DE19947044B9 - Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement mit Reflektor und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

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,
– mit einer transparenten Vergußmasse (19), welche den Sender und/oder Empfänger (14) abdeckt,
wobei,
– der Sender und/oder Empfänger (14) von einem metallischen Reflektor (15, 15') umgeben ist, und
– der Reflektor (15, 15') vor dem Einbringen der Vergußmasse (19) freistehend über die Leiterbandebene hinausragt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Stand der Technik
  • 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 Stand der Technik repräsentierenden 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 Bauelement weist einen vorgeformten Gehäusekörper auf, in dem eine zentrale Ausnehmung gebildet ist. Am Boden der Ausnehmung 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 Bauelemente werden in der Technik auch als "vorgehäuste" Bauelemente bezeichnet.
  • Im praktischen Betrieb sind derartige Bauelemente häufig hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Beispielsweise muß das Bauelement in der Automobiltechnik 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 DE 195 36 454 A1 ist eine LED-Bauform bekannt, deren Reflektor durch eine muldenartige Ausformung eines Leiterbandabschnitts realisiert ist. Das lichtemittierende Element ist am Boden der muldenartigen Leiterbandausformung montiert. Das Bauelement weist einen vorgeformten Gehäusegrundkörper auf, der vor der Montage des Sender- und/oder Empfängerchips an das Leiterband angeformt wird.
  • Weitere optoelektronische Bauelemente mit einem als Vertiefung des Leiterbands ausgebildeten Reflektor sind in den U.S.-Patentschriften 3,820,237 und 4,255,688 beschrieben. Diese Bauformen weisen keinen Gehäusegrundkörper auf, sondern werden in einem abschließenden Herstellungsschritt mit einer integralen Epoxidharz-Verkapselung versehen.
  • In der U.S.-Patentschrift 3,914,786 ist eine lichtemittierende 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-Vergußkörper realisiert, welcher nach der Montage des lichtemittierenden Elements geformt wird.
  • In der EP 0 400 176 A1 sowie in der DE 42 42 842 A1 sind LED-Bauformen beschrieben, bei denen die Innenflächen einer Ausnehmung eines Gehäusegrundkörpers als Reflektorflächen ausgebildet sind.
  • Die JP-10242526 A beschreibt eine LED-Bauform, die kein Leiterband, sondern ein Leiterbahn-Substrat aufweist, auf dem die Leiterbahnen abgeschieden werden und auf einer von diesen der LED-Chip montiert wird. Auf dem Substrat befindet sich weiterhin ein Reflektorring, der den Chip umschließt. Die Herstellung derartiger LED-Bauformen ist gegenüber Herstellverfahren mit Leiterrahmenbändern, wie sie in der Halbleitertechnik üblich sind, mit erhöhtem Aufwand verbunden. Auch eine hinreichende Resistenz gegen schädigende Umwelteinflüsse und eine hinreichende Wärmeableitung vom Chip ist mit derartigen Bauformen nicht ohne Weiteres erzielbar.
  • Aufgabe
  • 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 ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 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 vorgehäusten Bauelements empfindlich von der Lage des Reflektors abhängig ist. Nur mit einem Reflektor, der über die Leiterbandebene hinausragt, werden vorgehäuste Bauelemente mit guter thermischer Langzeitstabilität, d.h. langer Lebensdauer, erreichbar. Bei bezüglich der Leiterbandebene vertieft ausgebildeten Reflektoren traten indessen signifikant häufiger und frühzeitiger mechanische Schädigungen, wie beispielsweise ein Ablösen der optoelektronischen Sender- bzw. Empfängerchips 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 Ziehpreßumformen, 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 Bauelementausführungen, bei denen die Vergußmasse wenigstens zwei unterschiedliche Vergußmaterialien umfaßt. Durch Verwendung unterschiedlicher Vergußmaterialien können auf den Sender/Empfänger einwirkende mechanische Spannungen vermindert werden und darüber hinaus der Verlauf des Brechungsindex in der Vergußmasse gezielt eingestellt und/oder Lumineszenz-Konverterstoffe definiert in die Vergußmasse eingebracht werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Beispiele
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
  • 1A und 1B ein vorgehäustes optoelektronisches SMT-Bauelement in perspektivischer Darstellung und in Schnittdarstellung nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Leiterbandes mit daran angebrachtem Gehäusekörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein Leiterband im Bereich des Reflektorabschnitts;
  • 4 eine erste Abwandlung der in 3 gezeigten Struktur; und
  • 5 eine weitere Abwandlung der in 3 gezeigten Struktur.
  • Die 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.
  • 2 zeigt in perspektivischer Darstellung ein noch nicht fertiggestelltes optoelektronisches SMT-Bauelement nach der Erfindung. An einem vorgestanzten, metallischen Leiterbandrahmen (leadframe) 10, von welchem in 2 lediglich ein Ausschnitt dargestellt ist, ist durch Umspritzen mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast ein Gehäusekörper 12 verankert. 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 Leiterbandzungen 11a, 11b liegen in der Ausnehmung 13 frei und sind zur Gewährleistung einer elektrischen Trennung voneinander beabstandet.
  • An dem freien Ende der Leiterbandzunge 11a ist ein über die Ebene der Leiterbandzunge 11a hervorstehender Reflektorabschnitt 15 ausgebildet.
  • Der erhabene Reflektorabschnitt 15 kann durch ein Ziehpreßverfahren 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 Formgebung auf. Nun wird unter hoher Druckanwendung ein Preßdorn mit einem gegenüber dem Ringloch reduzierten Außendurchmesser im Ringloch zentrisch auf die Leiterbandzunge 11a niedergebracht. 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 Gestaltung 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 Gehäuseausnehmung 13 eingesetzt. Das Halbleiterelement 14 wird auf einem von dem Reflektorabschnitt 15 berandeten Montageabschnitt (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 dargestellt) mit der anderen Leiterbandzunge 11b in elektrischer Verbindung steht.
  • Anschließend wird die Ausnehmung 13 mit einer transparenten, aushärtbaren Vergußmasse 19 befüllt, welche das Halbleiterelement 14 formschlüssig umgibt.
  • Die in 4 gezeigte Abwandlung unterscheidet sich von der in 3 dargestellten Anordnung dadurch, daß sich der Außenumfang des Reflektorabschnitts 15' mit zunehmender Höhe über dem Zungenabschnitt 11a erweitert. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß zwei unterschiedliche Vergußmaterialien 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 Montageabschnitt 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 Vergußmaterialien 19a, 19b können ferner teiltransparente Harze sein, welche mit geeigneten Lumineszenz-Konverterstoffen (gegebenenfalls unterschiedlicher Konzentrationen, Verteilungen, stofflicher Zusammensetzungen, usw.) versetzt sind.
  • Eine weitere Abwandlung der in 3 gezeigten Anordnung ist in 5 dargestellt. Der Montageabschnitt 16' ist hier erhöht gegenüber der Ebene der Leiterbandzunge 11a ausgebildet.
  • Sämtlichen in den 3, 4 und 5 gezeigten Varianten ist gemeinsam, daß der Reflektorabschnitt 15, 15' als ein freistehender, über die Leiterbandebene hinausragender Leiterbandabschnitt realisiert ist, und daß sich der Montageabschnitt 16, 16' in der Leiterbandebene oder oberhalb derselben erstreckt.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Leiterbandrahmen 10 entlang der in 2 strichpunktiert eingezeichneten Schnittlinien 20 aufgetrennt und die äußeren Enden der Leiterbandzungen 11a, 11b werden zur Ausbildung bodenseitiger Kontaktflächen gemäß 1B nach unten um den Gehäusekörper 12 herumgebogen.
    • 1
    Leiterband
    2
    Gehäuse
    3
    Ausnehmung
    4
    Halbleiter
    5
    Verguß
    10
    Leiterbandrahmen
    11
    Leiterband
    11a
    Leiterbandzunge
    11b
    Leiterbandzunge
    12
    Gehäusekörper
    13
    Ausnehmung
    14
    Halbleiterelement
    15, 15'
    Reflektorabschnitt
    16, 16'
    Montageabschnitt
    17
    Längsschlitz
    18
    Bonddraht
    19
    Vergußmasse
    19a, 19b
    Vergußmaterial
    20
    Schnittlinie

Claims (10)

  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, – mit einer transparenten Vergußmasse (19), welche den Sender und/oder Empfänger (14) abdeckt, wobei, – der Sender und/oder Empfänger (14) von einem metallischen Reflektor (15, 15') umgeben ist, und – der Reflektor (15, 15') vor dem Einbringen der Vergußmasse (19) freistehend 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 6, 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 Vergußmasse (19); dadurch gekennzeichnet, – daß vor dem Anbringen des Gehäusekörpers (12) an dem Leiterband (11; 11a, 11b) ein freistehender, über die Leiterbandebene hinausragender metallischer Reflektor (15, 15') ausgebildet wird, der sich später innerhalb der Ausnehmung (13) befindet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – daß der Reflektor als integraler Reflektorabschnitte (15, 15') des Leiterbandes (11; 11a, 11b) mittels eines Umformverfahrens, insbesondere eines kalten Ziehpreßumformverfahrens, realisiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, – daß beim Befüllungsschritt mindestens zwei unterschiedliche Vergußmaterialien (19a, 19b) verwendet werden.
DE19947044A 1999-09-30 1999-09-30 Oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement mit Reflektor und Verfahren zur Herstellung desselben Expired - Lifetime DE19947044B9 (de)

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