JP5705304B2 - オプトエレクトロニクスデバイスおよびオプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスデバイスおよびオプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法に関する。

オプトエレクトロニクスデバイスでは、放射されたビームが、所望の用途に応じて取り出される。ここで重要なのは、オプトエレクトロニクスデバイスによって散乱光が放出されるか否か、またはビームが１つの方向に配向されるべきか否かである。多くの用途では、ビームをできるだけフォーカシングして、１つの方向に放出することが重要である。これは例えば、自動車の投光器やフラッシュ等の放射器で重要である。光導波路（ＬＷＬ）内に放射ビームを入力する際にも、ビームの正確なフォーカシングが望ましい。これによって散乱または吸収による損失が回避される。

本発明の課題は、良好に区画された光円錐がオプトエレクトロニクスデバイスの取り出し面から放出されて、放出が有利な主方向で行われる、オプトエレクトロニクスデバイスないしはオプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法を提供することである。

上述の課題は、請求項１に記載されたオプトエレクトロニクスデバイス並びに、請求項１３に記載された、オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法によって解決される。

オプトエレクトロニクスデバイスの発展形態および有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

例示的な実施形態
オプトエレクトロニクスデバイスの種々の実施形態は、オプトエレクトロニクス半導体チップを有している。これは、接触面と、この接触面に対向しているビーム取り出し面とを有している。オプトエレクトロニクスデバイスはチップ担体を有しており、このチップ担体上には半導体チップが、自身のコンタクト面を介して被着されている。半導体チップのこのビーム取り出し面上には、ビーム変換部材が被着されている。チップ担体上にはさらに、注封材料が被着されている。この注封材料は、半導体チップおよびビーム変換部材を側方で包囲している。注封材料は反射性の注封材料である。これは実質的に、ビーム変換部材の上方縁部と同一平面を成している。従って、ビーム変換部材の上面には、注封材料が設けられていない。

半導体チップもビーム変換部材も側方で完全に反射性の注封材料によって包囲されている。これによって光は、ビーム変換部材の上面を介してのみ半導体チップから出射することができる。その他では半導体チップもビーム変換部材も、側方で注封材料によって包囲されている。また後方にはチップ担体が設けられており、チップ担体と注封材料によって散乱光が半導体チップ内ないしはビーム変換部材内に反射して戻される。ここでこの散乱光はビーム変換部材の上面を介して取り出される。これによって実質的に、ビーム変換部材の上面に対して垂直に延在するビーム取り出し方向が定められる。散乱ビームはビーム変換部材内に戻され、上面を介して取り出される。従って、全体として、オプトエレクトロニクスデバイスの高い効率が得られる。

これに加えて、半導体チップおよびビーム変換部材が側方で注封材料によって包囲されていることによって、さらなるケーシングを設ける必要がなくなる。半導体チップおよびコンタクト面上に設けられている接続部材（例えば接着材またははんだ付け材料）が環境影響、殊に大気または湿気との接触から、既に、注封材料によって充分に保護される。

別の利点は、ビーム変換部材の上面と注封材料との間の同一平面の終端によって得られる。オプトエレクトロニクスデバイスを容易に光学素子、例えば光導波路に取り付けることができる。なぜなら、これは上方に完全に平らな表面を有しているからである。つまり、良好に区画された移行部を、ビーム変換部材の上面の形態の取り出し面と、注封材料の形態の反射性の周辺領域との間に有しており、動作時に、良好に区画された光円錐がオプトエレクトロニクスデバイスの取り出し面から放出されるオプトエレクトロニクスデバイスが提供される。光導波路の入力面を、オプトエレクトロニクスデバイスの発光面の極めて近くに持ってくることができる。

換言すれば、反射性の注封材料によって、側方反射器が提供される。これは半導体チップだけでなく、ビーム変換部材も包囲している。側面が完全に覆われていることによって、ビームは、オプトエレクトロニクスデバイスから、制限された空間角度で、ビーム変換部材の表面の垂線に対向する方向で取り出される。チップ担体等での側方における散乱または吸収による損失はほぼ回避される。

種々の実施形態において、半導体チップは、チップ担体を介して電気的に接触接続されている。ここで、例えばフリップチップの形態であるこの半導体チップは、ｐコンタクトもｎコンタクトも、自身のコンタクト面上に有している。従って２つのコンタクトは、直接的に、チップ担体に接続される。これによって有利には、コンタクトをビーム取り出し面上に有していないオプトエレクトロニクスデバイスが提供される。従って、コンタクト部材または電気的な接続部によって暗くされることがなくなる。

種々の実施形態において、半導体チップは、自身のビーム取り出し面を介して電気的に接触接続されている。これは例えば、少なくとも１つのコンタクト、例えばｎコンタクトがビーム取り出し面上に設けられている発光ダイオードの場合である。

種々の実施形態では、ビーム取り出し面上の電気的なコンタクトが、導体接続部を介して電気的にチップ担体と接触接続されている。従って、オプトエレクトロニクスデバイスのケーシング後に、接続コンタクトは、チップ担体にのみ設けられている。

種々の実施形態において、導体接続部は注封材料内に埋設されている。従って、導体接続部を腐食等から保護するために、さらなるケーシングまたは保護部材を設ける必要がなくなる。

種々の実施形態において、導体接続部はボンディングワイヤーを有している。これによって、オプトエレクトロニクスデバイスに関連して既知の接触接続方法を用いることが可能になる。

種々の実施形態において、ビーム取り出し面上のボンディングワイヤーの垂直延在部は、ビーム取り出し面上のビーム変換部材の高さよりも低い。これによってボンディングワイヤーはあらゆる場合において、注封材料によって覆われる。なぜなら、注封材料はビーム変換部材の上方縁部と同一平面を成しているからである。ここでも、ボンディングワイヤーを保護するためのさらなるケーシングが省かれる。さらにこのようにして、オプトエレクトロニクスデバイスの高さを低減することができる。オプトエレクトロニクスデバイスの高さは単に、チップ担体の高さ、半導体チップの高さ、およびビーム変換部材の高さによって決まる。特別な技術、例えばスルーホールを用いることなく、オプトエレクトロニクスデバイスを格段に小さくすることかできる。

種々の実施形態では、ビーム取り出し面上のボンディングワイヤーの垂直延在部は、２０〜２００μｍのオーダーにあり、例えば４０μｍである。

種々の実施形態において、注封材料はマトリクス材料、例えばシリコーンまたはエポキシ樹脂を有している。ここで、シリコーンの使用は特に有利である。なぜなら、シリコーンは容易に処理可能であり、シリコーンによって、半導体チップによって放射されたビームは妨害されないからである。

種々の実施形態において、注封材料は分散された散乱粒子を有している。この散乱粒子によって、注封材料は反射性の注封材料になる。例えば散乱粒子は二酸化チタンを有している。別の散乱粒子、例えば酸化アルミニウムを含有する散乱粒子も可能である。

種々の実施形態において、ビーム変換部材上に光学素子、例えばレンズまた光導波路が設けられている。この光学素子は、オプトエレクトロニクスデバイスの平らな表面上に極めて容易に被着および固定される。

オプトエレクトロニクスデバイスの製造方法の種々の実施形態では、注封材料は、注入によって入れられる。ここで、注封材料を例えば圧縮成形によって入れることができる。これは殊に、注封材料を、チップ担体内に設けられている開口部を通じて入れることによって行われる。

オプトエレクトロニクスデバイスおよびこの種のオプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法の種々の実施例を以下で、図面に基づいて詳細に説明する。図面では、参照番号の最初の数字が、この参照番号が初め使用いられた図面を表している。全ての図面において同じ参照番号が同様の、または同じ作用を有する部材ないしは特性に使用される。

オプトエレクトロニクスデバイスの第１の実施例の概略的な横断面図 オプトエレクトロニクスデバイスの第２の実施例の概略的な横断面図 オプトエレクトロニクスデバイスの第３の実施例の概略的な横断面図 オプトエレクトロニクスデバイスの第４の実施例の概略的な横断面図 オプトエレクトロニクスデバイスの製造方法の第１の実施例の概略図 オプトエレクトロニクスデバイスの製造方法の第２の実施例の概略図

オプトエレクトロニクスデバイスの実施例
図１は、オプトエレクトロニクスデバイスの第１の実施例の概略的な横断面図を示している。オプトエレクトロニクスデバイス１００はチップ担体１０２を有している。このチップ担体はここでセラミック担体または半導体担体であり得る。このチップ担体の上には、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４が被着されている。このオプトエレクトロニクス半導体チップ１０４は、発光ダイオードまたは、ビームを放射するまたは吸収する他の光学素子である。オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４は、例えば薄膜方法によって製造される。オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４は、コンタクト面１０６を有している。このコンタクト面でもってオプトエレクトロニクス半導体チップ１０４はチップ担体１０２上に被着されており、このコンタクト面上にオプトエレクトロニクス半導体チップ１０４は少なくとも１つの電気的なコンタクトを有している。ここでこのコンタクト面上のさらなる電気的なコンタクトもチップ担体に接続させることが可能である。

コンタクト面１０６に対向する面に、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４はビーム取り出し面１０８を有している。このビーム取り出し面１０８を介して、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４内で形成されたビームが取り出される。形成されたビームをできるだけ効率的に取り出すために、チップ担体１０２は例えば、反射性の表面を、コンタクト面１０６の領域内に有している。

ビーム取り出し面１０８には、ビーム変換部材１１０が被着されている。このビーム変換部材１１０は、通常、蛍光を発する材料を有している。この材料内に、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４によって放射されたビームが少なくとも部分的に吸収される。このビームは、ビーム変換部材１１０内への蛍光を発する接合部を励起する。この結果、ビーム変換部材１１０から第２のビームが放射される。この第２のビームの波長は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４からのビームの波長とは異なる。このようにして、オプトエレクトロニクスデバイス１００は、幅広い周波数スペクトルにわたってビームを放射する。

チップ担体１０２上には、注封材料１１２が被着されている。この注封材料１１２はオプトエレクトロニクス半導体チップ１０４とビーム変換部材１１０とを側方で完全に包囲している。注封材料１１２はここで、ビーム変換部材１１０の上方縁部にまで達する。すなわち注封材料１１２は、この上方縁部と同一平面を成している。注封材料１１２は典型的にマトリクス材料を有している。これは例えばシリコーンまたはエポキシ樹脂である。マトリクス材料内には散乱粒子が分散されている。散乱粒子は典型的に二酸化チタン粒子または酸化アルミニウム粒子である。オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４およびビーム変換部材１１０の側面は、注封材料１１２によって包囲されているので、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４またはビーム変換部材１１０の側方から放射された散乱ビームは反射して戻され、理想的には再びビーム変換部材１１０に達する。このビーム変換部材によって、散乱ビームは上面を介して取り出される。このようにして、ビームは、ビーム変換部材１１０の上面を介してのみ取り出され、シャープにフォーカシングされる。すなわち良好に区画された移行部が、ビーム変換部材１１０の上面によって表されている取り出し面と、注封材料１１２の縁部領域との間で得られる。従って、良好に区画された光円錐が、オプトエレクトロニクスデバイスの取り出し面から放出される。

注封材料１１２は、ビーム変換部材１１０の上面と同一平面を成しているので、オプトエレクトロニクスデバイス１００は特に平坦な表面を有している。付加的に、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４は完全にビーム変換部材１１０、チップ担体１１２および注封材料１１２によって包囲されている。従って、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４を保護するために、さらなるケーシングを設ける必要はない。従って全体的に、オプトエレクトロニクスデバイスを容易に製造することができる。これは、電子半導体チップ１０４からのビーム取り出しを形成する、またはオプトエレクトロニクス半導体チップ１０４を保護する特別なケーシングを設けるための事前に対策を講じる必要なく、さらなる使用に適している。

図２は、オプトエレクトロニクスデバイスの第２の実施例の横断面の概略図を示している。オプトエレクトロニクスデバイス２００はここで第１の実施例のオプトエレクトロニクスデバイス１００と、ビーム変換部材１１０が特別な形状を有している、という点で異なっている。ここで、ビーム変換部材１１０にはストップエッジ２０２が設けられている。このストップエッジは、オプトエレクトロニクスデバイス２００の製造時に、注封材料１１２を注ぐ際の側方の濡れに対する境界を形成するために用いられる。従って注封材料１１２は、ビーム変換部材１１０の上面と同一平面を成す。

図示された第２の実施例では、ビーム変換部材１１０は円錐状の、すなわち台状の形状を有している。従ってストップエッジ２０２は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４の表面から離れるように延在し、濡れ境界としての機能の他に、反射器の機能を満たしている。ストップエッジ２０２はここで、図示されているように、線形に延在することができる。同様に、ストップエッジ２０２の別の延在が存在していてもよい。これは例えば凹または凸状の延在である。

オプトエレクトロニクスデバイス２００は殊に、ストップエッジ２０２の形状によって、取り出されるビームのビーム経過がフォーカシングされ、ビーム変換部材１１０の表面の垂線の方向において延在する、という特性を示す。

図３は、オプトエレクトロニクスデバイスの第３の実施例の横断面の概略図を示している。オプトエレクトロニクスデバイス３００はここで第１の実施例のオプトエレクトロニクスデバイス１００と、導体接続部３０２が設けられている、という点で異なっている。この導体接続部によって、チップ担体１０２へのビーム取り出し面１０８上の接触接続が形成される。導体接続部３０２はここで殊にボンディングワイヤーであり、その垂直延在部３０４は、ビーム取り出し面１０８上のビーム変換部材の高さを超えない。これによって、導体接続部３０２が完全に注封材料１１２によって包囲されることが保証される。垂直延在部３０４の典型的な大きさは、２０〜２００μｍのオーダーにあり、殊に４０μｍである。

図４は、オプトエレクトロニクスデバイスの第４の実施例の横断面の概略図を示している。オプトエレクトロニクスデバイス４００はここで第３の実施例のオプトエレクトロニクスデバイス３００と、ビーム変換部材上に、すなわち自身の表面上に直接、レンズの形態の光学素子４０２が被着されている、という点で異なっている。従って、取り出されたビームのさらなるビーム形成が行われる。光学素子４０２は、図４に示されているように、レンズであってよい。同様に、光学素子が光導波路であってもよい。従って、オプトエレクトロニクス半導体チップ１０４内で形成されたビームは完全に、光導波路内に入れられる。

オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法の実施例
図５ａおよび図５ｂは、オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法の第１の実施例の概略図を示している。ここで、図５ａに示されているように、まずはチップ担体１０２が準備される。このチップ担体上には既に第１のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０２と第２のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０４とが被着されている。第１のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０２と第２のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０４とは、例えばアタッチメントによって、またはウェハレベルボンディングによって、チップ担体１０２上に固定される。第１のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０２と第２のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０４の上に、それぞれ１つのビーム変換部材が被着されている。理想的にはこのビーム変換部材は、図２に関連して説明したように、ストップエッジを有している。図を見やすくするために、図５ａおよび後続の図５ｂにおいてストップエッジの表示は省かれている。

半導体チップをチップ担体１０２上に提供した後、チップ担体１０２全体が、注封材料１１２によって充填される。従って、半導体チップ５０２および５０４および注封材料１１２から成るマトリクスが生じる。これは図５ｂに示されている。このマトリクスは、例えば、自動車の投光器またはフラッシュまたは別の用途に対する発光モジュールとして使用される。しかし同様に、注封材料１１２によって充填した後に、オプトエレクトロニクス半導体チップ５０２と５０４とを別個にすることが可能である。これによって、例えば図１〜４に示されているような、個々のオプトエレクトロニクスデバイスが生じる。

この方法は特に容易な方法である。しかしここでは、注封材料１１２がビーム変換部材の上面と同一平面を成すことが保証されなければならない。これは、ビーム変換部材が、図２に示されているようなストップエッジを有することによって、特に有利に実現される。

図６ａ〜図６ｄは、オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法の第２の実施例の概略図を示している。この方法は、いわゆる圧縮成形（compression molding）を用いている。このために、図６ａに示されているように、チップ担体１０２が準備される。この上には第１のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０２と第２のオプトエレクトロニクス半導体チップ５０４とが、図５ａに関して示された方法と同様に、被着されている。チップ担体１０２は、開口部６００を有している。これはチップ担体１０２を貫通している。

第２のステップでは、半導体チップおよびチップ担体１０２上に金型６０２が被着される。チップ担体１０２はここで、金型６０２によって包囲される。従って内側領域には、開口部６００を通じてのみアクセスすることができる。開口部６００を介して、さらなるステップにおいては、図６ｃに示されているように、注封材料１１２が入れられる。これは有利には圧力下での搬入によって行われる。ここで注封材料１１２内には散乱粒子、例えば二酸化チタンが分散されている。

注封材料を硬化した後、金型６０２が除去される。従ってこれに続いて、マトリクスモジュールが提供される。これは図６ｄに示されている。このマトリクスモジュールも、例えば、自動車用投光器またはモバイル用途でのフラッシュとしての用途に対する、多数のオプトエレクトロニクス半導体チップを備えた照明としての使用に適している。しかし個別化を行い、これに続いて、図１〜４に示されているような、個々のオプトエレクトロニクスデバイスを得ることも可能である。

ここで当然ながら、製造方法の実施例を、オプトエレクトロニクスデバイスの第２の実施例または第３の実施例または第４の実施例が得られるように変更することもできる。

最終確認
オプトエレクトロニクスデバイスおよびオプトエレクトロニクスデバイスの製造方法を、基礎となる考えを具体化するために、幾つかの実施例に基づいて記載した。ここでこれらの実施例は、特定の特徴の組み合わせに限定されない。幾つかの特徴および形態が特別な実施例または個々の実施例に関連してのみ記載されていたとしても、これらはそれぞれ他の実施例からの他の特徴と組み合わせ可能である。同様に、一般的な技術的教示が実現され続ける限り、実施例において、示された幾つかの特徴または特別な形態を省くまたは付加することもできる。

Claims (17)

1. オプトエレクトロニクスデバイスであって：
   ・オプトエレクトロニクス半導体チップ（１０４）を有しており、当該オプトエレクトロニクス半導体チップ（１０４）はコンタクト面（１０６）と、対向するビーム取り出し面（１０８）とを有しており、
   ・チップ担体（１０２）を有しており、当該チップ担体（１０２）の上には前記半導体チップ（１０４）が自身のコンタクト面（１０６）を介して被着されており、
   ・ビーム変換部材（１１０）を有しており、当該ビーム変換部材（１１０）は前記ビーム取り出し面（１０８）上に被着されており、
   ・反射性の注封材料（１１２）を有しており、当該注封材料（１１２）は前記チップ担体（１０２）上に被着されており、前記半導体チップ（１０４）と前記ビーム変換部材（１１０）とを側方で包囲しており、当該注封材料（１１２）は前記半導体チップ（１０４）および前記ビーム変換部材（１１０）と直接的に接触しており、
   当該注封材料（１１２）は実質的に、前記ビーム変換部材（１１０）の上方縁部と同一平面を成しており、前記ビーム変換部材（１１０）の上面に前記注封材料（１１２）は存在しておらず、
   前記ビーム変換部材（１１０）は、前記ビーム取り出し面（１０８）から、前記ビーム変換部材（１１０）の上面に向かって拡張している、
   ことを特徴とする、オプトエレクトロニクスデバイス。
2. 前記半導体チップ（１０４）は前記チップ担体（１０２）を介して電気的に接触接続されている、請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
3. 前記半導体チップ（１０４）は自身のビーム取り出し面（１０８）を介して電気的に接触接続されている、請求項１または２記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
4. 前記ビーム取り出し面（１０８）は導体接続部（３０２）を介して前記チップ担体（１０２）と電気的に接触接続されている、請求項３記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
5. 前記導体接続部（３０２）は前記注封材料（１１２）内に埋設されている、請求項４記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
6. 前記導体接続部（３０２）はボンディングワイヤーを含んでいる、請求項４または５記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
7. 前記ビーム取り出し面（１０８）上の前記ボンディングワイヤーの垂直延在部（３０４）は、前記ビーム取り出し面（１０８）上の前記ビーム変換部材（１１０）の高さよりも低い、請求項６記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
8. 前記ビーム取り出し面（１０８）上の、前記ボンディングワイヤーの垂直延在部（３０４）は、２０〜２００μｍの範囲内にあり、例えば４０μｍである、請求項６または７記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
9. 前記注封材料（１１２）はシリコーンを含んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
10. 前記注封材料（１１２）は分散された散乱粒子を含んでいる、請求項１から９までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
11. 前記散乱粒子は二酸化チタンを含んでいる、請求項１０記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
12. 前記ビーム変換部材（１１０）上に被着されている光学素子（４０２）、殊にレンズを備えている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
13. 前記ビーム変換部材（１１０）はストップエッジ（２０２）を、前記注封材料（１１２）に対する濡れ境界として有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
14. 前記ビーム変換部材（１１０）は円錐状、殊に台状の形を有している、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デバイス。
15. 前記ビーム変換部材（１１０）を被着した後に、前記注封材料（１１２）を注入によって入れる、
    ことを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項に記載されているオプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法。
16. 前記注封材料（１１２）を圧縮成形によって入れる、請求項１５記載の方法。
17. 前記注封材料を、前記チップ担体（１０２）内に設けられている開口部（６００）を通じて入れる、請求項１５記載の方法。

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