WO2002095821A2 - Gehäuse für einen photoaktiven halbleiterchip und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a housing for a photoactive semiconductor chip.
  • the invention further relates to a housing for a photoactive semiconductor chip with a trough-shaped ceramic base body.
  • Such ceramic housings are generally known. Compared to plastic housings, they offer the advantage that they are resistant to both low and high temperatures. While plastic housings become brittle at low temperatures and soften at high temperatures, there is practically no change in the material properties of ceramic housings.
  • Ceramic housings for semiconductor chips are available in a variety of configurations.
  • LCC ceramic housings Longedless Chip Carrier
  • no contact pins leading to the outside are attached to the housing. Rather, this type of housing is designed for SMD technology.
  • the invention has for its object to provide a method for manufacturing ceramic housings with a window in a side wall.
  • Another object of the invention is to provide a ceramic package suitable for photoactive semiconductor chips.
  • a trough-shaped ceramic base body with a trough opening, in the side wall of which a side opening is formed from the trough opening;
  • a housing according to the invention has a trough-shaped ceramic base body, in the side wall of which a side opening is formed which is separated from the trough opening by a metal part which, together with edges of the ceramic base body, forms a fastening surface on which a window is attached.
  • the ceramic base body is first formed.
  • This ceramic base body has no self-supporting ceramic parts with a low material thickness.
  • the ceramic base body therefore has great strength and robustness.
  • the frame for the window is formed by the edges of the ceramic base body from the metal part which is applied to the ceramic base body after the production thereof.
  • a frame-shaped fastening surface is formed in a side wall without the ceramic base body are available with self-supporting ceramic parts with low material thickness or a large height must be selected for the housing.
  • the metal part can be attached to the ceramic base body using conventional soldering processes. It can therefore be manufactured with the usual processes of the semiconductor industry without additional effort.
  • a metal frame running around the trough opening is used for the metal part.
  • the metal frame allows photoactive semiconductor chips to be introduced into the ceramic housing and bonded there.
  • a metal cover can then be placed on the metal frame and soldered to the metal frame, so that there is a hermetically sealed housing for the photoactive semiconductor chips.
  • Figure 1 is an exploded view of a ceramic housing
  • Figure 3 shows a cross section through a ceramic housing according to the invention.
  • the ceramic housing 1 from FIG. 1 has a ceramic base 2.
  • the side walls of the ceramic housing 1 are formed by stacked U-shaped side parts 3.
  • the ceramic base 2 and the side parts 3 together form a ceramic base body 4 which is shown in particular in FIGS. 2a to 2c is clearly recognizable.
  • the ceramic base body 4 is produced by stacking the side parts 3 on the ceramic base 2 and subsequently sintering the ceramic base 2 together with the side parts 3 to form the ceramic base body 4. This method is known to the person skilled in the art and is not the subject of the invention.
  • the ceramic base body 4 has a trough-shaped shape with a trough opening 5. Due to the U-shaped shape of the side parts 3, the ceramic base body also has a side opening 6, which is separated from the trough opening 5 by a metal frame 7 which surrounds the trough opening 5 and is applied to the ceramic base body 4.
  • a window 11 is attached to a fastening surface formed by a front side 8 of the ceramic floor 2, by front sides of the side parts 3 and a front side 10 of the metal frame 7.
  • the ceramic housing 1 is finally closed by a metal lid 12 attached to the metal frame 7.
  • the method for producing the ceramic housing 1 is explained in detail below with reference to FIGS. 2a to 2c.
  • the ceramic base body 4 is produced by applying the side parts 3 to the ceramic base 2.
  • the ceramic base 2 and the side parts 3 are then sintered together to form the ceramic base body 4.
  • the metal frame 7 is then soldered onto the ceramic base body 4.
  • One of the usual brazing alloys is particularly suitable for this. Such brazing alloys are known to the person skilled in the art and are not the subject of the invention.
  • the side opening 6 is then hermetically sealed by the window 11. This can be done either with the help of glass solder or with the help of metal notes, in which case the window on the mounting surface lying places must be provided with a metal layer to ensure that the Metallot wets the window 11.
  • the window 11 is typically made of a glass, the thermal expansion coefficient of which is adapted to the thermal expansion coefficient of the ceramic base body 4.
  • Commercially available types of glass have expansion coefficients between 0.5 and 20 x 10 "6 / ° C. It is therefore quite possible to adapt the thermal expansion coefficient of the window 11 to the expansion coefficient of the ceramic base body 4, because with a ceramic based on Al 2 0 3 , the coefficient of thermal expansion is between 6 - 6.5 x 10 "6 / ° C, for example.
  • the window 11 can also be coated with an anti-reflection layer or a filter layer. Furthermore, it is possible to form lenses or also guides or flanges for optical fibers in the window 11.
  • a photoactive semiconductor chip 3 can be introduced into the ceramic base body and bonded there, for example with the aid of gold wires 14.
  • the metal cover 12 can then be soldered onto the metal frame 17. This results in a hermetically sealed housing which has a better heat dissipation over the ceramic base body 4 compared to plastic housings.
  • a semiconductor chip which emits and / or receives electromagnetic radiation can be introduced as the photoactive semiconductor chip 13.
  • Conductor tracks can also be formed on the ceramic base 2, which lead to contacts (not shown) on the underside of the ceramic base 2.
  • two contact pins are introduced, for example, on the ceramic base, which allow the ceramic housing 1 to be soldered into a printed circuit board.
  • the semiconductor chip 13 can be a laser bar, for example. Such a broad laser bar can also emit light 15 through the extended window 11.
  • the ceramic housing is suitable for applications in automotive technology, for example for receiving pulsed laser bars, or for applications in printing technology, since high temperature fluctuations can occur in both environments, to which the ceramic housing 1 is insensitive.
  • the dimensional accuracy of the ceramic housing 1 is particularly advantageous.
  • a particularly good dimensional stability of the ceramic housing and the semiconductor chip 13 incorporated therein is obtained if the semiconductor chip 13 is manufactured on the basis of a III-V compound semiconductor, material for the ceramic is used based on Al 2 0 3 and one on the thermal ones Expansion coefficients of the ceramic matched glass and a cover adapted to the ceramic, for example from Kovar, is selected.

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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Keramikgehäuses (1) wird zunächst ein Keramikgrundkörper (4) aus einem Keramikboden (2) und aus Seitenteilen (3) hergestellt. Anschliessend wird auf den Keramikgrundkörper (4) ein Metallrahmen (7) aufgebracht und ein Fenster (11) auf eine Seitenöffnung (6) aufgelötet. Das Keramikgehäuse (1) wird nach Einbringen eines photoaktiven Halbleiterchips in den Keramikgrundkörper (4) mit einem Metalldeckel (12) verschlossen.

Description

Beschreibung
Gehäuse für einen photoaktiven Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für einen photoaktiven Halbleiterchip.
Die Erfindung betrifft ferner ein Gehäuse für einen photoaktiven Halbleiterchip mit einem trogförmigen Keramikgrundkörper.
Derartige Keramikgehäuse sind allgemein bekannt. Gegenüber Kunststoffgehäusen bieten sie den Vorteil, daß sie sowohl gegen tiefe als auch hohe Temperaturen beständig sind. Während Kunststoffgehäuse bei tiefen Temperaturen verspröden und bei hohen Temperaturen aufweichen, treten bei Keramikgehäusen so gut wie keine Veränderungen der Materialeigenschaften auf .
Keramikgehäuse für Halbleiterchips sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen erhältlich. Bei sogenannten LCC-Keramikgehäusen ("Leadless Chip Carrier") sind beispielsweise am Gehäuse keine nach draußen führenden Kontaktstifte angebracht. Diese Art von Gehäuse ist vielmehr für die SMD-Technik ausgebildet.
Bislang sind jedoch keine Keramikgeh use für photoaktive Halbleiterchips bekannt, deren Seitenwände für Licht großflächig transparent sind. Solche Keramikgehäuse werden aber benötigt, wenn mehrere optisch aktive Halbleiterchips, wie beispielsweise Halbleiterlaser, in einem Keramikgehäuse angeordnet werden sollen. Denn in diesem Fall muß das Licht von jedem optisch aktiven Bauelement aus durch die Seitenwand des Keramikgehäuses hindurchtreten können. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Keramikgehäusen mit einem Fenster in einer Seitenwand anzugeben.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein für photoaktive Halbleiterchips geeignetes Keramikgehäuse zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst :
Bereitstellen eines trogförmigen Keramikgrundkörpers mit einer Trogöffnung, in dessen eine Seitenwand von der Trogöffnung her eine Seitenδffnung ausgebildet ist;
- Ausbilden einer die Seitenöffnung umschließende Befestigungsfläche für ein Fenster durch Anbringen eines die Trogöffnung von der Seitenöffnung trennenden Metallteils auf dem Keramikgrundkörper; und
- Anbringen des Fensters auf der Befestigungsfläche.
Ein Gehäuse gemäß der Erfindung weist einen trogförmigen Keramikgrundkörper auf, in dessen eine Seitenwand eine Seitenöffnung ausgebildet ist, die von der Trogöffnung durch ein Metallteil getrennt ist, das zusammen mit Rändern des Keramikgrundkörpers eine Befestigungsfläche bildet, auf der ein Fenster angebracht ist.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst der Keramikgrundkörper ausgebildet. Dieser Keramikgrundkörper weist keine freitragenden keramische Teile mit geringer Material- stärke auf. Der Keramikgrundkörper weist daher eine große Festigkeit und Robustheit auf.
Der Rahmen für das Fenster wird von den Kanten des Keramikgrundkörpers von dem Metallteil gebildet, das nach der Herstellung des Keramikgrundkörpers auf diesen aufgebracht wird. Auf diese Weise wird in einer Seitenwand eine rahmenförmige Befestigungsfläche ausgebildet, ohne daß am Keramikgrundkör- per freitragende keramische Teile mit geringer Materialstärke vorhanden sind oder für das Gehäuse eine große Bauhöhe gewählt werden muß. Außerdem läßt sich das Metallteil mit Hilfe von herkömmlichen Lötprozessen am Keramikgrundkörper befestigen. Es ist daher ohne zusätzlichen Aufwand mit den üblichen Prozessen der Halbleiterindustrie herstellbar.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird für das Metallteil ein um die Trogöffnung umlaufender Metallrahmen verwendet .
Durch den Metallrahmen können photoaktive Halbleiterchips in das Keramikgehäuse eingebracht und dort gebondet werden. Anschließend kann auf den Metallrahmen ein Metalldeckel aufgelegt und mit dem Metallrahmen verlötet werden, so daß sich ein hermetisch dichtes Gehäuse für die photoaktiven Halbleiterchips ergibt .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Explosionsansicht eines Keramikgehäuses;
Figur 2a bis c aufeinanderfolgende Verfahrensschritte bei der Herstellung des Keramikgehäuses; und
Figur 3 einen Querschnitt durch ein Keramikgehäuse gemäß der Erfindung.
Das Keramikgehäuse 1 aus Figur 1 weist einen Keramikboden 2 auf. Die Seitenwände des Keramikgehäuses 1 werden von aufein- andergestapelten U-förmigen Seitenteilen 3 gebildet. Der Keramikboden 2 und die Seitenteile 3 bilden zusammen einen Keramikgrundkörper 4, der insbesondere in den Figuren 2a bis 2c deutlich erkennbar ist. Der Keramikgrundkörper 4 wird hergestellt, indem die Seitenteile 3 auf den Keramikboden 2 gestapelt werden und indem anschließend der Keramikboden 2 zusammen mit den Seitenteilen 3 zu dem Keramikgrundkörper 4 gesintert wird. Dieses Verfahren ist dem Fachmann bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
Der Keramikgrundkörper 4 weist eine trogförmige Gestalt mit einer Trogöffnung 5 auf. Aufgrund der U-förmigen Gestalt der Seitenteile 3 verfügt der Keramikgrundkörper auch über eine Seitenöffnung 6, die durch einen die Trogöffnung 5 umschließenden Metallrahmen 7, der auf den Keramikgrundkörper 4 aufgebracht ist, von der Trogδffnung 5 getrennt. Auf einer von einer Vorderseite 8 des Keramikbodens 2, von Vorderseiten der Seitenteile 3 und einer Vorderseite 10 des Metallrahmens 7 gebildete Befestigungsfläche ist ein Fenster 11 angebracht . Der Verschluß des Keramikgeh uses 1 erfolgt schließlich durch einen am Metallrahmen 7 angebrachten Metalldeckel 12.
Das Verfahren zur Herstellung des Keramikgehäuses 1 wird nachfolgend im einzelnen anhand der Figuren 2a bis 2c erläutert .
Zunächst wird der Keramikgrundkörper 4 hergestellt, indem die Seitenteile 3 auf den Keramikboden 2 aufgebracht werden. Anschließend werden der Keramikboden 2 und die Seitenteile 3 zusammen zu dem Keramikgrundkörper 4 gesintert. Anschließend wird auf den Keramikgrundkörper 4 der Metallrahmen 7 aufgelötet. Dazu eignet sich insbesondere eines der üblichen Hartlote. Derartige Hartlote sind dem Fachmann bekannt und sind nicht Gegenstand der Erfindung.
Daraufhin wird die Seitenöffnung 6 durch das Fenster 11 hermetisch dicht verschlossen. Dies kann entweder mit Hilfe von Glaslot erfolgen oder mit Hilfe von Metalloten, wobei in diesem Fall das Fenster an den auf der Befestigungsfläche auf- liegenden Stellen mit einer Metallschicht versehen sein muß, um zu gewährleisten, daß das Metallot das Fenster 11 benetzt.
Das Fenster 11 ist typischerweise aus einem Glas hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikgrundkδrpers 4 angepaßt ist. Kommerziell erhältliche Glassorten weisen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 0,5 und 20 x 10"6/ °C auf. Es ist daher gut möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Fensters 11 an den Ausdehnungskoeffizienten des Keramikgrundkörpers 4 anzupassen, denn bei einer Keramik auf der Basis von Al203 liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient beispielsweise zwischen 6 - 6,5 x 10"6/ °C.
Das Fenster 11 kann auch mit einer Antireflexionsschicht oder einer Filterschicht beschichtet sein. Ferner ist es möglich, im Fenster 11 Linsen oder auch Führungen oder Flansche für Lichtwellenleiter auszubilden.
Nach dem Anlöten des Fensters 11 kann in den Keramikgrundkörper ein photoaktiver Halbleiterchip 3 eingebracht und dort beispielsweise mit Hilfe von Golddrähten 14 gebondet werden. Anschließend kann der Metalldeckel 12 auf den Metallrahmen 17 aufgelötet werden. Dadurch ergibt sich ein hermetisch dichtes Gehäuse, das über den Keramikgrundkörpers 4 eine im Vergleich zu Kunststoffgehäusen bessere Wärmeableitung aufweist . Als photoaktiver Halbleiterchip 13 kann ein Halbleiterchip eingebracht werden, der elektromagnetische Strahlung emittiert und/oder emp ängt.
Auf dem Keramikboden 2 können auch Leiterbahnen ausgebildet sein, die zu nicht dargestellten Kontakten auf der Unterseite des Keramikbodens 2 führen. Bei einer abgewandelten Ausführungsform sind beispielsweise am Keramikboden zwei Kontaktstifte eingebracht, die es gestatten, das Keramikgehäuse 1 in eine Leiterplatte einzulöten. Bei dem Halbleiterchip 13 kann es sich beispielsweise um einen Laserbarren handeln. Auch ein derartiger breiter Laserbarren kann durch das ausgedehnte Fenster 11 Licht 15 emittieren.
Demnach eignet sich das Keramikgehäuse für Anwendungen in der Automobiltechnik, beispielsweise zur Aufnahme von gepulsten Laserbarren, oder für Anwendungen in der Drucktechnik, da in beiden Umgebungen jeweils hohe Temperaturschwankungen auftreten können, gegen die das Keramikgehäuse 1 unempfindlich ist.
Außerdem ist die Maßhaltigkeit des Keramikgehäuses 1 von besonderem Vorteil. Eine besonders gute Maßhaltigkeit des Keramikgehäuses und des darin eingebrachten Halbleiterchips 13 ergibt sich, wenn der Halbleiterchip 13 auf der Basis eines III-V-Verbindungshalbleiters hergestellt ist, für die Keramik Material auf der Basis von Al203 verwendet wird und ein an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepaßtes Glas sowie ein an die Keramik angepaßter Deckel, beispielsweise aus Kovar, ausgewählt wird.
Schließlich ist auch die besondere Dichtigkeit des Keramikgehäuses gemäß der Erfindung hervorzuheben, die das Keramikgehäuse 1 ebenfalls für Anwendungen in schmutzbehafteten Umgebungen geeignet erscheinen läßt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (1) für photoaktive Halbleiterchips (13) mit folgenden Verfahrensschritten:
Bereitstellen eines trogförmigen Keramikgrundkörpers (4) mit einer Trogöffnung (5) , in dessen eine Seitenwand (3) von der Trogöffnung (5) her eine Seitenöffnung (6) ausgebildet ist,
- Ausbilden einer die Seitenδffnung (6) umschließende Befestigungsfläche (8, 9, 10) für ein Fenster (11) durch Anbringen eines die Trogöffnung (5) von der Seitenöffnung
(6) trennenden Metallteils (7) auf dem Keramikgrundkδrper (4) ; und
- Anbringen des Fensters (11) auf der Befestigungsfläche (8, 9, 10) .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem zunächst ein Boden (2) aus keramischem Material bereitgestellt wird, auf dem Seitenwände (3) aufgesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , bei dem die Seitenwände von U-förmigen, aufeinandergestapel- ten Streifen (3) gebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , bei dem der Keramikgrundkδrper (4) vor dem Aufbringen des Metallteils (7) gesintert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Fenster (11) am Keramikgrundkörper (4) und am Metallteil (7) angelötet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem,für den Lötvorgang ein Glaslot verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 , bei dem das Fenster (11) mit einer Metallschicht beschichtet wird und mit Hilfe eines Metallots angelötet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Metallteil ein Metallrahmen (7) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , bei dem durch die Öffnung (5) des Metallrahmens (7) hindurch der photoaktive Halbleiterchip (13) in das Gehäuse eingebracht und dann der Metallrahmen (7) durch Auflöten eines Metalldeckels (12) geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der photoaktive Halbleiterchip (13) auf der Basis eines III-V-Verbindungshalbleiters und die Keramik auf der Basis von Al203 hergestellt wird, wobei für das Fenster Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 6 und 8 x 10"6/ °C verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der photoaktive Halbleiterchip (13) ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der photoaktive Halbleiterchip (13) ein elektromagnetische Strahlung empfangender Halbleiterchip ist .
13. Gehäuse für einen photoaktiven Halbleiterchip mit einem trogförmigen Keramikgrundkörper (4) , in dessen eine Seitenwand (3) eine Seitenöffnung (6) ausgebildet ist, die von der Trogöffnung (5) durch ein Metallteil (7) getrennt ist, das zusammen mit Rändern (8, 9, 10) des Keramikgrundkörpers (4) eine Befestigungsfläche bildet, auf der ein Fenster (11) angebracht ist .
14. Gehäuse nach Anspruch 13, bei dem der photoaktive Halbleiterchip (13) ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip ist.
15. Gehäuse nach Anspruch 14, bei dem der photoaktive Halbleiterchip (13) ein elektromagnetische Strahlung empfangender Halbleiterchip ist.
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