DE2734798C2

DE2734798C2 -

Info

Publication number: DE2734798C2
Application number: DE2734798A
Authority: DE
Inventors: Kent Randall Mckinney Tex. Us Carson; Charles Morrell Dallas Tex. Us Hess
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1976-08-02
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1989-03-23
Also published as: GB1584993A; US4126882A; DE2734798A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit mehre ren opto-elektronischen Halbleiterbauelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Halbleiteranordnung ist aus der US-PS 38 99 826 bekannt. Bei dieser Halbleiteranordnung sind die einzelnen Halbleiterbauelemente dabei auf dem elektrisch isolierenden Substrat in Spalten und Zeilen angeordnet, und die Leiterbahnmuster auf dem Substrat sind so ausgebil det, daß sie die Halbleiterbauelemente spalten- und zeilen weise verbinden. Zum Herstellen der Anschlußverbindungen zu den Spalten- und Zeilenleitern sind Anschlußstifte vorgese hen, die fest in einem einen Deckel bildenden Gehäuseteil angebracht sind und so angeordnet sind, daß sie genau auf zugehörige Anschlußflecken an den Spalten- und Zeilenleitern ausgerichtet sind, so daß sie mit diesen in Kontakt kommen, wenn der Gehäuseteil auf das die Halbleiterbauelemente tra gende Substrat aufgesetzt wird. Wegen der in den opto-elek tronischen Halbleiterbauelementen auftretenden Verlustlei stung und der damit zwangsläufig verbundenen Wärmeausdehnung des Substrats treten Probleme an den Kontaktstellen zwischen dem Substrat und den Anschlußstiften auf. Bei der bekannten Halbleiteranordnung sind diese Probleme nicht angesprochen, und es sind auch keine Mittel erkennbar, mit denen diese Pro bleme beseitigt werden könnten. Bei der bekannten Anordnung kann es vorkommen, daß aufgrund der Wärmeausdehnung des Sub strats die zur einwandfreien Kontaktierung erforderliche Aus richtung der Anschlußstifte nicht mehr gegeben ist, so daß dementsprechend auch die Funktionsfähigkeit der Halbleiteran ordnung nicht mehr gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Halb leiteranordnung so weiterzuentwickeln, daß bei komplexeren Anordnungen mit einer größeren Anzahl von Anschlußstiften und mit einem der Komplexität der Schaltungsanordnung ent sprechend großflächigen Substrat, unbeeinflußt durch Tem peraturschwankungen hervorgerufenen Ausdehnungskräften so wie unbeeinflußt von auf die Anschlußstifte einwirkenden Kräften, die elektrischen Verbindungen zwischen Anschluß stiften und Anschlußflecken dauerhaft und zuverlässig und außerdem noch raumsparend sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Problematik der Wärmeausdehnung von Halbleiterscheiben größeren Durchmessers und die damit ver bundenen Schwierigkeiten bei der elektrischen Verbindung der am Rand dieser Halbleiterscheiben angeordneten Anschlußflecken mit Anschlußstiften, welche zum äußeren Anschluß der Halblei terscheiben dienen, ist aus der DE-OS 25 14 123 bekannt. Zur Lösung dieser Problematik werden in der DE-OS 25 14 123 die Halbleiterscheiben lediglich in ihrer Mitte an einer Art So ckelplatte befestigt, während die Ränder auf der Sockelplatte lose aufliegen, so daß die thermische Ausdehnung der Halblei terscheiben in radialer Richtung nicht behindert ist. Die elek trische Verbindung der Anschlußflecken mit den Anschlußstiften erfolgt bei diesem Stand der Technik ebenfalls über flexible Verbindungsdrähte.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen

Fig. 1a bis 1d eine perspektivische Explosionsdarstellung der mechanischen Teile der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,

Fig. 3 eine Teildraufsicht auf die erste Ausführungsform der Anordnung zum Verbinden der einzelnen Halbleiter bauelemente mit dem metallisierten Substrat,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Halbleiteranordnung,

Fig. 5 eine Teildraufsicht auf die zweite Ausführungsform der Anordnung zum Verbinden der einzelnen Halbleiter bauelemente mit dem metallisierten Substrat.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird die mehrere opto-elektronische Halbleiterbauelemente enthaltende Halbleiteranordnung beschrieben, die in einem Halbleiter-Chip ein lineares Leucht diodenfeld enthält. Für den Fachmann ist ohne weiteres erkennbar, daß auch andere aus mehreren Einzelelementen zusammengesetzte Bauelemente benutzt werden können und daß das Leuchtdiodenfeld nur ein Beispiel ist.

Nach den Fig. 1a bis 1d, 2 und 3 enthält das Gehäuse 10 einen Sockelaufbau 12, einen Deckel 14, eine Abdichtung 15 gegen Umgebungseinflüsse und, falls es erwünscht ist, Schrauben 16. Die Schrauben 16 befestigen den Deckel 14 am Sockelauf bau 12.

Der Sockelaufbau 12 (Fig. 1b bis 1d) enthält eine Sockel platte 18, die beispielsweise aus maschinell bearbeitete Aluminium oder einer Legierung bestehen kann und einen Wärmeableiterkörper für den mehrere Halbleiterbauelemente enthaltende Halbleiter-Chip bildet. Die Sockelplatte 18 (Fig. 1c) ist vorzugsweise rechtwinklig, und die einander gegenüberliegenden Seiten 24 und 26 weisen eine Abstufung auf, die mit U-förmigen Nuten 28 und 30 in Verbindung stehen, die an die entgegengesetzten Seiten 32 und 34 angrenzen. Die abgestuften Seiten 24 und 26 und die U-förmigen Nuten 28 und 30 bilden eine Halterung für die Dichtung 15 zum Schutz gegen äußere Einflüsse. Die Dichtung 15 kann eine Gummidichtung oder eine Kunststoffdichtung sein. Angrenzend an die abgestuften Seiten 24 und 26 sind zwischen den Sei ten 32 und 34 Montagelöcher 36 und 38 angebracht. Gewinde löcher 40 und 42 liegen im Abstand zwischen der Seite 32 und der U-förmigen Nut 28, und Gewindelöcher 44 und 46 liegen im Abstand zwischen der Seite 34 und der U-förmigen Nut 30. Die Löcher 36 und 38 entsprechen Gewindelöchern 48 und 50 des Deckels 14 (Fig. 1a); sie werden dazu benutzt, den Deckel 14 mit Hilfe der Schrauben 16 am Sockelaufbau 12 zu befestigen. Die Gewindelöcher 40, 42 und 44, 46 (Fig. 1c) entsprechen Löchern 50, 52, 54, 56 im Deckel 14 (Fig. 1a); diese Löcher werden dazu verwendet, das Gehäuse an externen Vorrichtun gen eines vollständigen Systems zu befestigen. Die Sockelplatte 18 des Sockelaufbaus 12 (Fig. 1c und Fig. 2) enthält ebenfalls Gewindelöcher 58 zum Befestigen eines unterteilten Substrats 60 (Fig. 1b) aus den Segmenten 62, 64 und 66 sowie Ausnehmungen 68 und 70 (Fig. 1c) für Anschlußstiftfelder. Die Ausnehmungen 68 und 70 für die Anschlußstiftfelder können beispielsweise rechtwinklig ausgebildet sein und zur Aufnahme von Flanschen der Anschlußstiftfelder 76 (Fig. 1d) Ansätze aufweisen. Anschlußstifte 72 sind durch Vergießen oder Verkleben in einem oder in mehreren Anschlußstiftfeldern 76 (Fig. 1d und Fig. 2) be festigt. Abschnitte der Anschlußstifte stehen an den Anschlußstiftfeldern 76 nach oben und nach unten vor. Der sich unterhalb der Anschlußstiftfelder 76 erstreckende Abschnitt der Anschlußstifte bildet unter der Sockelplatte 18 Steckerglieder, die mit (nicht dargestellten) äußeren Anschlußbuchsen zusammenpassen. Von der Sockelplatte 18 nach unten ragende Schenkel 74 bilden eine Stütze für die äußeren Anschlußbuchsen. Die Anschlußstiftfelder 76 (Fig. 1d) sind beispielsweise aus einem hochfesten, elektrisch isolierenden Material, wie glasfaserverstärktes Diallylphthalat, hergestellt. Die Anschlußstiftfelder 76 sind in den mit Ansätzen versehenen Ausnehmungen 68 und 70 der Sockelplatte 18 (Fig. 1c und Fig. 2) durch Kleben oder auf andere Weise befestigt. Durch Verwendung der Anschlußstiftfelder 76 und ihre Befestigung in der Sockelplatte 18 beispielsweise mittels eines Epoxydklebers wird die beim Aufschieben und Entfernen der äußeren Anschlußbuchse erzeugte Kraft gleichmäßig auf das gesamte Anschlußstiftfeld 76 und die Sockelplatte 18 übertragen, so daß jede auf das unterteilte Substrat einwirkende Kopplungskraft vermieden wird.

Die Segmente 62, 64 und 66 (Fig. 1b) des Substrats 60 bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder einem anderen geeigneten isolierenden Keramikmaterial oder einem dielektrischen Material, das metallisiert ist, mit bei spielsweise Titan-Gold/galvanisch aufgebrachtem Gold, Titan-Wolfram-Gold/galvanisch aufgebrachtem Gold, Chrom-Gold/ galvanisch aufgebrachtem Gold oder eine goldhaltige Paste oder irgendeine andere Metallschicht oder eine Kombination von Metallschichten mit niedrigem elektrischen Flächen widerstand, wobei dieses Material bondfähig sein muß, gut an dem Substrat haften muß und zur Bildung elektrischer Leiterbahnen mit feinem geometrischen Verlauf in ein Muster formbar sein muß. Die Segmente 62 und 66 weisen jeweils Spalten aus Anschlußstiftlöchern 80 und 81 sowie Befestigungs löcher 78 auf. Wenn die Segmente 62 und 66 richtig auf der Sockel platte 18 angebracht sind, passen die Spalten der Anschluß stiftlöcher 80 und 81 mit den nach oben ragenden Abschnitten der Anschlußstifte 72 zusammen, und die Befestigungslöcher 78 passen mit den Gewindelöchern 88 der Platte 18 zusammen. In die Löcher 78 sind Schrauben 82 (Fig. 2) eingefügt, die in die Gewindelöcher 58 geschraubt sind, damit die Sub stratsegmente 62 und 66 an der Sockelplatte 18 befestigt werden. Bei dieser Befestigung sind die Substratsegmente im wesent lichen frei von hohen Beanspruchungswerten, die in der Sockel platte 18 beim Durchlauf durch Temperaturzyklen hervorge rufen werden.

Die Substratsegmente 62 und 66 (Fig. 3) werden metallisiert, und es wird jeweils ein Leiterbahnmuster mit feiner Geometrie erzeugt; dieses Leiterbahnmuster enthält Anschlußflecken 84 und 86, die durch Leiterbahnen 88 verbunden sind, sowie Anschlußflecken 90 und 92, die durch Leiterbahnen 94 ver bunden sind. Die Anschlußflecken 86 und 90 liegen im Abstand voneinander, damit Plätze für diskrete Bauelemente, beispielsweise für Vorspannungswiderstände 96, entstehen. Die Vorspannwiderstände 96 können diskrete Widerstände oder diskrete Halbleiter-Chips sein, die mit den Substrat segmenten 62 und 66 verklebt sind; sie können auch aus Dünnfilmwiderständen bestehen, die direkt auf die Segmente aufgebracht sind und dann beispielsweise mittels eines Lasers auf einen gewünschten Wert gebracht werden. Leiter 98 ver binden die Anschlußflecken 84 mit den Anschlußstiften 72. Leiter 100 verbinden die Vorspannungswiderstände 96 mit den Anschlußflecken 86, und Leiter 102 verbinden die Vor spannungswiderstände 96 mit den Anschlußflecken 90. Die Leiter 98, 100 und 102 können beispielsweise mittels des Tröpfchen-Bondverfahrens gebildete Drahtleiter oder mittels des Beam-Lead-Verfahrens gebildete selbsttragende Leiter sein. Drahtleiter sind insbesondere für die Leiter 98 bevorzugt, da sie eine Flexibilität zwischen den An schlußstiften 72 und den Anschlußflecken 84 ergeben, damit eine Vibrationsbewegung der Stifte 72 aufgenommen werden kann, die durch Kräfte beispielsweise beim Kuppeln oder Trennen der externen Anschlußbuchsen entsteht. Das Substrat segment 64 (Fig. 3) wird metallisiert, und es werden mehrere Anschlußflecken 104, 106 und 108 gebildet. Angrenzend an die Ränder des Substrats 64 sind Anschlußflecken 104 und 108 gebildet, die mit Hilfe von Leiterbahnen 110 mit entsprechenden Anschlußflecken 106 verbunden sind. Die Anschlußflecken 106 sind spaltenartig zwischen den Anschlußflecken 104 und 108 und angrenzend an einen Platz für den mehrere opto-elektronische Halbleiterbauelemente enthaltenden Halbleiter-Chip 114 angeordnet. Mit jedem zweiten Anschlußfleck 106 sind Anschlußflecken 104 verbunden, und Anschlußflecken 108 sind mit den Anschlußflecken 106 verbunden, die zwischen den mit den Anschlußflecken 104 verbundenen An schlußflecken liegen.

Damit alle Bondverbindungen an dem ein lineares Leucht diodenfeld enthaltenden Halbleiter-Chip 114 von einer Seite des Halbleiter-Chips aus herge stellt werden können, ist der Chip 114 (Fig. 2 und 3) auf einem elektrisch isolierenden Substrat 116 befestigt, das beispielsweise ein Keramiksubstrat ist. Das Substrat 116 des Halbleiter-Chips 114 ist zur Bildung einer Teilbaugruppe 112 am Substratsegment 64 befestigt. Eine Fläche des Sub strats 116 ist beispielsweise mit Gold metallisiert, und der Halbleiter-Chip 114 ist beispielsweise durch Löten oder mittels eines leitenden Epoxydklebers mit dieser Fläche verbunden, damit ein gemeinsamer Katodenkontakt zum Halbleiter-Chip 114 gebildet wird. Das Substrat 116 mit dem Chip 114 ist mittels eines elektrisch nichtleiten den Klebers am Substratsegment 64 befestigt. Da die Unter seite des Substrats 116 und der Kleber nichtleitend sind, werden die unterhalb des Substrats 116 verlaufenden Leiter bahnen 110 elektrisch nicht kurzgeschlossen. Die einzelnen Halbleiterbau elemente 118 des Halbleiter-Chips 114 werden dann bei spielsweise mittels Drahtleitern 120, die unter Anwendung des Tröpfchen-Bondverfahrens gebildet werden oder mittels selbsttragender Leiter, die mittels des Beam-Lead- Verfahrens gebildet werden, mit den Anschlußflecken 106 verbunden. Die Teilbaugruppe 112 aus dem Halbleiter-Chip 114, dem Substrat 116 und dem Substratsegment 64 kann dann beispielsweise unter Anwendung eines Sondenverfahrens geprüft werden; anschließend kann die Teilbaugruppe 112 durch Befestigen des Substratsegments 64 mittels der Schrauben 122 (Fig. 1b) an der Sockelplatte 18 angebracht werden. Nach Fig. 3 werden die Anschlußflecken 92 des Substratsegments 62, die Anschlußflecken 104 und 108 des Substratsegments 64 sowie die Anschlußflecken 92 des Substratsegments 66 anschließend mit Hilfe von Verbindungsdrähten oder selbsttragenden Leitern 124 und 126 elektrisch ver bunden, die unter Anwendung des Tröpfchen-Bondverfahrens bzw. des Beam-Lead-Verfahrens hergestellt werden. Die auf diese Weise elektrisch aufgebauten und angeschlossenen Substratsegmente 62, 64 und 66 sind im wesentlichen frei von hohen Beanspruchungen, so daß sie eine höchst zuverlässige Halbleiteranordnung ermöglichen.

Der Deckel 14 (Fig. 1a), der aus Aluminium oder einem glasfaserverstärkten, wärmehärtbaren Phenolkunststoff hergestellt sein kann, enthält eine optische Anordnung mit einer Linse 128, die über einer im Deckel gebildeten Öffnung 130 befestigt ist, deren Form der Form des Halbleiter-Chips 114 entspricht. Die optische Anordnung läßt von den Leuchtdioden abgestrahltes Licht durch den Deckel hindurch.

In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 4 und 5), in der für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet sind, ersetzt ein ein teiliges Substrat 60′ das unterteilte Substrat 60 (Fig. 1b) der bevorzugten Ausführungsform. Das Substrat 60′ ist mit Hilfe von Schrauben 132, die sich durch Substrat löcher in Gewindelöcher 38 der Sockelplatte 18 erstre cken, lösbar an der Sockelplatte 18 befestigt. Das Substrat 60′ weist mehrere Anschlußstift-Befestigungs löcher 136 und 138 auf, die beispielsweise in Spalten nahe bei jedem Ende des Substrats 60′ und über recht winkligen Ausnehmungen 68 und 70 in der Sockelplatte 18 angeordnet sind. In den Löchern 136 und 138 des Substrats 60′ sind beispielsweise durch Hartlöten, Löten oder Bonden mit leitenden Klebern oder mit Glasschmelzen 140 Anschlußstifte 72 befestigt. Zur Erzielung einer zusätzlichen mechanischen Stützung der Stifte werden rechtwinklige, elektrisch nicht leitende Stiftschalen 142 und 144 verwendet. Diese Schalen, die beispielsweise aus einem wärmehärtbaren Epoxydkunst stoff hergestellt sind, sind in die Ausnehmungen 68 und 70 der Sockelplatte 18 eingeschoben.

Das Substrat 60′ (Fig. 5) ist beispielsweise mit den gleichen Materialien wie das Substrat 60 metallisiert. Die Metalli sierung ist in ein solches Muster gebracht, daß folgende Teile entstehen: Anschlußflecken 146 dicht bei jedem Ende des einteiligen Substrats 60′, mit denen die Anschlußstifte 72 elektrisch beispielsweise mittels Hartlöten, Löten oder mittels nach dem Tröpfchen-Bondverfahren hergestellter Draht leiter 148 verbunden werden; mehrere Plätze für elektrische Schaltungsbauelemente, beispielsweise für die zuvor be schriebenen Vorspannungswiderstände 96 (Fig. 4); Anschluß flecken 152 und 154 (Fig. 5) dicht bei den Seiten der Vor spannungswiderstände 96; Leiterbahnen 156, die die Stift anschlußflecken mit den Anschlußflecken 152 verbinden; Anschlußflecken 158, die dicht bei einem Platz für die Teil baugruppe 162 (Fig. 4) mit dem aus mehreren opto-elektronischen Halbleiterbauelementen bestehenden Halbleiter-Chip 114 angeordnet sind; Leiterbahnen 164 (Fig. 5), die die Anschlußflecken 154 und 158 verbinden.

Damit eine Vorprüfung ermöglicht wird, ist der Halbleiter- Chip 114 auf einem Substrat 166 (Fig. 4) befestigt.

Das Substrat 166 ist mit einer Metallisierung (Fig. 5) versehen, die zur Bildung von Leiterbahnen mit feiner Geometrie in ein Leiterbahnmuster gebracht ist. Jedes Halbleiterbauelement 168 des Halbleiter-Chips 114 ist beispielsweise mittels eines Drahtleiters 170, der unter Anwendung des Tröpfchen-Bondverfahrens angebracht wird, mit einer Anschlußfläche 172 des Leiterbahn musters des Substrats 166 verbunden. Die Teilbaugruppe 162 aus dem Halbleiter-Chip 114 und dem Substrat 166 wird dann beispielsweise unter Anwendung eines Sondenverfahrens vor dem Befestigen an dem Gehäuseplatz für den Halbleiter- Chip geprüft. Das Befestigen der Teilbaugruppe 162 erfolgt beispielsweise durch Löten oder mittels eines geeigneten Klebeverfahrens. Das Leiterbahnmuster des Substrats 166 wird dann elektrisch mit Hilfe von Drahtleitern 174 mit den Anschlußflecken 158 des einteiligen Substrats 60′ verbunden. Der gemäß der obigen Beschreibung her gestellte Sockelaufbau wird dann mit dem zuvor beschriebenen Deckel 114 abgedeckt, damit das Gehäuse der Halbleiteranordnung gemäß dieser Aus führungsform fertiggestellt wird.

Claims

1. Halbleiteranordnung mit mehreren opto-elektronischen Halbleiterbauelementen, welche zusammen mit einem die Halb leiterbauelemente verbindenden Leiterbahnmuster sowie mit Anschlußflecken auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet bzw. ausgebildet sind und bei der das Substrat an einer die Halbleiteranordnung tragenden Sockelplatte be festigt ist, ferner mit an der Sockelplatte befestigten Anschlußstiften, wobei die Anschlußstifte mit den Anschluß flecken über flexible Verbindungsleitungen elektrisch ver bunden sind, gekennzeichnet durch Schrauben (82, 122) oder dazu äquivalente mechanische Befestigungsmittel, die das elektrisch isolierende Substrat (60, 62, 64, 66; 60′) der art lose an der Sockelplatte (18) befestigen, daß das Sub strat (60, 62, 64, 66; 60′) nicht durch thermische Ausdeh nungskräfte zwischen Substrat (60, 62, 64, 66; 60′) und Sockelplatte (18) beansprucht wird, daß weiter in der So ckelplatte (18) mehrere Ausnehmungen (68, 70) ausgebildet sind und in diesen Ausnehmungen (68, 70) die Anschlußstif te (72) zu Feldern zusammengefaßt, in Trägerplatten (76) eingepaßt angeordnet sind und daß schließlich das Substrat (60, 62, 64, 66; 60′) durchgehende Löcher (80, 81) mit ei nem Durchmesser größer als der Querschnitt der Anschlußstif te (72) aufweist und das Substrat (60, 62, 64, 66; 60′) re lativ zu den Anschlußstiften (72) derart angeordnet ist, daß die Anschlußstifte (72) mit ihren einen Enden durch diese Löcher (80, 81) frei hindurchgehen.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das elektrisch isolierende Substrat (60) aus Segmen ten (62, 64, 66) besteht, wobei jedes Segment (62, 64, 66) mit Hilfe der Schrauben (82, 122) oder dazu äquivalenten Befesti gungsmitteln lose an der Sockelplatte (18) befestigt ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß ein Gehäusedeckel (14) vorgesehen ist, der eine Öff nung (130) enthält, die optisch auf den Platz zur Aufnahme eines der elektro-optischen Halbleiterbauelemente (114) ausgerichtet ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß über der Öffnung (130) des Gehäusedeckels (14) eine optische Linse (128) angebracht ist.