DE2646424C2

DE2646424C2 -

Info

Publication number: DE2646424C2
Application number: DE2646424A
Authority: DE
Inventors: Gerfried Dipl.-Phys. 8014 Neubiberg De Felkel; Ulrike Reeh; Gerhard 8000 Muenchen De Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-10-14
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1987-07-30
Also published as: FR2368147B2; GB1590865A; JPS5349445A; JPS6228596B2; FR2368147A2; SE7711368L; DE2646424A1; IT1115730B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung eines optoelekronischen Halbleiter-Bauelements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Halbleiterdetektoren weisen in der Regel einen weiten Empfindlichkeitsbereich auf, von dem jedoch häufig nur ein schmaler Spektralbereich als Arbeitsbereich genutzt wird. Derjenige Empfindlichkeitsbereich von Halbleiterdetektoren, der außerhalb des Arbeitsbereiches der Detektoren liegt, verursacht bei Fremdlichteinfall unerwünschte Störströme. Zur Verringerung dieser Störströme werden Halbleiterdetektoren mit optischen Filtern abgedeckt, die über den gesamten Empfindlichkeitsbereich der Detektoren mit Ausnahme ihres Arbeitsbereiches für elektromagnetische Strahlung undurchlässig sind.

Eine Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung eines optoelektronischen Halbleiter-Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 24 57 572 bekannt. Diese bekannte Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung enthält zur Absorbtion von infrarotem Licht ein sogenanntes Filterglasmaterial. Dieses Filterglasmaterial ist verhältnismäßig schwierig zu verarbeiten. Die Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung muß mit einer größeren Mengen von Glasteilchen beladen werden. Dies führt zu Änderungen der physikalischen Eigenschaftgen des ursprünglichen Harzes. Der hohe Filterglasanteil kann zu einer wesentlichen Schwächung der gesamten, die Fotozelle erreichenden Strahlungsenergie und somit zu einer entsprechenden Verminderung des Fotostroms führen. Organische "Farbkorrektur"-Farbstoffe können in Verbindung mit dem teilchenförmigen Filterglas im Harz verteilt oder gelöst werden, um eine erwünschte Korrekturfiltration für die Fotozelle im sichtbaren Bereich zu erzielen. Beispiele für derartige Farbkorrektur-Farbstoffe sind Farbstoffe vom Phthalocyanintyp. Mit einer solchen bekannten Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung eines optoelektronischen Halbleiter-Bauelements kann jedoch Störlicht im sichtbaren Spektralbereich nicht vollständig ausgefiltert werden.

Aus der US-PS 39 26 835 ist ein optisches Filter bekannt, das für Lichtwellenlängen unterhalb von 700 nm relativ stark absorbiert und das für größere Lichtwellenlängen relativ viel Licht durch läßt. Dieses bekannte optische Filter ist aus einem Polymer-Filmmaterial hergestellt. Die bei diesem bekannten optischen Filter verwendeten Farbstoffe sind jedoch nicht für eine Verwendung in einer Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geeignet.

Aus "Journal of the Optical Society of America", Band 36, Nummer 10, Oktober 1946, Seiten 569 bis 575, ist ebenfalls ein Kunststoffilter mit organischen Farbstoffen zur Unterdrückung von sichtbarem Licht und hoher Transmission von Infrarotlicht bekannt. Die dabei verwendeten Farbstoffe sind jedoch Natriumsalze von Diazofarbstoffen, die zusätzliche freie NH- bzw. NH₂-Gruppierungen enthalten, welche bei Verwendung für eine Umhüllungsmasse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit der Epoxidgruppe der Harzkomponente reagieren und deshalb chemisch nicht beständig sind und welche zudem Natriumionen freisetzen, die ihrerseits das optoelektronische Halbleiter-Bauelement aufgrund ihrer elektrischen Ladung nachteilig beeinflussen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine glasfreie Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung für ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, die im Bereich der Nutzstrahlung möglichst nicht absorbiert und die im übrigen bereits für Wellenlängen unterhalb von 700 nm möglichst stark absorbiert.

Diese Aufgabe wird bei einer Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die in Patentanspruch 1 angegebenen Farbstoffe erfüllen eine Vielzahl von ganz speziellen Anforderungen, die bei einem einfachen optischen Filter für den sichtbaren oder Infrarot-Bereich nicht gefordert sind. Insbesondere sind diese Farbstoffe mit dem Halbleitersystem verträglich. Dies bedeutet beispielsweise, daß sie keine Änderung des Sperrstromes, keine Änderung des Betriebsstromes und keine Beeinflussung der Schalteigenschaften hervorrufen. Diese Farbstoffe setzen auch keine schädlichen Ionen frei, wie beispielsweise Alkali-Ionen, und wirken auch nicht korrodierend. Diese Farbstoffe sind in der Epoxidharzmasse löslich und chemisch beständig. Diese Farbstoffe sind auch bei höheren Temperaturen farbstabil, was vorteilhaft ist, weil die Epoxidmassen üblicherweise bei erhöhten Temperaturen ausgehärtet werden. Diese Farbstoffe sind untereinander verträglich, koagulieren nicht und bleiben im Formstoff gleichmäßig verteilt.

Filter aus einem das optoelektronische Halbleiter-Bauelement abdeckenden oder umhüllenden Stoff werden in diesem Zusammenhang als "Filterformstoff" bezeichnet. Als grüner Pigmentfarbstoff kann z. B. Microlithgrün GT (Wz), als gelber Azopigmentfarbstoff kann z. B. Microlithgelb GT (Wz) und als schwarzer Diazofarbstoff kann z. B. Ceresschwarz G (Wz) verwendet werden.

Es ist vorteilhaft, daß die Konzentration der Farbstoffe in der Umhüllungsmasse und deren Schichtdicke an der der Nutzstrahlung zugewandten Fläche aufeinander abgestimmt sind.

Es ist vorteilhaft, daß die Umhüllungsmasse an der der Nutzstrahlung zugewandten Fläche eine Schichtdicke von 0,5 mm aufweist und daß sich die Gewichtsteile von Epoxidharzformstoff zu grünem Pigmentfarbstoff zu gelbem Pigmentfarbstoff zu scharzem Farbstoff verhalten wie 125 : 1 : 0,1 : 0,5. Die angegebenen Farbstoffkonzentrationen im Formstoff haben sich bei einer Schichtdicke des Formstoffes von 0,5 mm über der strahlungsempfindlichen Fläche des Halbleiters als besonders geeignet erwiesen.

Bei Variation der zuvor angegebenen Schichtdicke des Formstoffes über der strahlungsempfindlichen Fläche des Halbleiters müssen mit zunehmender Schichtdicke (<0,5 mm) die Farbstoffkonzentrationen im Formstoff entsprechend herabgesetzt und bei abnehmender Schichtdicke die Farbkonzentrationen entsprechend heraufgesetzt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen mit einem eingefärbten Kunststoff umhüllten Fotodetektor,

Fig. 2 die Kurven der relativen Durchlässigkeit von unterschiedlich eingefärbten Filterformstoffen und die Emissionskurve einer Gallium-Arsenid-Diode.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Fotodetektor 1 . Ein lichtempfindlicher Halbleiter 2, z. B. eine Diode, ist an der Rückseite mit einem Anschluß 4 (Kathode) elektrisch gut leitend und mechanisch gut haftend verbunden. Ein Bonddraht 9, der an der Vorderseite des strahlungsempfindlichen Halbleiters 2 angebondet ist, verbindet den Halbleiter 2 mit einem weiteren Anschluß 5 (Anode). Der strahlungsempfindliche Halbleiter 2 und Teile der Anschlüsse 4 und 5 sind von einer Kunststoffumhüllung 3 umgeben, bestehend aus einem Gießharzformstoff auf der Basis von Bisphenol- A/Amin und eingefärbt mit einer Mischung aus darin löslichen Farbstoffen und Pigmentfarbstoffen, angedeutet durch die Punkte 6. Die Pfeile 7 deuten die Einfallsrichtung der Nutzstrahlung an. Der Abstand zwischen der Oberfläche 8 des Formstoffes und der Oberfläche 10 des strahlungsempfindlichen Halbleiters 2 bestimmt die Schichtdicke des Formstoffes, auf die die Konzentration der Farbstoffmischung abzustimmen sind.

In Fig. 2 sind die relative Durchlässigkeiten verschieden eingefärbter Epoxidharzformstoffe im Wellenbereich von ca. 600 bis 1000 nm in Prozenten dargestellt, wobei die Schichtdicke der verwendeten Proben jeweils ca. 0,5 mm betrug. Weiterhin ist die Emissionskurve für eine Gallium-Arsenid-Diode dargestellt, die als Nutzstrahlungsquelle für den befilterten Detektor fungiert, weshalb der Filterformstoff so zu wählen ist, daß er im Emissionsbereich der Gallium-Arsenid-Diode eine annähernd 100%ige relative Durchlässigkeit aufweist. Kurve I stellt die relative Durchlässigkeit des allein mit dem schwarzen Farbstoff (Ceresschwarz G) eingefärbten Gießharzformstoffes in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dar, wobei in 125 Gewichtsteilen des Formstoffes 0,5 Gewichtsteile des schwarzen Farbstoffes enthalten sind. Kurve II stellt die relative Durchlässigkeit des nur mit dem Gemisch aus grünen und gelben Pigmentfarbstoff eingefärbten Gießharzformstoffes in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dar, wobei in 125 Gewichtsteilen des Formstoffes, 1 Gewichtsteil des grünen Pigmentfarbstoffes und 0,1 Gewichtsteile des gelben Pigmentfarbstoffes enthalten sind. D bezeichnet dabei die optische Durchlässigkeit eines eingefärbten Formstoffes, während D₀ die optische Durchlässigkeit des entsprechenden, nicht eingefärbten Formstoffes gleicher Schichtdicke bezeichnet. Kurve III zeigt die Emissionskurve für die Gallium-Arsenid-Diode.

Wie aus den Kurven I, II und III ersichtlich, bewirkt der allein mit schwarzem Farbstoff eingefärbte Gießharzformstoff eine hohe Durchlässigkeit für Störstrahlung in den Wellenlängenbereichen, die größer als λ=700 nm sind, wobei die Farbstoffkonzentration der obengenannten Konzentration entspricht. Die Durchlässigkeit der Störstrahlung des schwarz eingefärbten Formstoffes kann dadurch verringert werden, daß Zusätze der oben angegebenen Farbstoffmischung aus grünem und gelbem Pigmentfarbstoff innerhalb gewisser Konzentrationsgrenzen beigemischt werden. Der Durchlässigkeitsbereich des schwarz eingefärbten Formstoffes für Störstrahlung außerhalb der Nutzstrahlung wird durch Zusatz der Mischung aus grünem und gelbem Pigmentfarbstoff auf einen Wellenbereich von ca. 820 nm bis 900 nm eingeschränkt. Da diese Farbstoffmischung jedoch auch im Emissionsbereich der Gallium-Arsenid-Diode schwach absorbiert und somit auch teilweise das Nutzsignal schwächt, ist eine beliebige Erhöhung der Konzentration der Mischung aus grünem und gelbem Pigmentfarbstoff im Epoxidharzformstoff nicht sinnvoll. Ein Zusatz des schwarzen Diazo-Farbstoffes neben der genannten Pigmentfarbstoffmischung zu dem Epoxidharzformstoff ist insofern besonders wichtig, als er Durchlässigkeiten im kurzwelligen Bereich (in der Zeichnung nicht dargestellt) der mit den genannten Pigmentfarbstoffen eingefärbten Epoxidharzformstoffe behebt.

Zur Befilterung von Fotodetektoren mit Filtern werden Fotodetektoren in üblicher Weise mit Kontakten versehen. Bei einem anschließenden Verguß oder Verpressen mit einer Epoxidharzmasse sind der Verguß- bzw. Verpreßmasse lediglich Farbstoffe geeigneter Konzentration beizusetzen, um eine Befilterung der Fotodetektoren zu erreichen, wobei außerdem eine gewisse Schichtdicke des Formstoffes über der strahlungsempfindlichen Fläche des Halbleiters einzuhalten ist. Die zum Einfärben der Verguß- bzw. Verpreßmasse verwendeten Farbstoffe sind so zu wählen, daß sie im Emissionsbereich der auf den Detektor auffallenden Nutzstrahlung möglichst nicht absorbieren und im übrigen Empfindlichkeitsbereich des Detektors möglichst stark absorbieren.

Zur Befilterung einer Silizium-Fotodiode, die als Detektor für eine als Nutzstrahlungsquelle dienende Gallium-Arsenid-Lumineszenzdiode dienen soll, empfiehlt es sich, die Silizium-Fotodiode mit einem Filterformstoff zu umhüllen, der aus einer Epoxidharzmasse mit einem Gemisch aus grünem Pigmentfarbstoff auf Basis Polychloro-Kupferphthalocyanin, einem gelben Azo-Pigmentfarbstoff und einem schwarzen Diazofarbstoff hergestellt ist. Die Gewichtsanteile des Filterformstoffes der oben angegebenen Zusammensetzung ergeben sich aus folgender Gleichung:
Epoxidharz : grünem Pigmentfarbstoff : gelbem Pigmentfarbstoff : schwarzem Farbstoff = 125 : 1 : 0,1 : 0,5.
Die Schichtdicke des Filterformstoffes über der strahlungsempfindlichen Fläche des Halbleiters beträgt ca. 0,5 mm.

Die erfindungsgemäßen Filterformstoffe können für beliebige Fotodetektoren, insbesondere für Silicium- oder Germanium-Fotodioden sowie Fotowiderstände verwendet werden.

Claims

1. Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung eines optoelektronischen Halbleiter-Bauelements, die eine direkt auf das Bauelement aufgebrachte Schicht bildet, welche ein mit Farbstoffen, beispielsweise vom Phthalocyanintyp, eingefärbter Filterformstoff ist und bei welcher der Filterformstoff ein Epoxidpreßformstoff oder ein Epoxidgießharzformstoff ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterformstoff einen grünen Pigmentfarbstoff auf der Basis von Polychloro- Kupferphthalocyanin, einen gelben Azopigmentfarbstoff und einen schwarzen Diazofarbstoff enthält und daß sich die Gewichtsteile von grünem Pigmentfarbstoff zu gelbem Pigmentfarbstoff zu schwarzem Diazofarbstoff verhalten wie 1 : 0,1 : 0,5.

2. Kunststoff-Abdeckung bzw. -Umhüllung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungsmasse an der der Nutzstrahlung zugewandten Fläche eine Schichtdicke von 0,5 mm aufweist und daß sich die Gewichtsteile von Epoxidharzformstoff zu grünem Pigmentfarbstoff zu gelben Pigmentfarbstoff zu schwarzem Farbstoff verhalten wie 125 : 1 : 0,1 : 0,5.