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. Der- artige Strahlungsquellen verfügen üblicherweise über eine Kondensoroptik, die aus einer Linse besteht. Die Strahldichte derartiger Strahlungsquellen ist allerdings häufig unbefrie- digend, wenn es darauf ankommt, eine leuchtkräftige Strah- lungsquelle mit geringer räumlicher Ausdehnung zu schaffen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle hoher Strahldich- te zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daS 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 Weierstrass'schen Ku- gel angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Strah- lungsausbeute bezüglich der einzelnen Halbleiterchips.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein ratio- nelles 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 gewis- sermaßen von selbst in eine hexagonale Gitterstruktur ge- bracht, wenn die Kugeln dicht an dicht liegen. Es genügt da- her dafür zu sorgen, daß die Fassung vollständig mit den ab- zuformenden Kugeln gefüllt ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen- stand 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 bestück- te und bereits gebondete Leiterplatte für die Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ; Figur 2 eine vergrößerte Querschnittansicht der Leiterplat- te 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 verwend- baren Abgußform ; Figur 5 ein Aufsicht auf die Abgußform aus Figur 4 ; Figur 6 einen Querschnitt durch eine weitere für die Ferti- gung der Abgußform verwendete Vorrichtung ; Figur 7 einen Querschnitt durch die zur Herstellung des Mi- krolinsenfeldes verwendete Gießvorrichtung ; und Figur 8 ein Diagramm, das die Strahlungsleistung in Abhän- gigkeit vom Abstand zwischen der Oberkante des Halbleiterchips und der zugeordneten halbkugelför- migen Mikrolinse zeigt.

Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Leiterplatte 1, die aus A1203 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 Quer- schnitt 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 je- weils 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 Ax von der Oberseite der Halbleiterchips 7. Der Abstand Ax ist so gewählt, daß sich jeweils die Strahlung

emittierende aktive Schicht der Halbleiterchips 7 wenigstens zur Hälfte innerhalb der Weierstrass'schen Kugel mit Radius R/n befindet, wobei n der Brechungsindex des für die Mikro- linse 8 verwendeten Materials ist. Die Zentren der Weier- strass'schen Kugeln decken sich mit den Zentren der Mikrolin- sen 8. Innerhalb der Weierstrass'schen Kugel erzeugte Strah- lung kann die Mikrolinse 8 verlassen. Es ist daher von Vor- teil, wenn jeweils ein möglichst großer Teil der aktiven Schichten der Halbleiterchips 7 innerhalb der Weier- strass'schen Kugel zu liegen kommt. Es besteht daher ein In- teresse daran, den Radius der Mikrolinsen 8 möglichst groß zu wählen. Dem steht entgegen, daß dann auch der Abstand zwi- schen 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 be- strebt, 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 ge- gossen. 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 Fi- gur 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 Sili- konrahmens 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 entspre- chend einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet.

Anschließend wird die Öffnung 18 mit Silikon gefüllt. Es er- gibt sich somit die in Figur 7 dargestellte, in einer Gieß- vorrichtung 23 dargestellte Mikrolinsenform 24. Die Gießvor- richtung 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 Grund- platte 26 verbunden ist und den sicheren Sitz der Mikrolin- senform 24 auf der Grundplatte 26 gewährleistet.

Die Paßstifte 14 haben in der Mikrolinsenform 24 Durchführun- gen 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 Mikrolin- senform 24 selbstverständlich bereits mit den Halbleiterchips 3 versehen und fertig gebondet ist.

Abschließend wird durch die Durchführungen Gießharz einge- füllt. 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 in einen Raumwinkel mit einem hal- ben Öffnungswinkel von 60°, also einem Öffnungswinkel von 120° in Abhängigkeit vom Abstand Ax dargestellt ist.

Figur 8 enthält das Ergebnis von Rechnungen. Die Rechnungen wurden mit einem Halbleiterchip 7 mit der Grundfläche 200 pm m x 200 pm und einer Höhe von 250 Mm durchgeführt. Es wurde an- genommen, daß der Halbleiterchip 70 % seiner Strahlungslei- stung 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 ange- nommen. 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 je- weils die Ergebnisse für Mikrolinsen 8 mit den Radien 250 Mm, 300 Fm und 350 jum bei einem Brechungsindex von n = 1,55 wie- der. Die Kurven 33,34 und 35 geben die Ergebnisse für Mikro- linsen 8 mit den Radien 250 Mm, 300 pm und 350 pm 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 Rm, 600 Fm und 700 jlm. Anhand von Figur 8 wird deutlich, daß die Strahlungs- leistung in dem erfaßten Raumwinkel bei einem Abstand Ax 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'schen Kugel der Mikrolinsen 8.

Die Vorteile der hexagonalen Anordnung der Mikrolinsen 8 er- geben sich auch aus der folgenden Tabelle 1 : Tabelle 1 : Anordnung quadratisch hexagonal hexagonal Linsendurchmesser 600 Wm 600 Wm 700 Am Fläche pro 0,36 mm2 0,312 mm2 0,42 mm2 Einheitszelle Gesamte Strahlungs-0,4777 W 0,45919 W 0,48668 W leistung in 70° Halb- winkel Strahlungsleitung pro 1,3269 W/mm2 1,4718 W/mm2 1, 1588 W/mm2 Fläche Anhand von Tabelle 1 wird deutlich, daß eine Vergrößerung des Radius der Mikrolinsen 8 nicht notwendigerweise zu einer Er- höhung 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'schen 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 ELm 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 Mikro- linsenform 24.