DE10214121C1 - Optoelektronisches Bauelement mit mehreren Halbleiterchips - Google Patents

Optoelektronisches Bauelement mit mehreren Halbleiterchips

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein optoelektronisches Bauteil (10) mit einem Grundkörper bzw. Gehäuse (12), mehreren Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) in Ausnehmungen des Grundkörpers und einer die Halbleiterchips in den Ausnehmungen einbettenden Vergussmasse (20) aus einem transparenten Material, wobei erfindungsgemäß die mehreren Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) jeweils in einer Ausnehmung (16a, 16b, 16c) des Grundkörpers (12) angeordnet sind, wobei die einzelnen Ausnehmungen beispielsweise mittels Trennschlitzen (22) mechanisch voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optoelektroni­ sches Bauteil, insbesondere ein oberflächenmontierbares opto­ elektronisches Bauteil, mit mehreren Halbleiterchips gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie beispielsweise aus der DE 100 32 796 A1 bekannt.
Bei herkömmlichen oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauteilen wird zunächst ein vorgehäustes Bauteil dadurch her­ gestellt, dass ein vorgefertigter Leiterrahmen (Leadframe) mit einem geeigneten Kunststoffmaterial umspritzt wird, wel­ ches das Gehäuse des Bauteils bildet. Dieses Bauteil weist zum Beispiel an der Oberseite eine Vertiefung bzw. Ausnehmung auf, in die von zwei gegenüberliegenden Seiten Leadframe-An­ schlüsse eingeführt sind, auf dessen einem ein Halbleiterchip wie beispielsweise ein LED-Chip aufgeklebt und elektrisch kontaktiert ist. In diese Ausnehmung wird dann eine in der Regel transparente Vergussmasse eingefüllt. Diese Grundform von oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauteilen ist beispielsweise aus dem Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl, Siemens Com­ ponents 29 (1991), Heft 4, Seiten 147-149, bekannt.
Mit fortschreitender Miniaturisierung optoelektronischer Bau­ teile entsteht zunehmend Bedarf, mehrere optoelektronische Komponenten wie Leuchtdioden, Photodetektoren und dergleichen in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren. Bisher ist es im Rahmen der Oberflächenmontagetechnik (SMT) bekannt, zwei oder drei Emitter- oder Detektorchips in eine Ausnehmung des Ge­ häuses zu setzen und durch eine Vergussmasse zu umhüllen. Hierbei werden die beiden Halbleiterchips durch die gleiche Vergussmasse umgeben und können nicht unabhängig voneinander optimiert werden.
Insbesondere bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher optoelektronischer Komponenten in einem Bauteil ist es wich­ tig, diese unabhängig voneinander optimieren zu können, da sie prinzipiell unterschiedliche mechanische und optische An­ forderungen haben können. Außerdem ist zu beachten, dass meh­ rere Halbleiterchips zwangsläufig zu Gehäusedimensionen füh­ ren, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizi­ enten der verwendeten Materialien erhebliche mechanische Kräfte im Gehäuse bewirken, was die Zuverlässigkeit eines derartigen optoelektronischen Bauteils beeinträchtigen kann.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Bauteil mit mehreren Halbleiterchips vor­ zusehen, das eine unabhängige Optimierung der einzelnen Halb­ leiterchips ermöglicht und zugleich eine zuverlässige Funk­ tionalität gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauteil mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der abhängigen Ansprüche.
Ein optoelektronisches Bauteil gemäß der Erfindung weist ei­ nen Gehäuse-Grundkörper bzw. ein Gehäuse, mehrere, d. h. min­ destens zwei Halbleiterchips in Ausnehmungen des Gehäuse- Grundkörpers und eine die Halbleiterchips in den Ausnehmungen einbettende Einkapselungsmasse, wie beispielsweise eine auf der Basis von Epoxidharz hergestellten Vergußmasse, auf. Die mehreren Halbleiterchips sind jeweils in einer separaten Aus­ nehmung des Gehäuse-Grundkörpers angeordnet, wobei die ein­ zelnen Ausnehmungen im Wesentlichen mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Unter mechanischer Entkopplung ist in diesem Zusammenhang insbesondere zu verstehen, dass im Bauteil vermittels geeig­ neter Kompensationsbereiche oder -elemente die mechanische Verbindung zwischen denjenigen Bereichen des Gehäuse-Grund­ körpers, in welchen die Halbleiterchips montiert sind, der­ art ausgestaltet ist, dass insbesondere unterschiedliche thermische Ausdehnungen von innerhalb des Bauteils verwende­ ten verschiedenen Materialien in den Kompensationsbereichen bzw. -elementen so weitgehend aufgefangen werden, dass die Gefahr einer Schädigung des Bauteils aufgrund von mechani­ schen Verspannungen reduziert ist. Solche Kompensationsbe­ reiche bzw. -elemente sind beispielsweise Dehnungs- und/oder Stauchungsfugen.
Durch die mechanische Entkopplung werden vorteilhafterweise insgesamt mechanische Kräfte innerhalb des Gehäuses, die zu einer Beeinträchtigung des Bauteils führen können, vermin­ dert.
Durch die Anordnung der einzelnen Halbleiterchips in separa­ ten, voneinander mechanisch entkoppelten Ausnehmungen können vorteilhafterweise die Montage und Einkapselung der Halblei­ terchips jeweils bezüglich ihrer jeweiligen optischen, elek­ trischen und/oder mechanischen Anforderungen optimiert wer­ den, ohne dabei zu große Rücksicht auf die Erfordernisse der anderen Halbleiterchips nehmen zu müssen.
Weiterhin wird eine zuverlässigere Funktionalität des gesam­ ten Bauteils gewährleistet, da durch die mechanische Entkopp­ lung der einzelnen Ausnehmungen vorteilhafterweise mechani­ sche Spannungen zwischen den einzelnen Ausnehmungen beim Fül­ len der Ausnehmungen mit einer Einkapselungsmasse gering ge­ halten werden. Ebenso werden durch die mechanische Entkopp­ lung vorteilhafterweise mechanische Spannungen innerhalb des Bauteils aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nungen während des Betriebes, hervorgerufen durch betriebsbe­ dingte Erwärmung der Halbleiterchips, reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Trennung der einzelnen Ausnehmungen durch Fugen im Gehäuse-Grundkörper realisiert, die besonders bevorzugt zwischen jeweils benachbarten Chipbereichen des Gehäusegrundkörpers angeordnet sind. Sind die Chipbereiche des Gehäusegrundkörpers durch Ausnehmungen gebildet, so sind solche Fugen bevorzugt zwischen jeweils benachbarten Wandungen dieser Ausnehmungen angeordnet.
Die Chipbereiche bzw. Ausnehmungen in einem Gehäuse-Grundkör­ per können voneinander verschieden geformt sein, unterschied­ lich groß sein und/oder auch voneinander verschiedene Halb­ leiterchips, wie beispielsweise einen LED-Chip, einen Photo­ diodenchip und einen IC(Integrated Circuit)-Chip aufnehmen. Somit können die in dem optoelektronischen Bauteil integrier­ ten Halbleiterchips sowohl optoelektronische Halbleiterchips wie Leuchtdioden und Detektoren als auch elektronische Halb­ leiterchips mit integrierten Ansteuerschaltkreisen umfassen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils sind die einzelnen Chipbereiche bzw. Ausnehmungen unabhängig voneinander mit Einkapselungsmassen, gefüllt. So­ mit können die Chipbereiche bzw. Ausnehmungen beispielsweise mit unterschiedlichen Einkapselungsmassen, die auf die unter­ schiedlichen Eigenschaften und Erfordernisse der jeweiligen Halbleiterchips abgestimmt sind, gefüllt sein.
Außerdem können die Halbleiterchips in den einzelnen Ausneh­ mungen mit unterschiedlichen zusätzlichen optischen Komponen­ ten wie beispielsweise Reflektoren, Linsen, Blenden, Filtern und dergleichen gekoppelt sein.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauteils sowie weitere Vorteile ergeben sich aus dem im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispiel, Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Ausführungsbeispieles; und
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung des Ausfüh­ rungsbeispieles entlang der in Fig. 2 eingezeich­ neten Linie A-A.
Das Ausführungsbeispiel ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauteil 10. Ein Gehäuse-Grundkörper 12 ist hierbei durch Umspritzen eines me­ tallischen Leiterrahmens (Leadframe) 14 mit einem geeigneten Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Thermoplastmaterial, ausgebildet. Der Gehäuse-Grundkörper 12 weist, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, von einer Hauptfläche her Ausnehmungen auf, in denen Halbleiterchips 18a, 18b, 18c angeordnet und auf Anschlüssen des Leadframes 14 beispielsweise mittels Kle­ betechnik befestigt sind. Elektrische Kontaktflächen der Halbleiterchips 18a, 18b, 18c sind beispielsweise mittel Bonddrahttechnik mit elektrischen Anschlüssen des Leiterrah­ mens 14 elektrisch leitend verbunden sind.
Wie in der Querschnittsansicht von Fig. 3 zu erkennen, weist der Gehäuse-Grundkörper 12 vorteilhafterweise einen Außenrah­ men 12a und eine Bodenplatte 12b auf.
Der Außenrahmen 12a legt gleichzeitig die Außenmaße des Bau­ teils 10 fest. Diese können vorteilhafterweise für verschie­ dene Bauteiltypen gleich gehalten sein. Lediglich die Gestal­ tung der Ausnehmungen braucht dann für die verschiedenen Bau­ teiltypen den dort eingesetzten Halbleiterchiparten angepaßt und entsprechend variiert werden.
Außerdem gewährleistet der Außenrahmen 12a eine einfache Handhabung bei mechanischen Prozessen beispielsweise zum Te­ sten oder Montieren des Bauteils 10. Der Außenrahmen 12a hat weiterhin stabilisierende Wirkung auf das gesamte Bauteil. Er wirkt zusammen mit durchgehenden Zwischenwänden als Verstär­ kung des Bauteils gegenüber Torsions- und Biegekräften bei­ spielsweise während des Stanzen und Biegens des Leiterrahmens 14.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Draufsicht des Bauteils 10 sind der Übersichtlichkeit halber die elektrischen Kontak­ tierungen der Halbleiterchips und des Leiterrahmens weggelas­ sen.
Das Bauteil 10 weist einen ersten Chipbereich 15a mit einer ersten Ausnehmung 16a, einen zweiten Chipbereich 15b mit ei­ ner zweiten Ausnehmung 16b und einen dritten Chipbereich 15c mit einer dritten Ausnehmung 16c auf. Die Ausnehmungen 16a, 16b und 16c führen von einer Hauptfläche 12c des Gehäuse- Grundkörpers 12 her in den Gehäuse-Grundkörper 12 hinein und sind in verschiedenen Formen und Größen ausgebildet.
Die erste Ausnehmung 16a besitzt eine kegelstumpfartige Form mit derart schrägen Seitenwänden, dass sie sich zum Ge­ häuseinneren hin verjüngt, die zweite Ausnehmung 16b besitzt eine im Wesentlichen quaderartige Form mit derart schrägen Seitenwänden, dass sie sich zum Gehäuseinneren hin verjüngt, und die dritte Ausnehmung 16c besitzt eine im Wesentlichen quaderartige Form mit zur Bodenfläche der Ausnehmung senk­ rechten Seitenwänden. Die Ecken dieser Ausnehmungen 16a, 16b, 16c sind vorteilhafterweise abgerundet, was insbesondere die Befüllbarkeit der Ausnehmungen verbessert und die Delaminati­ onsgefahr zwischen Vergussmasse und Gehäuse-Grundkörper ver­ ringert.
In jeder der drei Ausnehmungen 16a, 16b, 16c ist ein opto­ elektronischer oder ein elektronischer Halbleiterchip 18a, 18b bzw. 18c angeordnet und mittels bekannter Bonddrahttech­ nik mit den Anschlüssen des Leiterrahmens 14 elektrisch ver­ bunden.
In der ersten Ausnehmung 16a ist beispielsweise ein IRED(Infrared Emitting Diode)-Chip 18a angeordnet, in der zweiten Ausnehmung 16b ist beispielsweise ein Photodiodenchip 18b angeordnet, und in der dritten Ausnehmung 16c ist zum Beispiel ein IC-Baustein 18c angeordnet. Letzterer umfaßt vorzugsweise die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung für den IRED-Chip 18a und den Photodiodenchip 18b.
Die erste 16a und die zweite Ausnehmung 16b sind mit einer IR-strahlungsdurchlässigen Vergussmasse 20a, 20b, beispiels­ weise auf der Basis von Epoxidharz, zumindest derart gefüllt, dass diese den IRED-Chip 18a und den Photodiodenchip 18b ein­ kapseln. Die dritte Ausnehmung 16c ist beispielsweise mit ei­ ner hochgefüllten Vergußmasse 20c zumindest derart gefüllt, dass diese den IC-Chip 18c einkapselt.
Zusätzlich ist jede der drei Ausnehmungen 16a, 16b, 16c je­ weils auf die Art des darin montierten Halbleiterchips 18a, 18b, 18c hin optimiert. So ist die erste Ausnehmung 16a für den IRED-Chip 18a mit schräg verlaufenden Seitenwänden ausge­ bildet, die einen hochreflektierenden Reflektor bilden. Ein diese schräg verlaufenden Seitenwände aufweisender zugehöri­ ger Reflektorring 24, der die erste Ausnehmung 16a ausbildet, ist beispielsweise aus einem anderen Material hergestellt als der Rest des Gehäuse-Grundkörpers 12, vorzugsweise aus einem hochreflektierender Kunststoff, der unter Anwendung eines Doublemold-Verfahrens in den Gehäuse-Grundkörper 12 gespritzt wird. Der hochreflektierende Kunststoff ist beispielsweise ein mit reflektierendem Material gefülltes Thermoplastmate­ rial. Alternativ können der Reflektorring einstückig mit dem übrigen Gehäuse-Grundkörper ausgebildet und die reflektieren­ den Seitenwände der ersten Ausnehmung 16a mit reflektierendem Material beschichtet sein.
Die erste und die zweite Vergussmasse 20a, 20b sind vorzugs­ weise hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften auf die ein­ zubettenden optoelektronischen Halbleiterchips 18a, 18b abge­ stimmt und auch unterschiedlich gewählt. Zum Beispiel können diffus streuende oder bestimmte Wellenlängen herausfilternde Vergussmassen eingesetzt werden, um spezielle optische Eigen­ schaften der von dem darin eingebetteten Halbleiterchip abge­ strahlten und/oder empfangenen Strahlung zu erzielen.
Weiterhin können den einzelnen Ausnehmungen 16a, 16b, 16c auf einfache Weise verschiedene, in den Figuren nicht darge­ stellte optische Elemente wie zum Beispiel Linsen, Filter, Blenden und dergleichen zugeordnet und vorzugsweise auf den entsprechenden Bereichen des Bauteils montiert sein, die auf die zugeordneten Halbleiterchips abgestimmt und mit ihnen entsprechend gekoppelt sind.
Die erste, zweite und dritte Ausnehmung 16a, 16b, 16c sind im Gehäuse-Grundkörper 12 mittels Trennfugen 22 voneinander me­ chanisch weitestgehend entkoppelt. Die Trennschlitze 22 ver­ ringern vorteilhafterweise mechanische Verspannungen inner­ halb des Bauteils sowohl während des Vergießens der Ausneh­ mungen 16a, 16b, 16c mit der Einkapselungsmasse als auch spä­ ter im Betrieb des Bauteils aufgrund thermischer Ausdehnungen der Vergußmassen 20a, 20b, 20c und des Gehäuse-Grundkörpers bei Erwärmung des Bauteils aufgrund Verlustwärmeproduktion in den Halbleiterchips 18a, 18b, 18c. In den Ausnehmungen 16a, 16b, 16c können vorteilhafterweise Einkapselungsmassen mit unterschiedlichsten Eigenschaften, abgestimmt auf den jeweils zu verkapselnden Halbleiterchip 18a, 18b, 18c eingefüllt sein.
Die mechanische Entlastung durch Trennschlitze gewährleistet erfindungsgemäß ein qualitativ hochwertiges und zuverlässiges Bauteil. Die zwischen den einzelnen Ausnehmungen zwangsläufig vorhandenen Zwischenwände des Gehäuse-Grundkörpers erhöhen zudem die Steifigkeit gegenüber Torsions- und Biegekräften, die zum Beispiel bei Stanz- und Biegevorgängen der Leiterbah­ nen des Leiterrahmens auftreten.
In ein optoelektronisches Bauteil gemäß der Erfindung, wie es zum Beispiel im Ausführungsbeispiel beschrieben ist, können vorteilhafterweise mehrere gleichartige oder verschiedene Komponenten bzw. Halbleiterchips integriert sein, die alle entsprechend ihren individuellen mechanischen und optischen Anforderungen weitestgehend angepaßt in dem Bauteil eingebaut und eingekapselt sind.
Die Erläuterung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels ist selbstverständlich nicht als grundsätzliche Beschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu verstehen. Vielmehr fallen sämtliche Bauteile unter den Gedanken der Er­ findung, in denen unterschiedliche Chipbereiche eines Ge­ häuse-Grundkörpers voneinander dem Prinzip der Erfindung fol­ gend mechanisch entkoppelt sind.

Claims (10)

1. Optoelektronisches Bauteil, mit einem Gehäuse-Grundkör­ per (12) und mindestens zwei Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) auf Chipbereichen (15a, 15b, 15c) des Gehäuse-Grundkörpers (12) dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Chip-Einkapselungskörper (20a, 20b, 20c) vorge­ sehen sind, die die Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) auf dem je­ weils zugehörigen Chipbereich (15a, 15b, 15c) einbetten und die Chipbereiche (15a, 15b, 15c) des Gehäuse-Grundkörpers (12) mechanisch voneinander entkoppelt sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) jeweils in einer Ausneh­ mung (16a, 16b, 16c) des zugehörigen Chipbereichs (15a, 15b, 15c) angeordnet sind und die Ausnehmungen mechanisch voneinander entkoppelt sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche (15a, 15b, 15c) mittels Trennfugen (22) im Gehäuse-Grundkörper (12) mechanisch voneinander entkoppelt sind.
4. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche (15a, 15b, 15c) und/oder Ausnehmungen (16a, 16b, 16c) voneinander verschieden geformt sind.
5. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Chipbereichen (15a, 15b, 15c) und/oder Ausnehmungen (16a, 16b, 16c) hinsichtlich ihrer Funktionalität unterschiedliche Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) angeordnet 11 sind, die mit voneinander verschiedenen Einkapselungskörpern (20a, 20b, 20c) versehen sind.
6. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche (15a, 15b, 15c) und/oder Ausnehmungen (16a, 16b, 16c) unabhängig voneinander mit Vergussmassen (20a, 20b, 20c) gefüllt sind.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche und/oder Ausnehmungen mit Vergussmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften gefüllt sind.
8. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (18a, 18b, 18c) mit unterschiedlichen zu­ sätzlichen optischen Komponenten gekoppelt sind.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips sowohl optoelektronische Halbleiterchips (18a, 18b) als auch elektronische Halbleiterchips (18c) um­ fassen.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Halbleiterchip (18c) ein IC-Chip zur An­ steuerung der optoelektronischen Halbleiterchips ist.
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