DE10310844B4 - Optoelektronisches Bauelement mit einem Gehäusekörper aus Kunststoff - Google Patents

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Abstract

Optoelektronisches Bauelement (1) mit- einem Gehäusekörper (2) der zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist,- mindestens einem eine elektromagnetische Strahlung aussendenden und/oder empfangenden Chip (31), der auf mindestens einem Chipträgerteil (8) eines elektrischen Leiterrahmens (9) befestigt ist, wobei der Leiterrahmen (9) mindestens zwei externe elektrische Anschlußteile (4, 5) aufweist, die elektrisch leitend mit dem Chip (31) verbunden sind, wobei- der Chipträgerteil (8) und Teilbereiche der externen elektrischen Anschlußteile (4, 5) von dem Gehäusekörper (2) umschlossen sind,- der Gehäusekörper (2) eine Ausnehmung (14) aufweist, in der der Chip (31) auf dem Chipträgerteil (8) angeordnet ist,- das Kunststoffmaterial des Gehäusekörpers (2) mit Füllstoffpartikeln (6) versetzt ist, wobei die Füllstoffpartikel (6) eine kugelartige Form aufweisen, und- die Füllstoffpartikel eine Migration von Silber in einem elektrischen Feld (22, 12) zwischen den Anschlussteilen (4, 5) im Kunststoffmaterial hemmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Patentanspruch 1, mit körper der zumindest teilweise aus einem Kuntstoffmaterial gefertigt ist.
  • Silber besitzt in der Elektroindustrie eine zentrale Stellung bei der Verwendung für elektrische Kontakte. In der Halbleiterindustrie wird es vor allem in der Form von Beschichtungen und silbergefüllten Leitklebern eingesetzt. Für diesen Einsatz prädestiniert Silber eine Reihe von Vorteilen, wie seine gute Verarbeitbarkeit, hohe Duktilität, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und ein relativ niedriger Preis, vor allem im Vergleich zu den ebenso in der Elektroindustrie eingesetzten teuren Edelmetallen, wie Gold und Palladium.
  • Probleme mit Silber treten jedoch vor allem dann auf, wenn es in Kombination mit herkömmlich verwendeten Kunststoffen, wie glasfasergefüllten Thermoplastmaterialien vorliegt. Silber hat vor allem in Form seiner Ionen eine hohe Beweglichkeit in solchen Kunststoffen. Besonders in Thermoplasten, jedoch auch - wenn auch in geringerem Maße - in Duroplasten, wandert Silber in elektrischen Feldern entlang der Feldlinien. Dies kann zu einer unerwünschten und die Funktionalität des Bauelements schädigenden Verarmung oder Anreicherung von Silber im Gehäusekörper führen.
  • Insbesondere bei strahlungsaussendenden und/oder - empfangenden Halbleiterbauelementen liegt häufig ein Kunststoffgehäusekörper vor, der sich - gewolltermaßen oder ungewollt - in direktem Kontakt mit metallischen Teilen, insbesondere mit einem silberhaltigen oder silberbeschichteten Träger oder einem silbergefüllten Leitkleber befindet. Hierbei besteht die Gefahr, dass bei Anliegen einer Spannung, die ein elektrisches Feld im Gehäusekörper erzeugt, Silber von dem Träger oder dem Leitkleber in den Kunststoffgehäusekörper migriert. Die Migration setzt sich in dem Kunststoffgehäusekörper fort. Diese Migration kann mit fortschreitender Zeit dazu führen, dass zwischen zwei elektrischen Anschlüssen ein elektrisch leitender Pfad innerhalb des Kunststoffs entsteht, der zu Fehlströmen, im schlimmsten Fall zum elektrischen Kurzschluß zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen führen kann.
  • Ist der Kunststoff, beispielsweise ein Thermoplast, mit Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, mechanisch verstärkt, tritt insbesondere das Problem auf, daß die Metallionen verstärkt entlang der Fasern wandern und dadurch die Migration beschleunigt wird.
  • Dieses Migrationsproblem, das bei Silber besonders ausgeprägt ist, liegt aber auch - wenn auch in geringerem Umfang - bei anderen Metallen, wie Kupfer und Nickel vor. Weiterhin existieren Leitkleber, die mit silberbeschichteten Kupferkugeln versetzt sind, wodurch das grundlegende Problem der Silbermigration wegen der geringeren Gesamtmenge an Silber zwar verringert ist, aber dennoch existiert.
  • Die Migration von Metallionen, insbesondere von Silberionen, in (insbesondere glasfaserverstärkten) Thermoplastmaterialien, tritt verstärkt bei bei erhöhter Luftfeuchtigkeit, erhöhter Umgebungstemperatur und/oder einer am Bauteil anliegenden hohen Spannung auf. Silberionen von beispielsweise Leadframeoberflächen oder von Kleberfüllstoff migrieren beispielsweise entlang von elektrischen Feldlinien eines anliegenden elektrischen Feldes durch den Kunststoff, beispielsweise PPA. Beispielsweise ein Glasfaserfüllstoff begünstigt die Silber-Migration.
  • Durch Verwendung von Gold anstelle von Silber wird zwar einerseits die Gefahr einer schädigenden Metallmigration verringert, jedoch entstehen andererseits dadurch erhöhte Bauteil-Kosten.
  • Aus der DE 199 45 133 C2 ist beispielweise ein Detektorgehäuse aus Kunstoff bekannt, welches mit Farbstoffpartikeln oder Rußpartikeln angefüllt ist. Aus der JP 2001-335708 A ist ein Halbleiterelementgehäuse zur Aufnahme eines Halbleiterelements bekannt, welches eine thermoplastische Harzzusammensetzung umfasst, die mit kugelförmiger Kieselsäure angefüllt werden kann. Und aus der WO 94/06862 A1 ist eine Polyesterharzformulierungen bekannt, die als Einkapselungsmaterial für mikroelektronische Geräte verwendet werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Gehäusekörper zu schaffen, welches es erlaubt, im Bauelement ein zur Migration neigendes Metall, wie Silber bzw. Silberionen, zu verwenden, ohne gleichzeitig das Risiko einer raschen Schädigung des Bauelements durch Migration dieses Metalls drastisch zu erhöhen.
  • Aufgabe ist es insbesondere weiterhin, ein strahlungsaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement zur Verfügung zu stellen, das einen Leiterrahmen besitzt, der mit Silber oder einem anderen in einem elektrischen Feld in Kunststoff zur Migration neigenden Metall beschichtet ist und der mit einem Gehäusekörper zumindest teilweise umschlossen ist, und im Gehäusekörper die Migration des Metalls im Kunststoff unterbunden oder zumindest stark behindert wird.
  • Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Bauelements sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
  • Bei einem Gehäusekörper ist das Kunststoffmaterial mit Füllstoffpartikeln versetzt, die eine Migration von Metall und/oder Metallionen im Kunststoffmaterial unterbinden oder zumindest stark behindern. Insbesondere sind dies kugelartige Füllstoffpartikel. Die Füllstoffpartikel können jedoch auch plättchenartig, quaderartig oder anders nicht faserartig ausgebildet sein.
  • Die Füllstoffpartikel nach der Erfindung besitzen nicht wie Glasfasern eine beschleunigende Wirkung für die Migration von Metallionen im elektrischen Feld, sondern hemmen diese vielmehr deutlich.
  • Als Füllstoffpartikel werden in diesem Zusammenhang alle Füllstoffe genannt, deren primäre Aufgabe in einem erfindungsgemäßen Kunststoffgehäuse es ist, die Migration von Metall oder Metallionen in Kunststoff zu unterbinden oder zumindest stark zu behindern.
  • Das Problem der Migration von Silber und/oder Silberionen und anderen Metallen und/oder Metallionen tritt zwar in erster Linie in wesentlichem Maße in Thermoplasten auf, kann aber grundsätzlich ebenso in Duroplasten auftreten, wo es ebenfalls zu schädlichen Wirkungen führen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein metallischer Leiterrahmen (Leadframe) mit einem Gehäusekörper gemäß der Erfindung umformt. Dieser ist vorzugsweise mittels eines Spritzgießverfahrens oder mittels eines Spritzpressverfahrens hergestellt. Solche Bauformen werden auch als sogenannte Premold-Bauformen bezeichnet. Besonders bevorzugt umschließt der Gehäusekörper zumindest einen Teil des Leiterrahmens vollständig. Dadurch wird eine technisch stabile Verbindung zwischen Gehäusekörper und Leiterrahmen erzielt.
  • Besonders bevorzugt wird ein Gehäusekörper gemäß der Erfindung bei Bauformen mit einem elektrischen Leiterrahmen eingesetzt, der ein Metall enthält oder mit einem Metall beschichtet ist, dessen Migrationsneigung in Kunststoff hoch ist. In einem solchen Fall ist die Grenzfläche zwischen Leiterrahmenoberfläche und Gehäusekörper, über die Metall und/oder Metallionen in den Gehäusekörper wandern können, vergleichsweise groß.
  • Eine weitere oder andere Quelle für im Kunststoff migrierende Metallatome und/oder Metallionen kann ein metallgefüllter Leitkleber sein, mit dem beispielsweise der Chip in dem Gehäusekörper auf einem Leiterrahmen oder auf einer Leiterbahn befestigt ist. Ein solcher Leitkleber dient dazu, eine elektrische Verbindung zwischen dem Chip und dem Leiterrahmen bzw. der Leiterbahn bei gleichzeitiger mechanischer Verbindung herzustellen. Zwischen Chip und Leiterbahn oder Leiterrahmen herausgequollener Leitkleber kann mit dem Gehäusekörper in direkten Kontakt geraten, so dass Metallatome oder Metallionen vom Leitkleber in das Material des Gehäusekörpers übertreten können. Diese Problematik gewinnt besonders bei den immer kleiner werdenden Bauformen immer mehr an Bedeutung. Erfindungsgemäße Gehäusekörper sind für solche Bauformen besonders geeignet.
  • Besonders geeignet sind erfindungsgemäße Gehäusekörper dort wo im Bauelementgehäuse Silber zum Einsatz kommt. Aufgrund der starken Migrationsneigung von Silber insbesondere in Thermoplastmaterial und besonders bei Einwirkung eines elektrischen Feldes ist seine Verwendung bislang stark begrenzt. Silber ist aber aufgrund seines gegenüber Gold, Platin oder Palladium viel niedrigeren Preises ein wünschenswertes Kontaktmetall. Analoges gilt für Kupfer und Nickel.
  • Bevorzugt weist der Füllstoff keramische oder mineralische Partikel auf.
  • Die Füllstoffpartikel können beispielsweise eine plättchenartige Form aufweisen. Eine relativ stochastische Verteilung solcher Partikel erschweren bereits aus geometrischen Gründen eine Migration im Gehäusekörper. Auch bei texturierter Verteilung ist eine Wanderung in einem Winkel um 90° zur Ebene der Plättchen stark behindert. Plättchenförmige Füllstoffpartikel haben weiterhin den Vorteil, daß sie wegen ihres hohen Längen-zu-Dicken-Verhältnisses ähnlich wie Kurzfasern zu einer mechanischen Verstärkung des Kunststoffs im Gehäusekörper beitragen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsfrom des Gehäusekörpers weisen die Füllstoffpartikel Kaolin auf.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Füllstoffpartikel Glaskügelchen auf.
  • Vorteilhafterweise können mit den Füllstoffpartikeln die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, E-Modul, Schlagzähigkeit des Gehäusekörpers gezielt eingestellt werden.
  • Besonders geeignet ist ein Gehäusekörper gemäß der Erfindung bei Bauelementen mit mindestens einem Photodetektorchip. Solche Chips werden mit höhen Sperrspannungen betrieben, so dass zwischen den elektrischen Anschlüssen am oder im Gehäusekörper starke elektrische Felder herrschen. Analoges gilt für Bauelemente mit einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Chips, wenn diese beispielsweise auf stark unterschiedlichen Potentialen liegen.
  • In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Gehäusekörpers weist das Gehäusematerial zusätzlich zu den Füllstoffpartikeln Streupartikel auf. Diese Streupartikel bewirken, daß der Gehäusekörper zumindest weitgehend undurchsichtig ist und einen hohen diffusen Reflexionsgrad besitzt. Bevorzugt weisen die Streupartikel Titandioxid auf.
  • Ein besonders bevorzugtes Material für einen Gehäusekörper, insbesondere von vorzugsweise Leadframe-basierten optoelektronischen Bauelementen weist der Gehäusekörper Polyphthalamid (PPA) auf. Solche Thermoplastmaterialien lassen sich effektiv spritzpressen oder spritzgießen. Außer PPA lassen sich auch andere, vorteilhafterweise in der Gehäusetechnik herkömmlich verwendete Thermoplastmaterialien einsetzen.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein erstes Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein zweites Ausführungsbeispiel, und
    • 3 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Gehäusekörper ohne erfindungsgemäße Füllstoffpartikel.
  • In den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils gleich bezeichnet und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 handelt es sich um ein Halbleiter-Detektor-Bauelement 1 mit einem Gehäusekörper 2 aus Thermoplastmaterial, hier beispielsweise PPA, der um einen elektrischen Leiterrahmen 9 aus Metall gespritzt ist. Der Leiterrahmen 9 ist mit einer Silberbeschichtung 7 versehen und von dem Gehäusekörper 2 teilweise umschlossen. Der Gehäusekörper 2 ist beispielsweise spritzgegossen oder spritzgepresst. Auf einem Chipträgerteil 8 des Leiterrahmens 9 ist mit einem silbergefüllten Leitkleber 3 ein DetektorChip 31 aufgebracht. Das Thermoplastmaterial des Gehäusekörpers 2 ist mit plättchenartigen Füllstoffpartikeln 6 aus Kaolin (mittlere Größe beispielsweise ca. 3 µm) versetzt, die eine Migration von Silber aus der Beschichtung 7 des Leiterrahmens 9 bzw. aus dem Leitkleber 3 unterbinden oder zumindest stark behindern.
  • Statt Silber kann sich auch ein anderes, zur Migration in Kunststoff neigendes Metall auf dem Leiterrahmen 9 und/oder in dem Leitkleber 3 befinden, wie z.B. Nickel oder Kupfer.
  • Anstelle von Kaolin-Füllstoff kann ein anderes Pulver, bevorzugt ein nicht-metallisches Pulver, wie ein keramisches oder mineralisches Pulver eingesetzt sein, dessen Partikel vorzugweise eine plättchenartige Form besitzt. Ebenso ist die Verwendung von Glaskügelchen als Füllstoffpartikel möglich.
  • Außer den Füllstoffpartikeln, die eine Migration von Metall in dem Kunststoff des Gehäusekörpers 2 verhindern, können sich noch andere Stoff in dem Kunststoff befinden, wie beispielsweise TiO2 oder ähnliche Streupartikel, die dazu beitragen, daß der Gehäusekörper undurchsichtig ist und einen hohen diffusen Reflexionsgrad von beispielsweise 80 % besitzt.
  • Der Gehäusekörper kann, wie oben genannt, aus Polyphthalamid bestehen, aber auch aus jedem anderen Thermoplastmaterial, das die für einen Gehäusekörper 2 notwendigen Eigenschaften, wie beispielsweise mechanische und thermische Stabilität besitzt.
  • Der Leiterrahmen 9 weist zwei oder mehr externe Anschlußteile 4, 5 auf, die aus dem Gehäusekörper 2 ragen. Der Gehäusekörper 2 besitzt eine Reflektor-Ausnehmung 14, in der der Chip 31 angeordnet ist. Die Reflektor-Ausnehmung 14 ist mit einem strahlungsdurchlässige Fensterteil 13 gefüllt.
  • Eine Migration von Silber in einem elektrischen Feld 12, das im Betrieb des Bauelements zwischen den beiden Leiterrahmenteilen herrscht, wird durch die Kaolin-Partikel 6 unterbunden bzw. stark behindert. Es kommt nicht oder erst nach hinreichend langer Betriebsdauer des Bauelements 1 zu störenden Kriechströmen zwischen den beiden Leiterrahmenteilen.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, daß das Bauelement zwei Halbleiterchips, beispielsweise einen Detektorchip und einen Emitterchip, zwei Emitterchips oder zwei Detektorchips, aufweist, die im Betrieb des Bauelements auf stark unterschiedlichem Potential liegen.
  • Im Betrieb herrschen zwischen den Anschlußteilen des Leiterrahmens elektrische Felder 12,22, die eine Metall-Migration im Gehäusekörper beschleunigen würden. Auch in diesem elektrischen Feld wird durch die plättchenartigen Kaolin-Füllstoffpartikel 6 eine Metallmigration unterbunden oder zumindest hinreichend stark behindert.
  • Das Bauelement gemäß 3 weist einen herkömmlichen Gehäusekörper auf, der keine erfindungsgemäßen Füllstoffpartikel, sondern Glasfasern enthält. Ein Detektorchip 31 ist mit silberhaltigem Leitkleber 3 auf den Leiterrahmen 9 befestigt und der Leitkleber ist in direktem Kontakt mit dem Gehäusekörper 2. Nach einer gewissen Betriebszeit kann sich aufgrund von Silbermigration zwischen den beiden voneinander getrennten Leiterrahmenteilen im Gehäusekörper 2 ein elektrisch leitender Pfad 10 ausbilden, der im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall des Bauelements führen kann.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf sämtliche Vorrichtungen, die die prinzipiellen Merkmale der Erfindung aufweisen. Insbesondere ist sie für Gehäusekörper unterschiedlicher Geometrie einsetzbar. Ein Gehäusekörper gemäß der Erfindung läßt sich bei allen Vorrichtungen vorsehen, in denen auf einfache Weise die Migration von Metall in einem Gehäusekörper weitestgehend verhindert und dabei die Verwendung von teurem Kontaktmaterial wie Gold vermieden werden soll.

Claims (10)

  1. Optoelektronisches Bauelement (1) mit - einem Gehäusekörper (2) der zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, - mindestens einem eine elektromagnetische Strahlung aussendenden und/oder empfangenden Chip (31), der auf mindestens einem Chipträgerteil (8) eines elektrischen Leiterrahmens (9) befestigt ist, wobei der Leiterrahmen (9) mindestens zwei externe elektrische Anschlußteile (4, 5) aufweist, die elektrisch leitend mit dem Chip (31) verbunden sind, wobei - der Chipträgerteil (8) und Teilbereiche der externen elektrischen Anschlußteile (4, 5) von dem Gehäusekörper (2) umschlossen sind, - der Gehäusekörper (2) eine Ausnehmung (14) aufweist, in der der Chip (31) auf dem Chipträgerteil (8) angeordnet ist, - das Kunststoffmaterial des Gehäusekörpers (2) mit Füllstoffpartikeln (6) versetzt ist, wobei die Füllstoffpartikel (6) eine kugelartige Form aufweisen, und - die Füllstoffpartikel eine Migration von Silber in einem elektrischen Feld (22, 12) zwischen den Anschlussteilen (4, 5) im Kunststoffmaterial hemmen.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (31) ein Halbleiter-Photodetektor-Chip ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausnehmung (14) eine Mehrzahl von Chips (31) auf mehreren Chipträgerteilen (8) angeordnet sind, von denen mindestens einer ein Halbleiter-Photodetektor-Chip ist.
  4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausnehmung (14) eine Mehrzahl von strahlungsemittierenden Chips (31) auf mehreren Chipträgerteilen (8) angeordnet sind.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Thermoplastmaterial, insbesondere Polyphthalamid (PPA) aufweist.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekörper (2) an den elektrischen Leiterrahmen (9) mittels Spritzgießen oder Spritzpressen angeformt ist.
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiterrahmen (9) eine Metalloberfläche (7) besitzt oder eine Metallbeschichtung aufweist, die Silber enthält.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einem der elektrischen Anschlußteile ein metallgefüllter Leitkleber (3) angeordnet ist, der Silber enthält.
  9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als die Füllstoffpartikel (6) Glaskügelchen Verwendung finden.
  10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Füllstoffpartikeln (6) mechanische Eigenschaften des Gehäusekörpers (2) gezielt eingestellt sind.
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