CN117642945A - 借助于真空注射成型对侧发射激光封装的封装 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光器件(1)，具有至少一个发光半导体元件(4)，所述发光半导体元件布置在载体(3)上并且至少部分地由具有光出射面(10)的罩子(9)包围，其中所述罩子(9)通过真空注塑方法制造。
Description
技术领域
本申请要求2021年7月15日的德国申请DE 102021118354.5的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的发光器件及其制造方法。
背景技术
在制造例如用于LIDAR(LightDetection andranging，光探测和测距)系统的基于QFN的侧发射激光二极管或激光二极管阵列时，目前通过压缩成型工艺用由透明硅树脂制成的包封来封装粘合和接触的二极管。
这里的一个问题是为了一方面实现高光输出以及尤其是还实现良好的射线质量，对光学出射面提出了高要求。该出射窗是通过在成型工具中的压印形成的。由于在压缩成型中使用所谓的离型膜(脱模膜)，因此出射窗的表面质量和成型精度受到离型膜的有限变形的限制。此外，必须接受封装设计和生产产量方面的下降。主要问题是：
-对激光射线的射线质量的负面影响(功率损耗、散射光、由于外壳壁和激光器端面之间所需的最小距离而导致的射线整形的限制)。模具公差(注塑过程中的公差)导致激光器端面之前的材料厚度波动，因此必须予以反对。
-在将离型膜深拉到工具表面上期间，由于膜压印和膜折叠导致生产的产量损失。
-由于最小膜厚度为50μm，不可能形成准确的耦合输出窗口轮廓，由此导致在将离型膜弯曲的情况下产生50-100μm的最小半径。
-迄今为止，该部件都使用透明硅树脂封装，例如通过压缩成型工艺。
-离型膜的不期望变形的问题迄今为止尚未解决。因此，必须接受更高的产量损失和有限的部件性能。
-在安装封装时，迄今为止存在焊料或助焊剂在硅树脂封装和其上粘合了灌注的二极管的载体/引线框之间蠕变的风险。这可能导致封装或二极管的脱落。
本发明所基于的问题是避免上述缺点。
发明内容
该问题通过根据权利要求1的发光器件和根据权利要求20的制造方法来解决。本发明的优选实施方式、设计或扩展在从属权利要求中予以说明。
上述问题特别是通过一种发光器件来解决，所述发光器件具有至少一个发光半导体元件，所述发光半导体元件布置在载体上并且至少部分地由具有光出射面的罩子包围，其中所述罩子通过真空注塑方法制造，并且在光出射面(10)和所述发光半导体元件的辐射面之间设置了小于200μm、特别是小于100μm的距离。
由此可以实现出射窗或出射面的明显更好的表面质量。此外，可以在出射面上的面过渡处实现非常小的半径，使得与现有技术相比可以更自由地设计部件的几何形状。另一个优点是由于不可能出现膜变形，通过出射窗的更好的表面质量改善了激光射线的射线质量，并且由于表面上没有反映出膜粗糙度，改善了出射窗的平行度。由于现在采用无按压的封装工艺，组件背侧不存在硅树脂闪光的风险。此外，可以在工具中更准确地定位引线框，从而优化出射窗在激光器端面前面的定位。通过改善出射窗的定位，出射窗和激光器端面之间的距离可以减小。由此下游光学器件能够更靠近发射器，通过这种方式可以实现LIDAR系统更高的功率密度和改善的分辨率。
在本发明的一种实施方式中，所述罩子至少部分地由硅树脂制成，其中所述硅树脂优选地是透明的。还可以引入引起一个或多个半导体元件所发射的光的波长转换的添加剂。
在本发明的一种实施方式中，所述半导体元件包括激光器端面，其中所述激光器端面的前侧直接邻接所述光出射面。由此可以减小所述器件的尺寸，减少射线损失并改善光质量。
在本发明的一种实施方式中，所述光出射面布置为基本上垂直于所述载体的基面。由于在浇注所述罩子时应当产生基本上平行于成型时的成型方向的面，因此与所有浇注过程一样会出现以下问题：模具的面和已成型的面必须并行地经过彼此。因此，通常应当设置稍微倾斜的面，以避免损坏已成型的面或避免至少使已成型的面变粗糙。然而，由于根据本发明放弃了离型膜和压缩成型工艺，该角度可以实施为几乎直角。
在本发明的一种实施方式中，所述载体的上侧是平坦的。在此放弃在光耦合输出面上布置蚀刻沟槽来产生L形端部轮廓。
在本发明的一种实施方式中，所述光出射面与所述载体成直角。两者之间的过渡在此是以非常小的半径实现的。
在本发明的一种实施方式中，多个发光半导体元件布置在载体上的公共基座或基板上，替代地，多个发光半导体元件分别布置在所述载体上的各个基座或基板上。
在本发明的一种实施方式中，多个发光半导体元件具有不同的颜色，并且在本发明的一种实施方式中可以是所谓的“多通道”半导体元件。
在本发明的一种实施方式中，所述器件包括集成的驱动器电子器件。这使得所述器件可以进一步减小并且更易于连接。
在本发明的一种实施方式中，所述罩子的光出射面至少部分凸形或凹形地成型。通过这种方式，可以实现易于实现的射线整形。为此，在本发明的一种实施方式中，所述罩子的光出射面具有模制透镜。
在本发明的一种实施方式中，在所述罩子上布置有透镜插入件，其中该透镜插入件是所述光出射面的至少一部分。在本发明的一种实施方式中，透镜插入件由与罩子的材料不同的材料制成，优选地由玻璃制成。
在本发明的另一种实施方式中，在所述罩子中布置有射线组合器，在一种实施方式中，所述射线组合器由玻璃制成。
开头提到的问题还通过一种用于制造大量发光器件的方法解决，每个发光器件具有至少一个发光半导体元件，所述方法包括以下步骤
a)提供电路板基板；
b)用可固化的塑料封装所述电路板基板的一部分以产生包封；
c)在所述电路板基板上布置和固定多个半导体元件并且给所述多个半导体元件布线；
d)将带有所述半导体元件的电路板基板插入下模具中；
e)将上模具放置在所述下模具上，使得所述电路板基板容纳在封闭的空腔中；
f)在模具的空腔内产生负压；
g)用可固化的塑料封装所述半导体元件；
h)对具有嵌入塑料中的发光器件的所述基板成型；
i)分离所述器件。
在本发明的一种实施方式中规定，所述模具包括至少一个滑块，所述滑块在方法步骤g)中被带入第一位置并且在方法步骤g)和h)之间进行的方法步骤g-1)中被带入第二位置。
在本发明的一种实施方式中规定，所述滑块具有凹形凹部用于产生凸透镜，或者所述滑块具有凸形凹部用于产生凹透镜。
在本发明的一种实施方式中规定，在方法步骤d)之前或之后将插入件引入到所述模具中。
附图说明
参考结合附图详细描述的各种实施方式和示例公开了根据所提出的原理的另外的方面和实施方式。从而
图1以空间视图示出了根据所提出原理的一些方面的根据本发明的大量发光器件在引线框上的布置的第一实施；
图2示出了图1中的放大片段以解释另外的方面；
图3以空间视图示出了根据所提出原理的一些方面的发光器件的另一实施；
图4以空间表示方式示出了图3的器件的剖面；
图5示意性地示出了布置在分界缝之一两侧的两个器件的剖面；
图6和图7示出了图3和图4中所示器件的示意图；
图8和图9以剖面或俯视图示出了根据所提出原理的一些方面的器件的另一实施例的示意图；
图10至图13分别以俯视图示出了根据所提出原理的一些方面的器件的另外的实施例；
图14以剖视图示出了根据所提出原理的一些方面的器件的另一实施例；
图15示出了图14的实施例的制造方法的草图；
图16以剖视图示出了根据所提出原理的器件的另一实施例；
图17和图18以剖面或以俯视图示出了根据所提出原理的器件的另一实施例的示意图。
具体实施方式
以下实施方式和示例示出了根据所提出原理的各种方面及其组合。这些实施方式和示例并不总是按比例的。各种元素也可以放大或缩小地显示以突出各个方面。不言而喻，附图中所示的实施方式和示例的各个方面和特征可以容易地彼此组合，而不因此影响根据本发明的原理。一些方面具有规则的结构或形状。应当注意的是，实际上可能会出现与理想形式的微小偏差，但并不与本发明的思想相矛盾。
本发明尤其涉及借助于真空注射成型VIM来制造器件。真空注射成型利用成型工具中的负压将液化的模塑料吸入间隙中。在此将模具的结构选择为，使得在填充液体模塑料时避免可能出现的气袋，从而使模塑料完全填充可用的空间。在此，放弃了模塑料和模具之间额外的离型膜，从而可以获得半径非常小的清晰边缘。由于负压，团块也被吸入到狭小的间隙中。
在一些情况下，VIM代表了注射成型方法的一种特殊形式，因为模塑料通常是液体并且具有比其他方法更低的粘度。
然而，在压缩模制或成型压制中，液体模塑料是通过外部压力输送的，根据应用，该外部压力在冷却过程期间也保持不变。然而，这种工艺的一个可能的缺点是所谓的闪光(flashing)，其中模塑料渗入模具的各个器件之间的边缘区域中。因此，通过该方法只能有限地实现清晰的边缘或非常小的半径。为了稍微改善这一点，附加地可以在模具上施加可压缩膜。在该过程之后可以剥离该可压缩膜。然而在这种情况下，膜本身具有一定的厚度，由此限制了边缘的半径。此外，膜必须紧密贴合，即不得卷曲或在该工艺期间以其他方式变形。
图1示出了在器件1被分离之前，作为发光元件1的大量侧发射激光器在引线框2上的布置。单个器件1在图3中以空间图示出并且在图4中以空间剖面示出。每个器件1包括载体3，载体3在器件1被分离之前是引线框2的一部分并且例如由诸如铜的金属制成，激光二极管4布置在载体3上并且用导线5与接触部电连接，图3中只能看到其中一个接触部6。激光二极管4被包围在包封8中的空腔7中，包封8例如由与反射装置错开的热固性材料(例如环氧树脂)或染成白色的硅树脂制成。包封上方并且在空腔7内布置有由透明硅树脂制成的罩子9。空腔7向光出射面10敞开，使得光出射面10由罩子9形成。载体3在光出射面10一侧具有台阶11，使得载体3在光出射面10一侧在侧视图中具有L形轮廓。罩子9的材料既覆盖包封8的上侧29又覆盖台阶11的前侧12。光出射面10实际上垂直于器件1的基面13。激光二极管4基本上是长方体形的，使得其正面激光器端面(在下文中更一般地称为出射面14)也垂直于器件1的基面13，并且出射面14和光出射面10因此实际上是平行的，只要下面所示的用于浇注罩子9的方法允许这样做。
器件1彼此并排地布置成行15以用于制造。在行15中，特别是如图2所示，除了布置在边缘处的行15之外，两个器件1a和1b分别在由双箭头16标记的纵向方向上并排地布置，使得相应的光出射面10面向分界缝17。
为了制造各个器件1，在制造步骤a)中提供电路板基板2并且在制造步骤b)中浇注包封8。在制造步骤c)中，将激光二极管4布置和固定在电路板基板2上并进行布线。该步骤也可以在浇注包封8之前进行。然后，在制造步骤d)中，将具有半导体元件的电路板基板2插入到下模具中，并且在制造步骤e)中，将上模具18放置在下模具上，使得电路板基板2容纳在封闭的空腔中，在该空腔中存在用于要浇注的罩子的空腔。
图5示意性地示出了布置在分界缝17之一的两侧的两个器件1c和1d的剖面。分界缝17由上模具18的条带19形成。在下一个制造步骤f)中，在罩子9的模具的空腔中产生负压，所述空腔在图5中以阴影线示出。在制造步骤g)中，将塑料注射到空腔中(所谓的真空注射成型)，从而用可硬化的塑料来封装半导体元件。然后在制造步骤h)中对具有嵌入塑料中的半导体元件的基板成型，并且在制造步骤i)中分离这些半导体元件。通过这种方式，与使用膜的制造相比，各个边缘明显更窄，并且边缘周围的曲线半径也减小了。
参见图4，光出射面10以半径Rl过渡到基本上平行于基面13延伸的边缘20中。通过上述真空注射成型可以使半径R1明显比现有技术中实施得明显更小，并且具有小于100μm的半径。
图6和图7示出了如图3和图4中所示的根据本发明的器件的示意图。图6是纵剖面，图7是俯视图。图8和图9以剖面或俯视图示出了根据本发明的器件1的另一实施例的示意图。在图8和图9的实施例中，放弃了台阶11。这可以通过上述用于浇注罩子9的真空注射成型来实现，因为通过弃用隔离膜可以将上模具18的条带19实际上一直递送到电路板基板2的表面上，由此可以放弃如基于图4所描述的半径R1。
在此，所提出的方法还允许引线框3被不同地设计，并且特别是具有如图8的侧视图所示的下阶梯。该下阶梯位于右下边缘处，并填充有包封8的材料。在相应的俯视图中还示出了罩子9的透明材料的轻微回撤，该回撤在图10和图11的俯视图中可以更清楚地看到。这些凸出部(电路板3的材料在这些突出部中暴露)包括长边——对应于罩子的出射面——和与长边连接的两个侧面，所述长边基本上平行于激光器端面地延伸，所述侧面以平角敞开，例如在45°至75°的范围内。由此减少了制造过程中可能出现的张力并形成光滑的表面。
图10和图11以俯视图示出了根据本发明的器件1的两个另外的实施例。在图10的实施例中，不同颜色的激光二极管4a、4b、4c布置在公共基板21上，在图11的实施例中，不同颜色的激光二极管分别布置在自己的基板22a、22b、22c上。在这种情况下，罩子9的出射面布置为平行于所有三个激光器端面。通过注射成型，可以使表面非常靠近激光器端面，使得盖子的表面与激光器端面之间的距离在几百微米的范围内，可能高达几十微米。这尤其可能是由于通过注射成型消除了迄今为止在罩子的出射面区域中出现的大曲率半径。
另一个优点可以通过以下方式产生，即通过消除迄今为止在罩子的出射面区域中出现的大曲率半径还使得光出射面和激光器端面之间的距离更大。在迄今为止的器件中可能出现的是，光出射面的曲率可能会突出到激光二极管的光锥中，并对该光锥产生负面影响。距离更大的优点可能是激光器的光锥已经更大。由此一方面可以降低激光器的射线强度，另一方面，光出射面上的灰尘颗粒或类似污染物的升温更小。以此方式可以增加光学表面或光出射面的使用寿命。
图12和图13以俯视图示出了根据本发明的器件1的两个另外的实施例。在这些实施例中，在包封8中布置有驱动器电子器件23。
图14以剖视图示出了根据本发明的器件1的另一实施例。光出射开口10在此被设计为凸透镜，但是该光出射开口不突出超过载体或引线框3的材料。由此可以例如保护透镜免受损坏。在该剖视图中还可以看到模制材料，所述模制材料位于载体3的后壁上的边缘区域中。在那里在制造时进行分离，从而在这些位置使用易于分离的模制材料是适宜的。
图15展示了它们的制造。在浇注罩子9时，下模具或上模具的滑块24首先被带到前部的第一位置，如图15中所示。滑块24包括用于产生光出射开口10的凸透镜的凹形凹部25。为了成形，将滑块24在箭头26的方向上带到后部的第二位置，使得该滑块释放透镜并且可以成型。
图16以剖视图示出了根据本发明的器件1的另一实施例。这里，光出射开口10包括由玻璃制成的插入件27，该插入件27被设计为透镜，例如“快轴准直器”透镜(FAC)。在将电路板基板2的插入下模具中的制造步骤d)之后的制造步骤d-2)中，将插入件27放置在下模具或上模具18的对应位置处并一起浇注。在本设计中，模具应当在透镜区域中弹性成型，以避免损坏或破坏。例如，模具可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或由PDMS形成，以避免损坏插入件27。此外，如图所示，可以规定插入件27在其光出射侧不接触该模具，以防止损坏光出射侧。模具还可以被构造为密封透镜周围的待浇注区域，从而可以在期望的位置处并以期望的形状和尺寸对罩子9成型。
图17和图18以剖面或俯视图示出了根据本发明的器件1的另一实施例的示意图。在图17和18的实施例中，不同颜色的激光二极管4a、4b、4c设置有射线组合器28，该射线组合器28布置在激光二极管4a、4b、4c与光出射开口10之间。该射线组合器可以在第一制造步骤中施加在引线框上。然后将该射线组合器由透明罩子9完全包围。射线组合器28可以特别是被构造用于组合由激光二极管4a、4b、4c发射的光并且偏转大约90°，如所示的情况。为此，射线组合器28可以包括例如使各个光射线偏转的镜子或反射元件。
对应地，组合的光射线例如可以不沿着激光二极管4a、4b、4c的主发射方向或从开头提到的光出射开口射出该器件，而是如所示的情况那样可以例如沿虚线从该器件射出。
然而，还可以想到的是，组合光向未示出的方向偏转和/或射线组合器28还可以例如包括使组合光偏转数次的多个镜子或反射元件。
同样，如图14、15和16所示的透镜(例如“快轴准直器”透镜)和如图17和18所示的射线组合器的组合也是可能的。由此产生以下优点：必要时在使用射线组合器组合个体发射器的射线之前，借助于透镜使个体发射器的不同发散度彼此适配。由此特别是可以使个体发射器的各个颜色的会聚性得到改善。
附图标记列表
1 发光器件
2 引线框
3 载体
4 激光二极管
5 导线
6 接触部
7 空腔
8 包封
9 罩子
10 光出射面
11 台阶
12 前侧
13 基面
14 出射面
15 行
16 双箭头
17 分界缝
18 上模具
19 条带
20 边缘
21 公共基板
22a、b、c基板
23 驱动器电子器件
24 滑块
25 凹形凹部
26 箭头
27 插入件
28 射线组合器
29 上侧
R1 半径
Claims (23)
1.一种发光器件(1)，具有至少一个边缘发射半导体元件(4)，所述边缘发射半导体元件具有激光器端面，并且布置在载体(3)上，以及至少部分地由在射线方向上具有光出射面(10)的罩子(9)包围，
其中所述罩子(9)通过真空注塑方法制造，并且所述光出射面(10)直接邻接所述边缘发射半导体元件(4)的激光器端面。
2.根据权利要求1所述的器件，
其特征在于，所述罩子(9)至少部分由硅树脂制成。
3.根据前述权利要求1至2中任一项所述的器件，
其特征在于，所述光出射面(10)布置为基本上垂直于所述载体的基面(13)。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的器件，
其特征在于，所述载体(3)的上侧是平坦的。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的器件，
其特征在于，所述光出射面(10)以直角与所述载体(3)邻接。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的器件，
其特征在于，所述光出射面至少部分地相对于载体边缘稍微后退，特别是在所述半导体器件的光路的区域中，其中可选地，所述载体的表面暴露。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的器件，
其特征在于，多个发光半导体元件(4)设置在所述载体(3)上的公共基座基板(21)上。
8.根据前述权利要求1至6中任一项所述的器件，
其特征在于，多个发光半导体元件(4)分别布置在所述载体(3)上的各个基座基板(22a、22b、22c)上。
9.根据前述权利要求6或8中任一项所述的器件，
其特征在于，多个发光半导体元件(4)具有不同的颜色。
10.根据前述权利要求7或9中任一项所述的器件，
其特征在于，多个发光半导体元件(4)是“多通道”半导体元件。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的器件，
其特征在于，所述器件包括集成的驱动器电子器件(23)。
12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的器件，
其特征在于，所述罩子的光出射面至少部分凸形地成型。
13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的器件，
其特征在于，所述罩子(9)的光出射面(10)至少部分凹形地成型。
14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的器件，
其特征在于，所述罩子(9)的光出射面(10)具有模制透镜。
15.根据前述权利要求1至14中任一项所述的器件，
其特征在于，在所述罩子(9)上布置透镜插件(27)，特别是由玻璃制成，其中该透镜插件是光出射面(10)的至少一部分。
16.根据权利要求15所述的器件，
其特征在于，所述透镜插件(27)由与所述罩子(9)的材料不同的材料制成。
17.根据权利要求16所述的器件，
其特征在于，所述透镜插件(27)由玻璃制成。
18.根据前述权利要求6至11中任一项所述的器件，
其特征在于，所述罩子(9)内布置有射线组合器(28)。
19.根据权利要求18所述的器件，
其特征在于，所述射线组合器(28)由玻璃制成。
20.一种用于制造大量发光器件(1)的方法，每个发光器件具有至少一个发光半导体元件(3)，所述方法包括以下步骤
a)提供电路板基板(2)；
b)用可固化的塑料封装所述电路板基板(2)的一部分以产生包封(8)；
c)在所述电路板基板(2)上布置和固定多个半导体元件(4)并且给所述多个半导体元件(4)布线，其中所述多个半导体元件形成具有激光器端面的边缘发射半导体激光器；
d)将带有所述半导体元件(1)的电路板基板(2)插入下模具中；
e)将上模具(18)放置在所述下模具上，使得所述电路板基板(2)容纳在封闭的空腔中；
f)在模具的空腔内产生负压；
g)用可固化的塑料封装所述半导体元件(4)，使得所述可固化的塑料直接邻接所述激光器端面；
h)对具有嵌入塑料中的发光器件(1)的所述基板(2)成型；
i)分离所述器件(1)。
21.根据权利要求20所述的方法，
其特征在于，所述模具包括至少一个滑块(24)，所述滑块在方法步骤g)中被带入第一位置并且在方法步骤g)和h)之间进行的方法步骤g-1)中被带入第二位置。
22.根据权利要求20和21中任一项所述的方法，
其特征在于，所述滑块具有凹形凹部(25)用于产生凸透镜，或者所述滑块具有凸形凹部(25)用于产生凹透镜。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，
其特征在于，在方法步骤d)之前或之后将插入件(27)引入所述模具中。
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