DE102013223069A1

DE102013223069A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102013223069A1
Application number: DE201310223069
Authority: DE
Inventors: Norwin von Malm; Sandra Sobczyk; Frank Singer; Stefan Illek
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-05-13
Also published as: WO2015071310A1; DE112014005191B4; DE112014005191A5

Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement umfasst mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip, mindestens einen optischen Sensor und einen elektronischen Halbleiterchip. Dabei sind der mindesten eine optoelektronische Halbleiterchip, der mindestens eine optische Sensor und der elektronische Halbleiterchip in einen gemeinsamen Formkörper eingebettet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements gemäß Patentanspruch 18.
Es ist bekannt, zur Innenraumausleuchtung von Automobilen Leuchtdioden-Bauelemente zu verwenden. Hierbei wird im Innenraum eine Vielzahl von Leuchtdioden-Bauelementen verbaut. Alle Leuchtdioden-Bauelemente müssen zentral gesteuert werden, was mit einem erheblichen Verkabelungsaufwand verbunden ist. Häufig werden farbige RGB-Leuchtdioden-Bauelemente verwendet, zu deren Ansteuerung mehrere Leitungen pro Leuchtdioden-Bauelement erforderlich sind. Die erforderlichen Kabelbäume erhöhen das Fahrzeuggewicht und sind mit erheblichen Kosten verbunden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement umfasst mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip, mindestens einen optischen Sensor und einen elektronischen Halbleiterchip. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip, der mindestens eine optische Sensor und der elektronische Halbleiterchip sind in einen gemeinsamen Formkörper eingebettet.
Vorteilhafterweise kann das optoelektronische Bauelement äußerst kompakte äußere Abmessungen aufweisen. Dies erleichtert eine Anordnung des optoelektronischen Bauelements in Umgebungen mit nur begrenzt zur Verfügung stehendem Bauraum, beispielsweise eine Anordnung des optoelektronischen Bauelements in Kraftfahrzeugen. Die kompakten äußeren Abmessungen des optoelektronischen Bauelements gehen mit einem geringen Gewicht des optoelektronischen Bauelements einher, wodurch sich bei einer Anordnung des optoelektronischen Bauelements in einem Kraftfahrzeug gegenüber einer Anordnung eines schwereren optoelektronischen Bauelements in dem Kraftfahrzeug eine Kraftstoffersparnis ergibt.
Mehrere optoelektronische Halbleiterchips können in dem Formkörper sehr nahe beieinander angeordnet sein. Dies begünstigt vorteilhafterweise eine Mischung von durch die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips emittierten Anteilen elektromagnetischer Strahlung und ermöglicht dadurch eine homogene Farbmischung.
Der in das optoelektronische Bauelement integrierte optische Sensor ermöglicht vorteilhafterweise eine Kontrolle einer Farbe oder Helligkeit einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung. Dadurch wird eine Regelung der Farbe oder Helligkeit der durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung ermöglicht.
Der in den Formkörper des optoelektronischen Bauelements integrierte elektronische Halbleiterchip kann vorteilhafterweise Steuerungs-, Regelungs-, Datenkommunikations- und/oder andere Aufgaben übernehmen, wodurch sich eine Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements vereinfachen kann. Dadurch sind zur Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements weniger Einzelleitungen erforderlich, wodurch das optoelektronische Bauelement wiederum zu einer Gewichts- und Kostenersparnis beitragen kann.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind Strahlungsdurchtrittsflächen des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips und des mindestens einen optischen Sensors lateral nebeneinander angeordnet. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine besonders kompakte Ausführung des optoelektronischen Bauelements.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind die Strahlungsdurchtrittsflächen des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips und des mindestens einen optischen Sensors in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Formkörper des optoelektronischen Bauelements dadurch besonders kompakte Abmessungen aufweisen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist dieses ein optisches Element auf. Das optische Element kann dazu dienen, eine durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierte elektromagnetische Strahlung zu formen, beispielsweise zu bündeln oder zu zerstreuen. Ferner kann das optische Element des optoelektronischen Bauelements dazu dienen, einen Teil einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung in Richtung des mindestens einen optischen Sensors zu reflektieren. Dadurch wird dem mindestens einen optischen Sensor des optoelektronischen Bauelements vorteilhafterweise eine Ermittlung einer Farbe oder Helligkeit der durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung ermöglicht.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist zwischen einer Oberseite des Formkörpers und einer Unterseite des optischen Elements ein Hohlraum ausgebildet. Vorteilhafterweise ergeben sich dadurch zwischen der Oberseite des Formkörpers und dem Hohlraum wie auch zwischen dem Hohlraum und der Unterseite des optischen Elements jeweils optische Grenzflächen, an denen eine Brechung einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung möglich ist.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das optische Element über der Strahlungsdurchtrittsfläche des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips angeordnet. Dadurch ermöglicht das optische Element vorteilhafterweise eine Ablenkung einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das optische Element über der Strahlungsdurchtrittsfläche des mindestens einen optischen Sensors angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch ein an einer inneren Grenzfläche des optischen Elements reflektierter und innerhalb des optischen Elements zurückgeleiteter Teil einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Strahlungsdurchtrittsfläche des mindestens einen optischen Sensors des optoelektronischen Bauelements gelangen und durch diesen detektiert werden.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der mindestens eine optische Sensor lateral neben dem optischen Element angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch ein an dem optischen Element reflektierter und außerhalb des optischen Elements zurückgeworfener Teil einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung zu dem optischen Sensor gelangen und durch diesen detektiert werden.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das optische Element eingebettete lichtstreuende Partikel auf. Die in das optische Element eingebetteten lichtstreuenden Partikel können dazu beitragen, einen Teil einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung zu dem optischen Sensor des optoelektronischen Bauelements zu streuen, was dem optischen Sensor eine Detektion einer Lichtfarbe oder Helligkeit der durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ermöglicht. Die in das optische Element eingebetteten lichtstreuenden Partikel können außerdem dazu beitragen, die durch die mehrere optoelektronische Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlungsanteile miteinander zu mischen, wodurch sich eine einheitliche Lichtfarbe der durch das optoelektronische Bauelement emittierten elektromagnetischen Strahlung ergibt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optische Element einen zylindrischen Sockel und ein an dem zylindrischen Sockel angeordnetes sphärisches Element. Vorteilhafterweise hat sich erwiesen, dass ein derart ausgebildetes optisches Element einen Teil einer durch den mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung in einen das optische Element umgebenden Bereich einer Oberfläche des Formkörpers reflektieren kann, wo dieser Teil durch den mindestens einen optischen Sensor des optoelektronischen Bauelements erfasst werden kann.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der mindestens eine optische Sensor als Photodiode ausgebildet. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine zuverlässige Detektion von elektromagnetischer Strahlung mittels des als Photodiode ausgebildeten optischen Sensors.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip als Leuchtdiodenchips ausgebildet. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip kann dabei beispielsweise als oberflächenemittierender Dünnfilm-Chip oder als volumenemittierender Chip ausgebildet sein. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip kann auch ein Konversionselement zur Konvertierung einer Wellenlänge einer durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung aufweisen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfassen die optoelektronischen Halbleiterchips einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip, der zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Spektralbereich vorgesehen ist, und einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip, der zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Spektralbereich vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ermöglicht eine Mischung der durch den ersten optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung und der durch den zweiten optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung dadurch eine Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mit einstellbarer Lichtfarbe. Das optoelektronische Bauelement kann auch weitere optoelektronische Halbleiterchips umfassen, die zur Emission elektromagnetischer Strahlung in weiteren Spektralbereichen ausgebildet sind. Beispielsweise kann das optoelektronische Bauelement drei optoelektronische Halbleiterchips umfassen, die zur Emission elektromagnetischer Strahlung im roten, grünen und blauen oder ultravioletten Spektralbereich ausgebildet sind. Einer oder mehrere dieser optoelektronischen Halbleiterchips können mit einem Konverterelement zur Konvertierung einer Wellenlänge einer durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgestattet sein.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind elektrische Kontaktflächen des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips, des mindestens einen optischen Sensors und des elektronischen Halbleiterchips zumindest teilweise nicht durch den Formkörper bedeckt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine elektrische Kontaktierung des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips, des mindestens einen optischen Sensors und des elektronischen Halbleiterchips mittels einer außerhalb des Formkörpers des optoelektronischen Bauelements angeordneten Umverdrahtung, beispielsweise mittels einer planaren Umverdrahtungsschicht.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist an der Unterseite des Formkörpers eine elektrische Umverdrahtungsschicht angeordnet. Vorteilhafterweise kann die elektrische Umverdrahtungsschicht zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips, des mindestens einen optischen Sensors und des elektronischen Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements dienen. Die elektrische Umverdrahtungsschicht kann auch externe Kontaktflächen des optoelektronischen Bauelements bereitstellen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der elektronische Halbleiterchip als Mikrocontroller und/oder als Leuchtdioden-Treiberschaltung und/oder als Schnittstellen-Treiberschaltung und/oder als Treiberschaltung für eine drahtlose Kommunikation ausgebildet. Ein als Mikrocontroller ausgebildeter elektronischer Halbleiterchip kann vorteilhafterweise Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernehmen. Dadurch kann sich eine externe Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements vorteilhafterweise vereinfachen. Insbesondere kann sich auch eine Anzahl zur Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements erforderlicher Leitungen reduzieren. Beispielsweise kann es möglich sein, das optoelektronische Bauelement mit einem codierten Digitalsignal anzusteuern, das durch den als Mikrocontroller ausgebildeten elektronischen Halbleiterchip decodiert wird. Ein als Leuchtdioden-Treiberschaltung ausgebildeter elektronischer Halbleiterchip kann zur Ansteuerung des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements dienen.
Ein als Schnittstellen-Treiberschaltung ausgebildeter elektronischer Halbleiterchip kann zur Durchführung einer Datenkommunikation dienen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist in den Formkörper eine für eine drahtlose Datenkommunikation ausgebildete Antenne eingebettet. Vorteilhafterweise ermöglicht es die für eine drahtlose Datenkommunikation ausgebildete Antenne dem optoelektronischen Bauelement, Steuersignale über eine drahtlose Datenkommunikationsverbindung zu empfangen. Dadurch ist zum Betrieb des optoelektronischen Bauelements vorteilhafterweise keine aufwändige Kabelverbindung erforderlich.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements umfasst einen Schritt zum Einbetten mindestens eines optoelektronischen Halbleiterchips, mindestens eines optischen Sensors und eines elektronischen Halbleiterchips in einen gemeinsamen Formkörper. Vorteilhafterweise erlaubt dieses Verfahren eine kostengünstige Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit sehr kompakten äußeren Abmessungen. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip, der mindestens eine optische Sensor und der elektronische Halbleiterchip in dem Formkörper sehr nahe beieinander angeordnet werden können. Eine eng benachbarte Anordnung mehrerer optoelektronischer Halbleiterchips in dem Formkörper begünstigt vorteilhafterweise obendrein eine Mischung von durch die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips emittierten Anteilen elektromagnetischer Strahlung und ermöglicht dadurch eine homogene Farbmischung.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Sätze von jeweils mindestens einemoptoelektronischen Halbleiterchip, mindestens einem optischen Sensor und einem optoelektronischen Halbleiterchip in einen gemeinsamen Kunstwafer eingebettet. Anschließend wird der Kunstwafer zerteilt, um eine Mehrzahl von Formkörpern zu erhalten. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren dadurch eine parallele Herstellung einer Mehrzahl optoelektronischer Bauelemente in gemeinsamen Arbeitsgängen. Dadurch können die Herstellungskosten pro optoelektronischem Bauelement vorteilhafterweise deutlich reduziert werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Anordnen je eines optischen Elements pro aus dem Kunstwafer erhältlichem Formkörper auf einer Oberseite des Kunstwafers. Vorteilhafterweise wird dadurch auch dieser Bearbeitungsschritt für eine Mehrzahl herzustellender optoelektronischer Bauelemente in einem gemeinsamen Arbeitsgang durchgeführt, wodurch das Verfahren kostengünstig durchführbar ist. Auch weitere Bearbeitungsschritte wie das Aufbringen einer Metallisierung können vor dem Zerteilen des Kunstwafers in einzelne Formkörper erfolgen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
1 ein Blockschaltbild eines optoelektronischen Bauelements;
2 eine geschnittene Seitenansicht des optoelektronischen Bauelements;
3 eine weitere geschnittene Seitenansicht des optoelektronischen Bauelements;
4 eine perspektivische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einer optischen Linse;
5 eine geschnittene Aufsicht auf das optoelektronische Bauelement;
6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren optoelektronischen Bauelements mit einer optischen Linse;
7 eine geschnittene Aufsicht auf das optoelektronische Bauelement;
8 eine perspektivische Darstellung eines weiteren optoelektronischen Bauelements mit einer optischen Linse; und
9 eine geschnittene Aufsicht auf das optoelektronische Bauelement.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines optoelektronischen Bauelements 10. Das optoelektronische Bauelement 10 kann beispielsweise ein Leuchtdioden-Bauelement sein. Das optoelektronische Bauelement 10 ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, zu emittieren. Insbesondere kann das optoelektronische Bauelement 10 dazu vorgesehen sein, weißes Licht, farbiges Licht oder Licht mit einstellbarer Farbe zu emittieren. Das optoelektronische Bauelement 10 kann zur Beleuchtung eines Innenraums vorgesehen sein. Insbesondere kann das optoelektronische Bauelement 10 zur Beleuchtung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
Das optoelektronische Bauelement 10 umfasst mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip 200, bevorzugt eine Mehrzahl optoelektronischer Halbleiterchips 200. Die optoelektronischen Halbleiterchips 200 können beispielsweise Leuchtdiodenchips (LED-Chips) sein. Im dargestellten Beispiel umfassen die optoelektronischen Halbleiterchips 200 einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip 210, einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip 220 und einen dritten optoelektronischen Halbleiterchip 230.
Die verschiedenen optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 können dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen (unterschiedlicher Farben) zu emittieren. Beispielsweise kann der erste optoelektronische Halbleiterchip 210 dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich zu emittieren. Der zweite optoelektronische Halbleiterchip 220 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich zu emittieren. Der dritte optoelektronische Halbleiterchip 230 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich abzustrahlen.
Die verschiedenen optoelektronischen Halbleiterchips 200 können unterschiedliche Halbleitermaterialien, insbesondere unterschiedliche III-V-Halbleitermaterialien, aufweisen, um die unterschiedlichen Lichtfarben zu erzielen. Die optoelektronischen Halbleiterchips 200 können aber auch mit Konverterelementen ausgestattet sein, die dazu vorgesehen sind, eine Wellenlänge einer durch den jeweiligen optoelektronischen Halbleiterchip 200 erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu konvertieren. In diesem Fall können die optoelektronischen Halbleiterchips 200 beispielsweise zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich ausgebildet sein, die durch das jeweilige Konverterelement in elektromagnetische Strahlung eines anderen Spektralbereichs konvertiert wird.
Die optoelektronischen Halbleiterchips 200 können beispielsweise als oberflächenemittierende Dünnfilm-Chips ausgebildet sein. Die optoelektronischen Halbleiterchips 200 können aber beispielsweise auch als volumenemittierende Halbleiterchips ausgebildet sein.
Jeder der optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 weist eine Oberseite 201 und eine der Oberseite 201 gegenüberliegende Unterseite 202 auf. Falls es sich bei dem jeweiligen optoelektronischen Halbleiterchip 200 um einen oberflächenemittierenden Halbleiterchip handelt, so bildet die Oberseite 201 eine Strahlungsdurchtrittsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips 200. Die Oberseite 201 kann dabei durch eine Kristalloberfläche des optoelektronischen Halbleiterchips 200 selbst oder durch eine Oberfläche eines auf einer Kristalloberfläche des optoelektronischen Halbleiterchips 200 angeordneten Konverterelements gebildet sein. Falls es sich bei dem jeweiligen optoelektronischen Halbleiterchip 200 um einen volumenemittierenden Halbleiterchip handelt, so bildet die Oberseite 201 neben anderen Oberflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 200 eine Strahlungsdurchtrittsfläche.
Das optoelektronische Bauelement 10 umfasst weiter mindestens einen Farbsensor 300. Der mindestens eine Farbsensor 300 kann dazu ausgebildet sein, eine Lichtfarbe einer auf den Farbsensor 300 treffenden elektromagnetischen Strahlung zu erkennen. Der mindestens eine Farbsensor 300 kann auch dazu ausgebildet sein, eine Intensität oder Helligkeit einer festgelegten spektralen Komponente einer auf den Farbsensor 300 treffenden elektromagnetischen Strahlung zu detektieren. Der mindestens eine Farbsensor 300 kann beispielsweise als Photodiode ausgebildet sein. Statt des mindestens einen Farbsensors 300 könnte auch mindestens ein anderer optischer Sensor vorgesehen sein, der beispielsweise zur Detektion einer Helligkeit vorgesehen ist.
Im dargestellten Beispiel umfasst das optoelektronische Bauelement 10 einen ersten Farbsensor 300, 310, einen zweiten Farbsensor 300, 320 und einen dritten Farbsensor 300, 330. Der erste Farbsensor 310 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung im roten Spektralbereich zu bestimmen. Der zweite Farbsensor 320 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung im grünen Spektralbereich zu ermitteln. Der dritte Farbsensor 330 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung im blauen Spektralbereich zu bestimmen. Das optoelektronische Bauelement 10 könnte jedoch auch weniger oder mehr als drei Farbsensoren 300 aufweisen.
Das optoelektronische Bauelement 10 umfasst weiter einen oder mehrere elektronische Halbleiterchips. Diese elektronischen Halbleiterchips können beispielsweise als Siliziumchips ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel weist das optoelektronische Bauelement 10 einen Mikrocontroller 400, eine Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 und eine Kommunikationsschnittstelle 420 auf. Der Mikrocontroller 400, die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 und die Kommunikationsschnittstelle 420 können in einen gemeinsamen elektronischen Halbleiterchip integriert oder als getrennte elektronische Halbleiterchips ausgebildet sein.
Der Mikrocontroller 400 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, Steuer- und Regelungsaufgaben in dem optoelektronischen Bauelement 10 zu übernehmen. Die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 kann dazu ausgebildet sein, die optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 kann auch zur Energieversorgung des mindestens einen Farbsensors 300 dienen. Die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 kann hierzu beispielsweise über eine Energieversorgungsschnittstelle mit einer externen Energieversorgung 440 verbunden sein. Von der Energieversorgung 440 kann die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 elektrische Energie beziehen und diese innerhalb des optoelektronischen Bauelements 10 verteilen. Der Kontakt zur Energieversorgung 440 kann beispielsweise einen Gleichspannungskontakt (VCC) und einen Massekontakt (GND) umfassen.
Die Kommunikationsschnittstelle 420 kann zur Kommunikation des optoelektronischen Bauelements 10 mit externen Geräten dienen. Die Kommunikationsschnittstelle 420 kann dazu ausgebildet sein, über eine Datenverbindung 430 Kommunikationsdaten zu empfangen und/oder zu senden. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle 420 dazu ausgebildet sein, über die Datenverbindung 430 codierte digitale Steuersignale zu empfangen und diese beispielsweise an den Mikrocontroller 400 weiterzureichen. Die Datenverbindung 430 kann eine leitungsgebundene oder eine drahtlose Datenverbindung, etwa eine Bluetooth-Datenverbindung oder eine Datenverbindung nach dem Standard IEEE 802.11g, sein. Falls die Datenverbindung 430 eine drahtlose Datenverbindung ist, so kann die Kommunikationsschnittstelle 420 eine geeignete Antenne umfassen.
Das optoelektronische Bauelement 10 kann dazu ausgebildet sein, weißes oder farbiges Licht einer einstellbaren Lichtfarbe mit einer einstellbaren Helligkeit zu erzeugen. Hierzu kann das optoelektronische Bauelement 10 über die Datenverbindung 430 Steuersignale empfangen, die eine gewünschte Lichtfarbe und/oder Helligkeit festlegen. Die Steuersignale können beispielsweise digital codiert sein. Eine Decodierung der Steuersignale kann beispielsweise durch die Kommunikationsschnittstelle 420 oder den Mikrocontroller 400 erfolgen. Die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 kann die optoelektronischen Halbleiterchips 200 derart ansteuern, dass das optoelektronische Bauelement 10 Licht der gewünschten Helligkeit und Farbe emittiert.
Durch die Integration der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 in das optoelektronische Bauelement 10 wird eine einfache Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements 10 ermöglicht. Dabei müssen von einem externen Gerät keine getrennten Ansteuersignale für die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 bereitgestellt werden. Vielmehr erfolgt die Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements 10 zentral über die Datenverbindung 430. Im Falle einer leitungsgebundenen Datenverbindung 430 erfordert die Datenverbindung 430 lediglich wenige oder sogar nur eine einzige Datenleitung. Im Falle einer drahtlosen Datenverbindung 430 erfordert die Datenverbindung 430 überhaupt keine elektrische Leitung. Für die zentrale Energieversorgung 440 des optoelektronischen Bauelements 10 können zwei Leitungen ausreichend sein. Falls ein Massekontakt in der Umgebung des optoelektronischen Bauelements 10 ohnehin zur Verfügung steht (beispielsweise in Form einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs), so erfordert die Energieversorgung 440 sogar lediglich eine Leitung. Dadurch kann zur Ansteuerung des optoelektronischen Bauelements 10 insgesamt eine geringe Anzahl an Leitungen ausreichend sein.
Die Lichtfarbe und die Helligkeit der durch die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 emittierten elektromagnetischen Strahlung kann von einer Temperatur der optoelektronischen Halbleiterchips 200 und von einer Betriebsdauer der optoelektronischen Halbleiterchips 200 abhängig sein. Dies erschwert die Steuerung der Helligkeit und/oder der Lichtfarbe des durch das optoelektronische Bauelement 10 abgestrahlten Gesamtlichts.
Um eine besonders genaue Einstellung der Lichtfarbe und der Helligkeit der durch das optoelektronische Bauelement 10 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen, kann die Lichtfarbe und Helligkeit der durch das optoelektronische Bauelement 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung bei dem optoelektronischen Bauelement 10 mittels des mindestens einen Farbsensors 300 erfasst werden. Die durch den mindestens einen Farbsensor 300 des optoelektronischen Bauelements 10 erfasste Lichtfarbe wird als Rückinformation den elektronischen Halbleiterchips 400, 410 des optoelektronischen Bauelements 10 zugeführt und ermöglicht eine Regelung der Helligkeit und der Lichtfarbe der durch das optoelektronische Bauelement 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Weist ein von einem der optoelektronischen Halbleiterchips 200 erzeugter Anteil der elektromagnetischen Strahlung eine zu hohe oder eine zu geringe Intensität auf, so kann eine Anpassung der Intensität der durch den jeweiligen optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgen. Diese Regelung kann durch den in das optoelektronische Bauelement 10 integrierten Mikrocontroller 400 durchgeführt werden. Der Mikrocontroller 400 steuert die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 im Sinne des Regelungsziels an. Die Leuchtdioden-Treiberschaltung 410 steuert die optoelektronischen Halbleiterchips 200 entsprechend an.
Die optoelektronischen Halbleiterchips 200, der mindestens eine Farbsensor 300 und der mindestens eine elektronische Halbleiterchip 400, 410, 420 des optoelektronischen Bauelements 10 sind in einen gemeinsamen Formkörper 100 eingebettet. 2 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Formkörpers 100.
Der Formkörper 100 kann beispielsweise durch ein Formverfahren (Moldverfahren) hergestellt sein. Beispielsweise kann der Formkörper 100 durch folienunterstütztes Spritzpressen (Film Assisted Transfer Molding) hergestellt sein. Bevorzugt werden die optoelektronischen Halbleiterchips 200, der mindestens eine Farbsensor 300 und der mindestens eine elektronische Halbleiterchip 400, 410, 420 bereits während der Herstellung des Formkörpers 100 in den Formkörper 100 eingebettet und durch das Material des Formkörpers 100 umformt. Hierzu können die Chips 200, 300, 400, 410, 420 beispielsweise auf einer Folie positioniert und durch das Material des Formkörpers 100 umformt werden.
Der Formkörper 100 weist ein elektrisch isolierendes Kunststoffmaterial auf, beispielsweise ein Polymer, etwa ein Epoxidharz. Das Material des Formkörpers 100 kann einen Füllstoff aufweisen. Das Material des Formkörpers 100 weist bevorzugt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, dessen Wert möglichst nahe an denen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Chips 200, 300, 400, 410, 420 liegt. Falls die optoelektronischen Halbleiterchips 200 oberflächenemittierende Halbleiterchips sind, so ist das Material des Formkörpers 100 bevorzugt reflektierend für durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung ausgebildet. Falls die optoelektronischen Halbleiterchips 200 als volumenemittierende Halbleiterchips ausgebildet sind, so ist das Material des Formkörpers 100 bevorzugt transparent für durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung ausgebildet.
Der Formkörper 100 weist eine im Wesentlichen plane Oberseite 101 und eine der Oberseite 101 gegenüberliegende Unterseite 102 auf. Die Oberseiten 201 der in den Formkörper 100 eingebetteten optoelektronischen Halbleiterchips 200 sind im in 2 gezeigten Beispiel nicht durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt. Vielmehr schließen die Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 im Wesentlichen bündig und koplanar mit der Oberseite 101 des Formkörpers 100 ab. Falls der Formkörper 100 transparent für durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, so könnten die Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 allerdings auch durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt sein.
Die Farbsensoren 300 weisen eine Oberseite 301 und eine der Oberseite 301 gegenüberliegende Unterseite 302 auf. Die Oberseiten 301 der Farbsensoren 300 können durch eine Kristalloberfläche des jeweiligen Farbsensors 300 gebildet sein. Jeder des mindestens einen Farbsensors 300 könnte allerdings auch einen auf einer Kristalloberfläche des jeweiligen Farbsensors 300 angeordneten Farbfilter aufweisen. In diesem Fall bildet eine Oberseite des Farbfilters die Oberseite 301 des jeweiligen Farbsensors. Die Oberseite 301 jedes Farbsensors 300 bildet eine Strahlungsdurchtrittsfläche des jeweiligen Farbsensors 300. Auf die Strahlungsdurchtrittsfläche des jeweiligen Farbsensors 300 auftreffende elektromagnetische Strahlung kann durch den jeweiligen Farbsensor 300 detektiert werden.
Die Oberseiten 301 der Farbsensoren 300 des optoelektronischen Bauelements 10 sind im dargestellten Beispiel nicht durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt. Vielmehr schließen die Oberseiten 301 der Farbsensoren 300 im Wesentlichen bündig und koplanar mit der Oberseite 101 des Formkörpers 100 ab. Falls das Material des Formkörpers 100 transparent für durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung ist, so könnten die Oberseiten 301 der Farbsensoren 300 allerdings auch durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt sein. In der schematischen Seitenansicht der 2 sind lediglich der erste Farbsensor 310 und der zweite Farbsensor 320 erkennbar.
Die elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420, von denen in der schematischen Darstellung der 2 lediglich der Mikrocontroller 400 erkennbar ist, weisen jeweils eine Oberseite 401 und eine der Oberseite 401 gegenüberliegende Unterseite 402 auf. In der schematischen Darstellung der 2 sind die Oberseiten 401 der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt. Es wäre allerdings auch möglich, die Oberseiten 401 der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 bündig mit der Oberseite 101 des Formkörpers 100 auszubilden.
An den Unterseiten 202 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 sind im in 2 gezeigten Beispiel jeweils mehrere elektrische Kontaktflächen 203 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung der optoelektronischen Halbleiterchips 200 dienen. An den Unterseiten 302 der Farbsensoren 300 sind im gezeigten Beispiel jeweils mehrere elektrische Kontaktflächen 303 angeordnet, die zur Kontaktierung der Farbsensoren 300 dienen. An den Unterseiten 402 der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 sind im dargestellten Beispiel jeweils mehrere elektrische Kontaktflächen 403 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 dienen.
Die Unterseiten 202, 302, 402 der optoelektronischen Halbleiterchips 200, der Farbsensoren 300 und der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 sind im dargestellten Beispiel nicht durch das Material des Formkörpers 100 bedeckt. Stattdessen schließen die Unterseiten 202, 302, 402 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 der Farbsensoren 300 und der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 im Wesentlichen bündig und koplanar mit der Unterseite 102 des Formkörpers 100 ab.
An der Unterseite 102 des Formkörpers 100 des optoelektronischen Bauelements 10 ist eine in 2 nur schematisch dargestellte Umverdrahtungsschicht 110 angeordnet. Die Umverdrahtungsschicht 110 stellt geeignete elektrisch leitende Verbindungen zwischen den elektrischen Kontaktflächen 203 der optoelektronischen Halbleiterchips 200, den elektrischen Kontaktflächen 303 der Farbsensoren 300 und den elektrischen Kontaktflächen 403 der elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 her.
Die Umverdrahtungsschicht 110 stellt außerdem externe Kontakte des optoelektronischen Bauelements 10 zur Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements 10 bereit. Die externen Kontaktflächen des optoelektronischen Bauelements 10 können beispielsweise als SMT-Kontaktflächen ausgebildet sein. In diesem Fall eignet sich das optoelektronische Bauelement 10 als oberflächenmontierbares Bauelement für eine elektrische Kontaktierung durch Wiederaufschmelzlöten (Reflow-Löten). Die externen Kontakte des optoelektronischen Bauelements 10 können aber auch als elektrisch leitfähige Bahnen ausgebildet sein, die als Kontakte in einem Stecker dienen.
Die Umverdrahtungsschicht 110 kann eine oder mehrere Metallisierungslagen umfassen, die gegebenenfalls durch elektrisch isolierende Schichten voneinander getrennt sind. Bevorzugt wird die Umverdrahtungsschicht 110 durch planare Prozesse an der Unterseite 102 des Formkörpers 100 angeordnet. Die Umverdrahtungsschicht 110 kann jedoch beispielsweise auch Bonddrähte umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einige oder alle der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den optoelektronischen Halbleiterchips 200, den Farbsensoren 300 und den elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 in den Formkörper 100 zu integrieren. In diesem Fall ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Unterseiten 202, 302, 402 der Chips 200, 300, 400, 410, 420 an der Unterseite 102 des Formkörpers 100 freiliegen.
Durch die im Wesentlichen plane Oberseite 101 des Formkörpers 100 eignet sich das optoelektronische Bauelement 10 für zahlreiche optische Anwendungen. Beispielsweise ermöglicht die plane Oberseite 101 des Formkörpers 100 mit den bündig an der Oberseite 101 des Formkörpers 100 freiliegenden Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 eine Anordnung des Formkörpers 100 des optoelektronischen Bauelements 10 an einem Lichtleiter derart, dass an den Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung unmittelbar in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Auf diese Weise ermöglicht der Lichtleiter einen Transport und eine Verteilung einer durch das optoelektronische Bauelement 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung in einem zu beleuchtenden Raum, beispielsweise in einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs.
3 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Formkörpers 100 des optoelektronischen Bauelements 10 in einem der Darstellung der 2 nachfolgenden Bearbeitungsstand. An der Oberseite 101 des Formkörpers 100 ist eine optische Linse 500 angeordnet worden. Die optische Linse 500 ist allerdings optional und kann entfallen. Statt der optischen Linse 500 könnte auch ein anderes optisches Element an der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet sein, etwa ein Konverterelement zur Konvertierung einer Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung.
Die optische Linse 500 kann dazu dienen, von den optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 10 emittierte elektromagnetische Strahlung zu bündeln oder auf andere Weise in eine gewünschte Winkelverteilung zu bringen. Weiter kann die optische Linse 500 dazu dienen, die von den einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200, 210, 220, 230 erzeugten Anteile der durch das optoelektronische Bauelement 10 emittierten elektromagnetischen Strahlung miteinander zu mischen, um eine Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung einer einheitlichen Lichtfarbe in unterschiedliche Raumrichtungen sicherzustellen. Ferner kann die optische Linse 500 dazu dienen, einen Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung zu dem mindestens einen Farbsensor 300 zu reflektieren, um eine Ermittlung der Lichtfarbe der durch das optoelektronische Bauelement 10 emittierten elektromagnetischen Strahlung mittels des mindestens einen Farbsensors 300 zu ermöglichen.
Die optische Linse 500 weist bevorzugt ein für durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung transparentes Material auf. Beispielsweise kann die optische Linse 500 ein Silikon aufweisen. In das Material der optischen Linse 500 können lichtstreuende Partikel eingebettet sein, um eine Durchmischung der Strahlungsanteile der einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200, 210, 220, 230 zu unterstützen. Die in das Material der optischen Linse 500 eingebetteten Streupartikel können beispielsweise TiO₂ oder Al₂O₃ aufweisen.
Die optische Linse 500 weist eine Oberseite 501 und eine der Oberseite 501 gegenüberliegende Unterseite 502 auf. Die Unterseite 502 der optischen Linse 500 ist der Oberseite 101 des Formkörpers 100 zugewandt. Die optische Linse 500 kann beispielsweise durch ein Formverfahren an der Oberseite 101 des Formkörpers 100 ausgebildet worden sein, beispielsweise durch Formpressen (Compression Molding). Die optische Linse 500 kann jedoch auch getrennt von dem Formkörper 100 hergestellt und als vorgefertigte optische Linse 500 an der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet worden sein.
Die anhand der 2 und 3 beschriebene Herstellung des optoelektronischen Bauelements 10 durch Einbettung der optoelektronischen Halbleiterchips 200, des mindestens einen Farbsensors 300 und des mindestens einen elektronischen Halbleiterchips 400, 410, 420 in den Formkörper 100, durch Ausbildung der Umverdrahtungsschicht 110 und durch Anordnung der optischen Linse 500 kann bevorzugt für eine Mehrzahl optoelektronischer Bauelemente 10 gleichzeitig in gemeinsamen Arbeitsgängen erfolgen. Bei diesem Verfahren werden mehrere Sätze von jeweils einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips 200, mindestens einem Farbsensor 300 und mindestens einem elektronischen Halbleiterchip 400, 410, 420 in einen gemeinsamen Kunstwafer eingebettet. Dieser Kunstwafer wird später zerteilt, um eine Mehrzahl von Formkörpern 100 zu erhalten. In jeden der so erhältlichen Formkörper 100 ist eine Mehrzahl optoelektronischer Halbleiterchips 200, mindestens ein Farbsensor 300 und mindestens ein elektronischer Halbleiterchip 400, 410, 420 eingebettet. Bevorzugt erfolgt auch das Anordnen der Umverdrahtungsschicht 110 an der Unterseite 102 des Formkörpers 100 und das Anordnen der optischen Linse 500 an der Oberseite 101 des Formkörpers 100 noch auf Basis des Kunstwafers für alle aus dem Kunstwafer erhältlichen Formkörper 100 gemeinsam, bevor der Kunstwafer in die einzelnen Formkörper 100 zerteilt wird.
Die Gestaltung der optischen Linse 500 des optoelektronischen Bauelements 10 sowie die Anordnung der optischen Linse 500 relativ zu den Positionen der in den Formkörper 100 eingebetteten optoelektronischen Halbleiterchips 200 und Farbsensoren 300 ist in 3 lediglich stark schematisiert dargestellt. Nachfolgend werden anhand der 4 bis 9 mögliche Ausgestaltungen der optischen Linse 500 erläutert. Die anhand der 4 bis 9 erläuterten optoelektronischen Bauelemente sind als Konkretisierungen der abstrakten bzw. schematischen Darstellung des optoelektronischen Bauelements 10 zu verstehen und weisen alle anhand des optoelektronischen Bauelements 10 und der 1 bis 3 erläuterten Eigenschaften auf. Daher werden in 4 bis 9 für entsprechende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 1 bis 3. Lediglich für jene Komponenten, in denen sich die anhand der 4 bis 9 erläuterten optoelektronischen Bauelemente voneinander unterscheiden, werden nachfolgend jeweils eigene Bezugszeichen verwendet.
4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements 11 mit einem Formkörper 100 und einer über der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordneten optischen Linse 510. 5 zeigt eine schematische und an einer Grenzfläche zwischen der Oberseite 101 des Formkörpers 100 und der Unterseite 502 der optischen Linse 510 geschnittene Aufsicht auf die Oberseite 101 des Formkörpers 100. Die Darstellung der 4 ist der besseren Verständlichkeit halber teilweise transparent ausgeführt.
Die optische Linse 510 des optoelektronischen Bauelements 11 umfasst einen Sockel 511 und ein auf dem Sockel 511 angeordnetes sphärisches Element 512. Der Sockel 511 der optischen Linse 510 weist eine kreiszylindrische Außenform mit einer äußeren Mantelfläche 513 auf. Eine Längsachse des Sockels 511 ist senkrecht zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 orientiert. Die äußere Mantelfläche 513 des Sockels 511 der optischen Linse 510 kann in Richtung senkrecht zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 beispielsweise eine Höhe von 3,1 mm aufweisen. Die äußere Mantelfläche 513 des Sockels 511 der optischen Linse 510 kann transparent oder reflektierend ausgebildet sein.
Am der Oberseite 101 des Formkörpers 100 abgewandten Längsende des Sockels 511 der optischen Linse 510 trägt diese das sphärische Element 512. Der Radius des sphärischen Elements 512 entspricht bevorzugt dem des Sockels 511 in zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 paralleler Richtung und kann beispielsweise 2,5 mm betragen. Der Sockel 511 der optischen Linse 510 weist an seinem der Oberseite 101 des Formkörpers 100 abgewandten Längsende eine halbkugelförmige Ausnehmung mit dem Radius des sphärischen Elements 512 auf. In dieser Ausnehmung ist das sphärische Element 512 derart angeordnet, dass eine untere Hälfte des sphärischen Elements 512 in der Ausnehmung des Sockels 511 angeordnet und durch die Mantelfläche 513 des Sockels 511 umgrenzt ist, während sich eine obere Hälfte des sphärischen Elements 512 über den Sockel 511 der optischen Linse 510 erhebt. Die gesamte optische Linse 510 kann in diesem Fall in Richtung senkrecht zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 eine Höhe von 5,6 mm aufweisen. Das der Oberseite 101 des Formkörpers 100 zugewandte Ende des sphärischen Elements 512 der optischen Linse 510 kann in diesem Fall 0,6 mm über der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet sein.
Der Sockel 511 und das sphärische Element 512 der optischen Linse 510 können auch einstückig ausgeführt sein. Der Sockel 511 und das sphärische Element 512 der optischen Linse 510 können dasselbe Material aufweisen.
Die Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 11 sind an einem durch die optische Linse 510 bedeckten lateralen Abschnitt 120 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet. Die optische Linse 510 ist also über den optoelektronischen Halbleiterchips 200 auf der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet. Die bündig mit der Oberseite 101 des Formkörpers 100 abschließenden Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 grenzen damit unmittelbar an die Unterseite 502 der optischen Linse 510 des optoelektronischen Bauelements 11 an. Von den optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 11 emittierte elektromagnetische Strahlung wird dadurch direkt in die optische Linse 510 eingekoppelt und durch die optische Linse 510 in einen engen Raumwinkelbereich von beispielsweise +/–30° gebündelt. Durch die räumlich nahe Anordnung der einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200, 210, 220, 230 des optoelektronischen Bauelements 11 zueinander und optional durch in das Material der optischen Linse 510 eingebettete Streupartikel wird außerdem eine Durchmischung der durch die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten Strahlungsanteile im Fernfeld des optoelektronischen Bauelements 11 erreicht.
Zusätzlich wird durch die optische Linse 510 des optoelektronischen Bauelements 11 ein Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 zurückreflektiert. Zu dem durch die optische Linse 510 bedeckten lateralen Abschnitt 120 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 gelangt nur wenig elektromagnetische Strahlung. Bedingt durch die Geometrie der optischen Linse 510 gelangt ein höherer Anteil der durch die optische Linse 510 reflektierten elektromagnetischen Strahlung zu einem die optische Linse 510 umlaufend umgebenden lateralen Abschnitt 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100. Der die optische Linse 510 umgebende kreisringförmige laterale Abschnitt 130 kann beispielsweise einen äußeren Radius von ungefähr 4,2 mm aufweisen. In weiter von der optischen Linse 510 entfernte laterale Abschnitte der Oberseite 101 des Formkörpers 100 gelangt nur ein geringer Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten und durch die optische Linse 510 reflektierten elektromagnetischen Strahlung.
Die Farbsensoren 300 des optoelektronischen Bauelements 11 sind daher unterhalb des die optische Linse 510 umgebenden lateralen Abschnitts 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet, sodass die Oberseiten 301 der Farbsensoren 300 des optoelektronischen Bauelements 11 in dem die optische Linse 510 umgebenden lateralen Abschnitt 130 freiliegen. Dadurch gelangt ein zur Ermittlung der Lichtfarbe ausreichender Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten und durch die optische Linse 510 reflektierten elektromagnetischen Strahlung zu den Farbsensoren 300 des optoelektronischen Bauelements 11.
6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements 12 mit dem Formkörper 100 und einer über der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordneten optischen Linse 520. 7 zeigt eine schematische und an einer Grenzfläche zwischen der Oberseite 101 des Formkörpers 100 und der Unterseite 502 der optischen Linse 520 geschnittene Aufsicht auf die Oberseite 101 des Formkörpers 100.
Die optische Linse 520 ist als konvex-konkave Linse ausgebildet. Die optische Linse 520 weist einen unteren Teil mit einer kreiszylindrischen Außenseite und einen halbkugelförmigen oberen Teil auf. Der untere Teil und der obere Teil der optischen Linse 520 sind einstückig zusammenhängend ausgebildet. Der halbkugelförmige obere Teil der optischen Linse 520 bildet die konkave Oberseite 501 der optischen Linse 520.
An der der Oberseite 101 des Formkörpers 100 zugewandten Unterseite 502 der optischen Linse 520 ist ein ebenfalls halbkugelförmiger Hohlraum 521 ausgebildet. Der halbkugelförmige Hohlraum 521 weist einen geringeren Radius als der halbkugelförmige obere Teil der optischen Linse 520 auf. Der zwischen dem Material der optischen Linse 520 und dem Formkörper 100 eingeschlossene Hohlraum 521 ist mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt.
Die Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 12 sind unterhalb des Hohlraums 521 der optischen Linse 520 angeordnet. An den Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung gelangt durch den Hohlraum 521 in die optische Linse 520, wird durch die optische Linse 520 durchmischt und in einen beschränkten Raumwinkelbereich von beispielsweise +/–20° oberhalb des optoelektronischen Bauelements 12 abgestrahlt.
Zusätzlich wird ein Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung an der optischen Linse 520 zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 reflektiert. 7 zeigt, dass ein Hauptteil der durch die optische Linse 520 reflektierten elektromagnetischen Strahlung in einem inneren unbedeckten Abschnitt 140 unterhalb des Hohlraums 521 der optischen Linse 520 auf die Oberseite 101 des Formkörpers 100 trifft. In den den inneren unbedeckten Abschnitt 140 umgebenden, durch die optische Linse 520 bedeckten lateralen Abschnitt 120 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 und den die optische Linse 520 umgebenden lateralen Abschnitt 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 gelangt kein wesentlicher Anteil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung. Aus diesem Grund ist der mindestens eine Farbsensor 300 bei dem optoelektronischen Bauelement 12 unterhalb des Hohlraums 521 der optischen Linse 520 angeordnet. Die Oberseite 301 des mindestens einen Farbsensors 300 liegt im inneren unbedeckten Abschnitt 140 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 frei.
8 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements 13 mit dem Formkörper 100 und einer über der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordneten optischen Linse 530. 9 zeigt eine schematische und an einer Grenzfläche zwischen der Unterseite 502 der optischen Linse 530 und der Oberseite 101 des Formkörpers 100 geschnittene Aufsicht auf die Oberseite 101 des Formkörpers 100.
Die optische Linse 530 weist in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 101 des Formkörpers 100 eine Rotationssymmetrie auf. An ihrer von der Oberseite 101 des Formkörpers 100 abgewandten Oberseite 501 weist die optische Linse 530 eine Vertiefung 532 auf. An ihrer der Oberseite 101 des Formkörpers 100 zugewandten Unterseite 502 weist die optische Linse 530 einen Hohlraum 531 auf. Der zwischen dem Material der optischen Linse 530 und dem Formkörper 100 eingeschlossene Hohlraum 531 ist mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt.
Die optoelektronischen Halbleiterchips 200 des optoelektronischen Bauelements 13 sind unterhalb des Hohlraums 531 der optischen Linse 530 angeordnet, sodass die Oberseiten 201 der optoelektronischen Halbleiterchips 200 in dem inneren unbedeckten Abschnitt 140 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 unterhalb des Hohlraums 531 der optischen Linse 530 freiliegen. Von den optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann damit über den Hohlraum 531 in die optische Linse 530 gelangen, durch die optische Linse 530 durchmischt werden und als zumindest teilweise gerichtete Strahlung aus der optischen Linse 530 austreten.
Ein Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung wird durch die optische Linse 530 in Richtung der Oberseite 101 des Formkörpers 100 reflektiert. 9 zeigt, dass Teile der durch die optische Linse 530 reflektierten elektromagnetischen Strahlung zum inneren unbedeckten Abschnitt 140 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 unterhalb des Hohlraums 531 der optischen Linse 530 und in den die optische Linse 530 außen umgebenden lateralen Abschnitt 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 gelangen. Zu dem den inneren unbedeckten Abschnitt 140 umgebenden, durch die optische Linse 530 bedeckten lateralen Abschnitt 120 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 gelangt kein wesentlicher Teil der durch die optoelektronischen Halbleiterchips 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung. Bei dem optoelektronischen Bauelement 13 kann der mindestens eine Farbsensor 300 damit entweder im inneren unbedeckten Abschnitt 140 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 unterhalb des Hohlraums 531 der optischen Linse 530 oder in dem die optische Linse 530 umgebenden lateralen Abschnitt 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 angeordnet werden. Im in 8 und 9 gezeigten Beispiel umfasst das optoelektronische Bauelement 13 drei Farbsensoren 300, deren Oberseiten 301 im die optische Linse 530 umgebenden lateralen Abschnitt 130 der Oberseite 101 des Formkörpers 100 freiliegen.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: optoelektronisches Bauelement
11: optoelektronisches Bauelement
12: optoelektronisches Bauelement
13: optoelektronisches Bauelement
100: Formkörper
101: Oberseite
102: Unterseite
110: Umverdrahtungsschicht
120: bedeckter lateraler Abschnitt
130: umgebender lateraler Abschnitt
140: innerer unbedeckter Abschnitt
200: optoelektronischer Halbleiterchip
201: Oberseite (Strahlungsdurchtrittsfläche)
202: Unterseite
203: elektrische Kontaktfläche
210: erster optoelektronischer Halbleiterchip (rot)
220: zweiter optoelektronischer Halbleiterchip (grün)
230: dritter optoelektronischer Halbleiterchip (blau)
300: Farbsensor
301: Oberseite (Strahlungsdurchtrittsfläche)
302: Unterseite
303: elektrische Kontaktfläche
310: erster Farbsensor (rot)
320: zweiter Farbsensor (grün)
330: dritter Farbsensor (blau)
400: Mikrocontroller
401: Oberseite
402: Unterseite
403: elektrische Kontaktfläche
410: Leuchtdioden-Treiberschaltung
420: Kommunikationsschnittstelle / Antenne
430: Datenverbindung
440: Energieversorgung
500: optische Linse
501: Oberseite
502: Unterseite
510: optische Linse
511: Sockel
512: sphärisches Element
513: Mantelfläche
520: optische Linse
521: Hohlraum
530: optische Linse
531: Hohlraum
532: Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEEE 802.11g [0049]

Claims

Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) mit mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (200), mindestens einem optischen Sensor (300) und einem elektronischen Halbleiterchip (400, 410, 420), wobei der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip (200), der mindestens eine optische Sensor (300) und der elektronische Halbleiterchip (400, 410, 420) in einen gemeinsamen Formkörper (100) eingebettet sind.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß Anspruch 1, wobei Strahlungsdurchtrittsflächen (201, 301) des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips (200) und des mindestens einen optischen Sensors (300) lateral nebeneinander angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß Anspruch 2, wobei die Strahlungsdurchtrittsflächen (201, 301) des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips (200) und des mindestens einen optischen Sensors (300) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Bauelement (10, 11, 12, 13) ein optisches Element (500, 510, 520, 530) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (12, 13) gemäß Anspruch 4, wobei zwischen einer Oberseite (101) des Formkörpers (100) und einer Unterseite (502) des optischen Elements (520, 530) ein Hohlraum (521, 531) ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der Ansprüche 2 und 3 und einem der Ansprü- che 4 und 5, wobei das optische Element (500, 510, 520, 530) über der Strahlungsdurchtrittsfläche (201) des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips (200) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (12) gemäß einem der Ansprüche 2 und 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das optische Element (520) über der Strahlungsdurchtrittsfläche (301) des mindestens einen optischen Sensors (300) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 13) gemäß einem der Ansprüche 2 und 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der mindestens eine optischen Sensor (300) lateral neben dem optischen Element (500, 510, 530) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das optische Element (500, 510, 520, 530) eingebettete lichtstreuende Partikel aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (11) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das optische Element (510) einen zylindrischen Sockel (511) und ein an dem zylindrischen Sockel (511) angeordnetes sphärisches Element (512) umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine optische Sensor (300) als Photodiode ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip (200) als Leuchtdiodenchip ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronischen Halbleiterchips (200) einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip (201) umfassen, der zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Spektralbereich ausgebildet ist, und einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip (202) umfassen, der zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Spektralbereich ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Kontaktflächen (203, 303, 403) des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips (200), des mindestens einen optischen Sensors (300) und des elektronischen Halbleiterchips (400, 410, 420) zumindest teilweise nicht durch den Formkörper (100) bedeckt sind.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer Unterseite (102) des Formkörpers (100) eine elektrische Umverdrahtungsschicht (110) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektronische Halbleiterchip (400, 410, 420) als Mikrocontroller (400) und/oder als Leuchtdioden-Treiberschaltung (410) und/oder als Schnittstellen-Treiberschaltung (420) und/oder als Treiberschaltung für eine drahtlose Kommunikation ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (10, 11, 12, 13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine für drahtlose Datenkommunikation (430) ausgebildete Antenne (420) in den Formkörper (100) eingebettet ist.
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements (10, 11, 12, 13) mit dem folgenden Schritt: – Einbetten mindestens eines optoelektronischen Halbleiterchips (200), mindestens eines optischen Sensors (300) und eines elektronischen Halbleiterchips (400, 410, 420) in einen gemeinsamen Formkörper (100).
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei mehrere Sätze von jeweils mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (200), mindestens eines optischen Sensor (300) und einem elektronischen Halbleiterchip (400, 410, 420) in einen gemeinsamen Kunstwafer eingebettet werden, wobei der Kunstwafer zerteilt wird, um eine Mehrzahl von Formkörpern (100) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst: – Anordnen je eines optischen Elements (500, 510, 520, 530) pro aus dem Kunstwafer erhältlichem Formkörper (100) auf einer Oberseite des Kunstwafers.