(57)【要約】  オプトエレクトロニクス素子（１）の製造方法の少なくとも一実施形態において、前記方法は、キャリア（２）を準備するステップと、少なくとも１つの第１の金属層（１１）を前記キャリア（２）上に設けるステップと、少なくとも１つの光学部品（３）を準備するステップと、少なくとも１つの第２の金属層（１２）を前記少なくとも１つの光学部品上に設けるステップと、前記少なくとも１つの第１の金属層および前記少なくとも１つの第２の金属層により、前記キャリア（２）と前記少なくとも１つの光学部品とを機械的に接続するステップと、を含む。
2012515441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  キャリア（２）を準備するステップと、
−  少なくとも１つの第１の金属層（１１）を前記キャリア（２）上に設けるステップと、
−  少なくとも１つの光学部品（３）を準備するステップと、
−  少なくとも１つの第２の金属層（１２）を前記少なくとも１つの光学部品（３）上に設けるステップと、
−  前記少なくとも１つの第１の金属層（１１）および前記少なくとも１つの第２の金属層（１２）により、前記キャリア（２）と前記少なくとも１つの光学部品（３）とを機械的に接続するステップと、を含み、
前記接続は摩擦溶接を含むか摩擦溶接である、オプトエレクトロニクス素子（１）の製造方法。
【請求項２】
前記接続プロセス中、前記キャリア（２）は１３０〜１７０℃に加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記接続プロセス中、前記光学部品（３）は３０〜５０Ｎのプレス力で前記キャリア（２）にプレスされる、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記接続プロセス中、前記光学部品（３）にのみ超音波出力が供給される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記接続プロセス中に供給される前記超音波出力は０．１〜２．０Ｗであり、かつ、０．２〜２．０ｓの時間印可される、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
フォトリソグラフィー法および／またはワイヤーボンダーにより、少なくとも１つの接続バンプ（１３）が前記少なくとも１つの第１の金属層（１１）および／または前記第２の金属層（１２）に設けられる、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
−  少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップ（４）を主面（２０）に有するキャリア（２）と、
−  前記キャリア（２）の前記主面（２０）上に設けられた少なくとも１つの第１の金属層（１１）と、
−  前記キャリア（２）の前記主面（２０）に対向する少なくとも１つの第２の金属層（１２）を有する、少なくとも１つの光学部品（３）と、
−  前記少なくとも１つの第１の金属層（１１）と前記少なくとも１つの第２の金属層（１２）との間に位置し、前記少なくとも１つの光学部品（３）を前記キャリア（２）に接続させる少なくとも１つの摩擦溶接シーム（１０）であって、前記少なくとも１つの第１の金属層（１１）および／または前記少なくとも１つの第２の金属層（１２）に直接位置する少なくとも１つの摩擦溶接シーム（１０）と、
を有するオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項８】
少なくとも１つの接続バンプ（１３）が前記第１の金属層（１１）と前記少第２の金属層（１２）との間に配置される、請求項７に記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項９】
前記第１の金属層（１１）および前記少第２の金属層（１２）の材料、ならびに、前記接続バンプ（１３）の材料はいずれも、金またはアルミニウムである、請求項７または請求項８に記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１０】
前記第１の金属層（１１）、前記第２の金属層（１２）、および、前記接続バンプ（１３）の、前記キャリア（２）の前記主面（２０）に垂直な方向の合計厚さ（Ｄ）は、２〜４０μｍである、請求項７から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１１】
前記第１の金属層（１１）は前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（４）を枠状に完全にまたは部分的に覆う、請求項７から請求項１０のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１２】
前記キャリア（２）および前記光学部品（３）は、前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（４）が配置された空間（５）を囲い、前記光学部品（３）は前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（４）と空間的・電気的に直接接触していない、請求項７から請求項１１のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１３】
前記空間（５）は気密閉鎖されている、請求項１２に記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１４】
前記光学部品（３）は前記第２の金属層（１２）が配置された放射不透過フレーム（３１）を有し、放射透過光学素子（３２）が前記キャリア（２）から離れた側の前記フレーム（３１）の側面に装着され、前記光学素子（３２）は、互いに対向し、かつ、光屈折が起こる二つの主領域（３３）を有する、請求項７から請求項１３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１５】
−  前記キャリア（２）はセラミックを含み、
−  前記光学部品（３）はシリコンおよびガラスを含み、
−  前記第２の金属層（１２）は前記光学部品（３）の前記シリコン上に設けられ、
−  前記光学部品（３）の前記シリコンは、前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（４）を枠状に囲む、請求項７から請求項１４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
オプトエレクトロニクス素子の製造方法が特定される。さらに、オプトエレクトロニクス素子が特定される。
【０００２】
特許文献１は、電気回路を有する筐体に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第２０２００６００６６１０Ｕ１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
光学部品を効率的にキャリアに装着させる方法を特定することを目的とする。さらに、光学部品がキャリアに永久的に装着されたオプトエレクトロニクス素子を特定することを目的とする。
【０００５】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法はキャリアを準備するステップを含む。キャリアは、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップを装着できるように設計されている。キャリアは、少なくとも４０Ｗ（ｍ  Ｋ）、特に少なくとも１１０Ｗ（ｍ  Ｋ）という高い熱伝導率を有することが好ましい。キャリアは、回路基板、プリント回路基板（ＰＣＢ）、セラミック材料または半導体材料でありうる。キャリアは、基板材料内、基板材料上、または基板材料に装着可能な導電トラックを有しうる。導電トラックは、例えば、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップを電気的に駆動力するために使用できる。
【０００６】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法は少なくとも１つの第１の金属層をキャリア上に設けるステップを含む。第１の金属層は、キャリアと光学部品との間に機械的接続力を付与するように設計されている。第１の金属層は、特に、オプトエレクトロニクス半導体チップを電気的接触接続または電気的相互接続させるものではない。第１の金属層は、オプトエレクトロニクス半導体チップから電気的に絶縁されていることが好ましい。第１の金属層は、リソグラフィー法、蒸着法および／または電着法により設けることができる。
【０００７】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法は少なくとも１つの光学部品を準備するステップを含む。光学部品はレンズ、フィルタ、光拡散板またはカバーウィンドウでありうる。光学部品は、少なくとも一部分が、半導体チップが受ける電磁放射または半導体チップから出射される電磁放射に対して透過性または部分的に透過性である。
【０００８】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法は少なくとも１つの第２の金属層を少なくとも１つの光学部品上に設けるステップを含む。第１の金属層と同様、第２の金属層も光学部品とキャリアとの間に機械的接続力を生み出すように設計されている。第２の金属層は、第１の金属層と同様のプロセスにより設けることができる。
【０００９】
また、第１の金属層および／または第２の金属層を金属層積層体とすることもできる。一例を挙げると、第１の金属層および／または第２の金属層は、クロムおよび金から構成される副層、または、ニッケル、パラジウムおよび金から構成される副層を有する。
【００１０】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法はキャリアを少なくとも１つの光学部品と機械的に接続するステップを含む。かかる機械的接続プロセスは、少なくとも１つの第１の金属層および少なくとも１つの第２の金属層により達成され、摩擦溶接を含む。摩擦溶接は特に超音波により実現される。接続プロセス中、少なくとも１つの第１の金属層および少なくとも１つの第２の金属層は、少なくとも間接的に互いに接続される。言い換えると、摩擦溶接シームが第１の金属層と第２の金属層との間に、例えば、直接形成する。また、少なくとも１つの中間層を第１の金属層と第２の金属層との間に配置し、当該中間層を介して間接的に第１の金属層と第２の金属層とを互いに機械的に固定することも可能である。いずれの場合も、少なくとも１つの第１の金属層または少なくとも１つの第２の金属層は摩擦溶接シームと直接接触する。また、これら金属層は全体的または部分的に摩擦溶接シームを有することもできる。
【００１１】
オプトエレクトロニクス素子の製造方法の少なくとも１つの実施形態によれば、前記方法は、
−  キャリアを準備するステップと、
−  少なくとも１つの第１の金属層を前記キャリア上に設けるステップと、
−  少なくとも１つの光学部品を準備するステップと、
−  少なくとも１つの第２の金属層を前記少なくとも１つの光学部品上に設けるステップと、
−  前記少なくとも１つの第１の金属層および前記少なくとも１つの第２の金属層により、前記キャリアと前記少なくとも１つの光学部品とを機械的に接続するステップと、を含む。接続プロセスは摩擦溶接を含む。
【００１２】
キャリアと光学部品とを金属層によって機械的に接続するプロセスにおいて、はんだ付けの場合のような接続剤等の溶融は起こらない。また、接着剤等の液相または粘性相も使用しない。したがって、液状または粘性の接続剤がキャリアおよび光学部品の領域へ垂れて広がることを防止することができる。
【００１３】
一例を挙げると、接続プロセスで液状化するはんだの場合、はんだが導電トラックを濡らしてキャリアでショートが発生したり光学部品が汚染する恐れがある。接着剤の場合、一例を挙げると、ギャップ浸透性、すなわち接着剤が割れ目や隙間の中を這って流れる能力（流動挙動）を再現よく得ることが困難である。よって、例えば接着剤が液相または粘性相として存在する限り、接着剤の境界決定はキャリア等の複雑な構造と関連しうる。そのような複雑な構造は、液体接着剤が通過できない物理障壁を構成しうる。接着剤が垂れる結果、例えば、導電トラックやはんだ領域が汚染されうる。このため、接着剤による接着プロセスの後に行われる、キャリア等の複雑なクリーニング工程が必要となる。
【００１４】
摩擦溶接中、固相状態の金属層が互いに接続されるため、互いに接続すべき部材の完全なまたは支配的な液化は発生しない。したがって、接続位置の空間的範囲を明確に画定することができる。さらに摩擦溶接の場合、接続領域が金属により提供される。有機材料を含む接着剤の場合とは特に対照的に、この接続態様はクリーニング剤や塩水等の侵襲性物質に対して特に耐性がある。また、ポリマー等とは対照的に、金属は製造しようとするオプトエレクトロニクス素子の動作中の光や高温等による影響に対して耐性がある。
【００１５】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアと光学部品との接続プロセスにおいて、キャリアを０〜２００℃、特に１３０〜１７０℃の温度に加熱する。したがって、接続プロセスは、オプトエレクトロニクス半導体チップへ熱負荷等を生じさせない比較的穏やかな温度において行われる。
【００１６】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアと光学部品とを接続する前に、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップをキャリアに設ける。
【００１７】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアへの接続プロセス中、１〜９０Ｎ、特に３０〜５０Ｎのプレス力で光学部品をキャリアにプレスする。
【００１８】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、摩擦溶接の超音波出力は光学部品のみを介して供給する。言い換えると、超音波出力はキャリアを通過して第１の金属層および／または第２の金属層に供給されない。これにより、接続プロセス中、オプトエレクトロニクス半導体チップへの機械的負荷が低減される。したがって、オプトエレクトロニクス半導体チップの低寿命化をもたらす微小クラックを特に低減することができる。
【００１９】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、超音波の周波数は４０〜１００ｋＨｚ、特に５５〜６５ｋＨｚである。
【００２０】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアと光学部品との接続プロセスにおいて供給される超音波出力は０．１〜２．０Ｗ、特に０．５〜０．７Ｗである。
【００２１】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、超音波出力の印可時間は０．２〜２．０ｓ、特に０．５〜１．０ｓである。
【００２２】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、フォトリソグラフィー法および／またはワイヤーボンダーにより、少なくとも１つの接続バンプを少なくとも１つの第１の金属層および／または第２の金属層に設ける。接続バンプは点状またはライン状に構成することができる。接続バンプの厚さは第１の金属層および第２の金属層の厚さの好ましくは少なくとも３倍、好ましくは少なくとも５倍より厚い。少なくとも１つの接続バンプは、例えば、第１の金属層と第２の金属層との間の距離を規定するスペーサである。特に、接続バンプは、キャリアと光学部品との接続プロセスにおいて支配的にまたは完全に融解するはんだボールやはんだパッドではない。
【００２３】
前記方法の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層および第２の金属層、並びに、接続バンプ（設ける場合）および摩擦溶接シームには接続剤が存在しない。言い換えると、金属層、接続バンプ、摩擦溶接シームは、特にはんだおよび有機接着剤を含まない。
【００２４】
さらに、オプトエレクトロニクス素子が特定される。オプトエレクトロニクス素子は、前述した前記方法の実施形態のうちの１つにより製造することができる。オプトエレクトロニクス素子は、前記方法と併せて特定した特徴の少なくとも１つを有することができる。前記方法も同様に、オプトエレクトロニクス素子の実施形態に併せて説明する下記特徴を有することができる。
【００２５】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス素子はキャリアを有する。キャリアは、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップが装着された主面を有する。一例を挙げると、この半導体チップは発光ダイオードまたはレーザダイオードである。また、オプトエレクトロニクス半導体チップは、国際公開第２００５／０８１３１９Ａ１号または独国特許出願公開第１０２００７００４３０４Ａ１号明細書に特定されたような薄膜チップでありうる。これらの文献の半導体チップおよび製造方法に関する内容は、本願に参照により援用する。
【００２６】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層がキャリアの主面上に装着される。かかる場合、第１の金属層は、キャリアの主面の面積の最大３０％、特に最大１０％を被覆することが好ましい。第１の金属層は、キャリアの主面上に点状、ライン状、および／または枠状に設けることができる。
【００２７】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの第２の金属層は光学部品に配置される。第２の金属層はキャリアの主面に対向するように光学部品に設けられる。
【００２８】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、摩擦溶接シームは第１の金属層と第２の金属層との間に位置するか、または、第１の金属層および第２の金属層により完全にまたは少なくとも部分的に包囲される。光学部品は摩擦溶接シームにより機械的にキャリアと接続される。特に、光学部品とキャリアとは摩擦溶接シームのみにより互いに機械的に接続される。キャリアの主面に対して平行な摩擦溶接シーム面の面積は、第１の金属層および第２の金属層の面積とほぼ同一である。一例として、第１の金属層および第２の金属層の面積と摩擦溶接シームの面積は、３０％未満、特に１０％未満互いに相違する。
【００２９】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、摩擦溶接シームは少なくとも１つの第１の金属層および／または少なくとも１つの第２の金属層に直接位置するか、または、それらにより完全にまたは部分的に包囲されている。言い換えると、摩擦溶接シームの材料は、これら金属層の材料を用いて少なくとも形成されているか、または、該金属層の材料のみからなる。かかる場合、摩擦溶接シームは接続部品の間に機械的接続力を生み出層である。接続部品の材料の混合物は摩擦溶接シーム領域内に存在しうる。超音波溶接であるため、接続部品材料の微細な相互噛合構造も摩擦溶接シーム領域内に存在しうる。摩擦溶接シームは、特に、摩擦溶接の特色であって電子顕微鏡等で検査可能な特徴を有する。言い換えると、摩擦溶接シームは、完成したオプトエレクトロニクス素子で見られる実質的特徴である。
【００３０】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス素子は、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップが主面上に設けられたキャリアを有する。さらに、オプトエレクトロニクス素子は、キャリアの主面上の少なくとも１つの第１の金属層と、少なくとも１つの光学部品とを有する。少なくとも１つの第２の金属層が光学部品に配置されており、少なくとも１つの第２の金属層はキャリアの主面に対向している。さらに、オプトエレクトロニクス素子は、少なくとも１つの第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層との間に位置する摩擦溶接シームを有しており、摩擦溶接シームにより少なくとも１つの光学部品がキャリアと機械的に接続される。かかる場合、摩擦溶接シームは少なくとも１つの第１の金属層および／または少なくとも１つの第２の金属層に直接位置する。
【００３１】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの接続バンプが第１の金属層と第２の金属層との間に配置される。接続バンプはこれら金属層と同一の材料を用いて構成することができる。接続バンプの面積は、キャリアの主面に対して平行な平面において、最大、第１の金属層および第２の金属層の面積に対応することが好ましい。言い換えると、キャリアの主面に対して平行な平面における接続バンプの面積は、金属層の面積と最大３０％、特に最大２０％、好ましくは最大１０％相違する。
【００３２】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層および第２の金属層の材料、ならびに、接続バンプの材料は、いずれも金またはアルミニウムである。
【００３３】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層および第２の金属層、また接続バンプは、金合金またはアルミニウム合金を用いて構成されるか、または、このような合金のみからなる。言い換えると、金属層および少なくとも１つの接続バンプの必須構成材料は金またはアルミニウムである。
【００３４】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層、第２の金属層および接続バンプの、キャリアの主面に対して垂直な方向における厚さの合計は、２〜４０μｍである。オプトエレクトロニクス素子に接続バンプを設けない場合、第１の金属層および第２の金属層の厚さの合計は前記厚さ範囲内であり；接続バンプの厚さはゼロである。金属層および接続バンプの合計厚さが比較的厚いおかげで、特にキャリアと光学部品との接続プロセスにおいて、キャリアおよび光学部品の異なる熱膨張係数を一致させることが可能となる。したがって、金属層および接続バンプは一種のバッファとして作用する。
【００３５】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層は少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップを少なくとも一部分において枠状に囲む。言い換えると、オプトエレクトロニクス半導体チップは、キャリアの主面の平面内において第１の金属層により完全にまたは部分的に縁取られる。かかる場合、第１の金属層は、半導体チップの周囲に例えば長方形、楕円形または円形状の閉じた枠状のラインを形成する。また、第１の金属層を複数の点状構造として形成することも可能であり、また、これらの点状構造を、オプトエレクトロニクス半導体チップを囲む点線状に形成することも可能である。
【００３６】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の金属層をキャリアの少なくとも４つの領域に、特に正確に４つの領域に設ける。小領域または点状に構成されることが好ましいこれらの領域は、特に、オプトエレクトロニクス半導体チップがキャリアに接続される搭載領域の角のみに位置する。搭載領域は光学部品により覆われることが好ましい。「小領域または点状に構成される」とは、第１の金属層がキャリアに接続する前記領域の各々が、キャリアに対向する光学部品のフレームの全面積の最大１０％、特に最大５％、好ましくは最大２．５％の領域とされることを意味しうる。
【００３７】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアおよび光学部品は、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップが配置される空間（volume）を囲う。かかる場合、この空間はキャリアおよび光学部品によって完全に囲む必要はなく、特に気密閉鎖しないことが可能である。したがって、光学部品の外部環境との均圧化を図ることができる。
【００３８】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学部品は半導体チップと空間的に直接接触しない。言い換えると、光学部品の何れの材料もオプトエレクトロニクス半導体チップの材料と接触しない。
【００３９】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学部品は半導体チップと電気的に直接接触しない。言い換えると、オプトエレクトロニクス半導体チップと光学部品との間には短絡が存在しない。特に、光学部品はオプトエレクトロニクス半導体チップと電気的に絶縁することができる。
【００４０】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、前記空間は気密閉鎖される。したがって、オプトエレクトロニクス素子を特に水分から、また侵襲的雰囲気では腐食から、保護することができる。
【００４１】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、前記空間は気密閉鎖されない。一例を挙げると、摩擦溶接シームがオプトエレクトロニクス半導体チップを完全に囲わない。したがって、前記空間と周囲との間の均圧化が可能となる。
【００４２】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学部品は、第２の金属層が配置されたフレームを有する。このフレームは、オプトエレクトロニクス半導体チップが受ける放射またはオプトエレクトロニクス半導体チップから出射される放射を通さない材料を用いて構成されることが好ましい。言い換えると、フレームは光不透過性であることが好ましい。
【００４３】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学部品は光学素子を有する。光学素子は、オプトエレクトロニクス半導体チップが受ける放射またはオプトエレクトロニクス半導体チップから出射される放射の少なくとも一部に対して透過性、特に透明性を示す。光学素子は、特に、レンズまたはウィンドウである。
【００４４】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、少なくとも２つ、特に正確には２つの互いに対向する主領域を有する。好ましくは、主領域の１つはキャリアおよび／またはオプトエレクトロニクス半導体チップに対向し、第２の主領域はオプトエレクトロニクス半導体チップおよびキャリアとは反対方向を向く。オプトエレクトロニクス半導体チップが受ける放射またはオプトエレクトロニクス半導体チップから出射される放射の光屈折は互いに対向する主領域の双方で起こる。言い換えると、光学素子を通過する光線は、主領域の１つに垂直に入射するものを除いて、主領域において偏向される、すなわち、光線方向が変わる。
【００４５】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアはセラミックを含むか、または、そのようなセラミックのみからなる。
【００４６】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、光学部品はシリコンおよびガラスを含む。特に、フレームはシリコンを用いて構成し、光学素子はガラスを用いて構成する。
【００４７】
オプトエレクトロニクス素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第２の金属層をシリコン上、つまり、特に、光学部品のフレーム上に設ける。光学部品のフレームおよび／またはシリコンは、オプトエレクトロニクス半導体チップを枠状に囲むことが好ましい。特に、オプトエレクトロニクス半導体チップは、光学部品のシリコンによってキャリアの主面に対して平行な方向に完全に囲まれる。
【００４８】
本明細書に記載したオプトエレクトロニクス素子が使用できる応用分野は、例えば、ディスプレイのバックライト・システムやディスプレイ装置である。さらに、本明細書に記載のオプトエレクトロニクス素子はまた、投影用照明装置、ヘッドライト、発光体、または汎用照明に使用することができる。
【００４９】
以下、本明細書に記載の素子および方法を、例示的な実施形態に基づいて図面を参照して詳細に説明する。ここで、同一の参照符号は、それぞれの図面において同一の構成要素を示すが、図示された要素は、縮尺どおりとみなすべきでなく、むしろ、個々の要素が、より理解しやすいように誇張された寸法で図示されている場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本明細書に記載の例示的な実施形態に係るオプトエレクトロニクス素子を製造する本明細書に記載された製造方法の概略図である。
【図２】本明細書に記載の更なる例示的な実施形態に係るオプトエレクトロニクス素子の概略図である。
【図３】本明細書に記載の例示的な実施形態に係る光学部品の三次元図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１は、オプトエレクトロニクス素子１の製造方法を断面図に基づいて概略的に図示する。図１Ａによれば、キャリア２および光学部品３が、特に互いに別々に準備される。したがって、光学部品３をキャリア２に接続する前に、光学部品３を完成させ、また、キャリア２に対して実装を行っておくことができる。
【００５２】
例えば発光ダイオードであるオプトエレクトロニクス半導体チップ４がキャリア２の主面２０上に装着されている。主面２０に対して平行な横方向において、主面２０上に平面状に形成された２つの第１の金属層１１の間に半導体チップ４が配置されている。第１の金属層１１は金または金合金のみからなる。キャリア２は、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）またはセラミックである。
【００５３】
光学部品３は、特にシリコンを用いて構成されたフレーム３１と光学素子３２とを有する。本例示的な実施形態において、光学素子３２は、オプトエレクトロニクス半導体チップ４が受ける放射またはオプトエレクトロニクス半導体チップ４から出射される放射を透過するガラスプレートである。キャリア２に対向するフレーム３１の側面に２つの第２の金属層１２が平面状に設けられている。キャリア２の主面２０に対して平行な第２の金属層１２の面の面積は、製造誤差の範囲内で、第１の金属層１１の面積と対応している。
【００５４】
図１Ｂ１および図１Ｂ２において、接続バンプ１３が第２の金属層１２または第１の金属層１１に設けられているのがわかる。スペーサとして機能する接続バンプ１３は、フォトリソグラフィー法またはワイヤーボンディング装置により設けることができる。主面２０に対して平行な方向における接続バンプ１３の長さは金属層１１，１２よりも多少短い。
【００５５】
図１Ｃは、光学部品３の接続およびキャリア２の接続を示す。光学部品３およびキャリア２は、二つの矢印で表された力Ｆで互いにプレスされている。力Ｆは約４０Ｎである。第１の金属層１１はキャリア２を介して加熱される。温度Ｔの入力は１つの矢印で表されている。温度Ｔは約１５０℃である。
【００５６】
摩擦溶接に必要とされる超音波Ｕは、光学部品３のフレーム３１のみを介して、出力０．６Ｗ、周波数６０ＫＨｚの条件で約０．７ｓの間オプトエレクトロニクス素子１に印可される。フレーム３１に印可される超音波Ｕは白抜きの矢印で示されている。力Ｆ、温度Ｔ、超音波Ｕの組み合わせにより、第１の金属層と接続バンプ１３との境界面が摩擦溶接シーム１０により機械的に固定・永久接続される。かかる場合、摩擦溶接シーム１０は接続バンプ１３および第１の金属層の材料により形成される。摩擦溶接シーム１０は化学薬品や光ダメージに耐性があるため、金属層１１，１２および接続バンプ１３を介して光学部品３と半導体チップ４を有するキャリア２との間に機械的に安定した永久接続が形成される。
【００５７】
特に接続プロセスおよびオプトエレクトロニクス素子１の動作中における熱負荷を補償するために、金属層１１，１２および接続バンプ１３の、キャリア２の主面２０に対して垂直な方向の合計厚さＤは約１５μｍとする。合計厚さＤはオプトエレクトロニクス素子１の横方向長さＬによって決まる。横方向長さＬが大きければ大きいほど（特に、約３〜５０ｍｍの範囲）、大きい合計厚さＤを選ぶべきである。金属層１１，１２の厚さは、例えば、それぞれ２〜５μｍである。接続バンプ１３の厚さは、例えば、１０〜２５μｍであり、好ましくは約１５μｍである。
【００５８】
半導体チップ４の放射伝播エリア４１は光学素子３２に対向している。光学素子３２は、互いに対向する２つの主領域３３ａ，ｂを有する。主領域３３ａは半導体チップ４の反対方向を向いており、主領域３３ｂは半導体チップ４およびキャリア２に対向している。光学部品３は半導体チップ４から電気的に絶縁されている。空間５はキャリア２および光学部品３により実質的に囲まれている。
【００５９】
図２Ａに係る素子１の例示的な実施形態は、図１Ｄに示すものと実質的に対応するが、主面２０に対して垂直方向に積層された２つの第１の金属層１１ａ，ｂがキャリア２に配置されている。第１の金属層１１ａは、第１の金属層１１ａ，ｂのキャリア２に対する接着性を高めるために、例えば、クロムを用いて形成される。金属層１１ｂは金のみからなることが好ましく、摩擦溶接により接着させるように設計される。したがって、フレーム３１における金属層１２ａも同様に、例えば、クロムを用いて構成される。金属層１２ｂは、例えば、金または接続バンプ１３の材料に対して良好な接着性を示す他の材料を用いて構成される。接続バンプ１３もまた金を用いて構成することができる。
【００６０】
また、金属層１２ｂ，１１ｂおよび接続バンプ１３は、アルミニウム、アルミニウム合金または摩擦溶接に好適な他の材料を用いて構成したり、これら材料のみで構成することができる。
【００６１】
平板とされた光学素子３２は、フィルタ、光拡散板、または透明板でありうる。また、光学素子３２に反射性、反射防止性、または特定のスペクトル範囲内の光を選択的に反射または吸収する被膜を設けることもできる。図２Ａにおいて被膜は図示されていない。
【００６２】
また、オプトエレクトロニクス半導体チップ４から出射される放射の少なくとも一部を異なる周波数の放射に変換する変換手段を光学素子に設けることもできる。このような変換手段はまた、光学素子３２自身の材料と混合させることもできる。オプトエレクトロニクス半導体チップ４は、ＬＥＤ、特に透明薄膜ＬＥＤでありうる。図２Ａとは対照的に、素子１に２つ以上の半導体チップ４を設けることもできる。半導体チップ４から発生する放射または半導体チップ４が受ける放射に対して反射性を示す被膜（不図示）も同様にキャリア２の主面に設けることができる。
【００６３】
図２Ｂに係る例示的な実施形態の場合、光学素子３２は平凸カバーレンズ状とされている。特に半導体チップ４から発生した放射の光屈折は、主面３３ａ，３３ｂの両面で起こる。図２Ｂとは対照的に、光学素子３２の形状は、例えば、配光凹レンズ状等の他の形状とすることもできる。フレネルレンズまたはゾーンレンズの形状も可能である。
【００６４】
さらに、図２Ｂに示す例示的な実施形態の場合、金属層１１ｂ，１２ｂは接続バンプ１３を使用せずに互いに接合されている。したがって、摩擦溶接シーム１０は金属層１１ｂ，１２ｂの材料のみにより形成されている。
【００６５】
図３は、例えば、図１及び図２に示す例示的な実施形態と共に使用可能な光学部品３の更なる実施形態を示す。図３Ａに係る例示的な実施形態では、キャリア（図３において不図示）に対向する長方形フレーム３１の側面の角に４つの円柱状の第２のメタライズ層および４つの円柱状の接続バンプ１３が設けられている。したがって、フレーム３１の角の４つの比較的小さい点状の領域によって、光学部品３とキャリア２（不図示）とが機械的接続される。
【００６６】
図３Ｂにおいて、第２のメタライズ層１２は、キャリア２（不図示）に対向するフレーム３１の側面に環状の閉じたトラックを形成している。その結果、空間５をキャリア２および光学部品３により気密閉鎖することができ、半導体チップ４を封止することができる。任意で、連続的な閉じたトラックからなる接続バンプ１３を第２の金属層１２に設けることも同様に可能である。
【００６７】
本発明は、例示的な実施の形態に基づく記載により当該例示的な実施形態に何ら限定されない。本発明は、請求項または例示的な実施の形態に明示的に特定されていないとしても、任意の新規な特徴または特徴の任意の組合せ、特に請求項に特定された特徴の任意の組み合わせを含む。
【００６８】
本特許出願は、独国特許出願第１０２００９００４７２４．７号の優先権を主張し、この開示内容は、本願に援用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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