制造激光器二极管器件的方法,激光器二极管器件的外壳和激光器二极管器件

摘要

一种制造激光器二极管器件的方法，该器件具有：电绝缘的外壳基体(1)和电连接导体(5a，5b)，该电连接导体从外壳基体(1)中引出并且可以从外壳基体(1)之外接近。外壳基体(1)由可透过激光器二极管器件所发出的激光束的材料制成，并包括芯片安装部位(3)。激光器二极管器件的射束轴穿过外壳基体(1)。此外，本发明还涉及一种这样方法制造的壳体和具有这种类型的壳体的激光器二极管器件。

说明书

本发明涉及一种制造激光器二极管器件，尤其是制造具有塑料外壳的可以表面装配的激光器二极管器件的方法。

本发明还涉及用于激光器二极管器件的外壳，它具有电气绝缘的外壳基体和连接导体，该连接导体从外壳基体中引出并从外壳基体之外可以接近，本发明还涉及一种具有这种外壳的激光器二极管器件。

本专利申请要求优先权号为103 23 857.3(优先权日26.05.2003)的德国专利申请的优先权，后者所公开的内容以参考形式接收在本专利中。

激光器二极管器件常规上通常利用费用大的金属外壳制成或者利用另外的技术较为复杂地封装起来，例如在US 5,226,052中所描述的那样。

因而本发明的目的是提供一种制造尤其是可以表面装配的激光器二极管器件的简化的方法，用此方法尤其可以使用通常的、技术上相比来说简单的并因此成本有利的半导体光电子技术方面的工序。此外，本文还尤其说明了用于激光器二极管器件的可以表面装配的外壳以及激光器二极管器件，它们可以用这种方法来制造。

首先提到的目的用一种具有权利要求1的特征的方法来实现。方法的有利改进方案见权利要求2至12所述。

第二个提到的目的由具有权利要求13所述特征的外壳或者由具有权利要求26的特征的激光器二极管器件来实现。外壳和激光器二极管器件的有利的实施形式和改进方案见各自所属的从属权利要求14至25或27至34。

权利要求1至34所公开的内容专利详细地包括在该说明书中。

在根据本发明的一种优选的可以表面装配的外壳中，外壳基体由一种对于从激光器二极管器件发射出的激光束来说是透光的材料制成，并包括有芯片安装部位，而且激光器二极管器件的射束轴通过该外壳基体。外壳基体的可以透过激光束的材料可以使得由激光器芯片发射出的激光束不必偏转。发射出的激光直接通过外壳基体的外壳壁而发射。

此外，激光器二极管芯片的射束轴优选倾斜地沿着或者基本平行地沿着一个由芯片安装部位所限定的平面。激光器二极管芯片优选是一种边缘发射的激光器二极管芯片。

在制造外壳基体时，例如通过用造型材料对金属导体框进行压力注塑包封时，应用一种可以透光的造型材料。对于传统的外壳来说必须采取措施使发射的光束偏转，而根据本发明的外壳时则完全不需要采取这种措施。接着将激光器二极管芯片安装在外壳基体的芯片装配部位里，使激光器二极管芯片的电触点与电连接导体相连接并用包封材料将激光器二极管芯片包封住。

在该外壳中，空腔首先用来容纳激光器二极管芯片并用于电连接。此处的空腔不必满足一种基本的光学上的功能。但限制该空腔的侧壁可以在激光束不射出的局部部位里，具有吸收、反射或散射的性能。

在上述的外壳中，射束轴优选基本平行于芯片安装部位里的一个芯片安装面。这样的结果是，例如在外壳基体中，在其中一个侧面用作为安装面(这就是说作为例如在印刷电路板上的支承面)的时候，可以实现使射束轴垂直安装平面例如印刷电路板的安装平面。

外壳基体优选由一种透明的造型材料，尤其是由一种透明的塑料构成。如果造型材料至少短时地耐温至大约260°的话，则是特别优选的。这样就确保了：短时出现的焊接过程的温升(通常此处温度可达到260℃)基本不会使外壳损坏。

在一种优选的设计方案中塑料含有聚醚砜(PES)。这种材料也称为Ultrason。

根据外壳的另一种优选的设计方案，外壳基体的至少一个外侧面上设有光学装置。这样就可以使由激光器二极管芯片所发射出的激光束偏转到一个所希望的方向上去。也可以在外壳基体的一个外壁上不设光学装置，而将这种装置可以也设在安装外壳中，外壳本身为了安装被放入该安装外壳里。

光学装置例如可以是指一种倾斜于激光射束轴的外壳基体侧面的局部部位，该光学装置例如只是用脱模斜面就可实现并且用于使激光束偏转。另外还可以考虑应用一个透镜用来实现附加的准直。

为了能够更为有利地利用发光二极管技术的传统的制造工序，在根据本发明的外壳中，在一种优选的设计方案中，芯片安装部位和电连接导体都是金属的引线框架的组成部分。这些制造工序例如在EP 0 400 175或US 6,376,902中给出，它们的公开内容以参考的形式包括在本发明中。

在一种有利的设计方案中，芯片在芯片安装部位里至少局部用一种可透过光的浇注材料，尤其是塑料材料，如浇注树脂或者压制材料包封住。塑料材料优选包括环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂或者这些树脂的混合。

另外，有利的是：如果浇注材料和外壳基体的材料的折射系数相互匹配的话。这同样适用于这种情况，即光学装置并不设于外壳基体的一个外壁中，而是设于安装外壳中，外壳和外壳基体都安装在该安装外壳里。在这种情况下，外壳基体和安装外壳的折射系数必须相互匹配。显而易见，包括光学装置的安装外壳在这个部位里是透明的。

在另一种优选的根据本发明的外壳中，在外壳基体上，优选在设有芯片安装部位的外壳基体的空腔中，与上面所述的优选的可以表面安装的外壳及其有利的实施形式以及改进方案不同，设有一个射束偏转元件，例如一种反射元件，这种元件使激光器二极管芯片的激光束转向，从而使它不透射过外壳基体。外壳基体则优选由一种基本上不能透过射线的或者透光性不好的材料制成，并且对透光性以外的参数，例如耐热性进行了优化。优选在外壳基体里设有一个导热良好的芯片安装底座，该安装底座优选可以从外壳基体之外，优选从外壳基体的背面或者也可以从侧面进行导热连接。

根据本发明的制造一种激光器二极管器件的一种优选的方法包括以下工序：

-提供一种金属的引线框架，其具有连接导体，

-使引线框架的局部部位，包括电连接导体的局部部位成型，带有外壳基体，

-将激光器二极管芯片安装在外壳基体的芯片安装部位里，

-将激光器二极管芯片的电接点与电连接导体电连接，以及

-用包封材料将激光器二极管芯片包封起来。

在该方法的一种有利实施形式中，在使具有外壳基体的引线框架成型之前，使引线框架配置一个导热良好的芯片安装底座，在该底座上然后固定住激光器二极管芯片并且可以从外壳基体之外导热连接该底座。这样的外壳结构形式原理上例如已在WO 02/084749和在DE 101 17 890中描述过，其公开内容以参考的形式包括在本发明中。

根据本发明的外壳可以在制造激光器二极管器件时更为有利地使用一些发光二极管技术中就已知的并应用于发光二极管中的方法。此处按如下的方法来制造预模制的元件：用一种适合的漫反射的塑料对预制的金属引线框架(Leadframe)压力注塑包封。这样制成的塑料成形体相对于引线框架具有一个空腔。在该空腔里在引线框架上装配一个发光二极管芯片并与引向外面的电连接导体进行电连接。随后用一种透明的浇注的材料对发光二极管芯片进行浇注。这样的外壳结构形式例如由F.Mllmer和G.Waitl所著的“用于表面装配的西门子SMT-TOPLED”(SIEMENS SMT-TOPLED fr dieOberflchenmontage，Siemens Components 29(1991)，第4卷，147-149页)中公开。类似的用于发光二极管器件的外壳还由WO02/084749 A2中得知，其公开内容以参考的形式包括在本发明中。

根据本发明的具有透光的外壳基体和不具有射线偏转元件的一种外壳可以有利地不仅用于边缘发射的激光器二极管芯片，而且也适用于其它的尤其是边缘发射的发射射线的半导体芯片，例如发光二极管芯片。

根据本发明的用于制造激光器二极管器件的一种方法，该器件具有：电绝缘外壳基体，其包括有芯片安装部位；电连接导体，其从外壳基体里引出来并从外壳基体之外可接近；以及激光器二极管光芯片，其布置在芯片安装部位里并具有电接点，这些接点与连接导体导电连接，该方法包括以下步骤：

-提供一个具有电连接导体的金属引线框架，

-在引线框架上形成具有芯片安装部位的外壳基体，使连接导体从该外壳基体里伸出来，

-使激光器二极管芯片安装在外壳基体的芯片安装部位里，

-激光器二极管芯片的电接点与电连接导体电连接起来，以及

-用包封材料将激光器二极管芯片包封起来，这种材料可以透过由激光器二极管芯片工作时发射出的激光射束。

因此在这种方法中将激光器二极管芯片安装在一个所谓预模制的(Premolded)金属引线框架上。例如借助于焊接。

在外壳基体中优选设有一个导热良好的并在激光器二极管器件工作时起散热片作用的芯片安装底座。优选使激光器二极管芯片安装在该芯片安装底座上。

特别优选地，为此在具有外壳基体的引线框架成型之前使引线框架设有一个导热良好的并在激光器二极管器件工作时起散热片作用的芯片安装底座，然后在该底座上导热地固定位激光器二极管芯片并且该底座可以从激光器二极管器件的背面热连接。

优选的是，为此在具有外壳基体的引线框架成型之前使引线框架设有一个导热良好并在激光器二极管器件工作时起散热片作用的芯片安装底座，然后在该底座上导热地固定位激光器二极管芯片并使它与外壳基体这样成型，使它在其背面至少局部地露出来并在那里可以导热连接。

外壳基体更为有利地由一种塑料材料制成。为此优选应用一种基于环氧树脂或丙烯酸树脂的塑料材料。

作为激光器二极管芯片的包封材料优选应用一种硅基的塑料材料。

在一种特别优选的方法的设计方案中，在外壳基体里设有一个空腔，在该空腔上或者在其中设有芯片安装部位和电连接导体的连接部位，并在其中布置发光二极管芯片。

在另外一种有利的方法方案的实施形式中，在空腔里设有一个激光器二极管芯片，其射束轴倾斜地沿着或者基本平行地沿着芯片安装部位的芯片安装面所确定的平面，并在空腔里在激光器二极管芯片的射束轴上布置了一个射束偏转元件，例如一个反射元件，此元件适用于使激光器二极管芯片的激光射束向着激光器二极管器件的规定的射束轴方向偏转。

射束偏转元件优选倾斜于激光器二极管芯片的射束轴布置，使激光器二极管器件的射束轴基本上垂直于由芯片安装面所限定的平面。

为使反射元件更为简单地定位和固定，在空腔的一个侧壁上设计有一个倾斜于激光器二极管芯片的射束轴的平面，随后将该反射元件固定在该平面上。

连接导体可以简单地成型，使激光器二极管器件可以表面安装。

本发明的其它优点、有利的特点、优势和实用性则根据以下实施例结合附图加以说明。附图所示为：

图1：一种激光器二极管器件的第一实施例的侧视示意图，

图2：图1所示实施例的一个俯视示意图；

图3：具有一个安装外壳的激光器二极管器件的另一实施例的侧视示意图；以及

图4a至4d：根据本发明的用于制造一种可表面安装激光器二极管器件的工艺流程示意图。

在实施和相应的附图中，对于相同的或作用相同的组成部分分别用相同的标号表示。附图并不是按比例绘制的。

图1和2中所示一种激光器二极管器件的实施例的外壳具有一个外壳基体1，从该基体的一侧，此处为器件的安装侧，引出连接导体5a、5b，其为连接带的形式。连接导体5a、5b是金属引线框架2(Leadframe)的一部分，在该金属引线框架上成型外壳基体1并且金属引线框架引入外壳基体的内部。为了制造外壳基体1，如上所述，在引线框架2上设有压注模或者压模，该模具有用于外壳基体2的空腔，并在该空腔里浇注入造型材料，那么就形成了外壳基体的所希望的形状。这样的在将芯片安装于引线框架上之前浇注或压制外壳基体的外壳结构形式例如称为预先模制外壳。

外壳基体1例如由一种透明材料，尤其是一种透明的塑料，优选由聚醚砜(PES)构成。这意味着整个外壳基体1对于这由一个设计用来装配在该外壳基体1里的激光器二极管芯片9发射的激光射束是透光的。对于红外激光器二极管器件来说，外壳基体1的塑料不一定必须是透明的。它只必须透过所发射的红外激光束。

外壳基体1从一个侧面起向着引线框架2的方向有一个空腔或腔室6，它例如从外面看具有圆形横断面。横断面也可以具有任意的另一种形状。

与外壳基体1的空腔6紧邻的是一个芯片安装部位3和引线框架2的导电连接部位，因此在带有外壳基体1的引线框架2成型之后就可以从外面接近这些部位，以用于安装和用于穿过空腔6使激光器二极管芯片9进行电连接。

对于加工后的激光器二极管器件来说，在芯片安装部位3上借助于一种导电连接材料将激光器二极管芯片9机械固定住。连接材料在激光器二极管芯片9的下例电接点和芯片安装部位3之间建立起一种导电连接，该芯片安装部位与两个连接导体5a、5b中的第一连接导体导电连接。激光器二极管芯片9的一个上侧电接点例如通过线连接(未示出)与连接条5a、5b中的第二连接导体导电连接。

空腔的底部例如可以具有一个相比于在外壳基体主面上的开孔来说较小的面积，因而形成一个相对于外壳底部倾斜的侧壁7。在侧壁7的部位中，侧壁可以垂直于激光射束的射束轴100，该部位是设计用于使激光器二极管芯片9的激光射束输入耦合到外壳基体1里。

图1中用箭头10表示激光器二极管器件的射束轴。射束轴10位于纸平面里。这是由于：由芯片9所发射的光在遇到侧壁7之后并不转向，而是穿过该侧壁。

该布置在空腔6里的激光器二极管芯片9用一种透光的浇注材料，尤其是塑料例如一种浇注树脂或者压制材料来包封住。塑料材料例如可以含有环氧树脂、硅或者PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。

透光的浇注材料和透明的外壳基体的折射系数优选相互匹配，这就是相同或者至少很相似。因此就可以减小外壳中的反射。

通常，外壳基体1利用连接条5a、5b装配在一个印刷电路板上。连接条5a、5b在按图1所示的器件中设于外壳基体1的一个侧面上。该器件的射束轴10垂直于印刷电路板的平面或另一个器件支座的平面。

本发明所依据的思想在于：外壳基体1的外壳壁将由激光器二极管芯片所发射的激光射束并不是漫散射或反射，而是这些外壳壁可以透过光。因此射束可以离开外壳而无偏转。

为了减小通过外壳基体的侧壁可能不希望的辐射，外壳基体的侧壁可以设置一个吸收射束的厚层或者包围住这些侧壁的安装外壳。

外壁11可以在这从外壳基体1里输出耦合激光的部位里设置一种光学装置，例如用于使激光束转向的倾斜表面或者设有用于使激光束准直的透镜。该倾斜表面例如可以由脱模斜面构成。因为一种相应的布置和设计方案对于专业人士来说是熟悉的，因此就不必详细在此处说明了。

发射射束的根据图3所示的激光器二极管器件的设计类似于图1和2。区别尤其在于：连接条5a、5b并不设于外壳表面上，而是露出准备将用于表面安装，此时射束轴10平行于印刷电路板或另一个器件支座。

空腔6还具有一个侧壁，它相对于空腔底部来说倾斜布置。但相对于激光器二极管芯片9的辐射(abstrahlend)侧面来说，空腔6的侧壁平行于激光器二极管芯片9的所述侧面。因此可在同样地布置在空腔6里并围住激光器二极管芯片9的透明的浇注材料14和透明的外壳基体1之间的边界部位实现特别良好的过渡。

与上述实施例的区别在于，外壳基体1位于塑料安装外壳16里，该安装外壳可以使发射光束的器件在印刷电路板上实现简单的插接和焊接装配。

光学装置，例如一种脱模斜面或透镜的形式，则可以布置在安装外壳16里，从而可以使制造进一步简化。

本发明可以使发射光的器件不转向就能实现在垂直于印刷电路板的方向上的发射，甚至在使用了侧向检查器(sidelooker)的情况下。这可以利用已知的SMT-外壳，这些外壳例如对散热进行了优化，这使其对于使用二极管激光器来说是理想的。因此可以应用高效脉冲激光器的SMT-外壳的生产工具。如果需要射束的确定的偏转，例如在红外投射器(Infrarot-Scheinwerfer)时，那就可以使用由多个激光器二极管器件的排列，在外壳基体或者一种可能会有的安装外壳的外壁上各设有变化的脱模斜面。

在根据实施例的用于制造激光器二极管器件的一种方法里，首先提供准备一种金属引线框架，它具有一个芯片连接部位和连接导体5a、5b。然后使金属引线框架的局部区域，包括电连接导体5a、5b的局部区域进行成型，具有外壳基体1。在把激光器二极管芯片9安装到外壳基体1的芯片安装部位之后，使激光器二极管芯片9的电接点与电连接导体5a、5b电连接。然后用浇注材料14将激光器二极芯片9包封住。

在一种优选的实施形式中，在具有外壳基体1的引线框架成型之前将一个导热良好的芯片安装底座18装入引线框架内。该底座具有芯片安装面31，它与芯片安装部位3邻接。然后将激光器二极管芯片9固定在芯片安装底座18上，该底座可以从外壳基体之外导热连接。

在图4a至4b所示的用于制造激光器二极管器件的方法中，该器件具有：一个电绝缘的外壳基体1，该外壳基体包括有一个芯片安装部位3；电连接导体5a、5b，它们从外壳基体1里引出来并可以从外壳基体1之外接近；激光二极管芯片9，该芯片布置在芯片安装部位3里并具有与连接导体5a、5b导电连接的电接点，在这样的方法中首先提供一种具有电连接导体5a、5b的金属引线框架2。两个电连接导体中的一个导电体5a连接入一个导热良好的并起散热作用的芯片安装底座18(图4a)，该底座由铜或者另一种导热良好的金属材料制成。

在具有芯片安装底座18的引线框架2上，例如借助于一种注射或者压铸方法成型出一个外壳基体1，该基体具有一个包括芯片安装部位3的空腔6(图4b)，此基体例如由基于环氧树脂或丙烯酸树脂的塑料组成。电连接导体5a、5b在外壳基体1的相对的侧面上从该基体里伸出来。芯片安装底座18一边邻接于空腔6，以便接收激光器二极管芯片9，芯片安装底座穿过外壳基体1到达其背后，并且另一边在那里是露着的。

在带有外壳基体1的引线框架2成型之后，将一个边缘发射的激光器二极管芯片9在空腔6里装到芯片安装底座18上，从而使其射束轴10基本平行沿着一个由芯片安装部位18的芯片安装面31所限定的平面布置。在激光器二极管芯片9和芯片安装底座18之间优选设有一种导热的由SiC或AlN或另一种适合的导热材料制成的支承小板20(图4c)。

在激光器二极管芯片9的射束轴10上，在将激光器二极管芯片9装到芯片安装底座18上之前或之后使镀膜玻璃小板布置在激光器二极管芯片9的射束轴10上并倾斜于此轴设置在外壳基体1上，该镀膜玻璃小板用作由激光器二极管芯片9发射出的激光束的反射元件17，使其将激光从激光器二极管器件的射束轴10上向着激光器二极管器件的规定的射束轴100方向偏转(图4C)。此处该激光器二极管器件的射束轴100基本垂直于由芯片安装部位3的芯片安装面31所限定的平面。芯片安装面31是一个芯片安装底座18的在空腔6里露出来的面。

为了从技术上使镀膜玻璃小板的固定和定位更简单，在制造外壳基体1时，在规定的激光器二极管芯片9的射束轴10上，在适合的位置上在空腔6的侧壁上设有一个倾斜于激光器二极管芯片9的射束轴10的平面，然后将玻璃小板固定在该平面上。

在安装玻璃小板之前或之后，借助于至少一种焊丝19使激光二极管芯片9的至少一个电接点与一个在空腔6里露出来的电连接导体5b的连接面20相连接(图4C)。

最后用一种包封材料14对空腔6浇注，这种材料可以透过由激光器二极管芯片9在工作时所发射出的激光。此处例如可以在空腔6里对激光器二极管芯片9进行简单地浇注。但同样也可以考虑使用喷注或压注(或称注塑)方法。例如可以应用一种基于硅树脂的塑料或另一种适合的塑料材料作为包封材料14。

最后工艺结束或者在任意的另外适合的时刻，使位于外壳基体之外的连接导体5a、5b的局部区域成型，以使激光器二极管器件可以表面安装。

显然，本发明并不局限于举例说明的这些实施例。确切地说，本发明包括有每一个新的特征以及每种特征组合，这尤其包含了各个不同权利要求或不同实施例的各个特征相互的每种组合，即使所涉及的特征或所涉及的组合本身并没有明确地在权利要求或实施例中加以说明。