DE19940319B4

DE19940319B4 - Verfahren zum spannungsarmen Aufsetzen einer Linse auf ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE19940319B4
Application number: DE1999140319
Authority: DE
Inventors: Georg Bogner; Reinhold Brunner; Jörg SORG
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: WO2001015242A1; TW480741B; DE19940319A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements, mit den Verfahrensschritten
a) Bereitstellen eines Grundkörpers (1) mit einer Ausnehmung (4) und einem in der Ausnehmung (4) angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger (11),
b) Bereitstellen einer optischen Einrichtung (6), die an ihrer der Ausnehmung (4) zugewandten Grundfläche (6A) eine Mehrzahl von um den Umfang der Grundfläche angeordneten Zentriernocken (6B) aufweist,
c) Befüllen der Ausnehmung (4) des Grundkörpers (1) mit einer transparenten, härtbaren Vergußmasse (14),
d) Einsetzen der optischen Einrichtung (6) in die Ausnehmung (4), wobei die Zentriernocken (6B) mit Seitenwänden der Ausnehmung (4) selbstzentrierend zusammenwirken und die Grundfläche (6A) der optischen Einrichtung (6) derart geformt ist, daß zwischen den Zentriernocken (6B) Spaltöffnungen zwischen dem Grundkörper (1) und der optischen Einrichtung (6) bestehen, über die die in der Ausnehmung (4) befindliche Vergußmasse (14) mit einem externen Reservoir an zusätzlicher Vergußmasse in Kontakt steht, und
e) Aushärten der...

Description

Verfahren zum spannungsarmen Aufsetzen einer Linse auf ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spannungsarmen Aufsetzen einer Linse auf ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement. Das optoelektronische Bauelement besteht aus einem Grundkörper, einem in einer Ausnehmung des Grundkörpers angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger und einer die Ausnehmung verschließenden optischen Einrichtung.

In den letzten Jahren löst die Oberflächenmontagetechnik (SMT) zunehmend die Bestückung von Leiterbandträgern mit bedrahteten Bauelementen ab. Der entscheidende Vorteil der SMT liegt in der Möglichkeit einer vollautomatischen, sehr schnellen und damit kostengünstigen Bestückung von Platinen, die mit herkömmlichen Bestückungsverfahren nicht erreicht werden kann.

Wegen der bei vielen optischen Anwendungen gewünschten hohen Packungsdichte kommt der SMT im Bereich der Optoelektronik eine besondere Bedeutung zu. Es sind auch bereits optoelektronische Bauelemente bekannt, die nach dem SMT-Konzept oberflächenmontierbar ausgelegt sind.

Die EP 0 230 336 A1 beschreibt ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement, das ein ringförmiges Gehäuse aufweist, dessen obere Ringöffnung mit einer Kugellinse verschlossen ist, während die untere Ringöffnung auf einer Platine aufsteht. Innerhalb des Gehäuses ist zwischen der Platine und dem unteren Scheitelpunkt der Kugellinse ein lichtaussendendes oder -empfangendes Halbleiterelement angeordnet. Der durch die Platinenoberfläche und die Kugellinse begrenzte Innenraum des Ringgehäuses ist mit einem transparenten Kleber gefüllt.

Ein weiteres oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement ist in der EP 0 400 176 11 dargestellt. Dieses Bauelement weist einen Grundkörper mit einer zentralen Vertiefung auf, in der ein optisch aktives Halbleiterelement angeordnet ist. Oberhalb des Grundkörpers befindet sich eine Linse, die über eine Befestigungseinrichtung, beispielsweise einen Klemmzapfen, mit dem Grundkörper verbunden ist.

Aus dem Artikel „SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage", Frank Möllner und Günther Waitl, SIEMENS Components 29, (1991), Heft 4, Seiten 147-149, ist eine für die Oberflächenmontage vorgesehene lichtemittierende Diode (LED) bekannt. Zur Herstellung dieser Diode wird ein endlos gestanztes Leiterband mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast umspritzt, der den Gehäuserahmen bildet. Im Innenbereich des Gehäuserahmens wird ein optisch aktives Element auf das Leiterband montiert und an dort vorhandenen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Nachfolgend wird der Rahmeninnenbereich zum Schutz des aktiven Elements vor Umwelteinflüssen mit einem Gießharz vergossen. Eine Linse oder eine ähnliche optische Einrichtung ist bei diesem Bauelement nicht vorgesehen.

Das zusätzliche Aufsetzen einer optischen Linse auf derartige bestehende Bauformen ist jedoch von Vorteil, da dadurch die Abstrahlcharakteristik von Bauelementen gezielt gesteuert werden kann. Durch die Ausrichtung der Abstrahlung kann die Leuchtdichte der Bauelemente erhöht werden. Durch diese Erhöhung der Leuchtdichte können optoelektronischen Sendern und Empfängern, wie Halbleiter-LEDs und Halbleiter-Photodioden, weitere Einsatzbereiche, wie in Ampeln, Bremsleuchten, großflächigen Anzeigetafeln, Lichtschranken, Lichtvorhängen, etc. erschlossen werden.

In der DE 197 55 734 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements beschrieben, wobei das Bauelement aus einem Grundkörper, ei nem in einer Ausnehmung des Grundkörpers angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger und einer die Ausnehmung verschließenden optischen Einrichtung besteht. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen des Grundkörpers mit dem in der Ausnehmung des Grundkörpers angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger, Befüllen der Ausnehmung des Grundkörpers mit einer transparenten, härtbaren vergußmasse und Aufbringen der optischen Einrichtung auf den Grundkörper, wobei die optische Einrichtung mit der Vergußmasse in Kontakt tritt. Das in der DE 197 55 734 A1 beschriebene Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß beim Aushärten in der Vergußmasse unterhalb der Linse infolge der Harzschwindung Spannungen auftreten. Da die Linse flächig auf der Gehäuseoberseite aufliegt, führt die Harzschwindung zu Schrumpfspannungen, durch die die Ausfallrate des Bauelements erhöht wird.

Weiterhin ist in der DE 196 08 667 A1 eine Einrichtung zur Abformung eines Mikrostruktursubstrats beschrieben, bei der der Schwund der Gußmasse bei der Polymerisation in die Ausgußkanäle verlagert ist.

In der EP 0 854 523 A2 ist ein strahlungserzeugendes Halbleiterbauelement mit einer linsenförmigen Erhebung dargestellt, bei dessen Herstellung ein Gehäusekörper in ein die Erhebung bildendes flüssiges Harz eingetaucht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum spannungsarmen Aufsetzen einer optischen Einrichtung auf ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß weist ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer Ausnehmung und einem in der Ausnehmung angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger,
b) Bereitstellen einer optischen Einrichtung, die an ihrer der Ausnehmung zugewandten Grundfläche eine Mehrzahl von um den Umfang der Grundfläche angeordneten Zentriernocken aufweist,
c) Befüllen der Ausnehmung des Grundkörpers mit einer transparenten, härtbaren Vergußmasse,
d) Einsetzen der optischen Einrichtung in die Ausnehmung, wobei die zentriernocken mit Seitenwänden der Ausnehmung selbstzentrierend zusammenwirken und die Grundfläche der optischen Einrichtung derart geformt ist, daß zwischen den Zentriernocken Spaltöffnungen zwischen dem Grundkörper und der optischen Einrichtung bestehen, über die die in der Ausnehmung befindliche Vergußmasse mit einem externen Reservoir an zusätzlicher Vergußmasse in Kontakt steht, und
e) Aushärten der vergußmasse.

Bei der Erfindung weist demnach die optische Einrichtung an ihrer der Ausnehmung zugewandten Seite eine Mehrzahl von auf dem Umfang angeordneten Vorsprüngen auf, die an den Seitenwänden der Ausnehmung anliegen. Dadurch entstehen Umfangsabschnitte zwischen den Vorsprüngen, an denen die Ausnehmung nach außen hin offen ist und mit dem Reservoir in Kontakt steht. Die Vorsprünge können in vorteilhafter Weise nach innen verlaufende abgeschrägte äußere Wände aufweisen, die an den Seitenwänden der Ausnehmung formschlüssig anliegen. Insbesondere können drei derartige Vorsprünge vorgesehen sein, durch die sich eine stabile Drei-Punkt-Auflage der optischen Einrichtung auf den Seitenwänden der Ausnehmung ergibt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Grundkörpers eines oberflächenmontierbaren, optoelektronischen Bauelements;
2A, B eine Unteransicht und eine Seitenansicht einer in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Linse;
3 die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Aufsetzen der in 2 dargestellten Linse.
1 zeigt einen Grundkörper 1, der durch Umspritzen eines Leiterbandes 2 mit einem Hochtemperatur-Thermoplastgehäuse 3 gebildet wird. Das Gehäuse 3 weist vorzugsweise ebene Außenflächen auf, um eine einfache Bestückbarkeit zu gewährleisten. Oberflächenseitig ist in dem Gehäuse 3 eine Ausnehmung 4 vorgesehen. Das Leiterband 2 weist Abschnitte 7, 8 auf, die von dem Thermoplast-Gehäuse 3 umschlossen sind und im bodenseitigen Bereich der Ausnehmung 4 mit Kontaktabschnitten 9, 10 in diese hineinstehen. Dabei ist ein Kontaktabschnitt 9 bis in den zentralen Bereich der Ausnehmung 4 hinein verlängert.
Die inneren Wandflächen 13 des Gehäuses 3 sind als Schrägflächen ausgeführt und bilden einen Reflektor. Durch die Wahl eines Gehäusewerkstoffs mit einem hohen diffusen Reflexionsgrad von etwa 90 % oder mehr läßt sich eine hohe Reflektivität dieser Flächen 13 erzeugen.
Nach der Fertigstellung der Leiterband-Gehäusestruktur 2, 3 wird ein Halbleiterchip 11 in die Ausnehmung 4 des Gehäuses 3 montiert. In der Darstellung der 1 ist dieser Montageschritt bereits ausgeführt. Der Halbleiterchip 11 wird dabei auf den verlängerten Kontaktabschnitt 9 des Leiterbandes 2 aufgebracht und mit diesem elektrisch kontaktiert. Eine weitere elektrische Kontaktierung erfolgt über einen Draht 12, der von dem Halbleiterchip 11 zu dem gegenüberliegenden Kontaktabschnitt 10 des Leiterbandes 2 geführt ist. Als Halbleiterchip 11 kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode oder ein photoempfindliches Halbleiterelement verwendet werden.
Nach der Montage und Kontaktierung des Halbleiterchips 11 wird die Ausnehmung 4 mit einer fließfähigen Vergußmasse 14 befüllt. Bei der Vergußmasse 14 kann es sich beispielsweise um ein Epoxidharz handeln. Die Vergußmasse und der Gehäusewerkstoff sind in bezug auf ihre thermischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt, um zu vermeiden, daß thermische Belastungen, wie sie bei dem Verlöten des Bauelementes und auch im späteren Einsatzbereich auftreten können, zu mechanischen Störungen führen.
In 2A, B ist eine optische Einrichtung in Form einer im wesentlichen plankovexen Sammellinse 6 dargestellt, die gemäß 3 auf den Grundkörper 1 im Bereich der Ausnehmung 4 aufgebracht werden soll. Wie in der Seitenansicht der 2B zu sehen ist, besteht die Sammellinse 6 aus einem im wesentlichen halbkugelförmigen Gebilde, das eine im wesentlichen ebene Grundfläche 6A aufweist, die beim Aufbringen der Sammellinse 6 der Ausnehmung 4 zugewandt ist. Von der Grundfläche 6A stehen Vorsprünge oder Zentriernocken 6B nach unten ab, von denen einer in einer Seitenansicht zu sehen ist. Wie zu erkennen ist, weisen die Vorsprünge 6B somit nach innen abgeschrägte Seitenflächen auf. Vorzugsweise sind – wie dargestellt – drei derartige Vorsprünge um den Umfang der kreisförmigen Grundfläche verteilt angeordnet.
3 verdeutlicht die Wirkungsweise bei dem Aufbringen der in 2 dargestellten Sammellinse 6 auf die Ausnehmung 4. In 3 ist der Einfachheit halber das oberflächenmontierbare, optoelektronische Bauelement unter Weglassung der Leiterbahnen 2, des Senders oder Empfängers 11 und des Drahtes 12 dargestellt. Das in 3 dargestellte optoelektronische Bauelement soll demnach in seinem Grundaufbau so hergestellt werden wie im Zusammenhang mit 1 erläutert worden ist.
Zunächst wird die Ausnehmung 4 mit einer geeigneten Vergußmasse 14 befüllt. Dann wird die Sammellinse 6 über der Ausnehmung 4 positioniert und axial mit dieser. ausgerichtet. Nachfolgend wird die Sammellinse 6 auf das Thermoplast-Gehäuse 3 niedergebracht, wobei die schrägen Seitenwände der Vorsprünge 6B mit den geneigten Reflektor-Innenwandflächen 13 selbstzentrierend zusammenwirken. Dadurch wird eine Endlage der Sammellinse 6 relativ zu dem Gehäuse 3 erzielt, die von dem vorhergehenden Ausrichtungsschritt weitgehend unabhängig ist und im wesentlichen durch die Maßhaltigkeit der Linsen- und Gehäusefertigung in den entsprechenden Schrägflächenbereichen bestimmt wird. Die drei gleichmäßig um den Umfang verteilten Vorsprünge 6B bewirken eine Endlage, die einer stabilen Drei-Punkt-Auflage entspricht.
Die Auflage der Sammellinse 6 auf dem Gehäuse 3 zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Ausnehmung 4 nicht vollständig durch die Sammellinse 6 verschlossen wird, sondern durch zwischen den Vorsprüngen 6B liegende Spaltöffnungen mit der Umgebung in Kontakt steht. Das bedeutet, daß auch nach dem Aufsetzen der Sammellinse 6 Vergußmasse 14 mit der Umgebung ausgetauscht werden kann. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dahingehend ausgenutzt, daß während dem Aushärten der in der Ausnehmung 4 befindlichen Vergußmasse 14 diese mit einem externen Reservoir an zusätzlicher Vergußmasse 14 in Kontakt steht. Eine Schwindung der Vergußmasse 14 innerhalb der Ausnehmung 4 führt somit dazu, daß – wie durch die Pfeile angedeutet – weitere Vergußmasse 14 aus dem externen Reservoir in die Ausnehmung 4 nachfließen kann. Falls somit während dem Aushärtvorgang eine Harzschwindung in der Ausnehmung 4 auftritt, so kann diese unmittelbar durch nachfließendes Material ausgeglichen werden. Die Harzschwindung wird somit beim Aushärten nicht behindert, sondern durch das von außen zufließende Material begleitet. Auf diese Weise können Spannungen im Harzvolumen unter der Linse vermindert werden.
Damit beim Aushärten zusätzliches Vergußmaterial in die Ausnehmung 4 fließen kann, muß dafür Sorge getragen werden, daß der Grundkörper 1 beim Aushärtvorgang mit einem Vergußmittelreservoir umgeben ist. Die Flüssigkeitsoberfläche oder der Meniskus des Vergußmittelreservoirs muß sich dabei oberhalb der Vorsprünge 6B der Sammellinse 6 bzw. der zwischen ihnen gebildeten Spaltöffnungen befinden.
Das Aushärten der Vergußmasse 14 kann entweder durch Wärmeeinwirkung oder durch UV-Aushärtung erfolgen. Dementsprechend enthält das Vergußsmaterial der Vergußmasse 14 entweder ein wärmehärtbares Material oder ein UV-härtbares Matarial.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht darauf beschränkt, daß die optische Einrichtung als Sammellinse 6 ausgebildet ist, an die drei Zentriernocken 6B angeformt sind. Es kann jede andere Form einer entsprechenden optischen Einrichtung verwendet werden, die durch spezielle Ausformung ihrer der Ausnehmung 4 zugewandten Fläche sicherstellt, daß in ihrer Endlage mindestens ein Spalt verbleibt, mit dem die Ausnehmung 4 und die in ihr befindliche Vergußmasse 14 mit der Umgebung und somit mit einem entsprechenden Vergußmittelreservoir der Umgebung in Kontakt steht.

1: Grundkörper
2: Leiterband
3: Thermoplast-Gehäuse
4: Ausnehmung
6: Sammellinse
6A: Bodenfläche
6B: Vorsprünge
7: Leiterbandabschnitt
8: Leiterbandabschnitt
9: Kontaktabschnitt
10: Kontaktabschnitt
11: Sender und/oder Empfänger
12: Draht
13: Wandfläche
14: Vergußmasse

Claims

Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements, mit den Verfahrensschritten a) Bereitstellen eines Grundkörpers (1) mit einer Ausnehmung (4) und einem in der Ausnehmung (4) angeordneten optoelektronischen Sender und/oder Empfänger (11), b) Bereitstellen einer optischen Einrichtung (6), die an ihrer der Ausnehmung (4) zugewandten Grundfläche (6A) eine Mehrzahl von um den Umfang der Grundfläche angeordneten Zentriernocken (6B) aufweist, c) Befüllen der Ausnehmung (4) des Grundkörpers (1) mit einer transparenten, härtbaren Vergußmasse (14), d) Einsetzen der optischen Einrichtung (6) in die Ausnehmung (4), wobei die Zentriernocken (6B) mit Seitenwänden der Ausnehmung (4) selbstzentrierend zusammenwirken und die Grundfläche (6A) der optischen Einrichtung (6) derart geformt ist, daß zwischen den Zentriernocken (6B) Spaltöffnungen zwischen dem Grundkörper (1) und der optischen Einrichtung (6) bestehen, über die die in der Ausnehmung (4) befindliche Vergußmasse (14) mit einem externen Reservoir an zusätzlicher Vergußmasse in Kontakt steht, und e) Aushärten der Vergußmasse (14).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem drei mit einem Winkelabstand von 120° voneinander beabstandete Zentriernocken (6B) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optische Einrichtung (6) eine Sammellinse ist, die halbkugelförmig ausgebildet ist und eine im wesentlichen ebene Grundfläche (6A) aufweist, an der die Zentriernocken (6B) ausgeformt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (a) die folgenden Schritte umfaßt: – Herstellung des Grundkörpers (1) durch Umspritzen eines Leiterbandes (2) mit einem Thermoplast-Gehäuse (3) unter gleichzeitiger Ausbildung der Ausnehmung (4) und nachfolgend – Montage des optoelektronischen Senders und/oder Empfängers (11) auf einen innerhalb der Ausnehmung (4) liegenden Abschnitt (9) des Leiterbandes (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt e) unter Wärmeeinwirkung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt e) unter UV-Lichteinwirkung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor dem Schritt c) die optische Einrichtung (6) mittels eines Gieß-, Preß- oder Spritzvorgangs hergestellt wird.