WO2020104514A1 - Lichtemittereinheit mit wenigstens einem vcsel-chip - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Lichtemittereinheit (10) mit wenigstens einem VCSEL-Chip (11), die eine Lichtaustrittsfläche (15), über die vom VCSEL-Chip (11) erzeugtes und senkrecht zur Chipebene abgestrahltes Licht in eine Umgebung (16) emittiert wird, und die Kontakte (17) zur Zuführung der für die Erzeugung des Lichts durch den VCSEL-Chip (11) benötigten elektrischen Energie aufweist. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine senkrecht zur Chipebene angeordnete Seitenfläche (18) des VCSEL-Chips (11) wenigstens abschnittsweise von einem Abdeckelement (12) berührt und überdeckt wird.

Description

Lichtemittereinheit mit wenigstens einem VCSEL-Chip

Die vorliegende Erfindung nimmt die Priorität der deutschen An meldung 102018129575.8 vom 23.11.2018 in Anspruch, deren Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip, die einerseits eine Lichtaustrittsfläche, über die vom VCSEL-Chip erzeugtes und senkrecht zur Chipebene abge strahltes Licht in eine Umgebung emittiert wird, und die anderer seits Kontakte zur Zuführung der für die Erzeugung des Lichts durch den VCSEL-Chip benötigten elektrischen Energie aufweist.

Oberflächenemittierende Laser mit senkrecht stehendem Resonator, sogenannte VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) , sind beispielsweise aus IEEE Communications Magazine, May 1997, pp. 164-170 bekannt. VCSEL sind Halbleiterlaser mit einer Lichtemis sion senkrecht zur Halbleiteroberfläche. Neben der extrem kleinen Bauform und der hohen Effizienz zeichnen sich VCSEL vor allem durch ihre sehr guten Strahleigenschaften aus. VCSEL, die als Chip und auch in unterschiedlichen Gehäuseversionen erhältlich sind, können vielfältig eingesetzt werden. Sowohl in der Sensorik als auch in der Messtechnik ist ein typisches Anwendungsgebiet die faseroptische Datenübertragung. Generell kommen VCSEL in der Da tenübertragung, in Speichernetzen, Barcode- und Laserscannern, Laserdruckern, optischen Encodern, Positionssensoren, Systemen zur Abstandsmessung, als digitale Videoschnittstelle und in der Medizintechnik, insbesondere in Systeme zur Blutanalyse, zum Ein satz .

In der Regel arbeiten VCSEL mit Lichtmodulation, zeichnen sich durch einen stark gebündelten Laserstrahl aus, unterstützen eine hohe Datenrate und benötigen einen relativ niedrigen Treiberstrom . VCSEL werden daher insbesondere für die Hi-Speed-Übertragung ent wickelt und emittieren typischerweise Licht mit einer Wellenlänge von 665 nm. Sie sind allerdings auch für optische Fenster bei 850 nm, 1310 nm und 1550 nm erhältlich und können bei Datenraten zwischen 1 Gbit/s und 50 Gbit/s eingesetzt werden. Ferner zeichnen sich VCSEL durch eine äußerst geringe Strahldivergenz gegenüber kantenemittierenden Lasern (EEL) aus und ermöglichen eine einfache Fasereinkopplung, bei der der Laserstrahl nicht das gesamte Kern glas des Lichtwellenleiters ausfüllt.

Ein entsprechendes VCSEL ist aus der DE 100 48 443 Al bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen VCSEL mit einem Halbleiterkörper und einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, wobei auf der ersten Hauptfläche eine erste Kontaktfläche und auf der zweiten Hauptfläche eine zweite Kontaktfläche ausgebildet sind. Im Weite ren ist eine aktive Schicht vorgesehen, die zwischen einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel angeordnet ist. Die erzeugte Strahlung wird durch den zweiten Spiegel und die zweite Hauptflä che ausgekoppelt, wobei die darauf gebildete zweite Kontaktfläche dem zweiten Spiegel nachgeordnet und für die erzeugte Strahlung transparent oder zumindest semitransparent ist.

Ferner ist aus der DE 100 53 569 Al eine Vorrichtung zur Einkopp lung der optischen Energie aus einem Kopfstück mit angeordnetem und betriebsfertigem VCSEL in einen Wellenleiter, der innerhalb einer faseroptischen Hülse, einem Gehäuse oder einer Aufnahme angeordnet ist, bekannt. Die beschriebene technische Lösung zeich net sich dadurch aus, dass der Koppelring eine Mittelöffnung auf weist, in der eine Kugellinse gehalten wird. Außerdem ist eine zylindrische Seitenwand so gestaltet, dass der Kopplungsring über eine Fensterabdeckung eines typischen Kopfstückes passt, um die Linse genau auf der optischen Achse des VCSELs anzuordnen.

Im Weiteren ist aus der DE 10 2005 007 668 Al ein Verfahren zur Herstellung eines VCSELs bekannt. Durch das beschriebene Herstel lungsverfahren soll insbesondere eine verbesserte Halb leiterstruktur mithilfe geätzter Oxidseitenwände bereitgestellt werden .

Die üblicherweise aufgrund der verschiedenen Einsatzgebiete in ganz verschiedenen Geräten zum Einsatz kommenden VCSEL sind zu verhältnismäßig großen Packages zusammengebaut, was letztendlich das technische Design der Geräte, in die die VCSEL eingebaut wer den, beschränkt. Die vergleichsweise große Bauform der bekannten VCSEL ist darin begründet, dass VCSEL auf einem Substrat, bei spielsweise PCB, oder einer Keramik, angeordnet sind und mit einem festen Gehäuse sowie je nach Einsatzzweck mit einem oder mehreren optischen Elementen zusammengebaut werden. Des Weiteren befinden sich bei den bekannten VCSEL-Chips die Kontakte auf der Unter seite, was wiederum Einfluss auf das Design der Endprodukte hat.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lichtemit tern mit VCSEL-Chips und den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein entsprechende Lichtemit tereinheit anzugeben, die einerseits eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung ermöglicht und andererseits über ver gleichsweise kleine Abmaße verfügt. Die anzugebende technische Lösung sollte es ferner ermöglichen, dass für die Produktion des neuartigen Lichtemitters mit VCSEL-Chip auf generell bekannte Her stellungsverfahren zurückgegriffen werden kann. Außerdem sollte eine Lichtemittereinheit, die wenigstens einen VCSEL-Chip auf weist, derart ausgeführt sein, dass diese flexibel an unterschied liche Designs von Produkten, in die die Vorrichtung eingebaut werden soll, angepasst werden kann. Es sollte somit insbesondere möglich sein, eine Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip fle xibel an unterschiedliche Anforderungen anzupassen, sodass eine vergleichsweise einfache Integration in Geräte mit unterschiedli chem Design und zur Verfügung stehendem Einbauraum möglich ist.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit einer Lichtemittereinheit mit wenigstens einem VCSEL-Chip gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilwei ser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Die Erfindung betrifft eine Lichtemittereinheit mit wenigstens einem VCSEL-Chip, die einerseits eine Lichtaustrittsfläche, über die vom VCSEL-Chip erzeugtes und senkrecht zur Chipebene abge strahltes Licht in eine Umgebung emittiert wird, und die anderer seits Kontakte zur Zuführung der für die Erzeugung des Lichts durch den VCSEL-Chip benötigte elektrischen Energie aufweist. Er findungsgemäß ist diese Vorrichtung derart weitergebildet worden, dass zumindest eine senkrecht zur Chipebene angeordnete Seiten fläche des VCSEL-Chips wenigstens abschnittsweise von einem Abde ckelement berührt und überdeckt wird. Das Abdeckelement schließt dabei im wesentlichen planar mit der Lichtaustrittsfläche ab. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass die Lichtemitterein heit einen oder eine Mehrzahl, bevorzugt in einem Array angeord nete VCSEL-Chips aufweisen kann, wobei es generell ebenfalls denk bar ist, dass eine Mehrzahl von VCSEL auf einem Halbleiterwafer, bevorzugt in Form eines Arrays, angeordnet sind. Im Übrigen ist es genauso denkbar, dass eine Mehrzahl von erfindungsgemäß ausge führten Lichtemittereinheiten in Form eines Arrays angeordnet ist.

Erfindungswesentlich ist, dass zumindest der wenigstens eine VCSEL-Chip zumindest bereichsweise unmittelbar von einem Abde ckelement umgeben ist, sodass das Abdeckelement den äußeren Rand des VCSEL-Chips berührt. Eine besonders geeignete Verbindung zwi schen der wenigstens einen Seitenfläche des VCSEL-Chips und der Abdeckung ist herstellbar, wenn das Abdeckelement während der Herstellung der Lichtemittereinheit wenigstens zeitweise flüssig oder zumindest pastös ist. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgese henen Abdeckelements angrenzend an den Rand des VCSEL-Chips, be vorzugt an den Rand der Lichtemittereinheit, wird ein besonders platzsparendes Design eines randseitig verkapselten VCSEL-Chips und/oder einer Lichtemittereinheit mit einem derartigen Chip er möglicht .

Gemäß einer speziellen Weiterbildung sind sämtliche vier Seiten flächen des wenigstens einen VCSEL-Chips von dem Abdeckelement umgeben, wobei das Abdeckelement bevorzugt aus einem zumindest in gewissen Grenzen flexiblem Werkstoff hergestellt ist. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckelement durch Vergießen eines geeigneten Werkstoffes und/o der durch ein Spritzgießverfahren, beispielsweise Film-Assisted Transfer Molding (FAM) , Compression Molding oder Transfer Molding hergestellt worden ist. Der Erfindung liegt hierbei der wesentliche Gedanke zu Grunde, die von der Herstellung von LEDs bekannten Chip Sized Packaging- Verfahren (CSP) auch für die Herstellung von Lichtemittereinheiten mit VCSEL-Chip zu verwenden. Mithilfe der bekannten CSP-Verfahren ist es unter Berücksichtigung der technischen Besonderheiten eines VCSELS somit möglich, kompakte und leistungsfähige Lichtemitter mit VCSEL-Chip bereitzustellen, die sich vergleichsweise einfach, flexibel und vorteilhaft in die jeweiligen Endprodukte integrieren lassen. Durch den Verzicht auf eine starre Struktur, die bei den bekannten technischen Lösungen durch ein Substrat und ein festes Gehäuse gebildet wird, wird einerseits der Platzbedarf für die Integration einer Lichtemittereinheit mit VCSEL-Chip verringert und andererseits können derartige Lichtemitter vergleichsweise einfach in Endprodukten mit sehr unterschiedlichem Design genutzt oder zumindest unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderun gen adaptiert werden.

Auf der Grundlage der Erfindung wird somit eine Miniaturisierung einer Lichtemittereinheit mit VCSEL-Chip erreicht, sodass in Bezug auf den möglichen Einsatz sowohl technische Vorteile als auch eine zusätzliche Flexibilität erreicht wird. Da im Übrigen für die Herstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten Lichtemitterein heit mit VCSEL-Chip eine geringere Materialmenge und weniger Pro zessschritte benötigt werden, sind darüber hinaus im Vergleich zu den bekannten Lösungen nicht unerhebliche Kosteneinsparungen re alisierbar .

Aufgrund der Möglichkeit eines der zuvor bereits erwähnten Her stellungsverfahren einzusetzen, sieht eine spezielle Ausführungs form der Erfindung vor, dass das Abdeckelement wenigstens über einen Werkstoff aus einer Werkstoffgruppe verfügt, die Silikon, Epoxidharz und einen Verbundwerkstoff aufweist. Im Übrigen ist es denkbar, dass der für das Abdeckelement verwendete Werkstoff zu mindest einen Füllstoff, der zur Verbesserung wenigstens einer Eigenschaft des Werkstoffes führt, aufweist. Bei einem derartigen Füllstoff kann es sich beispielsweise um Siliciumdioxid (SiCk) handeln. In diesem Zusammenhang eignet sich ganz besonders als Werkstoff für die Herstellung eines Abdeckelementes ein Epoxid harz, dem Siliziumdioxid (Si02) zugesetzt ist.

In einer speziellen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der VCSEL- Chip der Lichtemittereinheit auf einem integrierten Schaltkreis (IC) angeordnet ist. Auf bevorzugte Weise enthält der integrierte Schaltkreis hierbei die Steuerelektronik für die Ansteuerung des VCSELs. Auf vorteilhafte Weise sind ferner der Treiber bzw. die Treiberlogik für den VCSEL-Chip in die integrierte Steuerung in tegriert. Durch eine derartige Anordnung die Schaltzeiten bei der Ansteuerung des VCSEL-Chips besonders kurzgehalten werden. Außer dem werden so, insbesondere wenn mehr als ein VCSEL-Chip ange steuert werden, parasitäre Zuleitungsinduktivitäten minimiert werden .

In einer speziellen Ausführungsform ist die Lichtaustrittsfläche der Lichtemittereinheit Teil des VCSEL-Chips, der in diesem Fall das erzeugte Licht direkt in die Umgebung abstrahlt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtemit tereinheit ist zumindest ein optisches Element vorgesehen, das wenigstens teilweise die Lichtaustrittsfläche bildet. Generell ist es denkbar, dass es sich bei dem optischen Element um ein einfaches, für das von dem VCSEL-Chip emittierte Licht transpa rentes Schutzelement und/oder insbesondere um ein geeignetes, ent sprechend ausgeführtes Fenster handelt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Optikelement gewählt wird, dass zur Strahlführung geeignet ist. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass das optische Element wenigstens ein diffraktives optisches Element, eine Metaoptik und/oder eine Linse, vorzugsweise eine Mikrolinse, aufweist. Von besonderem Vorteil ist, wenn das optische Element derart gewählt wird, dass die Lichtemittereinheit mit VCSEL als ein Lambertscher Strahler ausgeführt ist. Eine derart ausgeführte Lichtemitterein heit zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahldichte über die Lichtaustrittsfläche konstant ist und sich somit eine kreisförmige Verteilung der Strahlstärke ergibt. In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem VCSEL-Chip der Lichtemittereinheit und der Lichtaustrittsfläche ein optischer Abstandhalter angeordnet. Dieser Abstandhalter hat die Funktion, dass von dem VCSEL-Chip emittierte Licht möglichst verlustfrei und unter Berücksichtigung der an Flächengrenzen auftretenden der Brechung die Lichtaustrittsfläche einzukoppeln. Gemäß einer ganz speziellen Ausführungsform befindet sich der optische Abstandhal ter zwischen dem VCSEL-Chip und einem optischen Element, das die Lichtaustrittsfläche aufweist, sodass der optische Abstandhalter das vom VCSEL-Chip emittierte Licht in das optische Element ein koppelt. Bevorzugt weist der optische Abstandhalter ein Koppelme dium auf, dass die Unterschiede der Brechungsindices zwischen dem VCSEL-Chip und dem optischen Element auf geeignete Weise aus gleicht .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der VCSEL-Chip über wenigstens einen integrierten Schaltkreis ver fügt. Das Vorsehen eines integrierten Schaltkreises im VCSEL-Chip hat zunächst den Vorteil einer weiteren Platzersparnis, insbeson dere bei einer planaren Ausführung des VCSEL-Chips mit integrier tem Schaltkreis.

Vorzugsweise weist der wenigstens eine integrierte Schaltkreis des VCSEL-Chips die Steuerung und den Treiber zur Ansteuerung des VCSEL-Chips auf. Im Weiteren bieten integrierte Steuerungen, die dicht am oder im VCSEL-Chip angeordnet sind, nicht nur den Vorteil kurzer Schaltzeiten, sondern auch der Verringerung von parasitären Zuleitungsinduktivitäten. Weiterhin vereinfachen kompakte Schal tungen das Layout einer erfindungsgemäß ausgeführten Lichtemit tereinheit und die Verlustwärme lässt sich optimal ausführen.

Gemäß einer anderen speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den VCSEL-Chip zumindest ein Sensor und/oder Detektor integriert ist. In diesem Zusammenhang ist es beispiels weise denkbar, dass in den VCSEL-Chip der Lichtemittereinheit zumindest ein lichtempfindlicher Detektor integriert ist, der Strahlung, durch Reflexion des von der Vorrichtung emittierten Lichts an wenigstens einem Gegenstand entstanden ist, empfängt. Auf der Grundlage der Detektion der empfangenen, insbesondere an einem Objekt reflektierten Strahlung, können mit Hilfe einer ge eigneten Auswerteeinheit beispielsweise Abstandsmessungen oder Messungen in Bezug auf die Form eines Objektes durchgeführt wer den. Besonders vorteilhaft kann eine Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip derartige Messungen vornehmen, sofern ein Array von VCSEL-Chips und/oder eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Detek toren vorgesehen sind.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Viel zahl der zuvor beschriebenen Lichtemittereinheit mit VCSEL-Chip in einem Array zusammengeschaltet. Ebenso ist es denkbar, dass eine Lichtemittereinheit über eine Mehrzahl von VCSEL-Chips, die auch auf einem gemeinsamen Halbleiterwafer angeordnet sein können, verfügt. Eine derartige Mehrzahl von VCSEL-Chips sind auf vor teilhafte Weise für die Abstandsmessung und/oder zur Erfassung der Form und/oder Gestalt von Objekten einsetzbar. In diesem Fall emittieren die VCSEL-Chips Licht einer geeigneten Wellenlänge, das von in der Umgebung befindlichen Objekten reflektiert wird. Die reflektierte Strahlung wird schließlich mithilfe geeigneter Detektoren aufgenommen und derart ausgewertet, das je nach Anfor derung Informationen über den Abstand des Objektes und/oder die Form und Gestalt des Objektes bereitstellbar sind.

Wesentlich für die erfindungsgemäße technische Lösung ist, dass eine Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip nicht über ein fes tes Substrat sowie ein starres Gehäuse verfügt, sondern dass der VCSEL-Chip und bei Bedarf auch weitere Komponenten der Lichtemit tereinheit zumindest in einem Randbereich mit einem geeigneten Material, beispielsweise mit einem Füllstoff versehenes Epoxid harz, vergossen oder umspritzt werden. Um eine derartige, gehäu selose Verkapselung des VCSEL-Chips zu erreichen, wobei gegebe nenfalls auch weitere optische Komponenten einer Lichtemitterein heit mit VCSEL-Chip zumindest im Randbereich verkapselt werden, sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Zu den in Frage kommenden Verfahren gehören beispielsweise das Transfer Molding, das Com- pression Molding sowie das Film-Assisted Transfer Molding. Gene rell ist es auch denkbar, den VCSEL-Chip und bei Bedarf auch die übrigen elektronischen und/oder optischen Elemente der Lichtemit tereinheit mit einem geeigneten Vergussmaterial, etwa Silikon, Epoxidharz oder ein Verbundstoff, jeweils mit oder ohne spezielle Füllstoffe, zu vergießen. Mithilfe der zuvor genannten Verfahren kann eine Lichtemittereinheit mit VCSEL-Chip bereitgestellt wer den, deren optische Komponenten, nämlich der VCSEL-Chip mit oder ohne weitere optische Komponenten oder Schaltungen auf geeignete Weise mit einem ausgehärten Vergussmaterial umgeben ist. Hierbei wird die Kapselung einer erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung derart realisiert, dass die Strahlausbreitung des vom VCSEL-Chip erzeugten Lichts senkrecht zur Chipebene, also zur Ebene des Halb leiterwafers mit VCSEL, nicht behindert wird.

Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip auf einem in tegrierten Schaltkreis mit optischem Abstandhalter und optischem Element;

Fig. 2: Verfahren zur Herstellung einer Lichtemittereinheit mit EL-Chip auf einem integrierten Schaltkreis mit op tischem Abstandhalter und optischem Element;

Fig. 3: Lichtemittereinheit mit substratlosem VCSEL-Chip und optischem Element;

Fig. 4: Verfahren zur Herstellung einer Lichtemittereinheit mit substratlosem VCSEL-Chip und optischem Element;

Fig . 5 : Lichtemittereinheit mit einem Bottom-Emitting VCSEL- Chip Package mit metallisierten Kontakten sowie

Fig. 6: Verfahren zur Herstellung einer Lichtemittereinheit mit einem Bottom-Emitting VCSEL-Chip mit metallisier ten Kontakten.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht eine Lichtemittereinheit 10 mit einem VCSEL-Chip 11. Wesentliches Merkmal der dargestellten Vorrichtung 10 ist es, dass der VCSEL-Chip 11 nicht auf einem festen Substrat angeordnet ist und auch kein entsprechend massives Gehäuse vorgesehen ist. Vielmehr ist ein den VCSEL-Chip 11 umge bende Abdeckelement 12 vorgesehen, das im Wege des Film-Assisted Transfer Molding (FMA) , hergestellt worden ist. Grundsätzlich ist es denkbar, zur Herstellung eines entsprechenden Abdeckelementes 12 auch andere Verfahren, insbesondere das Compression Molding zu verwenden. Das Abdeckelement 12 weist hierbei ein Epoxidharz auf, das mit Siliziumdioxid (SiCk) gefüllt ist.

Der VCSEL-Chip 11 befindet sich auf einem integrierten Schaltkreis (IC) 19, an dessen Unterseite elektrische Kontakte 17 zur Kontak tierung und Versorgung des VCSEL-Chips und des integrierten Schaltkreises 19, in den die Steuerung des VCSEL-Chips 11 imple mentiert ist, mit der für die Lichterzeugung benötigten elektri schen Energie vorgesehen sind. In dem integrierten Schaltkreis 19 befindet sich die Steuerelektronik zur Ansteuerung des VCSEL-Chips 11 sowie die Treibersteuerung. Durch eine derartige Anordnung der integrierten Schaltung 19 in unmittelbarer Nähe des VCSEL-Chips 11 können besonders geringe Schaltzeiten erreicht und parasitäre Zuleitungsinduktivitäten auf vorteilhafte Weise vermindert wer den .

Gemäß der Figur 1 gezeigten Ausführungsform verfügt die Lichtemit tereinheit 1 ferner über ein optisches Element 13, das in diesem Fall derart ausgebildet ist, dass die Lichtemittereinheit 10 als Lambertscher Strahler ausgeführt ist. Alternativ ist es denkbar, das optische Element 13 derart auszuführen, dass die in die Umge bung 16 emittierte Strahlung entlang ihrer Ausbreitungsrichtung besonders homogen ist. Zwischen dem VCSEL-Chip 11 und dem opti schen Element 13 ist des Weiteren ein optischer Abstandshalter 14 vorgesehen, der keine optische Funktion, also insbesondere keine Strahllenkung, übernimmt. Vielmehr dient der optische Abstandhal ter 14 zur Einkopplung des von dem VCSEL-Chip 11 erzeugten Lichts in das optische Element 13, wobei negative Auswirkungen aufgrund von Brechungseffekten am Übergang zwischen einzelnen Elementen zumindest minimiert werden.

Da die in Fig. 1 gezeigte Lichtemittereinheit 10 bevorzugt mit hilfe des Film-Assisted Transfer Molding (FAM) vergossen bzw. verkapselt worden ist, verfügt das dargestellte Package über eine vergleichsweise kleine Bauform im Vergleich zu den bekannten kon ventionellen Lösungen mit VCSEL-Chips . Vor allem die Höhe der dargestellten Lichtemittereinheit ist im Vergleich zu den bekann ten technischen Lösungen wesentlich geringer.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtemitterein heit mit VCSEL-Chip auf einem integrierten Schaltkreis mit opti schem Abstandhalter und optischem Element. Mit dem in Fig. 2 ge zeigten Verfahren wird eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, hergestellt.

Zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird zunächst ein temporärer Träger 20 mit Chips, die integrierte Schaltungen 19 aufweisen, bestückt. Anschließend wird der VCSEL-Chip auf der den Chips mit den integrierten Schaltungen 19 gegenüberliegenden Seite auf den temporären Träger 20 im Wege des Die-Bondings , be vorzugt durch Mikroschweißen, aufgebracht. Anschließend erfolgt das Drahtbonden der auf der Unterseite des temporären Trägers 20 vorgesehenen Chips mit integrierten Schaltungen 19.

In einer alternativen Ausführungsform ist es in diesem Zusammen hang denkbar, dass eine Verbindung zwischen den integrierten Schaltkreisen 19, also den IC-Chips, und dem VCSEL-Chip 11 herge stellt wird, indem zunächst der VCSEL-Chip 11 hergestellt wird und anschließend die integrierten Schaltkreise 19 gemeinsam mit der Treiberlogik auf den VCSEL-Chip 11 mit einem Aufwachsvorgang aufgebracht werden.

Nach Abschluss des Draht-Bondings werden schließlich in zwei auf einanderfolgenden Prozessschritten zunächst der optische Ab standshalter 13 auf den VCSEL-Chip 11 und anschließend das opti sche Element 14 auf den optischen Abstandhalter 13 aufgebracht. Nach Fertigstellung dieser Baugruppe erfolgt das Film-Assisted Transfer Molding (FAM) , wodurch die auf dem temporären Träger 20 angeordneten Komponenten an ihren Seitenflächen 18 von einem ge füllten Epoxidharz umgeben werden. Dieser Vorgang erfolgt derart, dass die Lichtaustrittsfläche 15 der Lichtemittereinheit 10 nicht eingekapselt wird und vom VCSEL-Chip 11 erzeugtes Licht ungehin dert durch den optischen Abstandhalter 14 und das optische Element 13 über die Lichtaustrittsfläche 15 in die Umgebung 16 abgestrahlt werden kann.

Beim Film-Assisted Transfer Molding (FAM) erfolgt eine nahezu drucklose Erzeugung eines Abdeckelements 12 im Randbereich der Lichtemittereinheit 10 mit Hilfe einer epoxidhaltigen Formmasse, die eine geeignete Verkapselung des gezeigten Lichtemitters 10 bewirkt. Wie in der Figur dargestellt, weißt die Formmasse eine Höhe derart auf, das sich mit der Lichtaustrittsfläche 15 ab schließt. Dadurch bilden die Lichtaustrittsfläche 15 und die Ober seite des Abdeckelements 12 eine im wesentlichen planare Oberflä che. Das vom VCSEL Chip emittierte Licht muss so nicht durch das Abdeckelement hindurch.

Im Gegensatz zum Transfer Molding werden beim Film-Assisted Trans fer Molding (FAM) beide Werkzeugteile jeweils mit einer dünnen ETFE-Folie abgedeckt, um den direkten Kontakt zwischen Thermoplast und der Form zu verhindern. Die Vorteile des Verfahrens erlauben einen vereinfachten und kostengünstigeren Formenbau.

Beim Film-Assisted Transfer Molding werden beidseitig der zu ver kapselnden Vorrichtung PTFE-Folien entlanggeführt, die mithilfe eines Vakuums an die Form des Werkzeugs angepasst werden. In die Hohlräume zwischen den Folien und dem zu verkapselnden Bauelement wird ein Epoxidharz-Material (EMC - Epoxy Molding Compound) ein gebracht. Gleichzeitig sind Heizelemente vorgesehen, die die Vor richtung auf eine Temperatur von 170 bis 185 °C erwärmen.

Nach Abschluss des Film-Assisted Transfer Molding werden zunächst die gemeinsam an ihren Seitenflächen 18 mit einem Abdeckelement 12 verkapselten Lichtemittereinheiten 10 voneinander getrennt bzw. vereinzelt.

In Fig. 3 ist eine Lichtemittereinheit mit einem VCSEL-Chip ohne Substrat mit optischem Element dargestellt, wobei der VCSEL-Chip mit Hilfe einer Flip-Chip-Montage kontaktiert wurde. Die in Fig. 3 gezeigte Lichtemittereinheit verfügt über einen VCSEL-Chip, auf dem sich ein optisches Element 13 zur Strahlfüh rung befindet. Dem optischen Element 13 gegenüberliegend auf der Unterseite des VCSEL-Chips befinden sich die elektrischen Kontakte 17 der Lichtemittereinheit. An den Seitenflächen des VCSEL-Chips

11 und des optischen Elementes 13 ist wiederum ein Abdeckelement

12 vorgesehen, das in diesem Fall als ausgehärtetes Vergussmate rial ausgeführt ist.

Mithilfe des ausgehärteten Vergussmaterials wird somit wiederum eine Substrat- und gehäuselose Verkapselung der Lichtemitterein heit 10 mit VCSEL-Chip 11 bereitgestellt, die ein besonders platz sparendes Design der Vorrichtung 10 ermöglicht. Insbesondere die Höhe der Vorrichtung 10 ist im Vergleich zu den bekannten techni schen Lösungen deutlich geringer.

Im Folgenden noch näher erläutert werden wird, wie der VCSEL-Chip mit Hilfe der Flip- Chip-Montage kontaktiert worden ist. Wesent liches Merkmal der Flip-Chip-Montage ist es, dass der Chip, hier der VCSEL-Chip, ohne weitere Anschlussdrähte mit der aktiven Kon taktierungsseite nach unten montiert wird. Durch diese Technologie lassen sich wiederum vergleichsweise kleine Abmessungen und kurze Leiterlängen realisieren.

Fig. 4 zeigt nunmehr die einzelnen Prozessschritte bei der Her stellung der in Fig. 3 gezeigten Lichtemittereinheit 10 mit VCSEL- Chip 11 und optischem Element 13. In einem ersten Schritt wird ein temporärer Träger 20 mit einem VCSEL-Chip 11 bestückt, wobei dieser mit seiner Kontaktfläche 21 nach unten auf den temporären Träger 20 aufgebracht wird. In einem nächsten Schritt wird auf den VCSEL-Chip 11 das optische Element 13, das der Strahlführung der vom VCSEL-Chip 11 erzeugten und emittierten Strahlung dient, auf den VCSEL-Chip 11 aufgebracht. Anschließend wird die Bauein heit bzw. eine Mehrzahl von Baueinheiten bestehend aus temporärem Träger 20, VCSEL-Chip 11, Kontakten 17 und optischem Element 13 an seinen Seitenflächen 18 durch Vergießen mit einem Abdeckelement 12versehen . Daraufhin wird der temporäre Träger 20, bevorzugt durch ein che misches Verfahren oder Laserablation, entfernt und schließlich die einzelnen, an den Seitenflächen 12 mit einem Abdeckelement versehenen Lichtemittereinheiten 10 mit VCSEL-Chip 11 vereinzelt. Als Gussmaterialien kommen insbesondere Silikone, Epoxidharz und Verbundwerkstoffe infrage. Die Eigenschaften der einzelnen Guss werkstoffe können darüber hinaus durch Zusatz speziell ausgewähl ter Füllstoffe bedarfsgerecht angepasst werden.

In Fig. 5 ist eine Lichtemittereinheit 10 mit einem Bottom-Emit- ting VCSEL- Chip 11 Package mit metallisierten elektrischen Kon takten 17 dargestellt. Die in Fig. 3 gezeigte Lichtemittereinheit 10 verfügt im Wesentlichen über einen VCSEL-Chip 11, auf dessen Unterseite die für die Versorgung des VCSEL-Chips 11 mit der er forderlichen elektrischen Energie vorgesehenen Kontakte angeord net sind.

Die Abstrahlung von Licht in die Umgebung 16 erfolgt bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel nach oben. Die Bezeichnung Bottom-Emitting VCSEL-Chip 11 ist durch den im Folgenden noch näher erläuterten Herstellungsprozess, bei dem der VCSEL-Chip 11 zunächst in umgekehrter Lage hergestellt und kontaktiert wird und erst nach Abschluss des Herstellungsprozesses und Vereinzelung gedreht wird.

Die elektrischen Kontakte 17 der Figur in Fig. 3 gezeigten Lichtemittereinheit 10 werden hergestellt, indem eine Metallisie rung aufgebracht wird, die die Elektroden 22 des VCSEL-Chips auf die Außenfläche erweitern.

Fig. 6 zeigt das Verfahren zur Herstellung einer Lichtemitterein heit mit einem Bottom-Emitting VCSEL-Chip 11 Package mit metalli sierten elektrischen Kontakten 17. In einem ersten Schritt wird auf einen temporären Träger 20 ein VCSEL-Chip 11 aufgebracht, wobei die lichtemittierende Fläche nach unten gerichtet ist, also auf dem temporären Träger 20 zum Liegen kommt. Auf der Oberseite und somit freiliegend befinden sich die Kontakte 22 des VCSEL-Chips . Als temporärer Träger 20 wird bevorzugt eine Polymerfolie oder eine Keramik verwendet. Wesentliche Eigenschaft des für den temporären Träger 20 verwendeten Materials ist es, dass sich dieses nach Abschluss der Herstellung der Lichtemit tereinheit 10 leicht und ohne Beschädigung des Lichtemitters 10 von der Lichtemittereinheit trennen lässt.

In einem nächsten Schritt wird der umgekehrt auf dem temporären Träger 20 liegende VCSEL-Chip mit einem Vergussmaterial, bei spielsweise Silikon, Epoxidharz, Verbundwerkstoffe, insbesondere Silikon mit Füllstoff, vergossen und so ein Abdeckelement 12, das den Seitenflächen 18 umschließt, hergestellt. Wichtig hierbei ist, dass die Seitenflächen des VCSEL-Chips 11 dicht umgossen sind und dass ein Kriechen des Vergussmaterials während des Betriebs des VCSEL-Chips 11, insbesondere aufgrund der erhöhten Betriebstempe ratur verhindert wird. Die Erzeugung des auch gemäß dieser Aus führungsform vorgesehenen Abdeckelementes 12 kann, wie zuvor be schrieben, mithilfe eines Vergussmaterials erfolgen.

Vorzugsweise wird das Abdeckelement 12 gemäß diesem Ausführungs beispiel durch Compression Molding hergestellt. In diesem Prozess wird Epoxidharz in Tablettenform (Epoxy Molding Compound - EMC) nicht über Kolben in eine Kavität transferiert, sondern als Paste oder Granulat direkt in die Kavität flächig dosiert, insbesondere gestreut. Das Epoxidharz wird auf Temperaturen zwischen 120 und 175 °C erhitzt, die Lichtemittereinheit mit dem VCSEL-Chip wird in die Kavität gedrückt und anschließend unter einem Forminnen- druck von etwa 20 bar verpresst. Durch zusätzliches Arbeiten im Vakuum lassen sich Lufteinschlüsse vermeiden. Mithilfe des Com pression Molding lassen sich vergleichsweise große Flächen ver kapseln.

Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt die Erweiterung der Kontakte 22 des VCSEL-Chips 11 auf die Außenfläche. Bevorzugt wird hierfür eine Metallisierung aufgebracht, sodass ausreichend große Kon takte 17 auf der Außenseite, hier auf der Oberfläche, des VCSEL- Chips 11 zur Verfügung gestellt werden. In einem nächsten Schritt wird der temporäre Träger 20 entfernt, wobei dies bevorzugt mithilfe chemischer Verfahren oder durch Laserablation erfolgt.

Im letzten Verfahrensschritt wird die nun eingekapselte Lichtemit tereinheit 10, die einen VCSEL-Chip 11 sowie eine Kontaktierung 17 aufweist, vereinzelt und umgedreht. Die für die Lichtemission vorgesehene Lichtaustrittsfläche 15 befindet sich in dieser Dar stellung nunmehr wiederum auf der Oberseite, während sich die Kontakte 17 auf der Unterseite befinden.

Im Übrigen ist es auf vorteilhafte Weise mit dem dargestellten Lichtemitter 10 nunmehr mithilfe weiterer Prozessschritte be darfsgerecht zusätzliche Elemente aufzubringen. In diesem Zusam menhang ist es denkbar, auf die auf der Oberseite befindlichen Lichtaustrittsfläche 15 beispielsweise optische Elemente 13, etwa ein diffraktives optisches Element oder eine Mikrolinse, aufzu bringen .

Allen zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele ist gemein, dass eine Lichtemittereinheit 10 mit einem VCSEL-Chip 11 bereitgestellt wird, die über ein Abdeckelement 12 verfügt, das durch Vergießen oder mit einem geeigneten Spritzgießverfahren, wie beispielsweise dem Film-Assisted Transfer Molding oder dem Compression Molding, hergestellt worden ist. Die dargestellten Lichtemittereinheiten 10 mit VCSEL-Chip verfügen im Vergleich zu den bekannten techni schen Lösungen über eine relativ kleine Baugröße, insbesondere die Höhe der Bauelemente ist besonders gering. Aus diesem Grund lassen sich die dargestellten Lichtemittereinheiten auf vorteil hafte Weise allein oder in Form von Arrays in entsprechende Ge räte, beispielsweise zur Abstandsmessung oder zur Objekterken nung, integrieren. Bezugszeichenliste

10 Lichtemittereinheit

11 VCSEL-Chip

12 Abdeckelement

13 optisches Element

14 optischer Abstandhalter

15 Lichtaustrittsfläche

16 Umgebung

17 Kontakte

18 Seitenfläche

19 integrierter Schaltkreis

20 temporärer Träger

21 Kontaktfläche

22 Kontakte des VCSEL-Chips

Claims

Patentansprüche

1. Lichtemittereinheit (10) mit wenigstens einem VCSEL-Chip (11), die eine Lichtaustrittsfläche (15), über die vom VCSEL- Chip (11) erzeugtes und senkrecht zur Chipebene abgestrahltes Licht in eine Umgebung (16) emittiert wird, und die Kontakte (17) zur Zuführung der für die Erzeugung des Lichts durch den VCSEL-Chip (11) benötigten elektrischen Energie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine senkrecht zur Chipebene angeordnete Seitenfläche (18) des VCSEL-Chips (11) wenigstens abschnittsweise von einem Abdeckelement (12) be rührt und überdeckt wird, wobei das Abdeckelement (12) im wesentlichen planar mit der Lichtaustrittsfläche (15) ab schließt .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (12) wenigs tens über einen Werkstoff aus einer Werkstoffgruppe, die Si likon, Epoxidharz und Verbundwerkstoff aufweist, verfügt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zumindest einen Füllstoff aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Siliciumdioxid (SiCk) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL-Chip (11) auf einem integrierten Schaltkreis (19) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (15) Teil des VCSEL-Chips (11) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (15) zumindest teilweise von einem optischen Element (13) gebildet wird .

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (13) we nigstens ein diffraktives optisches Element, eine Metaoptik und/oder eine Linse aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (13) ein transparentes Fenster aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem VCSEL-Chip (11) und der Lichtaustrittsfläche (15) ein optischer Abstandhalter (14) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektor und/oder Sensor vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL-Chip (11) wenigstens einen integrierten Schaltkreis (19) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (12) durch Film-Assisted Transfer Molding (FAM) , Compression Molding und/oder Transfer Molding hergestellt ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (12) eine aus gehärtete Vergussmasse aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL-Chip (11) im Wege einer Flip-Chip-Montage mit den Kontakten (17) verbunden wurde.