WO2000002262A1 - Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes bauelement - Google Patents

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Günter Waitl
Herbert Brunner
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Osram Opto Semiconductors Gmbh & Co. Ohg
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Abstract

Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement, bei dem ein strahlungaussendender und/oder -empfangender optoelektronischer Chip (1) auf einem Chipträgerteil (2) eines elektrischen Leiterrahmens (3) befestigt ist und bei dem Teilbereiche des Chipträgerteils (2) und von externen elektrischen Anschlußteilen (4, 5) von einem strahlungsundurchlässigen Grundkörper (8) umschlossen sind. Der Grundkörper weist eine Wanne (9) auf, in der der Chip (1) angeordnet ist und die mit einem transparenten Fensterteil (10) gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist der Chipträgerteil (2) bis auf denjenigen Bereich (6), auf dem der Chip (1) befestigt ist, und sind die externen elektrischen Anschlußteile (4, 5) bis auf die Bereiche (7), auf denen eine oder mehrere elektrische Verbindungsleitungen (11) zum Chip (1) befestigt sind, vollständig von dem strahlungsundurchlässigen Grundkörper (8) umschlossen.

Description

Beschreibung
Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf derartige Halbleiter-Leuchtdioden (LED) -Bauelemente.
Ein derartiges strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "Siemens SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage", Siemens Com- ponents 29 (1991) Heft 4, Seiten 147 bis 149 bekannt. Bei dieser in Figur 4 schematisch dargestellten bekannten ober- flächenmontierbaren Leuchtdiode (LED) , ist ein strahlungaussendender Halbleiterchip 101 auf einem ebenen Chiptragerteil 102 eines ebenen Leiterrahmens 103 aus Metall befestigt. Der Leiterrahmen 103 setzt sich zusammen aus dem Chiptragerteil 102 mit einem ersten externen elektrischen 7Anschlußteil 104 und einem elektrisch isoliert von diesem angeordneten zweiten externen elektrischen Anschlußteil 105 mit einem Bondbereich 107 zum Bonden eines elektrischen Anschlußdrahtes 111 für den Halbleiterchip 101. Der Chiptragerteil 102 mit dem Halbleiterchip 101, und Teilbereiche der beiden externen elektri- sehen Anschlußteile 104,105 sind von einer Kunststoffumhüllung 120 umgeben, die sich aus einem strahlungsundurchlässigen Kunststoff-Grundkörper 108 mit einer Reflektor-Wanne 109 und einem diese ausfüllenden strahlungsdurchlässigen Kunststoff-Fensterteil 110 zusammensetzt. Der Kunststoff- Grundkörper 108 besteht aus einem Thermoplast mit einem hohen diffusen Reflexionsgrad von etwa 90%.
Die Reflektor-Wanne 109 weist eine parallel zu einer Montageoberfläche des Chipträgerteiles 102 liegende Bodenfläche 113 und eine dazu in einem stumpfen Winkel zur Bodenfläche 113 schräg stehende Seitenwandung 112 auf, so daß sie als Reflektor für die von dem Halbleiterchip 101 ausgesandte Strahlung wirkt. Die Bodenfläche 113 liegt in derselben Ebene wie die dem Halbleiterchip 101 zugewandte Oberfläche des ebenen Leiterrahmens 103, so daß der Boden des Reflektors zu einem großen Teil von der Leiterrahmenoberfläche gebildet ist. Der Chiptragerteil 102 und der zweite externe elektrische Anschlußteil 105 weisen hier folglich relativ große Grenzflächen zu dem strahlungsdurchlässigen Kunststoff-Fensterteil 110 auf.
Ein besonderes Problem dieser bekannten oberflächenmontierba- ren Leuchtdiode besteht darin, daß an den Grenzflächen zwischen dem Leiterrahmen 103 und dem strahlungsdurchlässigen Fensterteil 110 bei starken Temperaturschwankungen im Bauelement oder in dessen Umgebung (z. B. in einem Automobil) auf- grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffiezi- enten des Leiterrahmens 103, der in der Regel aus einem Metall besteht, und des Kunststoff-Fensterteiles 110, in der Regel ein transparentes Epoxidharz, so große Scherkräfte auftreten, daß es häufig zu einer Ablösung des Fensterteiles 110 vom Leiterrahmen 103 kommt. Der dabei entstehende Spalt zwischen dem Leiterrahmen 103 und dem Kunststoff-Fensterteil 110 bewirkt, daß ein großer Teil der vom Halbleiterchip 101 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung im Bauelement aufgrund von Mehrfachreflexionen absorbiert wird und damit ver- loren geht.
Darüber hinaus kann sich die Spaltbildung ausgehend von dem Spalt zwischen Leiterrahmen 103 und dem Kunststoff- Fensterteil 110 bis an die äußere Oberfläche der Kunststoffumhüllung 120 fortsetzen, was zu einem Eindringen von Feuch- tigkeit bis zum Halbleiterchip 101 und zu dessen Schädigung führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement der eingangs ge- nannten Art zu entwickeln, bei dem die Gefahr einer Delamina- tion an der Grenzfläche zwischen dem Fensterteil und dem Leiterrahmen verringert ist. Diese Aufgabe wird mit einem strahlungaussendenden und/oder empfangenden Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauelements sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.
Gemäß der Erfindung weist der strahlungsundurchlässige Grundkörper in der Wanne von einer Bodenfläche der Wanne aus zum Chiptragerteil hin ein erstes Fenster auf, in dem der Chip mit dem Chiptragerteil verbunden ist. Weiterhin weist die
Wanne von der Bodenfläche aus mindestens ein zweites Fenster zu dem bzw. zu den externen elektrischen Anschlußteilen hin auf, in denen die elektrischen Verbindungsleitung (en) zum Chip mit dem Leiterrahmen verbunden sind. Der besondere Vor- teil dieser Weiterbildung liegt darin, daß der Grundkörper auf einfache Weise mit einem entsprechend geformten Spritzwerkzeug hergestellt werden kann.
In der Umhüllung sind der Chiptragerteil vorteilhafterweise bis auf denjenigen Oberflächenbereich, auf dem der Halbleiterchip befestigt ist, und die externen elektrischen Anschlußteile bis auf den- oder diejenigen Oberflächenbe- reich/e, auf dem bzw. auf denen eine oder mehrere elektrische Verbindungsleitungen zum Chip befestigt sind, im wesentlichen vollständig von dem strahlungsundurchlässigen Grundkörper umschlossen.
Folglich ist bei einem Bauelement gemäß der Erfindung die Grenzfläche zwischen dem strahlungsdurchlässigen Fensterteil und dem Leiterrahmen auf ein Minimum reduziert. Demzufolge treten im Vergleich zum bekannten Bauelement bei Temperaturschwankungen deutlich geringere mechanischen Scherkräfte an dieser Grenzfläche auf, was zu einer Verminderung der Dela i- nationsgefahr führt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des strahlungaussendenden und/oder empfangenden Bauelements weisen der Chipträ- gerteil und die externen elektrischen Anschlußteile in den Bereichen in denen der Chip bzw. die elektrischen Verbindungsleitung (en) befestigt sind, jeweils eine Kröpfung zur Wanne hin auf, derart, daß Teilbereiche der Oberflächen des Chipträgerteiles und der externen elektrischen Anschlußteile im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegen wie eine Bodenfläche der Wanne oder in die Wanne hineinragen. Bei dieser Weiterbildung ist von Vorteil, daß zu deren Herstellung herkömmliche, für die Herstellung der oben beschriebenen bekann- ten SMT-TOPLED-Bauelemente verwendete Spritzwerkzeuge eingesetzt werden können, und daß für verschiedene Leiterrahmen- Designs z. B. für unterschiedliche Anordnungen des Halbleiterchips und der elektrischen Verbindungsleitungen immer dieselben Spritzwerkzeuge verwendet werden können.
Besonders vorteilhaft ist weiterhin, daß bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Größe der an das Fensterteil angrenzenden Metalloberfläche des Leiterrahmens auf ein Minimum reduziert ist, woraus sich eine verbesserte Gesamtreflektivität der Wanne ergibt. Das Metall des Leiterrahmens weist nämlich in der Regel einen geringeren Reflexionsgrad auf als das Material des Grundkörpers, wodurch die von dem Chip ausgesandte Strahlung dort stärker absorbiert wird. Bei den bekannten Bauelementen sind aus diesem Grund im Betrieb im Reflektor relativ große dunkle Bereiche erkennbar.
Vorteilhafterweise besteht der Grundkörper zur Erhöhung der Lichtausbeute aus dem Bauelement aus einem Material mit einem diffusen Reflexionsgrad von mehr als 80%, bevorzugt aus ge- fülltem Kunstharz.
Die Erfindung wird anhand von 2 Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines senkrechten Schnittes durch ein erster Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel von Figur 1, Figur 3 eine schematische Darstellung eines senkrechten Schnittes durch ein zweites Ausführungsbeispiel, Figur 4 eine schematische Darstellung eines strahlungaussendenden und/oder empfangenden Halbleiterbauelements gemäß dem Stand der Technik (weiter oben erläutert) .
In den Figuren sind gleiche und gleichwirkende Bestandteile der verschiedenen Ausführungsbeispiele immer mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei dem Bauelement der Figuren 1 und 2 handelt es sich um ein Leuchtdioden-Bauelement in oberflächenmontierbarer Bauweise (Surface Mount Technolog (SMT) ) . Dieses setzt sich zusammen aus einem elektrischen Leiterrahmen 3 (z. B. bestehend aus einem Metall) mit einem Chiptragerteil 2, einem ersten 4 und einem zweiten externen elektrischen Anschlußteil 5, einem auf dem Chiptragerteil 2 befestigten strahlungaussendenden Halbleiterchip 1 (LED-Chip) , einem Verbindungsleiter 11 (Bonddraht) und einer quaderförmigen KunststoffUmhüllung 20.
Der Halbleiterchip 1 weist an seiner Vorderseite und an seiner Rückseite jeweils eine Kontaktmetallisierung 17,18 auf. Die Kontaktmetallisierung 18 an der Rückseite des Halbleiterchips 1 ist beispielsweise mittels eines metallischen Lotes oder eines elektrisch leitenden Klebstoffes mit dem Chiptragerteil 2 und die Kontaktmetallisierung 17 an der Vorderseite des Halbleiterchips 1 ist mittels eines Bonddrahtes 11, der z. B. aus Gold oder aus einem anderen geeigneten metallischen Werkstoff besteht, mit dem zweiten externen elektrischen An- schlußteil 5 elektrisch leitend verbunden.
Die KunstStoffUmhüllung 20 besteht aus einem strahlungsundurchlässigen lichtreflektierenden Kunststoff-Grundkörper 8, aus dem die externen elektrischen Anschlußteile 4,5 herausra- gen, und einem strahlungsdurchlässigen Kunststoff-Fensterteil 10. Der Kunststoff-Grundkörper 8 weist eine Reflektor-Wanne 9 auf, in der der Halbleiterchip 1 angeordnet ist und die von dem Kunststoff-Fensterteil 10 ausgefüllt ist. Die Reflektor- Wanne 9 weist eine parallel zu einer Montageoberfläche des Chipträgerteiles 2 liegende Bodenfläche 13 und eine dazu in einem stumpfen Winkel zur Bodenfläche 13 schräg stehende Sei- tenwandung 12 auf, so daß sie als Reflektor für die von dem Halbleiterchip 1 ausgesandte Strahlung wirkt.
Der Kunststoff-Grundkörper 8 und der Kunststoff-Fensterteil 10 bestehen vorzugsweise aus einem mit reflexionssteigerndem Material gefüllten Kunstharz oder Thermoplast bzw. aus einem transparenten Kunstharz oder Polycarbonat . Als Füllstoff für Kunstharz eignen sich beispielsweise Metallpulver, Metalloxide, Metallcarbonate oder Metallsilikate .
Der Chiptragerteil 2 ist im wesentlichen bis auf denjenigen
Oberflächenbereich 6 auf dem der Halbleiterchip 1 z. B. durch Chipbonden befestigt ist und die externen elektrischen Anschlußteile 4,5 sind bis auf den- oder diejenigen Oberflä- chenbereich/e 7, auf dem bzw. auf denen eine oder mehrere elektrische Verbindungsleitungen 11 zum Halbleiterchip 1 z. B. durch Drahtbonden befestigt werden, in der Kunststoffumhüllung 20 vollständig von dem strahlungsundurchlässigen Kunststoff-Grundkörper 8 umschlossen. Dies wird bei diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der strahlungsundurchlässige Kunststoff-Grundkörper 8 in der Wanne 9 ein erstes Fenster 6 zum Chiptragerteil 2 hin und mindestens ein zweites Fenster 7 zu dem bzw. zu den externen elektrischen Anschlußteilen 4,5 hin aufweist, in denen der Halbleiterchip 1 bzw. die elektrischen Verbindungsleitung (en) 11 zum Halbleiterchip 1 mit dem Leiterrahmen 3 verbunden sind.
Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Figuren 1 und 2 im Wesentlichen darin, daß keine Fenster 6 und 7 zum Chiptragerteil 2 bzw. zu den Anschlußteilen 4,5 hin vorgesehen sind. An Stelle der Fenster 6,7 sind hier am Chiptragerteil 2 und an den externen elek- trischen Anschlußteilen 4,5 in den Bereichen, in denen der Halbleiterchip 1 und die elektrische (n) Verbindungsleitung (en) 11 mit dem Leiterrahmen 3 verbunden sind, jeweils eine Kröpfung 14,15 zur Wanne 9 hin vorgesehen, derart, daß Teilbereiche der Oberflächen des Chipträgerteiles 2 und der externen elektrischen Anschlußteile 4,5 in der gleichen Ebene liegen wie eine Bodenfläche 13 der Wanne 9. Alternativ können die gekröpften Bereiche auch in die Wanne 9 hineinragen.
Die Erläuterung der Erfindung anhand dieser Ausführungsbei- spiele ist selbstverständlicherweise nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese zu verstehen. Vielmehr kann die Erfindung auch bei Photodioden-, Phototransistor-Bauelemente oder Polymer-Leuchtdioden-Bauelemente eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement, bei dem mindestens ein eine elektromagnetische Strahlung aus- sendender und/oder empfangender Chip (1) auf mindestens einem Chiptragerteil (2) eines elektrischen Leiterrahmens (3) befestigt ist, der mindestens zwei externe elektrische Anschlußteile (4,5) aufweist, die elektrisch leitend mit dem Chip (1) verbunden sind, und bei dem der Chiptragerteil (2) und Teilbereiche der externen elektrischen Anschlußteile (4,5) von einer Umhüllung (20) umschlossen sind, die einen strahlungsundurchlässigen Grundkörper (8) und einen strahlungsdurchlässigen Fensterteil (10) aufweist und aus der die externen elektrischen Anschlußteile (4,5) herausragen, wobei der strahlungsundurchlässige Grundkörper (8) eine Wanne (9) aufweist, in der der Halbleiterchip (1) angeordnet ist und in oder über der sich der Fensterteil (10) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß - von einer Bodenfläche der Wanne (9) aus, ein erstes Fenster (6) zum Chiptragerteil (2) hin ausgebildet ist, in dem der Chip (1) auf dem Chiptragerteil (2) befestigt ist, und - von einer Bodenfläche der Wanne (9) aus mindestens ein zweites Fenster (7) zu mindestens einem externen elektrischen Anschlußteil (4,5) hin ausgebildet ist, in dem mindestens eine elektrische Verbindungsleitung (11) zum Chip (1) mit dem mindestens einen externen elektrischen Anschlußteil (4,5) verbunden ist.
2. Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Chiptragerteil (2) oder zumindest einer der externen elektrischen Anschlußteile (4,5) im Bereich des jeweils zug- hörigen Fensters (6,7), eine Kröpfung (14,15) zur Wanne (9) hin aufweist, derart, daß ein Teilbereich der Oberfläche des Chipträgerteiles (2) bzw. des externen elektrischen Anschluß- teiles (4,5) im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie die Bodenfläche (13) der Wanne (9) oder in die Wanne (9) hineinragen.
3. Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne (9) als Reflektor-Wanne ausgebildet ist.
4. Strahlungaussendendes und/oder -empfangendes Bauelement nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (8) aus einem Material mit einem diffusen Reflexionsgrad von mehr als 80% besteht.
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