WO2024023005A1 - Optoelektronisches modul und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen moduls - Google Patents

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connection point
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Erik Heinemann
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Definitions

  • An optoelectronic module and a method for producing an optoelectronic module are specified.
  • the optoelectronic module comprises a carrier.
  • the carrier serves in particular for the mechanical stabilization of other components of the optoelectronic module. Furthermore, it is possible for the other components to be electrically contacted via the carrier.
  • the carrier can be, for example, a connection carrier that includes conductor tracks and/or contact points for electrically contacting other components.
  • the optoelectronic module comprises a radiation-emitting semiconductor body.
  • the optoelectronic module is, in particular, a radiation-emitting module.
  • the radiation-emitting semiconductor body preferably emits electromagnetic radiation in the visible spectral range, for example in the red, green, or blue wavelength range and/or in the near infrared or UV spectral range.
  • this is the case Semiconductor body around a laser diode.
  • the semiconductor body in particular has an exit facet through which the electromagnetic radiation is emitted.
  • the radiation-emitting semiconductor body is preferably arranged on the carrier.
  • the carrier can advantageously be used for electrical contacting of the radiation-emitting semiconductor body.
  • the optoelectronic module comprises an optical element.
  • the optical element is arranged in a beam path of the radiation-emitting semiconductor body.
  • the optical element is set up to influence the electromagnetic radiation emitted by the radiation-emitting semiconductor body.
  • the optical element can be, for example, a diffractive and/or reflective and/or radiation-refracting and/or polarizing and/or birefringent optical element.
  • At least one component from the group of semiconductor body and optical element is connected to the carrier via a connection point.
  • connection point is designed to mechanically and/or electrically couple the component to the carrier.
  • the connection point is in direct contact with the carrier, the semiconductor body and/or the optical element.
  • a further component is arranged between the semiconductor body and the carrier and/or the optical element and the carrier, which is in direct contact with the connection point.
  • a submount arranged between the semiconductor body and the carrier, for example the submount being connected directly to the carrier via the connection point.
  • connection point has metallic nanostructures.
  • the nanostructures therefore have a metal or are formed from it.
  • the nanostructures have metallic properties.
  • the nanostructures have an extent, for example a length, a width and/or a diameter, in the range from 10 nanometers to 10 micrometers inclusive, in particular in the range from 10 nanometers to 1 micrometer inclusive.
  • connection point is free of organic components.
  • no organic connecting agent for example no organic adhesive, is used to attach the radiation-emitting semiconductor body and/or the optical element to the carrier.
  • an optoelectronic module has a carrier, a radiation-emitting semiconductor body on the carrier and an optical element in a beam path of the semiconductor body, with at least one component from the group of semiconductor body and optical element via a connection point that has metallic nanostructures. connected to the carrier.
  • the semiconductor body and the optical element are each connected to the carrier via a connection point.
  • Such an optoelectronic module can advantageously be used in the field of projection, in the automotive sector, as in a head-up display (HUD) or in a lidar system, and/or in the area of sensor technology.
  • HUD head-up display
  • lidar lidar system
  • the optoelectronic module has a housing.
  • the housing hermetically encapsulates the semiconductor body.
  • the housing at least partially prevents damage to the semiconductor body caused by external influences, such as oxygen or moisture. This allows the lifespan of the optoelectronic module to be extended.
  • the semiconductor body comprises or is a laser diode.
  • the laser diode emits an emission spectrum with an emission maximum of at most 550 nanometers or with an emission maximum in the range from 550 nanometers to 620 nanometers inclusive or in the range from 620 nanometers to 680 nanometers inclusive.
  • the laser diode emits, for example, blue to blue-green light, green to green-yellow light or red light.
  • the optoelectronic module has at least one further semiconductor body. All features and embodiments that have already been described in connection with the semiconductor body also apply in particular to the at least one further semiconductor body.
  • the optoelectronic module has a total of three semiconductor bodies.
  • the at least one further semiconductor body is or includes, for example, one Laser diode.
  • the further semiconductor bodies preferably have an emission maximum in a different spectral range than the semiconductor body.
  • the optoelectronic module includes a first semiconductor body with an emission maximum in the blue spectral range, a second semiconductor body with an emission maximum in the green spectral range and a third semiconductor body with an emission maximum in the red spectral range. In this way, an optoelectronic module can be provided that emits white mixed light.
  • the optoelectronic module is free of organic components, at least within the housing.
  • optoelectronic modules which in particular have a laser diode with an emission maximum of at most 550 nanometers
  • organic contaminants are deposited on the exit facet of the semiconductor body due to a high energy density of the emitted radiation and/or a high beam divergence. This can lead to a reduced service life of the optoelectronic module.
  • the optical element is selected from the following group: lens, prism, collimation lens, beam combiner, polarization filter, birefringent crystal, photonic integrated circuit .
  • the beam combiner is a dichroic beam combiner.
  • the photonic integrated circuit is also known in English as a “photonic integrated circuit” (PIC for short).
  • the metallic nanostructures include or consist of nanowires.
  • the nanowires have a distance of a maximum of 10 micrometers, in particular a maximum of 1 micrometer, for example a maximum of 0.1 micrometer.
  • the distance is the length of a shortest connecting line between two adjacent nanowires.
  • the nanowires at least partially touch each other.
  • the nanowires are present in the connection point in such a way that there is stable contact between two nanowires. This advantageously creates a mechanically stable connection point.
  • the nanowires are intertwined.
  • the metallic nanostructures include or consist of at least one metal from the following group: Au, Ag, Cu.
  • Au, Ag and Cu are characterized by their chemical stability.
  • these metals can be easily deformed.
  • the Module is between the metallic nanostructures Alloy arranged.
  • the alloy has the metal of the nanostructures.
  • the alloy provides a material-coherent connection point.
  • a further component of the alloy is selected from the following group: Ga, In, Hg, Sn.
  • Ga, In, Hg and Sn have a low melting point in their metallic form.
  • these elements can advantageously be easily introduced into the connection point.
  • Ga, In, Hg and Sn form alloys with the metal of the nanostructures, for example Au, Ag and Cu, with a melting point of in particular over 250 ° C, preferably over 260 ° C.
  • An optoelectronic module is thus advantageously provided that has high temperature resistance and/or is SMD solderable.
  • SMD stands for surface mounted device.
  • the alloy has a material selected from the following group: AuGa, Auln, AuHg, AgGa, Agln, AgHg, CuSn.
  • a method for producing an optoelectronic module is also specified.
  • the optoelectronic module described here is produced using the method. Therefore, all features and embodiments described in connection with the optoelectronic module also apply to the method and vice versa.
  • a carrier with a first connecting element is provided.
  • the connecting element has metallic nanostructures.
  • the metallic nanostructures include or consist of nanowires.
  • the first connecting element covers the carrier, for example, partially or completely.
  • a component is provided.
  • the component includes a second connecting element with metallic nanostructures.
  • the metallic nanostructures include or consist of nanowires.
  • the metallic nanostructures of the first connecting element and the metallic nanostructures of the second connecting element are, for example, designed to be the same or different.
  • the second connecting element at least partially covers a surface of the component that is connected to the carrier.
  • the component is actively adjusted on the carrier.
  • a positioning and/or an alignment of the component on the carrier is carried out using an optical output parameter.
  • an intensity, a spectral power distribution, a beam divergence and/or a degree of polarization of an electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic module during operation is used as the optical output parameter.
  • positioning refers, for example, to a displacement of the component in the lateral and/or horizontal direction based on a Main extension plane of the carrier understood.
  • the alignment of the component includes, in particular, a rotation of the component about one of its main axes. In particular, the component is aligned around six axes during active adjustment.
  • the active adjustment enables the component to be precisely applied to the carrier. This makes it possible to compensate for component-specific fluctuations and thus prevent the production of defective optoelectronic modules.
  • the carrier and the component are connected.
  • a connection point is created.
  • the connection point includes in particular the first connecting element and the second connecting element.
  • the carrier and the component are connected while the component is being actively adjusted on the carrier.
  • the carrier and the component are only connected after active adjustment.
  • the metallic nanostructures comprise nanowires, the nanowires of the first connecting element and the second connecting element become entangled, particularly during connection.
  • the method for producing an optoelectronic module comprises the following steps:
  • connection point comprising the first connecting element and the second connecting element is in particular free of organic components, which can initially lead to reduced performance and ultimately to the inoperability of the optoelectronic module.
  • the service life of the optoelectronic module can therefore advantageously be extended by the connection point, which has no organic components.
  • organic adhesives are used to connect the component and the carrier.
  • the component is advantageously brought into the desired position only once by active adjustment and connected to the carrier. This allows the number of optoelectronic modules that can be produced in one hour using the process to be increased compared to the other processes.
  • the component is selected from the following group: semiconductor body, optical element, submount, interposer.
  • a submount is a component that is used to electrical contacting and / or mechanical stabilization of a semiconductor body is used.
  • An interposer is, for example, a mechanical component that can be used to adjust the height of the optical element.
  • connection point is stable at a temperature of at least 250° C.
  • stable is understood to mean that the connection point shows no or only slight mechanical deformation and/or chemical change in the composition of the connection point at the temperature.
  • the connection point has a high temperature resistance. This makes it possible to provide an optoelectronic module that is advantageously SMD solderable.
  • a compacting agent is introduced into the connection point when connecting the carrier and the component.
  • the densifying agent forms an alloy with a material of the first connecting element and the second connecting element.
  • the densifying agent preferably forms an alloy with a material of the metallic nanostructures.
  • the material of the first connecting element and the second connecting element is partially dissolved in the densifying agent and the alloy is thus formed.
  • the alloy preferably has a higher melting point than the densifying agent. This can lead to isothermal solidification of the alloy.
  • the melting point of the alloy also allows the alloy to harden at low temperatures, for example at Temperatures below 100°C. Because the material of the first connecting element and the second connecting element is only partially dissolved in the sealing agent, the connection point with the metallic nanostructures can be distinguished from a soldering point. For example, a difference between the connection point and a soldering point can be seen with the help of a scanning electron microscope.
  • the densifying agent and thus also the alloy fills cavities that are present in particular between the metallic nanostructures of the first connecting element and the metallic nanostructures of the second connecting element. This advantageously forms a materially coherent connection between the component and the carrier.
  • a solder is used in particular to firmly connect the carrier and the component.
  • the use of the solder can lead to high thermal and/or mechanical stress on the carrier and/or the component.
  • the high thermal and/or mechanical stress is caused, for example, by high temperatures that are necessary during soldering or by tensions and distortion that arise during soldering.
  • a solder material used such as a solder paste, contains an organic component that must be removed to protect the optoelectronic module from contamination.
  • connection point created in this way is in particular free of organic components and has low frozen stresses and a low bi-metal effect.
  • the bi-metal effect can be observed, for example, with two layers of metal lying one above the other, which are materially connected to one another and have different coefficients of thermal expansion. Due to the different coefficients of thermal expansion, one of the layers expands more than the other when heated, causing the two layers on top of each other to bend.
  • the nanowires in the first connecting element and the nanowires in the second connecting element are brought together during the active adjustment in such a way that the nanowires of the first connecting element and the nanowires of the second connecting element have a distance of a maximum of 10 micrometers, in particular of have a maximum of 1 micrometer, for example a maximum of 0.1 micrometer.
  • a play-free active adjustment is carried out.
  • a mechanically stable connection point is then obtained, for example.
  • the sealing agent is melted before being introduced into the connection point.
  • the sealing agent is introduced into the connection point in liquid form. In this way, in particular, an almost complete or complete filling of the cavities between the metallic nanostructures of the first Connecting element and the metallic nanostructures of the second connecting element with the sealant and the alloy.
  • the densifying agent is selected from the following group: Ga, In, Hg, Sn and alloys thereof.
  • Ga, In, Hg, Sn and alloys thereof have a low melting point. This advantageously facilitates introduction into the connection point. In addition, thermal stress on the optoelectronic module and its components can be reduced.
  • the first connecting element has a greater extent than the second connecting element, in particular in a top view.
  • the first connecting element has a larger area in plan view than the second connecting element. This advantageously results in the formation of a connection point with the greatest possible extent, for example with the extent of the second connecting element.
  • the first connecting element and/or the second connecting element has a rectangular, in particular square, shape, particularly in plan view.
  • first connecting element and/or the second connecting element it is also possible for the first connecting element and/or the second connecting element to have a different shape in plan view, such as that of an oval, in particular an ellipse or a circle, or that of a polygon, such as a hexagon.
  • refinements and further developments of the optoelectronic module and the method for producing an optoelectronic module result from the following exemplary embodiments shown in conjunction with the figures.
  • Figure 1A shows a schematic sectional view of an optoelectronic module according to an exemplary embodiment.
  • Figure 1B shows a schematic top view of an optoelectronic module according to an exemplary embodiment.
  • Figures 2A and 2B show schematic sectional views of steps of a method for producing an optoelectronic module according to an exemplary embodiment.
  • Figures 3A to 3C show schematic sectional views of steps of a method for producing an optoelectronic module according to a further exemplary embodiment.
  • Figures 4A and 4B show a schematic sectional view and a top view of a step of a method for producing an optoelectronic module according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1A An exemplary embodiment of an optoelectronic module 1 is shown in FIG. 1A.
  • the optoelectronic module 1 comprises a carrier 2 on which a semiconductor body 3 and an optical element 4 are arranged.
  • the semiconductor body 3 and the optical element 4 are hermetically encapsulated by a housing 6.
  • the semiconductor body 3 comprises or is, in the present case, a laser diode with an emission maximum of at most 550 nanometers. Electromagnetic radiation emitted by the semiconductor body 3 is emitted through an exit facet 31 .
  • the semiconductor body 3 is applied to a submount 7, which is connected directly to the carrier 2 via a connection point 5. In other words, the semiconductor body 3 is connected to the carrier 2 via the connection point 5. It is also possible for a further connection point 5 to be arranged between the semiconductor body 3 and the submount 7. Alternatively, the semiconductor body 3 is connected directly to the carrier 2 via the connection point 5. In this case, no submount 7 is arranged between semiconductor body 3 and carrier 2.
  • the connection point 5 has metallic nanostructures.
  • the metallic nanostructures are nanowires. In the present case, the nanowires are at a maximum distance of 1 micrometer or the nanowires are at least partially touching each other. In particular, the nanowires are intertwined. A main extension direction of the nanowires is transverse, in particular perpendicular to a main extension plane of the connection point 5.
  • the metallic nanostructures include Au, Ag and/or Cu or consist of them.
  • An alloy is arranged between the metallic nanostructures.
  • the alloy has the Au, Ag and/or Cu of the metallic nanostructures and another component.
  • the other component of the alloy is selected from the following group: Ga, In, Hg, Sn.
  • the alloy can therefore include, for example, AuGa, Auln, AuHg, AgGa, Agln, AgHg or CuSn.
  • the optical element 4 is arranged in a beam path of the semiconductor body 3 of the optoelectronic module 1 of FIG. 1A. In other words, the optical element 4 is arranged on a side of the semiconductor body 3 on which the exit facet 31 is present.
  • the optical element 4 is, for example, a prism, a collimation lens or a beam splitter.
  • An interposer 8 is arranged between the optical element 4 and the carrier 2 .
  • a connection point 5' is arranged between the interposer 8 and the carrier 2.
  • the optical element 4 is connected to the carrier 2 via the connection point 5′ between the interposer 8 and the carrier 2.
  • the optical element 4 is connected directly to the carrier 2 via the connection point 5'. This means that there is no interposer 8 arranged between the optical element 4 and the carrier 2.
  • connection point 5 'between the interposer 8 and the carrier 2 is in particular designed in the same way as the connection point 5 between the submount 7 and the carrier 2.
  • the connection point 5′ has metallic nanostructures and/or an alloy made of a different material than the connection point 5.
  • the metallic nanostructures of the connection point 5' include Au, Ag and/or Cu.
  • the alloy of the connection point 5' has the Au, Ag and/or Cu of the metallic nanostructures and another component such as Ga, In, Hg or Sn.
  • the metallic nanostructures are nanowires which have a main extension direction transversely, in particular perpendicular to a main extension plane of the connection point 5 '.
  • FIG. 1B shows an optoelectronic module 1 in a schematic top view.
  • FIG. 1B shows the optoelectronic module 1 of FIG. 1A in a top view.
  • a total of three semiconductor bodies 3, 3 ', 3'' are arranged on the carrier 2 and are connected to the carrier 2 via a connection point 5.
  • a submount 7, 7', 7'' is arranged between the carrier 2 and the semiconductor bodies 3, 3', 3''.
  • the semiconductor bodies 3, 3 ', 3' 'in the present case comprise laser diodes.
  • Optical elements 4, 4', 4'' are located in beam paths of the semiconductor bodies 3, 3', 3''.
  • the optical elements 4, 4', 4'' are connected to the carrier 2 through connection points 5'.
  • the semiconductor bodies 3, 3', 3'' differ in the electromagnetic radiation they emit.
  • the semiconductor body 3 emits electromagnetic radiation from the blue spectral range
  • the semiconductor body 3' emits electromagnetic radiation from the red spectral range
  • the semiconductor body 3'' emits electromagnetic radiation from the green spectral range.
  • Figures 2A and 2B describe a method for producing an optoelectronic module 1 according to an exemplary embodiment.
  • a carrier 2 with a first connecting element 9 and a component 10 with a second connecting element 11 are provided (Figure 2A).
  • the first connecting element 9 at least partially covers the carrier 2.
  • the first connecting element 9 and the second connecting element 11 comprise metallic nanostructures, preferably nanowires, which have Au.
  • the first connecting element 9 on the carrier 2 has a greater extent than the second connecting element 11 on the component 10.
  • the metallic nanostructures comprise nanowires which have a main extension direction transverse to a main extension direction of the first connecting element 9 and/or the second connecting element 11.
  • the component 10 includes a semiconductor body 3 or an optical element 4.
  • component 10 is a lens.
  • the component 10 is actively adjusted with the aid of a gripper.
  • an optical output parameter of the optoelectronic module 1 is detected.
  • the component 10 is then aligned and positioned with the gripper based on the optical output parameter.
  • the component 10 is aligned and positioned while a semiconductor body 3 already arranged on the carrier 2 emits electromagnetic radiation.
  • the component 10 is aligned with the help of the gripper so that, for example, an intensity of the electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic module 1 is maximum.
  • connection point 5 which is the first connecting element 9 and the second connecting element 11 comprises, as shown in FIG. 2B.
  • the metallic nanostructures of the first connecting element 9 and the second connecting element 11 engage with one another or at least partially touch one another.
  • Figures 3A to 3C show a further exemplary embodiment of a method for producing an optoelectronic module 1.
  • a carrier 2 with a first connecting element 9, which has metallic nanostructures is provided (FIG. 3A).
  • a component 10 is provided with a second connecting element 11, which also has metallic nanostructures.
  • the first connecting element 9 has a greater extent than the second connecting element 11.
  • the metallic nanostructures of the first connecting element 9 and the second connecting element 11 comprise nanowires with Au.
  • Au has a melting temperature of around 1064 ° C.
  • component 10 comprises a lens.
  • the component 10 is actively adjusted, with the first connecting element 9 and the second connecting element 11 being pressed together, as shown in FIG. 3B.
  • the component 10 is aligned and/or positioned around six axes. This creates a connection point 5 which includes the first connecting element 9 and the second connecting element 11.
  • the nanowires of the first connecting element 9 and the second connecting element 11 are at a maximum distance of 10 micrometers.
  • a compaction agent 12 is then introduced into the connection point 5.
  • the densifying agent 12 is introduced into the connection point 5 in liquid form, for example with the help of a dispenser 13.
  • the compression agent 12 comprises Ga or In.
  • the sealing agent 12 can be introduced into the connection point 5 in liquid form, the sealing agent 12 is melted before being introduced into the connection point 5.
  • Ga in particular has a melting temperature of about 30 ° C, In of about 157 ° C.
  • the compaction agent 12 is drawn into cavities between the metallic nanostructures of the first connecting element 9 and the second connecting element 11. In particular, this process occurs through capillary forces.
  • the densification agent 12 dissolves part of the material of the metallic nanostructures of the first connecting element 9 and the second connecting element 9, so that an alloy is formed between the metallic nanostructures. Some of the metallic nanostructures remain in the connection point 5.
  • the connection point 5 has the metallic nanostructures of the first connecting element 9 and the second connecting element 11 as well as the alloy.
  • the alloy features AuGa or Auln.
  • the alloy made of the material of the first connecting element 9 and the second connecting element 11 as well as the densifying agent 12 has a higher melting temperature than the densifying agent 12, in particular a melting temperature of over 260 ° C. This results in one isothermal solidification of the alloy between the metallic nanostructures in the connection point 5. In this way, a cohesive connection is created between the component 10 and the carrier 2 (FIG. 3C).
  • the junction 5 is stable at a temperature of approximately 260° C. because none of the materials in the junction 5 melts below this temperature. This means that the connection is SMD solderable.
  • Figure 4A shows a schematic sectional view of a step of a method for producing an optoelectronic module 1 according to an exemplary embodiment.
  • a first connecting element 9 is applied to the carrier 2 and a second connecting element 11 is applied to the component 10.
  • the second connecting element 11 has a smaller extension than the first connecting element 9.
  • the second connecting element 11 has a smaller dimension than the component 10.
  • the second connection point 11 only covers a part of the surface of the component 10, via which the component 10 is connected to the carrier 2.
  • the component 10 is aligned by rotating about one of its main axes. The rotation takes place in particular along the rotation directions 14.
  • FIG. 4B shows a top view of the step of the method for producing an optoelectronic module 1 shown in FIG. 4A.
  • the first connecting element 9 on the carrier 2 has a greater extent than the component 10.
  • the component 10 is positioned along the displacement directions 15.
  • the displacement directions 15 are parallel to a main extension plane of the carrier 2 and/or the component 10.
  • vertical positioning takes place, that is, positioning perpendicular to the main extension plane of the carrier 2.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul (1) mit einem Träger (2), einem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (3) auf dem Träger, und einem optischen Element (4) in einem Strahlengang des Halbleiterkörpers (3) angegeben, wobei zumindest ein Bauteil (3, 4) aus der Gruppe Halbleiterkörper (3) und optisches Element (4) über eine Verbindungsstelle (5), die metallische Nanostrukturen aufweist, mit dem Träger (2) verbunden ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls beschrieben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES MODUL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN MODULS
Es wird ein optoelektronisches Modul und einer Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben .
Es ist unter anderem eine Aufgabe ein optoelektronisches Modul mit erhöhter Ef fi zienz und/oder mit einer verlängerten Lebensdauer bereitzustellen . Weiterhin soll ein ef fi zientes und einfaches Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul einen Träger . Der Träger dient insbesondere zur mechanischen Stabilisierung von weiteren Komponenten des optoelektronischen Moduls . Weiterhin ist es möglich, dass die weiteren Komponenten über den Träger elektrisch kontaktiert werden . Bei dem Träger kann es sich dazu zum Beispiel um einen Anschlussträger handeln, der Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung von weiteren Komponenten umfasst .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper . Das heißt , bei dem optoelektronischen Modul handelt es sich insbesondere um ein strahlungsemittierendes Modul . Bevorzugt emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterkörper elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise im roten, grünen, oder blauen Wellenlängenbereich und/oder im nahen Infrarot- oder UV- Spektralbereich . Insbesondere handelt es sich bei dem Halbleiterkörper um eine Laserdiode . Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine Austritts facette auf , durch die die elektromagnetische Strahlung emittiert wird .
Bevorzugt ist der strahlungsemittierende Halbleiterkörper auf dem Träger angeordnet . Der Träger kann dabei vorteilhafterweise zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers eingesetzt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul ein optisches Element . Insbesondere ist das optische Element in einem Strahlengang des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers angeordnet . Beispielsweise ist das optische Element dazu eingerichtet die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper emittierte elektromagnetische Strahlung zu beeinflussen . Bei dem optischen Element kann es sich dazu zum Beispiel um ein di f fraktives und/oder reflektives und/oder strahlungsbrechendes und/oder polarisierendes und/oder doppelbrechendes optisches Element handeln .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist zumindest ein Bauteil aus der Gruppe Halbleiterkörper und optisches Element über eine Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden .
Insbesondere ist die Verbindungsstelle dazu eingerichtet , das Bauteil mechanisch und/oder elektrisch an den Träger anzukoppeln . Beispielsweise ist die Verbindungsstelle in direktem Kontakt mit dem Träger, dem Halbleiterkörper und/oder dem optischen Element . Alternativ ist es möglich, dass zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger und/oder dem optischen Element und dem Träger ein weiteres Bauteil angeordnet ist , das in direktem Kontakt mit der Verbindungsstelle ist . Beispielsweise ist ein Submount zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger angeordnet , wobei beispielsweise der Submount direkt über die Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden ist .
Die Verbindungsstelle weist metallische Nanostrukturen auf . Die Nanostrukturen weisen also ein Metall auf oder sind daraus gebildet . Zum Beispiel weisen die Nanostrukturen metallische Eigenschaften auf . Insbesondere weisen die Nanostrukturen eine Ausdehnung, beispielsweise eine Länge , eine Breite und/oder einen Durchmesser, im Bereich von einschließlich 10 Nanometer bis einschließlich 10 Mikrometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 10 Nanometer bis einschließlich 1 Mikrometer auf .
Insbesondere ist die Verbindungsstelle frei von organischen Bestandteilen . Mit anderen Worten wird kein organisches Verbindungsmittel , zum Beispiel kein organischer Kleber zum Befestigen des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers und/oder des optischen Elements auf dem Träger eingesetzt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist ein optoelektronisches Modul einen Träger, einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf dem Träger und ein optisches Element in einem Strahlengang des Halbleiterkörpers auf , wobei zumindest ein Bauteil aus der Gruppe Halbleiterkörper und optisches Element über eine Verbindungsstelle , die metallische Nanostrukturen aufweist , mit dem Träger verbunden ist . Insbesondere sind der Halbleiterkörper und das optische Element j eweils über eine Verbindungsstelle mit dem Träger verbunden .
Ein solches optoelektronisches Modul kann vorteilhafterweise im Bereich der Proj ektion, im Automotive-Bereich, wie in einem Head-up-Display (HUD) oder in einem Lidar-System, und/oder im Bereich der Sensorik eingesetzt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das optoelektronische Modul ein Gehäuse auf . Insbesondere verkapselt das Gehäuse den Halbleiterkörper hermetisch . Vorteilhafterweise wird durch das Gehäuse eine Beschädigung des Halbleiterkörpers durch äußere Einflüsse , wie Sauerstof f oder Feuchtigkeit , zumindest teilweise verhindert . Dadurch kann eine Lebensdauer des optoelektronischen Moduls verlängert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst oder ist der Halbleiterkörper eine Laserdiode . Insbesondere emittiert die Laserdiode ein Emissionsspektrum mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer oder mit einem Emissionsmaximum im Bereich von einschließlich 550 Nanometer bis einschließlich 620 Nanometer oder im Bereich von einschließlich 620 Nanometer bis einschließlich 680 Nanometer . Mit anderen Worten emittiert die Laserdiode zum Beispiel blaues bis blaugrünes Licht , grünes bis grüngelbes Licht oder rotes Licht .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das optoelektronische Modul zumindest einen weiteren Halbleiterkörper auf . Alle Merkmale und Aus führungs formen, die bereits in Verbindung mit dem Halbleiterkörper beschrieben sind gelten insbesondere auch für den zumindest einen weiteren Halbleiterkörper .
Insbesondere weist das optoelektronische Modul insgesamt drei Halbleiterkörper auf . Der zumindest eine weitere Halbleiterkörper ist oder umfasst beispielsweise eine Laserdiode . Bevorzugt weisen die weiteren Halbleiterkörper ein Emissionsmaximum in einem anderen Spektralbereich auf als der Halbleiterkörper . Beispielsweise umfasst das optoelektronische Modul einen ersten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im blauen Spektralbereich, einen zweiten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im grünen Spektralbereich und einen dritten Halbleiterkörper mit einem Emissionsmaximum im roten Spektralbereich . Auf diese Weise kann ein optoelektronisches Modul bereitgestellt werden, dass weißes Mischlicht emittiert .
Gemäß zumindest einem Aus führungsbeispiel ist das optoelektronische Modul zumindest innerhalb des Gehäuses frei von organischen Bestandteilen .
Bei optoelektronischen Modulen, die insbesondere eine Laserdiode mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer aufweisen, ist es möglich, dass auf Grund einer hohen Energiedichte der emittierten Strahlung und/oder einer hohen Strahldivergenz organische Verunreinigungen auf der Austritts facette des Halbleiterkörpers abgeschieden werden . Hierdurch kann es zu einer verringerten Lebensdauer des optoelektronischen Moduls kommen . Dadurch, dass das optoelektronische Modul zumindest innerhalb des Gehäuses frei von organischen Bestandteilen ausgeformt wird, wird insbesondere die verringerte Lebensdauer des optoelektronischen Moduls auf Grund der Verunreinigungen auf der Austritts facette des Halbleiterkörpers verhindert .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist das optische Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe : Linse , Prisma, Kollimationslinse , Strahlkombinierer , Polarisations filter, doppelbrechender Kristall , photonische integrierte Schaltung . Insbesondere ist der Strahlkombinierer ein dichroitischer Strahlkombinierer . Die photonische integrierte Schaltung wird im Englischen auch als „photonic integrated circuit" ( kurz PIC ) bezeichnet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls weisen die Nanodrähte einen Abstand von maximal 10 Mikrometern, insbesondere maximal 1 Mikrometer, beispielsweise von maximal 0 , 1 Mikrometer auf . Insbesondere handelt es sich bei dem Abstand um die Länge einer kürzesten Verbindungsgeraden zwischen zwei benachbarten Nanodrähten .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls berühren sich die Nanodrähte zumindest teilweise . Mit anderen Worten liegen die Nanodrähte in der Verbindungsstelle so vor, dass ein stabiler Kontakt zwischen zwei Nanodrähten vorhanden ist . Hierdurch wird vorteilhafterweise eine mechanisch stabile Verbindungsstelle erzeugt . Insbesondere sind die Nanodrähte ineinander verhakt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls umfassen die metallischen Nanostrukturen zumindest ein Metall aus der folgenden Gruppe oder bestehen daraus : Au, Ag, Cu . Insbesondere zeichnen sich Au, Ag und Cu durch ihre chemische Stabilität aus . Darüber hinaus können diese Metalle leicht verformt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen
Moduls ist zwischen den metallischen Nanostrukturen eine Legierung angeordnet . Insbesondere weist die Legierung das Metall der Nanostrukturen auf . Durch die Legierung wird insbesondere eine stof f schlüssige Verbindungsstelle bereit gestellt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist ein weiterer Bestandteil der Legierung ausgewählt aus der folgenden Gruppe : Ga, In, Hg, Sn . Insbesondere weisen Ga, In, Hg und Sn in ihrer metallischen Form einen niedrigen Schmel zpunkt auf . Dadurch lassen sich diese Elemente vorteilhafterweise leicht in die Verbindungsstelle einbringen . Weiterhin bilden Ga, In, Hg und Sn mit dem Metall der Nanostrukturen, beispielsweise Au, Ag und Cu, Legierungen mit einem Schmel zpunkt von insbesondere über 250 ° C, bevorzugt von über 260 ° C . Somit wird vorteilhafterweise ein optoelektronisches Modul bereitgestellt , dass eine hohe Temperaturf estigkeit aufweist und/oder SMD-lötfähig ist . SMD steht hier und im Folgenden für surface mounted device ( deutsch : oberflächenmontiertes Bauelement ) .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls weist die Legierung ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe auf : AuGa, Auln, AuHg, AgGa, Agln, AgHg, CuSn .
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls angegeben . Insbesondere wird das hier beschrieben optoelektronische Modul mit dem Verfahren hergestellt . Daher gelten alle in Verbindung mit dem optoelektronischen Modul beschriebenen Merkmale und Aus führungs formen auch für das Verfahren und umgekehrt . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird ein Träger mit einem ersten Verbindungselement bereitgestellt . Insbesondere weist das Verbindungselement metallische Nanostrukturen auf . Beispielsweise umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus . Das erste Verbindungselement bedeckt den Träger zum Beispiel teilweise oder vollständig .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird eine Komponente bereitgestellt . Die Komponente umfasst ein zweites Verbindungselement mit metallischen Nanostrukturen . Insbesondere umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte oder bestehen daraus . Die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und die metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements sind beispielsweise gleich oder unterschiedlich ausgebildet . Das zweite Verbindungselement bedeckt eine Oberfläche der Komponente , die mit dem Träger verbunden wird, zumindest teilweise .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Komponente aktiv auf dem Träger j ustiert . Bei der aktiven Justierung der Komponente wird insbesondere eine Positionierung und/oder eine Ausrichtung der Komponente auf dem Träger anhand eines optischen Ausgangsparameters durchgeführt . Beispielsweise wird als optischer Ausgangsparameter eine Intensität , eine spektrale Leistungsverteilung, eine Strahldivergenz und/oder ein Polarisationsgrad einer von dem optoelektronischen Modul im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung herangezogen . Unter Positionierung wird hier und im Folgenden beispielsweise eine Verschiebung der Komponente in lateraler und/oder hori zontaler Richtung bezogen auf eine Haupterstreckungsebene des Trägers verstanden . Die Ausrichtung der Komponente umfasst insbesondere eine Drehung der Komponente um eine ihrer Hauptachsen . Insbesondere erfolgt während dem aktiven Justieren eine Ausrichtung der Komponente um sechs Achsen .
Vorteilhafterweise ermöglicht die aktive Justage eines präzises Aufbringen der Komponente auf dem Träger . Hierdurch können bauteilspezi fische Schwankungen ausgeglichen werden und so ein Herstellen von fehlerhaften optoelektronischen Modulen verhindert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens werden der Träger und die Komponente verbunden . Dabei entsteht insbesondere eine Verbindungsstelle . Die Verbindungsstelle umfasst insbesondere das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement . Beispielsweise erfolgt das Verbinden des Träger und der Komponente bereits während des aktiven Justierens der Komponente auf dem Träger . Alternativ ist es möglich, dass das Verbinden des Trägers und der Komponente erst nach dem aktiven Justieren erfolgt . Umfassen die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte , so verhaken sich die Nanodrähte des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements insbesondere während des Verbindens .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls die folgenden Schritte :
- Bereitstellen eines Träger mit einem ersten Verbindungselement , das metallische Nanostrukturen aufweist ,
- Bereitstellen einer Komponente mit einem zweiten Verbindungselement , das metallische Nanostrukturen aufweist ,
- aktives Justieren der Komponente auf dem Träger, - Verbinden des Trägers und der Komponente , wobei eine Verbindungsstelle umfassend das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement entsteht .
Die Verbindungsstelle umfassend das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement ist insbesondere frei von organischen Bestandteilen, die zunächst zu einer verringerten Leistung und schlussendlich zu einer Funktionsunfähigkeit des optoelektronischen Moduls führen können . Durch die Verbindungsstelle , die keine organischen Bestandteile aufweist , kann eine Lebensdauer des optoelektronischen Moduls also vorteilhafterweise verlängert werden .
In anderen Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Modulen werden organische Klebstof fe zum Verbinden der Komponente und des Trägers eingesetzt . Jedoch ist es bei Verwendung des organischen Klebstof fs notwendig die Komponente zunächst ohne den organischen Klebstof f zu aktiv zu j ustieren, die Komponente wieder zu entfernen, den organischen Klebstof f auf zubringen, die Komponente an die zuvor bestimmte Position zu bringen und anschließend den organischen Klebstof f aus zuhärten . Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Komponente vorteilhafterweise lediglich einmal durch aktives Justieren in die gewünschte Position gebracht und mit dem Träger verbunden . Hierdurch kann eine Stückzahl an optoelektronischen Modulen, die in einer Stunde mit dem Verfahren hergestellt werden kann, im Vergleich zu den anderen Verfahren erhöht werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens ist die Komponente ausgewählt aus der folgenden Gruppe : Halbleiterkörper, optisches Element , Submount , Interposer . Insbesondere ist ein Submount ein Bauelement , das zur elektrischen Kontaktierung und/oder mechanischen Stabilisierung eines Halbleiterkörpers dient . Ein Interposer ist beispielsweise ein mechanisches Bauelement , das zu einer Höhenanpassung des optischen Elements eingesetzt werden kann .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens ist die Verbindungsstelle bei einer Temperatur von zumindest 250 ° C stabil . Unter stabil wird hier und im Folgenden verstanden, dass die Verbindungsstelle bei der Temperatur keine oder lediglich geringfügige mechanische Verformung und/oder chemische Veränderung einer Zusammensetzung der Verbindungsstelle zeigt . Mit anderen Worten weist die Verbindungsstelle eine hohe Temperaturf estigkeit auf . Hierdurch kann ein optoelektronisches Modul bereitgestellt werden, dass vorteilhafterweise SMD-lötfähig ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird beim Verbinden des Trägers und der Komponente ein Verdichtungsmittel in die Verbindungsstelle eingebracht . Das Verdichtungsmittel bildet mit einem Material des ersten Verbindungselement und des zweiten Verbindungselements eine Legierung . Bevorzugt bildet das Verdichtungsmittel mit einem Material der metallischen Nanostrukturen eine Legierung .
Während des Einbringens des Verdichtungsmittels wird insbesondere das Material des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements teilweise in dem Verdichtungsmittel gelöst und so die Legierung gebildet . Die Legierung weist bevorzugt einen höheren Schmel zpunkt als das Verdichtungsmittel auf . Dadurch kann es zu einer isothermen Erstarrung der Legierung kommen . Der Schmel zpunkt der Legierung ermöglicht zudem ein Aushärten der der Legierung bei niedrigen Temperaturen, das heißt beispielsweise bei Temperaturen unter 100 ° C . Dadurch, dass das Material des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements nur teilweise in dem Verdichtungsmittel gelöst wird, kann die Verbindungsstelle mit den metallischen Nanostrukturen von einer Lötstelle unterschieden werden . Beispielsweise wird ein Unterschied der Verbindungsstelle zu einer Lötstelle mit Hil fe eines Rasterelektronenmikroskops sichtbar .
Vorteilhafterweise füllt das Verdichtungsmittel und somit auch die Legierung Hohlräume aus , die insbesondere zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und den metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements vorhanden sind . Hierdurch wird vorteilhafterweise eine stof f schlüssige Verbindung zwischen der Komponente und dem Träger gebildet .
In anderen optoelektronischen Modulen wird insbesondere ein Lot zum stof f schlüssigen Verbinden des Trägers und der Komponente eingesetzt . Die Verwendung des Lots kann zu einer hohen thermischen und/oder mechanischen Belastung des Träger und/oder der Komponente führen . Die hohe thermische und/oder mechanische Belastung wird beispielsweise durch hohe Temperaturen, die während des Lötens notwendig sind, oder durch Spannungen und Verzug, die während dem Löten entstehen, hervorgerufen . Zudem ist es möglich, dass ein verwendetes Lotmaterial , wie eine Lotpaste , einen organischen Bestandteil enthält , der zum Schutz des optoelektronischen Moduls vor Verunreinigung entfernt werden muss .
Beim Einsatz des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements zusammen mit dem Verdichtungsmittel wird vorteilhafterweise eine hohe thermische und/oder mechanische Belastung des optoelektronischen Moduls verhindert . Weiterhin ist die so erzeugte Verbindungsstelle insbesondere frei von organischen Bestandteilen und weist geringe eingefrorene Spannungen sowie einen geringen Bi-Metallef f ekt auf .
Der Bi-Metallef f ekt kann beispielsweise bei zwei übereinander liegenden Schichten von Metallen beobachtet werden, die stof f schlüssig miteinander verbunden sind und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoef fi zienten aufweisen . Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoef fi zienten dehnt sich beim Erwärmen eine der Schichten stärker aus als die andere , wodurch sich die zwei übereinanderliegenden Schichten verbiegen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens werden die Nanodrähte in dem ersten Verbindungselement und die Nanodrähte in dem zweiten Verbindungselement während dem aktiven Justieren so zusammengebracht , dass die Nanodrähte des ersten Verbindungselements und die Nanodrähte des zweiten Verbindungselements einen Abstand von maximal 10 Mikrometern, insbesondere von maximal 1 Mikrometer, beispielsweise von maximal 0 , 1 Mikrometer aufweisen . Es wird also insbesondere ein spiel freies aktives Justieren durchgeführt . Nach einem Einbringen des Verdichtungsmittels wird dann beispielsweise eine mechanisch stabile Verbindungsstelle erhalten .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird das Verdichtungsmittel vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle auf geschmol zen . Mit anderen Worten wird das Verdichtungsmittel flüssig in die Verbindungsstelle eingebracht . Auf diese Weise wird insbesondere ein annährend vollständiges oder vollständiges Füllen der Hohlräume zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements und den metallischen Nanostrukturen des zweiten Verbindungselements mit dem Verdichtungsmittel und der Legierung erreicht .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens ist das Verdichtungsmittel ausgewählt aus der folgenden Gruppe : Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon . Insbesondere weisen Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon einen niedrigen Schmel zpunkt auf . Dies erleichtert vorteilhafterweise ein Einbringen in die Verbindungsstelle . Zudem kann eine thermische Belastung des optoelektronischen Moduls und dessen Komponenten verringert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führung des Verfahrens weist das erste Verbindungselement eine größere Ausdehnung als das zweite Verbindungselement auf , insbesondere in einer Draufsicht . Insbesondere weist das erste Verbindungselement in Draufsicht eine größere Fläche auf als das zweite Verbindungselement . Hierdurch wird vorteilhafterweise die Bildung einer Verbindungsstelle mit der größtmöglichen Ausdehnung, beispielsweise mit der Ausdehnung des zweiten Verbindungselements , erzielt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens weist das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement , insbesondere in Draufsicht , eine rechteckige , insbesondere quadratische Form auf . Es ist j edoch auch möglich, dass das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement in Draufsicht eine andere Form, wie beispielsweise die eines Ovals , insbesondere einer Ellipse oder eines Kreises , oder die eines Polygons , wie eines Hexagons , aufweisen . Weitere vorteilhafte Aus führungs formen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls ergeben sich aus den folgenden, in Verbindung mit den Figuren dargestellten Aus führungsbeispielen .
Figur 1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronisches Moduls gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Figur 1B zeigt eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Modul gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Die Figuren 2A und 2B zeigen schematische Schnittdarstellungen von Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Die Figuren 3A bis 3C zeigen schematische Schnittdarstellungen von Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel .
Die Figuren 4A und 4B zeigen eine schematische Schnittdarstellungen und eine Draufsicht eines Schritts eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Aus führungsbeispiel .
Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente , insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
In der Figur 1A ist ein Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Moduls 1 gezeigt . Das optoelektronische Modul 1 umfasst einen Träger 2 , auf dem ein Halbleiterkörper 3 und ein optisches Element 4 angeordnet sind . Der Halbleiterkörper 3 und das optische Element 4 werden durch ein Gehäuse 6 hermetisch verkapselt .
Der Halbleiterkörper 3 umfasst oder ist vorliegend eine Laserdiode mit einem Emissionsmaximum von höchstens 550 Nanometer . Eine von dem Halbleiterkörper 3 emittierte elektromagnetische Strahlung wird durch eine Austritts facette 31 emittiert . Der Halbleiterkörper 3 ist auf einem Submount 7 aufgebracht , der über eine Verbindungsstelle 5 direkt mit dem Träger 2 verbunden ist . Mit anderen Worten, ist der Halbleiterkörper 3 über die Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden . Es ist weiterhin möglich, dass zwischen dem Halbleiterkörper 3 und dem Submount 7 eine weitere Verbindungsstelle 5 angeordnet ist . Alternativ ist der Halbleiterkörper 3 direkt über die Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden . In diesem Fall ist zwischen Halbleiterkörper 3 und Träger 2 kein Submount 7 angeordnet .
Die Verbindungsstelle 5 weist metallische Nanostrukturen auf . Die metallischen Nanostrukturen sind Nanodrähte . Vorliegend weisen die Nanodrähte einen Abstand von maximal 1 Mikrometer auf oder die Nanodrähte berühren sich zumindest teilweise . Insbesondere sind die Nanodrähte , die ineinander verhakt sind . Eine Haupterstreckungsrichtung der Nanodrähte ist quer, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Verbindungsstelle 5 . Die metallischen Nanostrukturen umfassen Au, Ag und/oder Cu oder bestehen daraus . Zwischen den metallischen Nanostrukturen ist eine Legierung angeordnet . Die Legierung weist das Au, Ag und/oder Cu der metallischen Nanostrukturen und einen weiteren Bestandteil auf . Der weitere Bestandteil der Legierung ist ausgewählt aus der folgenden Gruppe : Ga, In, Hg, Sn . Die Legierung kann also beispielsweise AuGa, Auln, AuHg, AgGa, Agln, AgHg oder CuSn umfassen .
In einem Strahlengang des Halbleiterkörpers 3 des optoelektronischen Moduls 1 der Figur 1A ist das optische Element 4 angeordnet . Mit anderen Worten ist das optische Element 4 an einer Seite des Halbleiterkörpers 3 angeordnet , an der die Austritt facette 31 vorhanden ist . Das optische Element 4 ist beispielsweise ein Prisma, eine Kollimationslinse oder ein Strahlteiler . Ein Interposer 8 ist zwischen dem optischen Element 4 und dem Träger 2 angeordnet . Weiterhin ist eine Verbindungsstelle 5 ' zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 angeordnet . Mit anderen Worten ist das optische Element 4 über die Verbindungsstelle 5 ' zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 mit dem Träger 2 verbunden . Alternativ ist das optische Element 4 direkt über die Verbindungsstelle 5 ' mit dem Träger 2 verbunden . Das heißt es ist kein Interposer 8 zwischen dem optischen Element 4 und dem Träger 2 angeordnet .
Die Verbindungsstelle 5 ' zwischen dem Interposer 8 und dem Träger 2 ist insbesondere gleich ausgebildet wie die Verbindungsstelle 5 zwischen dem Submount 7 und dem Träger 2 . Alternativ weist die Verbindungsstelle 5 ' metallische Nanostrukturen und/oder eine Legierung aus einem anderen Material auf als die Verbindungsstelle 5 . Die metallischen Nanostrukturen der Verbindungsstelle 5 ' umfassen Au, Ag und/oder Cu. Die Legierung der Verbindungsstelle 5' weist das Au, Ag und/oder Cu der metallischen Nanostrukturen und einen weiteren Bestandteil, wie Ga, In, Hg oder Sn, auf. Die metallischen Nanostrukturen sind vorliegend Nanodrähte, die eine Haupterstreckungsrichtung quer, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Verbindungsstelle 5' aufweisen .
Die Figur 1B zeigt ein optoelektronisches Modul 1 in schematischer Draufsicht. Insbesondere zeigt die Figur 1B das optoelektronische Modul 1 der Figur 1A in Draufsicht. Auf dem Träger 2 sind insgesamt drei Halbleiterkörper 3, 3', 3' ' angeordnet, die über eine Verbindungsstelle 5 mit dem Träger 2 verbunden sind. Zwischen dem Träger 2 und den Halbleiterkörpern 3, 3', 3' ' ist jeweils ein Submount 7, 7', 7' ' angeordnet. Die Halbleiterkörper 3, 3', 3' ' umfassen vorliegend Laserdioden. In Strahlengängen der Halbleiterkörper 3, 3', 3' ' befinden sich optische Elemente 4, 4', 4' '. Die optischen Elemente 4, 4', 4' ' sind durch Verbindungsstellen 5' mit dem Träger 2 verbunden. Die Halbleiterkörper 3, 3', 3' ' unterscheiden sich in der von ihnen emittierten elektromagnetischen Strahlung. Insbesondere emittiert der Halbleiterkörper 3 elektromagnetische Strahlung aus dem blauen Spektralbereich, der Halbleiterkörper 3 ' elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich und der Halbleiterkörper 3 ' ' elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich.
Die Figuren 2A und 2B beschreiben ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Zunächst werden hierbei ein Träger 2 mit einem ersten Verbindungselement 9 und eine Komponente 10 mit einem zweiten Verbindungselement 11 bereitgestellt (Figur 2A) . Das erste Verbindungselement 9 bedeckt den Träger 2 zumindest teilweisen . Das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfassen metallische Nanostrukturen, bevorzugt Nanodrähte , die Au aufweisen . Das erste Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 weist eine größere Ausdehnung auf als das zweite Verbindungselement 11 an der Komponente 10 . Die metallischen Nanostrukturen umfassen vorliegend Nanodrähte , die eine Haupterstreckungsrichtung quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des ersten Verbindungselements 9 und/oder des zweiten Verbindungselements 11 aufweisen .
Die Komponente 10 umfasst einen Halbleiterkörper 3 oder ein optisches Element 4 . Vorliegend ist die Komponente 10 eine Linse . Die Komponente 10 wird unter Zuhil fenahme eines Grei fers aktiv j ustiert . Dabei wird im Betrieb des optoelektronischen Moduls 1 ein optischer Ausgangsparameter des optoelektronischen Moduls 1 detektiert . Anhand des optischen Ausgangsparameters wird dann die Komponente 10 mit dem Grei fer ausgerichtet und positioniert .
Mit anderen Worten wird die Komponente 10 ausgerichtet und positioniert , während ein bereits auf dem Träger 2 angeordneter Halbleiterkörper 3 elektromagnetische Strahlung emittiert . Die Komponente 10 wird dabei mit Hil fe des Grei fers so ausgerichtet , dass beispielsweise eine Intensität der von dem optoelektronischen Modul 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung maximal ist .
Bei dem aktiven Justieren der Komponente 10 werden das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 zusammengedrückt oder zusammengepresst . Dadurch entsteht eine Verbindungsstelle 5 , die das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfasst , wie in der Figur 2B gezeigt ist . In der Verbindungsstelle 5 grei fen die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 ineinander oder berühren sich zumindest teilweise .
Die Figuren 3A bis 3C zeigen ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 . Analog zur Figur 2A wird ein Träger 2 mit einem ersten Verbindungselement 9 , das metallischen Nanostrukturen aufweist , bereitgestellt ( Figur 3A) . Weiterhin wird eine Komponente 10 mit einem zweiten Verbindungselement 11 bereitgestellt , das ebenfalls metallische Nanostrukturen aufweist . Das erste Verbindungselement 9 weist eine größere Ausdehnung auf als das zweite Verbindungselement 11 . Vorliegend umfassen die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 Nanodrähte mit Au . Au weist eine Schmel ztemperatur von etwa 1064 ° C auf . Die Komponente 10 umfasst vorliegend eine Linse .
Die Komponente 10 wird aktiv j ustiert , wobei das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 zusammengedrückt werden, wie in der Figur 3B gezeigt ist . Bei dem aktiven Justieren erfolgt eine Ausrichtung und/oder Positionierung der Komponente 10 um sechs Achsen . Dadurch entsteht eine Verbindungsstelle 5 , die das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 11 umfasst . In der Verbindungsstelle weisen die Nanodrähte des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 einen Abstand von maximal 10 Mikrometern auf . In die Verbindungsstelle 5 wird anschließend ein Verdichtungsmittel 12 eingebracht . Das Verdichtungsmittel 12 wird in flüssiger Form beispielsweise mit Hil fe eines Dispensers 13 in die Verbindungsstelle 5 eingebracht . Das Verdichtungsmittel 12 umfasst vorliegend Ga oder In .
Damit das Verdichtungsmittel 12 in flüssiger Form in die Verbindungsstelle 5 eingebracht werden kann, wird das Verdichtungsmittel 12 vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle 5 auf geschmol zen . Ga weist insbesondere eine Schmel ztemperatur von etwa 30 ° C auf , In von etwa 157 ° C .
Während des Einbringens des Verdichtungsmittels 12 in die Verbindungsstelle 5 wird das Verdichtungsmittel 12 in Hohlräume zwischen den metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselement 11 gezogen . Insbesondere erfolgt dieser Vorgang durch Kapillarkräfte . Das Verdichtungsmittel 12 löst einen Teil des Materials der metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselement 9 , sodass sich eine Legierung zwischen den metallischen Nanostrukturen bildet . Dabei bleibt ein Teil der metallischen Nanostrukturen in der Verbindungsstelle 5 bestehen . Mit anderen Worten weist die Verbindungstelle 5 nach dem Einbringen des Verdichtungsmittels 12 die metallischen Nanostrukturen des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 sowie die Legierung auf . Die Legierung weist AuGa oder Auln auf .
Die Legierung aus dem Material des ersten Verbindungselements 9 und des zweiten Verbindungselements 11 sowie dem Verdichtungsmittel 12 weist eine höhere Schmel ztemperatur als das Verdichtungsmittel 12 auf , insbesondere eine Schmel ztemperatur von über 260 ° C . Dadurch kommt es zu einer isothermen Erstarrung der Legierung zwischen den metallischen Nanostrukturen in der Verbindungsstelle 5 . Auf diese Weise wird eine stof f schlüssige Verbindung zwischen der Komponente 10 und dem Träger 2 erzeugt ( Figur 3C ) . Die Verbindungsstelle 5 ist bei einer Temperatur von etwa 260 ° C stabil , da keines der Materialien in der Verbindungsstelle 5 unter dieser Temperatur schmil zt . Dadurch ist die Verbindung SMD-löt fähig .
Figur 4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Schritts eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem Aus führungsbeispiel . Vorliegend ist ein erstes Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 aufgebracht und ein zweites Verbindungselement 11 auf der Komponente 10 . Das zweite Verbindungselement 11 weist eine geringere Ausdehnung auf als das erste Verbindungselement 9 . Weiterhin weist das zweite Verbindungselement 11 eine kleinere Ausdehnung auf als die Komponente 10 . Mit anderen Worten bedeckt die zweite Verbindungsstelle 11 nur einen Teil der Oberfläche der Komponente 10 , über die die Komponente 10 mit dem Träger 2 verbunden wird . Die Komponente 10 wird beim aktiven Justieren um eine ihrer Hauptachsen durch Drehen ausgerichtet . Das Drehen erfolgt insbesondere entlang der Drehrichtungen 14 .
Es ist zudem möglich, die Komponente 10 während des aktiven Justierens in zwei unterschiedlichen Richtungen zu kippen und/oder um eine Lichtausbreitungsrichtung zu rotieren . Das Rotieren um die Lichtausbreitungsrichtung wird beispielsweise angewendet , wenn es sich bei der Komponenten 10 um einen
Halbleiterkörper, insbesondere mit einer nicht rotationssymmetrischen Abstrahlcharakteristik handelt . Die Figur 4B zeigt eine Draufsicht auf den in der Figur 4A dargestellten Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls 1 . Das erste Verbindungselement 9 auf dem Träger 2 weist eine größere Ausdehnung auf als die Komponente 10 . Beim aktiven Justieren wird die Komponente 10 entlang der Verschieberichtungen 15 positioniert . Die Verschieberichtungen 15 sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Träger 2 und/oder der Komponente 10 . Zudem erfolgt beim aktiven Justieren eine vertikale Positionierung, das heißt eine Positionierung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Trägers 2 .
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Aus führungsbeispiele können gemäß weiteren Aus führungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen expli zit beschrieben sind . Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist . Bezugszeichenliste
1 optoelektronisches Modul
2 Träger 3, 3', 3' ' Halbleiterkörper
31 Austrittsfacette
4, 4', 4' ' optisches Element
5, 5' Verbindungsstelle
6 Gehäuse 7, 7', 7' ' Submount
8 Interposer
9 erstes Verbindungselement
10 Komponente
11 zweites Verbindungselement 12 Verdichtungsmittel
13 Dispenser
14 Drehrichtung
15 Verschieberichtung

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Modul (1) mit
- einem Träger (2) ,
- einem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (3) auf dem Träger, und
- einem optischen Element (4) in einem Strahlengang des
Halbleiterkörpers (3) , wobei
- zumindest ein Bauteil (3,4) aus der Gruppe Halbleiterkörper
(3) und optisches Element (4) über eine Verbindungsstelle
(5) , die metallische Nanostrukturen aufweist, mit dem Träger (2) verbunden ist.
2. Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das optoelektronische Modul (1) ein Gehäuse (6) aufweist, das zumindest den Halbleiterkörper (3) hermetisch verkapselt.
3. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (3) eine Laserdiode umfasst oder ist.
4. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Modul (1) zumindest einen weiteren Halbleiterkörper (3', 3' ') aufweist.
5. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Modul (1) zumindest innerhalb des Gehäuses (6) frei von organischen Bestandteilen ist.
6. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (4) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Linse, Prisma, Kollimationslinse, Strahlkombinierer , Polarisationsfilter, doppelbrechender Kristall, photonische integrierte Schaltung.
7. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die metallischen Nanostrukturen Nanodrähte umfassen, und
- die Nanodrähte einen Abstand von maximal 10 Mikrometern aufweisen .
8. Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Nanodrähte zumindest teilweise berühren.
9. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallischen Nanostrukturen zumindest ein Metall aus der folgenden Gruppe umfassen: Au, Ag, Cu.
10. Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den metallischen Nanostrukturen eine Legierung angeordnet ist, die das Metall der Nanostrukturen aufweist.
11. Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein weiterer Bestandteil der Legierung ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn.
12. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Trägers (2) mit einem ersten Verbindungselement (9) , das metallische Nanostrukturen aufweist,
- Bereitstellen einer Komponente (10) mit einem zweiten Verbindungselement (11) , das metallische Nanostrukturen aufweist,
- aktives Justieren der Komponente (10) auf dem Träger (2) ,
- Verbinden des Trägers (2) und der Komponente (10) , wobei eine Verbindungsstelle (5) umfassend das erste Verbindungselement (9) und das zweite Verbindungselement (11) entsteht .
13. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach Anspruch 12, wobei die Komponente (10) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Halbleiterkörper (3) , optisches Element (4) , Submount (7) , Interposer ( 8 ) .
14. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die Verbindungsstelle (5) bei einer Temperatur von zumindest 250 °C stabil ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls
(I) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei
- beim Verbinden des Trägers (2) und der Komponente (10) ein Verdichtungsmittel (12) in die Verbindungsstelle (5) eingebracht wird und
- das Verdichtungsmittel (12) mit einem Material des ersten Verbindungselements (9) und des zweiten Verbindungselements
(II) eine Legierung bildet.
16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls
(1) nach Anspruch 15, wobei das Verdichtungsmittel (12) vor dem Einbringen in die Verbindungsstelle (5) auf geschmolzen wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls
(1) nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei das Verdichtungsmittel (12) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ga, In, Hg, Sn und Legierungen davon.
18. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Moduls
(1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das erste Verbindungselement (9) eine größere Ausdehnung als das zweite Verbindungselement (11) aufweist.
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