DE19945133C2 - Oberflächenmontierbares Gehäuse für Detektorbauelemente mit Seitenlichtempfindlichkeit - Google Patents

Oberflächenmontierbares Gehäuse für Detektorbauelemente mit Seitenlichtempfindlichkeit

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Description

Die Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares Detektor­ gehäuse für seitenlichtempfindliche Detektorbauelemente.
In Lichtstrahlungsdetektoren wird im allgemeinen nur die di­ rekt auf die lichtempfindliche Fläche des Detektorbauelements auftreffende Lichtstrahlung detektiert, während die seitlich an dem Detektorbauelement vorbeigehende Strahlung ungenutzt bleibt. Es gibt jedoch auch seitenlichtempfindliche Detekto­ ren, bei denen ein das eigentliche Detektorbauelement umge­ bender Reflektor das Seitenlicht in Richtung auf das Detek­ torbauelement reflektiert, so daß das Seitenlicht ebenfalls detektiert werden kann. Bevorzugte Anwendungsbereiche für solche Detektoren sind im Wellenlängenbereich oberhalb von 1100 nm, in dem III-V-Halbleiter als Detektormaterialien ver­ wendet werden. Durch die Nutzung des Seitenlichts kann die Detektorfläche klein gehalten werden, wodurch sich eine Mate­ rialeinsparung in dem verwendeten III-V-Halbleitermaterial ergibt.
Ein derartiger, an sich im Stand der Technik bekannter sei­ tenlichtempfindlicher Detektor 10 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Er besteht aus einem Halbleiter-Detektorbau­ element 1 mit einem pn-Übergang 12 für die Detektion der ein­ fallenden Lichtstrahlung. Diese setzt sich zusammen aus di­ rekt auf das Bauelement 1 auftreffender Lichtstrahlung L1 als auch Seitenlichtstrahlung L2, die an dem Bauelement 1 vorbei auf einen Reflektor 3 fällt, der das Bauelement 1 vorzugswei­ se allseitig umgibt und das Seitenlicht in Richtung auf das Bauelement 1 umlenkt. Das Bauelement 1 weist angeschrägte Seitenwände 11 auf, die das seitlich einfallende Licht durch Lichtbrechung auf den pn-Übergang 12 umlenken. Somit kann die Seitenlichtstrahlung L2 effektiv genutzt werden. Anstelle der angeschrägten Seitenwände kann das Bauelement 1 auch gerade Seitenwände aufweisen und dafür innerhalb des Bauelements schräg verlaufende Kanten im Brechungsindex aufweisen.
Im Zuge der allgemeinen Entwicklung hin zu oberflächenmon­ tierbaren Bauteilen besteht auch für seitenlichtempfindliche Detektoren das Erfordernis, Bauformen zu entwickeln, die in der sogenannten SMT-Technologie (surface mount technology) auf Leiterplatten und Platinen montiert werden können.
Die bestehenden Detektorgehäuse weisen üblicherweise einen Metallträger mit einer Vertiefung auf, in der das Detektor­ bauelement angeordnet ist. Die Seitenwände der Vertiefung bilden den Reflektor, der das Seitenlicht in Richtung auf das Detektorbauelement unlenkt. Die metallischen Seitenwände wei­ sen vorteilhafterweise einen hohen Reflexionsgrad auf. Zu­ sätzlich bietet der Metallträger eine gute Abschirmung gegen störendes Umgebungslicht. Derartige Gehäuse können jedoch nur unter relativ hohem Aufwand und Kosten SMT-fähig gemacht wer­ den.
Aus der DE 197 27 633 A1 ist ein Transceiver zur optischen Datenübertragung bekannt, bei dem sich übereinander angeord­ nete Emitter- und Detektorchips in einem aufwendig gestalte­ ten oberflächenmontierbaren Kunststoff-Gehäuse mit Reflektor befinden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein oberflächenmontierbares Detektorgehäuse für seitenlichtemp­ findliche Detektoren anzugeben, welches gleichzeitig eine ef­ fiziente Lichtausnutzung ermöglicht und kostengünstig herge­ stellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Detektorgehäuse mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß beschreibt die Er­ findung ein oberflächenmontierbares Detektorgehäuse für sei­ tenlichtempfindliche Detektoren, mit einem Kunststoffträger, der in einer einer Montageseite gegenüberliegenden Lichtein­ trittsseite eine Vertiefung enthält, die eine Bodenfläche zur Befestigung eines Detektorbauelements und reflektierende Sei­ tenwände aufweist, und eine erste Kunststoffummantelung, die den Kunststoffträger seitlich umgibt und die im wesentlichen lichtundurchlässig ist, und mindestens zwei metallische Kon­ taktanschlüsse, die auf der lichteintrittsseitigen Oberfläche der ersten Kunststoffummantelung jeweils von einem Punkt an oder nahe einer Seitenfläche des Kunststoffträgers bis zu ei­ ner Kante der ersten Kunststoffummantelung und anschließend bis zu der Montageseite verlaufen, an der sie mit Kontaktie­ rungsflächen versehen sind, und Bonddrähten, die von einem detektorseitigen Ende der Kontaktanschlüsse zu dem Detektor­ bauelement geführt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das oberflächen­ montierbare Detektorgehäuse ferner eine zweite Kunststoffum­ mantelung auf, die im wesentlichen lichtundurchlässig ist und die sich an die erste Kunststoffummantelung anschließt und in einer Richtung entgegen der Lichteinfallsrichtung erstreckt und in der eine Filterplatte für die wellenlängenselektive Filterung der einfallenden Lichtstrahlung angeordnet ist. Die Filterplatte kann für Anwendungszwecke oberhalb 1100 nm in vorteilhafter Weise aus einem Halbleiter, wie Silizium, Gal­ liumarsenid oder Indiumphosphid gefertigt sein.
In besonders vorteilhafter Weise werden der Kunststoffträger und die Kunststoffummantelungen im Spritzguß hergestellt, wo­ bei kostengünstige Materialien, wie hochtemperaturfeste (HT) Kunststoffe, insbesondere z. B. PPA-CHT-Thermoplast (Polyphta­ lamid-Crystalline High Temperature-Thermoplast) verwendet werden können. Für die Erzielung einer hochreflektierenden Eigenschaft der Seitenwände des Kunststoffträgers ist in das Thermoplastmaterial Titandioxid (TiO2) eingemischt. Die Kunststoffummantelungen sind dagegen lichtundurchlässig, wo­ bei das Thermoplastmaterial zu diesem Zweck vorzugsweise mit einem Farbstoff, z. B. Ruß, eingefärbt ist.
Das Detektorbauelement wird auf der Bodenfläche der Vertie­ fung des Kunststoffträgers durch Kleben befestigt. Das Bau­ element ist derart ausgeführt, daß sich beide elektrische Kontakte an der der Befestigungsseite gegenüberliegenden Oberseite befinden. Vorzugsweise wird die gesamte Vertiefung einschließlich eines gegebenenfalls vorhandenen Zwischenraums zwischen der Vertiefung und der Filterplatte mit einem Epoxidharzmaterial ausgefüllt.
Das erfindungsgemäße Detektorgehäuse kann besonders vorteil­ haft im sogenannten "reel-to-reel-Verfahren" hergestellt wer­ den, bei welchem die Bauteile auf einem metallischen Träger­ band aufgebaut werden, das Band auf Rollen (reel) aufgewic­ kelt wird und solchermaßen von Prozeßschritt zu Prozeßschritt weiter transportiert werden kann. Dabei wird in eine Maschine eine Rolle mit dem Trägerband eingelegt. Nach einem oder meh­ reren Prozeßschritten an dieser Maschine wird das Band schrittweise auf eine andere Rolle aufgewickelt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines einzigen Ausfüh­ rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines seitenlichtemp­ findlichen Detektors;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Detektorgehäuse für einen seitenlichtempfindlichen Detektor.
Ein erfindungsgemäßes oberflächenmontierbares Detektorgehäuse 20 enthält im Inneren ein Detektorbauelement 1, wie es im Prinzip bereits in der schematischen Darstellung der Fig. 1 gezeigt ist. Das Detektorbauelement 1 weist eine Halbleiter­ schichtstruktur aus einem III-V-Halbleitermate­ rialsystem auf, die einen pn-Übergang 12 nahe an der licht­ eintrittsseitigen oberen Oberfläche enthält. Ferner weist das Detektorbauelement 1 schräggestellte Seitenflächen 11 auf, damit die an den Seitenflächen 11 eindringende Lichtstrahlung in Richtung auf den pn-Übergang 12 gebrochen werden kann. Al­ ternativ dazu kann das Detektorbauelement 1 auch gerade Sei­ tenwände, jedoch schräggestellte interne Brechungsindexkanten aufweisen. Der pn-Übergang 12 erstreckt sich größtenteils entlang einer horizontalen Ebene des Detektorbauelements 1, ist jedoch in mindestens einem Abschnitt an die lichtein­ trittsseitige, obere Oberfläche des Detektorbauelements 1 ge­ führt, damit sowohl das n- als auch das p-Gebiet des pn- Übergangs 12 auf dieser Oberfläche elektrisch kontaktiert werden können.
Das Detektorbauelement 1 ist auf einem Kunststoffträger 22 befestigt. Dieser weist auf einer Lichteintrittsseite eine Vertiefung auf, die eine horizontale ebene Bodenfläche ent­ hält, auf welcher das Detektorbauelement 1 aufgeklebt ist. Ferner ist die Vertiefung durch reflektierende Seitenflächen 23 gebildet, welche dem Reflektor 3 der schematischen Dar­ stellung der Fig. 1 entsprechen. Im Ausführungsbeispiel sind sowohl das Detektorbauelement 1 als auch der Kunststoffträger 22 quaderförmig ausgebildet, so daß der Reflektor durch vier reflektierende Seitenflächen 23 gebildet ist, durch die das Seitenlicht reflektiert und in vier entsprechende Seitenflä­ chen des Detektorbauelements 1 eingekoppelt wird. Der Kunst­ stoffträger 22 ist aus einem hochtemperaturfe­ sten (HT-)Kunststoffmaterial geformt, welcher mindestens bis zu der Temperatur, die üblicherweise bei SMT-Lötvorgängen er­ reicht wird, stabil und formbeständig sein soll. Als ein der­ artiges Material bietet sich ein PPA-CHT-Ther­ moplast an, der zudem eine Fertigung im Spritzguß ermöglicht. Ein hoher Reflexionsgrad der Seitenwände 23 kann dadurch herbeigeführt werden, daß das Thermoplastmate­ rial mit Titandioxid (TiO2) angefüllt oder angereichert ist.
Nachdem nun für eine ausreichend effiziente Nutzung des Sei­ tenlichts gesorgt wurde, muß im folgenden das Gehäuse licht­ dicht verschlossen werden. Zu diesem Zweck wird eine erste Kunststoffummantelung 24 im Spritzgußverfahren um den Kunst­ stoffträger 22 angeordnet. Das Material der ersten Kunst­ stoffummantelung 24 ist erneut ein PPA-CHT- Thermoplastmaterial oder ein vergleichbares hochtemperatur­ festes Material. Zur Herstellung einer hohen Lichtabsorptionsfähigkeit im sichtbaren und infraroten Spektralbereich ist jedoch das Kunststoffmaterial der ersten Kunststoffummante­ lung 24 mit Farbstoffpartikeln oder Rußpartikeln angefüllt. Nach der Umspritzung mit der ersten Kunststoffummantelung 24 werden flachbandartige metallische Kontaktanschlüsse 25, die einen stufenförmigen Verlauf aufweisen, derart auf die erste Kunststoffummantelung 24 aufgebracht, daß sie in unmittelba­ rer Nähe der Seitenwände des Kunststoffträgers 22 enden oder mit diesem kontaktiert werden. Die montageseitigen Enden der Kontaktanschlüsse 25 weisen relativ großflächige Anschlußflächen 25A auf, mit denen das Detektorgehäuse 20 auf entsprechende Anschlußflächen auf einer Leiterplatte oder Platine nach dem SMT-Lötverfahren aufgebracht werden. Das bauelementseitige Ende der Kontaktanschlüsse 25 ist durch Bonddrähte 26 mit den auf der oberen Oberfläche des Detektor­ bauelements 1 vorhandenen Anschlußflächen für die n- und p-Gebiete verbunden.
Dann wird eine zweite Kunststoffummantelung 27 ebenfalls im Spritzgußverfahren hergestellt. Diese zweite Kunststoffumman­ telung 27 kann aus demselben Material wie die erste Kunst­ stoffummantelung 24 bestehen und erfüllt die Funktion der Halterung einer Filterplatte 28, die zum Zweck der wellenlän­ genselektiven Filterung der Lichtstrahlung eingesetzt ist. Vor dem Einsetzen der Filterplatte 28 wird die Vertiefung des Kunststoffträgers 22 noch über die maximale Höhe der Bond­ drähte 26 hinaus mit einem Epoxidharzmaterial 29 vergossen. In dem Epoxidharzmaterial 29 kann gewünschtenfalls ein Tages­ lichtsperrfilter enthalten sein. Dann wird die Filterplatte 28 eingesetzt, wobei die Verbindung mit der zweiten Kunst­ stoffummantelung 27 entweder durch eine Klebung, eine Schnappverbindung oder eine thermische Einformung erfolgt. Der Zwischenraum zwischen der Filterplatte 28 und dem Epoxid­ harzmaterial 29 kann gegebenenfalls zum Zwecke der Verbesse­ rung der optischen Ankopplung mit einem Material wie Silikon ausgefüllt werden. Die Filterplatte 28 kann insbesondere für Anwendungsgebiete oberhalb 1100 nm aus einem Halbleitermaterial wie Si, GaAs oder InP gefertigt sein. Da eine derartige Filterplatte 28 und das HT-Thermoplastmaterial der zweiten Kunststoffummantelung 27 stark unterschiedliche Ausdehnungs­ koeffizienten aufweisen, sind in lateraler Richtung zwischen der Filterplatte 28 und der zweiten Kunststoffummantelung 27 Dehnungsausgleichsfugen vorgesehen, ohne die es bei Tempera­ turwechseln zu Rissen zwischen beiden Elementen kommen würde. Insbesondere zwischen Silizium und PPA-CHT-Thermoplast beste­ hen stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizien­ ten.
Gewünschtenfalls kann als Filterplatte 28 jedoch auch ein kommerzieller Kanten- oder Interferenzfilter eingesetzt werden.
Die Filterplatte 28 kann zusätzlich mit einer linsenförmigen Verkrümmung 28A auf ihrer Außenseite oder gegebenenfalls auch auf ihrer Innenseite versehen sein. Damit kann eine Bündelung der Lichtstrahlung auf das Detektorbauelement 1 erreicht wer­ den.
Das erfindungsgemäße Detektorgehäuse erweist sich als äußerst robust gegenüber Delamination und damit auch Korrosion. Dies liegt im wesentlichen daran, daß das Epoxidharzmaterial, das bekanntermaßen auf Metalloberflächen nur schlecht haftet, auf dem HT-Thermoplastmaterial der beiden Kunststoffummantelungen eine sehr gute Haftung zeigt, wodurch sich eine hohe Zuver­ lässigkeit des gesamten Detektorgehäuses ergibt.
Bezugszeichenliste
1
Detektorbauelement
3
Reflektor
10
Detektor
11
Seitenwände
12
pn-Übergang
20
Detektorgehäuse
22
Kunststoffträger
23
Seitenwände
24
erste Kunststoffummantelung
25
Kontaktanschlüsse
25
A Anschlußflächen
26
Bonddrähte
27
zweite Kunststoffummantelung
28
Filterplatte
28
A Verkrümmung
29
Epoxidharzmaterial

Claims (10)

1. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) für seiten­ lichtempfindliche Detektorbauelemente (1) mit:
  • a) einem Kunststoffträger (22), der in einer einer Montage­ seite gegenüberliegenden Lichteintrittsseite eine Vertiefung enthält, die
    eine Bodenfläche zur Befestigung eines Detektorbau­ elements (1) und
    reflektierende Seitenwände (23) aufweist;
  • b) einer ersten Kunststoffummantelung (24), die den Kunst­ stoffträger (22) seitlich umgibt und die im wesentlichen lichtundurchlässig ist;
  • c) mindestens zwei metallische Kontaktanschlüsse (25), die auf der lichteintrittsseitigen Oberfläche der ersten Kunst­ stoffummantelung (24) jeweils von einem Punkt an oder nahe einer Seitenfläche des Kunststoffträgers (22) bis zu einer Kante der ersten Kunststoffummantelung (24) und anschließend bis zu der Montageseite verlaufen, an der sie mit Kontaktie­ rungsflächen (25A) versehen sind; und
  • d) Bonddrähte (26), die von detektorseitigen Enden der Kon­ taktanschlüsse (25) zu dem Detektorbauelement (1) geführt sind.
2. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach Anspruch 1 mit:
  • a) einer zweiten Kunststoffummantelung (27), die im wesent­ lichen lichtundurchlässig ist und die sich an die erste Kunststoffummantelung (24) anschließt und in einer Richtung entgegen der Lichteinfallsrichtung erstreckt, und
  • b) einer in der zweiten Kunststoffummantelung (27) gehal­ terten Filterplatte (28) für die wellenlängenselektive Filte­ rung der einfallenden Lichtstrahlung (L1, L2).
3. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 2, bei dem die Filterplatte (28) auf mindestens einer ihrer Oberflächen eine linsenartige Verkrümmung (28A) auf­ weist.
4. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 2 oder 3, bei dem die Filterplatte (28) ein Halblei­ termaterial, insbesondere Si, GaAs oder InP, enthält.
5. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 2, 3 oder 4, bei dem die Vertiefung und ein gegebenen­ falls vorhandener Zwischenraum zwischen der Vertiefung und der Filterplatte (28) mit einem Epoxidharzmaterial (29) aus­ gefüllt ist.
6. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Kunststoffträger (22) und/oder die erste (24) und/oder zweite Kunststoffummantelung (27) im Spritzguß geformt sind.
7. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Kunststoffträger (22) und/oder die erste (24) und/oder zweite Kunststoffummantelung (27) aus einem hochtemperaturfesten Thermoplastmaterial ge­ formt sind.
8. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 6 oder 7, bei dem der Kunststoffträger (22) und/oder die erste (24) und/oder zweite Kunststoffummantelung (27) aus PPA-CHT-Thermoplastmaterial (Polyphtalamid-Crystalline High Temperature-Thermoplast) geformt sind.
9. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 8, bei dem das PPA-CHT-Thermoplastmaterial des Kunst­ stoffträgers (22) Titandioxid (TiO2) enthält.
10. Oberflächenmontierbares Detektorgehäuse (20) nach An­ spruch 8 oder 9, bei dem das PPA-CHT-Thermoplastmaterial der ersten (24) und zweiten Kunststoffummantelung (27) Farbstoff- und/oder Rußpartikel zur Erhöhung der Lichtabsorption im sichtbaren und infraroten Spektralbereich enthält.
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