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Dokumentenidentifikation DE102005010311A1 14.09.2006
Titel Verfahren und Gießform zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls
Anmelder ATMEL Germany GmbH, 74072 Heilbronn, DE
Erfinder Mutz, Dieter, 74078 Heilbronn, DE;
Waible, Hans-Peter, 74223 Flein, DE
DE-Anmeldedatum 03.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005010311
Offenlegungstag 14.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/56(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 33/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 31/0203(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29C 39/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Gießform (11, 12) zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls, wobei ein Halbleitergrundkörper (1), der wenigstens ein optisch aktives Element an seiner Oberseite aufweist, in einen Leadframe (3, 4) eingebracht wird, darauf leitende Verbindungen, zwischen dem Halbleitergrundkörper und dem Leadframe hergestellt werden, darauf Leadframe (3, 4) und Halbleitergrundkörper in einer Gießform (11, 12) vergossen werden und wobei in dem Teil der Gießform, der der Oberseite des Halbleitergrundkörpers zugewandt ist, jeweils Abdeckkörper (14, 15) vorgesehen sind, die sich von der oberen Innenwand der Gießform bis zu den optisch aktiven Elementen erstrecken und diese mit ihrer jeweiligen Stirnseite (16, 17) vergussdicht abdecken.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießform zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls, wobei ein Halbleitergrundkörper, der wenigstens ein optisch aktives Element an seiner Oberfläche aufweist, in einen Leadframe eingebracht wird, darauf leitende Verbindungen zwischen dem Halbleitergrundkörper und dem Leadframe hergestellt werden und darauf Leadframe und Halbleitergrundkörper in einer Gießform vergossen werden.

Es sind aus dem Stand der Technik derartige Herstellungsverfahren bekannt, bei denen ein optischer IC (PDIC) mit einer transparenten Vergussmasse umgossen beziehungsweise auf einem organischen Substrat angeordnet und dann mit einer Vergussmasse bedeckt wird. Die Vergussmasse muss transparent sein, um Strahlungen im optischen Bereich von oder zu dem optisch aktiven Element passieren zu lassen. Dabei muss die Vergussmasse auf den Wellenlängenbereich abgestimmt sein, in dem das optische Element sendet beziehungsweise empfängt. Zusätzlich muss die Vergussmasse temperaturstabil und langzeitstabil sowie feuchtigkeitsresistent sein.

Derartige Vergussmassen sind relativ teuer und es ergeben sich regelmäßig Probleme bei der optischen Transparenz.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine kostengünstige Vergussmasse verwendet werden kann und die wünschenswerten optischen Eigenschaften des Halbleitermoduls erreicht werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Gießform mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Das erfindungsgemäße Halbleitermodul ist in Patentanspruch 15 definiert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in besonders einfacher und kostengünstiger Weise ein Halbleitermodul herstellen, das einerseits vergossen und dadurch vor Umwelteinflüssen wie Erschütterungen oder Feuchtigkeit geschützt ist, bei dem jedoch andererseits in dem Bereich, in dem Licht empfangen oder ausgesendet werden soll, die entsprechende Vergussmasse ausgenommen ist.

Dadurch kann eine kostengünstigere Vergussmasse, beispielsweise ein nicht optisch transparentes Epoxidharz, verwendet werden, was zu hoher Kostenersparnis führt. Die verwendeten Vergussmassen können dadurch auch nach anderen Kriterien ausgewählt werden als nach der optische Transmission und dadurch kann das Modul zusätzlich noch auf andere Bedürfnisse hin optimiert werden.

Vorzugsweise werden die Abdeckkörper müssen in ihrer Größe so gewählt, dass sie ausreichende Bereiche des Halbleitergrundkörpers freilassen. Dabei kann jedem optisch aktiven Element auf dem Halbleitergrundkörper ein eigener Abdeckkörper zugeordnet sein oder mehrere der optisch aktiven Elemente können durch einen Abdeckkörper gemeinsam abgedeckt werden.

Nach dem Vergießen und weitgehenden Erstarren der Vergussmasse kann die Gießform jeweils geöffnet werden und die Abdeckkörper können mit dem der Oberseite des Halbleitergrundkörpers zugewandten Teil der Gießform herausgezogen werden. Die Stirnseiten der Abdeckelemente werden während des Gießvorgangs derart gegen den Halbleitergrundkörper gepresst, dass sich die dünnflüssige Vergussmasse nicht zwischen die Stirnseite des Abdeckkörpers und den entsprechenden Bereich des Halbleitergrundkörpers drängen kann.

Der Halbleitergrundkörper ist federnd in einem Leadframe gehalten, so dass bei entsprechender Länge der Abdeckkörper diese gegen die Federkraft den Halbleitergrundkörper ein Stück weit zurückdrücken können, um somit die entsprechende Andruckkraft zu erzeugen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Halbleitergrundkörper vor dem Verguss insgesamt auf seiner Oberseite mit einer Polyimidschicht bedeckt wird wobei die Bereiche der optisch aktiven Elemente freigelassen werden. Die Polyimidschicht hilft, den thermischen Stress auf den Halbleitergrundkörper in dem entstehenden Vergusskörper zu reduzieren und macht das Halbleitermodul temperaturstabiler und damit bei höheren Temperaturen einsetzbar. Dies ist besonders dann wichtig, wenn das Halbleitermodul mittels bleifreier Löttechnik weiter verarbeitet beziehungsweise mit anderen Schaltungseinheiten verbunden werden soll, da beim bleifreien Löten die entsprechenden Lote eine um etwa 20° C erhöhte Löttemperatur bei sonst gleichen Fügebedingungen erfordern.

Die erfindungsgemäße Gießform entspricht im wesentlichen von ihrem äußeren Aufbau her einer an sich bekannten Gießform für federnde Leadframes vom QFN-Typ (Quad flat non-leaded package), wobei zusätzlich die Abdeckkörper an einer Innenwand angeordnet und befestigt sind. Derartige Gießformen bestehen typischerweise aus Stahl und die Abdeckkörper können einstückig mit der Gießform verbunden sein.

Die Abdeckkörper können typischerweise als zylindrische Stifte ausgebildet werden, sie können jedoch auch leicht konisch zulaufen oder einen sich zum Halbleitergrundkörper hin stufenförmig, kegelförmig oder konvex oder konkav verringernden Querschnitt aufweisen, was die Endformung nach dem Vergussvorgang erleichtert. Jedenfalls weisen sie eine Stirnfläche auf, die gegen den Halbleitergrundkörper gedrückt werden kann. Im Querschnitt können die Abdeckkörper rund oder mehreckig, vorzugsweise viereckig, ausgebildet sein. Auch bei einer viereckigen Ausprägung können die Abdeckkörper zum Halbleitergrundkörper hin konisch zulaufen, um die Entformung zu erleichtern.

Um das Abdichten der zu schützenden optisch aktiven Bereiche des Halbleitergrundkörpers durch die Stirnfläche der Abdeckkörper zu erleichtern, kann es vorgesehen sein, dass diese einen erhöhten Rand an ihrer Stirnseite aufweisen, der plan umläuft und eine Dichtkante gegenüber dem Halbleitergrundkörper bildet. Wenn die eigentliche Stirnfläche hinter diese Kante zurückgezogen ist, wird auch wirksam verhindert, dass durch Kapillarwirkung der Vergusswerkstoff in den Zwischenraum zwischen dem Halbleitergrundkörper und dem Abdeckkörper gezogen wird.

Das entstehende Halbleitermodul zeichnet sich durch seine einfache Machart und den geringen Preis aus, was durch den einfachen Verguss unter Freilassung der optisch aktiven Bereiche bedingt ist. Durch die entsprechenden Ausnehmungen im Vergusswerkstoff ist das Abstrahlen und Empfangen von optischen Signalen möglich. Durch eine Polyimidbeschichtung auf dem Halbleitergrundkörper ist das erfindungsgemäße Halbleitermodul ausgesprochen temperaturstabil.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.

Dabei zeigt

1 ein vergossenes Halbleitermodul im Querschnitt;

2 das Modul aus 1 in einer Ansicht von unten;

3 das Modul aus den 1 und 2 in einer Seitenansicht;

4 eine perspektivische teilweise durchbrochene Ansicht des Halbleitermoduls aus 1;

5 eine geschnitten perspektivische Ansicht des Moduls aus 1;

6 eine perspektivische Ansicht einer Gießform für ein Halbleitermodul in schematischer Darstellung;

7 einen Schnitt durch einen Abdeckkörper in zylindrischer Form;

8 einen Schnitt durch einen zylindrischen Abdeckkörper, der an seiner Stirnseite einen umlaufenden Steg aufweist;

9 eine perspektivische Ansicht eines konisch kegelstumpfförmigen Abdeckkörpers;

10 eine perspektivische Ansicht eines pyramidenstumpfförmigen Abdeckkörpers.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente und Signale – sofern nichts anderes angegeben ist – mit den selben Bezugszeichen versehen worden.

Die 1 zeigt im Querschnitt ein vergossenes Halbleitermodul, bei dem ein Halbleitergrundkörper 1 auf einem Substrat 2 befestigt und diese Einheit auf einem Leadframe federnd gelagert ist, dessen Teile mit 3, 4 bezeichnet sind. Der Vergusswerkstoff, der typischerweise durch ein Epoxidharz gebildet ist, ist mit 5 bezeichnet. Die Teile 3, 4 des Leadframe bilden jeweils Einzelkontakte, die über Bonddrähte 6, 7 mit jeweiligen Bondflächen 8, 9 des Halbleitergrundkörpers verbunden sind. Die einzelnen Kontakte 3, 4 werden nach dem Verguss und dem Aushärten des Halbleitermoduls durch Sägen aus einem zusammenhängenden Metallkörper gebildet. Dieser besteht vor der Herstellung des Halbleitermoduls aus einem zusammenhängenden Rahmen einheitlichen Materials, beispielsweise Kupfer, bei dem durch Ätzen oder Vorstanzen Stellen gebildet sind, an denen sich die einzelnen Kontakte später einfach trennen lassen. Dadurch ist dieser Rahmen einfach verarbeitbar und kann dennoch später nach dem Vergießen in viele gegeneinander elektrisch isolierte Einzelteile zerlegt werden.

Die 1 zeigt, dass der Halbleitergrundkörper 1 nur teilweise von dem Vergusswerkstoff 5 überdeckt ist. Es bleibt dabei ein Freiraum 10, in dem optisch aktive Elemente angeordnet sein können, die dann Strahlung aussenden oder empfangen können, ohne durch den Vergusswerkstoff 5 gehindert zu werden.

Nicht dargestellt in der Figur ist die Beschichtung des Halbleitergrundkörpers 1 mit einer dünnen Polyimidschicht, wobei der Bereich 10 sowie die Bereiche 8, 9, wo später gebondet wird, ausgenommen sind.

Das Substrat 2 kann beispielsweise durch eine Keramik, einen organischen Werkstoff oder auch ein Metall gebildet werden. Die Leitfähigkeit spielt dabei keine Rolle, da die elektrisch aktive Zone des Halbleitergrundkörpers sich ausschließlich an seiner Oberseite befindet.

Die 2 zeigt das Halbleitermodul aus der 1 in einer Ansicht von unten, wo die vereinzelten Kontakte 3, 4 offen liegen und erkennbar sind.

3 zeigt eine Außenansicht des Halbleitermoduls von der Vorderseite.

In der 4 ist eine dreidimensionale Ansicht des Halbleitermoduls gezeigt, wobei der Vergusswerkstoff derart durchsichtig dargestellt ist, dass die Bonddrähte 6, 7 sowie die Teile des Leadframes sichtbar sind. Die Bonddrähte führen zu dem Halbleitergrundkörper 1, wo sie auf Bondflächen 8, 9 enden. Es ist eine Ausnehmung 10 in dem Vergusswerkstoff dargestellt, die die optisch aktiven Elemente des Halbleitergrundkörpers 1 zur Abstrahlung und zum Empfang von optischer Strahlung freilässt.

Die 5 zeigt das Halbleitermodul aus der 4 in einer geschnittenen dreidimensionalen Form.

In der 6 ist sehr schematisch eine Gießform 11, 12 für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul dargestellt. Derartige Gießformen sind typischerweise vielfach zusammengefasst, um mit einem Vergussvorgang möglichst viele Halbleitermodule zu schaffen, in der Figur ist jedoch nur eine einzige Form dargestellt, die aus einem Unterteil 11 und einem Oberteil 12 besteht. Das Oberteil 11 trägt an seiner Innenseite 13 zwei Abdeckkörper 14, 15, die als zylindrische Stäbe mit Stirnflächen 16, 17 ausgebildet sind.

Die Gießform wird nach Einlage des Leadframes und des Halbleitergrundkörpers auf dem Substrat, die bereits durch Bonden miteinander verbunden sind, zunächst geschlossen. Dabei stoßen die Abdeckkörper 14, 15 mit ihren Stirnflächen 16, 17 auf den Halbleitergrundkörper und decken auf diesem die optisch aktiven Bereiche ab. Nach dem Schließen der Gießform wird dann durch eine Einlassöffnung das bei hohen Temperaturen dünnflüssige Epoxidharz als Vergusswerkstoff eingefüllt, bis dass der Innenraum der Gießform 11, 12 gefüllt ist. Nach dem Erstarren des Gießharzes wird die Oberseite der Gießform 12 entfernt und die Abdeckkörper 14, 15 werden aus dem erhärteten Epoxidharz herausgezogen. Es verbleiben Öffnungen im Gießharz, die bis zum Halbleitergrundkörper reichen und dort die optisch aktiven Bereiche freilassen.

Die 7 zeigt in einem Längsschnitt einen zylindrischen Abdeckkörper 18, der eine Stirnseite 19 mit einer muldenartigen Vertiefung aufweist, deren Rand 20 plan umläuft und eine Schneide bildet, die gegenüber dem Halbleitergrundkörper beim Verguss eine vergussdichte Abdeckung bildet.

Die 8 zeigt einen weiteren Abdeckkörper 21, der ebenfalls zylindrisch ist und der an seiner Stirnseite 22 einen umlaufenden Steg 23 aufweist, der eine Dichtfläche gegenüber dem Halbleitergrundkörper bildet.

Die 9 zeigt einen konisch zulaufenden Kegelstumpf 24, der eine plane Stirnseite 25 zum Aufsetzen auf den Halbleitergrundkörper aufweist, während die 10 einen im Querschnitt viereckigen Kegelstumpf 26 mit einer planen Stirnseite 27 zeigt.

Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

BEZUGZEICHENLISTE

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleitermoduls bei dem ein Halbleitergrundkörper (1), der wenigstens ein optisch aktives Element aufweist, in einen Leadframe (3, 4) eingebracht wird,

    wobei leitende Verbindungen zwischen dem Halbleitergrundkörper (1) und dem Leadframe (3, 4) hergestellt werden,

    danach der Leadframe (3, 4) und der Halbleitergrundkörper (1) anschließend in einer Gießform (11, 12) vergossen werden,

    wobei wenigstens ein Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) vorgesehen ist, der sich zwischen Innenwand der Gießform (11, 13) und dem optisch aktiven Element befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem auf der Oberseite des Halbleiterkörpers liegenden aktiven Element, sich der Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) von der Innenwand der Gießform (11, 13) bis zu dem optisch aktiven Element erstreckt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) mit einer Stirnfläche das optisch aktive Element vergussdicht abdeckt.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der wenigsten eine Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) so lang ausgebildet ist, dass er während des Vergusses gegen den Halbleitergrundkörper (1) gedrückt wird, der seinerseits federnd gegen den Leadframe (3, 4) gedrückt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss mit einem im Wellenlängenbereich der optisch aktiven Elemente nicht transparenten Vergusswerkstoff (5) insbesondere einem Epoxidharz durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Verguss mit einem im Wellenlängenbereich der optisch aktiven Elemente transparenten Vergusswerkstoff (5) insbesondere einem Epoxidharz durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verguß Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) aus einem transparenten Werkstoff eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitergrundkörper (1) vor dem Einbringen in den Leadframe (3, 4) unter Ausnehmung der optisch aktiven Elemente mit einem Polyimid beschichtet wird.
  9. Gießform zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Oberseite des Halbleitergrundkörpers (1) zugewandte Innenwand der Gießform Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) trägt, die sich mit ihren jeweiligen Stirnfläche (16, 17, 19, 22) bis zur Oberfläche des Halbleitergrundkörpers (1) erstrecken.
  10. Gießform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) entlang ihrer Länge gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen.
  11. Gießform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) entlang ihrer Länge einen sich beispielsweise stufenförmig, kegelschnittförmig, konvex oder konkav zum Halbleitergrundkörper (1) hin verringernden Querschnitt, aufweisen.
  12. Gießform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) im Querschnitt rund ausgebildet sind.
  13. Gießform nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet dass die Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) im Querschnitt viereckig ausgebildet sind.
  14. Gießform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass die Stirnfläche (16, 17, 19, 22) wenigstens eines der Abdeckkörper (14, 15, 18, 21) einen umlaufend vorstehenden planen Rand (20, 23) aufweist, hinter den der innere Bereich der Stirnfläche zurückgezogen ist.
  15. Halbleitermodul mit einem Halbleitergrundkörper (1), der mit einem Leadframe (3, 4) vergossen ist und der an seiner Oberseite wenigstens ein optisch aktives Element aufweist, wobei jedem optisch aktiven Element eine Ausnehmung in der Vergussmasse (5) zugeordnet ist, die sich von dem optisch aktiven Element bis zu der Oberseite des Halbleitermoduls hin erstreckt.
  16. Halbleitermodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitergrundkörper (1) unter Freilassung der optisch aktiven Elemente an seiner Oberseite mit einer Polyimidschicht beschichtet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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