专利名称：半导体器件、反射光势垒和用于制造对此的壳体的方法
半导体器件、反射光势垒和用于制造对此的壳体的方法本专利申请要求德国专利申请10 2008 025 159. 3的优先权，其公开内容通过引用结合于此。本申请涉及一种半导体器件，一种反射光势垒以及一种用于制造壳体的方法，其 中设置有单片的壳体下部，其具有至少两个空腔并且在空腔中分别引入至少一个半导体芯 片，其中壳体下部对于所发射的电磁辐射起吸收或者反射作用。为了检测在确定区域中的对象，使用光势垒。光势垒是一种带有发射器和检测器 的电子光学系统。在下面将发射电磁辐射的半导体芯片视为发射器。发射器也称为发射机 或者辐射源。进行发射的半导体芯片例如可以发射红外辐射或者可见光，并且优选为发光 二极管或者激光二极管。而检测器是一种检测电磁辐射的半导体芯片，其也称为传感器或 者接收器。检测器对于发射器所发射的辐射是敏感的。进行检测的半导体芯片优选是光电 晶体管、光敏电阻或者光电二极管。在下面简要地阐述光势垒的工作原理。发射器以相应的发光强度I发射确定波长 范围的电磁辐射。检测器至少对于该辐射的确定的波长范围是敏感的。由于在光势垒中的 要检测的对象而改变了在发射器和检测器之间的光路。在检测器中，记录入射的辐射的亮 度的所产生的变化。该记录在随后的步骤中转换为电开关信号，该信号随后被进一步处理。所发射的光强I与其表面照亮的面的大小A的比例定义为亮度L。亮度具有的SI 单位为坎德拉每平方米cd/m2。亮度是与辐射测量学中的辐射密度L( λ )(单位为瓦特* 米_2*球面度―1或者W*!!!-2*^-1)的在光度测量上的等价物。在原理上，将光势垒分为单路光势垒和反射光势垒。在单路光势垒的情况下，发射 器和检测器彼此对置，其中发射器的主发射方向直接位于检测器的方向中。检测器相应地 持续检测由发射器引起的亮度.如果对象进入发射器和检测器之间的光路中，则将光路被 中断。由此导致的发射器未检测到所发射的辐射在进行进一步处理的单元中被分析。在反射光势垒的情况下，不同于单路光势垒，发射器和检测器并不对置，并且此外 优选处于共同的壳体中。由此，结构较不复杂。原则上，在反射光势垒的情况下，区分两种 用于检测物体的方法。在第一方法的情况下，反射元件设置在第一侧，带有发射器和检测器的壳体设置 在对置侧上。元件和壳体定向为使得由于对象引起的光路中断造成在检测器中的亮度变 化。可替选地，并不使用反射器。如果对象在发射器的光路中，则发射器的辐射射到对 象上并且在对象表面上由于对象的表面构造而被散射。通过散射，所发射的辐射的一部分 射到检测器上。在检测器中记录亮度的变化。支承体上的检测器和发射器越来越多地安置在壳体内。如果检测器和发射器安置 在壳体中，则防止了光学信号路径的短接。于是，可以阻止从发射器至检测器的直接的光 路。为此，目前将光学阻挡物引入壳体中，这些阻挡物设置在发射器和检测器之间。这些阻 挡物在事后借助粘合剂引入壳体中。而所使用的粘合剂对于发射的电磁辐射是透明的。通 过这些阻挡物，由此不能排除光学信号路径的短接。
因此，本发明的任务是，提出一种半导体器件、一种反射光势垒以及一种用于制造 反射光势垒的壳体的方法，它们可以非常简单地实现，并且防止在其间的光学信号路径的 直接短接。该任务借助在所附的权利要求中说明的措施来解决。为此，设计了一种带有单片的壳体下部的半导体器件。该壳体下部具有上侧和至 少一个第一空腔和至少一个第二空腔，其中空腔朝向壳体下部的上侧敞开。至少一个发射 电磁辐射的半导体芯片设置到第一空腔中。至少一个检测电磁辐射的半导体芯片设置到第 二空腔中。壳体下部由如下材料制成该材料吸收或者反射所发射的电磁辐射。通过壳体下部的单片的、换言之一件式的构型，在进行发射的和进行检测的半导 体芯片之间提供了良好的光学分离。现在，光学信号路径的短接不再可能。由于壳体下部 单片地构建，所以不必将附加的阻挡物借助粘合剂引入到壳体装置中。由此，该结构简单并 且成本低廉地实现。在另一扩展方案中，半导体器件具有印制导线框架，半导体芯片设置在该印制导 线框架上。印制导线框架对于进行发射的或者要检测的辐射是不可透射的。此外，印制导 线框架可以通过半导体器件的至少一侧直接导电接触。因为进行发射的和进行检测的半导体芯片在芯片的背面也是活性的，所以也可以 在芯片的背面发射或者检测辐射，通过这样形成的印制导线框架防止了发射的辐射耦合输 入到背面的进行检测的元件上。如果印制导线框架是电路板的组成部分，则其材料同样对 于要发射的或者进行检测的辐射是吸收性的或者反射性的。此外，通过印制导线框架实现 了半导体芯片的电接触。在另一扩展方案中，壳体下部借助注塑方法或者压铸方法来制造。借助这些方法， 可能非常简单地构建带有空腔的壳体下部，而不必将附加的阻挡物安装到壳体下部中。在另一扩展方案中，还设置有壳体上部，其对于发射的和要检测的辐射是至少部 分透明的。通过该壳体上部，首先给出了对半导体芯片的保护。为了避免所发射的和检测 的电磁辐射被阻挡，壳体上部至少部分透明。此外，通过壳体上部实现了至传输媒质空气的 改进的光学耦合。因为壳体上部直接引入到空腔中并且通过在壳体上部和壳体下部之间引 入足够的保持力来实现，所以无需使用或者引入附加的粘合剂。由此，实现了该半导体器件 的成本更为低廉的制造。在另一扩展方案中，壳体上部附加地设置有光学元件。例如设置透镜或者透镜阵 列作为光学元件。通过光学元件，将发射的以及要检测的辐射聚束和/或偏转。这在发射 器侧导致辐射的会聚的发射，由此半导体器件实现了更高的有效距离。在检测器侧通过光 学元件实现了对电磁辐射的改进的检测。在另一扩展方案中，半导体器件附加地在壳体下部的第三空腔中具有第三半导 体芯片。该第三半导体芯片在一个特别的扩展方案中是专用电路装置，英语Application specific integrated Circuit(ASIC)或者防静电放电的电路装置，英语为Electrostatic Discharge(ESD)芯片。该第三半导体芯片一方面例如借助强度控制或者调制来控制电磁辐 射的发射，并且另一方面分析所检测的辐射。第三半导体芯片可以借助覆盖物质(也称为 球顶(Globetop))来浇注。在另一扩展方案中，第三半导体芯片已经在制造壳体下部之前设置在印制导线框5架上并且例如以注塑方法和压铸方法完全用壳体下部的材料围绕浇注。可能由于辐射而被 操作、损毁或者错误工作的第三半导体芯片由此被特别地针对该辐射而受到保护。此外，设计了将反射光势垒构建有已经提及的半导体器件。此外，设计了一种用于制造反射光势垒的壳体的方法，包括以下方法步骤-提供印制导线框架，-借助第一浇注材料将印制导线框架挤压包封，使得形成带有至少一个第一和至 少一个第二空腔的单片的壳体下部，其中空腔朝向壳体下部的上侧开口，-在第一空腔内设置至少一个发射电磁辐射的半导体芯片，-在第二空腔内设置至少一个检测电磁辐射的半导体芯片，以及-将半导体芯片与印制导线框架电连接。该方法可以成本更为低廉地实现。既不需要引入阻挡物，也不需要附加的粘合剂 来将发射器和检测器彼此光学分离或者隔离。此外，借助该方法所制造的半导体器件具有 良好的效率特征。印制导线框架例如被刻蚀、被冲压或者借助激光方法来制造。通过制造的这种形 式，印制导线框架可以在宽的界限中自由构造，尤其是空腔的数目并不受限。在另一扩展方案中，第三半导体芯片首先设置在印制导线框架上，并且在随后步 骤中才制造壳体下部。由此，不需要附加的另外的浇注材料也可能实现第三半导体芯片的 挤压包封。通过使用吸收或者反射所发射的和/或检测的辐射的材料，第三半导体芯片与 电磁辐射去耦。此外，设置了第二浇注材料，其可以被填充到空腔中并且对于要发射的或者要检 测的辐射是至少部分透明的。借助压模方法在另一扩展方案中可能将光学元件成形。随后借助附图描述本发明的实施例。附图在此具有带有相同附图标记的相同或者 作用相同的组成部分。所示的元件不能视为合乎比例的，更确切地说，为了更好的理解，各 元件可以被夸大地或者夸张简化地示出。其中图Ia和Ib示出了反射光势垒的工作原理，图2示出了带有单片的壳体下部的半导体器件的一个实施例，图3示出了图2中示出的实施例的改进方案，图4示出了图3中示出的实施例的改进方案，图5示出了图2中示出的实施例的俯视图，图6示出了对于图2替选的实施例的俯视图，图7示出了图6中示出的实施例的改进方案，图8示出了对于图7中所示的实施例的替选方案，图9示出了图2中示出的实施例的三维视图，
图10示出了图9中示出的实施例的后视图，图11示出了图7中示出的实施例的三维视图，以及图12示出了图11中示出的实施例的三维视图。在图Ia和Ib中示出了反射光势垒的工作原理。在图Ia中示出了带有发射电磁辐 射的半导体芯片3 (以下称为发射器)和检测电磁辐射的半导体芯片4 (以下称为检测器)的半导体器件1。优选使用激光二极管或者发光二极管作为发射器。所发射的辐射的波长 原则上是可变的。在理想情况下，检测器检测由发射器发射的辐射。由此，所发射的和反射 的辐射至少部分地具有相同的频谱范围。优选使用光电晶体管、光电二极管或者光敏电阻 作为检测器半导体芯片4。在此，省去了对检测器和发射器的详细描述。如果没有对象处于光势垒的有效距离中，则所发射的电磁辐射不被反射或者散 射，由此检测器半导体芯片4未检测到辐射。在图Ib中现在对象2处于半导体器件1的光 路中。在对象2上将入射的辐射散射并且至少部分地向回辐射到检测器半导体芯片4上。原则上，用于实现光势垒的第二方法也是可能的，其中存在反射器而不是对象，由 此首先始终在半导体芯片4中检测到辐射。如果现在在反射器和半导体器件1之间出现对 象，则光路至少部分被中断，由此，射束强度改变。该变化在检测器中被检测。在图2中示出了图1中示出的半导体器件1的横截面。为此，半导体器件具有壳 体下部5。该壳体下部单片地、即一件式地构建。其具有第一空腔6和第二空腔7。在第一 空腔6中设置有发射器3。在第二空腔7中设置有检测器4。空腔6和7朝向壳体下部5 的上侧501开口。壳体下部5的材料对于要发射的电磁辐射是吸收性的或者反射性的。这意味着， 发射的电磁辐射并不能够穿过壳体下侧5。壳体的材料优选是环氧树脂或者由硅树脂和环氧化物构成的混合材料。可替选 地，壳体材料是纯的硅树脂模制材料。该硅树脂模制材料包含填充材料，以便彼得壳体下部 5的机械特性和光学特性与其匹配或者改进壳体下部5的机械特性和光学特性。原则上，该 模制材料用作引线框架的包封物并且形成反射光势垒的、半导体器件等的壳体下部。通过壳体下部的单片的成形，在发射器3和检测器4之间的光学信号路径的短接 不可能。因为发射器和检测器可以在所有方向上发射辐射，所以在该实施例中也排除了壳 体下部5的穿透。通过单片的成形，产生了比在传统地粘合在半导体芯片3和4之间的阻挡物的情 况更牢固并且更稳定的壳体下部。该壳体可以在宽的范围自由地构建，尤其是空腔的数目 及其构型并未受到限制。在图3中示出了图2中示出的实施例的改进方案。下面仅仅讨论图2和图3之间 的不同。图3附加地具有印制导线框架8，也称为引线框架，发射器3和检测器4设置在印 制导线框架上。印制导线框架8通过与上侧501对置的下侧502导电接触。可替选地，印 制导线框架8的接触同样可能通过壳体下部5的其他侧面。可替选地，可以针对印制导线 框架也使用电路板，通常也称为印刷电路板(PCB)。印制导线框架8和PCB尤其是对于要发 射的或者要检测的辐射是不透光的。由此，同样排除了通过壳体下侧802的穿透。印制导线框架8在可替选的实施例中是柔性的并且能够实现以最少的接合连接 来将半导体器件3中的多个芯片结合。为了制造根据图3的实施例，首先将印制导线框架8冲压、刻蚀或者借助激光来切 割。在随后的步骤中，借助注塑方法或者压铸方法将第一浇注材料、例如环氧树脂、混合材 料或者硅树脂模制材料围绕印制导线框架8至少部分地挤压包封。在此，设置了空腔6和 7，它们朝向上侧501敞开。在随后的步骤中，发射器3和检测器4与印制导线框架8导电 连接。7
在图4中示出了图3中所示的实施例的改进方案。在此也仅仅讨论图3和图4之 间的不同，以避免重复。除图3之外，在图4中将壳体上部9引入第一空腔和第二空腔6和 7中。该壳体上部在该实施例中成形为光学元件10。该壳体上部9优选对于要发射的和要 检测的电磁辐射是至少部分透明的。借助压模方法，该浇注物被引入空腔6和7中，使得形 成光学元件10。通过这种方式，节省了作为附加的制造步骤的附加地施加透镜作为光学元 件。借助该装置，实现了芯片和光学系统的非常精确的对准。在图5中示出了图2中所示的实施例的俯视图。图1的上侧在此朝向观察者。在图6中示出了图5中所示的实施例的改进方案。在壳体上部5的第三空腔12 中引入有第三半导体芯片11。该第三半导体芯片11优选是ASIC或者ESD芯片。在第三半 导体芯片11中集成有检测器4的分析电路或者发射器3的激励电路。通过图6中所示的 实施形式，可以借助非常简单的装置来成本低廉地制造完整的反射光势垒。在图7中示出了图6中所示的实施例的改进方案。空腔12和第三半导体芯片11 在此用虚线示出，因为第三空腔12和位于其中的第三半导体芯片11已经借助壳体下部5 来围绕浇注，或者被挤压包封。该挤压包封优选在将第三半导体芯片11设置在印制导线框 架8上之后并且在制造壳体上部5之前进行。通过这种方式，保护第三半导体芯片11免受 发射的辐射影响。该保护有时是必要的，以便不让高能辐射射到第三半导体芯片11上。半 导体芯片可能会被该照射所操作或者损毁。在该实施形式中不需要附加的球顶，由此又节 省了方法步骤。事后的用于防辐射的措施于是可以被省去。通过所有所示的变形方案，实现了发射器和检测器的非常有效的光学分离，并且 此外表现出小的位置占用。提高了机械强度。此外，在图7中将壳体上部9引入空腔1和 2中。在图8中示出了对图7替选的实施例。替代借助壳体下部5的包覆，将球顶引入 空腔12中，以便保护半导体芯片11免受发射的辐射的影响。在图9中示出了图6中所示的实施例的三维视图。在图10中示出了图9中所示 的实施例的后视图。可以看到的是，印制导线框架8具有大的面积，以便一方面实现良好的 电接触，并且另一方面以便防止所发射的电磁辐射向回耦合到检测器4中并且由此防止光 学信号路径的短接。在图11中三维地示出了图7中所示的实施例。在图12中示出了图4中所示的实 施例的三维图。光学元件10在此用于改进的和匹配的射束引导，并且可以将电磁辐射聚 束、散射和传输。有时可能将多个发射器3以及多个检测器4安置在半导体器件1中。优选使用朗伯辐射器作为进行发射的和进行检测的半导体芯片3或4。8
权利要求
1.一种半导体器件(1)，具有:-单片的壳体下部(5)，其中该壳体下部(5) -具有上侧(501)和-至少一个第一空腔和至少一个第二空腔(6，7)，其中空腔(6， 7)朝向壳体下部(5)的上侧(501)敞开，-至少一个发射电磁辐射的半导体芯片(3)，其中进行发射的所述半导体芯片(3)设置 到第一空腔(6)中，以及-至少一个检测电磁辐射的半导体芯片G)，其中进行检测的所述半导体芯片(4)设置 在第二空腔(7)中，其中壳体下部(5)由如下材料制成该材料吸收或者反射所发射的电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的半导体器件(1)，其中半导体芯片(3，4)设置在印制导线框 架(8)上，所述印制导线框架(8)对于要发射的或者要检测的辐射是不可透射的，并且通过 半导体器件(1)的至少一侧(502)直接导电接触。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件(1)，其中壳体下部( 借助注塑方法或者 压铸方法来制造。
4.根据上述权利要求之一所述的半导体器件(1)，其中半导体器件(1)具有壳体上部 (9)，其中壳体上部(9)对于要发射的和要检测的辐射是至少部分透明的。
5.根据权利要求4所述的半导体器件(1)，其中壳体上部(9)是光学元件(10)。
6.根据权利要求5所述的半导体器件(1)，其中光学元件(10)是单透镜或者透镜阵列。
7.根据上述权利要求之一所述的半导体器件(1)，其中设置有第三空腔(12)，该第三 空腔包含第三半导体芯片(11)。
8.根据权利要求7所述的半导体器件(1)，其中第三半导体芯片(11)是专用集成芯片 或者静电放电芯片。
9.一种反射光势垒，其中使用根据上述权利要求之一所述的半导体器件。
10.一种用于制造反射光势垒的壳体的方法，包括以下方法步骤 -提供印制导线框架，-借助第一浇注材料将印制导线框架挤压包封，使得形成带有至少一个第一和至少一 个第二空腔的单片的壳体下部，其中空腔朝向壳体下部的上侧开口， -在所述第一空腔内设置至少一个发射电磁辐射的半导体芯片， -在所述第二空腔内设置至少一个检测电磁辐射的半导体芯片，以及 -将半导体芯片与印制导线框架电连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在挤压包封之前设置带有印制导线框架的第三 半导体芯片并且导电连接，其中第三半导体芯片在随后步骤中完全被第一浇注材料挤压包 封。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中空腔借助对于要发射的和要检测的辐射透 明的第二浇注材料来浇注。
13.根据权利要求12所述的方法，其中第二浇注材料附加地成形为光学元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中光学元件借助压模方法来产生。
15.根据权利要求10至14之一所述的方法，其中第一浇注材料是环氧树脂、带有填充 材料的硅树脂或者环氧树脂和带有填充材料的硅树脂构成的混合物。
全文摘要
本申请涉及一种半导体器件，一种反射光势垒以及一种用于制造反射光势垒的壳体的方法，其中壳体下部(5)是单片的并且具有至少两个空腔(6，7)，发射器(3)和检测器(4)被引入所述空腔中。
文档编号H01L33/00GK102047444SQ200980119449
公开日2011年5月4日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年5月26日
发明者托马斯·蔡勒, 迈克尔·齐茨尔斯佩格 申请人:欧司朗光电半导体有限公司