DE102021113303A1

DE102021113303A1 - Hochpräzises ausrichtungsverfahren zur herstellung eines bauelements und bauelement

Info

Publication number: DE102021113303A1
Application number: DE102021113303.3A
Authority: DE
Inventors: Nicole Berner; Daniel Richter; Gunnar Petersen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-11-24
Also published as: WO2022243385A1; DE112022002722A5; CN117677881A

Abstract

Es wird ein Bauelement (100) mit einem Einkoppelelement (9) und zumindest einem am Einkoppelelement (9) fixierten Bauteil (10) angegeben, wobei das Einkoppelelement (9) zumindest eine Einkoppelstelle (9K) aufweist. Das Bauteil (10) weist eine Auskoppelstelle (1K) auf, die an die Einkoppelstelle des Einkoppelelements (9) angrenzt und zu dieser ausgerichtet ist, wobei das Bauteil (10) ein magnetisches Ausrichtungsmaterial (2) aufweist oder das Einkoppelelement (9) zumindest einen Ausrichtungskanal (95) aufweist.Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements (100) angegeben.

Description

Es wird ein hochpräzise ausgerichtetes Bauelement angegeben. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, insbesondere ein hochpräzises Ausrichtungsverfahren zur Herstellung eines hochpräzisen ausgerichteten Bauelements angegeben.
Eine hochpräzise Justage eines strahlungsemittierenden Bauteils, etwa eines Lasers, an einem Einkoppelelement kann im passiv Zustand, also ohne Betrieb des Bauteils, oder im aktiv Zustand, also im Betrieb des Bauteils, erfolgen. Wird das Bauteil im aktiven Zustand zum Einkoppelelement justiert, kann die vom Bauteil emittierte Strahlung bei der Justage verwendet werden. Bei diesem Prozess wird oft ein Verbindungsmaterial verwendet, welches ein schnelles Anhärten erlaubt. Insbesondere wird ein UV-Kleber verwendet. Dieser bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich, etwa schlechte thermische und elektrische Anbindung oder Verunreinigung des Bauelements durch organische Stoffe.
Bei der Justage eines Bauteils im ausgeschalteten Zustand kann das Bauteil zwar mit großem technischem Aufwand über Kameras und Detektionseinheiten ausgerichtet werden. Allerdings ermöglicht auch ein solcher Prozess nur einen seriellen Ablauf für die Ausrichtung der Bauteile. In der Regel erfolgt die Ausrichtung somit für jedes Bauteil einzeln. Dadurch ergeben sich verschiedene Nachteile wie lange Prozess-Zeiten und mehrfaches Aufheizen etwa zur Fixierung, insbesondere zur Lötung der Bauteile am Einkoppelelement. Die bereits befestigten Bauteile sind dadurch eventuell mehrmals dem beim Befestigung-Prozess der weiteren Bauteile entstehenden Stress ausgesetzt.
Eine Aufgabe ist es, ein zuverlässiges, vereinfachtes und kosteneffizientes Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, insbesondere zur hochpräzisen Ausrichtung eines Bauteils oder mehrerer Bauteile des Bauelements, anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein hochpräzise ausgerichtetes Bauelement anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch sowie durch ein Bauelement gemäß einem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Bauelements oder des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens wird ein Einkoppelelement mit zumindest einer vordefinierten Einkoppelstelle oder mit mehreren vordefinierten Einkoppelstellen bereitgestellt. Das Einkoppelelement kann aus einem Kunststoff, etwa aus einem Polymer oder Glas, gebildet sein. Zum Beispiel wird ein Einkoppelelement aus Polymer zur Einkopplung von infraroten Laserstrahlungen verwendet. Ein Einkoppelelement aus Glas kann zur Einkopplung von sichtbaren Strahlungen, insbesondere von sichtbaren Laserstrahlungen verwendet sein. Insbesondere ist das Einkoppelelement aus einem strahlungsundurchlässigen oder höchstens strahlungshalbdurchlässigen Material gebildet.
Das Einkoppelelement kann einen Lichtleiter oder mehrere Lichtleiter, zum Beispiel in Form von Lichtleitkabel/n, aufweisen. Der Lichtleiter kann im Material des Einkoppelelements eingebettet sein. Insbesondere ist der Lichtleiter mit einer der Einkoppelstellen optisch gekoppelt. Zum Beispiel erstreckt sich der Lichtleiter von der Einkoppelstelle bis zu einer Strahlungsaustrittsfläche des Einkoppelelements. Das Einkoppelelement kann ein PLC-Element sein (Englisch: planar lightwave circuit element). Alternativ oder zusätzlich zu dem Lichtleiter oder zu den Lichtleitern ist es möglich, dass das Bauelement Linsen oder andere optischen Elemente aufweist. Die Linsen oder die anderen optischen Elemente befinden sich insbesondere an den Einkoppelstellen und oder an einer Strahlungsaustrittsfläche des Bauelements. Das Einkoppelelement selbst kann eine Linse oder ein optisches Element sein. Das Einkoppelelement kann aus Glas gebildet sein. Strukturen, die die Einkoppelstellen markieren, können bei der Erzeugung des Einkoppelelements, etwa mittels Glas-Molding hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Bauteil mit temporärer grober Ausrichtung zu der vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements angeordnet. Das Bauteil weist eine Auskoppelstelle auf, die grob zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements ausgerichtet ist. Dies ist der Fall, wenn die Auskoppelstelle und die vordefinierte Einkoppelstelle insbesondere räumlich versetzt, etwa lateral und/oder vertikal versetzt, zueinander angeordnet sind. Das Bauteil ist zum Beispiel noch nicht dauerhaft mechanisch fest mit dem Einkoppelelement verbunden. Insbesondere erst nach einer präzisen Ausrichtung der Auskoppelstelle des Bauteils zu der Einkoppelstelle des Einkoppelelements wird das Bauteil fest am Einkoppelelement dauerhaft befestigt.
Ist die Auskoppelstelle präzise zu der Einkoppelstelle ausgerichtet, kann ein vom Bauteil emittierte Strahlung direkt in das Einkoppelelement, etwa direkt in einen Lichtleiter des Einkoppelelements, eingekoppelt werden. Insbesondere grenzt die Auskoppelstelle des Bauteils unmittelbar an die Einkoppelstelle des Einkoppelelements an.
Die Auskoppelstelle des Bauteils ist insbesondere eine Strahlungsaustrittsfläche des Bauteils. Das Bauteil kann ein strahlungsemittierender Halbleiterchip, etwa eine lichtemittierende Diode oder ein Laserchip sein. Es ist möglich, dass mehrere solcher Bauteile jeweils mit grober Ausrichtung zu den jeweiligen vordefinierten Einkoppelstellen angeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil, insbesondere die Auskoppelstelle des Bauteils, durch unterstützte Selbst-Ausrichtung zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements geführt. Es ist möglich, dass mehrere Bauteile gleichzeitig während eines gemeinsamen Verfahrensschritts durch die unterstützte Selbst-Ausrichtung zu den vordefinierten Einkoppelstellen des Einkoppelelements geführt werden.
Der Prozess der Selbst-Ausrichtung (Englisch: self-alignment) beschreibt zum Beispiel einen Vorgang, durch den ein Gerät, in diesem Fall das Bauteil, automatisch eine korrekte Ausrichtung oder Position erreicht. Bei einer Selbst-Ausrichtung kann die korrekte Ausrichtung oder Position des Bauteils, insbesondere die korrekte Ausrichtung der Auskoppelstelle des Bauteils zur Einkoppelstelle des Einkoppelelements automatisch herbeigeführt werden. Bei einer unterstützten Selbst-Ausrichtung kann der Prozess der Selbst-Ausrichtung des Bauteils durch zusätzliche Krafteinwirkung in Gang gesetzt, beibehalten oder beschleunigt werden. Zum Beispiel erfolgt die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung durch Ausnutzung einer Krafteinwirkung auf ein Ausrichtungsmaterial (Englisch: alignment material), wodurch das Bauteil, insbesondere die Auskoppelstelle des Bauteils, zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements bewegt wird. Dadurch kann die Auskoppelstelle des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements genau justiert werden. Das Ausrichtungsmaterial kann im Bauteil eingebettet oder mittelbar oder unmittelbar am Bauteil angebracht oder befestigt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung das Bauteil oder eine Mehrzahl von Bauteilen am Einkoppelelement dauerhaft befestigt. Die relative Position der Auskoppelstelle des Bauteils zu der zugehörigen Einkoppelstelle des Einkoppelelements wird dadurch fixiert. Die dauerhafte Befestigung des Bauteils am Einkoppelelement erfolgt zum Beispiel durch Aufheizen und/oder durch Abkühlen eines Verbindungsmaterials (Englisch: interconnect material). Insbesondere kann sich das Verbindungsmaterial zwischenzeitlich in einem flüssigen Aggregatzustand befinden.
Das Verbindungsmaterial kann elektrisch leitfähig sein. Zum Beispiel ist das Verbindungsmaterial verschieden von dem Ausrichtungsmaterial. In diesem Fall dient das Ausrichtungsmaterial nur der Justage des Bauteil und bildet keine feste dauerhafte Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Auskoppelelement. Zum Beispiel ist das Verbindungsmaterial ein Lotmaterial. Es ist jedoch möglich, dass das Verbindungsmaterial und das Ausrichtungsmaterial teilweise aus dem gleichen Material gebildet sind. Weiterhin ist es möglich, dass das Ausrichtungsmaterial nicht nur zur Ausrichtung des Bauteils sondern gleichzeitig zur dauerhaften Fixierung des Bauteils am Einkoppelelement dient. Im letzteren Fall können das Verbindungsmaterial und das Ausrichtungsmaterial aus demselben Material gebildet sein. Es ist auch möglich, dass zusätzliches Verbindungsmaterial zum Beispiel in Form vom UV-Kleber oder thermischen Kleber zur dauerhaften Fixierung des Bauteils am Einkoppelelement verwendet wird.
In mindestens einer Ausführungsform eines Verfahrens wird ein Einkoppelelement mit zumindest einer vordefinierten Einkoppelstelle bereitgestellt. Zumindest ein Bauteil wird mit temporärer Ausrichtung zur vordefinierten Einkoppelstelle angeordnet, wobei das Bauteil eine Auskoppelstelle aufweist, die grob zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements ausgerichtet ist. Eine unterstützte Selbst-Ausrichtung des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle wird durchgeführt, wobei die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung durch Ausnutzung einer Krafteinwirkung auf ein Ausrichtungsmaterial erfolgt, das im Bauteil eingebettet oder am Bauteil angebracht ist. Durch die unterstützte Selbst-Ausrichtung wird die Auskoppelstelle des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements bewegt und justiert. Insbesondere nach der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung wird das Bauteil am Einkoppelelement dauerhaft fixiert.
Durch die Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung des Bauteils mithilfe des Ausrichtungsmaterials wird die Auskoppelstelle des Bauteils automatisch und auf vereinfachte und präzise Art und Weise zu der vorgesehenen Einkoppelstelle des Einkoppelelements geführt. Die Auskoppelstelle ist zur Einkoppelstelle justiert oder präzise ausgerichtet, wenn die Auskoppelstelle zum Beispiel an die Einkoppelstelle angrenzt, insbesondere unmittelbar an die Einkoppelstelle angrenzt. Der Prozess der unterstützten Selbst-Ausrichtung kann gleichzeitig für mehrere Bauteile durchgeführt werden. Insbesondere können mehrere Bauteile mit temporärer Ausrichtung zur vordefinierten Einkoppelstellen des Einkoppelelements angeordnet werden, bevor die Ausrichtung der Bauteile simultan durchgeführt wird. Die Prozesszeiten und somit auch die Produktkosten werden dadurch verringert.
Auch können die Bauteile im ausgeschalteten Zustand und ohne zusätzliche technische Ausrichtungsmittel wie Kameras und Detektionseinheiten hoch präzise ausgerichtet werden. Nach der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung, d.h. nach der Justierung der Bauteile zu den vorgesehenen Einkoppelstellen, können mehrere Bauteile zum Beispiel durch ein einmaliges Erhitzen von Verbindungsschichten gleichzeitig an dem Einkoppelelement befestigt werden. Im Gegensatz zu dem Fall, bei dem die Bauteile nacheinander am Einkoppelelement Element fixiert werden, sind Bauteile bei gleichzeitiger Fixierung am Einkoppelelement insbesondere nur einmalig hoher Temperatur und somit nur einmalig dem durch die Erhitzung und Abkühlung des Verbindungsmaterials entstehenden Stress ausgesetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens reagiert das Ausrichtungsmaterial auf magnetische Felder, wobei die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle durch Ausnutzung magnetischer Krafteinwirkung erfolgt. Das Ausrichtungsmaterial kann direkt am Bauteil befestigt sein. Zum Beispiel ist das Ausrichtungsmaterial eine äußere oder eine innere Schicht des Bauteils. Es ist möglich, dass Ausrichtungsmaterial vollständig innerhalb des Bauteils eingebettet ist.
Die Ausrichtung des Bauteils erfolgt insbesondere durch magnetische Anziehung oder Abstoßung. Das Bauteil kann durch ein permanentes oder elektrisch erzeugtes Magnetfeld in die entsprechende Einkoppelstelle, etwa in eine entsprechende Strukturierung des Einkoppelelements, geführt, zum Beispiel gezogen werden. Zumindest ein Teilbereich des Bauteils kann magnetische Eigenschaften besitzen. Zum Beispiel weist das Bauteil ferromagnetische Materialien, permanente oder elektrische Nano-Magnete oder Mirko-Magnete auf. Bei der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung des Bauteils kann das Ausrichtungsmaterial oder Verbindungsmaterial in flüssiger Form vorliegen oder zum Beispiel durch Aufheizen verformt oder verflüssigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Ausrichtungsmaterial ein metallisches Material. Insbesondere ist das Ausrichtungsmaterial verschieden von einem permanent-magnetischen Material. Bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils wird magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt, wodurch das Bauteil aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf das metallische Ausrichtungsmaterial zur vordefinierten Einkoppelstelle bewegt wird. Zum Beispiel kann ein äußeres elektromagnetisches Feld angelegt werden, wodurch das Bauteil insbesondere aufgrund magnetischer Anziehung zur vordefinierten Einkoppelstelle bewegt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Ausrichtungsmaterial ein permanentes magnetisches Material. Bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils wird magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt, wodurch das Bauteil aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf das permanente magnetische Ausrichtungsmaterial zur vordefinierten Einkoppelstelle bewegt wird. Zum Beispiel kann ein äußeres elektromagnetisches Feld angelegt werden. Im Falle des permanenten magnetischen Materials ist es außerdem möglich, dass anstelle eines äußeren elektromagnetischen Feldes ein ferromagnetisches Metall, das verschieden von einem permanenten magnetischen Material ist, verwendet wird. Ein solches Metall, das zum Beispiel Eisen, Kobalt oder Nickel enthält, zieht das permanente magnetische Ausrichtungsmaterial an und kann das Bauteil zur vordefinierten Einkoppelstelle führen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Ausrichtungsmaterial ein Elektromagnet. Bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils wird magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt, wodurch das Bauteil aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf den Elektromagnet zur vordefinierten Einkoppelstelle bewegt wird. Der Elektromagnet kann eine elektrische Spule sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle durch Ausnutzung kapillarer Krafteinwirkung und/oder durch Ableiten des Ausrichtungsmaterials. Insbesondere befindet sich das Ausrichtungsmaterial zeitweise im flüssigen Zustand. Bevor das Ausrichtungsmaterial teilweise oder vollständig abgeleitet wird, grenzt das Ausrichtungsmaterial zum Beispiel unmittelbar an das Bauteil an. Durch das Ableiten des Ausrichtungsmaterials wird das Bauteil mitbewegt und kann so zur vordefinierten Einkoppelstelle gelangen. Das Ableiten des Ausrichtungsmaterials wird insbesondere durch die kapillare Krafteinwirkung verursacht, gegebenenfalls mit zusätzlicher Unterstützung durch Schwerkraft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Einkoppelelement zumindest einen Ausrichtungskanal auf. Durch den Ausrichtungskanal wird das Ausrichtungsmaterial teilweise oder vollständig abgeleitet, wodurch das Bauteil aufgrund des Ableitens des Ausrichtungsmaterials bewegt wird und die Auskoppelstelle des Bauteils zur vordefinierten Einkoppelstelle des Einkoppelelements geführt wird.
Die unterstützte Selbst-Ausrichtung kann durch aktives oder passives Ableiten des Ausrichtungsmaterials, das zugleich als Verbindungsmaterial dienen kann, durchgeführt werden. Das Ausrichtungsmaterial befindet sich im flüssigen Aggregatzustand oder wird verflüssigt und kann und durch eine Ableitstruktur insbesondere in Form eines Ausrichtungskanals in eine definierte Richtung fließen.
Die vordefinierte exakte Position des Bauteils kann durch die Strukturierungen des Einkoppelelements zum Beispiel in Form von Stoppstrukturen vorgegeben sein. Das Ableiten des Ausrichtungsmaterials kann passiv, insbesondere ausschließlich oder im Wesentlichen durch Kapillarwirkung und eventuell durch Schwerkraftwirkung, oder aktiv, insbesondere im Wesentlichen oder zusätzlich durch magnetische Anziehung oder durch Unterdruck oder durch Absaugen, durchgeführt werden.
Zum Beispiel erstreckt sich der Ausrichtungskanal entlang vertikaler oder lateraler durch das Einkoppelelement hindurch. Der Ausrichtungskanal kann somit zur Ableitung des Ausrichtungsmaterials, etwa zur teilweisen oder zur vollständigen Ableitung des Ausrichtungsmaterials, eingerichtet sein.
Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsfläche des Einkoppelelements verläuft. Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche des Einkoppelelements gerichtet ist. Die vertikale Richtung und die laterale Richtung sind orthogonal zueinander. Zum Beispiel weist das Einkoppelelement eine Strahlungsaustrittsfläche oder eine Strahlungsaustrittsstelle auf, die auf einer Seitenfläche des Einkoppelelements, insbesondere auf einer sich entlang der vertikalen Richtung erstreckenden Seitenfläche des Einkoppelelements befindet. Insbesondere weist die Strahlungsaustrittsfläche eine punktförmige Strahlungsaustrittsstelle auf.
Wird das Ausrichtungsmaterial vollständig abgeleitet, können im Rahmen der Herstellungstoleranzen sich höchstens kleine Reste oder geringe Spuren des Ausrichtungsmaterials im fertiggestellten Bauelement befinden. In diesem Fall ist das Ausrichtungsmaterial nicht zur Befestigung des Bauteils eingerichtet. Das Ausrichtungsmaterial ist somit verschieden von einem Verbindungsmaterial, das zur Befestigung des Bauteils eingerichtet ist.
Wird das Ausrichtungsmaterial teilweise abgeleitet, kann ein Teil des Ausrichtungsmaterials nach Fertigstellung des Bauelements im Ausrichtungskanal oder in einer Region zwischen dem Bauteil und dem Auskoppelelement verbleiben. Es ist daher möglich, dass nur ein Teil des Ausrichtungsmaterials abgeleitet wird und ein verbleibender Teil des Ausrichtungsmaterials zur Befestigung des Bauteils am Auskoppelelement dient. Des Weiteren ist es möglich, dass das Auskoppelelement ein inneres Reservoir aufweist, das als Sammelbecken für das Ausrichtungsmaterial dient. In diesem Fall ist es möglich, dass der Ausrichtungskanal am inneren Reservoir des Auskoppelelements endet oder zumindest zum inneren Reservoir führt. Das Auskoppelelement kann einen weiteren Kanal aufweisen, der vom inneren Reservoir nach außen führt. Der weitere Kanal ist insbesondere zum Druckausgleich eingerichtet, wodurch der Kapillareffekt und somit das Ableiten des Ausrichtungsmaterials begünstigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Einkoppelelement zumindest eine Stoppstruktur auf. Die Stoppstruktur ist insbesondere eingerichtet, eine weitere Bewegung des Bauteils zu verhindern, nachdem die Auskoppelstelle des Bauteils die vordefinierte Einkoppelstelle des Einkoppelelements erreicht hat.
Die Stoppstruktur kann ein integraler Bestandteil des Einkoppelelements sein, zum Beispiel in Form einer Strukturierung. Die Stoppstruktur kann in Form einer vertikalen Vertiefung, einer vertikalen Erhöhung, einer lateralen Ausbuchtung oder einer lateralen Einbuchtung ausgeführt sein. Die Stoppstruktur kann mittelbar oder unmittelbar an die Einkoppelstelle/n angrenzen. Auch ist es möglich, dass die Stoppstruktur aus einem Material gebildet ist, das verschieden von dem Material des Einkoppelelements ist. Im letzteren Fall kann die Stoppstruktur auf dem Einkoppelelement angeordnet oder am Einkoppelelement befestigt sein. Zum Beispiel ist die Stoppstruktur eine vertikale Erhöhung auf dem Einkoppelelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Verbindungsschicht zum Fixieren des Bauteils am Einkoppelelement verwendet. Das Verbindungsmaterial der Verbindungsschicht kann verschieden vom Ausrichtungsmaterial sein. Insbesondere befindet sich das Ausrichtungsmaterial oder das Verbindungsmaterial zumindest während der unterstützten Selbst-Ausrichtung oder während des Fixierens des Bauteils zwischenzeitlich im flüssigen Aggregatzustand. Das Verbindungsmaterial und das Ausrichtungsmaterial können unterschiedliche Schmelztemperaturen haben. Zum Beispiel weist das Ausrichtungsmaterial eine niedrigere Schmelztemperatur auf als das Verbindungsmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens dient das Ausrichtungsmaterial nicht nur zur Ausrichtung des Bauteils sondern gleichzeitig zur dauerhaften Fixierung des Bauteils am Einkoppelelement. Das Ausrichtungsmaterial ist insbesondere zugleich das Verbindungsmaterial. In diesem Fall wird das Ausrichtungsmaterial nur teilweise in den Ausrichtungskanal abgeleitet. Insbesondere nach einer Abkühlungsphase, zum Beispiel nach einer UV-Belichtung, wird das Bauteil durch das Ausrichtungsmaterial dauerhaft am Einkoppelelement befestigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Einkoppelelement mehrere Einkoppelstellen auf. Mehrere Bauteile können am Einkoppelelement befestigt werden, wobei die Bauteile jeweils eine Auskoppelstelle aufweisen, die zu einer der Einkoppelstellen des Einkoppelelements ausgerichtet ist. Insbesondere können die Bauteile, insbesondere alle Bauteile vor der dauerhaften Befestigung gleichzeitig in einem gemeinsamen Verfahrensschritt zu den Einkoppelstellen des Einkoppelelements geführt und ausgerichtet werden. Die Bauteile, insbesondere alle Bauteile können in einem gemeinsamen Verfahrensprozess am Einkoppelelement dauerhaft befestigt werden. Der gemeinsame Verfahrensprozess zur Befestigung der Bauteile am Einkoppelelement kann der Prozess zur Ableitung und Abkühlung des Ausrichtungsmaterials sein oder der Prozess zur Aufschmelzung und Abkühlung des Verbindungsmaterials sein, das verschieden von dem Ausrichtungsmaterial ist. Zum Beispiel ist das Verbindungsmaterial verschieden von einem UV-Kleber. Das Bauelement ist insbesondere frei von einem UV-Kleber, der zwischen dem Bauteil und dem Einkoppelelement angeordnet ist.
Das hier beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines im Folgenden beschriebenen Bauelements besonders geeignet. Die im Zusammenhang mit dem Bauelement beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden, und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform eines Bauelements weist dieses ein Einkoppelelement und zumindest ein am Einkoppelelement dauerhaft fixiertes Bauteil auf. Das Einkoppelelement weist zumindest eine Einkoppelstelle auf. Das Bauteil weist eine Auskoppelstelle auf, die an die Einkoppelstelle des Einkoppelelements angrenzt und zu dieser ausgerichtet ist. Das Bauteil weist ein magnetisches Ausrichtungsmaterial auf oder das Einkoppelelement weist zumindest einen Ausrichtungskanal auf.
Mit einem Ausrichtungsmaterial, insbesondere einem magnetischen Ausrichtungsmaterial, und/oder einem Ausrichtungskanal kann das Bauteil auf einfache Art und Weise hoch präzise an der Einkoppelstelle des Einkoppelelements justiert werden. Insbesondere grenzt die Auskoppelstelle des Bauteils unmittelbar an die Einkoppelstelle des Einkoppelelements an, wodurch die von dem Bauteil emittierte Strahlung effektiv und ohne nennenswerte Verluste direkt in die Einkoppelstelle des Einkoppelelements eingekoppelt wird. Das Bauteil ist insbesondere ein Laser, zum Beispiel ein kanten-emittierter Laser. Es ist möglich, dass das Bauelement eine Mehrzahl von Bauteilen aufweist, wobei die Auskoppelstellen der Bauteile an den entsprechenden Einkoppelstellen des Einkoppelelements ausgerichtet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist das magnetische Ausrichtungsmaterial ein ferromagnetisches Metall. Das magnetische Ausrichtungsmaterial kann ein permanentes magnetisches Ausrichtungsmaterial sein. Des Weiteren ist es möglich, dass das magnetische Ausrichtungsmaterial ein elektromagnetisches Material ist. Zum Beispiel bildet das elektromagnetische Material eine Spule oder eine Spulen-Struktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements erstreckt sich der Ausrichtungskanal entlang vertikaler oder lateraler durch das Einkoppelelement hindurch. Entlang der vertikalen und/oder lateralen Richtung kann der Ausrichtungskanal einen konstanten Querschnitt aufweisen. Insbesondere bildet der gesamte Ausrichtungskanal eine Kapillare. Abweichend hiervon ist es möglich, dass der Ausrichtungskanal im Einkoppelelement endet, oder dass das Einkoppelelement ein inneres Reservoir aufweist. Das innere Reservoir kann im Vergleich zu dem Ausrichtungskanal einen größeren Querschnitt aufweisen, zum Beispiel einen mindestens zweimal, dreimal, fünfmal oder mindestens zehnmal größeren Querschnitt. Der Ausrichtungskanal kann am inneren Reservoir enden oder sich durch das Reservoir hindurch erstrecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist das Einkoppelelement zumindest eine Stoppstruktur auf. Die Stoppstruktur ist insbesondere eingerichtet, die Auskoppelstelle des Bauteils an der Einkoppelstelle des Einkoppelelements auszurichten. Zum Beispiel grenzt die Stoppstruktur unmittelbar an die Einkoppelstelle und/oder an das Bauteil an. Die Stoppstruktur kann ein integraler Bestandteil des Einkoppelelements sein. Zum Beispiel ist die Stoppstruktur in Form einer vertikalen Vertiefung, einer vertikalen Erhöhung, einer lateralen Ausbuchtung oder einer lateralen Einbuchtung ausgeführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist ein Lichtleiter im Einkoppelelement eingebettet. Der Lichtleiter kann sich entlang lateraler Richtung von der Einkoppelstelle bis zu einer Strahlungsaustrittsfläche oder bis zu einer Strahlungsaustrittsstelle des Einkoppelelements erstrecken. Zum Beispiel ist der Lichtleiter ein Lichtleitkabel. Das Einkoppelelement kann eine Mehrzahl von Lichtleitern aufweisen. Die Lichtleiter können jeweils an einer der Einkoppelstellen enden. An der Strahlungsaustrittsfläche des Einkoppelelements können die Lichtleiter zusammengeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Mehrzahl von Bauteilen auf. Das Einkoppelelement weist mehrere Einkoppelstellen und mehrere Lichtleiter auf. Insbesondere sind die Lichtleiter im Einkoppelelement eingebettet und jeweils an einer der Einkoppelstellen gekoppelt. Die Bauteile können jeweils eine Auskoppelstelle aufweisen, die zu einer der Einkoppelstellen des Einkoppelelements ausgerichtet ist.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements oder des Verfahrens zur Herstellung des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 10B erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1A, 1B und 1C schematische Darstellungen verschiedener Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements, das insbesondere in 1B in Schnittansicht und in 1C in Draufsicht schematisch dargestellt ist,
2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 4C, 4D, 5, 6A, 6B, 6C, 7A, 7B und 7C schematische Darstellungen verschiedener Verfahrensschritte zur Herstellung verschiedener Bauelemente und schematische Darstellungen verschiedener Bauelemente gemäß weiteren Ausführungsbeispielen in Schnittansichten, und
8A, 8B, 9A, 9B, 10A und 10B schematische Darstellungen weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung weiterer Bauelemente und schematische Darstellungen weiterer Bauelemente gemäß weiteren Ausführungsbeispielen in Schnittansichten sowie in Draufsichten.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
1A zeigt ein Bauelement 100 mit einem Bauteil 10 und einem Einkoppelelement 9, wobei das Bauteil 10 vor der dauerhaften Befestigung mit dem Einkoppelelement 9 auf dem Einkoppelelement 9 angeordnet ist. Das Bauteil 10 weist eine Seitenfläche 11 mit einer Auskoppelstelle 1K auf. Die Auskoppelstelle 1K ist zunächst grob zu einer Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements ausgerichtet. Wie in der 1A schematisch dargestellt ist die Auskoppelstelle 1K zunächst von der Einkoppelstelle 9K räumlich beabstandet, etwa zu der Einkoppelstelle 9K lateral oder vertikal versetzt.
Das Einkoppelelement 9 weist eine Seitenfläche 91 auf, die insbesondere als Strahlungsaustrittsfläche 91 des Einkoppelelements 9 ausgeführt ist. Zum Beispiel bildet die Seitenfläche 91 des Einkoppelelements 9 eine Seitenfläche 101 bzw. eine Strahlungsaustrittsfläche 101 des Bauelements 100. Das Einkoppelelement 9 weist einen Lichtleiter 94 auf, der sich entlang lateraler Richtung von der Einkoppelstelle 9K bis zur Seitenfläche 91 bzw. 101 erstreckt. Es ist möglich, dass die Strahlungsaustrittsfläche 101 eine punktförmige Strahlungsaustrittsstelle aufweist, an der der Lichtleiter 94 endet. Es ist weiterhin möglich, dass das Einkoppelelement 9 aus einem strahlungshalbdurchlässigen oder aus einem strahlungsundurchlässigen Material gebildet ist. Der Lichtleiter 94 ist zum Beispiel in einem solchen Material eingebettet. Ein solches Material ist insbesondere verschieden von einem glasartigen Material oder von einem Glasmaterial.
Wird elektromagnetische Strahlung an der Einkoppelstelle 1K in das Einkoppelelement 9 eingekoppelt, wird diese insbesondere ausschließlich innerhalb des Lichtleiters 94 weitergeleitet, zum Beispiel aufgrund von Totalreflexionen innerhalb des Lichtleiters 94. Die eingekoppelte Strahlung tritt insbesondere an einem Ende des Lichtleiters 94 an der Seitenfläche 91 oder 101 aus dem Einkoppelelement 9 aus.
Wie in der 1A schematisch dargestellt befindet sich das Bauteil 10 vor der dauerhaften Befestigung am Einkoppelelement 9 auf einer Stufe oder in einer Öffnung des Einkoppelelements 9. Insbesondere weist das Bauteil 10 einen Hauptkörper 1 mit einer aktiven Zone 1A auf. Zum Beispiel ist der Hauptkörper 1 ein Halbleiterkörper. Im Betrieb des Bauteils 10 ist die aktive Zone 1A eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zum Beispiel im infraroten, sichtbaren oder im ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen. Das Bauteil 10 kann eine LED oder ein Laser sein. Zum Beispiel ist das Bauteil 10 zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet.
Gemäß 1A ist eine Verbindungsschicht 3 in vertikaler Richtung zwischen dem Bauteil 10 und dem Einkoppelelement 9 angeordnet. Vor der dauerhaften Befestigung des Bauteils 10 am Einkoppelelement 9 kann sich das Material der Verbindungsschicht 3 zwischenzeitlich in einem flüssigen, etwa in einem zähflüssigen Aggregatzustand befinden. In diesem Zustand kann die Position des Bauteils 10 auf der Verbindungsschicht 3 verändert werden. Zum Beispiel kann ein flüssiges Verbindungsmaterial auf das Einkoppelelement 9 aufgebracht werden, bevor das Bauteil 10 auf dem flüssigen Verbindungsmaterial angeordnet wird. Als eine weitere Alternative ist es möglich, dass das Material der Verbindungsschicht 3, die als Teil des Bauteils 10 oder als Teil des Einkoppelelements 9 ausgeführt ist, im festen Aggregatzustand vorliegt. Zur Ausrichtung des Bauteils 10 zum Einkoppelelement 9 und zur Erzielung einer dauerhaften Verbindung zwischen dem Bauteil 10 und dem Einkoppelelement 9 kann das Material der Verbindungsschicht 3 etwa durch Aufheizen, zum Beispiel durch Wärmezufuhr oder durch Anwendung von IR-Laserstrahlungen, verformt oder aufgeschmolzen werden.
Während sich das Material der Verbindungsschicht 3 im flüssigen, etwa im zähflüssigen, Aggregatzustand befindet, kann die Auskoppelstelle 1K des Bauteils 10 präzise zu der Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 justiert bzw. ausgerichtet werden. Die Justage bzw. die Ausrichtung erfolgt insbesondere durch unterstützte Selbst-Ausrichtung.
Das Bauteil 10 weist ein Ausrichtungsmaterial 2 auf. Gemäß 1A ist das Ausrichtungsmaterial 2 im Bauteil 10, insbesondere im Hauptkörper 1 des Bauteils 10 eingebettet. Abweichend davon ist es möglich, dass das Ausrichtungsmaterial 2 am Bauteil 10, etwa am Hauptkörper 1 oder an oder in einem Träger des Bauteils 10 angebracht ist. Insbesondere reagiert das Ausrichtungsmaterial 2 auf magnetische Felder, wobei die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils 10 zur vordefinierten Einkoppelstelle 9K durch Ausnutzung magnetischer Krafteinwirkung erfolgt. Reagiert das Ausrichtungsmaterial 2 auf magnetische Felder, kann dieses als magnetisches Material bezeichnet werden. Das Ausrichtungsmaterial 2 kann in diesem Fall ein ferromagnetisches, permanent-magnetisches oder ein elektrisch-magnetisches Material sein.
Zum Beispiel ist das ferromagnetische Material verschieden von einem permanent-magnetischen Material und/oder verschieden von einem elektrisch-magnetischen Material und kann ein Metall wie Eisen, Kobalt oder Nickel sein. Ist das Ausrichtungsmaterial 2 ein elektrisch-magnetisches Material, kann dieses eine elektrische Spule oder eine Spulen-Struktur bilden. Zum Beispiel ist das elektrisch magnetische Ausrichtungsmaterial 2 eine elektrische Spule aus einem elektrisch leitfähigen Metall, etwa aus Kupfer. Durch elektrische Aktivierung der Spule oder der Spulen-Struktur kann das Bauteil 10 in Wechselwirkung mit einem äußeren magnetischen Material, insbesondere mit einem äußeren Magnetfeld treten und an die vordefinierte Position geführt, etwa gezogen werden.
In 1B wird die magnetische Einwirkung auf das Ausrichtungsmaterial 2 schematisch dargestellt. Aufgrund der magnetischen oder elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Ausrichtungsmaterial 2 und einem äußeren magnetischen Material 4 wird die Auskoppelstelle 1K des Bauteils 10 zu der Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 selbst-justiert. Die Selbst-Ausrichtung des Bauteils 10 oder der Auskoppelstelle 1K des Bauteils 10 zur vordefinierten Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 wird somit durch magnetische Krafteinwirkung unterstützt. Das äußere magnetische Material 4 kann ein ferromagnetisches Material, ein permanent-magnetisches Material oder ein elektrisch-magnetisches Material sein. Insbesondere wird das Bauteil 10 aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf das Ausrichtungsmaterial zur vordefinierten Einkoppelstelle 9K hin bewegt.
Auch wenn in 1B schematisch dargestellt wird, dass sowohl das Ausrichtungsmaterial 2 als auch das äußere magnetische Material 4 permanente Magnete sind, also ein {permanentes Magnet; permanentes Magnet}-Paar bilden, sind andere Kombinationen oder Paare möglich, zum Beispiel {magnetisches Metall; permanentes Magnet}, {magnetisches Metall; elektrisches Magnet} oder {permanentes Magnet; elektrisches Magnet}.
Nachdem die Auskoppelstelle 1K zur Einkoppelstelle 9K ausgerichtet ist, kann das Bauteil 10 dauerhaft am Einkoppelelement 9 fixiert werden. Dies erfolgt zum Beispiel durch Aushärten der Verbindungsschicht 3. Da die Auskoppelstelle 1K zur Einkoppelstelle 9K ausgerichtet ist, kann die von dem Bauteil 10 emittierte Strahlung direkt, insbesondere ohne Verluste, in die Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 eingekoppelt werden. Insbesondere grenzt die Auskoppelstelle 1K unmittelbar an die Einkoppelstelle 1K an.
Das in der 1C in Draufsicht dargestellte Bauelement 100 entspricht im Wesentlichen dem in der 1B dargestellten Bauelement 100. Im Unterschied hierzu weist das Bauelement 100 eine Mehrzahl von Bauteilen 10 auf. Insbesondere weist das Bauelement 10 drei Bauteile 10 auf. Jedes der Bauteile 10 weist eine Auskoppelstelle 1K auf, die zu einer der Einkoppelstellen 9K des Einkoppelelements 9 ausgerichtet ist.
Das Einkoppelelement 9 weist eine Mehrzahl von Einkoppelstellen 9K und eine Mehrzahl von Lichtleitern 94 auf. Die Lichtleiter 94 erstrecken sich jeweils entlang der lateralen Richtung von einer der Einkoppelstellen 9K zu einer der Auskoppelstelle 9K gegenüber liegenden Seitenfläche 91 des Auskoppelelements 9. Insbesondere bildet die Seitenfläche 91 eine Seitenfläche 101 des Bauelements 100, die zum Beispiel als Strahlungsaustrittsfläche des Bauelements 100 ausgeführt ist. An der Seitenfläche 91 sind die Lichtleiter 94 zusammengeführt. Es ist möglich, dass die Bauteile 10 Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen emittieren. Zum Beispiel emittieren die Bauteile 10 rotes, grünes und blaues Licht. Durch die Zusammenführung der Lichtleiter 94 kann das Bauelement 100 durch Mischung der Strahlungen insgesamt weißes Licht emittieren.
Abweichend von der 1C ist es möglich, dass das Bauelement 100 eine andere Anzahl von Bauteilen 10 aufweist. Auch kann das Einkoppelelement 9 nicht genau drei Lichtleiter 94 sondern eine andere Anzahl von Lichtleitern 94 aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Lichtleiter 94 an der Seitenfläche 91 nicht zusammengeführt sind.
Wie in der 1C schematisch dargestellt weist das Einkoppelelement 9 eine Mehrzahl von Vertiefungen 5 auf, in denen die Bauteile 10 angeordnet sind. Die Vertiefungen 5 sind voneinander lateral beabstandet. Es ist möglich, dass genau ein Bauteil 10 in genau einer Vertiefung 5 angeordnet ist. Die Vertiefung 5 weist insbesondere schräge Seitenwände auf. Vor der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung kann das Bauteil 10 auf einer schrägen Seitenwand der Vertiefung 5 angeordnet sein. Während der unterstützten Selbst-Ausrichtung kann das Bauteil 10 entlang der schrägen Seitenwand der Vertiefung 5 zu der vordefinierten Einkoppelstelle 9K bewegt werden. Insbesondere weist die Vertiefung 5 eine Bodenfläche auf, deren Geometrie zu der Geometrie des Bauteils 10 angepasst ist. In diesem Sinne kann die Vertiefung 5 als Stoppstruktur dienen, die eine weitere Bewegung des Bauteils 10 verhindert, nachdem die Auskoppelstelle 1K des Bauteils 10 die vordefinierte Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 erreicht hat.
Das in den 2A und 2B dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements über 100. Im Unterschied hierzu ist explizit dargestellt, dass das Ausrichtungsmaterial 2 in einem Träger 13 des Bauteils 10 eingebettet ist oder am Träger 13 angebracht ist. Das Einkoppelelement 9 kann einen Hauptkörper mit dem Lichtleiter 94 und einen Träger 93 aufweisen, wobei der Hauptkörper auf dem Träger 93 des Einkoppelelements 9 angeordnet ist. Vor der dauerhaften Fixierung des Bauteils 10 am Einkoppelelement 9 kann das Bauteil 10 zunächst lateral beabstandet von dem Einkoppelelement 9 angeordnet sein. Während der unterstützten Selbst-Ausrichtung wird das Bauteil 10 zum Einkoppelelement 9 hin bewegt und justiert.
Das in den 3A und 3B dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements 100. Im Unterschied hierzu dient das Ausrichtungsmaterial 2 nicht nur zur Ausrichtung des Bauteils 10 sondern gleichzeitig zur dauerhaften Fixierung des Bauteils 10 am Einkoppelelement 9. In diesem Sinne kann die Verbindungsschicht 3 aus dem Ausrichtungsmaterial 2 gebildet sein.
Das Auskoppelelement 9 weist zumindest einen Ausrichtungskanal 95 auf. Der Ausrichtungskanal 95 ist insbesondere zur Ableitung des Ausrichtungsmaterials 2 eingerichtet. Das Bauteil 10 kann aufgrund des Ableitens des Ausrichtungsmaterials 2 bewegt werden, wodurch die Auskoppelstelle 1K des Bauteils 10 zur vordefinierten Einkoppelstelle 9K des Einkoppelelements 9 geführt wird.
Zum Beispiel ist der Ausrichtungskanal 95 eine Ausrichtungskapillare. Die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils 10 zur vordefinierten Einkoppelstelle 9K erfolgt insbesondere durch Ausnutzung kapillarer Krafteinwirkung und/oder durch Ableiten des Ausrichtungsmaterials 2. Der Ausrichtungskanal 95 kann nach dem Ableiten des Ausrichtungsmaterials 2 teilweise oder vollständig von dem Ausrichtungsmaterial 2 befüllt sein.
Abweichend von der 3A ist es möglich, dass das Ausrichtungsmaterial 2 verschieden von einem Verbindungsmaterial der Verbindungsschicht 3 ist. Zum Beispiel ist das Ausrichtungsmaterial 2 zumindest bereichsweise zwischen dem Einkoppelelement 9 und der Verbindungsschicht 3 angeordnet. Nach dem Ableiten des Ausrichtungsmaterials 2 in den Ausrichtungskanal 95 kann die verbleibende Verbindungsschicht 3 zur dauerhaften Fixierung des Bauteils 10 am Einkoppelelement 9 verwendet werden.
Abweichend von den 3A und 3B ist es möglich, dass das Einkoppelelement 9 ein zusätzliches inneres Reservoir aufweist, das als Sammelbecken für das Ausrichtungsmaterial 2 dient. In diesem Fall ist es möglich, dass der Ausrichtungskanal 95 am inneren Reservoir des endet oder zumindest zum inneren Reservoir führt.
Das in den 4A und 4B dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 oder eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements über 100. Im Unterschied hierzu ist explizit dargestellt, dass sich der Ausrichtungskanal 95 entlang der vertikalen Richtung durch das Einkoppelelement 9 hindurch erstreckt. In diesem Fall wird der Kapillareffekt zusätzlich durch Schwerkraftwirkung verstärkt. Wie in der 4B schematisch dargestellt, kann der Ausrichtungskanal 95 nach Fertigstellung des Bauelements 100 vollständig von dem Ausrichtungsmaterial 2 ausgefüllt sein.
Das in der 4C dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in der 4B dargestellten Bauelement 100. Im Unterschied hierzu ist der Ausrichtungskanal 95 nach Fertigstellung des Bauelements 100 nur teilweise von dem Ausrichtungsmaterial 2 befüllt. Bereiche des Ausrichtungskanals 95, die von dem Ausrichtungsmaterial 2 nicht gefüllt sind, können von einem gasförmigen Medium, etwa von Luft, gefüllt sein.
Das in der 4D dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in der 4B oder 4C dargestellten Bauelement 100. Im Unterschied hierzu ist der Ausrichtungskanal 95 nach Fertigstellung des Bauelements 100 frei von dem Ausrichtungsmaterial 2. Insbesondere ist das Ausrichtungsmaterial 2 vollständig aus dem Einkoppelelement 9 abgeleitet. Der gesamte Ausrichtungskanal 95 kann von einem gasförmigen Medium, etwa von Luft, gefüllt sein.
Gemäß den 4A bis 4D kann das Ausrichtungsmaterial 2 verschieden von einem magnetischen Material sein, das heißt verschieden von einem Material, das auf magnetische Felder reagiert. Im Unterschied hierzu ist in der 5 schematisch dargestellt, dass das Ausrichtungsmaterial 2 ein magnetisches Material sein kann. Das Ableiten des Ausrichtungsmaterials 2 kann somit aktiv gesteuert werden, sodass die Auskoppelstelle 1K aktiv und ganz präzise zu der Einkoppelstelle 9K geführt werden kann. Im Gegensatz zur 5 erfolgt das Ableiten gemäß den 4A bis 4D eher passiv, nämlich lediglich unter Ausnutzung des Kapillareffekts und der Schwerkraftwirkung.
Die in den 6A, 6B und 6C dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen dem in der 4A oder 4D dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz hierzu ist der Ausrichtungskanal 95 als gerader Ausrichtungskanal 95 ohne Abzweigungen oder Abbiegungen ausgeführt. Gemäß 6C erstreckt sich der Ausrichtungskanal 95 entlang der lateralen Richtung durch das Einkoppelelement 9 hindurch. Das Ableiten des Ausrichtungsmaterials 2 kann passiv oder aktiv gestaltet werden. Auch hier kann das Ausrichtungsmaterial 2 im Vergleich mit einem Material der Verbindungsschicht 3 verschieden oder identisch sein. Das Ausrichtungsmaterial 2 kann teilweise oder vollständig aus dem Einkoppelelement 9 abgeleitet werden/sein.
Das in der 7A dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts zur Herstellung eines Bauelements 100 entspricht im Wesentlichen dem in der 6A oder 6C dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist das Einkoppelelement 9 eine Stoppstruktur in Form einer Ausrichtungskante 6 auf. Die Ausrichtungskante 6 ist insbesondere eine vertikale Erhöhung oder eine Stufe des Einkoppelelements 9. Die Ausrichtungskante 6 ist insbesondere eine Überlaufstruktur. Durch die Ausrichtungskante 6 insbesondere in Form einer Überlaufstruktur kann eine Restmenge an Ausrichtungsmaterial 2 bzw. Verbindungsmaterial 3 gewährleistet werden, die für die Verbindung des Bauteils 10 am Einkoppelelement zur Verfügung steht, z.B. beim Abkühlen des verflüssigten Ausrichtungs- bzw. Verbindungsmaterials oder beim Aushärten (Englisch: curing) des Ausrichtungsmaterials 2 bzw. des Verbindungsmaterials 3, welches sich im gesamten Justage-Prozess im flüssigen Aggregatzustand befinden kann.
In Draufsicht ist die Ausrichtungskante 6 zunächst von dem Ausrichtungsmaterial 2 vollständig bedeckt, wobei das Ausrichtungsmaterial 2 entlang der vertikalen Richtung zwischen dem Bauteil 10 und der Ausrichtungskante 6 angeordnet ist. Das Bauteil 10 ist somit durch das Ausrichtungsmaterial 2 von der Ausrichtungskante 6 getrennt. Während des Ableitens des Ausrichtungsmaterials 2 insbesondere in den Ausrichtungskanal 95 verringert sich der laterale Abstand zwischen dem Bauteil 10 und der Ausrichtungskante 6, bis das Bauteil 10 die Ausrichtungskante 6 berührt und eine weitere Bewegung des Bauteils 10 dadurch gestoppt wird. Dies ist in der 7B schematisch dargestellt.
Insbesondere ist eine vertikale Höhe der Ausrichtungskante 6 mit der vertikalen Lage der Auskoppelstelle 1K und/oder der vertikalen Lage der Einkoppelstelle 9K abgestimmt, sodass eine weitere Bewegung des Bauteils 10 gerade dann gestoppt wird, wenn die Auskoppelstelle 1K zur Einkoppelstelle 9K justiert bzw. ausgerichtet ist. 7B und 7C zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Bauelements 10 nach Fertigstellung. Gemäß 7B kann der Ausrichtungskanal 95 teilweise mit dem Ausrichtungsmaterial 2 gefüllt sein. Gemäß 7C kann das Ausrichtungsmaterial 2 vollständig aus dem Einkoppelelement 9 abgeleitet sein. In diesem Fall ist der Ausrichtungskanal 95 bis auf Restspuren im Wesentlichen frei von dem Ausrichtungsmaterial 2.
Zur aktiven Ableitung des Ausrichtungsmaterials 2 kann Unterdruck erzeugt oder aktiv gepumpt werden. Das Ausrichtungsmaterial 2 wird insbesondere nur solange aktiv oder passiv abgeleitet, bis das Bauteil 10 auf die Ausrichtungskante 6 in Form einer Überlaufkante stößt. Die aktive Ableitung des Ausrichtungsmaterials 2 kann alternativ oder zusätzlich durch magnetische Krafteinwirkung in Anwesenheit des Ausrichtungskanals 95 und/oder eines Ablaufreservoirs erfolgen.
8A und 8B zeigen Ausführungsbeispiele eines Bauelements 100 vor der Ausrichtung des Bauteils 10 bzw. nach der Ausrichtung des Bauteils 10 jeweils in Draufsicht und in Schnittansicht. Gemäß 8A weist das Einkoppelelement 9 eine Mehrzahl von lokalen Vertiefungen 5 auf. Die Vertiefungen 5 bilden Stoppstrukturen, die eine weitere Bewegung des Bauteils 10 verhindert, nachdem das Bauteil 10 zur Einkoppelstelle 9K ausgerichtet oder justiert ist. Vor der unterstützten Selbst-Ausrichtung kann das Bauteil 10 auf einer schrägen Seitenwand der Vertiefung 5 angeordnet sein.
8A zeigt eine Mehrzahl von Bauteilen 10, die vor der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung jeweils auf einer Seitenwand der Vertiefung 5 angeordnet sind. Während der unterstützten Selbst-Ausrichtung rutschen die Bauteile 10 jeweils zur Bodenfläche einer Vertiefung 5 hin und werden gestoppt, nachdem die Auskoppelstellen 1K zu den Einkoppelstellen 9K ausgerichtet sind (8B). Die Ausrichtung der Bauteile 10 erfolgt insbesondere gleichzeitig in einem gemeinsamen Verfahrensschritt.
Das in der 9A dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts entspricht im Wesentlichen dem in der 8A dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts. Im Unterschied hierzu ist die Stoppstruktur insbesondere als vertikale Erhöhung 6 des Einkoppelelements 9 oder als laterale Ausbuchtung 7 des Einkoppelelements 9 ausgeführt. 9A zeigt das Bauelement 100 vor der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung der Bauteile 10, die zunächst grob zu den Einkoppelstellen 9K ausgerichtet sind. 9B zeigt das Bauelement 100 nach der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung der Bauteile 10, nachdem die Bauteile 10 präzise zu den Einkoppelstellen 9K ausgerichtet und am Auskoppelelement 9 dauerhaft fixiert sind.
Das in der 10A dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts entspricht im Wesentlichen dem in der 8A oder 9A dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts. Im Unterschied hierzu ist die Stoppstruktur insbesondere als laterale Einbuchtung 8 des Einkoppelelements 9 ausgeführt. Das Bauteil 10 kann eine Ausbuchtung 12 aufweisen, die komplementär zu der lateralen Einbuchtung 8 des Einkoppelelements 9 ausgeführt ist. Zum Beispiel ist die Ausbuchtung 12 keilförmig ausgeführt. 10A zeigt das Bauelement 100 vor der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung der Bauteile 10, die zunächst grob zu den Einkoppelstellen 9K ausgerichtet sind. 10B zeigt das Bauelement 100 nach der Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung der Bauteile 10, nachdem die Bauteile 10 präzise zu den Einkoppelstellen 9K ausgerichtet und am Auskoppelelement 9 dauerhaft fixiert sind. Insbesondere bilden die Ausbuchtung 12 des Bauteils 10 und die Einbuchtung 8 des Einkoppelelements 9 eine Nut-Feder-Struktur.
Durch die unterstützte Selbs-Ausrichtung können geringere Prozesszeiten und damit geringere Produktkosten erzielt werden. Der Justage-Prozess kann unabhängig vom Verbindungsmaterial erfolgen. Es ist für das Verbindungsmaterial zum Beispiel im Vergleich mit UV-Kleber nicht erforderlich, das sogenannte Snap-Curing zu unterstützen. Außerdem ist kein Mehrfach-Curing notwendig, wenn zum Beispiel mehrere Bauteile nacheinander justiert und dauerhaft fixiert werden. Mit der unterstützten Selbs-Ausrichtung können mehrere Bauteile simultan gesetzt und durch Aushärtung einer Verbindungsschicht an exakten vordefinierten Positionen am Einkoppelelement dauerhaft fixiert werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

100: Bauelement
101: Seitenfläche, Strahlungsaustrittsfläche des Bauelements
10: Bauteil
1K: Auskoppelstelle des Bauteils
11: Seitenfläche, Strahlungsaustrittsfläche des Bauteils
12: Ausbuchtung des Bauteils
13: Träger des Bauteils
1: Hauptkörper des Bauteils
1A: aktive Zone des Bauteils
2: Ausrichtungsmaterial
3: Verbindungsschicht
4: äußeres magnetisches Material, Magnet, ferromagnetisches Metall
5: vertikale Vertiefung des Einkoppelelements
6: Ausrichtungskante, vertikale Erhöhung des Einkoppelelements
7: Ausrichtungskante, laterale Ausbuchtung des Einkoppelelements
8: laterale Einbuchtung des Einkoppelelements
9: Einkoppelelement
9K: Einkoppelstelle des Einkoppelelements
91: Seitenfläche, Strahlungsaustrittsfläche des Einkoppelelements
92: Stoppstruktur
93: Träger des Einkoppelelements
94: Lichtleiter
95: Ausrichtungskanal/ Ausrichtungskapillare

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (100) mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Einkoppelelements (9) mit zumindest einer vordefinierten Einkoppelstelle (9K); - Anordnen zumindest eines Bauteils (10) mit temporärer Ausrichtung zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K), wobei das Bauteil (10) eine Auskoppelstelle (1K) aufweist, die grob zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) des Einkoppelelements (9) ausgerichtet ist; - Durchführung einer unterstützten Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K), wobei die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung durch Ausnutzung einer Krafteinwirkung auf ein Ausrichtungsmaterial (2) erfolgt, das im Bauteil (10) eingebettet oder am Bauteil (10) angebracht ist, wodurch die Auskoppelstelle (1K) des Bauteils (10) zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) des Einkoppelelements (9) bewegt und justiert wird; und - dauerhaftes Fixieren des Bauteils (10) am Einkoppelelement (9) nach Durchführung der unterstützten Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausrichtungsmaterial (2) auf magnetische Felder reagiert und am Bauteil (10) befestigt ist oder im Bauteil (10) eingebettet ist, wobei die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) durch Ausnutzung magnetischer Krafteinwirkung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ausrichtungsmaterial (2) ein metallisches Material und verschieden von einem permanent-magnetischen Material ist, wobei bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt wird, wodurch das Bauteil (10) aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf das metallische Ausrichtungsmaterial zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Ausrichtungsmaterial (2) ein permanentes magnetisches Material ist, wobei bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt wird, wodurch das Bauteil (10) aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf das permanente magnetische Ausrichtungsmaterial zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Ausrichtungsmaterial (2) ein Elektromagnet ist, wobei bei der Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) magnetische Krafteinwirkung ausgenutzt wird, wodurch das Bauteil (10) aufgrund der magnetischen Krafteinwirkung auf den Elektromagnet zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Unterstützung der Selbst-Ausrichtung des Bauteils (10) zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) durch Ausnutzung kapillarer Krafteinwirkung und/oder durch Ableiten des Ausrichtungsmaterials erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Einkoppelelement (9) zumindest einen Ausrichtungskanal (95) aufweist, durch den das Ausrichtungsmaterial (2) teilweise oder vollständig abgeleitet wird, wodurch das Bauteil (10) aufgrund des Ableitens des Ausrichtungsmaterials (2) bewegt wird und die Auskoppelstelle (1K) des Bauteils (10) zur vordefinierten Einkoppelstelle (9K) des Einkoppelelements (9) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem sich ein Ausrichtungskanal (95) entlang vertikaler oder lateraler durch das Einkoppelelement (9) hindurch erstreckt und der Ausrichtungskanal (95) zur Ableitung des Ausrichtungsmaterials (2) eingerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einkoppelelement (9) zumindest eine Stoppstruktur (92) aufweist, die eine weitere Bewegung des Bauteils (10) verhindert, nachdem die Auskoppelstelle (1K) des Bauteils (10) die vordefinierte Einkoppelstelle (9K) des Einkoppelelements (9) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Stoppstruktur (92) ein integraler Bestandteil des Einkoppelelements (9) ist, wobei die Stoppstruktur (92) in Form einer vertikalen Vertiefung (5), einer vertikalen Erhöhung (6), einer lateralen Ausbuchtung (7) oder einer lateralen Einbuchtung (8) ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine Verbindungsschicht (3) zum Fixieren des Bauteils (10) am Einkoppelelement (9) verwendet wird, wobei Material der Verbindungsschicht (3) verschieden vom Ausrichtungsmaterial (2) ist und zumindest sich während der unterstützten Selbst-Ausrichtung oder während des Fixierens des Bauteils (10) zwischenzeitlich in flüssigem Aggregatzustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6 bis 10, bei dem das Ausrichtungsmaterial (2) nicht nur zur Ausrichtung des Bauteils (10) sondern gleichzeitig zur dauerhaften Fixierung des Bauteils (10) am Einkoppelelement (9) dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - das Einkoppelelement (9) mehrere Einkoppelstellen (9K) aufweist, - mehrere Bauteile (10) am Einkoppelelement (9) befestigt werden, wobei die Bauteile (10) jeweils eine Auskoppelstelle (1K) aufweisen, die zu einer der Einkoppelstellen (9K) des Einkoppelelements (9) ausgerichtet ist, und - die Bauteile (10) vor der Befestigung gleichzeitig in einem gemeinsamen Verfahrensschritt zu den Einkoppelstellen (9K) des Einkoppelelements (9) ausgerichtet werden.
Bauelement (100) mit einem Einkoppelelement (9) und zumindest einem am Einkoppelelement (9) dauerhaft fixierten Bauteil (10), wobei - das Einkoppelelement (9) zumindest eine Einkoppelstelle (9K) aufweist, - das Bauteil (10) eine Auskoppelstelle (1K) aufweist, die an die Einkoppelstelle des Einkoppelelements (9) angrenzt und zu dieser ausgerichtet ist, und - das Bauteil (10) ein magnetisches Ausrichtungsmaterial (2) aufweist oder das Einkoppelelement (9) zumindest einen Ausrichtungskanal (95) aufweist.
Bauelement (100) nach Anspruch 14, wobei - das magnetische Ausrichtungsmaterial (2) ein ferromagnetisches Metall ist, oder - das magnetische Ausrichtungsmaterial (2) ein permanentes magnetisches Material, - das magnetische Ausrichtungsmaterial (2) ein elektromagnetisches Material ist, das eine Spule bildet.
Bauelement (100) nach Anspruch 14, bei dem sich der Ausrichtungskanal (95) entlang vertikaler oder lateraler durch das Einkoppelelement (9) hindurch erstreckt.
Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei - das Einkoppelelement (9) zumindest eine Stoppstruktur (92) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Auskoppelstelle (1K) des Bauteils (10) an der Einkoppelstelle (9K) des Einkoppelelements (9) auszurichten, und - die Stoppstruktur (92) ein integraler Bestandteil des Einkoppelelements (9) ist, wobei die Stoppstruktur (92) in Form einer vertikalen Vertiefung (5), einer vertikalen Erhöhung (6), einer lateralen Ausbuchtung (7) oder einer lateralen Einbuchtung (8) ausgeführt ist.
Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem ein Lichtleiter (94) im Einkoppelelement (9) eingebettet ist, der sich entlang lateraler Richtung von der Einkoppelstelle (9K) bis zu einer Strahlungsaustrittsfläche (91) des Einkoppelelements (9) erstreckt.
Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 18 mit einer Mehrzahl von Bauteilen (10), bei dem - das Einkoppelelement (9) mehrere Einkoppelstellen (9K) und mehrere Lichtleiter (94) aufweist, - die Lichtleiter (94) im Einkoppelelement (9) eingebettet und jeweils an einer der Einkoppelstellen (9K) gekoppelt sind, und - die Bauteile (10) jeweils eine Auskoppelstelle (1K) aufweisen, die zu einer der Einkoppelstellen (9K) des Einkoppelelements (9) ausgerichtet ist.