WO2002013231A2 - Strahlungsquelle und verfahren zur herstellung einer linsenform - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a radiation source with a multiplicity of semiconductor chips arranged next to one another.
  • the invention further relates to a method for producing a lens shape suitable for producing a field of microlenses.
  • Radiation sources such as, for example, luminescent diodes, generally have a semiconductor chip cast into a transparent lens body. It is also known to increase the radiation power of such radiation sources by providing a large number of semiconductor chips. Such radiation sources usually have condenser optics which consist of a lens. However, the radiation density of such radiation sources is often unsatisfactory when it is important to create a luminous radiation source with a small spatial extent.
  • the object of the invention is to create a radiation source of high radiance.
  • This object is achieved in that a field of lenses forming a hexagonal grid is arranged in the radiation direction in front of the semiconductor chips.
  • the hexagonal arrangement of the lenses enables a high areal density of the associated semiconductor chips to be achieved.
  • the radiance of the radiation source is correspondingly high. Since the lenses are usually formed by spherical segments, spherical segments with a large radius can be used for the lenses. be chosen. As a result, the radiation-emitting active layer of the semiconductor chips can for the most part be arranged within the egg strass associated with the respective sphere. This results in a high radiation yield with respect to the individual semiconductor chips.
  • the invention is also based on the object of providing a rational method for producing a lens shape which is suitable for producing a field of lenses.
  • This object is achieved in that the lens shape is molded on a set of balls held by a hexagonal frame.
  • the set of balls is, as it were, brought into a hexagonal lattice structure when the balls are close together. It is therefore sufficient to ensure that the socket is completely filled with the balls to be molded.
  • Figure 1 is a plan view of a semiconductor chip equipped and already bonded circuit board for the radiation source according to the invention
  • Figure 2 is an enlarged cross-sectional view of the circuit board of Figure 1;
  • Figure 3 is a plan view of a field of lenses
  • FIG. 4 shows a cross section through a casting mold that can be used to produce a microlens field
  • Figure 5 is a plan view of the casting mold from Figure 4.
  • FIG. 6 shows a cross section through a further device used for the production of the casting mold
  • FIG. 7 shows a cross section through the casting device used to produce the microlens field
  • Figure 8 is a diagram showing the radiation power as a function of the distance between the top edge of the semiconductor chip and the associated hemispherical microlens.
  • Figure 1 shows a plan view of a circuit board 1, which is made of Al 2 0 3 or Si.
  • circuit board 1 which is made of Al 2 0 3 or Si.
  • connection contacts 2 are formed, of which conductor tracks 3 to
  • Semiconductor chips 7 are attached to the chip contact areas 6 and bonded in rows in each case.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail from a cross section through the printed circuit board 1 provided with microlenses 8. It can be seen that the semiconductor chips 7 are each attached to the chip contact surfaces 6 with an underside 9. The bond wires 5, which lead to an adjacent chip contact area 6 or to one of the contact points 4, are respectively attached to an upper side 10 of the semiconductor chips 7.
  • the microlenses 8 are hemispheres with a radius R.
  • the geometric center of the microlenses 8 is located at a distance .DELTA.x from the top of the semiconductor chips 7.
  • the distance .DELTA.x is selected so that the radiation in each case emitting active layer of the semiconductor chips 7 is located at least half within the Weierstrass' sphere with radius R / n, where n is the refractive index of the material used for the micro lens 8.
  • the centers of the egg strass 'spheres coincide with the centers of the microlenses 8. Radiation generated within the Weierstrass' sphere can exit the microlens 8.
  • microlenses 8 are expediently cast from synthetic resin.
  • the manufacturing process is carried out as follows:
  • a first mold plate 11 is produced, which, as shown in FIG. 4, has a central mandrel 12 with a hexagonal cross section which can be seen in FIG.
  • the mandrel 12 is arranged on a base 13.
  • Dowel pins 14 are located in the vicinity of the base 13.
  • a holding frame 15, which has depressions 16 on its inside, is also attached to the first mold plate 11.
  • the interior delimited by the holding frame 15 is filled with silicone. This forms a silicone frame 17, the one in the center
  • Cross section has hexagonal opening.
  • the silicone frame 17 engages in the recesses 16 and can therefore be simple Be attached together with the holding frame 15 to a second mold plate 19 shown in Figure 6.
  • the dowel pins 14 also present here serve to align the holding frame 15 and the silicone frame 17 on the second mold plate 19.
  • the silicone frame 17 comes to rest on the second mold plate 19 in such a way that the opening 18 of the silicone frame 17 with a socket 20 in the second Form plate 19 is aligned.
  • the frame 20 occupies the space of the base 13 of the first mold plate 11 with its side webs 21. It also has a hexagonal cross section. Beads 22 are placed in the holder 20 in a tightly lying manner.
  • the spheres 22 have a radius which essentially corresponds to the radius of the microlenses 8 to be produced. Since the holder 20 has a hexagonal cross section and since the beads 22 lie close together, the beads 22 are arranged according to a hexagonal lattice structure.
  • the opening 18 is then filled with silicone.
  • the casting device 23 has a suction nozzle 25, on which a base plate 26 is attached, which holds the circuit board 1.
  • a central suction opening 27 is provided, which leads to the printed circuit board 1.
  • the holding frame 15 with the microlens shape 24 is located above the base plate 26. Both are partially covered by a press plate 28, which is connected to the base plate 26 via a screw connection (not shown) and ensures the secure fit of the microlens shape 24 on the base plate 26.
  • the dowel pins 14 have left passages 29 in the microlens mold 24 which serve to introduce the synthetic resin into the cavity of the microlens mold 24 above the printed circuit board 1. It should be noted that the circuit board 1 is of course already provided with the semiconductor chips 3 under the microlens mold 24 and is fully bonded.
  • FIG. 8 shows a diagram in which the radiation power ⁇ is shown in a solid angle with a half opening angle of 60 °, that is to say an opening angle of 120 ° as a function of the distance ⁇ x.
  • the diameters of the microlens 8 were 500 ⁇ m, 600 ⁇ m and 700 ⁇ m. It is clear from FIG. 8 that the radiation power takes the greatest values in the detected solid angle at a distance ⁇ x of 0.1 mm. There is the radiation line power approximately twice as large as without microlenses 8. At this distance, a large part of the active layer of the semiconductor chip 7 also lies within the Weierstrass' see ball of the microlenses 8.
  • microlenses 8 For practical reasons, it can nevertheless be advantageous if a diameter of 700 ⁇ m is selected for the microlenses 8, since otherwise problems can occur when bonding the semiconductor chips 7 on the chip contact surfaces 6 and when bonding the bonding wires 5.
  • conventional casting resins shrink during curing, which is why the cured microlenses anyway are about 6% smaller than the corresponding shapes of the microlens mold 24.

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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

Beschreibung
Strahlungsquelle und Verfahren zur Herstellung einer Linsenform
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle mit einer Vielzahl 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. Derartige Strahlungsquellen verfügen üblicherweise über eine Kondensoroptik, die aus einer Linse besteht. Die Strahldichte derartiger Strahlungsquellen ist allerdings häufig unbefriedigend, wenn es darauf ankommt, eine leuchtkräftige Strahlungsquelle mit geringer räumlicher Ausdehnung zu schaffen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle hoher Strahldichte 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 großem Ra- dien gewählt werden. Dadurch kann die Strahlung emittierende aktive Schicht der Halbleiterchips zum großen Teil innerhalb der der jeweiligen Sphäre zugeordneten eierstrass 'sehen Kugel angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Strah- lungsausbeute bezüglich der einzelnen Halbleiterchips.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein rationelles 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 gewissermaßen von selbst in eine hexagonale Gitterstruktur gebracht, wenn die Kugeln dicht an dicht liegen. Es genügt daher dafür zu sorgen, daß die Fassung vollständig mit den abzuformenden Kugeln gefüllt ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wir die Erfindung im einzelnen anhand der beige- fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Aufsicht auf eine mit Halbleiterchips bestückte und bereits gebondete Leiterplatte für die Strahlungsquelle gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine vergrößerte Querschnittansicht der Leiterplatte aus Figur 1;
Figur 3 eine Aufsicht auf ein Feld von Linsen; Figur 4 einen Querschnitt durch eine zur Herstellung einer für die Fertigung eines Mikrolinsenfeldes verwendbaren Abgußform;
Figur 5 ein Aufsicht auf die Abgußform aus Figur 4;
Figur 6 einen Querschnitt durch eine weitere für die Fertigung der Abgußform verwendete Vorrichtung;
Figur 7 einen Querschnitt durch die zur Herstellung des Mikrolinsenfeldes verwendete Gießvorrichtung; und
Figur 8 ein Diagramm, das die Strahlungsleistung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Oberkante des Halbleiterchips und der zugeordneten halbkugelförmigen Mikrolinse zeigt.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Leiterplatte 1, die aus Al203 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 Figur 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus einem Querschnitt 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 jeweils 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 ' sehen Kugel mit Radius R/n befindet, wobei n der Brechungsindex des für die Mikro- linse 8 verwendeten Materials ist. Die Zentren der eier- strass' sehen Kugeln decken sich mit den Zentren der Mikrolinsen 8. Innerhalb der Weierstrass ' sehen Kugel erzeugte Strahlung kann die Mikrolinse 8 verlassen. Es ist daher von Vorteil, wenn jeweils ein möglichst großer Teil der aktiven Schichten der Halbleiterchips 7 innerhalb der Weier- strass 'sehen Kugel zu liegen kommt. Es besteht daher ein Interesse daran, den Radius der Mikrolinsen 8 möglichst groß zu wählen. Dem steht entgegen, daß dann auch der Abstand zwischen 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 bestrebt, den Abstand zwischen den Mikrolinsen 8 so gering wie möglich zu halten. Die in Figur 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 gegossen. Das Herstellungsverfahren wird wie folgt durchge- führt:
Zunächst wird eine erste Formplatte 11 hergestellt, die, wie in Figur 4 gezeigt, einen zentralen Dorn 12 mit einem in Figur 5 erkennbaren hexagonalen Querschnitt aufweist. Der Dorn 12 ist auf einem Sockel 13 angeordnet. In der Nähe des Sok- 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 Figur 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 Silikonrahmens 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 entsprechend einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet.
Anschließend wird die Öffnung 18 mit Silikon gefüllt. Es ergibt sich somit die in Figur 7 dargestellte, in einer Gieß- Vorrichtung 23 dargestellte Mikrolinsenform 24. Die Gießvorrichtung 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 Grundplatte 26 verbunden ist und den sicheren Sitz der Mikrolinsenform 24 auf der Grundplatte 26 gewährleistet.
Die Paßstifte 14 haben in der Mikrolinsenform 24 Durchführungen 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 Mikrolinsenform 24 selbstverständlich bereits mit den Halbleiterchips 3 versehen und fertig gebondet ist.
Abschließend wird durch die Durchführungen Gießharz eingefüllt. Dadurch wird der Raum zwischen der Mikrolinsenform 24 und der Leiterbahn 3 gefüllt und die Mikrolinsen 8 geformt .
In Figur 8 schließlich ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Strahlungsleistung Φ in einen Raumwinkel mit einem halben Öffnungswinkel von 60°, also einem Öffnungswinkel von 120° in Abhängigkeit vom Abstand Δx dargestellt ist.
Figur 8 enthält das Ergebnis von Rechnungen. Die Rechnungen wurden mit einem Halbleiterchip 7 mit der Grundfläche 200 μm x 200 μ und einer Höhe von 250 μm durchgeführt. Es wurde angenommen, daß der Halbleiterchip 70 % seiner Strahlungsleistung 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 angenommen. 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 jeweils die Ergebnisse für Mikrolinsen 8 mit den Radien 250 μm, 300 μm und 350 μm bei einem Brechungsindex von n = 1,55 wieder. Die Kurven 33, 34 und 35 geben die Ergebnisse für Mikrolinsen 8 mit den Radien 250 μm, 300 μm und 350 μ 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 Figur 8 wird deutlich, daß die Strahlungsleistung in dem erfaßten Raumwinkel bei einem Abstand Δx von 0,1 mm die größten Werte annimmt. Dort ist die Strahlungslei- stung 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 ' sehen Kugel der Mikrolinsen 8.
Die Vorteile der hexagonalen Anordnung der Mikrolinsen 8 ergeben sich auch aus der folgenden Tabelle 1:
Tabelle 1:
Figure imgf000008_0001
Anhand von Tabelle 1 wird deutlich, daß eine Vergrößerung des Radius der Mikrolinsen 8 nicht notwendigerweise zu einer Erhöhung 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 ' sehen 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 Mikrolinsenform 24.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsquelle mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Strahlung emittierenden Halbleiterchips (7), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Abstrahlrichtung vor den Halbleiterchips (7) ein Feld von ein hexagonales Gitter bildenden Linsen (8) angeordnet ist.
2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linsen (8) von Halbkugeln gebildet sind.
3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linsen (8) im hexagonal dichtesten Gitter angeordnet sind.
4. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umriß des Gitters eine hexagonale Gestalt aufweist.
5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiterchips (7) zeilenweise gebondet sind.
6. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Farbgruppen von Halbleiterchips (7) ihr Emissionsmaxi- ma bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen.
7. Strahlungsquelle nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Farbgruppen zeilenweise angeordnet sind.
8. Verfahren zur Herstellung einer zur Fertigung eines Feldes von Mikrolinsen (8) geeigneten Linsenform (24) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linsenform (24) an einer von einer hexagonalen Fassung (21) gehaltenen Schar von dichtliegenden Kugeln (22) abgeformt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linsenform (24) aus Silikon abgegossen wird.
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