JP2011223040A - 光電モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子と光学的な装置との間の光学的な接続が一層改善された冒頭に述べた形式の光電モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】放射結合面と光学的な装置との間のギャップに、放射透過性の、変形可能な材料から成っている接続層が配置されており、ここで光学的な装置および半導体素子は、これらが互いの方に向かって圧縮されるように相対的に相互に固定されておりかつこれにより接続層は、該接続層が光学的な装置および放射出力結合面を離れる方向に押そうとする力を生成するように押し潰されている。
【選択図】図２

Description

本発明は独立請求項の上位概念に記載の光電モジュール並びに光電モジュールの製造方法に関する。

本特許願いはドイツ連邦共和国特許出願１０３６１６５０．０号の優先権を主張し、その開示内容はこれを以てここに取り込まれる。

電磁放射の放出または検出のための半導体素子を備えている数多くの用途においてこの電磁放射を成形するための付加的な光学的な装置が使用される。その際半導体素子と光学的な装置との間の反射に基づいて放射強度に著しい損失が発生することがままある。このことは殊に、半導体素子と光学的な装置との間の境界面での反射に関する。

この形式の反射を大幅に回避するために、光学的な装置を半導体素子に光学的にできるだけ良好に接続することが重要であり、そのために殊に、光路に大きな屈折率変化が生じるのを回避しなければならない。このために相応に整合された屈折率を有するゲルを使用し、ゲルを用いて半導体素子と光学的な装置との間の光路内の中間空間が充填されるようにすることが公知である。

この形式のゲルの使用の際の欠点は、ゲルを供給するための特別な調量装置を使用した場合特別な製造技術が必要であり、このために著しい技術的な付加コストが必要になってくることである。さらに、ゲルは容易に非可逆的に変形可能であり、従って震動のような素子の機械的な負荷が生じる可能性がある数多くの非スタチックな用途に対しては制限されてしか適していない。

本発明の課題は、半導体素子と光学的な装置との間の光学的な接続が一層改善された冒頭に述べた形式の光電モジュールを提供することである。さらにこの形式の光電モジュールの製造のための簡単にしてかつコスト面で有利な方法を提供したい。

この課題は、独立請求項に記載の光電モジュールもしくは方法によって解決される。本発明の有利な発展形態および実施形態は従属請求項の対象である。

本発明によれば、冒頭に述べた形式の光電モジュールにおいて、放射結合面と光学的な装置との間に、放射透過性の、変形可能な材料から成っている接続層が配置されている。光学的な装置および半導体素子は、これらが互いの方に向かって圧縮されるように相対的に相互に固定されておりかつこれにより接続層は、該接続層が光学的な装置および放射出力結合面を離れる方向に押そうとする力を生成するように押し潰されている。

「放射結合面」とは、放射出力結合面（出射面）および／または放射入力結合面（入射面）の謂いであり、すなわち半導体素子から放射が出力結合されるまたは半導体素子に放射が入力結合される半導体素子面のことである。

「互いの方に向かって圧縮される」とは、本発明の関連において、光学的な装置および半導体素子が接続層の力に抗して、固定装置によって持続的に互いの方に向かって圧縮されている状態に保持されており、これにより接続層に変形力が作用することを意味している。

接続層の力は変形力に抗する。変形力が取り除かれると、すなわち光学的な装置および半導体素子相互の相対的な固定が除かれると、接続層の力の作用により、光学的な装置および半導体素子が離れていく方向に押し付けられる。

接続層は、これにより生成される力によって、接続層と該層に接している面との間のギャップの形成が大幅に回避されるように実現されている。このことは殊に、モジュールの全体の作動温度領域に対しても例えば震動のようなものまたは遠心力のような、接続層への付加的な変形力の作用に対しても当てはまる。

従って接続層は殊に、従来のゲルより高い頑丈さを有しかつ光電モジュールの全体の作動温度領域にわたって流れ出るおそれがない材料から成っている。

本発明により、例えば温度変動の発生時に異なっている膨張係数の半導体素子および光学的な装置の材料と組み合わされて発生する可能性がある、半導体素子と光学的な装置との間の間隔の変動を効果的に補償することができる。例えば間隔が拡がると一緒に圧縮されている接続層は膨張し、従って半導体素子と放射結合面との間にエアギャップが形成されるリスクは低減される。

光学的な装置は、半導体素子から放出されるまたは半導体素子によって受け取られる電磁放射を少なくとも部分的に偏向するという目的を有している。これは例えば電磁放射の円錐ローブを縮めるまたは拡幅するためのレンズであってよく、または例えばプリズムであってもよい。

光電モジュールの有利な実施形態において接続層は３０μｍ、有利には１００μｍの最小厚さを有している。特別有利には接続層は１５０μｍより大きいまたは１５０μｍに等しくかつ３５０μｍより小さいまたは３５０μｍに等しい厚さを有している。半導体素子および光学的な装置が、これらの間にエアギャップが生じずかつ接続層が十分強い力を生成するように接続層に対して押しつけられるようにすることができかつ間隔変動および膨張差をできるだけ申し分なく補償することができるようにするために、この形式の厚さが有利である。

接続層は有利にはラッカ、特別有利には基板ラッカを有しており、その際「基板ラッカ」とはプリント配線板に対する保護ラッカとして適しているラッカと見ることができる。ゲルを使用した場合と異なって、適当な基板ラッカを使用すればラッカ塗布の標準プロセスを使用することができ、これにより製造の手間並びに製造コストが著しく低減される。

別の有利な実施形態において支持体エレメントの表面は少なくとも部分的に、外部の影響から保護するために、接続層においても含まれている材料によって成膜されている。有利にはこのために適当な基板ラッカを使用することができ、すなわち基板ラッカは支持体エレメントの上表面にも半導体素子と光学的な装置との間にも被着されている。これによりコストを節約することができるが、１つの材料層により２つの機能が充足されるからである。

接続層の屈折率はモジュールの特別有利な実施形態において、半導体素子の、該接続層に接している材料の屈折率および／または光学的な装置の、該接続層に接している材料の屈折率に整合されている。

光学的な装置は有利には屈折および／または反射性エレメントを有している。

特別有利には半導体素子は発光ダイオード素子である。これは有利な実施形態において表面実装可能な半導体素子である。

冒頭に述べた形式の方法において本発明によれば、光学的な装置のマウントの前に硬化可能なおよび硬化状態において放射透過でかつ変形可能な化合物が少なくとも、半導体素子の放射結合面の上に塗布される。次いで、塗布された化合物は少なくとも部分的に硬化されるまたは硬化される状態に置かれる。光学的な装置および半導体素子は続く工程において、相対的に相互に固定されて、該光学的な装置および半導体素子が互いの方に向かって圧縮されかつこれにより接続層は、該接続層が光学的な装置および放射出力結合面が互いに離れる方向に押される作用する力を生成するように押し潰されているようにされる。

「互いの方に向かって圧縮される」という表現に関しては、方法との関連においても、光電モジュールと関連して上に説明したことが当てはまる。同じことは変形可能な化合物の対象にも当てはまる。

化合物は有利には少なくとも３０μｍ、有利には少なくとも１００μｍの最小厚さを有している層の形態において設けられる。特別有利には、化合物は１５０μｍより大きいまたは１５０μｍに等しくかつ３５０μｍより小さいまたは３５０μｍに等しい厚さを有している層の形態において設けられる。

化合物は特別有利にはラッカ、特別有利には硬化した状態において変形可能である、例えばほぼエラスチックに変形可能である基板ラッカから構成される。冒頭で既に説明したように、ラッカ、殊に基板ラッカはゲルに比べて大幅にコスト面で有利にかつ著しく僅かな手間で被着される。

方法の特別有利な実施形態において外部の影響から保護するための化合物が、少なくとも支持体エレメントの表面の部分に設けられる。このことはラッカによって、殊に基板ラッカによって特別有利に実現される。

化合物の、放射結合面および支持体エレメントの表面への塗布は特別有利には単一の工程において行われる。

本発明の実施例の方法の１段階での光電モジュールの断面の一部の略図 光電モジュールの１実施例の断面の一部の略図

本発明の別の特徴、利点および合目的性は図１および図２と関連して以下に説明する実施例から明らかである。その際：
図１は本発明の実施例の方法の１段階での光電モジュールの断面の一部を略示し、
図２は光電モジュールの実施例の断面の一部を略示している。

実施例および各図において同じまたは同じ作用をする構成部分にはそれぞれ同じ参照番号が付されている。各図の図示のエレメントは縮尺通りではなく、理解しやすくするために部分的に誇張して大きく図示されてすらいる。

図１に部分的に図示されている光電モジュールは支持体エレメント１を有しており、該支持体エレメントに半導体素子２が設けられている。支持体エレメントは電気的な接続電極４１，４２を有しており、該電極に半導体素子２がそれぞれはんだ１５を用いてケーシング接続線路１７，１８と導電接続されている。

半導体素子は例えば光を放出する素子である。それはケーシング基体１１を有し、そこに発光ダイオードチップ１０が、その電気的な接続側がケーシング接続線路１７，１８と導電接続されているようにマウントされている。例えば発光ダイオードチップ１０の裏面は第１のケーシング接続線路１７にはんだ付けされておりかつ表の面はボンディングワイヤ１３を用いて第２のケーシング接続線路１８に導電接続されている。発光ダイオードチップ１０は鋳型成形材１４によって鋳込まれており、ケーシングとは反対側の外面は放射結合面１６を形成し、ここを介して半導体素子２が作動されると該半導体素子から生成される光が出力結合されるようになっている。

択一選択的に、半導体素子２は例えば電磁放射に対する検出器であってもよい。この場合半導体素子２に入射する電磁放射は相応に放射結合面１６において半導体素子２に入力結合される。

この形式の半導体素子は当業者には一般に公知であり、それ故にここでは詳細に説明しない。

光電モジュールは電磁放射を放出するまたは検出するためのこの形式の半導体素子２の１つだけを有していてもよく、複数個を有していてもよい。その他に、別の、例えば抵抗、コンデンサおよび／またはインダクタンスのような他の形式の素子も支持体エレメント１に設けられているおよび／またはこれに導電接続されていることができる。

支持体エレメント１の表面の部分にも並びに半導体素子２の放射結合面１６にも、放射透過性の、層もしくは膜の形の変形可能な成形材が被着されている。

支持体の表面においてこの膜は保護膜７として用いられ、その場合この種の膜は上述した別の形式の素子が存在していればそれらの上にも被着されていてよい。それは支持体の表面および場合によっては別の形式の素子を外部の影響から保護する。

半導体素子２の表面においてこの層は接続層として用いられ、これを用いて半導体素子および、放射結合面１６の上に配置される光学的な装置３（図２参照）が光学的に相互に接続されるようにすることができる。

保護層７および接続層６は例えば、同じ材料、例えば適当な基板ラッカから成っており、かつ例えば両方とも単一の工程において擬着される。これにより例えば基板ラッカの標準プロセスにより有利にもたいした付加コストをかけずに保護層７と並んで同時に接続層６も生成される。

適当な基板ラッカは放射透過性であり、硬化された状態において変形可能でありかつさらに有利には十分厚い層において被着される。その際接続層が変形し、かつ光学的なエレメント３と接続層との間にエアギャップが生じないように光学的な素子３が接続層６に対して押し付けられるようにするに足る厚さである。

接続層は例えば１００μｍの厚さを有しかつ例えばシリコーンラッカら成っている。このために適しているのは例えば、Lackwerke Peters GmbH & Co KG 社の圧膜ラッカＤＳＬ１７０６ＦＬＺである。これはポリオルガノシロキサンをベースとしておりかつ室温において迅速な縮合架橋を有している。

半導体素子２および光学的な装置３の申し分ない光学的な接続のために、接続層６の材料の屈折率は注型成形材１４および光学的な装置３の屈折率にほぼ整合されている、すなわち接続層６の材料の屈折率は注型成形材１４および光学的な装置３の屈折率と大体同じであるか、または注型成形材１４および光学的な装置３の屈折率が相互に著しく相異しているとき接続層６の材料の屈折率はこれらの屈折率の間にある。

接続層６が硬化した後で光学的な装置３は、接続層６が押し潰されて封止されるように、半導体素子２の放射結合面１６上にマウントされる。このために支持体エレメント１は例えば、支持体エレメント１の主要延在レベルに対して垂直に突出している２つまたはそれ以上の数の、ねじを備えているマウントロッド８を有している。

光学的な装置３は例えば、孔が形成されている延長部を側方に持っている光学的な凸レンズである。光学的な装置３はナット９を用いて固定され、その結果光学的な装置は接続層に対して押圧されている。このことは図では光学的な装置における矢印によって示されている。これにより、接続層は圧縮されもしくは押し潰された状態になる。変形された状態において接続層６はさらに、主延在レベルにおいて多少拡がる方向に圧縮されている（図１と図２との比較参照）。

光学的な装置は図２に図示のレンズとは択一的に、屈折および／または反射エレメントを有していることができる。

さらに、接続層６を、光学的な装置３の、半導体素子の方の側２０にも被着しかつ光学的な装置を接続層６と一緒に放射結合１６の上にマウントすることが可能である。しかし、接続層６をまず、放射結合面１６の上に被着しかつ続いて最初に、光学的な装置３を接続層６の上にマウントすると有利である。

接続層６と放射結合面１６または光学的な装置３との間に、さらに別のエレメントが配置されていてよく、すなわち接続層は必ずしも、放射結合面１６または光学的な装置３に直接つながっている必要はない。

本発明の保護範囲は実施例に基づいた本発明の説明によって制限されるものではない。むしろ本発明はいずれの新しい特徴並びに特徴のいずれの組み合わせを有しており、このことは殊に、これら組み合わせが特許請求の範囲に明示的に示されていなくとも、特許請求の範囲の請求項におけるいずれの組み合わせも包含するものである。

１ 支持体エレメント、 ２ 半導体素子、 １０ 発光ダイオードチップ、 １１ ケーシング基体、 １４ 整形材、 １５ はんだ、 １６ 放射結合面、 １７，１８ ケーシング接続線路、 ４１，４２ 接続電極

Claims (15)

1. − 電気的な接続電極および電気的な線路を有している支持体エレメントを有し、
   − 該支持体エレメントに設けられておりかつ該支持体エレメントの接続電極に電気的に接続されている少なくとも１つの半導体素子を有し、該半導体素子は電磁放射を放出するまたは検出するためのものであって、放射結合面を有しており、かつ
   − 半導体素子に対して設けられている少なくとも１つの光学的な装置を有している
   光電モジュールにおいて、
   放射結合面と光学的な装置との間のギャップに、放射透過性の、変形可能な材料から成っている接続層が配置されており、ここで光学的な装置および半導体素子は、これらが互いの方に向かって圧縮されるように相対的に相互に固定されておりかつこれにより接続層は、該接続層が光学的な装置および放射出力結合面を離れる方向に押そうとする力を生成するように押し潰されている
   ことを特徴とする光電モジュール。
2. 接続層は少なくとも３０μｍ、有利には少なくとも１００μｍの厚さを有している
   請求項１記載の光電モジュール。
3. 接続層は１５０μｍより大きいまたは１５０μｍに等しくかつ３５０μｍより小さいまたは３５０μｍに等しい厚さを有している
   請求項２記載の光電モジュール。
4. 接続層はラッカ、有利には硬化した状態において変形可能である基板ラッカを有している
   請求項１から３までのいずれか１項記載の光電モジュール。
5. 支持体エレメントの表面は少なくとも部分的に、外部の影響から保護するために、接続層においても含まれている材料によって塗膜されている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の光電モジュール。
6. 接続層の屈折率は、半導体素子の、該接続層に接している材料の屈折率および／または光学的な装置の、該接続層に接している材料の屈折率に整合されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の光電モジュール。
7. 光学的な装置は屈折および／または反射性エレメントを有している
   請求項１から６までのいずれか１項記載の光電モジュール。
8. 半導体素子は発光ダイオード素子である
   請求項１から７までのいずれか１項記載の光電モジュール。
9. 半導体素子は表面実装可能な素子である
   請求項１から８までのいずれか１項記載の光電モジュール。
10. 光電モジュールを少なくとも次の工程により製造するための方法であって：
    − 電気的な接続電極および電気的な線路を有している支持体エレメントと、
    − 放射結合面を有している、電磁放射を放出するまたは検出するための半導体素子と、かつ
    − 光学的な装置と
    − を用意し、
    − 半導体素子を支持体エレメントに設けかつ半導体素子を接続電極に電気的に接続し、かつ
    − 光学的な装置を半導体素子の放射結合面の上にマウントする
    方法において、
    − 光学的な装置のマウントの前に、硬化可能および硬化状態において放射透過でかつ変形可能な化合物を少なくとも、半導体素子の放射結合面の上に塗布し、
    − 該塗布された化合物を少なくとも部分的に硬化させまたは硬化させる状態に放置し、かつ
    − 光学的な装置および半導体素子を相対的に相互に固定して、該光学的な装置および半導体素子が互いの方に向かって圧縮されかつこれにより接続層は、該接続層が光学的な装置および放射出力結合面を離れる方向に圧縮しようとする力を生成するように押し潰されているようにする
    ことを特徴とする方法。
11. 化合物を少なくとも３０μｍ、有利には少なくとも１００μｍの厚さを有している層の形態で設ける
    請求項１０記載の方法。
12. 化合物を１５０μｍより大きいまたは１５０μｍに等しくかつ３５０μｍより小さいまたは３５０μｍに等しい厚さを有している層の形態で設ける
    請求項１１記載の方法。
13. 化合物はラッカ、有利には硬化した状態において変形可能である基板ラッカから構成される
    請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 外部の影響から保護するための化合物を、少なくとも支持体エレメントの表面の部分に塗布する
    請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 化合物の、放射結合面および支持体エレメントの表面への塗布を単一の工程において行う
    請求項１４記載の方法。

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