DE2601956B2 - Optoelektronisches Koppelelement - Google Patents

Optoelektronisches Koppelelement

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Description

Ein optoelektronisches Koppelelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 14 829 bekannt. Bei diesem Koppelelement ist die Leuchtdiode von außen her Frei zugänglich, und ihre Zuleitungen liegen vollkommen frei. Die Leuchtdiode ist daher gegen Beschädigungen von außen empfindlich. Ferner besteht bei dem bekannten Koppelelement die Möglichkeit, daß ein Teil des von der Leuchtdiode emittierten Lichts .'N den Seitenflächen des die Leuchtdiode tragenden Aufbaus nach außen 'ritt und dadurch einerseits den Wirkungsgrad der Kopplung verringert, andererseits auf gegebenenfalls br ichbarte optoelektronische KopDclelcnuMite störenden Ginfluß nimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Koppelelement zu schaffen, das bei hoher mechanischer und elektrischer Festigkeit eine gute Eingrenzung, d.h. gegenseitige Entkopplung benachbarter Koppelelemente, aufweist und dadurch eine höhere Packungsdichte gestattet
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach ist die Leuchtdiode auf allen Seiten von anderen
ίο Bauelementen umgeben und somit gegen Einflüsse von außen gut geschützt Die elektrischen Zuleitungen zu dem Koppelelement sind auf den Substraten aufgebracht und somit ebenfalls mechanisch stabiL Der erfindungsgemäße Aufbau gestattet einen problemlosen Einbau an sich fertiger Leuchtdioden und lichtempfindlicher Einrichtungen in gegebene Siliziumsubstrat-Anordnungen, wobei konstante elektrische und optische Werte erhalten werden.
Aus der US-Patentschrift 36 99 407 ist zwar ein optoelektronisches Koppelelement bekannt dessen Leuchtdiode in einer Vertiefung einer einen Teil der lichtempfindlichen Einrichtung bildenden Materialschicht angeordnet und dadurch gegen äußere Einflüsse geschützt ist Das zur Herstellung dieses optoelektronisehen Koppeleiements erforderliche Verfahren eignet sich aber nicht zur Massenfertigung mit der nötigen Kontanz des optischen Kopplungsfaktors, weil die Ausbildung der Vertiefung eine Ätzung erfordert, die in der Praxis zu einer nicht genau vorhersehbaren Dicke der für den Lieh (Übergang entscheidenden Zone der lichtempfindlichen Einrichtung führt
Ein weiteres optoelektronisches Koppelelement ist aus der deutschen Auslegeschrift 12 99 087 bekannt. Dort sind Leuchtdiode und lichtempfindliche Einrichtung auf gegenüberliegenden Wänden eines Gehäuses angeordnet, durch das die jeweiligen Zuleitungen herausgeführt sind. Diese Anordnung ist für die moderne Schaltungstechnik, die weitgehende Integrierung und Miniaturisierung verlangt, ungeeignet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der in Fig. 1 bis 3 der Zeichnung gezeigten Schnittdarstelliingen näher erläutert.
*"> Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht eine Trägerschicht 1 aus einem ersten isolierenden Substrat 2 und einem zweiten isolierenden Substrat 4. Auf der oberen Fläche des ersten Substrats 2 ist eine erste leitende Schicht 3 mit
w einem ersten vorgegebenen Muster ausgebildet. Ähnlich ist auf die obere Fläche des zweiten Substrats 4 eine zweite leitende Schicht 5 in einem zweiten vorgegebenen Muster aufgetragen. Das zweite Substrat 4 ist derart auf dem ersten Substrat 2 angeordnet, daß die untere
■>■> Fläche des zweiten Substrats 4 der mit dem Muster 3 versehenen oberen Fläche des ersten Substrats 2 zugewandt ist. Das zweite Substrat 4 ist ferner mit einem durchgehenden Loch versehen, wodurch in einem bestimmten Bereich der Trägerschicht 1 eine Ausspa-
'■" rung gebildet ist, deren Boden von der die leitende Schicht 3 tragenden Fläche des ersten Substrats 2 definiert wird.
Für die isolierenden Substrate wird Keramik bevorzugt. Ein keramisches isolierendes Substrat weist
·■'< gute Wärmebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Betriebszuverlässigkeit als Substrat für ein optoelektronisches Koppelelement auf.
Zur Herstellung der Trägerschicht 1 wird Vorzugs-
weise ein grünes Keramikplattchen verwendet Dabei wird ein solches Keramikplätteben, das in einem bestimmten Bereich ein durchgehendes Loch sowie auf seiner Oberfläche eine leitende Schicht aufweist, für das zweite isolierende Substrat 4 und ein weiteres derartiges Keramikplätteben, das wiederum an seiner Oberfläche eine leitende Schicht trägt, für das erste isolierende Substrat 2 verwendet Eine geeignete Trägerschicht 1 wird dadurch erhalten, daß das aus den beiden oben erwähnten grünen Keramikplättchen gebildete Laminat gesintert wird. Eine dünne leitende Schicht von etwa 200 bis 300 μπι Dicke wird in Drucktechnik erzeugt
Ein Herstellverfahren, das als Material für die Trägerschicht grüne Keramikplättchen verwendet eignet sich wegen der leichten Handhabung für die Massenproduktion.
Am Boden der Aussparung ist eine Leuchtdiode 10 montiert die eine lichtemittierende Zone 12 umfaßt Ein Anschluß der Leuchtdiode 10 ist mit der leitenden Schicht 3 am Boden der Aussparung toer einen Verbindungsdraht 14, etwa einen Golddraht, elektrisch verbunden. Der andere Anschluß der Leuchtdiode ist mit der leitenden Schicht 3 durch Lot U elektrisch verbunden.
Auf dem zweiten isolierenden Substrat 4 ist eine lichtempfindliche Einrichtung 30 montiert die die Aussparung der Trägerschicht 1 derart überdeckt daß sie der Leuchtdiode 10 gegenübersteht Die lichtempfindliche Einrichtung 30 ist an der Oberfläche des zweiten Substrats 4 durch Lot 31 befestigt, das die elektrische Verbindung zwischen der lichtempfindlichen Einrichtung 30 und der auf dem zweiten Substrat 4 vorhandenen zweiten leitenden Schicht 5 bildet
Der oben beschriebene Aufbau hat folgende Vorteile. Eine Streuung des von der Leuchtdiode 10 emittierten Lichtes wird durch die Innenwand der Aussparung verhindert so daß das emittierte Licht nur auf die lichtempfind'iche Fläche der Einrichtung 30 fällt. Die Streulichtmenge wird also verringert so daß sich das 4C Lichtübertragungsvermögen des optoelektronischen Koppelelementes erhöht und dadurch eine höhere Packungsdichte möglich ist
Die Leuchtdiode 10 und ihre elektrischen Anschlüsse sind in dem von der lichtempfindlichen Einrichtung 30 und den beiden Substraten 2 und 4 gebildeten Raum eingeschlossen, so daß Beschädigungen der Leuchtdiode und Brüche der elektrischen Verbindungen ausgeschlossen sind, d. h. die mechanische Festigkeit des Aufbaus erhöht ist.
Da die erste leitende Schicht 3 für die Leuchtdiode 10 und die zweite leitende Schicht S für die lichtempfindliche Einrichtung 30 durch das zweite Substrat 4 voneinander getrennt und isoliert sind, ist die elektrostatische Kapazität zwischen den beiden leitenden Schichten 3 und 5 gering und die Durchbruchspannung zwischen diesen Schichten erhöht. Daher können unerwünschte Funktionen, die sich aus einer engen elektrostatischen Kopplung zwischen diesen leitenden Schichten ergeben, kaum auftreten. ti»
Weiterhin ist beim Aufbau einer Anordnung, bei der mehrere optoelektronische Koppelelemente als Matrix mit zwei mal zwei (insgesamt vier) oder drei mal drei (insgesamt neun) Elementen angeordnet sind, die Komplexität der Leiteranordnung verbessert. ' >
Bei dem in V 1 j·:. 2 gez1 igten zweiten Ausführungsbeispicl der Erfindung hat die Trägerschicht 1. clic wiederum ein erstes isolierendes Substrat 2, eine erste leitende Schicht 3, ein zweites isolierendes Substrat 4 und eine zweite leitende Schicht S umfaßt, den gleichen Aufbau wie in Fig. 1, In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird als Leuchtdiode 10 eine Halbleiterdiode verwendet die aus einer Verbindung von Elementen der III, und V. Gruppe des Periodensystems besteht Die lichtemittierende Zone 12 und die elektrischen Anschlüsse der P- und N-Zonen sind an einer Hauptoberfläche der Diode ausgebildet
Ein optoelektronisches Koppelelement mit der oben erläuterten Leuchtdiode 10 hat folgende Vorteile. Da für die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen der Leuchtdiode und der leitenden Schicht kein Draht erforderlich ist und zur Verbindung beider aktiver Einrichtungen mit dem Substrat und der leitenden Schicht mit einer Anschlußmethode gearbeitet wird, bei der die Frontfläche nach unten weist, etwa der CCB-Methode (Controlled Collapsed Bonding Method), ist die Leuchtdiode 10 sehr nah an der lichtempfindlichen Oberfläche der Einrichtung 36 angeordnet, und die mechanische Festigkeit sowie die Möglichkeit der Massenproduktion sind weiterhin verbessert
Die Stellen, an denen die lichtempfindliche Einrichtung 30 und die Leuchtdiode 10 auf der Trägerschicht 1 angeordnet werden, lassen sich nach dem Muster der leitenden Schichten 3 und 5 auf den Substraten 2 und 4 leicht bestimmen, so daß die Handhabung während der Herstellung einfach ist; dadurch wird die Möglichkeit der Massenfertigung weiter verbessert
Die Abmessungen des durchgehenden Loches sind geringfügig größer als die der Leuchtdiode, so daß sich die Packungsdichte weiterhin erhöhen läßt.
Das nachstehende Beispiel 1 dient dazu, das Hersteilverfahren für die in F i g. 1 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen zu erläutern.
Beispiel 1
Für die beiden isolierenden Substrate 2 und 4 wurden grüne Aluminiumoxid(Al2Oj)-Plättchen verwendet Auf die eine Oberfläche derartiger Plättchen wurde ein W-Ni-Pastenfilm mit einer Dicke von etwa 50 μηι und mit einem bestimmten Muster aufgedruckt, um die leitenden Schichten 3 und 5 zu erzeugen. In bestimmten Teilen des das zweite Substrat 4 bildendsn AI2Ch-PIaU-chens wurden zwei durchgehende Löcher mit einem Durchmesser von etwa 2 mm gebohrt
Die beiden A^Os-Plättchen wurden durch Druck miteinander verbunden und anschließend gesintert Die Dicke des gesinterten Plättchens betrug etwa 0,8 mm für das erste Substrat 2 und etwa 0,3 mm für das zweite Substrat 4.
Der freiliegende Teil der leitenden Schichten 3 und 5 außerhalb der Trägerschicht 1 wurde vergoldet.
Als Leuchtdiodp 10 wurde eine infrrrotes Licht emittierende Diode aus Si-dotiertem GaAs einer Größe von etwa 0,5 χ 0,5 χ 0,3 mm3 verwendet. Die gesamte Oberfläche der P-Zone der Leuchtdiode wurde vorher mit Au-Zn und Au-Ge in dieser Reihenfolge durch Verdampfen überzogen, und auf der Oberfläche der N-Zone eier Diode 10 wurde ein elektrischer Änschlußteil mit einem Durchmesser von etwa 100 μπι vorher durch Verdampfen mit AuGe-Ni und Au in dieser Reihenfolge überzogen. Diese Beschichtungen bildeten die f lektrodcn der Leuchtdiode
Leuchtdioden des oben beschriebenen Typs wurden jeweils in den in der Tragerschicht 1 gebildeten Aussparungen montiert und danach einer Wärmebehandlung hi'i 450 C unterzogen, um die Oberfläche der
P-Zone der Leuchtdiode 10 mit der ersten leitenden Schicht 3 zu verbinden. Die an der Oberfläche der N-Zone der Leuchtdiode 10 gebildete Elektrode wurde mit der ersten leitenden Schicht 3 über einen Leitungsdraht, etwa einen Golddraht mit einem Durchmesser von etwa 25 μπι, elektrisch verbunden.
Als lichtempfindliche Einrichtung 30 wurde eine Siliciumeinrichtung mit Abmessungen von etwa 5 χ 5 χ 0,03 mm3 verwendet, in der zwei Phototransistoren ausgebildet waren. Die Elektrodenteile der Vorrichtung wurden vorher mit Al, Cr, Cu, Au und Lot in dieser Reihenfolge überzogen. Die Siliciumeinrichtung 30 wurde mit der auf dem zweiten Substrat 4 vorgesehenen zweiten leitenden Schicht 5 unter Verwendung der oben erwähnten CCB-Methode verbunden, wobei die lichtempfindliche Oberfläche des Phototransistors gerade oberhalb der Leuchtdiode 10 in
i uiiut ituiuc.
Bei dem in Fig.3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Raum zwischen der Leuchtdiode 10 und der lichtempfindlichen Oberfläche der Einrichtung 30 mit einem transparenten Medium 40. etwa Siliconharz, ausgefüllt. Die übrigen baulichen Merkmale dieser Ausführungsform sind gleich denen bei Fig. I und 2, so daß sich ihre Erläuterung erübrigt.
Das transparente Medium 40 hat einen höheren Brechungsindex als Luft. Die von der Leuchtdiode 10 emittierten, auf die Grenzfläche zwischen dem transparenten Medium 40 und Luft fallenden Lichtstrahlen werden daher innerhalb des Mediums 40 reflektiert, so daß die Lichtstrahlen an der lichtempfindlichen Oberfläche der Einrichtung 30 gesammelt werden und das auf andere Bereiche der lichtempfindlichen Einrichtung JO mit Ausnahme der lichtempfindlichen Oberfläche fallende Streulicht reduziert wird. Dadurch erhöhte sich das Lichtübertragungsvermögen des Koppelelements nach F i g. 3 um etwa 70%.
Das nachstehende Beispiel 2 dient dam. das Herstellverfahren der Ausführungsform nach F i g. 3 im einzelnen zu erläutern.
Beispiel 2
Für die beiden isolierenden Substrate 2 und 4 wurden grüne Al2O3-Plättchen verwendet. An der vorgegebenen Stelle des Plättchens für das Substrat 4 wurden durchgehende Löcher mit einem Querschnitt von 0,5 χ 0,5 mmJgebohrt.
Auf der einen Oberfläche jedes AhOi-PläUchens wurden nach dem in Beispiel I erläuterten Verfahren die leitenden Schichten mit vorgegebenem Muster gebildet.
Die beiden AljOj-Plättchen wurden sodann durch Druck miteinander verbunden und danach gesintert.
Die Dicke der gesinterten AbOrPlättchen betrug etwa 0,8 mm für das erste Substrat 2 und etwa 0.3 mm für das zweite Substrat 4.
Die so erhaltene Trägerschicht 3 wurde in geschmolzenes Lot eingetaucht, um die freiliegenden leitenden Schichten 3 und 5 mit einer dünnen Lotschicht zu überziehen.
Als Leuchtdiode 10 wurde eine Siliciumdiode mit Abmessungen von etwa 0.4 χ 0,4 χ 0.2 mm1 verwendet. In dem mit Si dotierten N-Ieitenden GaAs-Substrat
UCl L/ll/UC VTtMVIC
vorgesehen. Auf der P- und der N-Zone der Leuchtdiode wurden vorher die F lektroden aufgebracht. Die Elektrode auf der P-Zone wurde mit einem Mehrfachüberzug aus Al. Cr, Au und Lot. die Elektrode auf der N-Zone mit einem Mehrfachüberzug aus Al-Ge-Ni, Al, Cr, Cu, Au und Lot versehen.
Als lichtempfindliche Einrichtung 30 wurde ein Photothyristor mit Abmessungen von etwa 0,7 χ 0," :< 0,2 mm3 verwendet. Auf einem vorbestimmten Teil des Thyristors wurden vorher die Elektroden durch Aufdampfen von Al, Cr, Cu, Au und Lot vorgesehen.
Die oben erwähnten Leuchtdioden 10 wurden jeweils in den Löchern des zweiten Substrats 4 montiert, woraufhin der Thyristor 30 auf dem zweiten Substrat 4 derart angebracht wurde, daß seine lichtempfindliche Oberfläche der Leuchtdiode 10 zugewandt war. Sodann wurde die gesamte Anordnung auf etwa 330" C erwärmt, so daß die Lotschichten der Elektroden an der Leuchtdiode 10 und dem Thyristor 30 sowie die leitenden Schichten 3 und 5 auf den Substraten 2 und 4 schmolzen und sich miteinander verbanden.
Schließlich wurde zwischen die Leuchtdiode 10 und die lichtempfindliche Oberfläche des Thyristors 30 ein Siliconharz der Bezeichnung EJC-245 (ein Erzeugnis der Firma General Electric Co.) eingefüllt und durch eine einstündige Wärmebehandlung bei 150c C gehärtet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Optoelektronisches Koppelelement mit einem ersten isolierenden Substrat (2), suf dessen einer Oberfläche eine erste leitende Schicht (3) mit einem ersten vorgegebenen Muster angeordnet ist, einem die erste leitende Schicht (3) bedeckenden zweiten isolierenden Substrat (4), das auf seiner von der ersten leitenden Schicht (3) abgewandten Oberfläche eine zweite leitende Schicht (5) mit einem zweiten vorgegebenen Muster trägt, einer mit einer (3) der beiden leitenden Schichten verbundenen Leuchtdiode (10) sowie einer mit ihrer lichtempfindlichen Fläche der Leuchtdiode (10) zugewandten und mit der anderen leitenden Schicht (5) verbundenen lichtempfindlichen Einrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Substrate(2, 4) aus Keramik bestehen, daß die zweite leitende Schicht (5) und das zweite Substrat (4) ein bis zu der ersten leitenden Schicht (3) durchgehendes Loch aufweisen, innerhalb dessen die mit der ersten leitenden Schicht (3) verbundene Leuchtdiode (10) angeordnet ist, und daß die mit der zweiten leitenden Schicht (5) verbundene lichtempfindliche Einrichtung (30) das Loch überdeckend auf dem zweiten Substrat (4) angeordnet ist
2. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Leuchtdiode (10) im wesentlichen gleich ist der Dicke des zweiten Substrats (4).
3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung (30) mittels Lot (31) .nit der auf dem zweiten Substrat (4) angeordnelt ι zweiten leitenden Schicht (S) elektrisch und mechanisch verbunden ist.
4. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (10) mittels Lot (11) mit der auf dem ersten Substrat (2) angeordneten ersten leitenden Schicht (3) elektrisch und mechanisch verbunden ist.
5. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß der Leuchtdiode (10) der ersten leitenden Schicht (3) über eine Drahtverbindung (13) elektrisch verbunden ist.
6. Koppelelement nach einem der Ansprüche I bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Leuchtdiode (10) und der lichtempfindlichen Einrichtung (.30) mit lichtdurchlässigem Silikonharz (40) ausgefüllt: ist.
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