Strahlung in eine Vorzugsrichtung gerichtet wird. Entsprechend ist die Öffnung der zweiten Kammer 6b des zweiten Halbleiterchips 1b ausgebildet. Vorzugsweise sind alle Seitenflächen der Öffnungen der ersten Kammer 6a und der zweiten Kammer 6b schräg ausgebildet, also in einem Winkel zwischen 0 und 90°, bis auf die Seitenfläche 5b, die an der optischen Barriere 51 ausgebildet ist, also die Seitenfläche der Öffnungen, die zwischen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a und strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 1b angeordnet ist. In diesem Fall sind also drei Seitenflächen der Öffnungen schräg ausgebildet. Lediglich eine Seitenfläche weist eine senkrechte Ausbildung auf.
Ein Halbleiterbauelement, wie es in dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt ist, kann beispielsweise als Abstands- und/oder Umgebungslichtsensor Verwendung finden.
Das Ausführungsbeispiel der 1 wird in einem Verbund mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen hergestellt. Ein derartiges Herstellungsverfahren wird in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der 2A bis 2D näher erläutert.
In 3 ist eine Aufsicht auf das Halbleiterbauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt. In der Aufsicht ist der Rahmen 5 dargestellt, der zwei rechteck- beziehungsweise quaderförmige Öffnungen aufweist, in denen jeweils die Halbleiterchips 1a, 1b angeordnet sind. Der Rahmen ist so ausgebildet, dass zwischen den Öffnungen und zwischen den Halbleiterchips die optische Barriere 51 ausgebildet ist. Die Öffnungen weisen Seitenflächen 5a, 5b auf, wobei die Seitenflächen 5b an der optischen Barriere 51 senkrecht ausgebildet sind. Die restlichen Seitenflächen 5a weisen eine schräge Ausbildung auf, sodass durch die Öffnungen eine Blendenfunktion in einer Vorzugsrichtung realisiert wird. Die Halbleiterchips 1a, 1b sind jeweils mit den Vergussmassen 3a, 3b vergossen.
In der zweiten Kammer, in der der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 1b angeordnet ist, ist ein weiterer strahlungsdetektierender Halbleiterchip 1c angeordnet, der beispielsweise ein Umgebungslichtsensor ist. Die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips 1b, 1c sind dabei nicht voneinander optisch getrennt, da diese unterschiedliche Funktionen erfüllen und sich somit nicht gegenseitig in ihrer Funktion beeinflussen oder behindern. Lediglich zwischen den strahlungsdetektierenden Halbleiterchips 1b, 1c und dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1a ist die optische Barriere 51 ausgebildet.
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 3 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 im Wesentlichen überein.
In 2A ist ein erster Herstellungsschritt eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß den 1A und 3 dargestellt. Das Halbleiterbauelement wird insbesondere in einem Verbund aus einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen hergestellt. Jedes Halbleiterbauelement weist dabei einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip und zumindest einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip auf.
In 2A ist eine schematische Aufsicht auf ein Trägersubstrat 2 dargestellt, auf dem die Mehrzahl von Halbleiterchips angeordnet ist. Insbesondere sind einige der strahlungsemittierenden Halbleiterchips, die mit der ersten Vergussmasse 3a vergossen sind, in einer ersten Spalte n auf dem Trägersubstrat 2 angeordnet. Diese Halbleiterchips bilden somit eine linienförmige Anordnung zueinander. In einem lateralen Abstand ist parallel eine zweite Spalte n ausgebildet, in der die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips angeordnet sind, die mit der zweiten Vergussmasse 3b vergossen sind. Die ersten und zweiten Spalten 2 der strahlungsemittierenden Halbleiterchips und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips wechseln sich alternierend auf dem Trägersubstrat ab.
Die Vergussmassen weisen jeweils eine linsenförmige Ausbildung 4a, 4b auf, wobei jedem Halbleiterchip eine Linse nachgeordnet ist. Lateral neben einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip ist jeweils ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip angeordnet. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips einer Spalte weisen dabei eine gemeinsame erste Vergussmasse 3a und die strahlungsdetektierenden Halbleiterchips der benachbarten Spalte weisen dabei jeweils eine gemeinsame zweite Vergussmasse 3b auf.
Die Spalten aus strahlungsemittierenden Halbleiterchips und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips wechseln sich dabei auf dem Trägersubstrat mehrmals ab, sodass eine Matrixanordnung der Halbleiterchips auf dem Trägersubstrat entsteht. In den Spalten n befinden sich jeweils lediglich strahlungsemittierende beziehungsweise strahlungsdetektierende Halbleiterchips. In den Zeilen m ist ein strahlungsemittierender Halbleiterchip jeweils benachbart zu einem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip angeordnet.
Die erste Vergussmasse 3a und die zweite Vergussmasse 3b sind jeweils linienförmig über den jeweiligen Spalten der Halbleiterchips einstückig ausgebildet. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die erste Vergussmasse 3a und die zweite Vergussmasse 3b mittels Sägen zwischen benachbarten Halbleiterchips jeweils einer Spalte n durchtrennt. Die Vergussmassen werden demnach entsprechend der Sägelinien 8a durchtrennt. Dabei kann zumindest teilweise zusätzlich in das Trägersubstrat 2 gesägt werden. Das Trägersubstrat 2 wird dabei jedoch nicht vollständig durchtrennt, sodass die Bauelemente weiter im Verbund vorliegen. Es werden lediglich zwischen den einzelnen Halbleiterchips einer Spalte n die Vergussmassen entsprechend der Sägelinien 8a geöffnet, sodass in Bereichen der Sägelinien 8a das Trägersubstrat offengelegt wird.
Parallel, nachträglich oder vorher wird ein Rahmen 5 in einem separaten Spritzgussverfahren hergestellt, wie in 2B gezeigt. In 2B ist eine Aufsicht auf den Rahmen 5 gezeigt. Der Rahmen 5 weist dabei eine Mehrzahl von Kammern 6a, 6b auf, wobei jeweils eine Kammer 6a, 6b einem Halbleiterchip auf dem Trägersubstrat zugeordnet wird. Für die Mehrzahl an Halbleiterchips auf dem Trägersubstrat im Verbund, das in 2 dargestellt ist, wird somit ein gemeinsamer Rahmen 5 hergestellt. Vorzugsweise weist der hergestellte Rahmen 5 entsprechende Abmessungen auf, die den Abmessungen des Trägersubstrats 2 in etwa entsprechen.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt wird der gemeinsame Rahmen 5 des Ausführungsbeispiels der 2B auf das Trägersubstrat 2 des Ausführungsbeispiels der 2A aufgebracht, wobei der Rahmen so angeordnet wird, dass jeweils ein Halbleiterchip in jeweils einer Kammer des Rahmens angeordnet wird. Hierzu wird der Rahmen beispielsweise zumindest teilweise in den durchtrennten Bereichen der Vergussmassen auf dem Trägersubstrat aufgebracht und beispielsweise mittels einer Klebeschicht auf dem Trägersubstrat befestigt.
Nach dem Befestigen des gemeinsamen Rahmens auf dem Trägersubstrat mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips kann der Verbund mittels Sägen in einzelne Halbleiterbauelemente vereinzelt werden. Insbesondere kann der Verbund vor dem Aufbringen des Rahmens auf dem Trägersubstrat vereinzelt werden, wobei in diesem Fall anschließend der gemeinsame Rahmen auf den vereinzelten Bauelementen aufgebracht wird, der anschließend zu einzelne Bauelemente vereinzelt wird.
Alternativ kann erst der Rahmen auf dem Trägersubstrat aufgebracht werden, wobei anschließend dieser Verbund aus Trägersubstrat und Rahmen mittels Sägen zu einzelne Halbleiterbauelemente vereinzelt wird.
In den 2C und 2D sind notwendige Sägeschritte gezeigt, um die Halbleiterbauelemente aus dem Verbund zu lösen. In einem ersten Sägeschritt wird, wie in 2C dargestellt, entsprechend der Sägelinien 9a der Verbund entlang der Zeilen gesägt. In 2C ist ein Querschnitt des Verbunds gezeigt, wobei der Übersicht halber lediglich ein Ausschnitt dargestellt ist. Der erste Sägeschnitt 9a wird dabei durch den Rahmen 5 geführt, sodass der Verbund zu den Zeilen vereinzelt wird. Jede Zeile weist dabei lateral nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente auf. Um diese Zeilen weiter zu vereinzeln, werden anschließend in einem zweiten Sägeschritt entsprechend den Spalten diese Zeilen vereinzelt, wie in 2B dargestellt. In 2B ist der Übersicht halber wiederum lediglich ein Ausschnitt eines Bauelements im Verbund einer Zeile gezeigt. Durch Vereinzeln der Zeilen entsprechend der Sägelinien 9b durch den Rahmen 5 können so vereinzelte Halbleiterbauelemente geschaffen werden.
Durch das Herstellen der Bauelemente im Verbund erhöht sich mit Vorteil die Produktivität, wodurch sich die Produktionskosten und die Produktionszeit verringern. Zudem kann ein höherer Durchsatz beim Anbringen des Rahmens auf dem Trägersubstrat erzielt werden. Aufgrund der separaten Herstellung des Rahmens im Spritzgussverfahren kann eine höhere Flexibilität und Designfreiheit des Rahmens gewährleistet werden. Ferner können dünne Wandstärken des Rahmens und dadurch besonders kleine Bauformabmessungen erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen im Verbund, die jeweils einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip (1a), einen strahlungsdetektierenden Halbleiterchip (1b) und einen Rahmen (5) aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten: A) Bereitstellen eines Trägersubstrats (2), B) Aufbringen und elektrisches Kontaktieren einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips (1a) und strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (1b) auf das Trägersubstrat (2), wobei jeweils einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (1a) ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip (1b) zugeordnet wird, C) Vergießen der Mehrzahl der strahlungsemittiernden Halbleiterchips (1a) mit einer ersten Vergussmasse (3a), D) Vergießen der Mehrzahl der strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (1b) mit einer zweiten Vergussmasse (3b), E) Durchtrennen der ersten und zweiten Vergussmasse (3a, 3b) mittels Sägen zwischen benachbarten Halbleiterchips, F) Aufbringen eines gemeinsamen Rahmens (5) auf das Trägersubstrat (2), der eine Mehrzahl von nach oben offenen Kammern (6a, 6b) aufweist, wobei der Rahmen (5) so angeordnet wird, dass jeweils ein Halbleiterchip (1a, 1b) in jeweils einer Kammer (6a, 6b) des Rahmens (5) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt E) zumindest teilweise in das Trägersubstrat (2) gesägt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Verfahrensschritt F) oder vor dem Verfahrensschritt F) der Verbund mittels Sägen (9a, 9b) in einzelne Halbleiterbauelemente vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt C) und D) die erste Vergussmasse (3a) und die zweite Vergussmasse (3b) jeweils durch ein Transfer Molding Verfahren aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt F) der gemeinsame Rahmen (5) mit einer Klebeschicht (7) auf dem Trägersubstrat (2) befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt F) der Rahmen (5) zumindest teilweise in den im Verfahrensschritt E) durchtrennten Bereichen der Vergussmassen (3a, 3b) auf dem Trägersubstrat (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gemeinsame Rahmen (5) in einem separaten Spritzgußverfahren hergestellt wird.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement, das nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, mit einem Trägersubstrat (2), einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (1a), einem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip (1b) und einem Rahmen (5), wobei – der Rahmen (5) auf dem Trägersubstrat (2) befestigt ist, wobei in dem Rahmen (5) eine erste Kammer (6a) und eine zweite Kammer (6b) ausgebildet sind, die jeweils nach oben offen sind, – der strahlungsemittierende Halbleiterchip (1a) eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht aufweist, mittels einer ersten Vergussmasse (3a) vergossen ist und in der ersten Kammer (6a) auf dem Trägersubstrat (2) angeordnet ist, – der strahlungsdetektierende Halbleiterchip (1b) eine zur Strahlungsdetektion geeignete aktive Schicht aufweist, mittels einer zweiten Vergussmasse (3b) vergossen ist und in der zweiten Kammer (6b) auf dem Trägersubstrat (2) angeordnet ist, und – durch die Kammern (6a, 6b) mittels des Rahmens (5) zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (1a) und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip (1b) eine optische Barriere (51) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei der Rahmen (5) aus einer schwarzen Vergussmasse gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei der Rahmen (5) aus einem lichtundurchlässigen Material und die erste Vergussmasse (3a) und die zweite Vergussmasse (3b) aus einem lichtdurchlässigen Material gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste Vergussmasse (3a) und die zweite Vergussmasse (3b) zumindest bereichsweise in Form einer Linse (4a, 4b) ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, wobei in der zweiten Kammer (6b) ein weiterer strahlungsdetektierender Halbleiterchip (1c) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterchip (1a) ein IR-Sender, der strahlungsdetektierende Halbleiterchip (1b) ein IR-Empfänger und der weitere strahlungsdetektierende Halbleiterchip (1c) ein Umgebungslichtsensor sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, wobei die erste Kammer (6a) und die zweite Kammer (6b) jeweils eine Blendenöffnung in eine Vorzugsrichtung aufweisen.
Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 14 als Abstands- und/oder Umgebungslichtsensor.