DE102022119151A1

DE102022119151A1 - Optoelektronisches modul und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen moduls

Info

Publication number: DE102022119151A1
Application number: DE102022119151.6A
Authority: DE
Inventors: Joerg Erich Sorg; Erik Heinemann; Thomas Kippes
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024023005A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul (1) mit einem Träger (2), einem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (3) auf dem Träger, und einem optischen Element (4) in einem Strahlengang des Halbleiterkörpers (3) angegeben, wobei zumindest ein Bauteil (3, 4) aus der Gruppe Halbleiterkörper (3) und optisches Element (4) über eine Verbindungsstelle (5), die metallische Nanostrukturen aufweist, mit dem Träger (2) verbunden ist.Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls beschrieben.

Description

Es wird ein optoelektronisches Modul und einer Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben.
Es ist unter anderem eine Aufgabe ein optoelektronisches Modul mit erhöhter Effizienz und/oder mit einer verlängerten Lebensdauer bereitzustellen. Weiterhin soll ein effizientes und einfaches Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul einen Träger. Der Träger dient insbesondere zur mechanischen Stabilisierung von weiteren Komponenten des optoelektronischen Moduls. Weiterhin ist es möglich, dass die weiteren Komponenten über den Träger elektrisch kontaktiert werden. Bei dem Träger kann es sich dazu zum Beispiel um einen Anschlussträger handeln, der Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung von weiteren Komponenten umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper. Das heißt, bei dem optoelektronischen Modul handelt es sich insbesondere um ein strahlungsemittierendes Modul. Bevorzugt emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterkörper elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise im roten, grünen, oder blauen Wellenlängenbereich und/oder im nahen Infrarot- oder UV-Spektralbereich. Insbesondere handelt es sich bei dem Halbleiterkörper um eine Laserdiode. Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine Austrittsfacette auf, durch die die elektromagnetische Strahlung emittiert wird.
Bevorzugt ist der strahlungsemittierende Halbleiterkörper auf dem Träger angeordnet. Der Träger kann dabei vorteilhafterweise zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers eingesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul ein optisches Element. Insbesondere ist das optische Element in einem Strahlengang des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers angeordnet. Beispielsweise ist das optische Element dazu eingerichtet die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper emittierte elektromagnetische Strahlung zu beeinflussen. Bei dem optischen Element kann es sich dazu zum Beispiel um ein diffraktives und/oder reflektives und/oder strahlungsbrechendes und/oder polarisierendes und/oder doppelbrechendes optisches Element handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein Bauteil aus der Gruppe Halbleiterkörper und optisches Element über eine Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden. Insbesondere ist die Verbindungsstelle dazu eingerichtet, das Bauteil mechanisch und/oder elektrisch an den Träger anzukoppeln. Beispielsweise ist die Verbindungsstelle in direktem Kontakt mit dem Träger, dem Halbleiterkörper und/oder dem optischen Element. Alternativ ist es möglich, dass zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger und/oder dem optischen Element und dem Träger ein weiteres Bauteil angeordnet ist, das in direktem Kontakt mit der Verbindungsstelle ist. Beispielsweise ist ein Submount zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger angeordnet, wobei beispielsweise der Submount direkt über die Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden ist.
Die Verbindungsstelle weist metallische Nanostrukturen auf. Die Nanostrukturen weisen also ein Metall auf oder sind daraus gebildet. Zum Beispiel weisen die Nanostrukturen metallische Eigenschaften auf. Insbesondere weisen die Nanostrukturen eine Ausdehnung, beispielsweise eine Länge, eine Breite und/oder einen Durchmesser, im Bereich von einschließlich 10 Nanometer bis einschließlich 10 Mikrometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 10 Nanometer bis einschließlich 1 Mikrometer auf.
Insbesondere ist die Verbindungsstelle frei von organischen Bestandteilen. Mit anderen Worten wird kein organisches Verbindungsmittel, zum Beispiel kein organischer Kleber zum Befestigen des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers und/oder des optischen Elements auf dem Träger eingesetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein optoelektronisches Modul einen Träger, einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf dem Träger und ein optisches Element in einem Strahlengang des Halbleiterkörpers auf, wobei zumindest ein Bauteil aus der Gruppe Halbleiterkörper und optisches Element über eine Verbindungsstelle, die metallische Nanostrukturen aufweist, mit dem Träger verbunden ist. Insbesondere sind der Halbleiterkörper und das optische Element jeweils über eine Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden.
Ein solches optoelektronisches Modul kann vorteilhafterweise im Bereich der Projektion, im Automotive-Bereich, wie in einem Head-up-Display (HUD) oder in einem Lidar-System, und/oder im Bereich der Sensorik eingesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Modul ein Gehäuse auf. Insbesondere verkapselt das Gehäuse den Halbleiterkörper hermetisch. Vorteilhafterweise wird durch das Gehäuse eine Beschädigung des Halbleiterkörpers durch äußere Einflüsse, wie Sauerstoff oder Feuchtigkeit, zumindest teilweise verhindert. Dadurch kann eine Lebensdauer des optoelektronischen Moduls verlängert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder ist der Halbleiterkörper eine Laserdiode. Insbesondere emittiert die Laserdiode ein Emissionsspektrum mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer oder mit einem Emissionsmaximum im Bereich von einschließlich 550 Nanometer bis einschließlich 620 Nanometer oder im Bereich von einschließlich 620 Nanometer bis einschließlich 680 Nanometer. Mit anderen Worten emittiert die Laserdiode zum Beispiel blaues bis blaugrünes Licht, grünes bis grüngelbes Licht oder rotes Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Modul zumindest einen weiteren Halbleiterkörper auf. Alle Merkmale und Ausführungsformen, die bereits in Verbindung mit dem Halbleiterkörper beschrieben sind gelten insbesondere auch für den zumindest einen weiteren Halbleiterkörper.
Insbesondere weist das optoelektronische Modul insgesamt drei Halbleiterkörper auf. Der zumindest eine weitere Halbleiterkörper ist oder umfasst beispielsweise eine Laserdiode. Bevorzugt weisen die weiteren Halbleiterkörper ein Emissionsmaximum in einem anderen Spektralbereich auf als der Halbleiterkörper. Beispielsweise umfasst das optoelektronische Modul einen ersten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im blauen Spektralbereich, einen zweiten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im grünen Spektralbereich und einen dritten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im roten Spektralbereich. Auf diese Weise kann ein optoelektronisches Modul bereitgestellt werden, dass weißes Mischlicht emittiert.
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel ist das optoelektronische Modul zumindest innerhalb des Gehäuses frei von organischen Bestandteilen.
Bei optoelektronischen Modulen, die insbesondere eine Laserdiode mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer aufweisen, ist es möglich, dass auf Grund einer hohen Energiedichte der emittierten Strahlung und/oder einer hohen Strahldivergenz organische Verunreinigungen auf der Austrittsfacette des Halbleiterkörpers abgeschieden werden. Hierdurch kann es zu einer verringerten Lebensdauer des optoelektronischen Moduls kommen. Dadurch, dass das optoelektronische Modul zumindest innerhalb des Gehäuses frei von organischen Bestandteilen ausgeformt wird, wird insbesondere die verringerte Lebensdauer des optoelektronischen Moduls auf Grund der Verunreinigungen auf der Austrittsfacette des Halbleiterkörpers verhindert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist das optische Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Linse, Prisma, Kollimationslinse, Strahlkombinierer, Polarisationsfilter, doppelbrechender Kristall, photonische integrierte Schaltung. Insbesondere ist der Strahlkombinierer ein dichroitischer Strahlkombinierer. Die photonische integrierte Schaltung wird im Englischen auch als „photonic integrated circuit“ (kurz PIC) bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weisen die Nanodrähte einen Abstand von maximal 10 Mikrometern, insbesondere maximal 1 Mikrometer, beispielsweise von maximal 0,1 Mikrometer auf. Insbesondere handelt es sich bei dem Abstand um die Länge einer kürzesten Verbindungsgeraden zwischen zwei benachbarten Nanodrähten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls berühren sich die Nanodrähte zumindest teilweise. Mit anderen Worten liegen die Nanodrähte in der Verbindungsstelle so vor, dass ein stabiler Kontakt zwischen zwei Nanodrähten vorhanden ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine mechanisch stabile Verbindungsstelle erzeugt. Insbesondere sind die Nanodrähte ineinander verhakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls umfassen die metallischen Nanostrukturen zumindest ein Metall aus der folgenden Gruppe oder bestehen daraus: Au, Ag, Cu. Insbesondere zeichnen sich Au, Ag und Cu durch ihre chemische Stabilität aus. Darüber hinaus können diese Metalle leicht verformt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist zwischen den metallischen Nanostrukturen eine Legierung angeordnet. Insbesondere weist die Legierung das Metall der Nanostrukturen auf. Durch die Legierung wird insbesondere eine stoffschlüssige Verbindungsstelle bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist ein weiterer Bestandteil der Legierung ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn. Insbesondere weisen Ga, In, Hg und Sn in ihrer metallischen Form einen niedrigen Schmelzpunkt auf. Dadurch lassen sich diese Elemente vorteilhafterweise leicht in die Verbindungsstelle einbringen. Weiterhin bilden Ga, In, Hg und Sn mit dem Metall der Nanostrukturen, beispielsweise Au, Ag und Cu, Legierungen mit einem Schmelzpunkt von insbesondere über 250 °C, bevorzugt von über 260 °C. Somit wird vorteilhafterweise ein optoelektronisches Modul bereitgestellt, dass eine hohe Temperaturfestigkeit aufweist und/oder SMD-lötfähig ist. SMD steht hier und im Folgenden für surface mounted device (deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weist die Legierung ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe auf: AuGa, AuIn, AuHg, AgGa, AgIn, AgHg, CuSn.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben. Insbesondere wird das hier beschrieben optoelektronische Modul mit dem Verfahren hergestellt. Daher gelten alle in Verbindung mit dem optoelektronischen Modul beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Träger mit einem ersten Verbindungselement bereitgestellt. Insbesondere weist das Verbindungselement metallische Nanostrukturen auf. Beispielsweise umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus. Das erste Verbindungselement bedeckt den Träger zum Beispiel teilweise oder vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Komponente bereitgestellt. Die Komponente umfasst ein zweites Verbindungselement mit metallischen Nanostrukturen. Insbesondere umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus. Die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und die metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements sind beispielsweise gleich oder unterschiedlich ausgebildet. Das zweite Verbindungselement bedeckt eine Oberfläche der Komponente, die mit dem Träger verbunden wird, zumindest teilweise.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Komponente aktiv auf dem Träger justiert. Bei der aktiven Justierung der Komponente wird insbesondere eine Positionierung und/oder eine Ausrichtung der Komponente auf dem Träger anhand eines optischen Ausgangsparameters durchgeführt. Beispielsweise wird als optischer Ausgangsparameter eine Intensität, eine spektrale Leistungsverteilung, eine Strahldivergenz und/oder ein Polarisationsgrad einer von dem optoelektronischen Modul im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung herangezogen. Unter Positionierung wird hier und im Folgenden beispielsweise eine Verschiebung der Komponente in lateraler und/oder horizontaler Richtung bezogen auf eine Haupterstreckungsebene des Trägers verstanden. Die Ausrichtung der Komponente umfasst insbesondere eine Drehung der Komponente um eine ihrer Hauptachsen. Insbesondere erfolgt während dem aktiven Justieren eine Ausrichtung der Komponente um sechs Achsen.
Vorteilhafterweise ermöglicht die aktive Justage eines präzises Aufbringen der Komponente auf dem Träger. Hierdurch können bauteilspezifische Schwankungen ausgeglichen werden und so ein Herstellen von fehlerhaften optoelektronischen Modulen verhindert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden der Träger und die Komponente verbunden. Dabei entsteht insbesondere eine Verbindungsstelle. Die Verbindungsstelle umfasst insbesondere das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement. Beispielsweise erfolgt das Verbinden des Träger und der Komponente bereits während des aktiven Justierens der Komponente auf dem Träger. Alternativ ist es möglich, dass das Verbinden des Trägers und der Komponente erst nach dem aktiven Justieren erfolgt. Umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte, so verhaken sich die Nanodrähte des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements insbesondere während des Verbindens.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Träger mit einem ersten Verbindungselement, das metallische Nanostrukturen aufweist,
- Bereitstellen einer Komponente mit einem zweiten Verbindungselement, das metallische Nanostrukturen aufweist,
- aktives Justieren der Komponente auf dem Träger,
- Verbinden des Trägers und der Komponente, wobei eine Verbindungsstelle umfassend das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement entsteht.

Die Verbindungsstelle umfassend das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement ist insbesondere frei von organischen Bestandteilen, die zunächst zu einer verringerten Leistung und schlussendlich zu einer Funktionsunfähigkeit des optoelektronischen Moduls führen können. Durch die Verbindungsstelle, die keine organischen Bestandteile aufweist, kann eine Lebensdauer des optoelektronischen Moduls also vorteilhafterweise verlängert werden.
In anderen Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Modulen werden organische Klebstoffe zum Verbinden der Komponente und des Trägers eingesetzt. Jedoch ist es bei Verwendung des organischen Klebstoffs notwendig die Komponente zunächst ohne den organischen Klebstoff zu aktiv zu justieren, die Komponente wieder zu entfernen, den organischen Klebstoff aufzubringen, die Komponente an die zuvor bestimmte Position zu bringen und anschließend den organischen Klebstoff auszuhärten. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Komponente vorteilhafterweise lediglich einmal durch aktives Justieren in die gewünschte Position gebracht und mit dem Träger verbunden. Hierdurch kann eine Stückzahl an optoelektronischen Modulen, die in einer Stunde mit dem Verfahren hergestellt werden kann, im Vergleich zu den anderen Verfahren erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Komponente ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Halbleiterkörper, optisches Element, Submount, Interposer. Insbesondere ist ein Submount ein Bauelement, das zur elektrischen Kontaktierung und/oder mechanischen Stabilisierung eines Halbleiterkörpers dient. Ein Interposer ist beispielsweise ein mechanisches Bauelement, das zu einer Höhenanpassung des optischen Elements eingesetzt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verbindungsstelle bei einer Temperatur von zumindest 250 °C stabil. Unter stabil wird hier und im Folgenden verstanden, dass die Verbindungsstelle bei der Temperatur keine oder lediglich geringfügige mechanische Verformung und/oder chemische Veränderung einer Zusammensetzung der Verbindungsstelle zeigt. Mit anderen Worten weist die Verbindungsstelle eine hohe Temperaturfestigkeit auf. Hierdurch kann ein optoelektronisches Modul bereitgestellt werden, dass vorteilhafterweise SMD-lötfähig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Verbinden des Trägers und der Komponente ein Verdichtungsmittel in die Verbindungsstelle eingebracht. Das Verdichtungsmittel bildet mit einem Material des ersten Verbindungselement und des zweiten Verbindungselements eine Legierung. Bevorzugt bildet das Verdichtungsmittel mit einem Material der metallischen Nanostrukturen eine Legierung.
Während des Einbringens des Verdichtungsmittels wird insbesondere das Material des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements teilweise in dem Verdichtungsmittel gelöst und so die Legierung gebildet. Die Legierung weist bevorzugt einen höheren Schmelzpunkt als das Verdichtungsmittel auf. Dadurch kann es zu einer isothermen Erstarrung der Legierung kommen. Der Schmelzpunkt der Legierung ermöglicht zudem ein Aushärten der der Legierung bei niedrigen Temperaturen, das heißt beispielsweise bei Temperaturen unter 100 °C. Dadurch, dass das Material des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements nur teilweise in dem Verdichtungsmittel gelöst wird, kann die Verbindungsstelle mit den metallischen Nanostrukturen von einer Lötstelle unterschieden werden. Beispielsweise wird ein Unterschied der Verbindungsstelle zu einer Lötstelle mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops sichtbar.
Vorteilhafterweise füllt das Verdichtungsmittel und somit auch die Legierung Hohlräume aus, die insbesondere zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und den metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements vorhanden sind. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Komponente und dem Träger gebildet.
In anderen optoelektronischen Modulen wird insbesondere ein Lot zum stoffschlüssigen Verbinden des Trägers und der Komponente eingesetzt. Die Verwendung des Lots kann zu einer hohen thermischen und/oder mechanischen Belastung des Träger und/oder der Komponente führen. Die hohe thermische und/oder mechanische Belastung wird beispielsweise durch hohe Temperaturen, die während des Lötens notwendig sind, oder durch Spannungen und Verzug, die während dem Löten entstehen, hervorgerufen. Zudem ist es möglich, dass ein verwendetes Lotmaterial, wie eine Lotpaste, einen organischen Bestandteil enthält, der zum Schutz des optoelektronischen Moduls vor Verunreinigung entfernt werden muss.
Beim Einsatz des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements zusammen mit dem Verdichtungsmittel wird vorteilhafterweise eine hohe thermische und/oder mechanische Belastung des optoelektronischen Moduls verhindert. Weiterhin ist die so erzeugte Verbindungsstelle insbesondere frei von organischen Bestandteilen und weist geringe eingefrorene Spannungen sowie einen geringen Bi-Metalleffekt auf.
Der Bi-Metalleffekt kann beispielsweise bei zwei übereinander liegenden Schichten von Metallen beobachtet werden, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich beim Erwärmen eine der Schichten stärker aus als die andere, wodurch sich die zwei übereinanderliegenden Schichten verbiegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Nanodrähte in dem ersten Verbindungselement und die Nanodrähte in dem zweiten Verbindungselement während dem aktiven Justieren so zusammengebracht, dass die Nanodrähte des ersten Verbindungselements und die Nanodrähte des zweiten Verbindungselements einen Abstand von maximal 10 Mikrometern, insbesondere von maximal 1 Mikrometer, beispielsweise von maximal 0,1 Mikrometer aufweisen. Es wird also insbesondere ein spielfreies aktives Justieren durchgeführt. Nach einem Einbringen des Verdichtungsmittels wird dann beispielsweise eine mechanisch stabile Verbindungsstelle erhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Verdichtungsmittel vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle aufgeschmolzen. Mit anderen Worten wird das Verdichtungsmittel flüssig in die Verbindungsstelle eingebracht. Auf diese Weise wird insbesondere ein annährend vollständiges oder vollständiges Füllen der Hohlräume zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und den metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements mit dem Verdichtungsmittel und der Legierung erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Verdichtungsmittel ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon. Insbesondere weisen Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon einen niedrigen Schmelzpunkt auf. Dies erleichtert vorteilhafterweise ein Einbringen in die Verbindungsstelle. Zudem kann eine thermische Belastung des optoelektronischen Moduls und dessen Komponenten verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführung des Verfahrens weist das erste Verbindungselement eine größere Ausdehnung als das zweite Verbindungselement auf, insbesondere in einer Draufsicht. Insbesondere weist das erste Verbindungselement in Draufsicht eine größere Fläche auf als das zweite Verbindungselement. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Bildung einer Verbindungsstelle mit der größtmöglichen Ausdehnung, beispielsweise mit der Ausdehnung des zweiten Verbindungselements, erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement, insbesondere in Draufsicht, eine rechteckige, insbesondere quadratische Form auf. Es ist jedoch auch möglich, dass das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement in Draufsicht eine andere Form, wie beispielsweise die eines Ovals, insbesondere einer Ellipse oder eines Kreises, oder die eines Polygons, wie eines Hexagons, aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls ergeben sich aus den folgenden, in Verbindung mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.

1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronisches Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B zeigt eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 2A und 2B zeigen schematische Schnittdarstellungen von Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 3A bis 3C zeigen schematische Schnittdarstellungen von Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die 4A und 4B zeigen eine schematische Schnittdarstellungen und eine Draufsicht eines Schritts eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In der 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Moduls 1 gezeigt. Das optoelektronische Modul 1 umfasst einen Träger 2, auf dem ein Halbleiterkörper 3 und ein optisches Element 4 angeordnet sind. Der Halbleiterkörper 3 und das optische Element 4 werden durch ein Gehäuse 6 hermetisch verkapselt.
Der Halbleiterkörper 3 umfasst oder ist vorliegend eine Laserdiode mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer. Eine von dem Halbleiterkörper 3 emittierte elektromagnetische Strahlung wird durch eine Austrittsfacette 31 emittiert. Der Halbleiterkörper 3 ist auf einem Submount 7 aufgebracht, der über eine Verbindungsstelle 5 direkt mit dem Träger 2 verbunden ist. Mit anderen Worten, ist der Halbleiterkörper 3 über die Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden. Es ist weiterhin möglich, dass zwischen dem Halbleiterkörper 3 und dem Submount 7 eine weitere Verbindungsstelle 5 angeordnet ist. Alternativ ist der Halbleiterkörper 3 direkt über die Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden. In diesem Fall ist zwischen Halbleiterkörper 3 und Träger 2 kein Submount 7 angeordnet.
Die Verbindungsstelle 5 weist metallische Nanostrukturen auf. Die metallischen Nanostrukturen sind Nanodrähte. Vorliegend weisen die Nanodrähte einen Abstand von maximal 1 Mikrometer auf oder die Nanodrähte berühren sich zumindest teilweise. Insbesondere sind die Nanodrähte, die ineinander verhakt sind. Eine Haupterstreckungsrichtung der Nanodrähte ist quer, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Verbindungsstelle 5. Die metallischen Nanostrukturen umfassen Au, Ag und/oder Cu oder bestehen daraus. Zwischen den metallischen Nanostrukturen ist eine Legierung angeordnet. Die Legierung weist das Au, Ag und/oder Cu der metallischen Nanostrukturen und einen weiteren Bestandteil auf. Der weitere Bestandteil der Legierung ist ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn. Die Legierung kann also beispielsweise AuGa, AuIn, AuHg, AgGa, AgIn, AgHg oder CuSn umfassen.
In einem Strahlengang des Halbleiterkörpers 3 des optoelektronischen Moduls 1 der 1A ist das optische Element 4 angeordnet. Mit anderen Worten ist das optische Element 4 an einer Seite des Halbleiterkörpers 3 angeordnet, an der die Austrittfacette 31 vorhanden ist. Das optische Element 4 ist beispielsweise ein Prisma, eine Kollimationslinse oder ein Strahlteiler. Ein Interposer 8 ist zwischen dem optischen Element 4 und dem Träger 2 angeordnet. Weiterhin ist eine Verbindungsstelle 5' zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 angeordnet. Mit anderen Worten ist das optische Element 4 über die Verbindungsstelle 5` zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 mit dem Träger 2 verbunden. Alternativ ist das optische Element 4 direkt über die Verbindungsstelle 5' mit dem Träger 2 verbunden. Das heißt es ist kein Interposer 8 zwischen dem optischen Element 4 und dem Träger 2 angeordnet.
Die Verbindungsstelle 5` zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 ist insbesondere gleich ausgebildet wie die Verbindungsstelle 5 zwischen dem Submount 7 und dem Träger 2. Alternativ weist die Verbindungsstelle 5` metallische Nanostrukturen und/oder eine Legierung aus einem anderen Material auf als die Verbindungsstelle 5. Die metallischen Nanostrukturen der Verbindungsstelle 5' umfassen Au, Ag und/oder Cu. Die Legierung der Verbindungsstelle 5' weist das Au, Ag und/oder Cu der metallischen Nanostrukturen und einen weiteren Bestandteil, wie Ga, In, Hg oder Sn, auf. Die metallischen Nanostrukturen sind vorliegend Nanodrähte, die eine Haupterstreckungsrichtung quer, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Verbindungsstelle 5' aufweisen.
Die 1B zeigt ein optoelektronisches Modul 1 in schematischer Draufsicht. Insbesondere zeigt die 1B das optoelektronische Modul 1 der 1A in Draufsicht. Auf dem Träger 2 sind insgesamt drei Halbleiterkörper 3, 3', 3" angeordnet, die über eine Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden sind. Zwischen dem Träger 2 und den Halbleiterkörpern 3, 3', 3" ist jeweils ein Submount 7, 7', 7" angeordnet. Die Halbleiterkörper 3, 3', 3" umfassen vorliegend Laserdioden. In Strahlengängen der Halbleiterkörper 3, 3', 3" befinden sich optische Elemente 4, 4', 4". Die optischen Elemente 4, 4', 4" sind durch Verbindungsstellen 5' mit dem Träger 2 verbunden. Die Halbleiterkörper 3, 3', 3" unterscheiden sich in der von ihnen emittierten elektromagnetischen Strahlung. Insbesondere emittiert der Halbleiterkörper 3 elektromagnetische Strahlung aus dem blauen Spektralbereich, der Halbleiterkörper 3` elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich und der Halbleiterkörper 3" elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich.
Die 2A und 2B beschreiben ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Zunächst werden hierbei ein Träger 2 mit einem ersten Verbindungselement 9 und eine Komponente 10 mit einem zweiten Verbindungselement 11 bereitgestellt ( 2A). Das erste Verbindungselement 9 bedeckt den Träger 2 zumindest teilweisen. Das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfassen metallische Nanostrukturen, bevorzugt Nanodrähte, die Au aufweisen. Das erste Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 weist eine größere Ausdehnung auf als das zweite Verbindungselement 11 an der Komponente 10. Die metallischen Nanostrukturen umfassen vorliegend Nanodrähte, die eine Haupterstreckungsrichtung quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des ersten Verbindungselements 9 und/oder des zweiten Verbindungselements 11 aufweisen.
Die Komponente 10 umfasst einen Halbleiterkörper 3 oder ein optisches Element 4. Vorliegend ist die Komponente 10 eine Linse. Die Komponente 10 wird unter Zuhilfenahme eines Greifers aktiv justiert. Dabei wird im Betrieb des optoelektronischen Moduls 1 ein optischer Ausgangsparameter des optoelektronischen Moduls 1 detektiert. Anhand des optischen Ausgangsparameters wird dann die Komponente 10 mit dem Greifer ausgerichtet und positioniert.
Mit anderen Worten wird die Komponente 10 ausgerichtet und positioniert, während ein bereits auf dem Träger 2 angeordneter Halbleiterkörper 3 elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Komponente 10 wird dabei mit Hilfe des Greifers so ausgerichtet, dass beispielsweise eine Intensität der von dem optoelektronischen Modul 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung maximal ist.
Bei dem aktiven Justieren der Komponente 10 werden das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 zusammengedrückt oder zusammengepresst. Dadurch entsteht eine Verbindungsstelle 5, die das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfasst, wie in der 2B gezeigt ist. In der Verbindungsstelle 5 greifen die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 ineinander oder berühren sich zumindest teilweise.
Die 3A bis 3C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1. Analog zur 2A wird ein Träger 2 mit einem ersten Verbindungselement 9, das metallischen Nanostrukturen aufweist, bereitgestellt (3A). Weiterhin wird eine Komponente 10 mit einem zweiten Verbindungselement 11 bereitgestellt, das ebenfalls metallische Nanostrukturen aufweist. Das erste Verbindungselement 9 weist eine größere Ausdehnung auf als das zweite Verbindungselement 11. Vorliegend umfassen die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 Nanodrähte mit Au. Au weist eine Schmelztemperatur von etwa 1064 °C auf. Die Komponente 10 umfasst vorliegend eine Linse.
Die Komponente 10 wird aktiv justiert, wobei das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 zusammengedrückt werden, wie in der 3B gezeigt ist. Bei dem aktiven Justieren erfolgt eine Ausrichtung und/oder Positionierung der Komponente 10 um sechs Achsen. Dadurch entsteht eine Verbindungsstelle 5, die das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfasst. In der Verbindungsstelle weisen die Nanodrähte des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 einen Abstand von maximal 10 Mikrometern auf. In die Verbindungsstelle 5 wird anschließend ein Verdichtungsmittel 12 eingebracht. Das Verdichtungsmittel 12 wird in flüssiger Form beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers 13 in die Verbindungsstelle 5 eingebracht. Das Verdichtungsmittel 12 umfasst vorliegend Ga oder In.
Damit das Verdichtungsmittel 12 in flüssiger Form in die Verbindungsstelle 5 eingebracht werden kann, wird das Verdichtungsmittel 12 vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle 5 aufgeschmolzen. Ga weist insbesondere eine Schmelztemperatur von etwa 30 °C auf, In von etwa 157 °C.
Während des Einbringens des Verdichtungsmittels 12 in die Verbindungsstelle 5 wird das Verdichtungsmittel 12 in Hohlräume zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselement 11 gezogen. Insbesondere erfolgt dieser Vorgang durch Kapillarkräfte. Das Verdichtungsmittel 12 löst einen Teil des Materials der metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselement 9, sodass sich eine Legierung zwischen den metallischen Nanostrukturen bildet. Dabei bleibt ein Teil der metallischen Nanostrukturen in der Verbindungsstelle 5 bestehen. Mit anderen Worten weist die Verbindungstelle 5 nach dem Einbringen des Verdichtungsmittels 12 die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 sowie die Legierung auf. Die Legierung weist AuGa oder AuIn auf.
Die Legierung aus dem Material des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 sowie dem Verdichtungsmittel 12 weist eine höhere Schmelztemperatur als das Verdichtungsmittel 12 auf, insbesondere eine Schmelztemperatur von über 260 °C. Dadurch kommt es zu einer isothermen Erstarrung der Legierung zwischen den metallischen Nanostrukturen in der Verbindungsstelle 5. Auf diese Weise wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Komponente 10 und dem Träger 2 erzeugt (3C). Die Verbindungsstelle 5 ist bei einer Temperatur von etwa 260 °C stabil, da keines der Materialien in der Verbindungsstelle 5 unter dieser Temperatur schmilzt. Dadurch ist die Verbindung SMD-lötfähig.
4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Schritts eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Vorliegend ist ein erstes Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 aufgebracht und ein zweites Verbindungselement 11 auf der Komponente 10. Das zweite Verbindungselement 11 weist eine geringere Ausdehnung auf als das erste Verbindungselement 9. Weiterhin weist das zweite Verbindungselement 11 eine kleinere Ausdehnung auf als die Komponente 10. Mit anderen Worten bedeckt die zweite Verbindungsstelle 11 nur einen Teil der Oberfläche der Komponente 10, über die die Komponente 10 mit dem Träger 2 verbunden wird. Die Komponente 10 wird beim aktiven Justieren um eine ihrer Hauptachsen durch Drehen ausgerichtet. Das Drehen erfolgt insbesondere entlang der Drehrichtungen 14.
Es ist zudem möglich, die Komponente 10 während des aktiven Justierens in zwei unterschiedlichen Richtungen zu kippen und/oder um eine Lichtausbreitungsrichtung zu rotieren. Das Rotieren um die Lichtausbreitungsrichtung wird beispielsweise angewendet, wenn es sich bei der Komponenten 10 um einen Halbleiterkörper, insbesondere mit einer nicht rotationssymmetrischen Abstrahlcharakteristik handelt.
Die 4B zeigt eine Draufsicht auf den in der 4A dargestellten Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1. Das erste Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 weist eine größere Ausdehnung auf als die Komponente 10. Beim aktiven Justieren wird die Komponente 10 entlang der Verschieberichtungen 15 positioniert. Die Verschieberichtungen 15 sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Träger 2 und/oder der Komponente 10. Zudem erfolgt beim aktiven Justieren eine vertikale Positionierung, das heißt eine Positionierung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Trägers 2.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Modul
2: Träger
3, 3', 3": Halbleiterkörper
31: Austrittsfacette
4, 4', 4": optisches Element
5, 5': Verbindungsstelle
6: Gehäuse
7, 7', 7": Submount
8: Interposer
9: erstes Verbindungselement
10: Komponente
11: zweites Verbindungselement
12: Verdichtungsmittel
13: Dispenser
14: Drehrichtung
15: Verschieberichtung

Claims

Optoelektronisches Modul (1) mit - einem Träger (2), - einem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (3) auf dem Träger, und - einem optischen Element (4) in einem Strahlengang des Halbleiterkörpers (3), wobei - zumindest ein Bauteil (3,4) aus der Gruppe Halbleiterkörper (3) und optisches Element (4) über eine Verbindungsstelle (5), die metallische Nanostrukturen aufweist, mit dem Träger (2) verbunden ist.
Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das optoelektronische Modul (1) ein Gehäuse (6) aufweist, das zumindest den Halbleiterkörper (3) hermetisch verkapselt.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (3) eine Laserdiode umfasst oder ist.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Modul (1) zumindest einen weiteren Halbleiterkörper (3', 3") aufweist.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Modul (1) zumindest innerhalb des Gehäuses (6) frei von organischen Bestandteilen ist.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (4) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Linse, Prisma, Kollimationslinse, Strahlkombinierer, Polarisationsfilter, doppelbrechender Kristall, photonische integrierte Schaltung.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte umfassen, und - die Nanodrähte einen Abstand von maximal 10 Mikrometern aufweisen.
Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Nanodrähte zumindest teilweise berühren.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallischen Nanostrukturen zumindest ein Metall aus der folgenden Gruppe umfassen: Au, Ag, Cu.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den metallischen Nanostrukturen eine Legierung angeordnet ist, die das Metall der Nanostrukturen aufweist.
Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein weiterer Bestandteil der Legierung ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Trägers (2) mit einem ersten Verbindungselement (9), das metallische Nanostrukturen aufweist, - Bereitstellen einer Komponente (10) mit einem zweiten Verbindungselement (11), das metallische Nanostrukturen aufweist, - aktives Justieren der Komponente (10) auf dem Träger (2), - Verbinden des Trägers (2) und der Komponente (10), wobei eine Verbindungsstelle (5) umfassend das erste Verbindungselement (9) und das zweite Verbindungselement (11) entsteht.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach Anspruch 12, wobei die Komponente (10) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Halbleiterkörper (3), optisches Element (4), Submount (7), Interposer (8).
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die Verbindungsstelle (5) bei einer Temperatur von zumindest 250 °C stabil ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei - beim Verbinden des Trägers (2) und der Komponente (10) ein Verdichtungsmittel (12) in die Verbindungsstelle (5) eingebracht wird und - das Verdichtungsmittel (12) mit einem Material des ersten Verbindungselements (9) und des zweiten Verbindungselements (11) eine Legierung bildet.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach Anspruch 15, wobei das Verdichtungsmittel (12) vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle (5) aufgeschmolzen wird.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei das Verdichtungsmittel (12) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das erste Verbindungselement (9) eine größere Ausdehnung als das zweite Verbindungselement (11) aufweist.