CN102683561B - 光学元件,含有该元件的光电器件及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件(1，25)，其具有确定形状，并包含在成型期间或之后进一步交联的热塑性材料。这种热塑性材料具有较高的温度形状稳定性，但由于其热塑性，在进一步交联前可以简便和便宜地成型。

Description

光学元件,含有该元件的光电器件及其制备
本申请是申请日为2006年4月18日，申请号为“200680013589.2”，发明名称为“光学元件，含有该元件的光电器件及其制备”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学元件，含有该元件的光电器件及其制备方法。
背景技术
对于用于光电器件，例如Radial-LED，Smard(Smart)-LED或Chip-LED的浇注材料，用于光电器件如SMT-LED或者光学元件例如透镜的壳体材料，常常需要相应的材料是耐焊接的。因此如今使用填充有玻璃纤维和/或矿物质的高温塑料，它们很贵，并且只能用特定的注塑方法在高温下进行加工。可以使用热固性塑料如环氧聚合物或硅酮用于光电器件的外壳或光学元件，不过这些塑料很难成型。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种能减小上述缺点的光学元件。
根据本发明，该目的是通过根据本发明的一种成型为透镜的光学元件实现的，其包含-在成型期间或之后通过辐射交联的热塑性材料,其中对所述热塑性材料添加交联助剂，并且所述交联助剂包括有机过氧化物或三烯丙基异氰脲酸酯。下文是该光学元件其它有利的技术方案以及含有该元件的光电器件及其制备。
本发明的主题是一种具有确定形状的光学元件，其包含
-在成型期间或之后交联的热塑性材料。
本发明的光学元件的优点在于，可以使用标准热塑性材料，由于其是热塑性的而且在其工作温度之上具有流动转变区域，因此，在软化状态下例如通过挤压、挤出、注塑或喷压和其它成型方法，可以特别容易地成型为光学元件。然后在成型期间或之后才使该热塑性材料交联，从而得到改性的热塑性材料，其具有较高的温度形状稳定性()，较小的热膨胀系数和改善的机械性能。本发明人惊讶地发现，尽管所述热塑性材料是后交联的，由该交联的热塑性材料制成的光学元件仍然具有足够好的光学性质，从而该元件也可以用于光电系统中。根据本发明的光学元件，其包含额外交联的热塑性材料，而且令人惊讶地是焊接稳定的，因此包含该元件的光电器件还可以特别容易地通过焊接而安装在基材，例如电路板上。
根据本发明的光学元件可以根据应用的不同而具有任意形状。因此，例如可以成型为用于发射辐射的半导体芯片的壳体，成型为反射器或成型为透镜。因此，该光学元件可以制成可用于光电应用的各种形状。由于其是热塑性的，因而所述成型例如可以通过注塑而特别简单地进行，且在成型期间或之后才进行交联。
在本发明的另一实施方式中，光学元件是指与光有相互作用的元件，亦即特别是形成光的、导光的和/或转换光的元件。光学元件的实例例如有可以聚光的透镜，以及反射光的反射器。
在本发明的一个实施方式中，可以在成型后，通过辐射而使热塑性材料进行交联。这种使热塑性材料交联的辐射例如可以通过用β或γ射线进行辐射来实现。这种辐射例如可以在常规的电子加速器和γ装置中进行。由于辐射，在易于加工的热塑性材料中尤其产生自由基，由于其该自由基具有反应性，使热塑性的聚合物段()进一步交联，从而可以形成高度交联的三维聚合物网。
在本发明另一实施方式中，可以在成型期间，例如在挤出期间，在高压下，通过加入交联剂进行进一步的交联。这样的交联剂例如可以包括有机过氧化物，它们同样能够以化学方式使热塑性材料发生立体交联。此时可以形成热塑性大分子的均匀网络。
交联助剂也可以用于以上提到的辐射交联中，从而缩短辐射时间，并减少辐射的副产物，例如由于分裂或氧化产生的。
由于在光学元件成型期间或之后进行的交联，因此根据本发明，可以使用迄今不能使用的所有廉价的工业热塑性材料，它们例如在适当的温度下采用注射成型法进行加工。在本发明的光学元件中使用的热塑性材料可以选自以下塑料，含有：聚酰胺，聚酰胺6，聚酰胺6,6，聚酰胺6,12，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯醚，聚甲醛，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯，改性的聚丙烯，超高分子量的聚乙烯，乙烯-苯乙烯互聚物，共聚酯弹性体，热塑性的聚氨酯，聚甲基甲基丙烯酰亚胺，环烯烃共聚物，环烯烃聚合物，聚苯乙烯和苯乙烯-丙烯腈共聚物。
在制备本发明的光学元件时，上述塑料可以相应地单独使用或任意组合使用。
通过各种热、物理和机械的检验，可以证实随后发生了交联的热塑性材料的性质发生变化。以此方式可以区别未交联的常规热塑性材料和交联的热塑性材料。因此，例如通过IR-光谱可以证实在辐射交联的热塑性材料的表面上形成极性的含氧基团。尤其是通过电子辐射可以提高辐射交联的热塑性材料的表面张力，因此提高热塑性材料表面的极性。
进一步交联的热塑性材料的玻璃化转变温度的升高例如可以通过膨胀测量、介电测量、动态-机械测量或折射测量，通过技术人员都已知的DSC(差示扫描量热法)或借助于NMR光谱来证实。
DMA扭转试验同样直接给出了已交联的热塑性材料的玻璃化转变温度Tg，改变的熔化-结晶行为和温度形状稳定性的信息。已交联的热塑性材料在玻璃化转变区域附近直至熔化区域常常比未交联的热塑性材料更硬，因而已交联的热塑性材料不再流动，从而使得温度形状稳定性改善。交联的热塑性材料在熔化区域常常表现为橡胶状弹性，并且不再流动。通过交联，还减小了热膨胀以及对水和氧气的渗透性。同样限制了银迁移。
根据本发明的光学元件有利地含有对辐射基本上是透明(transparent)的热塑性材料。辐射可以由所有可能的辐射源，例如集成了光学元件的光电器件发出。基本透明意味着，该热塑性材料对辐射的透明度约为70至80％，优选至92％。本发明人惊讶地发现，交联的热塑性塑料仍然具有足够透明的性质。
此外，在本发明的光学元件上还额外布置无机涂层。这可以在交联的基础上进一步提高机械稳定性、焊接稳定性以及防止水渗透的能力。该无机涂层例如可以含有选自二氧化硅和二氧化钛的材料。在此，所述涂层可以只含有一种材料或者含有两种材料的组合。这种层例如可以在气相沉积工艺进行涂覆，层厚度为约50nm～1000nm。此外，具有这样的层厚度的涂层对于辐射也是尽可能可透过的。
在另一实施方式中，可以由形成本发明的光学元件的热塑性材料形成连接元件(例如参见图3和4)。这种连接元件例如可以用于连接光学元件和发出辐射的光电器件。带有所述光学元件的光电元件然后也可以特别简单地通过由所述交联的热塑性材料制成的其它连接元件而安装在基材，例如电路板上(例如参见图4)。该连接元件，例如栓钉、连接板、插头等可以特别简单地由热塑性材料形成，因为它们可良好熔融，因此易于成型。然后，形成本发明的光学元件的热塑性材料在该连接元件成型后或成型期间才进一步交联，从而得到提高的稳定性。
根据本发明的光学元件可以包括透镜或反射器(例如参见图1到5)。在透镜情况下，其可以贴在光电器件现有的浇注件上，尽管是热塑性材料，但该器件仍是焊接稳定的(例如参见图2)。在反射器情况下，作为光学元件，优选使用具有高反射性且不透明的热塑性的塑料。在该情况下，还常常向该热塑性材料中添加其它添加剂，例如二氧化钛(白色颜料)。也可以形成由后交联的热塑性材料制成的壳体，该壳体同时还具有反射器性质(例如参见图1和2)。
本发明的主题还在于一种发出辐射的光电器件，带有包含交联的热塑性材料的光学元件。这种元件常常具有与目前使用的由特种高温塑料制成的元件类似好的光学性质，但可更简便和便宜地制得。
所述光学元件成型为壳体是特别有利的，因为这样可以确保发出辐射的器件特别好的焊接稳定性。由于该光学元件具有良好的光学性质，例如良好的透明度，所以其也可以被布置在该器件的射线途径中，因此对所发出的辐射基本是可透过的(例如参见图2)。
由于已交联的热塑性材料升高的温度稳定性和得到改善的性质，因此特别有利的是通过该材料将发出辐射的器件固定在基材上。这例如可以通过锁紧元件或焊接方法实现(例如参见图4和5)。
本发明的主题还在于一种制备确定形状的光学元件的方法，具有以下方法步骤：
A)提供热塑性材料，
B)将热塑性材料转变为希望的形状，
C)交联该热塑性材料，从而形成光学元件。
有利地，在方法步骤B)中采用注射成型法。常常在方法步骤C)之前还加入交联助剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)，其使得交联变容易。
在化学交联方法情况下，例如可以一起进行方法步骤B)和C)，此时使用化学交联剂，例如有机过氧化物。
在辐射交联情况下，在方法步骤C)中，可以对已成型的热塑性材料施加辐射剂量约为30～400kGy，优选33～165kGy的电子束。
本发明还涉及以下方面：
1.一种具有确定形状的光学元件(1,25)，其包含
-在成型期间或之后交联的热塑性材料。
2.根据前述项目的光学元件(1,25)，
-其中，所述热塑性材料在成型后通过辐射进行交联。
3.根据项目1的光学元件(1,25)，
-其中，所述热塑性材料在成型期间通过加入交联剂进行交联。
4.根据前述项目之一的光学元件(1,25)，
-其中，所述热塑性材料选自以下塑料，含有：聚酰胺(PA)，聚酰胺6(PA 6)；聚酰胺6,6(PA 6,6)，聚酰胺6,12(PA 6,12)；聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚碳酸酯(PC)；聚苯醚(PPO)；聚甲醛(POM)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；改性的聚丙烯(改性的PP)；超高分子量的聚乙烯(PE-UHMW)，乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)；共聚酯弹性体(COPE)；热塑性聚氨酯(TPU)；聚甲基甲基丙烯酰亚胺(PMMI)；环烯烃共聚物(COC)；环烯烃聚合物(COP)，聚苯乙烯(PS)和苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)。
5.根据前述项目之一的光学元件(1,25)，
-其中，所述热塑性材料对辐射基本上是可透过的。
6.根据前述项目之一的光学元件(1,25)，
-在所述光学元件(1,25)上额外布置无机涂层(1A,25A)。
7.根据前述项目的光学元件(1,25)，
-其中，所述无机涂层(1A,25A)包含选自SiO2和TiO2的材料。
8.根据项目6或7之一的光学元件(1,25)，
-其中，所述涂层的层厚度为50nm至1000nm。
9.根据前述项目之一的光学元件(1,25)，
-其中，由所述热塑性材料额外成型连接元件(30A,30B)。
10.根据前述项目之一的光学元件(25)，其包含透镜。
11.根据项目1至10之一的光学元件(1)，
-其包含反射器。
12.一种发出辐射的光电器件(5A)，其包含
-根据前述项目之一的光学元件(1,25)。
13.根据前述项目的发出辐射的器件(5A)，
-其中所述光学元件(1,25)成型为壳体。
14.根据项目12或13之一的发出辐射的器件(5A)，
-其中，所述光学元件(1,25)布置在器件(5A)的射线途径(60)中，和
-所述元件对发出的辐射基本上是可透过的。
15.根据项目12至14之一的发出辐射的器件，
-其中，整个器件被壳体所封装。
16.根据项目12至15之一的发出辐射的器件(5A)在基材(100)上的布置，
-其中，所述器件(5A)通过光学元件(1,25)而固定在基材(100)上。
17.根据前述项目的布置，
-其中，所述器件(5A)通过焊接而固定在基材(100)上。
18.一种制备确定形状的光学元件(1,25)的方法，具有以下方法步骤：
A)提供热塑性材料，
B)将热塑性材料转变为希望的形状，和
C)交联该热塑性材料，从而形成光学元件。
19.根据前述项目的方法，
-其中，在方法步骤B)中采用注射成型法。
20.根据项目17至19之一的方法，
-其中，在方法步骤C)前还额外添加交联助剂。
21.根据项目18至20之一的方法，
-其中，在方法步骤B)后，在方法步骤C)中，对已成型的热塑性材料施加辐射剂量约为33～165kGy的电子束。
22.根据项目18至20之一的方法，
-其中，一起进行方法步骤B)和C)。
23.根据项目18至22之一的方法，
-其中，使用透明的热塑性材料。
24.根据项目18至23之一的方法，
-其中，在方法步骤B)中，在惰性气氛下使所述热塑性材料转变为希望的形状。
25.根据项目18至24之一的方法，
-其中，在惰性气氛下进行方法步骤C)。
26.根据项目18至25之一的方法，
-其中，在方法步骤C)中，对所成型的热塑性材料进行至少两次辐射交联。
27.具有确定形状的元件用于光电器件的用途，该元件含有在成型期间或之后进行交联的热塑性材料。
附图说明
图1表示发出辐射的器件5A的横截面。
图2表示本发明的发出辐射的器件5A另一实施方式的横截面。
图3表示根据本发明的发出辐射的器件5A的另一方案。
图4表示由形成本发明的光学元件的热塑性材料形成的连接元件。
图5表示本发明另一实施方式的横截面。
图6表示透镜25通过固定元件25B插在壳体1上的器件。
图7A和7B表示透镜25的可行实施方式的透视图。图7C表示透镜25的横截面。
具体实施方式
以下通过附图和实施例更详细地解释本发明。
实施例
由聚酰胺(Grilamid TR 90)压铸出2-3mm厚、直径0.8cm的透镜，其中向该塑料颗粒中加入液态的三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC，Peralink301)作为交联助剂。所加入的TAIC的份额为2-5重量％，优选约3～4重量％。该加入或者作为液体直接进行，或者吸附在空腔颗粒上进行。没有象通常那样使用硅酸钙作为TAIC的载体材料，因为其对透镜的透明度有不利影响。接下来的交联通过用β射线一般以66-132kGy的剂量辐射数秒来进行。接着以33kGy剂量进行辐射。该辐射进行至少两次，但优选四次，例如分别用相同的辐射剂量。该透镜可以具有插头形状的连接元件，用于固定(例如参见图3和6)。
如果在N2冲洗的注射成型机中对用惰性气体，例如N2冲洗的颗粒进行注射成型，则得到玻璃般清澈(glasklare)的产品。在辐射交联时形成色中心，这导致所述注塑件发黄色。该变色在260℃下焊接时完全消失。所焊接的产品是玻璃般清澈的，透明度为85-90％。还可以使用其它惰性气体代替N2，本发明人发现，在使用惰性气体时，如上所述，在辐射交联期间出现的变色在焊接时有所减弱，或者完全消失。特别有利的是，在辐射交联期间还在惰性气体，例如N2下加工。这例如可以如下实现，将该光学元件在惰性气氛下装入塑料袋中，然后进行交联。
与由未交联的材料制成的透镜不同，由辐射交联的Grilamid TR 90制成的透镜是焊接稳定的，其透明度约为70-95％，优选85-90％。此外，由该交联的材料制成的透镜的吸水量大大减少，以至于在最高温度260℃焊接30秒时没有观察到发泡。
类似于上述的辐射交联透镜，还可以制备LED的壳体，其包含用白色颜料填充的热塑性材料，例如通过注射成型法制备，并辐射交联，与未辐射交联的壳体不同，这样得到的壳体是焊接稳定的。除了在图1-6中所示的技术人员已知的“TOP-LED”外，这样例如还可以对本领域技术人员同样已知的所谓的“SMART-LED”和“Chip-LED”的壳体进行辐射交联。“SMART-LED”例如在所引用的出版物DE 199 63 806 C2中有述，并且具有引线框架，其这样被塑料-模压塑料包封，使得LED在其出光侧被模压塑料所包围。所述塑料-模压塑料还可以掺合光转换物质。“Chip-LED”是安装在具有装配用接触点的PCB上的LED，并被塑料-模压塑料所包封。
图1到7表示根据本发明的发出辐射的器件的不同实施方式的横截面，所述器件带有由已交联的热塑性材料制成的光学元件，以及适合于嵌入光电器件中的辐射交联的透镜。
图1表示发出辐射的器件5A的横截面，其中，半导体器件5，例如LED通过连接线10和导线带20电接触。半导体器件5位于反射器槽中，其具有反射器面2，并使半导体器件发出的光成束。反射器槽和位于其中的半导体器件5被浇注件15，例如完全被环氧树脂或硅树脂所包围。发出辐射的器件5A具有由辐射或化学交联的热塑性材料制成的壳体1，其具有高反射性，同时由其形成反射器槽的反射器面2。与壳体1或者由昂贵的高温塑料或者由热固性塑料形成的传统的发出辐射的器件不同，根据本发明的发出辐射的器件由于热塑性材料的易成型性而更便宜和更简便地制得。
图2表示本发明的发出辐射的器件5A另一实施方式的横截面。与图1的器件不同，在此额外还有一个透镜25，其施加在器件的浇注件15上。这样的透镜25也可以特别简单地由后交联的热塑性材料形成。根据对器件要求的不同，在图2的器件情况下，壳体1也可以包含根据本发明后交联的热塑性材料，或者包含传统的高温热塑性材料或热固性塑料。由于令人惊讶地还可以制备具有足够透明性质的后交联的热塑性材料，因此尤其可以将由后交联的热塑性材料制得的透镜25布置在器件5A的射线途径60中。
图3表示根据本发明的发出辐射的器件5A的另一方案，其中透镜25布置在浇注件15上，其同样包含后辐射交联的热塑性材料，并且还额外具有连接元件30A。在此情况下，连接元件30A由小的脚(Füβchen)形成，这可以通过定位机理而使脚机械固定在壳体1的凹槽30C中。在这样的实施例中不再需要象常见的那样将透镜25例如通过粘合而固定在器件5A的浇注件15上。
代替图3的实施例或者额外地，同样还可以在包含根据本发明进一步交联的热塑性材料的壳体1中成型连接元件30B，其能够特别简便地使器件5A固定在基材100，例如电路板上。在此情况下连接元件30B也以小的脚形式通过定位机理固定在基材100的凹槽30D中。这种固定方法例如可以代替传统的焊接法，并因此减小或防止器件的热负荷。
由于进一步交联的热塑性材料额外的温度形状稳定性，所以通过焊接方法将具有由该材料制成的壳体1的发出辐射的器件固定基材100上，也没有较大问题在。
图5表示本发明另一实施方式的横截面，其中，透镜25以及壳体1都包含后交联的热塑性材料。为了更进一步提高耐焊接性，提高对水的阻挡性质和提高机械稳定性，可以在两种光学元件上，为透镜25布置无机涂层25A和在壳体1上布置无机涂层1A。这种涂层，例如可以含有选自二氧化硅和二氧化钛的材料，例如可以通过气体沉积工艺涂覆，层厚为50nm～1000nm。该器件通过焊料50的焊接而安装在基材100上。
图6表示一种器件，其中，透镜25通过固定元件25B插在壳体1上。与图3中所示的器件不同，固定元件25B包围着壳体1。
图7的图7A和7B表示透镜25的可行实施方式的透视图，它们类似于图6中所示可以插在壳体1上。除了固定元件25B外还存在插在壳体相应凹槽中的栓钉25C。图7C表示透镜25的横截面。
文中描述的本发明不限于所述的实施例。更确切地说，本发明包括每个新特征以及特征的每种组合，尤其是权利要求中包含的特征的每种组合，即使该特征或该组合本身没有明确记载在权利要求或实施例中。其它方案，尤其是有关于所使用的热塑性材料，以及由该后交联的热塑性材料形成的光学元件的形状和功能，也是可行的。

Claims (16)

1.一种成型为透镜的光学元件(1)，其包含
-在成型期间或之后通过辐射交联的热塑性材料,
其中对所述热塑性材料添加交联助剂，并且所述交联助剂包括有机过氧化物或三烯丙基异氰脲酸酯。
2.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其中，所述热塑性材料通过β射线或γ射线交联。
3.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其中，所述热塑性材料选自以下塑料，含有：聚酰胺(PA)，聚酰胺6(PA6)；聚酰胺6,6(PA 6,6)，聚酰胺6,12(PA 6,12)；聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚碳酸酯(PC)；聚苯醚(PPO)；聚甲醛(POM)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；改性的聚丙烯(改性的PP)；超高分子量的聚乙烯(PE-UHMW)，乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)；共聚酯弹性体(COPE)；热塑性聚氨酯(TPU)；聚甲基甲基丙烯酰亚胺(PMMI)；环烯烃共聚物(COC)；环烯烃聚合物(COP)，聚苯乙烯(PS)和苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)。
4.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其包含另外的光学元件(25)。
5.根据权利要求1的光学元件(1)，
其中，所述光学元件(1)包含热塑性材料，所述热塑性材料对光学辐射具有大于70％的透明度。
6.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其中，在所述光学元件(1)上另外布置无机涂层(1A,25A)。
7.根据权利要求4的光学元件(1)，
其中，所述光学元件(1)和所述另外的光学元件(25)包含热塑性材料，所述热塑性材料对光学辐射具有大于70％的透明度。
8.根据权利要求4的光学元件(1)，
-其中，在所述光学元件(1)或所述另外的光学元件(25)上另外布置无机涂层(1A,25A)。
9.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其中，由所述热塑性材料另外成型连接元件(30A,30B)。
10.根据权利要求1的光学元件(1)，
-其包含反射器。
11.一种发出光学辐射的光电器件(5A)，其包含
-根据权利要求1的光学元件(1)。
12.一种制造成型为透镜的光学元件(1)的方法，具有以下方法步骤：
A)提供热塑性材料，
B)将所述热塑性材料转变为透镜的形状，和
C)通过射线交联所述热塑性材料，从而形成光学元件。
13.根据权利要求12的方法，
-其中，在方法步骤B)后，在方法步骤C)中，对已成型的热塑性材料施加辐射剂量为33至165kGy的电子束。
14.根据权利要求12的方法，
-其中，在另外的方法步骤D)中，制成另外的光学元件(25)。
15.根据权利要求14的方法，
-其中，在方法步骤D)中，使用透明的热塑性材料。
16.根据权利要求12的方法，
-其中，在方法步骤C)中，对所成型的热塑性材料至少两次通过辐射进行交联。
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