DE102015103253A1 - Optoelektronisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (2) sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauelement (2), mit einem Mold-Gehäuse (6), in dem eine LED-Lichtquelle (4) angeordnet ist, wobei eine Teilfläche (5) der LED-Lichtquelle (4) nach außen frei liegt. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein optischer Positionsencoder (1) mit einem solchen optoelektronischen Bauelement (2) und einer von der LED-Lichtquelle (4) des Bauelements (2) beleuchteten Maßverkörperung (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einem Mold-Gehäuse, in dem eine LED-Lichtquelle angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Positionsencoder sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem Mold-Gehäuse, in dem eine LED-Lichtquelle angeordnet ist.
  • Derartige optoelektronische Bauelemente werden üblicherweise in optischen Positionsencodern verwendet, um Bewegungen von Bauteilen erfassen zu können. Hierzu wird an dem Bauteil eine Maßverkörperung angeordnet, welche von der LED-Lichtquelle des optoelektronischen Bauelementes angestrahlt wird. Die Maßverkörperung ist dabei derart ausgebildet, dass das auf die Maßverkörperung treffende Licht der LED-Lichtquelle nach einem bestimmten Muster moduliert wird. So kann die Maßverkörperung beispielsweise aus hellen und dunklen Bereichen bestehen, wobei insbesondere ein Strichmuster von Vorteil ist. Das modulierte Licht kann dann von einem Abtastempfänger in Form mindestens eines Lichtsensors detektiert werden. Auf diese Weise lassen sich weitgehend Sinus- und Cosinus-Signalformen erzeugen, welche ausgewertet werden können und so Aufschluss über die Position des Bauteils geben.
  • Ein solcher Positionsencoder kann entweder als linearer Positionsencoder, welcher Linearbewegungen des Bauteils erfasst, oder als Rotationsencoder zur Erfassung von Drehbewegungen des Bauteils ausgebildet sein. Dementsprechend kann die Maßverkörperung aus parallel zueinander angeordneten Strichen bei einer insgesamt rechteckigen Form ausgebildet sein oder als kreisförmige Scheibe mit radial verlaufenden Strichen. Darüber hinaus kann der Positionsencoder entweder als inkrementeller Encoder oder aber auch als absoluter Encoder ausgebildet sein. Bei einem inkrementellen Encoder kann zu Beginn eines Messvorgangs zusätzlich eine Referenzierung durchgeführt werden, um eine lokale Absolut-Information zu erhalten. Dies ist bei einem über den gesamten Abtastbereich absoluten Encoder nicht erforderlich.
  • Auch die Maßverkörperung kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgebildet sein. So sind zum einen Durchlichtanordnungen bekannt, bei welchen die Maßverkörperung zwischen der LED-Lichtquelle und dem das modulierte Licht empfangenden Lichtsensor angeordnet ist. Die Hellflächen werden dann zumeist durch schlitzförmige lichtdurchlässige Bereiche der Maßverkörperung gebildet. Alternativ kann die Maßverkörperung auch als reflektive Anordnung ausgebildet sein, wobei dann das Licht der LED-Lichtquelle an den Hellfeldern reflektiert wird und zum Sensor gelangt.
  • Um die empfindlichen mikroelektronischen Komponenten des Bauelementes vor Beeinträchtigungen zu schützen, ist es bekannt, diese Komponenten in einem Mold-Gehäuse anzuordnen, welches das Bauteil insgesamt umschließt.
  • Unter dem Begriff „Molding” wird dabei im Allgemeinen ein Urformverfahren verstanden und im Besonderen ein Spritzgussverfahren, bei welchem flüssige Materialien in eine Form, welche auch als Spritzgusswerkzeug bezeichnet wird, unter Druck eingespritzt werden. In der Form geht der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen. Im Spritzgussverfahren hergestellte Gehäuse bieten insbesondere im Hinblick auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Formgebung Vorteile gegenüber Gehäusen, die durch reines Gießen, dem sogenannten „Casting”, hergestellt werden, bei welchem ein flüssiger Werkstoff in eine Form gegossen wird und dort erstarrt. Allerdings sind die einzelnen Bauteile beim Molding deutlich höheren Drücken ausgesetzt, weshalb nicht jedes Bauteil für dieses Herstellungsverfahren geeignet ist.
  • Eine Anordnung, bei welchem die einzelnen Komponenten in einem Mold-Gehäuse angeordnet sind, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 107 578 A1 bekannt. Die LED-Lichtquelle befindet sich dort auf einem Träger und wird allseitig von dem Mold-Gehäuse umschlossen. Um eine definierte Abstrahlung des Lichtes der LED-Lichtquelle nach oben zu ermöglichen sowie Beschädigungen der LED-Lichtquelle während des Herstellungsprozesses zu verhindern, befindet sich oberhalb der LED-Lichtquelle eine Glasplatte.
  • Solche Bauteile haben sich im Einsatz zwar durchaus bewährt, jedoch hat es sich bei solchen Anordnungen als nachteilig erwiesen, dass es zu Beeinträchtigungen der Lichtabstrahlung durch die oberhalb der LED-Lichtquelle angeordnete Glasplatte kommen kann. Denn zum einen können unerwünschte Brechungen der Lichtstrahlen an den Übergängen zwischen LED-Lichtquelle und Glasplatte sowie zwischen Glasplatte und der Umgebung auftreten. Zum anderen können Reflexionen auftreten, so dass beispielsweise Fremdlicht ebenfalls in Richtung der Maßverkörperung gelenkt wird und somit zu einer Verfälschung von Messergebnissen führt.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein optoelektronisches Bauelement, einen optischen Positionsencoder sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements anzugeben, welche die Abstrahleigenschaften der LED-Lichtquelle verbessern.
  • Bei einem optoelektronischen Bauelement der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Teilfläche der LED-Lichtquelle nach außen freiliegt.
  • Durch das Freilegen einer Teilfläche der LED-Lichtquelle nach außen befindet sich diese Teilfläche nicht mehr innerhalb des Mold-Gehäuses, wodurch eine gute Abstrahlung der LED-Lichtquelle in alle gewünschten Richtungen erreicht werden kann. Mögliche Brechungen, Abschattungen oder sonstige Beeinträchtigungen können durch die Vermeidung von auf der LED-Lichtquelle angeordneten Elementen verhindert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Abstrahleigenschaften der LED-Lichtquelle und somit des optoelektronischen Bauelements verbessert werden.
  • In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die LED-Lichtquelle bündig mit der Außenseite des Mold-Gehäuses abschließt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die LED-Lichtquelle nicht über das Mold-Gehäuse hinaus ragt, wodurch eine Beschädigung der LED-Lichtquelle verhindert werden kann. Zudem entstehen Vorteile bei der Herstellung, die noch im weiteren Verlauf erläutert werden.
  • Die Moldmasse des Mold-Gehäuses kann die LED-Lichtquelle mit der Ausnahme der Teilfläche der LED-Lichtquelle, welche nach außen zeigt, allseitig umschließen. Durch das bündige Anordnen kommt es auch in diesem Fall nicht zu einer Beeinträchtigung der Lichtabstrahlung.
  • Bevorzugt ist die Teilfläche der LED-Lichtquelle die Lichtaustrittsfläche, insbesondere wenn die LED-Lichtquelle bündig mit der Außenseite des Mold-Gehäuses abschließt. Das Licht kann definiert aus dem optoelektronischen Bauelement austreten und in Richtung der Maßverkörperung abgestrahlt werden. Licht, welches von der LED-Lichtquelle zur Seite hin emittiert wird, kann von dem Mold-Gehäuse absorbiert werden und trägt daher nicht zur Lichtabstrahlung bei. Durch die Größe und Form der LED-Lichtquelle kann die Lichtaustrittsfläche und damit die Abstrahleigenschaften weiter beeinflusst werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Teilfläche der LED-Lichtquelle eben ausgebildet. Durch das Vorsehen einer unstrukturierten und eben ausgebildeten Lichtaustrittsfläche kann eine gegen Verschmutzung weitgehend resistente Oberfläche erreicht werden. Darüber hinaus können eventuell entstehende Brechungen oder Reflexionen, hervorgerufen durch auf der Lichtaustrittsfläche angeordnete Strukturen, unterbunden werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Licht der LED-Lichtquelle auf direktem Weg in Richtung der Maßverkörperung abgestrahlt wird. Darüber hinaus können auch Vorteile bei der Herstellung des Bauelements entstehen, da ein verwendetes Abformwerkzeug direkt bis an das Bauteil herangeführt werden kann. Auch ist es nicht erforderlich, ein aufwendiges Werkzeug herzustellen. Alternativ kann die Teilfläche auch nach Art einer Linse gewölbt ausgebildet sein, beispielsweise sphärisch oder asphärisch.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontaktfläche der LED-Lichtquelle an einer der Teilfläche abgewandten Seite der LED-Lichtquelle angeordnet. Hierzu kann die LED-Lichtquelle als Flip-Chip-LED ausgebildet sein, bei welcher die Kontaktfläche an der Unterseite angeordnet ist. Auf diese weise können Anschluss- und/oder Kontaktdrähte vermieden werden, da eine direkte Kontaktierung nach unten hin möglich ist. Eine Abschattung der LED-Lichtquelle durch Drähte kann verhindert werden. Durch eine derartige Ausgestaltung der LED-Lichtquelle kann diese direkt ohne weitere Anschlussdrähte mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten an die gewünschte Position montiert werden. Dies kann insbesondere zu geringen Abmessungen des Gehäuses und kurzen Leiterlängen führen. Auch kann verhindert werden, dass sich Kontaktierungsdrähte kreuzen. Die Kontaktfläche der LED-Lichtquelle kann, bevorzugt durch Löten, durch leitfähigen Kleber, Sintern oder durch Pressschweißen, mit dem Träger fest verbunden werden.
  • Nachfolgend soll auf weitere Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements eingegangen werden, insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Abstrahleigenschaften in Bezug auf das Mold-Gehäuse und die darin enthaltenen Komponenten.
  • Vorzugsweise ist die Moldmasse des Mold-Gehäuses intransparent. Durch ein intransparentes Mold-Gehäuse können unerwünschte Lichteffekte, wie Streulicht oder dergleichen unterbunden werden. Es ist möglich aber nicht erforderlich, ein Zusätzliches Trennelement zur Unterbindung von Fremdlicht vorzusehen. Bevorzugt weist die Moldmasse einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass keine Temperatureinschränkungen gegeben sind. Auch können durch ein intransparentes Material negative Effekte, wie Streuungen oder Reflexionen durch Verkratzen, verringert werden. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil dass auf Standardmaterialien zurückgegriffen werden kann, die Herstellungskosten weiter gesenkt werden können.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Mold-Gehäuse mindestens ein Lichtsensor und mindestens eine LED-Lichtquelle angeordnet sind. über den Lichtsensor kann das an der Maßverkörperung reflektierte und modulierte Licht detektiert werden. Der Lichtsensor kann hierzu empfindliche optoelektronische Flächen aufweisen und die Positionsinformation in Form von elektrischen Ausgangssignalen zur Verfügung stellen. Der Lichtsensor kann bevorzugt mehrere Teilflächen und/oder weitere Schaltungselemente umfassen. Die Teilflächen des Lichtsensors können symmetrisch zueinander angeordnet sein. Auch können mehrere Teilflächen zu Gruppen zusammengefasst sein. Beispielsweise kann jede Teilfläche mit der darauffolgenden fünften Teilfläche kontaktiert sein, so dass sich ein Sinus/Cosinus mit 90° Phasendifferenz ergibt. Wird jede Teilfläche mit der darauffolgenden vierten Teilfläche kontaktiert, ergeben sich Sinus-Signale mit einer Phasendifferenz von 120°. Die Teilflächen können spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein, wobei bei einem Rotationsencoder die Symmetrien der Sensorflächen für eine Rotationsanordnung zu berücksichtigen sind. Die einzelnen Sensorflächen können periodisch miteinander elektrisch verbunden sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der direkte Lichtweg durch das Mold-Gehäuse zwischen der LED-Lichtquelle und dem Lichtsensor unterbunden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass unerwünschtes Streulicht auf die Sensorflächen des Lichtsensors fällt und zu einer Verfälschung des Ausgangssignals führt. Die Unterbindung des Lichtwegs kann bevorzugt durch das intransparente Mold-Gehäuse erreicht werden, wobei die Moldmasse zwischen den einzelnen Elementen angeordnet ist. Ein zusätzliches insbesondere intransparentes optisches Trennelement ist möglich, aber nicht erforderlich. Im Falle eines Trennelements kann dieses zwischen der LED-Lichtquelle und dem Lichtsensor angeordnet sein und beispielsweise als Steg oder Wall oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist, wenn das Mold-Gehäuse im Bereich des Lichtsensors eine Ausnehmung aufweist, über welche das modulierte Licht zum Lichtsensor gelangen kann. Die Ausnehmung kann durch ein oberhalb des Lichtsensors angeordnetes transparentes Zusatzelement gebildet werden, wie etwa eine Platte aus Glas oder dergleichen. Das Zusatzelement kann bündig mit der Außenseite des Gehäuses abschließen, wodurch sich ein ebener Verlauf der Außenseite des Gehäuses ergibt. Das Zusatzelement bietet zum einen die Möglichkeit, das modulierte Licht nur auf bestimmte Bereiche des Sensors treffen zu lassen. Hierzu kann das Zusatzelement als Maskierungsaufsatz ausgebildet sein, welcher beispielsweise aus einem lichtundurchlässigen Festkörper besteht und lichtdurchlässige Ausnehmungen aufweist oder aus einem lichtdurchlässigen Material, auf welchen lichtundurchlässige Flächen aufgebracht werden können. Zum anderen kann das Zusatzelement auch als Schutzelement dienen.
  • In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn das zum Schutz oberhalb des Lichtsensors angeordnete Zusatzelement die gleiche Höhe wie die LED-Lichtquelle aufweist. Das Zusatzelement kann dann ebenfalls bündig mit der Oberseite des Mold-Gehäuses abschließen, so dass sich eine ebene Außenfläche ergibt. Das Zusatzelement kann auf dem gleichen Träger wie die LED-Lichtquelle angeordnet werden. Hierdurch ergeben sich insbesondere Vorteile in der Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
  • Darüber hinaus ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei welcher mehrere LED-Lichtquellen und/oder mehrere Lichtsensoren vorgesehen sind. Durch das Vorsehen mehrerer LED-Lichtquellen und/oder Lichtsensoren können in einem optoelektronischen Bauelement mehrere Code-Spuren realisiert werden, mittels welcher dann mehr Positionsinformationen gewonnen und ausgewertet werden können.
  • Gemäß einer in konstruktiver Hinsicht bevorzugten Ausgestaltung sind die LED-Lichtquelle und/oder der Lichtsensor auf einem Träger angeordnet. Bei dem Träger kann es sich bevorzugt um einen aus einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Chip handeln. Der Träger kann jedoch auch ein Leadframe, ein Sockel oder dergleichen sein. Ist der Träger als Chip ausgebildet, kann dieser wiederum auf einem Leadframe, wie einem lötbaren metallischen Leitungsträger in Form eines Rahmens, oder auf einem isolierenden Träger angeordnet sein. Bevorzugt sind die LED-Lichtquelle und/oder der Lichtsensor erhöht angeordnet, wodurch sich auf einfache Weise die Möglichkeit ergibt, dass die LED-Lichtquelle zumindest mit einer Teilfläche nach außen hin frei liegt.
  • Vorzugsweise ist die LED-Lichtquelle auf einem den Lichtsensor und/oder eine Signalverarbeitungseinheit umfassenden Träger angeordnet. Der Träger ist bevorzugt als Chip aus einem Halbleitersubstrat ausgebildet, in welchen der Lichtsensor und/oder die Signalverarbeitungseinheit integriert sein können. Die LED-Lichtquelle kann dann als Chip-on-Chip-Aufbau auf den Träger in Form des Chips angeordnet werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine Signalverarbeitungseinheit für die LED-Lichtquelle und/oder den Lichtsensor vor. Mittels der Signalverarbeitungseinheit können die vom Lichtsensor detektierten Signale verarbeitet, die LED-Lichtquelle angesteuert und/oder geregelt und/oder sonstige Signalverarbeitungsprozesse durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist die Signalverarbeitungseinheit eine integrierte Schaltung, insbesondere als Teil des als Halbleitersubstrat ausgebildeten Trägers, ausgebildet.
  • Um auch kleinere Sensorstrukturen abtasten zu können, kann die LED-Lichtquelle bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm aussenden. Durch die Verwendung von derartigem Licht ist die Möglichkeit gegeben, feinere Sensorstrukturen auszuleuchten. Bevorzugt sendet die LED-Lichtquelle blaues oder ultraviolettes Licht aus. Durch die Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm können die Lichtsensoren kleinere Abmessungen und/oder spitzere Bereiche wie spitze Ecken oder spitze Einkerbungen aufweisen. Bevorzugt beträgt die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts weniger als 480 nm, ferner kann die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts größer als 400 nm, bevorzugt größer als 425 nm und besonders bevorzugt größer als 450 nm, sein. Darüber hinaus ergibt sich bei der Verwendung einer blauen LED-Lichtquelle der Vorteil, dass härtere Halbleitermaterialien als bei anderen LED-Lichtquellen verwendet werden können, welche nicht so leicht verkratzen und zudem dem hohen Druck während des Herstellungsprozesses standhalten.
  • Bei einem optischen Positionsencoder der eingangs genannten Art wird die Aufgabe durch ein optoelektronisches Bauelement nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen und einer von der LED-Lichtquelle des Bauelements beleuchteten Maßverkörperung gelöst.
  • Es ergeben sich die gleichen Vorteile, welche bereits im Zusammenhang mit dem optoelektronischen Bauelement beschrieben wurden. Bevorzugt weist der optische Positionsencoder sämtliche der zuvor beschrieben Merkmale einzeln oder in Kombination auf.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Maßverkörperung partiell reflektiv und kodiert ausgebildet. Durch eine reflektive Ausbildung der Maßverkörperung können die LED-Lichtquelle und ein Lichtsensor in einem gemeinsamen optoelektronischen Bauelement angeordnet werden. Durch die Ausbildung der Maßverkörperung als absolut kodierte Maßverkörperung kann für jede auflösbare Position ein eindeutiger Positionswert angegeben werden. Es ist nicht erforderlich, zu Beginn einer Messung zunächst eine Referenzierung durchzuführen.
  • Eine in diesem Zusammenhang vorteilhafte Ausgestaltung weist mindestens zwei Lichtsensoren zur absoluten Positionserfassung auf. Durch das Vorhandensein mehrerer Lichtsensoren können mehrere Spuren der Maßverkörperung abgetastet werden und so genauere Positionsdaten erfasst werden. In diesem Fall können eine oder mehrere LED-Lichtquellen für mehrere Lichtsensoren und/oder Lichtsensorgruppen und/oder mehrere Codespuren der Maßverkörperung vorgesehen sein. Jeder Codespur der Maßverkörperung kann eine Gruppe von Teilflächen zugeordnet sein. Die LED-Lichtquellen können bevorzugt zwischen den Lichtsensoren, insbesondere mittig zwischen den Lichtsensoren oder zumindest in einer Sensorachse symmetrisch, angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine genauere Positionserfassung durchgeführt werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Lichtsensoren für ein mindestens zweispuriges Master- und Nonius-System ausgebildet sind. Hierzu ist es von Vorteil, wenn die Maßverkörperung mindestens zwei Codespuren aufweist, welche inkrementell ausgebildet sind und eine unterschiedliche Anzahl an Inkrementen aufweisen. Auf diese Weise kann die Position des Bauelements absolut bestimmt werden. Ein Positionsencoder, welcher auf der Nonius-Interpolation beruht ist beispielsweise in der DE 103 32 413 B3 beschrieben. Alternativ kann der Positionsencoder neben einer inkrementellen Spur auch eine Indexspur aufweisen und beispielsweise als differentieller Indexsensor ausgebildet sein.
  • Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die LED-Lichtquelle derart in das Mold-Gehäuse eingemoldet wird, dass eine Teilfläche der LED-Lichtquelle nach außen frei liegt.
  • Auch bei dem Verfahren ergeben sich dieselben Vorteile, welche bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement und dem optoelektronischen Positionsencoder beschrieben wurden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Mold-Gehäuse des optoelektronischen Bauelements in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Werkstoff verflüssigt und in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt. Im Werkzeug geht der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist ferner bevorzugt, dass eine Form, insbesondere ein Spritzgusswerkzeug, während des Herstellungsprozesses in direktem oder indirektem Kontakt mit der LED-Lichtquelle steht und die Moldmasse unter Druck in eine Form eingespritzt wird.
  • Beim direkten Kontakt berühren sich die nach außen freiliegende Teilfläche der LED-Lichtquelle und die Form. Da die LED-Lichtquelle bevorzugt aus einem harten Material gefertigt ist, kann die LED-Lichtquelle den entstehenden hohen Druck aushalten.
  • Bei einem indirekten Kontakt befindet sich hingegen ein Zwischenelement zwischen der LED-Lichtquelle und der Form, wie etwa eine Folie, ein dünnes Blech oder dergleichen. Durch den direkten oder indirekten Kontakt mit der LED-Lichtquelle und der Form kann die Bildung von Moldflash, d. h. Rückstände der Moldmasse auf der LED-Lichtquelle oder dem Lichtsensor, verhindert werden. Im Falle eines indirekten Kontakts kann zwischen der Form und der LED-Lichtquelle eine Folie als Schutz vor Moldmasserückständen, vor Verkratzen oder dergleichen angeordnet werden, welche nach dem Molding entfernt werden kann.
  • Bei dem optoelektronischen Bauelement und dem optischen Positionsencoder können auch die anhand des Verfahrens erläuterten Merkmale und Ausgestaltungen allein und in Kombination verwendet werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Hierin zeigt:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements in einer schematischen Schnittdarstellung,
  • 2 das optoelektronische Bauelement gemäß 1 in einer schematischen Perspektive,
  • 3 das optoelektronische Bauelement gemäß 1 in einer schematischen Draufsicht ohne Mold-Gehäuse,
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements in einer schematischen Schnittdarstellung,
  • 5 das optoelektronische Bauelement gemäß 4 in einer schematischen Perspektive und
  • 6 das optoelektronische Bauelement gemäß 4 in einer schematischen Draufsicht ohne Mold-Gehäuse.
  • In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Positionsencoders 1 dargestellt. Diese Art von optischen Positionsencodern 1 werden vielfach in der Industrie verwendet, um die Position von Bauteilen erfassen zu können. Die Positionsencoder 1 können hierzu als lineare Positionsencoder oder aber auch als Rotationsencoder ausgebildet sein.
  • Um die Position eines Bauteils zu erfassen, ist an dem Bauteil eine Maßverkörperung 3 angeordnet, welche abwechselnde Hell- und Dunkelfelder aufweisen kann. Darüber hinaus können mehrere Codespuren vorgesehen sein, so dass ein genaueres Positionsbestimmen möglich ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 ist die Maßverkörperung 3 voll-reflektierend und zweispurig ausgebildet und bewegt sich relativ und orthogonal zur durch die LED-Lichtquelle 4 und die Sensoren 7 aufgespannte Achse. Es sind jedoch Ausgestaltungen denkbar, bei welchen die Maßverkörperung 3 diffus reflektierend oder diffraktiv ausgebildet ist.
  • Um die Position des Bauteils mit der Maßverkörperung 3 detektieren zu können, ist bei dem Positionsencoder 1 ein optoelektronisches Bauelement 2 vorgesehen, welches Licht in Richtung der Maßverkörperung 3 emittiert. Das optoelektronische Bauelement 2 weist hierzu eine LED-Lichtquelle 4 auf, beispielsweise in Form eines LED-Chips.
  • Bei einem solchen LED-Chip handelt es sich um eine auf einem Halbleitersubstrat ausgebildete lichtemittierende Diode. Die lichtemittierende Diode besteht im Wesentlichen aus einem p-n-Übergang, welcher in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Der p-n-Übergang der LED-Lichtquelle 4 ist parallel zur Grundfläche der LED-Lichtquelle 4 angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist die LED-Lichtquelle 4 dabei derart auf einem Träger 10 angeordnet, dass eine Teilfläche 5 der LED-Lichtquelle 4 nach außen freiliegt. Die Teilfläche 5 der LED-Lichtquelle 4 schließt bündig mit der Außenseite 12 des Mold-Gehäuses 6 ab. Auf diese Weise ergibt sich eine glatte Oberfläche des optoelektronischen Bauelements 2, was insbesondere während des Herstellungsprozesses und allgemein im Handling bei Test und Bestückung auf einer Leiterplatte Vorteile mit sich bringt. So kann das Spritzgusswerkzeug einfacher ausgestaltet werden, da keine Strukturen und optische Justagen erforderlich sind und ebene Flächen möglich sind.
  • Das von der LED-Lichtquelle 4 emittierte Licht tritt über die Teilfläche 5 aus dem optoelektronischen Bauelement 2 aus, weshalb es sich bei der Teilfläche 5 um die Lichtaustrittsfläche handelt. Die Lichtaustrittsfläche 5 ist im Ausführungsbeispiel eben ausgebildet. Das Licht kann auf diese Weise ungehindert in alle Richtungen abgestrahlt werden, wobei zusätzlich eine weitgehende Abstandsunabhängigkeit gegenüber der Maßverkörperung 3 erreicht werden kann. Denn dadurch, dass die Teilfläche 5 der LED-Lichtquelle 4 nach außen frei liegt, kann die LED-Lichtquelle 4 ihr Licht breiter abstrahlen, ohne dass die Lichtstrahlen in irgendeiner Weise beeinflusst werden. Insoweit kann sichergestellt werden, dass die Lichtstrahlen geeignet auf die Maßverkörperung 3 treffen. Ein möglicher Intensitätsverlust der Lichtstrahlen kann dabei über die Signalverarbeitungseinheit 11 nachgeregelt werden. Die zur Seite hin abgestrahlten Lichtstrahlen werden hingegen von dem Mold-Gehäuse 6 absorbiert.
  • Die LED-Lichtquelle 4 ist darüber hinaus als Flip-Chip-LED ausgebildet, so dass sich die Kontaktfläche der LED-Lichtquelle 4 an der der Teilfläche 5 abgewandten Seite der LED-Lichtquelle 4 befindet. Auf diese Weise kann die LED-Lichtquelle 4 über Kontaktflächen kontaktiert und auf dem Träger 10 montiert werden. Die Kontaktierung der LED-Lichtquelle 4 erfolgt drahtlos. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass mögliche Abschattungen durch vorhandene Kontaktdrähte an der Oberfläche der LED-Lichtquelle 4 auftreten.
  • Der Träger 10 kann eine Leadframe-Platte 14, ein nicht näher dargestellter Sockel oder ein in das Mold-Gehäuse 6 eingebrachtes Halbleitersubstrat sein. Werden ein Sockel oder ein Halbleitersubstrat als Träger 10 verwendet, können diese wiederum auf der Leadframe-Platte 14 angeordnet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die LED-Lichtquelle 4 auf einem als Chip 15 ausgebildeten Halbleitersubstrat-Träger 10 angeordnet, welcher mit der Leadframe-Platte 14 verbunden ist. Der Chip 15 kann dabei den Lichtsensor 7, eine Signalverarbeitungseinheit 11 sowie weitere integrierte Strukturen umfassen.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist die LED-Lichtquelle 4 als blaue LED ausgebildet, welche Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm aussendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass feine Strukturen im μm-Bereich schärfer abgebildet und ausgeleuchtet werden können. Denn bei längerwelligem Licht tritt eine stärkere Beugung an Schattenkanten auf. Kürzerwelliges Licht dringt zudem nicht mehr so tief in das Halbleitersubstrat ein, so dass ausreichend Ladungsträger in der Raumladungszone generiert und getrennt werden können und den Wirkungsgrad als Lichtausbeute erhöhen.
  • Ein weiterer Vorteil einer blauen LED-Lichtquelle 4 besteht in den verwendeten Materialien. Diese sind im Gegensatz zu anderen LED-Lichtquellen 4 härter ausgebildet, so dass sie dem beim Molding auftretenden Druck deutlich besser standhalten können. Es ist daher nicht mehr erforderlich, die LED-Lichtquelle 4 geschützt im Inneren des Mold-Gehäuses 6 anzuordnen. Vielmehr kann die LED-Lichtquelle 4 in direktem Kontakt mit einem nicht näher dargestellten Spritzgusswerkzeug stehen. Die LED-Lichtquelle 4 kann beispielsweise aus Carbid bestehen oder als II–VI oder als III–V Halbleiter ausgebildet sein.
  • Das von der LED-Lichtquelle 4 emittierte Licht wird dann in Richtung der Maßverkörperung 3 abgestrahlt und an dieser reflektiert. Aufgrund der sich abwechselnden Hell- und Dunkelfelder wird das Licht dabei entsprechend der Codierung der Maßverkörperung 3 moduliert. Das modulierte Licht wird in Richtung eines ebenfalls in dem optoelektronischen Bauelement 2 angeordneten Lichtsensors 7 abgestrahlt, welcher das modulierte Licht detektieren kann.
  • Der Lichtsensor 7 umfasst eine integrierte Schaltung und ist als Teil des Chips 15 ausgebildet. Der Lichtsensor 7 weist ferner lichtempfindliche, zu Gruppen zusammengefasste Teilflächen 13 auf, beispielsweise lichtempfindliche Fotodioden. Die Teilflächen 13 können in Messrichtung verschachtelt hintereinander liegen und derart elektrisch miteinander verbunden sein, dass sich Sinus und Cosinus-Signale ergeben, welche eine Phasenverschiebung aufweisen.
  • Oberhalb des Lichtsensors 7 ist als Zusatzelement eine lichtdurchlässige Platte 9, insbesondere eine Glasplatte oder Kunststoffplatte, angeordnet, welche einerseits zum Schutz des Lichtsensors 7 dient und zum anderen auch als Maskierungsaufsatz dienen kann. Mittels eines solchen Maskierungsaufsatzes können Teilbereiche der Sensorflächen 13 abdeckt werden, so dass das modulierte Licht nur auf bestimmte Bereiche des Sensors 7 trifft. Es ergibt sich insoweit eine Ausnehmung 8 in dem Mold-Gehäuse 6, die von der Glasplatte 9 eingenommen wird. Die Glasplatte 9 weist dabei die gleiche Höhe wie die LED-Lichtquelle 4 auf, die bevorzugt in einem Bereich von 150 μm liegt, so dass sich insgesamt eine ebene Außenseite 12 des Bauelements 2 ergibt. Wird die Maßverkörperung 3 relativ zum optoelektronischen Bauelement 2 bewegt, führt dies zu einer Modulation des Lichtsignals, welches mittels des die Maßverkörperung 3 abtastenden Sensor 7 empfangen wird, weshalb die Position der Maßverkörperung 3 relativ zum Abtaster ermittelt werden kann. Je nach Bedarf können auch mehrere Lichtsensoren 7 und/oder LED-Lichtquellen 4 und/oder Halbleitersubstrate 10 und/oder Glasplatten 9 vorgesehen sein.
  • Der Lichtsensor 7 ist im Ausführungsbeispiel in den als Halbleitersubstrat ausgebildeten Träger 10 integriert. Alternativ kann der Lichtsensor 7 jedoch als weiterer Chip ausgebildet sein, welcher als Chip-on-Chip auf dem Träger 10 angeordnet werden kann. Der Träger 10 muss jedoch nicht zwangsläufig ein Halbleitersubstrat sein. Vielmehr kann der Träger 10 auch ein Sockel oder die Leadframe-Platte 14 sein. Im Ausführungsbeispiel ist der als Halbleitersubstrat ausgebildete Träger 10 als Chip 15 ausgebildet, welcher wiederum auf der Leadframe-Platte 14 aus Metall, Silizium etc. angeordnet ist und welcher mit anderen Komponenten des Positionsencoders 1 verbunden werden kann. Der als Chip 15 ausgebildete Träger 10 umfasst eine Signalverarbeitungseinheit 11, mittels welcher Lichtsensordaten verarbeitet, die LED-Lichtquelle 4 geregelt oder sonstige Signalverarbeitungsprozesse durchgeführt werden können. Das optoelektronische Bauelement 2 kann insgesamt als SMD-Bauteil ausgebildet sein, welches über lötfähige Kontakte oder Drahtanschlüsse platzsparend auf einer Platine oder einem ähnlichen Trägerelement angeordnet werden kann.
  • Wie dies ebenfalls den 1 und 2 zu entnehmen ist, sind sämtliche Komponenten des optoelektronischen Bauelementes 2 in einem Mold-Gehäuse 6 angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die einzelnen Komponenten gegen Verschmutzung oder Beschädigung gesichert gelagert sind.
  • Das Mold-Gehäuse 6 wird in einem Moldprozess hergestellt, insbesondere in einem Spritzgussverfahren. Hierzu kann eine spezielle Form, welche auch als Spritzgusswerkzeug bezeichnet wird, verwendet werden. In diese Form, die insbesondere standardisiert und genormt sein kann, wird während des Herstellungsprozesses unter hohem Druck die Moldmasse eingespritzt und so das Mold-Gehäuse 6 geformt. Die Form kann dabei entweder in direktem Kontakt mit den einzelnen Komponenten des optoelektronischen Bauelements 2, wie beispielsweise der LED-Lichtquelle 4 oder der Glasplatte 9 stehen oder in indirektem Kontakt. Indirekter Kontakt besteht dann, wenn beispielsweise ein sogenanntes Tape-Assist-Moldingverfahren zum Einsatz kommt, bei welchem eine Folie zwischen die Bauteile und die Form eingebracht wird. Hierdurch können eventuell entstehende kleine Ungleichmäßigkeiten und/oder Höhenunterschiede ausgeglichen werden. Die Folie kann nach dem Herstellungsprozess abgezogen werden. Auf diese Weise lässt sich die Entstehung von einem Moldflash, also dem Vorhandensein von unerwünschten Moldmasserückständen, vermeiden.
  • Das Mold-Gehäuse 6 ist aus einem intransparenten Material ausgebildet, so dass der direkte Lichtweg durch das Mold-Gehäuse 6 zwischen der LED-Lichtquelle 4 und dem Lichtsensor 7 unterbunden werden kann. Das von der LED-Lichtquelle 4 emittierte Licht gelangt nur über die Reflexion an der Maßverkörperung 3 auf den Lichtsensor 7. Das Mold-Gehäuse 6 ist aus einem isolierenden Kunststoffmaterial hergestellt, welches zumindest kurzzeitig hohe Temperaturen aushalten kann. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn das optoelektronische Bauelement 2 in einem Reflow-Ofen verlötet wird. Das Gehäuse 6 weist durch die verwendeten intransparenten Füllstoffe einen vorteilhaften Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass keine Materialspannungen auftreten.
  • Die LED-Lichtquelle 4, mit Ausnahme der Teilfläche 5, und das Sensor-Chip 10, mit Ausnahme der Glasabdeckung 9 werden von der Moldmasse lichtdicht umschlossen. Somit kann das von der LED-Lichtquelle 4 emittierte Licht ausschließlich an einer nach außen freiliegenden Teilfläche 5 austreten. Falls dies erforderlich ist, können zusätzlich Trennelemente aus einem intransparenten Material vorgesehen sein, welche Fremdlicht weiter unterbinden können.
  • In der 3 ist das optoelektronische Bauelement 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Ansicht ohne Mold-Gehäuse 6 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Träger 10 als Halbleiter-Chip 15 über Kontaktdrähte 16 elektrisch mit dem Leadframe 14 verbunden ist, jedoch keine Drähte im Bereich der LED-Lichtquelle 4 vorhanden sind.
  • Je nach Bedarf kann der optische Positionsencoder 1 als inkrementeller oder als absoluter Encoder ausgebildet sein. Falls bei einem inkrementellen Encoder 1 zusätzlich ein lokaler Absolutwert erkannt werden soll, ist vor jeder Messung zunächst eine Referenzmessung durchzuführen, um die aktuelle Position des Bauteils zu ermitteln. Dies ist bei einem im gesamten Messbereich absoluten Encoder 1 nicht erforderlich.
  • Eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements 2 zeigen die 4 bis 6. Bei dem dort gezeigten optoelektronischen Bauelement 2 sind im Gegensatz zu dem in der 1 dargestellten Bauelement 2 Lichtsensoren 7.1, 7.2 zu beiden Seiten der LED-Lichtquelle vorgesehen. Es handelt sich hierbei um einen absoluten Encoder 1, welcher mehrere Spuren auf der Maßverkörperung 3 abtastet, z. B. nach dem Nonius-Prinzip.
  • Als absolut codiert werden Maßverkörperungen 3 bezeichnet, die eine durch Hell-/Dunkelfelder gebildete digitale binäre Codierung aufweisen, die für jede auflösbare Position eindeutig ist und die aus mehreren Codestellen besteht, die gleichzeitig von den Lichtsensoren 7.1, 7.2 detektiert werden. Die Hellfelder der Maßverkörperung 3 liefern dabei logische High-Signale (H bzw. 1), während die Dunkelfelder entsprechend die logischen Low-Signale (L bzw. 0) generieren.
  • Wie dies der 4 zu entnehmen ist, befindet sich die LED-Lichtquelle 4 nicht an einer Seite des einzelnen Lichtsensors 7, wie dies in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall war, sondern ist, insbesondere mittig, zwischen den Lichtsensoren 7.1, 7.2 angeordnet. Der eine Lichtsensor 7 kann dabei als Mastersensor 7.1 und der zweite Lichtsensor 7 als Noniussensor 7.2 ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die absolute Position des Bauteils mit der Maßverkörperung 3 erfasst werden. Die Maßverkörperung 3 ist hierzu absolut codiert ausgebildet, d. h. dass sie unterschiedliche Codespuren aufweist, wobei eine erste Codespur mit einer groben Auflösung und eine zweite Codespur mit einer feiner skalierten Auflösung vorhanden ist. Auf diese Weise bzw. mit weiteren Codespuren kann die Ablesegenauigkeit deutlich erhöht werden.
  • In den 5 und 6 ist das zweite Ausführungsbeispiel ebenfalls in einer schematischen Draufsicht auf das Mold-Gehäuse 6 sowie ohne Mold-Gehäuse 6 dargestellt.
  • Durch das Freilegen einer Teilfläche 5 der LED-Lichtquelle 4 nach außen befindet sich diese Teilfläche 5 nicht mehr innerhalb des Mold-Gehäuses 6, wodurch eine gute Abstrahlung der LED-Lichtquelle 4 in alle gewünschten Richtungen erreicht werden kann. Mögliche Brechungen oder Abschattungen durch oberhalb der LED-Lichtquelle 4 angeordnete Elemente können auf diese Weise verhindert werden. Mit dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement 2 sowie dem optischen Positionsencoder 1 können auf diese Weise die Abstrahleigenschaften der LED-Lichtquelle 4 verbessert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Optischer Positionsencoder
    2
    Optoelektronisches Bauelement
    3
    Maßverkörperung
    4
    LED-Lichtquelle
    5
    Teilfläche
    6
    Mold-Gehäuse
    7
    Lichtsensor
    8
    Ausnehmung
    9
    Zusatzelement
    10
    Träger
    11
    Signalverarbeitungseinheit
    12
    Außenseite
    13
    Teilflächen
    14
    Leadframe-Platte
    15
    Chip
    16
    Kontaktdrähte
    17
    Anschlussflächen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012107578 A1 [0007]
    • DE 10332413 B3 [0032]

Claims (13)

  1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Mold-Gehäuse (6), in dem eine LED-Lichtquelle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilfläche (5) der LED-Lichtquelle (4) nach außen frei liegt.
  2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (4) bündig mit einer Außenseite (12) des Mold-Gehäuses (6) abschließt, so dass die Teilfläche (5) der LED-Lichtquelle (4) die Lichtaustrittsfläche ist.
  3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche der LED-Lichtquelle (4) an einer der Teilfläche (5) abgewandten Seite der LED-Lichtquelle (4) angeordnet ist.
  4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moldmasse des Mold-Gehäuses (6) intransparent ist.
  5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mold-Gehäuse (6) mindestens ein Lichtsensor (7) angeordnet ist.
  6. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Schutz oberhalb des Lichtsensors (7) angeordnetes Zusatzelement (9) die gleiche Höhe wie die LED-Lichtquelle (4) aufweist.
  7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (4) und/oder ein Lichtsensor (7) auf einem Träger (10) angeordnet sind.
  8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (4) auf einem den Lichtsensor (7) und/oder die Signalverarbeitung umfassenden Träger (10) angeordnet ist.
  9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (4) Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm aussendet.
  10. Optischer Positionsencoder, gekennzeichnet durch ein optoelektronisches Bauelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer von der LED-Lichtquelle (4) des Bauelements (2) beleuchteten Maßverkörperung (3).
  11. Optischer Positionsencoder nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mehrere Lichtsensoren (7.1, 7.2), die als Master- und Nonius-Sensoren ausgebildet sind.
  12. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (2) mit einem Mold-Gehäuse (6), in dem eine LED-Lichtquelle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (4) derart in das Mold-Gehäuse (6) eingemoldet wird, dass eine Teilfläche (5) der LED-Lichtquelle (4) nach außen frei liegt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form. insbesondere ein Spritzgusswerkzeug, während des Herstellungsprozesses in direktem oder indirektem Kontakt mit der LED-Lichtquelle (4) steht und die Moldmasse unter Druck in eine Form eingespritzt wird.
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