JP2004040099A - オプトエレクトロニクス素子およびオプトエレクトロニクス素子の製造方法 - Google Patents

オプトエレクトロニクス素子およびオプトエレクトロニクス素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】広汎な要求を満足する冒頭に言及した形式のオプトエレクトロニクス素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】キャビティ内の半導体チップとキャビティ側壁とのあいだに反射性の充填物質が配置されており、ベースケーシングのフロント面へ向かう少なくとも１つの表面は半導体チップから見て凹面鏡状すなわち凹形に湾曲しており、一部の放射に対するリフレクタ面を形成している。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのキャビティを有するベースケーシングおよびキャビティ内に配置された少なくとも１つの電磁放射を放出および／または受信する半導体チップを有しており、前記キャビティはベースケーシングのフロント面からベースケーシング内へ延在しているオプトエレクトロニクス素子、特に表面実装可能なオプトエレクトロニクス素子に関する。
【０００２】
本発明はさらに、前述のオプトエレクトロニクス素子の製造方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来、表面実装可能なオプトエレクトロニクス素子を製造する際には、例えばまず予め成形された導電性のリードフレームが適切なプラスティック材料で包囲するように射出成型され、素子のベースケーシングが形成される。このベースケーシングはキャビティ（またはチップウィンドウ）を有しており、このキャビティ内に対向する２つの側からリードフレーム端子が案内される。リードフレーム端子には電磁放射を放出または送信する半導体チップ、例えばＬＥＤチップが接着され、電気的にコンタクトされる。キャビティ内には透明または透光性の鋳込物質が充填される。表面実装可能なオプトエレクトロニクス素子の基本的な形態は例えば刊行物　Ｆ．Ｍｏｅｌｌｅｒ　＆　Ｇ．　Ｗａｉｔｌ，　”ＳＩＥＭＥＮＳ　ＳＭＴ−ＴＯＰＬＥＤ　ｆｕｅｒ　ｄｉｅ　Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎｍｏｎｔａｇｅ”，　Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　２９　（１９９１），　Ｈｅｆｔ　４　１４７頁〜１４９頁から知られる。
【０００４】
この種のオプトエレクトロニクス素子では、外部効率を高めるために、キャビティに斜めの内面を設け、これをリフレクタとして用いることが通常である。内面の傾角に応じてキャビティの開口も相応に拡大される。
【０００５】
この種のリフレクタ装置を備えたオプトエレクトロニクス素子の例は、独国特許出願公開第１９７５５７３４号明細書および独国特許出願公開第１９９１８３７０号明細書に記載されている。
【０００６】
類似の構造は独国特許出願公開第１９５３６４５４号明細書にも記載されている。この場合は素子のベースケーシングのキャビティに金属チップ支持体が設けられており、その上に半導体チップが実装されている。チップ支持体では半導体チップの固定された領域にウェルが形成され、その内面が反転した円錐台にほぼ相応する形状を有しており、これが半導体チップから放出された放射に対するリフレクタとなる。
【０００７】
オプトエレクトロニクス素子の微細化が進むにつれて、できるかぎり小さいキャビティ開口を設けること、および／またはキャビティ内にいっそう複雑な半導体チップを設けて配線することへの要求がますます高まってきている。この場合キャビティの側壁はスペース不足のためにキャビティの底面に対して垂直または急峻な角度とならざるを得ない。
【０００８】
ランベルトの法則に基づく放射受信特性または後方へ向かう半導体チップの放射受信特性のために、光電流の明らかな損失が生じ、素子の外部効率が低下する。したがって実現困難であるにもかかわらず、キャビティ内面にリフレクタを設けて充分に良好な効率を得ようとするオプトエレクトロニクス素子への要求が存在する。
【０００９】
【特許文献１】
独国特許出願公開第１９７５５７３４号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第１９９１８３７０号明細書
【特許文献３】
独国特許出願公開第１９５３６４５４号明細書
【非特許文献１】
Ｆ．Ｍｏｅｌｌｅｒ　＆　Ｇ．　Ｗａｉｔｌ，　”ＳＩＥＭＥＮＳ　ＳＭＴ−ＴＯＰＬＥＤ　ｆｕｅｒ　ｄｉｅ　Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎｍｏｎｔａｇｅ”，　Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　２９　（１９９１），　Ｈｅｆｔ　４　１４７頁〜１４９頁
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、広汎な要求を満足する冒頭に言及した形式のオプトエレクトロニクス素子およびその製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、キャビティ内の半導体チップとキャビティ側壁とのあいだに反射性の充填物質が配置されており、ベースケーシングのフロント面へ向かう少なくとも１つの表面は半導体チップから見て凹面鏡状すなわち凹形に湾曲しており、一部の放射に対するリフレクタ面を形成している構成により解決される。
【００１２】
課題はまた、キャビティの底面に対する充填物質の充填高さｈＦが半導体チップの近傍では当該の半導体チップの底面から放出および／または受信を行う領域までの距離よりも小さくなり、表面が半導体チップから見るとキャビティ側壁へ向かって充填物質の材料と側壁の材料とのあいだの接着性により凹状に湾曲して放射用のリフレクタを形成するように、充填物質の材料および量を選定することにより解決される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の特徴を有するオプトエレクトロニクス素子、および本発明の請求項１４に記載の特徴を有するオプトエレクトロニクス素子の製造方法により、前述の課題は解決される。オプトエレクトロニクス素子およびその製造方法についての他の有利な実施形態および改善形態は従属請求項に記載されている。
【００１４】
本発明のオプトエレクトロニクス素子はベースケーシングと放射を放出および／または受信する少なくとも１つの半導体チップとをベースケーシングのキャビティ内に有している。リフレクタは、従来のオプトエレクトロニクス素子とは異なり、ベースケーシングの反射性のキャビティ側壁のみによるのではなく、一部はキャビティ内に充填される反射性の充填物質によっても実現される。充填物質の材料および量は、有利には、充填の際に、これとキャビティ側壁の材料とのあいだの接着力により充填物質がキャビティ側壁に向かって盛り上がり、凹形すなわちパラボラ状の表面を形成するように選定されている。ケーシングのフロント面へ向かう充填物質の当該の表面は、半導体チップから放出および／または受信される電磁放射に対するリフレクタ面となる。充填物質の組成は、リフレクタ面でできる限り多くの放射成分が全反射するように選定されている。これは充填物質として適切な屈折率を有する材料を使用することにより達成される。
【００１５】
換言すれば、キャビティが充填物質で部分的に充填され、充填物質とベースケーシングとのあいだの接着力によって自動的に半導体チップから見てほぼ凹状のキャビティ内面が生じる。これは充填物質がベースケーシングのキャビティの側面へ向かって盛り上がるためである。このようにして形成されたパラボラ状の充填物質の内面がキャビティ内で使用される半導体チップに対するリフレクタを形成する。
【００１６】
当該のリフレクタ面はキャビティ開口がきわめて小さい場合にも充填物質の用量を適切に調整することにより簡単に形成することができる。さらにキャビティ内に存在する端子、ワイヤおよびその他は、充填物質によって機能を損なうことなくカバーされる。
【００１７】
したがって本発明の手段によれば、オプトエレクトロニクス素子において、キャビティの開口を狭くすること、および／またはキャビティ内に複雑な半導体チップおよび配線を設けることによりリフレクタを形成し、素子の外部効率を高めることができる。
【００１８】
本発明の有利な実施形態では、充填物質の材料は二酸化チタンＴｉＯ２を含む。特に有利には充填物質の材料はＴｉＯ２粒子を充填されたエポキシド樹脂である。特に有利には充填物質２８のＴｉＯ２成分は１０Ｖｏｌ％〜５０Ｖｏｌ％である。
【００１９】
従来のオプトエレクトロニクス素子と同様に、有利にはキャビティ内へチップを実装し、チップと外部電気端子とを例えばボンディングワイヤを介して接続し、充填物質を充填した後に残るチップの露出表面が放射透過性の（例えば透明な）カプセル化物質でカバーされる。これにより半導体チップがカバーされ、有利にはキャビティの大部分が充填される。
【００２０】
本発明のオプトエレクトロニクス素子の製造方法の有利な実施形態では、ベースケーシングとこのベースケーシングのキャビティ内に配置された少なくとも１つの半導体チップとを備えたオプトエレクトロニクス素子を製造するために、
（ａ）リードフレームの周囲にベースケーシングを形成する。その際にベースケーシング内へリードフレーム端子を案内するキャビティを設ける。
【００２１】
（ｂ）放射を放出または受信する少なくとも１つの半導体チップをキャビティ内に配置し、これについて電気コンタクトを形成する。
【００２２】
（ｃ）部分的に充填物質をキャビティ内に充填する。ここで充填物質の材料および量は、充填物質の材料と側壁の材料とのあいだの接着性により、下方から上方へ向かってほぼ円錐状にひろがる形状をとり、この円錐状の内面が放射用のリフレクタを形成するように選定される。
【００２３】
有利には、続いて次の方法ステップ（ｄ）で放射透過性、例えば透明のカプセル化物質がキャビティ内に充填され、キャビティ内の半導体チップが完全にカバーされる。
【００２４】
エポキシド樹脂とこれに含まれるＴｉＯ２成分とをベースとした充填物質の反射能は約８０％である。同じ構造であるが本発明のような充填物質をキャビティ内に有さず、半導体チップに対して透明なカプセル化物質のみを有する従来のオプトエレクトロニクス素子と比べると、本発明の充填物質では外部効率の２０％以上の向上を達成することができる。
【００２５】
【実施例】
本発明のオプトエレクトロニクス素子およびこの素子の製造方法の別の利点および有利な実施形態を図１、図２に示された実施例に則して以下に説明する。
【００２６】
２つの実施例では同じまたは類似の機能を有する素子には同じ参照番号を付してある。
【００２７】
図１のオプトエレクトロニクス素子１０では、キャビティ１８を備えたベースケーシング１２はリードフレーム１４を適切なプラスティック材料で包囲するように射出成型することにより構成されている。
【００２８】
キャビティ１８内には、リードフレーム１４上に電磁放射を放出および／または受信する半導体チップ２０、例えば発光ダイオードチップが存在している。このチップは少なくとも一部の放射をサイドエッジを介して放出および／または受信する。半導体チップ２０はボンディングワイヤ２２を介してリードフレーム１４の電気端子に接続されている。半導体チップ２０とキャビティ側壁２６とのあいだには反射性の充填物質２８が充填されており、この物質は例えばＴｉＯ２粒子を充填されたエポキシド樹脂である。ここで充填物質２８中のＴｉＯ２成分は充填物質の反射能を高めることのできる量であり、有利には充填物質２８中のＴｉＯ２成分は約１０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％である。二酸化チタン粒子、二酸化ジルコニウム粒子、酸化亜鉛粒子、硫酸バリウム粒子、窒化ガリウム粒子、および／またはこれらの粒子の組み合わせが、充填物質でエポキシド樹脂とともに使用されるのに適している。重要なのはエポキシド樹脂の屈折率とこれらの粒子の屈折率との差が充分に大きく、充填物質２８の反射能が高められるということである。
【００２９】
ベースケーシング１２のフロント面１２１へ向かう充填物質の表面３０は半導体チップ２０から見て凹状に湾曲しており、放出および／または受信される放射の少なくとも一部に対するリフレクタ面を形成している。これに代えてオプトエレクトロニクス素子１０のジオメトリまたは半導体チップの放出特性によっては半導体チップから見て凸形のリフレクタ面を構成することもできる。
【００３０】
半導体チップ２０に加えてこれとベースケーシング１２とのあいだに図示されていない別のチップ支持体基板を配置することもできる。チップ支持体基板の寸法はサイドエッジとキャビティ側壁２６とのあいだに充填物質２８を充填するためのトレンチが生じるように選定される。
【００３１】
キャビティ底面に対する充填物質の充填高さｈＦは、半導体チップの近傍では当該の半導体チップの底面から放出および／または受信を行う領域までの距離よりも小さい。いっぽうキャビティの側壁へ向かっては、充填高さｈＦは上述の距離を越えて大きくなる。
【００３２】
充填物質の上方に存在する半導体チップ２０の表面の露出領域は放射透過性のカプセル化物質３２によってカバーされる。このカプセル化物質は例えばエポキシド樹脂または他の適切な反応性樹脂から成る。
【００３３】
図２の実施例では、外部電気端子１４は例えばアルミニウムから成る支持体ボディ１６上に被着されている。キャビティ１８は同様に支持体ボディ１６上に配置されたプラスティックのケーシングフレーム１２０によって形成されている。
【００３４】
キャビティ内では、電磁放射を放出および／または受信する２つの半導体チップ２０、例えば２つの発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）がチップ支持体基板２４上に実装されている。このチップ支持体基板は例えばシリコンから成る。２つのＬＥＤチップはボンディングワイヤ２２を介して外部電気端子１４に導電接続されている。
【００３５】
図２の断面図から明らかなように、キャビティ１８の内面は第１の実施例と同様にほぼ円筒状である。つまりこのキャビティは底面からベースケーシング１２のフロント面へ向かってきわめて急峻に延在している。こうした急峻な側壁２６は無視できるほどの小さなリフレクタ作用しか有さない。
【００３６】
キャビティ側壁２６の急峻性を低減して底面をそのままにすると、チップおよび必要面積の寸法および個数によってチップ実装時およびコンタクト接続時に固定に設定されるキャビティの最小寸法が大きくなり、構造寸法が増大してしまう。これは多くのアプリケーションでスペース不足を引き起こすため回避すべきである。この問題も本発明によって解決される。
【００３７】
図２の実施例においても、キャビティ１８にはチップ支持体基板２４とキャビティ側壁２６とのあいだのトレンチの領域に充填物質２８が充填されている。この充填物質２８は図１に示された第１の実施例と同じ材料から成っている。
【００３８】
図２の断面図から明らかなように、充填物質２８の充填高さｈＦは、半導体チップ２０すなわちチップ支持体基板２４の近傍ではキャビティ側壁２６近傍でよりも格段に小さい。キャビティ側壁近傍では充填物質２８がほぼベースケーシング１２のフロント面１２１のエッジまで盛り上がる。このようにしてフロント面へ向かってほぼパラボラ状に開放した形状の充填物質２８の表面が得られる。この形状は、材料および充填物質２８の用量を適切に選択すれば、充填物質２８とケーシング１２０の材料とのあいだの接着力により自動的に生じる。半導体チップ２０から見ると凹形に湾曲した充填物質２８の内面３０は、半導体チップ２０の側方から放出および／または受信される放射のリフレクタとして用いられる。
【００３９】
ＴｉＯ２成分を含む充填物質２８の反射能は約８０％である。キャビティが透過性の充填物質のみで充填された他のオプトエレクトロニクス素子に比べて、本発明のオプトエレクトロニクス素子によれば、外部効率を２０％以上増大することができる。
【００４０】
半導体チップ２０を保護するために、キャビティ１８には放射透過性の例えば透明なカプセル化物質３２が充填される。このカプセル化物質は半導体チップ２０をカバーし、半導体チップ２０から放出および／または受信される放射を透過する。このカプセル化物質３２については、従来技術の素子で使用されている充填物質と同様の透明な樹脂、例えばエポキシド樹脂またはポリカーボネートを使用することができる。これは有利には充填物質２８の特性に適合化される（このことは図１の実施例にも当てはまる）。
【００４１】
ベースケーシング１２のキャビティ１８内に配置される半導体チップ２０の個数はもちろん１つまたは２つに限定されない。キャビティ内に２つ以上の半導体チップを実装することができる。またベースケーシング１２内には１つ以上のキャビティ１８を形成することができる。
【００４２】
第１の実施例または第２の実施例のオプトエレクトロニクス素子を製造するためには、まずキャビティ１８を備えたベースケーシング１２を形成し、次に半導体チップ２０をキャビティ１８内に実装し、これと外部電気端子１４とを導電接続する。続いて充填物質２８をキャビティ１８内に充填する。これは次の容量で行われる。すなわち
ｉ）キャビティ１８の底面に対する充填物質２８の充填高さｈＦが半導体チップ２０の近傍では当該の半導体チップの底面から放出および／または受信を行う領域までの距離よりも小さくなり、
ｉｉ）その表面が半導体チップ２０から見るとキャビティ側壁２６の個所で、充填物質２８の材料と側壁２６の材料とのあいだの接着性により盛り上がり、凹形に湾曲する
ように選定される。
【００４３】
このようにして放射に対するリフレクタとなる表面３０が形成される。
【００４４】
続いて放射透過性のカプセル化物質３２がキャビティ１８内に充填される。このカプセル化物質は少なくとも先行のステップの後になお露出している半導体チップ２０の表面をカバーする。
【００４５】
本発明を実施例に則して説明したが、もちろん本発明は上述の実施例のみに限定されるものではない。独立請求項１、１４に示されている本発明の概念は多数の実施態様として適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の概略的な断面図である。
【図２】第１の実施例の概略的な断面図である。
【符号の説明】
１０　オプトエレクトロニクス素子
１２　ベースケーシング
１２０　ケーシングフレーム
１２１　フロント面
１４　リードフレーム
１６　支持体ボディ
１８　キャビティ
２０　半導体チップ
２２　ボンディングワイヤ
２４　チップ支持体基板
２４１　サイドエッジ
２６　キャビティ側壁
２８　充填物質
３０　内面
３２　カプセル化物質

Claims (15)

  1. 少なくとも１つのキャビティ（１８）を有するベースケーシング（１２）およびキャビティ（１８）内に配置された少なくとも１つの電磁放射を放出および／または受信する半導体チップ（２０）を有しており、
    前記キャビティ（１８）がベースケーシング（１２）のフロント面（１２１）からベースケーシング（１２）内へ延在している
    オプトエレクトロニクス素子（１０）において、
    キャビティ（１８）内の半導体チップ（２０）とキャビティ側壁（２６）とのあいだに反射性の充填物質（２８）が配置されており、
    ベースケーシング（１２）のフロント面（１２１）へ向かう少なくとも１つの表面（３０）は半導体チップ（２０）から見て凹面鏡状すなわち凹形に湾曲しており、一部の放射に対するリフレクタ面を形成している
    ことを特徴とするオプトエレクトロニクス素子。
  2. 半導体チップ（２０）とベースケーシング（１２）とのあいだにチップ支持体基板（２４）が配置されており、該基板の寸法はサイドエッジ（２４１）とキャビティ側壁（２６）とのあいだに充填物質（２８）を収容するためのトレンチが形成されるように選定されている、請求項１記載の素子。
  3. キャビティ（１８）の底面に対する充填物質（２８）の充填高さｈＦは、半導体チップ（２０）の近傍では当該の半導体チップの底面から放出および／または受信を行う領域までの距離よりも小さく、キャビティ側壁へ向かって前記距離を越えて大きくなる、請求項１または２記載の素子。
  4. 充填物質（２８）の材料の一部の粒子は残りの材料よりも高い屈折率を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の素子。
  5. 充填物質（２８）はエポキシド樹脂と該樹脂よりも高い屈折率を有する粒子とを有する、請求項４記載の素子。
  6. 充填物質（２８）中の粒子は二酸化チタン粒子、二酸化ジルコニウム粒子、酸化亜鉛粒子、硫酸バリウム粒子、窒化ガリウム粒子、および／またはこれらの粒子の組み合わせである、請求項４または５記載の素子。
  7. 充填物質（２８）中の粒子の成分量は充填物質の反射性が高まるように選定されている、請求項６記載の素子。
  8. 充填物質（２８）中の二酸化チタン粒子の成分量は約１０Ｖｏｌ％〜５０Ｖｏｌ％である、請求項６または７記載の素子。
  9. 半導体チップ（２０）は放射透過性のカプセル化物質（３２）によって少なくとも部分的にカプセル化されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の素子。
  10. ベースケーシング（１２）は支持体ボディ（１６）を有しており、該ボディにはキャビティ（１８）を形成するケーシングフレーム（１２０）と、キャビティ（１８）内に達する半導体チップ（２０）用の外部電気端子（１４）とが配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の素子。
  11. 支持体ボディ（１６）およびチップ支持体基板（２４）は良好な熱伝導性を有する材料から成型されている、請求項２から１０までのいずれか１項記載の素子。
  12. 支持体ボディ（１６）は主として金属材料を有している、請求項９記載の素子。
  13. チップ支持体基板（２４）は主としてシリコンを有している、請求項１１または１２記載の素子。
  14. （ａ）キャビティ（１８）を備えたベースケーシング（１２）を形成するステップと、
    （ｂ）半導体チップ（２０）をキャビティ（１８）内に配置するステップと、
    （ｃ）充填物質（２８）をキャビティ（１８）内に充填するステップとを有する請求項１から１３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子（１０）の製造方法において、
    キャビティ（１８）の底面に対する充填物質（２８）の充填高さｈＦが半導体チップ（２０）の近傍では当該の半導体チップの底面から放出および／または受信を行う領域までの距離よりも小さくなり、表面が半導体チップ（２０）から見るとキャビティ側壁（２６）へ向かって充填物質（２８）の材料と側壁（２６）の材料とのあいだの接着性により凹状に湾曲して放射用のリフレクタを形成するように、充填物質（２８）の材料および量を選定する
    ことを特徴とするオプトエレクトロニクス素子の製造方法。
  15. 充填物質（２８）の充填後に放射透過性のカプセル化物質（３２）をキャビティ（１８）内に充填し、先行のステップを経てなお露出している半導体チップ（２０）の表面を少なくともカバーする、請求項１４記載の方法。
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