DE19947044A1 - Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement mit Reflektor und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement mit Reflektor und Verfahren zur Herstellung desselben

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Abstract

Ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement weist ein Leiterband (11; 11a, 11b) auf, an welchem ein Gehäusekörper (12) angebracht ist. Der Gehäusekörper (12) ist mit einer Ausnehmung (13) versehen. In der Ausnehmung (13) befindet sich ein optoelektronischer Sender/Empfänger, der auf einen Montageabschnitt (16) des Leiterbandes (11, 11a) montiert ist. Der Sender/Empfänger ist mit einer transparenten Vergußmasse abgedeckt. Ein metallischer Reflektor (15) umgibt den Sender/Empfänger und ragt über die Leiterbandebene hinaus.

Description

Die Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares opto­ elektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bau­ elements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Derzeit löst die Oberflächenmontagetechnik (SMT) zunehmend die Bestückung von Leiterbandträgern mit bedrahteten Bauelementen ab. Auch im Bereich der optoelektronischen Bauelemente setzen sich mehr und mehr SMT-Komponenten durch.
Aus dem den nächstliegenden Stand der Technik repräsentieren­ den Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage", Frank Möllmer und Günter Waitl, SIEMENS Components 29 (1991), Heft 4, Seiten 147-149, ist eine für die Oberflächenmontage vorgesehene lichtemittierende Diode (LED) bekannt. Das Bau­ element weist einen vorgeformten Gehäusekörper auf, in dem eine zentrale Ausnehmung gebildet ist. Am Boden der Ausneh­ mung befindet sich ein optisch aktives Halbleiterelement, und die Wände der Ausnehmung bilden Reflektorflächen. Zum Schutz des aktiven Elements vor Umwelteinflüssen ist die Ausnehmung mit einem Gießharz vergossen.
Derartige, einen vorgeformten Gehäusekörper aufweisende Bau­ elemente werden in der Technik auch als "vorgehäuste" Bau­ elemente bezeichnet.
Im praktischen Betrieb sind derartige Bauelemente häufig hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausge­ setzt. Beispielsweise muß das Bauelement in der Automobil­ technik Temperaturwechseln zwischen -55°C und +100°C sowie Vibrationsbeanspruchungen bis zu 40 g standhalten können. Hierfür ist es erforderlich, die thermomechanischen Eigen­ schaften der Bauteilkomponenten Leiterband, Gehäusekörper, Halbleiterelement und Vergußmasse zu berücksichtigen und aufeinander abzustimmen.
Aus der U.S.-Patentschrift 3,820,237 ist eine LED bekannt, deren Reflektor durch eine muldenartige Ausformung eines Leiterbandabschnitts realisiert ist. Das lichtemittierende Element ist am Boden der muldenartigen Leiterbandausformung montiert. Das Bauelement weist keinen vorgeformten Gehäuse­ körper auf, sondern wird in einem abschließenden Herstel­ lungsschritt mit einer integralen Epoxidharz-Verkapselung versehen.
Ein weiters optoelektronisches Bauelement mit einem als Ver­ tiefung des Leiterbands ausgebildeten Reflektor ist in dem U.S.-Patent 4,255, 688 beschrieben.
In der U.S.-Patentschrift 3,914,786 ist eine lichtemittieren­ de Diode beschrieben, deren Reflektor durch hochgeklappte randseitige Laschen des Leiterbandes realisiert ist, welche um das lichtemittierende Element herum angeordnet sind. Das Gehäuse der LED ist durch einen integralen Epoxidharz-Verguß­ körper realisiert, welcher nach der Montage des lichtemittie­ renden Elements geformt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgehäustes optoelektronisches SMT-Bauelement mit guter optischer Abstrahlcharakteristik und einer hohen Lebensdauer zu schaffen. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein vorgehäustes optoelektronisches SMT- Bauelement mit den genannten Eigenschaften erzielt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Durch die Verwendung eines metallischen Reflektors weist das Bauelement eine gute Abstrahlcharakteristik auf. Allerdings stellte sich bei Versuchen, die im Rahmen der Erfindung durchgeführt wurden, heraus, daß die Lebensdauer des vorge­ häusten Bauelements empfindlich von der Lage des Reflektors abhängig ist. Nur mit einem Reflektor, der über die Lei­ terbandebene hinausragt, werden vorgehäuste Bauelemente mit guter thermischer Langzeitstabilität, d. h. langer Lebens­ dauer, erreichbar. Bei bezüglich der Leiterbandebene vertieft ausgebildeten Reflektoren traten indessen signifikant häufi­ ger und frühzeitiger mechanische Schädigungen, wie beispiels­ weise ein Ablösen der optoelektronischen Sender- bzw. Empfän­ gerchips von dem Leiterband, auf.
Grundsätzlich kann der metallische Reflektor als separates Teil gefertigt und durch Auflöten oder Aufschweißen auf dem Leiterband angebracht werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich jedoch dadurch, daß der Reflektor als integraler Reflektorabschnitt des Leiterbandes ausgebildet ist.
Vorzugsweise liegt die Ebene des Montageabschnitts auf Höhe oder oberhalb der Leiterbandebene.
Im Falle eines Leiterband-integralen Reflektorabschnitts ist dieser vorzugsweise ein durch Umformen, insbesondere Zieh­ preßumformen, hergestellter umlaufender Kragen. Durch die in Umfangsrichtung geschlossene Kragenform kann eine hohe Reflektorqualität erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kennzeichnet sich dadurch, daß sich der Außenumfang des Reflektors mit zunehmendem Abstand von der Leiterbandebene erweitert. Der dadurch entstehende Hinterschnitt erhöht die Verankerungsfestigkeit der Vergußmasse in der Gehäuseausnehmung.
Deutliche Vorteile bringt die Erfindung bei Bauelementaus­ führungen, bei denen die Vergußmasse wenigstens zwei unter­ schiedliche Vergußmaterialien umfaßt. Durch Verwendung unter­ schiedlicher Vergußmaterialien können auf den Sender/Empfän­ ger einwirkende mechanische Spannungen vermindert werden und darüber hinaus der Verlauf des Brechungsindex in der Verguß­ masse gezielt eingestellt und/oder Lumineszenz-Konverter­ stoffe definiert in die Vergußmasse eingebracht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1A und 1B ein vorgehäustes optoelektronisches SMT-Bau­ element in perspektivischer Darstellung und in Schnittdarstellung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Lead­ frames mit daran angebrachtem Gehäusekörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein Leiterband im Bereich des Reflek­ torabschnitts;
Fig. 4 eine erste Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Struktur; und
Fig. 5 eine weitere Abwandlung der in Fig. 3 gezeig­ ten Struktur.
Die Fig. 1A und 1B zeigen ein bekanntes SMT-Bauelement, wie es in dem eingangs genannten Artikel von Frank Möllmer et al. beschrieben ist. Das Bauelement umfaßt ein Leiterband 1, an welches durch Umspritzen ein Gehäuse 2 angeformt ist. In einer Ausnehmung 3 des Gehäuses ist ein lichtemittierender Halbleiter-Chip 4 auf das Leiterband 1 montiert und dort elektrisch kontaktiert. Ein Verguß 5 aus Epoxidharz deckt den Halbleiter-Chip 4 zum Schutz gegen Umwelteinflüsse ab.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung ein noch nicht fertiggestelltes optoelektronisches SMT-Bauelement nach der Erfindung. An einem vorgestanzten, metallischen Leiterband­ rahmen (leadframe) 10, von welchem in Fig. 2 lediglich ein Ausschnitt dargestellt ist, ist durch Umspritzen mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast ein Gehäusekörper 12 ver­ ankert. Der Gehäusekörper 12 weist eine zentrale Ausnehmung 13 auf. In dem Leiterbandrahmen 10 ist ein von Längsschlitzen 17 berandetes Leiterband 11 vorgesehen, das aus einer ersten Leiterbandzunge 11a und einer zweiten Leiterbandzunge 11b gebildet ist. Zueinander hinweisende Enden der Leiterband­ zungen 11a, 11b liegen in der Ausnehmung 13 frei und sind zur Gewährleistung einer elektrischen Trennung voneinander beab­ standet.
An dem freien Ende der Leiterbandzunge 11a ist ein über die Ebene der Leiterbandzunge 11a hervorstehender Reflektor­ abschnitt 15 ausgebildet.
Der erhabene Reflektorabschnitt 15 kann durch ein Ziehpreß­ verfahren gefertigt werden.
Hierfür wird der Leiterbandrahmen 10 vor dem Anbringen des Gehäusekörpers 12 auf eine Unterlage gelegt und von oben mittels einer Ringmanschette fixiert. Die Ringmanschette weist ein Ringloch von beispielsweise zylindrischer Form­ gebung auf. Nun wird unter hoher Druckanwendung ein Preßdorn mit einem gegenüber dem Ringloch reduzierten Außendurchmesser im Ringloch zentrisch auf die Leiterbandzunge 11a nieder­ gebracht. Die Druckanwendung bewirkt eine Materialverdrängung der Leiterbandzunge 11a im Bereich unterhalb des Preßdorns.
Das verdrängte Material entweicht in den Ringspalt zwischen dem Preßdorn und der Ringmanschette und bildet dabei den kragenförmigen Reflektorabschnitt 15.
Die Formgebung des Reflektorabschnitts 15 wird durch die Ge­ staltung des Preßdorns und der Ringmanschette bestimmt. Zur Erzielung eines Reflektors mit einer gerichteten Licht- Abstrahlcharakteristik kann der Preßdorn eine konische Außenform haben.
Nach dem bereits beschriebenen Anbringen des Gehäusekörpers 12 an dem Leiterbandrahmen 10 wird in einem nächsten Schritt ein lichtemittierendes Halbleiterelement 14 in die Gehäuse­ ausnehmung 13 eingesetzt. Das Halbleiterelement 14 wird auf einem von dem Reflektorabschnitt 15 berandeten Montage­ abschnitt (Reflektorboden) 16 der Leiterbandzunge 11a fixiert und steht mit diesem in elektrisch leitender Verbindung. An die Oberseite des Halbleiterelements 14 wird ein Bonddraht 18 ankontaktiert, welcher an seinem anderen Ende (nicht darge­ stellt) mit der anderen Leiterbandzunge 11b in elektrischer Verbindung steht.
Anschließend wird die Ausnehmung 13 mit einer transparenten, aushärtbaren Vergußmasse 19 befüllt, welche das Halbleiter­ element 14 formschlüssig umgibt.
Die in Fig. 4 gezeigte Abwandlung unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten Anordnung dadurch, daß sich der Außenumfang des Reflektorabschnitts 15' mit zunehmender Höhe über dem Zungenabschnitt 11a erweitert. Ein weiterer Unter­ schied besteht darin, daß zwei unterschiedliche Vergußmate­ rialien 19a und 19b für die Vergußmasse 19 verwendet werden. Das Halbleiterelement 14 ist hier von dem Vergußmaterial 19b umgeben, welches den Reflektorabschnitt 15' befüllt.
Durch die Verwendung verschiedener Vergußmaterialien 19a, 19b kann eine bessere thermomechanische Spannungsentlastung des Halbleiterelements 14 erreicht werden, wodurch die Gefahr eines Lösens des Halbleiterelements 14 von dem Montageab­ schnitt 16 weiter reduziert wird. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, einen Brechungsindex-Gradienten im Lichtweg zu erzeugen, wodurch eine bessere optische Anpassung (von dem Brechungsindex des Halbleiterelements zu dem Brechungsindex von Luft) ermöglicht wird. Jeweils eines oder beide Verguß­ materialien 19a, 19b können ferner teiltransparente Harze sein, welche mit geeigneten Lumineszenz-Konverterstoffen (gegebenenfalls unterschiedlicher Konzentrationen, Verteilun­ gen, stofflicher Zusammensetzungen, usw.) versetzt sind.
Eine weitere Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Montageabschnitt 16' ist hier erhöht gegenüber der Ebene der Leiterbandzunge 11a ausge­ bildet.
Sämtlichen in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Varianten ist gemeinsam, daß der Reflektorabschnitt 15, 15' als ein frei­ stehender, über die Leiterbandebene hinausragender Leiter­ bandabschnitt realisiert ist, und daß sich der Montage­ abschnitt 16, 16' in der Leiterbandebene oder oberhalb derselben erstreckt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Leiterbandrahmen 10 entlang der in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichneten Schnittlinien 20 aufgetrennt und die äußeren Enden der Lei­ terbandzungen 11a, 11b werden zur Ausbildung bodenseitiger Kontaktflächen gemäß Fig. 1B nach unten um den Gehäusekörper 12 herumgebogen.
Bezugszeichenliste
1
Leiterband
2
Gehäuse
3
Ausnehmung
4
Halbleiter
5
Verguß
10
Leiterbandrahmen
11
Leiterband
11
a Leiterbandzunge
11
b Leiterbandzunge
12
Gehäusekörper
13
Ausnehmung
14
Halbleiterelement
15
,
15
' Reflektorabschnitt
16
,
16
' Montageabschnitt
17
Längsschlitz
18
Bonddraht
19
Vergußmasse
19
a,
19
b Vergußmaterial
20
Schnittlinie

Claims (11)

1. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement,
  • - mit einem eine Leiterbandebene definierenden metallischen Leiterband (11; 11a, 11b),
  • - mit einem optoelektronischen Sender und/oder Empfänger (14), welcher auf einem Montageabschnitt (16, 16') des Leiterbandes (11; 11a, 11b) montiert ist,
  • - mit einem Gehäusekörper (12), welcher eine Ausnehmung (13) aufweist, in welcher der optoelektronische Sender und/oder Empfänger (14) angeordnet ist, und
  • - mit einer transparenten Vergußmasse (19), welche den Sender und/oder Empfänger (14) abdedeckt,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Sender und/oder Empfänger (14) von einem metalli­ schen Reflektor (15, 15') umgeben ist, und
  • - daß der Reflektor (15, 15') über die Leiterbandebene hinausragt.
2. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Reflektor als im Leiterband (11; 11a, 11b) integral ausgebildeter Reflektorabschnitt (15, 15') realisiert ist.
3. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Ebene des Montageabschnitts (16, 16') auf Höhe oder oberhalb der Leiterbandebene liegt.
4. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Reflektorabschnitt (15, 15') ein durch Umformen, insbesondere Ziehpreßumformen hergestellter umlaufender Kragen ist.
5. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß sich der Außenumfang des Reflektors (15, 15') mit zunehmendem Abstand von der Leiterbandebene erweitert.
6. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Vergußmasse (19) wenigstens zwei unterschiedliche Vergußmaterialien (19a, 19b) umfaßt.
7. Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß sich ein erstes Vergußmaterial (19b) in dem Reflektor (15, 15') befindet und ein zweites Vergußmaterial (19a) das erste Vergußmaterial (19b) abdeckt.
8. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmontierbaren optoelektronischen Bauelements, mit den Schritten:
  • - Anbringen eines Gehäusekörpers (12) mit einer Ausnehmung (13) an einem eine Leiterbandebene definierenden metallischen Leiterband (11; 11a, 11b);
  • - Anbringen eines optoelektronischen Senders und/oder Empfängers (14) auf einem in der Ausnehmung (13) liegenden Montageabschnitt (16, 16') des Leiterbandes (11; 11a, 11b);
  • - Befüllen der Ausnehmung (13) mit einer transparenten Ver­ gußmasse;
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß vor dem Anbringen des Gehäusekörpers (12) an dem Lei­ terband (11; 11a, 11b) ein über die Leiterbandebene hinausragender metallischer Reflektor (15, 15') ausgebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Reflektor als integraler Reflektorabschnitte (15, 15') des Leiterbandes (11; 11a, 11b) mittels eines Umform­ verfahrens, insbesondere eines kalten Ziehpreßumform­ verfahrens, realisiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß beim Befüllungsschritt mindestens zwei unterschiedliche Vergußmaterialien (19a, 19b) verwendet werden.
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