DE10038213A1 - Strahlungsquelle und Verfahren zur Herstellung einer Linsensform - Google Patents
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Abstract
Eine Strahlungsquelle weist ein Feld von Halbleiterchips auf, die unter einem Feld von in einer hexagonalen Gitterstruktur angeordneten Mikrolinsen (8) angeordnet sind. Die Strahlungsquelle zeichnet sich durch hohe Strahlungsleistung und Strahldichte aus.
Description
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle mit einer Viel
zahl von nebeneinander angeordneten Strahlung emittierenden
Halbleiterchips.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
einer zur Fertigung eines Feldes von Mikrolinsen geeigneten
Linsenform.
Strahlungsquellen, wie beispielsweise Lumineszenzdioden, wei
sen im allgemeinen einen in einen transparenten Linsenkörper
eingegossenen Halbleiterchip auf. Es ist auch bekannt, die
Strahlungsleistung derartiger Strahlungsquellen durch das
Vorsehen einer Vielzahl von Halbleiterchips zu steigern. Der
artige Strahlungsquellen verfügen üblicherweise über eine
Kondensoroptik, die aus einer Linse besteht. Die Strahldichte
derartiger Strahlungsquellen ist allerdings häufig unbefrie
digend, wenn es darauf ankommt, eine leuchtkräftige Strah
lungsquelle mit geringer räumlicher Ausdehnung zu schaffen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle hoher Strahldich
te zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Ab
strahlrichtung vor den Halbleiterchips ein Feld von ein
hexagonales Gitter bildenden Linsen angeordnet ist.
Durch die hexagonale Anordnung der Linsen läßt sich eine hohe
Flächendichte der zugeordneten Halbleiterchips erzielen. Dem
entsprechend hoch ist die Strahldichte der Strahlungsquelle.
Da die Linsen üblicherweise von Sphärensegmenten gebildet
werden, können für die Linsen Sphärensegmente mit großen Radien
gewählt werden. Dadurch kann die Strahlung emittierende
aktive Schicht der Halbleiterchips zum großen Teil innerhalb
der der jeweiligen Sphäre zugeordneten Weierstrass'schen Ku
gel angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Strah
lungsausbeute bezüglich der einzelnen Halbleiterchips.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein ratio
nelles Verfahren zur Herstellung einer zur Fertigung eines
Feldes von Linsen geeigneten Linsenform zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Linsenform an einer von einer hexagonalen Fassung gehaltenen
Schar von Kugeln abgeformt wird.
Durch die hexagonale Fassung wird die Schar von Kugeln gewis
sermaßen von selbst in eine hexagonale Gitterstruktur ge
bracht, wenn die Kugeln dicht an dicht liegen. Es genügt da
her dafür zu sorgen, daß die Fassung vollständig mit den ab
zuformenden Kugeln gefüllt ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige
fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine mit Halbleiterchips bestück
te und bereits gebondete Leiterplatte für die
Strahlungsquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittansicht der Leiterplat
te aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Feld von Linsen;
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zur Herstellung einer
für die Fertigung eines Mikrolinsenfeldes verwend
baren Abgußform;
Fig. 5 ein Aufsicht auf die Abgußform aus Fig. 4;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine weitere für die Ferti
gung der Abgußform verwendete Vorrichtung;
Fig. 7 einen Querschnitt durch die zur Herstellung des Mi
krolinsenfeldes verwendete Gießvorrichtung; und
Fig. 8 ein Diagramm, das die Strahlungsleistung in Abhän
gigkeit vom Abstand zwischen der Oberkante des
Halbleiterchips und der zugeordneten halbkugelför
migen Mikrolinse zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Leiterplatte 1, die aus
Al2O3 oder Si hergestellt ist. Auf der Leiterplatte 1 sind
Anschlußkontakte 2 ausgebildet, von denen Leiterbahnen 3 zu
Kontaktstellen 4 führen, an denen Bonddrähte 5 angebracht
sind, die unter anderem zu Chipkontaktflächen 6 führen. Auf
den Chipkontaktflächen 6 sind Halbleiterchips 7 angebracht
und jeweils zeilenweise in Reihe gebondet.
In Fig. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus einem Quer
schnitt durch die mit Mikrolinsen 8 versehene Leiterplatte 1
dargestellt. Man erkennt, daß die Halbleiterchips 7 mit einer
Unterseite 9 jeweils an den Chipkontaktflächen 6 angebracht
sind. Auf einer Oberseite 10 der Halbleiterchips 7 sind je
weils die Bonddrähte 5 angebracht, die zu einer benachbarten
Chipkontaktfläche 6 oder einer der Kontaktstellen 4 führen.
Die Mikrolinsen 8 sind Halbkugeln mit einem Radius R. Der
geometrische Mittelpunkt der Mikrolinsen 8 befindet sich in
einem Abstand Δx von der Oberseite der Halbleiterchips 7. Der
Abstand Δx ist so gewählt, daß sich jeweils die Strahlung
emittierende aktive Schicht der Halbleiterchips 7 wenigstens
zur Hälfte innerhalb der Weierstrass'schen Kugel mit Radius
R/n befindet, wobei n der Brechungsindex des für die Mikro
linse 8 verwendeten Materials ist. Die Zentren der Weier
strass'schen Kugeln decken sich mit den Zentren der Mikrolin
sen 8. Innerhalb der Weierstrass'schen Kugel erzeugte Strah
lung kann die Mikrolinse 8 verlassen. Es ist daher von Vor
teil, wenn jeweils ein möglichst großer Teil der aktiven
Schichten der Halbleiterchips 7 innerhalb der Weier
strass'schen Kugel zu liegen kommt. Es besteht daher ein In
teresse daran, den Radius der Mikrolinsen 8 möglichst groß zu
wählen. Dem steht entgegen, daß dann auch der Abstand zwi
schen den Halbleiterchips 7 entsprechend groß gewählt werden
muß. Ein großer Abstand zwischen den Halbleiterchips 7 hat
jedoch eine geringe Strahldichte zur Folge. Man ist daher be
strebt, den Abstand zwischen den Mikrolinsen 8 so gering wie
möglich zu halten. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung der
Mikrolinsen 8 in einer hexagonalen Gitterstruktur ist die
dichteste mögliche Anordnung der Mikrolinsen 8 und ermög
licht, eine hohe Strahlungsleistung bei gleichzeitig großer
Strahldichte zu erzielen.
Die Mikrolinsen 8 werden zweckmäßigerweise aus Kunstharz ge
gossen. Das Herstellungsverfahren wird wie folgt durchge
führt:
Zunächst wird eine erste Formplatte 11 hergestellt, die, wie in Fig. 4 gezeigt, einen zentralen Dorn 12 mit einem in Fig. 5 erkennbaren hexagonalen Querschnitt aufweist. Der Dorn 12 ist auf einem Sockel 13 angeordnet. In der Nähe des Soc kels 13 befinden sich Paßstifte 14. Auf der ersten Formplatte 11 ist ferner ein Halterahmen 15 angebracht, der auf seiner Innenseite Vertiefungen 16 aufweist. Der vom Halterahmen 15 begrenzte Innenraum wird mit Silikon gefüllt. Dabei bildet sich ein Silikonrahmen 17, der in seinem Zentrum eine im Querschnitt hexagonale Öffnung aufweist. Der Silikonrahmen 17 greift in die Vertiefungen 16 ein und kann daher auf einfache Weise zusammen mit dem Halterahmen 15 an einer in Fig. 6 dargestellten zweiten Formplatte 19 angebracht werden. Die auch hier vorhandenen Paßstifte 14 dienen der Ausrichtung des Halterahmens 15 und des Silikonrahmens 17 auf der zweiten Formplatte 19. Dadurch kommt der Silikonrahmen 17 so auf der zweiten Formplatte 19 zu liegen, daß die Öffnung 18 des Sili konrahmens 17 mit einer Fassung 20 in der zweiten Formplatte 19 fluchtet. Die Fassung 20 nimmt mit ihren Seitenstegen 21 den Raum des Sockels 13 der ersten Formplatte 11 ein. Sie weist ferner ebenfalls einen hexagonalen Querschnitt auf. In die Fassung 20 werden Kügelchen 22 dicht liegend eingebracht. Die Kügelchen 22 weisen einen Radius auf, der im wesentlichen dem Radius der herzustellenden Mikrolinsen 8 entspricht. Da die Fassung 20 einen hexagonalen Querschnitt aufweist, und da die Kügelchen 22 dicht liegen, sind die Kügelchen 22 entspre chend einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet.
Zunächst wird eine erste Formplatte 11 hergestellt, die, wie in Fig. 4 gezeigt, einen zentralen Dorn 12 mit einem in Fig. 5 erkennbaren hexagonalen Querschnitt aufweist. Der Dorn 12 ist auf einem Sockel 13 angeordnet. In der Nähe des Soc kels 13 befinden sich Paßstifte 14. Auf der ersten Formplatte 11 ist ferner ein Halterahmen 15 angebracht, der auf seiner Innenseite Vertiefungen 16 aufweist. Der vom Halterahmen 15 begrenzte Innenraum wird mit Silikon gefüllt. Dabei bildet sich ein Silikonrahmen 17, der in seinem Zentrum eine im Querschnitt hexagonale Öffnung aufweist. Der Silikonrahmen 17 greift in die Vertiefungen 16 ein und kann daher auf einfache Weise zusammen mit dem Halterahmen 15 an einer in Fig. 6 dargestellten zweiten Formplatte 19 angebracht werden. Die auch hier vorhandenen Paßstifte 14 dienen der Ausrichtung des Halterahmens 15 und des Silikonrahmens 17 auf der zweiten Formplatte 19. Dadurch kommt der Silikonrahmen 17 so auf der zweiten Formplatte 19 zu liegen, daß die Öffnung 18 des Sili konrahmens 17 mit einer Fassung 20 in der zweiten Formplatte 19 fluchtet. Die Fassung 20 nimmt mit ihren Seitenstegen 21 den Raum des Sockels 13 der ersten Formplatte 11 ein. Sie weist ferner ebenfalls einen hexagonalen Querschnitt auf. In die Fassung 20 werden Kügelchen 22 dicht liegend eingebracht. Die Kügelchen 22 weisen einen Radius auf, der im wesentlichen dem Radius der herzustellenden Mikrolinsen 8 entspricht. Da die Fassung 20 einen hexagonalen Querschnitt aufweist, und da die Kügelchen 22 dicht liegen, sind die Kügelchen 22 entspre chend einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet.
Anschließend wird die Öffnung 18 mit Silikon gefüllt. Es er
gibt sich somit die in Fig. 7 dargestellte, in einer Gieß
vorrichtung 23 dargestellte Mikrolinsenform 24. Die Gießvor
richtung 23 weist einen Saugstutzen 25 auf, auf dem eine
Grundplatte 26 angebracht ist, die die Leiterplatte 1 hält.
Zu diesem Zweck ist eine zentrale Saugöffnung 27 vorgesehen,
die zur Leiterplatte 1 führt. Oberhalb der Grundplatte 26 be
findet sich der Halterahmen 15 mit der Mikrolinsenform 24.
Beide sind teilweise von einer Preßplatte 28 abgedeckt, die
über eine nicht dargestellte Schraubverbindung mit der Grund
platte 26 verbunden ist und den sicheren Sitz der Mikrolin
senform 24 auf der Grundplatte 26 gewährleistet.
Die Paßstifte 14 haben in der Mikrolinsenform 24 Durchführun
gen 29 hinterlassen, die dazu dienen, das Kunstharz in den
Hohlraum der Mikrolinsenform 24 oberhalb der Leiterplatte 1
einzubringen.
Es sei angemerkt, daß die Leiterplatte 1 unter der Mikrolin
senform 24 selbstverständlich bereits mit den Halbleiterchips
3 versehen und fertig gebondet ist.
Abschließend wird durch die Durchführungen Gießharz einge
füllt. Dadurch wird der Raum zwischen der Mikrolinsenform 24
und der Leiterbahn 3 gefüllt und die Mikrolinsen 8 geformt.
In Fig. 8 schließlich ist ein Diagramm dargestellt, in dem
die Strahlungsleistung Φ in einen Raumwinkel mit einem hal
ben Öffnungswinkel von 60°, also einem Öffnungswinkel von
120° in Abhängigkeit vom Abstand Δx dargestellt ist.
Fig. 8 enthält das Ergebnis von Rechnungen. Die Rechnungen
wurden mit einem Halbleiterchip 7 mit der Grundfläche 200 µm
× 200 µm und einer Höhe von 250 µm durchgeführt. Es wurde an
genommen, daß der Halbleiterchip 70% seiner Strahlungslei
stung aus der Oberseite 10 emittiert. Weitere 30% sollen aus
den Seitenflächen des Halbleiterchips 7 austreten. Als Spek
trum wurde das Spektrum eines Schwarzkörpers bei 2000 K ange
nommen. Die Rechnungen wurden für zwei Arten von Gießharz
durchgeführt, in denen der Halbleiterchip 7 eingebettet ist.
Einmal für ein Gießharz mit einem Brechungsindex von
n = 1,55, und ein weiteres Gießharz mit einem Brechungsindex
von n = 1,87. Die berechneten Kurven 30, 31 und 33 geben je
weils die Ergebnisse für Mikrolinsen 8 mit den Radien 250 µm,
300 µm und 350 µm bei einem Brechungsindex von n = 1,55 wie
der. Die Kurven 33, 34 und 35 geben die Ergebnisse für Mikro
linsen 8 mit den Radien 250 µm, 300 µm und 350 µm bei einem
Brechungsindex von n = 1,78 des Gießharzes wieder. Eine Linie
36 veranschaulicht schließlich die zu erwartenden Ergebnisse
ohne Mikrolinse 8.
Die Durchmesser der Mikrolinse 8 betrugen 500 µm, 600 µm und
700 µm. Anhand von Fig. 8 wird deutlich, daß die Strahlungs
leistung in dem erfaßten Raumwinkel bei einem Abstand Δx von
0,1 mm die größten Werte annimmt. Dort ist die Strahlungsleistung
in etwa doppelt so groß wie ohne Mikrolinsen 8. Bei
diesem Abstand liegt auch ein Großteil der aktiven Schicht
des Halbleiterchips 7 innerhalb der Weierstrass'schen Kugel
der Mikrolinsen 8.
Die Vorteile der hexagonalen Anordnung der Mikrolinsen 8 er
geben sich auch aus der folgenden Tabelle 1:
Anhand von Tabelle 1 wird deutlich, daß eine Vergrößerung des
Radius der Mikrolinsen 8 nicht notwendigerweise zu einer Er
höhung der auf die Fläche bezogenen Strahlungsleistung führt.
Denn aufgrund des größeren Radius der Mikrolinsen 8 wird zwar
ein größerer Teil der aktiven Schicht der Halbleiterchips 7
innerhalb der Weierstrass'schen Kugel zu liegen kommen, aber
dafür nimmt der Abstand der Halbleiterchips 7 zu, so daß die
Leuchtdichte abnimmt.
Aus praktischen Gründen kann es trotzdem von Vorteil sein,
wenn für die Mikrolinsen 8 ein Durchmesser von 700 µm gewählt
wird, da ansonsten Probleme beim Bonden der Halbleiterchips 7
auf den Chipkontaktflächen 6 und beim Bonden der Bonddrähte 5
auftreten können. Außerdem schrumpfen übliche Vergußharze
beim Aushärten, weshalb die ausgehärteten Mikrolinsen ohnehin
etwa 6% kleiner sind als die entsprechenden Formen der Mikro
linsenform 24.
1
Leiterplatte
2
Anschlußkontakt
3
Leiterbahn
4
Kontaktstellen
5
Bonddrähte
6
Chipkontaktflächen
7
Halbleiterchips
8
Mikrolinse
9
Unterseite
10
Oberseite
11
Formplatte
12
Dorn
13
Sockel
14
Paßstift
15
Halterahmen
16
Vertiefungen
17
Silikonrahmen
18
Öffnung
19
Zweite Formplatte
20
Fassung
21
Seitenstege
22
Kügelchen
23
Gießvorrichtung
24
Mikrolinsenform
25
Saugstutzen
26
Grundplatte
27
Saugöffnung
28
Preßrahmen
29
Durchführungen
30-35
Kurve
36
Linie
Claims (9)
1. Strahlungsquelle mit einer Vielzahl von nebeneinander an
geordneten Strahlung emittierenden Halbleiterchips (7),
dadurch gekennzeichnet,
daß in Abstrahlrichtung vor den Halbleiterchips (7) ein
Feld von ein hexagonales Gitter bildenden Linsen (8) ange
ordnet ist.
2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsen (8) von Halbkugeln gebildet sind.
3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsen (8) im hexagonal dichtesten Gitter angeord
net sind.
4. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Umriß des Gitters eine hexagonale Gestalt auf
weist.
5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterchips (7) zeilenweise gebondet sind.
6. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Farbgruppen von Halbleiterchips (7) ihr Emissionsmaxi
ma bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen.
7. Strahlungsquelle nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Farbgruppen zeilenweise angeordnet sind.
8. Verfahren zur Herstellung einer zur Fertigung eines Fel
des von Mikrolinsen (8) geeigneten Linsenform (24),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsenform (24) an einer von einer hexagonalen
Fassung (21) gehaltenen Schar von dichtliegenden Kugeln
(22) abgeformt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsenform (24) aus Silikon abgegossen wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH, 93049 REGENSBURG, |
|
8130 | Withdrawal |