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Es wird ein optoelektronisches Modul angegeben, das zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Modul mit einer besonders kompakten Bauform anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul ein erstes Halbleiterbauelement, ein zweites Halbleiterbauelement und ein drittes Halbleiterbauelement. Die Halbleiterbauelemente sind beispielsweise als Lumineszenzdioden oder Laserdioden eingerichtet. Insbesondere sind die Halbleiterbauelemente jeweils als Single Ridge Laser mit je einem Emissionsbereich ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Halbleiterbauelemente zur Emission von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Hauptwellenlängen in eine gemeinsame Emissionsrichtung eingerichtet. Beispielsweise sind die Halbleiterbauelemente jeweils als monolithische Bauelemente ausgebildet.
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Eine Hauptwellenlänge beschreibt hier und im Folgenden eine Wellenlänge, bei der ein Emissionsspektrum ein globales Intensitätsmaximum aufweist. Das erste Halbleiterbauelement emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer ersten Hauptwellenlänge im roten Spektralbereich. Das zweite Halbleiterbauelement emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer zweiten Hauptwellenlänge im grünen Spektralbereich. Das dritte Halbleiterbauelement emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer dritten Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich. Bevorzugt sind die Emissionsrichtungen aller Halbleiterbauelemente parallel zueinander ausgerichtet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Halbleiterbauelemente jeweils auf einem Montagekörper angeordnet. Mit anderen Worten, jedem Halbleiterbauelement ist ein eigener Montagekörper zugeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Montagekörper auf einer Montageseite eines Trägers angeordnet. Die Montageseite des Trägers ist beispielsweise die Seite, auf dem ein Halbleiterbauelement montiert werden kann. Insbesondere umfasst die Montageseite eine Mehrzahl von Lötpads zur Montage von Halbleiterbauelementen. Der Träger ist insbesondere mit mehreren Schichten gebildet. Bevorzugt ist der Träger mechanisch selbsttragend ausgeführt. Gegenüber der Montageseite des Trägers befindet sich eine Rückseite des Trägers.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist die Emissionsrichtung quer zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers ausgerichtet. Vorteilhaft kann so eine besonders kompakte Lichtquelle bereitgestellt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul ein erstes Halbleiterbauelement, ein zweites Halbleiterbauelement und ein drittes Halbleiterbauelement, wobei
- - die Halbleiterbauelemente zur Emission von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Hauptwellenlängen in eine gemeinsame Emissionsrichtung eingerichtet sind,
- - die Halbleiterbauelemente jeweils auf einem Montagekörper angeordnet sind,
- - die Montagekörper auf einer Montageseite eines Trägers angeordnet sind, und
- - die Emissionsrichtung quer zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers ausgerichtet ist.
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Einem hier beschriebenen optoelektronischen Modul liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: In einer Vielzahl von Anwendungen werden sehr kompakte Lichtquellen benötigt. Beispielsweise sind kompakte Lichtquellen zur Projektion von mehrfarbigen Bildinhalten auf ein tragbares Gerät vorteilhaft. Herkömmliche Lichtquellen nehmen häufig einen großen Bauraum ein und emittieren elektromagnetische Strahlung nur wenig gerichtet über eine große Fläche. Folglich werden auch große und schwere Optiken benötigt, die die Abmessungen einer tragbaren Lichtquelle weiter vergrößern können.
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Das hier beschriebene optoelektronische Modul macht unter anderem von der Idee Gebrauch, eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen mit jeweils einem Montagekörper auf einer Montageseite eines Trägers anzuordnen. Der Montagekörper ermöglicht eine Montage der Halbleiterbauelemente, die eine Orientierung der Emissionsrichtung quer zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers ermöglicht. So entsteht ein besonders kompaktes optoelektronisches Modul. Eine Emission von elektromagnetischer Strahlung kann vorteilhaft gerichtet auf einer kleinen Fläche erfolgen. Eine nachgeordnete Optik kann daher sehr klein und kompakt ausfallen. Durch eine derartige Anordnung der Halbleiterbauelemente können ferner kurze Ansteuerungsleitungen verwendet werden, was eine hochfrequente Ansteuerung der Halbleiterbauelemente erleichtert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Montagekörper mit Keramik gebildet. Keramische Materialien weisen eine vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise sind die Montagekörper mit Aluminiumnitrid gebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weist ein Montagekörper eine Metallisierung auf, die sich ausgehend von einer einem Halbleiterbauelement zugewandten Seite bis zu einer dem Träger zugewandten Seite erstreckt. Insbesondere weisen alle Montagekörper eine Metallisierung auf, die sich ausgehend von einer einem Halbleiterbauelement zugewandten Seite bis zu einer dem Träger zugewandten Seite erstreckt. Die Metallisierung erstreckt sich insbesondere über eine Kante des Montagekörpers hinweg. Mit anderen Worten, die Metallisierung bedeckt eine dem Träger zugewandte Seite des Montagekörpers zumindest teilweise. Mittels der Metallisierung erfolgt beispielsweise ein elektrischer Anschluss eines Halbleiterbauelements. Die Metallisierung ist bevorzugt mit Kupfer gebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist die Emissionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Trägers ausgerichtet. Senkrecht meint hier und im Folgenden insbesondere parallel zu einem Normalenvektor des Trägers. Vorteilhaft kann so ein besonders kompaktes optoelektronisches Modul bereitgestellt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls umschließt eine hermetisch dichte Verkapselungsstruktur die Halbleiterbauelemente. Die Verkapselungsstruktur schützt die Halbleiterbauelemente insbesondere vor äußeren Umwelteinflüssen. Bevorzugt ist die Verkapselungsstruktur undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls umfasst die Verkapselungsstruktur ein Rahmenelement mit einer Kavität und ein Fensterelement, wobei die Halbleiterbauelemente in der Kavität angeordnet sind. Das Rahmenelement ist beispielsweise mit Keramik gebildet. Bevorzugt erstreckt sich die Kavität vollständig durch das Rahmenelement. Das Fensterelement ist strahlungsdurchlässig für ein im Betrieb des optoelektronischen Moduls emittierte elektromagnetische Strahlung. Bevorzugt ist das Fensterelement mit Glas oder Saphir gebildet. Beispielsweise ist das Fensterelement zur Strahlformung eingerichtet. Insbesondere ist das Fensterelement eine Kollimationslinse.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls ist der Träger mit Keramik gebildet. Beispielsweise ist der Träger mit Aluminiumnitrid gebildet, um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Alternativ ist der Träger mehrschichtig ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Halbleiterbauelemente kantenemittierend ausgebildet. Mit anderen Worten, die Halbleiterbauelemente weisen insbesondere jeweils eine Auskoppelfacette an einer Seitenfläche auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls umfassen die Halbleiterbauelemente jeweils eine Mehrzahl von Emissionsbereichen. Insbesondere weisen alle Halbleiterbauelemente jeweils eine Mehrzahl von Emissionsbereichen auf. Beispielsweise weisen die Halbleiterbauelemente mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier und besonders bevorzugt mindestens 12 Emissionsbereiche auf. Insbesondere emittiert jeder Emissionsbereich eine elektromagnetische Strahlung mit einer identischen Hauptwellenlänge. Jedes Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Double Ridge Laser mit je zwei Emissionsbereichen ausgebildet sein. Beispielsweise unterscheiden sich die Hauptwellenlängen der Emissionsbereiche eines Halbleiterbauelements um mindestens 1 nm, bevorzugt um mindestens 2 nm, besonders bevorzugt um mindestens 5 nm. Durch kleine Unterschiede in der Hauptwellenlänge können vorteilhaft unerwünschte Interferenzeffekte vermindert oder vermieden werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Emissionsbereiche jedes Halbleiterbauelements jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar. Eine unabhängige Ansteuerung ermöglicht beispielsweise einen besonders großen Dynamikbereich der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls beträgt ein Abstand der Emissionsbereiche eines Halbleiterbauelements zueinander höchstens 10 µm. Ein geringer Abstand der Emissionsbereiche eines Halbleiterbauelements trägt zu einer besonders kompakten Ausführung des optoelektronischen Moduls bei.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Moduls sind die Emissionsbereiche aller Halbleiterbauelemente innerhalb einer Ellipse mit einer Hauptachsenlänge von weniger als 1000 µm, bevorzugt von weniger als 500 µm und besonders bevorzugt von weniger als 300 µm und einer Nebenachsenlänge von weniger als 200 µm, bevorzugt von weniger als 100 µm und besonders bevorzugt von weniger als 60 µm angeordnet. Die Emissionsbereiche aller Halbleiterbauelemente sind bevorzugt einander zugewandt angeordnet. Eine derart kompakte Anordnung der Emissionsbereiche ermöglicht die Verwendung von besonders kompakten nachgeordneten Optikelementen.
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Ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul eignet sich insbesondere zum Einsatz als kompakte Laserlichtquelle in tragbaren Projektionsanwendungen, Head-Up Displays, Augmented-Displays oder Virtual-Reality-Displays.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1A eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
- 1B eine schematische Draufsicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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1A zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Modul 1 umfasst ein erstes Halbleiterbauelement 11, ein zweites Halbleiterbauelement 12 und ein drittes Halbleiterbauelement 13. Die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 sind als Laserdioden eingerichtet.
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Die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 sind zur Emission von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Hauptwellenlängen in eine gemeinsame Emissionsrichtung ED eingerichtet. Beispielsweise sind die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 jeweils als monolithische Bauelemente ausgebildet.
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Das erste Halbleiterbauelement 11 emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer ersten Hauptwellenlänge im roten Spektralbereich. Das zweite Halbleiterbauelement 12 emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer zweiten Hauptwellenlänge im grünen Spektralbereich. Das dritte Halbleiterbauelement 13 emittiert bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer dritten Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich. Bevorzugt sind die Emissionsrichtungen ED aller Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 parallel zueinander ausgerichtet.
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Jedes der Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 ist auf einem eigenen Montagekörper 30 angeordnet. Die Montagekörper 30 sind auf einer Montageseite 20A eines Trägers 20 angeordnet. Die Montageseite 20A des Trägers ist beispielsweise die Seite, auf dem ein Halbleiterbauelement 11, 12, 13 montiert werden kann. Insbesondere umfasst die Montageseite 20A eine Mehrzahl von Lötpads zur Montage von Halbleiterbauelementen 11, 12, 13. Die Emissionsrichtung ED der Halbleiterbauelemente 11, 12 ,13 ist quer zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers 20 ausgerichtet.
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Der Träger 20 ist mit Keramik gebildet. Beispielsweise ist der Träger 20 mit Aluminiumnitrid gebildet, um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Alternativ ist der Träger 20 mehrschichtig ausgebildet. Bevorzugt ist der Träger 20 mechanisch selbsttragend ausgeführt. Gegenüber der Montageseite 20A des Trägers 20 befindet sich eine Rückseite des Trägers 20B. Ferner umfasst der Träger 20 eine Mehrzahl von Kontaktpads 410 und von Durchkontaktierungen 40. Die Kontaktpads 410 sind auf der Montageseite 20A und auf der Rückseite 20B des Trägers 20 angeordnet. Die Durchkontaktierungen 40 verbinden jeweils ein Kontaktpad 410 auf der Rückseite 20B mit einem Kontaktpad 410 auf der Montageseite 20A. Ausgehend von den Kontaktpads 410 auf der Montageseite 20A stellen Verbindungselemente 50 eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Kontaktpad 410 und einem Halbleiterbauelement 11, 12, 13 her. Beispielsweise sind die Verbindungselemente 50 als Bonddrähte ausgeführt.
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Die Montagekörper 30 sind mit Keramik gebildet. Keramische Materialien weisen eine vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise sind die Montagekörper 30 mit Aluminiumnitrid gebildet.
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Alle Montagekörper 30 weisen eine Metallisierung 310 auf, die sich ausgehend von einer einem Halbleiterbauelement 11, 12, 13 zugewandten Seite eines Montagekörpers 30 bis zu einer dem Träger 20 zugewandten Seite erstreckt. Die Metallisierung 310 erstreckt sich insbesondere über eine Kante des Montagekörpers 30 hinweg. Mit anderen Worten, die Metallisierung 310 bedeckt eine dem Träger 20 zugewandte Seite des Montagekörpers 30 zumindest teilweise. Mittels der Metallisierung 30 erfolgt beispielsweise ein elektrischer Anschluss eines Halbleiterbauelements 11, 12, 13. Die Metallisierung 310 ist bevorzugt mit Kupfer gebildet.
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Weiter umfasst das optoelektronische Modul 1 eine hermetisch dichte Verkapselungsstruktur 60. Die Verkapselungsstruktur 60 umschließt die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13. Die Verkapselungsstruktur 60 schützt die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 insbesondere vor äußeren Umwelteinflüssen. Bevorzugt ist die Verkapselungsstruktur 60 undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten.
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Die Verkapselungsstruktur 60 umfasst ein Rahmenelement 61 mit einer Kavität 610 und ein Fensterelement 62. Die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 sind in der Kavität 610 angeordnet. Das Rahmenelement 61 ist beispielsweise mit Keramik gebildet. Bevorzugt erstreckt sich die Kavität 610 vollständig durch das Rahmenelement 61.
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Das Fensterelement 60 ist den Halbleiterbauelementen 11, 12, 13 in ihrer Emissionsrichtung ED nachgeordnet. Das Fensterelement 60 ist strahlungsdurchlässig für ein im Betrieb des optoelektronischen Moduls 1 emittierte elektromagnetische Strahlung. Bevorzugt ist das Fensterelement 60 mit Glas oder Saphir gebildet. Beispielsweise ist das Fensterelement 60 zur Strahlformung eingerichtet. Insbesondere ist das Fensterelement 60 eine Kollimationslinse.
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1B zeigt eine schematische Draufsicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In der 1B ist eine Schnittlinie AA eingezeichnet. Die Darstellung aus der vorhergehenden 1A entspricht einem Schnitt durch das in der 1B gezeigte optoelektronische Modul 1 entlang der Schnittlinie AA. In der Draufsicht ist ersichtlich, dass die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 jeweils eine Mehrzahl von Emissionsbereichen 110, 120, 130 aufweisen. Das erste Halbleiterbauelement 11 umfasst eine Mehrzahl von ersten Emissionsbereichen 110, das zweite Halbleiterbauelement umfasst eine Mehrzahl von zweiten Emissionsbereichen 120 und das dritte Halbleiterbauelement 13 umfasst eine Mehrzahl von dritten Emissionsbereichen 130.
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Beispielsweise weisen die Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 jeweils mindestens vier, bevorzugt mindestens sechs, besonders bevorzugt mindestens 12 Emissionsbereiche 110, 120, 130 auf. Insbesondere emittiert jeder Emissionsbereich 110, 120, 130 eine elektromagnetische Strahlung mit einer identischen Hauptwellenlänge. Beispielsweise unterscheiden sich die Hauptwellenlängen der Emissionsbereiche 110, 120, 130 eines Halbleiterbauelements 11, 12, 13 um mindestens 1 nm, bevorzugt um mindestens 2 nm, besonders bevorzugt um mindestens 5 nm. Durch kleine Unterschiede in der Hauptwellenlänge können vorteilhaft unerwünschte Interferenzeffekte vermindert oder vermieden werden.
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Die Emissionsbereiche 110, 120, 130 jedes Halbleiterbauelements 11, 12, 13 sind jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar. Eine unabhängige Ansteuerung ermöglicht beispielsweise einen besonders großen Dynamikbereich der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Ein Abstand der Emissionsbereiche 110, 120 ,130 eines Halbleiterbauelements 11, 12, 13 zueinander beträgt höchstens 10 µm. Ein geringer Abstand der Emissionsbereiche 110, 120, 130 eines Halbleiterbauelements 11, 12, 13 trägt zu einer besonders kompakten Ausführung des optoelektronischen Moduls 1 bei.
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Die Emissionsbereiche 110, 120 ,130 aller Halbleiterbauelemente 11, 12,13 sind innerhalb einer Ellipse mit einer Hauptachsenlänge HA von weniger als 1000 µm, bevorzugt von weniger als 500 µm und besonders bevorzugt von weniger als 300 µm und einer Nebenachsenlänge NA von weniger als 200 µm, bevorzugt von weniger als 100 µm und besonders bevorzugt von weniger als 60 µm angeordnet. Die Emissionsbereiche 110, 120, 130 aller Halbleiterbauelemente 11, 12, 13 sind bevorzugt einander zugewandt angeordnet. Eine derart kompakte Anordnung der Emissionsbereiche 110, 120, 130 ermöglicht die Verwendung von besonders kompakten nachgeordneten Optikelementen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optoelektronisches Modul
- 11
- erstes Halbleiterbauelement
- 12
- zweites Halbleiterbauelement
- 13
- drittes Halbleiterbauelement
- 20
- Träger
- 20A
- Montageseite
- 20B
- Rückseite
- 30
- Montagekörper
- 310
- Metallisierung
- 40
- Durchkontaktierung
- 410
- Kontaktpad
- 50
- Verbindungselement
- 60
- Verkapselungsstruktur
- 61
- Rahmenkörper
- 62
- Fensterelement
- 610
- Kavität
- ED
- Emissionsrichtung
- HA
- Hauptachsenlänge
- NA
- Nebenachsenlänge
