DE10129785A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Zum Aufbringen eines optischen Elements, wie beispielsweise einer Linse, auf ein optoelektronisches Bauelement wird vorgeschlagen, die dem Sender oder Empfänger (2) abgewandte Oberfläche (3B) des Füllmaterials (3) direkt mit einem Linsenprofil (7) auszubilden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Einfüllen einer definierten Menge des transparenten Füllmaterials (3) in die Ausnehmung (1A) des Trägerkörpers (1) zum Einbetten des Senders oder Empfängers (2) und durch anschließendes Aufprägen eines Linsenprofils (7) auf die dem Sender oder Empfänger abgewandte Oberfläche (3B) des transparenten Füllmaterials (3) mittels eines Stempels (8), bevor das transparente Füllmaterial mit dem so aufgeprägten Linsenprofil (7) vollständig ausgehärtet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einem Trägerkörper, einem in einer Ausnehmung des Trägerkörpers angeordneten optoelektronischen Sender oder Empfänger und einer den optoelektronischen Sender oder Empfänger in der Ausnehmung des Trägerkörpers einbettenden Füllung aus einem transparenten Material, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen optoelektronischen Bauelements.
  • Ein Beispiel eines derartigen optoelektronischen Bauelements ist in Fig. 3 dargestellt. Die in Fig. 3 gezeigte Bauform ist beispielsweise in dem Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeitschrift Siemens Components 29 (1991), Heft 4, Seiten 147-149 näher beschrieben und veranschaulicht ein mit Oberflächenmontagetechnik (SMT) hergestelltes optoelektronisches Bauelement.
  • Ein optoelektronischer Sender, wie beispielsweise eine LED 2, ist mit einer ihrer elektrischen Kontaktflächen auf einem Leiterband 5a montiert, das mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während ein gegenüberliegendes, mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbundenes Leiterband 5b durch einen Bonddraht 6 mit der anderen elektrischen Kontaktfläche der LED 2 verbunden ist. Um die Leiterbänder 5a, 5b wird ein Trägerkörper 1 aus einem hochtemperaturfesten Thermoplast im Spritzguss geformt, wobei in dem Trägerkörper 1 eine Ausnehmung 1A gebildet ist, in die die auf dem Leiterband 5a angeordnete LED 2 hineinragt. Die Ausnehmung 1A des Trägerkörpers 2 wird mit einem transparenten Füllmaterial 3 gefüllt um die LED 2 schützend darin einzubetten.
  • Wie in Fig. 3 dargestellt, ist auf der mit der Oberfläche 1B des Trägerkörpers 1 abschließenden Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 ein optisches Element, wie beispielsweise eine Linse 4 angeordnet, um die Abstrahlcharakteristik der LED 2 zu verändern. Zum Aufbringen der Linse 4 auf das optoelektronische Bauelement sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedene Verfahren bekannt.
  • Bei einem bekannten Herstellverfahren wird das optische Element beim Vergießen der LED mit dem transparenten Füllmaterial durch eine entsprechende Gussform mit aufgebracht. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes optoelektronisches Bauelement ist beispielsweise in der US-A-4,843,280 beschrieben, auch wenn dort auf die Formung des Füllmaterials mit verschiedenen Linsenformen nicht im einzelnen eingegangen wird. Bei dem gleichzeitigen Aufbringen der Linsenform beim Vergießen mit dem transparenten Füllmaterial existieren allerdings Nachteile, die insbesondere in der Entformung und in den Kräften, die auf die Kontaktierung der Leiterbänder wirken, liegen. Diese Kräfte entstehen durch die relativ große Menge an Füllmaterial, welche bei thermischer Beanspruchung auch höhere Kräfte auf die Kontaktierungen ausübt.
  • Ein weiteres Herstellverfahren eingangs beschriebener optoelektronischer Bauelemente besteht darin, zunächst die Ausnehmung des Trägerkörpers mit dem transparenten Füllmaterial zu vergießen und anschließend das optische Element separat auf die Oberfläche des Füllmaterials aufzubringen. Beispiele derartiger Verfahren sind beispielsweise in der DE 197 55 734 A1 und der DE 199 18 370 A1 näher beschrieben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, dass ein zusätzlicher Prozessschritt des Aufbringens der Linse erforderlich ist und dass das Verfahren empfindlich gegenüber hohen Toleranzen beim ebenen Verguss des Füllmaterials bzw. beim Platzieren der Linsen und gegenüber der Haftung der Linsen auf dem transparenten Füllmaterial ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem das Aufbringen eines optischen Elements auf einfache Weise kostengünstig und passgenau durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen von Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung schlägt vor, die dem Sender oder Empfänger abgewandte Oberfläche der Füllung selbst mit einem Linsenprofil auszubilden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Einfüllen einer definierten Menge des transparenten Füllmaterials in die Ausnehmung zum Einbetten des Senders oder Empfängers und durch anschließendes Aufprägen eines Linsenprofils auf die dem Sender oder Empfänger abgewandte Oberfläche des transparenten Füllmaterials, bevor das transparente Füllmaterial mit dem so aufgeprägten Linsenprofil ausgehärtet wird.
  • Mit Hilfe der Erfindung wird ein zusätzlicher Prozessschritt in Form des Aufklebens eines optischen Elements überflüssig. Außerdem ist das direkte Aufprägen einer Linsenform in die Oberfläche des transparenten Füllmaterials weniger problematisch als der Verguss einer LED mit integrierter Linse, wie dies eingangs beschrieben worden ist.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aufprägen des Linsenprofils auf die dem Sender oder Empfänger abgewandte Oberfläche des transparenten Füllmaterials mittels eines Stempels, welcher eine dem Linsenprofil entsprechende Stempelfläche aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verfahrensschritt des Aufprägens des Linsenprofils in die folgenden Schritte unterteilt: Aufdrücken des Stempels mit der Stempelfläche auf die Oberfläche des transparenten Füllmaterials zum Formen des Linsenprofils; Anhärten des transparenten Füllmaterials mit dem so geformten Linsenprofil; und Abheben des Stempels von dem angehärteten transparenten Füllmaterial. Um das Abheben des Stempels von der Oberfläche des transparenten Füllmaterials zu erleichtern, kann die Stempelfläche des Stempels eine Beschichtung aus einem Material aufweisen, das bezüglich des Füllmaterials antihaftende Eigenschaften besitzt.
  • Weiter ist es von Vorteil, wenn der Stempel aus einem transparenten Material und das Füllmaterial aus einem UV-initiiert oder Licht-initiiert kationisch härtenden, transparenten Material besteht. In diesem Fall kann der obige Verfahrensschritt des Anhärtens des Füllmaterials mit Linsenprofil mittels Beaufschlagung des Füllmaterials mit UV- oder Licht- Strahlung durch den Stempel hindurch erfolgen, wodurch insbesondere Epoxidharze mit diesem Härtungsmechanismus in eine Gelphase übergehen, die bereits eine Vorfixierung erlaubt. Die Anhärtung kann dabei innerhalb weniger Sekunden erfolgen. Es ist sogar möglich, die Anhärtung nur mit Hilfe eines kurzen Licht- oder UV-Blitzes anzuregen. Nach dieser kurzen Anhärtephase kann der Stempel abgehoben und das Linsenprofil anschließend unter erhöhten Temperaturen durch Nachhärten endgültig fixiert werden.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements und seines Herstellungsverfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements von Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen optoelektronischen Bauelements.
  • In Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Grundkörper für das Bauelement wird durch Umspritzen eines Leiterbandes 5 mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast unter Formung eines Trägerkörpers 1 gebildet. Der Trägerkörper 1 weist eine mittige Ausnehmung 1A auf, in welcher ein optoelektronischer Sender oder Empfänger, wie beispielsweise eine LED 2, angeordnet und mit dem Leiterband 5 elektrisch verbunden wird.
  • Die Innenflächen der Ausnehmung 1A des Trägerkörpers 1 sind vorzugsweise schräg ausgebildet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Durch Auswahl eines geeigneten Materials für den Trägerkörper 1 mit einem hohen diffusen Reflexionsgrad dienen diese schrägen Innenflächen als Reflektoren, um die Abstrahlleistung bzw. die Empfangsempfindlichkeit des optoelektronischen Bauelements zu erhöhen.
  • Der optoelektronische Sender oder Empfänger 2 ist in einem transparenten Füllmaterial 3 eingebettet. Die dem Sender oder Empfänger 2 abgewandte Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 schließt dabei im wesentlichen mit der Oberfläche 1B des Trägerkörpers 1B ab. Es wird aber darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung je nach Bedarf selbstverständlich auch andere Füllhöhen des Füllmaterials 3 in der Ausnehmung 1A des Trägerkörpers 1 gewählt werden können.
  • Weiter ist die dem Sender oder Empfänger 2 abgewandte Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 mit einem Linsenprofil 7versehen, welches direkt in das Füllmaterial 3 eingebracht ist. In der Darstellung von Fig. 1 ist als Beispiel eines Linsenprofils 7 in stark vereinfachter Form eine Fresnellinse dargestellt. Die Erfindung ist aber nicht auf die in Fig. 1 veranschaulichte Linsenform 7 beschränkt; grundsätzlich kann die Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 mit beliebigen Linsenformen ausgebildet werden.
  • Als Material für das Füllmaterial 3 ist ein transparentes Material eingesetzt, das vorzugsweise UV-initiiert oder Lichtinitiiert kationisch härtende Eigenschaften besitzt. Ein besonders bevorzugtes Füllmaterial 3 enthält ein UV-initiiert oder Licht-initiiert kationisch härtendes Epoxidharz. Ein solches Füllmaterial 3 kann durch Beaufschlagung mit Licht- oder UV-Strahlung innerhalb weniger Sekunden angehärtet bzw. vorfixiert und zu einem späteren Zeitpunkt thermisch vollständig ausgehärtet werden.
  • Je nach Wahl des Materials des Trägerkörpers 1 und den gewünschten optischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements enthält das Füllmaterial 3 neben seinem Hauptbestandteil des oben angegebenen Epoxidharzes weitere Anteile, um die Verbindungsstärke mit dem Trägerkörpermaterial, die Anhärte- und Aushärtezeit, die Lichtdurchlässigkeit, den Brechungsindex, die Temperaturbeständigkeit, die mechanische Härte, etc. wunschgemäß einzustellen.
  • Anhand der schematischen Darstellung von Fig. 2 wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen optoelektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Zunächst wird das Leiterband 5 mit dem hochtemperaturfesten Thermoplast umspritzt, um den Trägerkörper 1 zu bilden. Entweder gleichzeitig mit diesem Vorgang oder in einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird in dem Trägerkörper 1 eine mittige Ausnehmung 1A geformt, an deren Bodenfläche das Leiterband 5 zur Kontaktierung freiliegt. In dieser Ausnehmung 1A wird der Sender oder Empfänger, wie beispielsweise eine LED 2, angeordnet und mit den Leiterbändern 5 in der üblichen Weise elektrisch verbunden.
  • Anschließend wird eine definierte Menge des oben beschriebenen transparenten und fließfähigen Füllmaterials 3 in die Ausnehmung 1A eingefüllt, um den Sender oder Empfänger 2 darin einzubetten. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Menge des einzufüllenden Füllmaterials 3 so bemessen, dass die dem eingebetteten Sender oder Empfänger 2 abgewandte Oberfläche 3B mit der Oberfläche 1B des Trägerkörpers 1B fluchtet, d. h. mit anderen Worten die Ausnehmung 1A vollständig mit dem fließfähigen Füllmaterial 3 gefüllt ist.
  • Nun wird ein Stempel 8 auf die Oberfläche 3B des noch fließfähigen Füllmaterial 3 aufgedrückt, wie dies durch den Pfeil in Fig. 2 angedeutet ist. Der Stempel 8 weist dabei eine Stempelfläche 8A auf, die einer gewünschten Linsenform 7 entspricht, welche auf die Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 aufgeprägt werden soll. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist die Linsenform 7 schematisch als Fresnellinse dargestellt; die Erfindung ist aber nicht auf diese spezielle Linsenform eingeschränkt.
  • Vorzugsweise ist der Stempel 8 mit der Stempelfläche 8A aus einem transparenten Material, wie zum Beispiel 6las oder Kunststoff gefertigt. Auf diese Weise ist es möglich, die Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 aus dem UV-initiiert oder Licht-initiiert kationisch härtenden Material mittels einer geeigneten Strahlungsquelle 9 durch den Stempel 8 hindurch mit Xiv- oder Licht-Strahlung zu beaufschlagen, während der Stempel 8 zur Formung des Linsenprofils 7 auf die Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 gedrückt wird, um die Oberfläche 3B mit dem geformten Linsenprofil 7 in diesem Zustand anzuhärten bzw. vorzufixieren. Nach einer Zeitdauer von etwa 0,1 bis 5 Sekunden ist das Linsenprofil 7 bereits ausreichend fixiert.
  • Anschließend wird der Stempel 8 von der angehärteten Oberfläche 3B des Füllmaterials 3 abgehoben. Um diesen Vorgang zu erleichtern, weist zumindest die Stempelfläche 8A des Stempels 8 vorteilhafterweise eine Beschichtung aus einem transparenten Material mit bezüglich des Füllmaterials 3 anti-haftenden Eigenschaften auf.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird das angehärtete Füllmaterial 3 mit dem vorfixierten Linsenprofil beispielsweise bei einer Temperatur von über 100°C vollständig ausgehärtet.
  • Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird durch das direkte Aufprägen eines Linsenprofils auf die Oberfläche des Füllmaterials ein separater Verfahrensschritt zum Aufbringen einer Linse überflüssig. Außerdem ist der Aufprägevorgang bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichend hohen Passgenauigkeit des Linsenprofils verhältnismäßig einfach und unproblematisch.

Claims (13)

1. Optoelektronisches Bauelement, mit
einem Trägerkörper (1) mit einer Ausnehmung (1A);
einem in der Ausnehmung (1A) auf dem Trägerkörper (1) angeordneten optoelektronischen Sender oder Empfänger (2); und
einer den optoelektronischen Sender oder Empfänger (2) in der Ausnehmung (1A) des Trägerkörpers (1) einbettenden Füllung (3) aus einem transparenten Material,
dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sender oder Empfänger (2) abgewandte Oberfläche (3B) der Füllung (3) mit einem Linsenprofil (7) ausgebildet ist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sender oder Empfänger (2) abgewandte Oberfläche (3B) der Füllung (3) im wesentlichen mit der dem Sender oder Empfänger (2) abgewandten Oberfläche (1B) des Trägerkörpers (1) fluchtet.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenprofil (7) in der Form einer Fresnellinse ausgebildet ist.
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Füllung (3) ein UV-initiiert oder Licht-initiiert kationisch härtendes, transparentes Material ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Füllung (3) ein UV-initiiert oder Licht-initiiert kationisch härtendes Epoxidharz enthält.
6. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem Trägerkörper (1) mit einer Ausnehmung (1A) und einem in der Ausnehmung (1A) auf dem Trägerkörper (1) angeordneten optoelektronischen Sender oder Empfänger (2), mit den Verfahrensschritten:
Formen der Ausnehmung (1A) in den Trägerkörper (1);
Montieren des Senders oder Empfängers (2) in der so geformten Ausnehmung (1A);
Einfüllen einer definierten Menge eines transparenten Füllmaterials (3) in die Ausnehmung (1A) zum Einbetten des Senders oder Empfängers (2);
Aufprägen eines Linsenprofils (7) auf die dem Sender oder Empfänger (2) abgewandte Oberfläche (3B) des transparenten Füllmaterials (3); und
Aushärten des transparenten Füllmaterials (3) mit der das Linsenprofil (7) aufweisenden Oberfläche (3B).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufprägen des Linsenprofils (7) auf die dem Sender oder Empfänger (2) abgewandte Oberfläche (3B) des transparenten Füllmaterials (3) mittels eines Stempels (8) erfolgt, welcher eine dem Linsenprofil (7) entsprechende Stempelfläche (8A) aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche (8A) des Stempels (8) dem Profil einer Fresnellinse entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Aufprägens des Linsenprofils (7) die folgenden Unterschritte aufweist:
Aufdrücken des Stempels (8) mit der Stempelfläche (8A) auf die Oberfläche (3B) des transparenten Füllmaterials (3) zum Formen des der Stempelfläche (8A) entsprechenden Linsenprofils (7);
Anhärten des transparenten Füllmaterials (3) mit dem so geformten Linsenprofil (7); und
Abheben des Stempels (8) von dem angehärteten transparenten Füllmaterial (3).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stempelfläche (8A) des Stempels (8) eine Beschichtung aus einem Material aufweist, das bezüglich des Füllmaterials (3) anti-haftende Eigenschaften besitzt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Stempel (8) aus einem transparenten Material und das Füllmaterial (3) aus einem UV-initiiert oder Lichtinitiiert kationisch härtenden, transparenten Material besteht, und
dass der Verfahrensschritt des Anhärtens des Füllmaterials (3) mit Linsenprofil (7) mittels Beaufschlagung des Füllmaterials (3) mit UV- oder Licht-Strahlung (9) durch den Stempel (8) hindurch erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Anhärtens des Füllmaterials (3) mit Linsenprofil (7) mittels eines UV-Blitzes erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (3) ein UV-initiiert oder Lichtinitiiert kationisch härtendes Epoxidharz enthält.
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