CN104254798A - 发光设备和用于制造这种设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种发射辐射的设备(10)，其包括光电子半导体器件(1)和至少一个光学元件(2，2a，2b)。光学元件(2，2a，2b)沿放射方向设置在半导体器件(1)的下游。光学元件(2a，2b，2)借助夹子(3)机械地固定在半导体器件(1)上。此外，提出一种用于制造这种设备(10)的方法。

Description

发光设备和用于制造这种设备的方法
技术领域
本发明涉及一种发射辐射的设备，其具有半导体器件和光学元件。此外，本发明涉及一种用于这种设备的制造方法。
背景技术
在光电子半导体器件与设置在下游的光学元件、例如透镜或过滤器的组合中使用各个组件的不同材料，例如塑料和金属。在此，将所述不同的材料在极端的环境条件下、例如在极端的温度和/或湿度下可靠连接的粘接剂并非始终可用。特别地，各个组件的不同材料的不同热膨胀系数能够使含粘接剂的连接受到负荷。此外，出自粘接剂的气体析出能够负面地影响这种设备的或设备的各个组件的使用寿命。在将不同组件组合时由于各个组件的特别的敏感度也能够在其上出现损坏。例如，由塑料构成的组件相对于高温是敏感的。
此外，可能将具有上述缺点的粘接以及焊接、例如超声波焊接在塑料组件的情况下作为不同组件的接合过程。替选于设备的多个或两个组件的连接，在各个组件的相应必需的窄公差的情况下，压配合是可行的。
发明内容
本申请的目的是：提出一种设备，所述设备的特征在于替选地连接设备的两个或更多个组件。此外，本申请的目的是：提出一种用于制造这种设备的简化的或改进的方法。
所述目的通过具有权利要求1的特征的设备来实现。此外，所述目的通过具有权利要求12的特征的这种设备的制造方法来实现。设备和制造方法的有利的改进形式是从属权利要求的主题。
根据至少一个实施方式，发射辐射的设备包括光电子半导体器件和至少一个光学元件。光学元件沿放射方向设置在半导体器件的下游。此外，光学元件借助夹子机械地固定在半导体器件上。
半导体器件优选是发射辐射的器件，所述发射辐射的器件具有放射方向。这尤其表示：半导体器件沿一个方向发射所产生的辐射的绝大部分。在该方向上将光学元件设置在半导体器件的下游，使得由半导体器件发射的辐射在离开设备之前穿过光学元件。
光学元件尤其理解为任何下述元件，所述元件适合于影响由半导体器件发射的辐射。例如，光学元件适合于改变或者偏转由器件所发射的辐射的辐射方向。替选地或附加地，光学元件能够影响由器件发射的辐射的波长。例如，光学元件是透镜、过滤器、转换元件和/或扩散元件。
光学元件和半导体器件借助夹子机械地彼此连接。例如，光学元件借助夹子安装在半导体器件上。有利地，由此能够借助唯一的工艺步骤通过安置夹子将设备的组件、即光学元件和半导体器件彼此连接。有利地，不需要用于连接各个组件的粘接剂，使得极端的环境条件、例如极端的温度和湿度不影响设备的组件的连接质量。其他的工艺步骤、例如将设备焊接到电路板上也不会负面地作用于各个组件的连接质量。
有利地，借助于夹子能够确保设备的各个组件的连接，其中不同的材料非刚性地彼此连接，使得在组件的热膨胀系数不同的情况下不出现张力并且在极端情况下不出现连接的松脱。有利地，与例如粘接连接相反地，借助于夹子的连接能够在没有耗费的工艺控制的情况下进行。为了能够确保可靠的连接例如对粘接连接的硬化条件或者粘接剂量的控制当前有利地不是强制必需的。另外的优点是：夹子能够在无残留物的情况下移除，使得能够以简化的方式执行可能的重做过程。
夹子尤其理解为机械的固定或连接元件，所述固定或连接元件通过夹紧将两个或更多个组件彼此连接。例如，夹子对此基本上构成为是U形的，其中将各个组件夹入U形形状之间，由此产生可机械松开的连接。夹子优选由弹簧钢形成。
半导体器件是光电子器件，所述光电子器件能够实现将以电学方式产生的数据或能量转换成光发射或者反之。半导体器件具有至少一个光电子半导体芯片，优选为发射辐射的半导体芯片。半导体芯片优选是LED(发光二级管)或激光二极管。
半导体器件能够具有其他组件，例如壳体或承载基底，在所述壳体或承载基底上以电或机械的方式安装半导体芯片。壳体例如是预成型壳体，在所述预成型壳体中集成用于电接触半导体芯片的导体框。
半导体器件的半导体芯片具有半导体层堆，在所述半导体层堆中包含用于产生辐射的有源层。对此，有源层优选包含pn结、双异质结构、单量子阱结构(SQW，single quantum well)或多量子阱结构(MQW，multi quantum well)以用于产生辐射。术语量子阱结构在此不开展任何关于量子化的维度的说明。量子阱结构还包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意的组合。
半导体芯片的半导体层堆优选包含III/V族半导体材料。III/V族半导体材料尤其适合于在紫外经由可见至红外光谱范围中产生辐射。
根据至少一个实施方式，在半导体器件和光学元件之间设置有承载件，所述承载件连同光学元件一起借助夹子机械地固定在半导体器件上。
承载件因此用作为用于光学元件的承载件。光学元件在此连同承载件一起借助于夹子与半导体器件连接，例如与半导体器件的壳体连接。承载件在此优选构成为，使得在半导体器件和光学元件之间产生期望的间距。期望的间距例如取决于半导体器件的放射特性和光学元件的光学作用。
为了将半导体器件、光学元件和承载件连接，夹子优选围绕全部三个组件引导并且将这三个组件彼此在下方钩住，使得形成这三个组件的机械的固定或连接。例如，夹子为此在光学元件的、承载件的和半导体器件的侧向区域上引导，并且不仅在半导体器件的与光学元件相对置的一侧上、而且也在光学元件的与半导体器件相对置的一侧上在下方钩住。
根据至少一个实施方式，夹子至少在半导体器件的与光学元件相对置的一侧上在下方钩住以用于固定。夹子因此至少在半导体器件的侧向并且至少局部地在半导体器件的与光学元件相对置的一侧上引导。优选地，也在光学元件一侧设有这种引导，使得夹子附加地在光学元件的与半导体器件相对置的一侧上并且在光学元件的侧向区域上引导。由此，能够实现各个组件在夹子的在下方钩住的区域之间的机械固定。
根据至少一个实施方式，夹子在半导体器件的放射方向上具有用于辐射射出的开口。通过该开口能够有利地确保：夹子不影响或至少不明显影响设备的放射特性。由半导体器件发射的且穿过光学元件射出的辐射在此能够有利地在没有受到夹子影响的情况下穿过夹子的开口射出。
根据至少一个实施方式，沿放射方向在半导体器件的下游设置有多个光学元件，所述多个光学元件相叠地堆叠并且借助夹子机械地固定在半导体器件上。因此，设备具有多个相继设置的光学元件，所述光学元件全部连同唯一的夹子固定在半导体器件上。借助将夹子安置到组件上的仅一个唯一的工艺步骤能够将任意多个组件与半导体器件简单且快速地连接。
在此，在各个光学元件之间能够设置有另一个承载件。例如，在用于第一光学元件的承载件上安置另一个承载件，所述另一个承载件用作为用于第二光学元件的承载件并且还有利地将第一光学元件固定在其位置中。相应地，用于其他组件的其他承载件用作为所述其他组件的承载件或者用于固定相邻的下部的组件。
替选地，多个光学元件经由承载件共同地设置在半导体器件上。在该情况下，设备仅具有一个共同的承载件，经由所述承载件共同构建光学元件。对此例如在光学元件上分别设有结构，所述结构分别将相邻的光学元件固定在其位置中。
根据至少一个实施方式，一个或多个承载件具有用于引导夹子的结构。由此，能够有利地简化将夹子安置到一个或多个光学元件、一个或多个承载件和/或半导体器件上。结构在此构成为，使得所述结构引导夹子，以至于确保半导体器件和其他组件之间的期望的连接。附加地，所述结构能够设为用于在安置到设备的各个组件上时张开夹子。
根据至少一个实施方式，在设备的至少两个组件之间设置有至少一个弹性元件。特别地，设备的全部组件存在制造公差。与此相应地提出：夹子在其尺寸方面设计得足够大，使得所述夹子在组件的公差分别最大的情况下仍确保各个组件的机械的固定和连接、尤其是夹紧。然而由此，在组件的公差分别最小的情况下能够出现不同的组件之间的不期望的可动性。所述可能不期望的可动性能够通过弹性元件来补偿。例如，弹性元件是O形环。O形环优选是环形的密封元件，所述密封元件由于其弹性材料能够补偿或匹配组件之间的这种间隙和可动性。
根据至少一个实施方式，提出用于制造发射辐射的设备的方法，所述发射辐射的设备包括光电子半导体器件和至少一个光学元件，所述方法具有下述步骤：
A)提供半导体器件；
B)将光学元件沿放射方向设置在半导体器件的下游；和
C)将光学元件借助夹子机械地固定在半导体器件上。
结合设备详述的实施例和优点也用于结合制造方法应用并且反之亦然。
借助当前的制造方法，有利地，能够借助安置夹子的唯一的工艺步骤将任意多个组件与半导体器件机械连接。在此，能够确保各个组件的柔性的连接。出自其他工艺步骤的影响和环境影响有利地不负面地作用于夹子连接的质量。有利地不需要机械连接的耗费的工艺控制。此外，可能在无残留物的情况下移除夹子，使得能够简化地执行可能的重做过程。
根据至少一个实施方式，在方法步骤B)之前，将用于承载光学元件的承载件安置到半导体器件上。承载件尤其能够用作为用于光学元件的承载件。随后，夹子在方法步骤C)中将光学元件、承载件和半导体器件机械地彼此连接。
根据至少一个实施方式，夹子从光学元件一侧安置到所述光学元件上，沿着承载件和/或半导体器件引导并且在下方钩住半导体器件的与光学元件相对置的一侧。由此，能够有利地确保设备的各个组件彼此间的机械固定。
根据至少一个实施方式，在方法步骤B)中将多个光学元件沿放射方向设置在半导体器件的下游。在该情况下，多个光学组件在半导体器件之上堆叠并且借助于共同的夹子机械地彼此连接或者固定在彼此上。在此，有利的是，在用于第一光学元件的承载件上安置用于另一个光学元件的另一个承载件，所述另一个承载件此外将第一光学元件固定在其位置中。相应地，其他光学元件和承载件能够设置和固定在所述第一光学组件之上。
替选地，多个光学元件经由共同的承载件设置在半导体器件上并且彼此固定。
附图说明
本发明的其他的优点和有利的改进形式从下面结合附图1至5描述的实施例中得出。附图示出：
图1A、2A、3A、4A、5A分别示出根据本发明的设备的一个实施例的示意横截面视图；和
图1B、2B、2B、3B、4B、5B分别示出图1A、2A、3A、4A、5A的根据本发明的设备的一个实施例的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的或起相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。示出的组成部分和其相互间的大小比例不能够视为是符合比例的。相反地，为了更好的可视性和/或为了更好的理解能够以夸厚或夸大的尺寸示出个别组成部分，例如层、结构、组件和区域。
在图1A中示出发射辐射的设备10，所述设备包括光电子半导体器件1和光学元件2。半导体器件1具有发射辐射的半导体芯片1a、预成型壳体1b和用于电接触半导体芯片的电路板。半导体芯片1a例如是LED或激光器。电路板1c用于外部电接触半导体芯片1a。壳体1b局部地包围电路板1c。特别地，预成型壳体局部地浇注电路板1c。
沿放射方向在半导体器件1的下游设置有光学元件2。特别地，半导体芯片1a在运行时发射辐射，所述辐射在从半导体器件1中射出之前穿过光学元件2并且在那里受到影响。例如，光学元件2是透镜或过滤器。
光学元件2经由承载件4设置在半导体器件1的壳体1b上。承载件4安置到半导体器件的壳体上。在此，承载件4完全环绕地包围半导体芯片1a。在光学元件2的区域中，承载件4具有留空部，使得由半导体芯片1a发射的辐射能够穿过光学元件2，而在此不受承载件4阻碍或影响。
光学元件2连同承载件4一起借助于夹子3与半导体器件的壳体1b连接。特别地，光学元件2借助夹子3机械地固定在半导体器件1上。为了机械地固定，将夹子从光学元件2的一侧安置到设备上并且沿着承载件4引导，直到夹子3在下方钩住半导体器件1的壳体1b。夹子对此例如在横截面中构成为是U形的并且不仅在下方钩住光学元件2一侧而且也在下方钩住半导体器件1一侧，使得设备10的各个组件设置进而夹紧在夹子3的在下方钩住的区域之间。
在半导体器件1的放射方向上，夹子具有用于辐射射出的开口3a。由此，夹子3有利地不妨碍设备10的放射特性。优选地，夹子3也在半导体器件1一侧上具有开口，穿过所述开口引导用于外部电接触的电路板1c。夹子3在该情况下因此构成为空心体，所述空心体在两个相对侧上分别具有开口。
通过夹子能够有利地在唯一的工艺步骤中、即借助安置夹子将设备的任意多个组件与半导体器件1连接。在此，有利地不使用粘接剂，使得环境条件不影响各个组件的连接质量。其他的工艺、例如将设备焊接到电路板上也不会负面地作用于组件的连接质量。此外，有利地，设备10的组件、尤其其不同的材料柔性地且非刚性地彼此连接，使得在不同的热膨胀系数的情况下有利地不出现张力进而在极端情况下不出现组件的连接的松脱。此外，有利的是，不需要对组件的夹子连接的耗费的工艺控制。此外，夹子3能够在无残留物的情况下移除，使得能够简化地执行可能的重做过程。
夹子3例如由弹簧钢制成并且能够实现设备的各个组件的有利的连接。
在图1B中示出图1A的实施例的设备10的横视图。附图示出，夹子3除了夹子的开口之外基本上全面地包围或者围绕承载件4，在所述开口中设置有光学元件2。夹子3局部地从下方钩住半导体器件的壳体1b，使得借助于夹紧确保机械连接。
此外，图1B的实施例与图1A的实施例基本上一致。
图2A的设备10与图1A的设备的区别在于：在放射方向上在半导体器件1的下游设置有两个光学元件2a、2b，所述光学元件相叠地堆叠。例如，第一光学元件2a是透镜并且第二光元件2b是过滤元件。
光学元件2a、2b共同地借助夹子3机械地固定在半导体器件1上。为此，应用两个彼此独立的承载件4a、4b。在半导体器件1的壳体1b上安置第一承载件4a，所述第一承载件尤其用作为用于第一光学元件2a的承载件。在第一承载件4a上和在第一光学元件2a上安置第二承载件4b，所述第二承载件一方面将第一光学元件2a固定在其位置中并且另一方面用作为用于第二光学元件2b的承载件。这两个承载件4a、4b和这两个光学元件2a、2b借助又在下方钩住半导体器件1的壳体1b的夹子与所述半导体器件机械地连接。
此外，图2A的实施例与图1A的实施例基本上一致。
在图2B中示出图2A的实施例的设备10的横视图。附图示出，通过夹子围绕各个组件共同地引导并且将其彼此夹紧的方式，夹子3将这两个承载件4a、4b和这两个光学元件2a、2b机械地彼此连接。夹子局部地在下方钩住器件的壳体1b的背离光学元件2a、2b的一侧，使得能够实现机械的连接并且尤其是夹紧。
此外，图2B的实施例与图2A的实施例基本上一致。
在图3A中示出设备10，所述设备刚好处于制造方法中。设备具有根据图1或2的半导体器件1。在半导体器件1的壳体1b上安置第一承载件4a，所述第一承载件用作为用于第一光学元件2a、例如透镜的承载件。在所述第一承载件4a和第一光学元件2a上安置第二承载件4b，所述第二承载件用作为用于第二光学元件2b、例如过滤元件的承载件。为了将设备10的各个组件连接将夹子3从第二光学元件2b一侧安置到组件上，沿着组件引导并且在下方钩住半导体器件1的与光学元件2a、2b相对置的一侧。因此，形成下述顺序的机械彼此固定的组件堆叠：半导体器件1、第一承载件4a、第一光学元件2a、第二承载件4b、第二光学元件2b。图3A的实施例的设备10的组件结构在此相应于图2A的实施例的设备的组件结构。
与图2A的实施例的设备不同地，图3A的实施例的设备10具有用于引导夹子3的结构。特别地，结构3b能够在第一和第二承载件4a、4b的侧面上构成。在所述承载件4a、4b上集成的结构3b有利地简化将夹子3安置到设备上。特别地，结构3b用于在安置时张开夹子3并且附加地用于朝向半导体器件1的方向机械地引导夹子3。
在图3A的实施例中，夹子3还未完全引导到设备10的各个组件之上，而是刚好处于将夹子3安置到设备10的各个组件上的方法步骤中。
此外，图3A的实施例与图2A的实施例基本上一致。
在图3B中示出图3A的实施例的设备10的横视图。在此，夹子3也仅部分地安置到设备10的组件上并且刚好处于朝向器件的方向安置的方法步骤中。用于引导夹子3的结构3b构成为第一承载件4a和第二承载件4b中的凹处。特别地，在承载件4a、4b的两个相对置的侧面上分别构成凹处。凹处分别沿着侧面引导。第一承载件4a的结构在此分别直接地尤其无过渡地过渡到第二承载件4b的结构中。
此外，图3B的实施例与图3A的实施例基本上一致。
在图4A的实施例中，示出设备10，所述设备基本上与图2A的实施例一致。与图2A的实施例的不同地，图4A的设备10具有弹性元件5，所述弹性元件设置在半导体器件1、尤其是壳体1b和第一承载件4a之间。弹性元件5例如是O形环。O形环是环形的密封元件。由于相对简单的形状，O形环在工业上能够简单地制造。优选地，为此应用注塑成型(Injection Moulding)。
弹性元件5补偿间隙，所述间隙能够由于设备的各个不同组件的公差出现。特别地，设备的全部组件存在制造公差。与此相应，夹子3必须设计成在其尺寸方面是足够宽容的，使得所述夹子在公差分别最大的情况下仍能够钩在半导体器件1的壳体1b下方。然而，由此在公差分别最小的情况下能够在不同的组件之间存在所述间隙，所述间隙通过弹性元件5来补偿。
在图4A的实施例中尤其在第一承载件4a和壳体1b之间设置有两个弹性元件5、尤其是两个O形环，其中在设备10的两个相对侧上构成该布置。
此外，图4A的实施例与图2A的实施例基本上一致。
在图4B中示出图4A的设备的横视图。在此也示出两个相对置的弹性元件5，所述弹性元件设置在半导体器件的壳体1b和第一承载件4a之间。
此外，图4B的实施例与图4A的实施例基本上一致。
图5A的实施例的设备与图2A的实施例的设备的区别在于：两个光学元件2a、2b构建在承载件4中并且安置在半导体器件1上。当前，因此应用仅一个共同的承载件4，所述承载件承载两个光学元件2a、2b。为了在此将各个光学元件2a、2b彼此固定，在第二光学元件2b上设有结构，所述结构将第一光学元件2a固定在其位置中。夹子3将这两个光学元件2a、2b以及共同的承载件4机械地固定在半导体器件1上。
此外，图5A的实施例与图2A的实施例基本上一致。
在图5B中示出图5A的实施例的设备10的横视图。在此示出共同的承载件4和这两个光学元件2a、2b，所述光学元件二者由承载件4共同地承载。第二光学元件2b在此具有连接元件，所述连接元件固定光学元件2a。连接元件尤其用于确保光学元件2a、2b之间的固定的间距。
此外，图5B的实施例与图5A的实施例基本上一致。
本申请要求德国申请10 2012 103 633.0的优先权，其公开内容在此通过参考并入本文。
本发明不局限于根据实施例进行的描述，而是包括每个新特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求中或实施例中说明时也如此。

Claims (15)

1.一种发射辐射的设备(10)，所述设备具有光电子半导体器件(1)和至少一个光学元件(2，2a，2b)，其中
-所述光学元件(2，2a，2b)沿放射方向设置在所述半导体器件(1)的下游，并且
-所述光学元件(2，2a，2b)借助夹子(3)机械地固定在所述半导体器件(1)上。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在所述半导体器件(1)和所述光学元件(2，2a，2b)之间设置有承载件(4)，所述承载件连同所述光学元件(2，2a，2b)一起借助所述夹子(3)机械地固定在所述半导体器件(1)上。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述夹子(3)在下方钩住所述半导体器件(1)的与所述光学元件(2，2a，2b)相对置的一侧以用于固定。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，所述夹子(3)在所述半导体器件(1)的放射方向上具有用于辐射射出的开口(3a)。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中沿放射方向在所述半导体器件(1)的下游设置有多个光学元件(2，2a，2b)，所述光学元件相叠地堆叠并且借助所述夹子(3)机械地固定在所述半导体器件(1)上。
6.在引用权利要求2的情况下根据权利要求5所述的设备，其中在所述光学元件(2，2a，2b)之间分别设置有另一个承载件(4，4a，4b)。
7.在引用权利要求2的情况下根据权利要求5所述的设备，其中多个所述光学元件(2，2a，2b)经由所述承载件(4)共同地设置在所述半导体器件(1)上。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中一个或多个所述承载件(4，4a，4b)具有用于引导所述夹子(3)的结构(3b)。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述结构(3b)附加地张开所述夹子。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中在所述设备(10)的至少两个组件(1，2，2a，2b，4，4a，4b)之间设置有至少一个弹性元件(5)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述弹性元件(5)是O形环。
12.一种用于制造发射辐射的设备(10)的方法，所述设备包括光电子半导体器件(1)和至少一个光学元件(2，2a，2b)，所述方法具有下述方法步骤：
A)提供所述半导体器件(1)；
B)将所述光学元件(2，2a，2b)沿放射方向设置在所述半导体器件(1)的下游；和
C)将所述光学元件(2，2a，2b)借助夹子(3)机械地固定在所述半导体器件(1)上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述方法步骤B)之前，将用于承载所述光学元件(2，2a，2b)的承载件(4，4a，4b)安置到所述半导体器件(1)上。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中将所述夹子(3)从所述光学元件(2，2a，2b)一侧安置到所述光学元件上，沿着所述承载件(4，4a，4b)和/或所述半导体器件(1)引导并且在下方钩住所述半导体器件(1)的与所述光学元件(2，2a，2b)相对置的一侧。
15.根据上述权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中在所述方法步骤B)中将多个光学元件(2，2a，2b)沿放射方向设置在所述半导体器件(1)的下游。
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