CN113243065A - 激光装置和用于制造激光装置的方法 - Google Patents

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马赛厄斯·施佩尔
休伯特·哈尔布里特
彼得·布里克
菲利普·麦考
丹尼斯·施普伦格
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

一种激光装置(10)包括载体(11)、布置在载体(11)上的光电构件(12)和光学元件(14)，光电构件被设计用于发射激光辐射，该光学元件被设计用于将由光电构件(12)发射的激光辐射成形，其中，光学元件(14)具有对于激光辐射至少部分透明的具有第一折射率的第一层(15)和对于激光辐射至少部分透明的具有第二折射率的第二层(16)，其中，第一层(15)施加到光电构件(12)上并且具有带有冲压结构的表面(24)，并且其中，第二层(16)施加到第一层(15)的具有冲压结构的表面(24)上。

Description

激光装置和用于制造激光装置的方法
技术领域
本申请要求在2018年12月20日向德国专利局和商标局提交的德国专利申请编号10 2018 133 217.3和在2019年1月14日向德国专利局和商标局提交的德国专利申请编号10 2019 100 794.1的优先权。在此，在本申请的公开内容中采用德国专利申请编号102018 133 217.3和10 2019 100794.1的公开内容。
本发明涉及一种激光装置和用于制造激光装置的方法。
背景技术
在消费品中的用于产生激光辐射的光电构件、例如激光二极管或VCSEL(英文：垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser))的应用要求用于遵守关于眼睛安全的标准的措施。其确保用于激光辐射的成形的光学元件、例如衍射光学系统与激光装置固定连接。满足这些要求造成较高的系统复杂度和较高的制造成本。
发明内容
此外，本发明的目的在于，提出一种能低成本制造的并且对眼睛安全的激光装置，该激光装置具有用于产生激光辐射的光电构件和用于将激光辐射成形的光学元件。此外，应当给出用于制造这种激光装置的方法。
本发明的目的通过具有权利要求1所述的特征的激光装置实现。此外，本发明的目的通过具有独立权利要求9所述的特征的用于制造激光装置的方法实现。本发明的优选的实施方式和改进方案在从属权利要求中给出。
根据设计方案的激光装置包括载体、至少一个布置在载体上的光电构件和布置在光电构件上的光学元件。
光电构件构造用于在激光装置的运行期间发射激光辐射。光学元件布置在由光电构件发射的激光辐射的光路中，并且被设计用于成形由光电构件发射的激光辐射。
光学元件具有带有第一折射率的第一层和带有第二折射率的第二层，其中，第一和第二折射率是不同的。第一层和第二层对于由光电构件发射的激光辐射至少是部分透明的，或者分别由对于由光电构件发射的激光辐射至少是部分透明的材料制成。部分透明在上下文中表示由光电构件发射的辐射部分地穿透第一和第二层，并且相应地被吸收确定的部分。当然还可行的是，第一和/或第二层基本上是透明的，使得激光辐射整体上仅非常少地被相应的层吸收。
第一层施加到光电构件上并且具有带有冲压三维结构、特别是微米结构或纳米结构的表面。第二层施加到第一层上。特别地，第二层直接施加到具有冲压结构的第一层的表面上。因此，第二层在至第一层的边界面处容纳第一表面的三维结构。
第一层例如能够直接施加到光电构件上。替代地，中间层、尤其恰好一个中间层或多个中间层能够位于光电构件与第一层之间。中间层能够对于由光电构件发射的激光辐射至少部分或基本上是透明的。中间层能够用于在光电构件与第一层之间的折射率匹配。中间层能够具有折射率，该折射率在光电构件的最上层的折射率于第一层的折射率之间。例如，中间层能够是硅酮层。中间层能够直接施加到光电构件上并且第一层能够直接施加到中间层上，使得在光电构件与第一层之间没有空气缝隙或者气体缝隙。
根据另一个替代的变体方案，光学元件的第一层与光电构件间隔开，并且空气缝隙或者气体缝隙能够位于光电构件与第一层之间。例如，光电构件能够被安置在具有侧壁的壳体中，并且光学元件能够施加到侧壁上，使得空气缝隙或者气体缝隙位于光电构件与光学元件的第一层之间。由第一和第二层形成的光学元件能够具有平坦或者平的下侧和平坦或平的上侧。在此，光学元件的下侧由第一层的下侧形成并且光学元件的上侧由第一层的上侧形成。
第一层和第二层能够分别由聚合物或包括聚合物的物质制成。例如，硅酮能够用作为第一和/或第二层的材料。
能够例如借助于喷涂、注射、分制或铸造方法施加第一和第二层。
在将第一层施加到光电构件和激光装置的可能的另外的部件上之后，能够借助于压印或冲压方法(英文：压印法(imprint method))将三维结构引入到第一层中。这能够例如借助于合适的压模实现或者借助于滚筒实现，该滚筒具有相应的负压印并且在滚筒之下将载体与光电构件以及施加的第一层一起拉过。随后能够将第二层施加到第一层上。能够以合适的方式硬化第一和第二层，例如借助于紫外线辐射和/或热力学。
第一层能够在位于下方的结构的最高的地形水平线的上方具有在10μm至100μm范围中的高度或厚度。第二层同样能够具有在10μm至100μm范围中的高度或厚度。
由光电构件发射的激光辐射首先穿过第一层随后穿过第二层。
光学元件通过第一和第二层以及第一与第二层之间的结构化边界面来形成。具有冲压结构的第一层的表面例如能够具有带有在纳米范围和/或微米范围中的尺寸的结构。因此，这些结构的尺寸能够大于或小于发射的激光辐射的波长。例如能够设置冲压结构的尺寸不大于50nm或1μm或10μm或100μm或200μm或500μm。
光学元件例如能够包括衍射光学元件。衍射光学元件(英文：衍射光学元件(diffractive optical element)，DOE)是用于成形光线、特别是激光射线的光学元件。物理原理是在光栅处的绕射，也叫衍射。此外，光学元件能够包括扩散器、特别是专门设计的扩散器(英文：工程匀光片(engineered diffuser))、微型透镜、金字塔形结构和/或元光学结构(Meta-Optik-Strukturen)。此外，透镜均匀的布置、也叫排列能够使用衍射的光学元件和/或其它光学系统或结构，例如微型透镜排列(英文：微透镜阵列(micro lens array)，MLA)。
光电构件例如能够是激光二极管，即产生激光辐射的半导体构件。此外，光电构件能够是VCSEL，也被称为表面发射器。VCSEL是激光二极管，在该激光二极管中，光垂直于半导体芯片的平面放射，相反于边缘发射的激光二极管，在边缘发射的激光二极管中光在半导体芯片的一个或两个边沿处射出。边缘发射的激光二极管的应用同样能够考虑作为光电构件。此外，可行的是，激光装置包括恰好一个光电构件或多个光电构件。
由光电构件发射的激光辐射例如能够是在可见范围中的激光辐射、紫外(UV)光和/或红外(IR)光。此外，光电构件能够是集成电路的一部分。
除了光电构件之外，能够将另外的构件和/或部件集成到激光装置中。
激光装置能够是所谓的芯片尺寸封装(CSP)，也被称为芯片尺寸封装(Chip-Scaled-Package)。“芯片尺寸封装”的概念对于专业人员来说是常见的专业概念，并且表示具有在其中集成的半导体芯片的装置，在本申请中通过光电构件来提供半导体芯片，该装置在半导体芯片的数量极中。芯片尺寸封装例如能够限定为，使得芯片尺寸封装的主表面比在芯片尺寸封装中包括的半导体芯片的主表面大最多20％。
在此描述的激光装置能够在每种激光或VCSEL应用中采用。特别地，激光装置能够在消费品(英文：消费品(consumer products))、也被称为消费商品或消费产品中使用。
在此描述的光学元件的应用允许的是，将第一层的结构化的表面“埋”在第二层之下，并且由此保护第一层的结构。在借助于定位系统或装配自动器在基板上定位激光装置时，第二层防止了第一层的结构化的表面的可能的损伤。
此外，激光装置保证了眼睛安全，因为光学元件固定地与光电构件连接。
激光装置能够通过仅很少的过程步骤并且随后相对低成本地制造。特别地，能够以批量处理方法制造激光装置。此外，能够以非常紧凑的结构形式制造激光装置。
结构化表面的尺寸能够相对较小地设计，由此进一步减少制造成本。
因为激光装置不需要用于激光射线的成形的外部的光学元件，所以在外部的光学元件中取消了激光辐射的入射面处的空气/玻璃边界面。
根据应用和期望的射线成形能够要么第一层的第一折射率、要么第二层的第二折射率是较大的折射率。两个折射率例如能够相互差至少0.1或至少0.2或至少0.4。
光学元件的结构形式能够实现的是，第二层的(指向远离第一层并且因此远离结构化的表面的)表面平坦或平面地实施。
在其上固定有光电构件的载体能够具有印制导线和/或电镀通孔，印制导线和/或电镀通孔能够用于光电构件的电接触。载体的下侧能够是安装面，利用安装面能够将激光装置焊接在基板上。
载体例如能够是电路板、也称为PCB(英文：印制电路板(printed circuitboard))、电路卡、印刷电路板或印刷电路。电路板由具有在其上附着的印制导线的电绝缘的材料制成。作为电绝缘的材料能够应用纤维增强的塑料。例如，电绝缘的材料能够由玻璃纤维构成，玻璃纤维嵌入环氧树脂或硅酮树脂中。电路板的印制导线能够由薄铜层蚀刻而成。
此外，载体也能够是由合适的材料、例如铜制成的引线框架(英文：引线框架(lead-frame))，其利用浇铸材料、特别是塑料压力注塑包封而成。此外，也能考虑其它的载体、例如陶瓷制成的载体。
光电构件具有第一主表面和与第一主表面相对置的第二主表面，其中，光电构件利用其第一主表面固定在载体处。根据一个设计方案，光电构件在其第一主表面上具有至少一个第一接触元件并且在其第二主表面上具有至少一个第二电接触元件。根据一个替代的设计方案，光电构件具有所谓的倒装芯片配置，即全部的电接触元件布置在朝向载体的第一主表面上。
光电构件能够嵌入电绝缘的材料中。电绝缘的材料的高度例如能够基本上对应光电构件的侧边缘的高度，从而使由电绝缘的材料制成的层的上侧基本上与光电构件的第二主表面齐平。
在电绝缘的材料上能够沉积导电层，导电层尤其由一个或多个印制导线构成。导电层能够延伸直到光电构件的第二主表面上，以便接触第二电接触元件。导电层例如能够电镀式地沉积并且由一种或多种合适的金属制成。因此，能够放弃用于接触光电构件的键合线，这允许激光装置的紧凑的结构高度。
第二电接触元件能够经由导电层与印制导线和/或载体的电镀通孔电耦连。能够将孔钻到电绝缘的嵌入材料中，通过该孔来固定载体的接触面。在该情况下，导电层能够从载体的接触面延伸至光电构件的第二电接触元件。替代地，能够将一个或多个具有对应电绝缘的嵌入材料的高度的导电元件嵌入嵌入材料中。导电元件能够在嵌入材料上沉积的导电层与载体的接触面之间建立电连接。
根据一个设计方案的方法用于制造激光装置。该方法提出，至少一个被设计用于发射激光辐射的光电构件布置在载体上，并且将被设计用于将由光电构件发射的激光辐射成形的光学元件施加到光电构件上。光学元件具有至少对于激光辐射来说部分透明的带有第一折射率的第一层和至少对于激光辐射来说部分透明的带有第二折射率的第二层。特别地，第一层直接施加到光电构件上。将结构压入第一层的表面中。第二层施加到第一层的具有冲压的结构的表面上。
用于制造激光装置的方法能够具有激光装置的上述设计方案。
能够在将第一层施加到光电构件上之后将结构压入第一层的表面中。
此外，能够借助于压模或滚筒将结构压入第一层的表面中，其中，在压模或滚筒中存在有相应的负压印。
第二层能够在施加之后具有平坦或者平的表面。
光电构件能够在布置在载体上之后嵌入电绝缘的材料中。
导电层能够在光电构件和电绝缘的材料上沉积。导电层能够在光电构件和载体的印制导线和/或电镀通孔处电耦连。
导电层能够电镀式地沉积。对此，能够首先例如通过溅射、沉积籽晶层(英语：种子层(seed layer))，籽晶层随后结构化。籽晶层能够之后被电镀增强。
能够使用批量生产来制造激光装置。在此，多个被设计用于发射激光辐射的光电构件布置在载体上。随后将第一层以及第二层施加到多个光电构件上。为了分隔激光装置而将光电构件中的至少一些相互分离，为此切开载体、第一和第二层以及可能的另外的层。
附图说明
下面结合附图详细阐述本发明的实施例。在附图中示意性示出：
图1是激光装置的实施例的示意图；
图2A至图2D是各种压入表面中的三维的结构的示意图；
图3A至图3D是用于制造激光装置的方法的实施例的示意图；并且
图4A和图4B是各种光学元件的示意图。
在下面详细的描述中参考附图，该附图形成了描述的一部分并且在描述中为了解释说明示出了特殊的实施例，在实施例中能够实施本发明。因为实施例的部件能够在多个不同的方位上定位，方向术语用于解释说明并且不受到方式的限制。这理解为，能够使用其它的实施例并且执行结构或逻辑上的变化而不脱离保护范围。这理解为，只要没有特别给出其他说明，在此描述的各种实施例的特征能够相互组合。因此，下面详细的描述不理解为限制的含义。只要元件是有效的，在附图中相同或类似的元件设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有载体11、多个光电构件12、电绝缘的层13和由第一层15和第二层16组成的光学元件14的激光装置10。
激光装置10能够构造为芯片级封装(CSP)，其中，要注意的是，在图1中的尺寸不是强制地按正确比例再现的。
载体11在当前的实施例中是具有印制导线17和镀通孔18的双层电路板。印制导线17和镀通孔18将布置在载体11的上侧处的接触元件20与布置在载体11的下侧处的接触元件21电连接。载体11的下侧用作为激光装置10的安装面和/或连接面。激光装置10能够利用载体11的下侧安装、尤其焊接在外部的部件上。
在当前的实施例中，激光装置10包括两个构造为VCSEL的光电构件12。替代地，激光装置10还能够包括其它数量的光电构件12，该光电构件被设计用于发射激光辐射。
光电构件12嵌入电绝缘层13中并且还经由印制导线22与印制导线17和镀通孔18电连接。
光学元件14的第一层15和第二层16对于由光电构件12产生的激光辐射基本上是透明的。第一层15具有第一折射率，而第二层16具有与第一折射率不同的第二折射率。
光学元件14的第一层15的指向光电构件12的表面23至少在光电构件12的范围中直接施加到光电构件12上。此外，将三维结构压入第一层15的背离光电构件12的表面24中。
压入光学元件14的第一层15的表面24中的三维结构的实例在图2A至图2D中示出。
图2A示出了特殊设计的扩散器(英文：engineered diffuser)，扩散器的结构具有在微米范围中的尺寸，并且因此比由光电构件12发出的激光辐射的波长明显更大。
图2B示出了衍射的光学元件(英文：diffractive optical element，DOE)的衍射结构。该结构的高度在700nm至1000nm的范围中。该结构宽度在大约100nm的范围中。
图2C示出了具有在微米范围中的尺寸的金字塔形结构。
图2D在下方的示意图中示出了元光学结构的俯视图，并且在上方的示意图中示出了横截面。元光学结构包括多个具有侧向尺寸在大约100nm的范围中的圆柱。这些圆柱例如能够由氧化钛制成。
还能够考虑的是，将在图2B和图2D中示出的结构相互组合。例如在图2B中对于氧化钛圆柱的白色范围能够具有较大的间距，而图2B的黑色范围中的氧化钛圆柱具有较小的间距。
图3A至图3D示意性地示出了用于制造在图1所示的激光装置10的方法。
图3A示出了大面积的载体11的截面图，该截面图例如能够具有70mm x 125mm的大小和大约在200μm至600μm范围中的厚度。在制造过程期间能够在图3A中的未示出的钢架上布置多个载体11，载体例如能够具有300mm x 450mm的大小和大约在600μm范围中的厚度。然而，载体11和钢架的其它尺寸也是可行的。
光电构件12分别在光电构件的第一主表面31上具有第一电接触元件并且在相对置的第二主表面32上具有第二电接触元件。光电构件12利用光电构件的第一主表面31焊接在载体11的相应的接触元件20上。
随后，光电构件12嵌入电绝缘层13上，电绝缘层例如能够由具有玻璃颗粒的环氧基体构成。电绝缘层13覆盖光电构件12的侧面，然而不覆盖第二主表面32。电绝缘层13的高度能够对应光电构件12的高度并且能够例如在10μm至20μm的范围中。
布置在光电构件12的第二主表面32上的第二电接触元件的接触能够以各种方式实现。对此，在图3B和图3C中示出实例。
在图3B中示出的变体方案中首先将孔35钻到载体11的接触元件20上方的电绝缘层13中。此外，将电绝缘层37施加到芯片边缘上。随后，施加印制导线22，使得印制导线分别将光电构件12的第二接触元件38与载体11的通过孔35之一暴露的接触元件20连接。
为了制造印制导线32，能够首先溅射籽晶层(英文：seed layer)，将籽晶层结构化并且随后电镀式地增强籽晶层。印制导线32能够具有例如35μm至50μm范围中的宽度和10μm至20μm范围中的高度或厚度。
在图3C中示出的变体方案与根据图3B的变体方案的区别在于，不将孔35钻入到电绝缘层13中。代替地，在施加电绝缘层13之前将例如由金属制成的导电元件39放置或焊接在载体11的相应的接触元件20上。导电元件39与光电构件12一起嵌入电绝缘层13中，其中，导电元件39的上侧保持暴露。导电元件39的上侧能够随后与印制导线22接触。
在施加印制导线22之后，例如借助于喷涂、注射、分制或铸造方法施加第一层15。第一层15能够在印制导线22上方具有10至100μm范围中的高度或厚度。第一层15能够由聚合物、例如硅酮制成。
在第一层15的材料硬化之前借助于压模或滚筒将三维结构压入第一层15的表面24中。
随后，例如借助于喷涂、注射、分制(Dispens-)或铸造方法将第二层16施加到第一层15的表面24上，如在图3D中所示。第二层16也能够由聚合物、例如硅酮制成。第二层16的表面40是平坦的。
随后，分隔激光装置10。对此，沿着在图3D中示出的虚线41例如借助于锯切开相应的层。
当由多个光电构件12生成的激光辐射通过光学元件14被引导的时候，图4A和图4B示例性地示出了两个不同构造的光学元件14和由光学元件14生成的远场。
在图4A和图4B中示出的光学元件14分别包括透明的第一层15以及透明的第二层16。在图4A中，第一层15具有1.6的折射率，比第二层的1.36的折射率更大。在图4B中，两个层15和16的折射率相对图4A进行交换。在两个层15与16之间的三维边界面在图4A和图4B中通过轮廓线42示出。
附图标记列表
10 激光装置
11 载体
12 光电构件
13 电绝缘层
14 光学元件
15 第一层
16 第二层
17 印制导线
18 镀通孔
20 接触元件
21 接触元件
22 印制导线
23 表面
24 表面
31 第一主表面
32 第二主表面
35 孔
37 电绝缘层
38 第二接触元件
39 导电元件
40 表面
41 线
42 轮廓线。

Claims (16)

1.一种激光装置(10)，具有：
载体(11)，
布置在所述载体(11)上的光电构件(12)，所述光电构件被设计用于发射激光辐射，和
光学元件(14)，所述光学元件被设计用于将由所述光电构件(12)发射的所述激光辐射成形，
其中，所述光学元件(14)具有对于所述激光辐射至少部分透明的、具有第一折射率的第一层(15)和对于所述激光辐射至少部分透明的、具有第二折射率的第二层(16)，
其中，所述第一层(15)施加到所述光电构件(12)上并且所述第一层具有带有冲压结构的表面(24)，
其中，所述第二层(16)施加到所述第一层(15)的具有所述冲压结构的所述表面(24)上，并且
其中，所述光电构件(12)嵌入由电绝缘材料(13)制成的层中，并且所述电绝缘材料(13)的高度基本上对应于所述光电构件(12)的侧边缘的高度，以使由所述电绝缘材料(13)制成的层的上侧与所述光电构件(12)的主表面(32)基本上齐平。
2.根据权利要求1所述的激光装置(10)，其中，所述第一折射率和所述第二折射率相差至少0.1。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置(10)，其中，所述第二层(16)具有平坦的表面(40)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光装置(10)，其中，所述载体(11)具有印制导线(17)和/或电镀通孔(18)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光装置(10)，其中，所述光电构件(12)具有在第一主表面(31)上的第一电接触元件以及在与所述第一主表面(31)相对置的第二主表面(32)上的第二电接触元件(38)，并且其中，所述光电构件(12)以所述光电构件的所述第一主表面(31)朝向所述载体(11)，并且所述第二主表面(32)是所述光电构件(12)的、与由所述电绝缘材料(13)制成的层的上侧基本上齐平的主表面(32)。
6.根据权利要求5所述的激光装置(10)，其中，导电层(22)在所述电绝缘材料(13)上离析，其中，所述导电层(22)接触所述第二电接触元件(38)。
7.根据权利要求6所述的激光装置(10)，其中，所述第二电接触元件(38)经由所述导电层(22)与所述载体(11)的印制导线(17)和/或电镀通孔(18)电耦连。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光装置(10)，其中，所述第一层(15)直接施加到所述光电构件(12)上，或者中间层位于所述光电构件(12)与所述第一层(16)之间。
9.一种用于制造激光装置(10)的方法，其中，
在载体(11)上布置光电构件(12)，所述光电构件被设计用于发射激光辐射，并且
将光学元件(14)施加到所述光电构件(12)上，所述光学元件被设计用于将由所述光电构件(12)发射的所述激光辐射成形，
其中，所述光学元件(14)具有对于所述激光辐射至少部分透明的、具有第一折射率的第一层(15)和对于所述激光辐射至少部分透明的、具有第二折射率的第二层(16)，
其中，所述第一层(15)施加到所述光电构件(12)上并且所述第一层具有带有冲压结构的表面(24)，
其中，所述第二层(16)施加到所述第一层(15)的具有所述冲压结构的所述表面(24)上，并且
其中，所述光电构件(12)嵌入由电绝缘材料(13)制成的层中，并且所述电绝缘材料(13)的高度基本上对应于所述光电构件(12)的侧边缘的高度，以使由所述电绝缘材料(13)制成的层的上侧与所述光电构件(12)的主表面(32)基本上齐平。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在将所述第一层(15)施加到所述光电构件(12)上之后，将所述结构压入所述第一层(15)的所述表面(24)中。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，借助于压模或滚筒将所述结构压入所述第一层(15)的所述表面(24)中。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述第二层(16)具有平坦的表面(40)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述光电构件(12)在布置在所述载体(11)上之后嵌入所述电绝缘材料(13)中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，导电层(22)在所述光电构件(12)和所述电绝缘材料(13)上离析，并且所述导电层(22)电耦连至所述光电构件(12)以及所述载体(11)的印制导线(17)和/或镀通孔(18)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述导电层(22)电镀式地离析。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中，在所述载体(11)上布置多个所述光电构件(12)，所述光电构件被设计用于发射激光辐射，并且将所述第一层(15)以及所述第二层(16)施加到多个所述光电构件(12)上，并且其中，所述光电构件(12)中的至少一些在施加了所述第一层和所述第二层(15、16)之后相互分离。
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