EP1853943A2 - Verfahren zur herstellung eines optischen und eines strahlungsemittierenden bauelementes und optisches sowie strahlunsemittierendes bauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines optischen und eines strahlungsemittierenden bauelementes und optisches sowie strahlunsemittierendes bauelement

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EP1853943A2
EP1853943A2 EP06706018A EP06706018A EP1853943A2 EP 1853943 A2 EP1853943 A2 EP 1853943A2 EP 06706018 A EP06706018 A EP 06706018A EP 06706018 A EP06706018 A EP 06706018A EP 1853943 A2 EP1853943 A2 EP 1853943A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
optical component
component
precursor
hybrid material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06706018A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bert Braune
Herbert Brunner
Harald JÄGER
Jörg SORG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1853943A2 publication Critical patent/EP1853943A2/de
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an optical and a radiation-emitting component by means of a shaping process (molding process) and an optical and a radiation-emitting component.
  • GB 1 423 013 describes a light-emitting diode whose semiconductor chip is embedded in transparent resins using a transfer molding process. Among other things, there is mentioned the possibility to encase the chip with silicone resin.
  • EP 1 424 363 A1 describes the use of various silicone resins having a viscosity below one pascal second in conjunction with light-emitting diodes.
  • WO 01/50540 A1 describes a surface-mountable light-emitting diode source in which a radiation-emitting semiconductor chip is encapsulated on a lead frame by a transfer molding process with a synthetic resin.
  • the synthetic resin compound forms the housing of the light-emitting diode light source.
  • Optical components often show a material degradation when they are in the beam path of radiation-emitting electronic components, such as light-emitting diodes (LED) that emit in the ultraviolet or blue spectral range.
  • LED light-emitting diodes
  • Such material degradation caused by the influence of the high energy ultraviolet or blue radiation, causes such optical devices to have a finite life, the lifetime being given by the time that the intensity of the radiation transmitted through the optical device is half that of its initial one Value has dropped.
  • the material degradation can be manifested, for example, by discoloration, in particular by yellowing or browning, as well as by embrittlement and cracking of the regions of the optical component which are located in the beam path of the radiation-emitting electronic component.
  • discoloration in particular by yellowing or browning
  • thermoplastics in the production of radiation-emitting components or optical components, transparent thermoplastics, resins or glass have been used.
  • Thermoplastics are characterized by cost-effective and simple processing. However, they have a low radiation resistance for short-wave radiation and have a limited operating temperature.
  • thermosets are characterized by relatively high temperature resistance and good impression properties as well as dimensional stability.
  • the thermosets also have a low radiation resistance for short-wave radiation. The processing process is expensive and involves comparatively high material costs.
  • Glass is characterized by good aging and good temperature stability, but high costs for the material and the machining processes.
  • silicone resins have been limited. Although silicone resins are stable to radiation or aging, the molding processes (injection molding processes or molding) for silicone resins are comparatively time-consuming and expensive. The components produced by known previous methods have a too low for practical use dimensional stability.
  • the invention has for its object to provide an optical device and a radiation-emitting device and method for their production, which results in the improvement using the use of silicone resin and a molding process.
  • the invention is further based on the object of specifying an optical component and a radiation-emitting component and method for the production thereof, wherein an epoxy resin is used in a molding process.
  • a further object of the invention is to specify an optical component and a radiation-emitting component and method for the production thereof, wherein a hybrid component silicone resin ridging material with an admixture of suitable other resins is used.
  • the invention further relates to optical components and radiation-emitting components which are produced by a method according to the invention.
  • a method according to the invention for producing an optical and a radiation-emitting component using an injection molding method has the feature that a silicone resin with a viscosity in the range of 4.5 to 20 pascal-seconds (Pa s ), measured at room temperature.
  • a viscosity of 10 Pa s at room temperature proves to be advantageous.
  • the silicone resin used is adapted to the shaping process such that short machine cycle times effective and cost-effective production processes for aging-stable components are made possible.
  • process temperatures of between 100 and 220 degrees Celsius, preferably between 130 and 180 degrees Celsius, are used for the injection molding process (injection molding). In a preferred embodiment, the process temperature is 150 degrees Celsius.
  • injection pressures of up to 1000 bar, in particular between 50 and 100 bar are used.
  • the molding composition contains admixtures for demolding or separation.
  • admixtures for demolding or separation are wax-based materials or metal soaps with long-chain carboxylic acids.
  • Such admixtures for demolding or separation can be used not only in conjunction with silicone resins but also in conjunction with other molding compositions, in particular also curing molding compositions which have, for example, epoxies or hybrid materials.
  • the molding compound used has a conversion substance.
  • the conversion substance dispersed in the molding composition can be an inorganic be beautiful phosphor pigment powder containing phosphors having the general formula A 3 B 5 X 12 : M.
  • phosphors are sulfide- and oxy-sulfide-based host lattices, aluminates and borates with metal centers which can be excited in the short-wave range.
  • Organometallic phosphor systems can also be used.
  • the phosphor pigments may also comprise a plurality of different phosphors and the conversion substance may contain a plurality of different phosphor pigments. Furthermore, the conversion substance may contain soluble and sparingly soluble organic dyes and phosphor mixtures.
  • an adhesion promoter preferably in liquid form, is added to the preferably predried conversion substance in order to improve the adhesiveness of the conversion substance with the molding composition.
  • the adhesion promoter comprises 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane and / or further derivatives based on trialkoxysilane.
  • the use of a primer is not limited to use in conjunction with silicone resins.
  • such adhesion promoters can also be used to improve the adhesion of a conversion substance with curable molding compositions comprising, for example, epoxies or hybrid materials.
  • the modification of the phosphor surfaces single and / or multi-functional use polar agents with carboxylic acid, carboxylic ester, ether and / or alcohol groups. It may be particularly advantageous to use diethylene glycol monomethyl ether. By such a modification, the wettability of the high-energy phosphor surfaces can be increased and thus the compatibility and dispersion can be improved during processing with the molding composition.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is formed when fillers are added to the molding compound to increase the refractive index.
  • Fillers may in particular contain glass particles, TiO 2 , ZrO 2 , CtAl 2 O 3 , or other metal oxides.
  • fillers may be incorporated with high refractive index non-oxide materials, such as gallium nitride.
  • the cycle times of the molding process are between 30 seconds and two minutes.
  • the cycle time includes the injection time and the curing time of the molding compound in the mold.
  • the injection times can be in a range of up to 25 seconds, preferably less than 25 seconds, so that so-called wire sweep, as occurs at too high a transfer speed or high viscosity, is avoided.
  • a molding process for example an injection molding process, a transfer molding process or a molding process
  • a high transfer rate of the molding compound for example caused by a high injection pressure or a high molding speed, and a high viscosity of the molding compound can cause a disadvantageous deformation of a bonding wire to a decontacting of the electronic component by interrupting the electrical conduction via the bonding wire.
  • the optical component is produced by one of the aforementioned methods.
  • Another method according to the invention for producing a radiation-emitting component is characterized in that in a transfer molding process epoxy resins having a viscosity of 4 to 35 Pa s, measured at 150 degrees Celsius, or silicone resins with an admixture of epoxy resins (hybrid material) between 30 and 80% and a viscosity between 0.9 and 12 Pa s, measured at room temperature.
  • prefabricated components for example electronic components, are provided with a molding compound and / or encapsulated at least in some areas by means of the transfer molding process.
  • a clear epoxy-based molding compound is used, preferably an epoxy resin is used with the composition 10-20% of tris (2,3-epoxypropyl) -1,3,5-triglycidyl isocyanurate, 20-35% of tetrahydrophthalic anhydride, 45% of bisphenol A epoxy resin and 2-3% of quartz glass, available, for example, under U.S. Pat Brand name Nitto NT 300H-10025.
  • the epoxy resin has a viscosity of 10 Pa s, measured at 150 degrees Celsius.
  • the hybrid material comprises a silicone resin with a 50 percent admixture of epoxy resins.
  • the process temperature in the transfer molding method is between 100 and 220 degrees Celsius, preferably between 130 and 180 degrees Celsius. It may be particularly advantageous if the process temperature is 150 degrees Celsius.
  • injection pressures of between 50 and 100 bar are used in the transfer molding process.
  • the molding compound used contains an admixture for demolding or separation, in particular wax-based materials or metal soaps with long-chain carboxylic acids.
  • the molding compound used has a conversion substance.
  • the conversion substance dispersed in the molding composition may be an inorganic phosphor pigment powder containing phosphors having the general formula A 3 B 5 Xi 2 : M.
  • particles from the group of cerium-doped garnets can be used as the phosphor pigments, in particular cerium-doped yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 2 : Ce, YAG: Ce), cerium-doped terbium aluminum garnet (TAG: Ce), cerium-doped Terbium-yttrium aluminum garnet (TbYAG: Ce), cerium-doped gadolinium-yttrium aluminum granite (GdYAG: Ce) and cerium-doped gadolinium-terbium-yttrium aluminum garnet (GdTbYAG: Ce).
  • phosphors are sulfide- and oxysulfide-based host lattices, aluminates and borates with correspondingly short-wavelength excitable metal centers.
  • Organometallic phosphor systems can also be used.
  • the phosphor pigments may also comprise a plurality of different phosphors and the conversion substance may contain a plurality of different phosphor pigments. Furthermore, the conversion substance may contain soluble and sparingly soluble organic dyes and phosphor mixtures.
  • the adhesion promoter preferably pre-dried conversion substance
  • the adhesion promoter is preferably added in liquid form in order to improve the adhesion of the conversion substance to the plastic molding compound.
  • mono- and / or polyfunctional polar agents with carboxylic acid, carboxylic ester, ether and / or alcohol groups to modify the phosphor surfaces.
  • diethylene glycol monomethyl ether diethylene glycol monomethyl ether. The use of such additives can improve the wettability of the high-energy phosphor surfaces and thus the compatibility and dispersion during processing with the molding composition.
  • fillers may include glass particles, TiO 2 , ZrO 2 , (XAl 2 O 3 or other metal oxides, and fillers may be incorporated with high refractive index non-oxide materials such as gallium nitride.
  • the transfer molding process cycle times between two and eight minutes, in particular it may be advantageous if the method has a cycle time of five minutes, further it may be particularly advantageous if the method has a cycle time of up to three minutes , especially less than three minutes, since longer cycle times generally reduce the economics of the process.
  • the cycle time includes the injection time and the curing time of the molding compound in the mold.
  • the injection times may be in a range of up to 25 seconds, preferably less than 25 seconds.
  • Short curing times and short process times are advantageous for the production process, so that the output quantity, ie the production quantity, is not too low, so that the manufacturing costs of the components remain within the scope of economic efficiency.
  • a radiation-emitting semiconductor component is produced by one of the methods according to the invention.
  • a radiation-emitting component is produced, which has an optical component which is produced by one of the methods according to the invention.
  • an optoelectronic semiconductor component is followed by an optical component produced by a method according to the invention.
  • downstream here and below means that the optical component is located in the beam path of the radiation-emitting semiconductor component.
  • a preformed housing (Premolded Package) an encapsulation of a semiconductor chip according to one of the inventive method.
  • a preformed housing has an encapsulation of a semiconductor chip within the preformed housing according to a method according to the invention and an optical component arranged downstream of the semiconductor chip.
  • a semiconductor chip is encapsulated on a base body (base package) with a silicone resin mixture by a method according to the invention.
  • an optical component is arranged downstream of an overmolded semiconductor chip in the emission direction, the optical component being produced by a method according to the invention.
  • the silicone mixture of the encapsulation of the semiconductor component has a lower dimensional stability than that of the silicone mixture of the downstream optical component. This embodiment is particularly advantageous for power designs.
  • the invention comprises a method for producing an optical component, wherein the optical component is produced from a material comprising a hybrid material, wherein the hybrid material - Has as a first component at least one siloxane-containing compound and
  • - has as a second component compounds whose functional groups are selected from epoxide groups, imide groups and acrylate groups.
  • a hybrid material for producing an optical component makes it possible for the optical component advantageous properties of Siloxan phenomenon- containing compounds, such as silicones, advantageous for the optical component properties of compounds with epoxy, imide, and acrylate groups, in particular thermosets, for example Epoxy resins, polyimide resins and acrylic resins.
  • Advantageous properties of siloxane-containing compounds are, for example, temperature resistance and aging stability.
  • Advantageous properties of compounds having epoxy, imide and acrylate groups, such as those having optically transparent polymers are, for example, short curing times and good adhesion of the material to surfaces comprising, for example, copper, silver or silicon.
  • hybrid materials can have advantageous properties such as a high hardness and high elasticity and in particular a lower brittleness and brittleness compared to silicones which have a high hardness in the cured state.
  • hybrid materials can have good optical properties, in particular high transparency for electromagnetic radiation of at least one wavelength range, and thus can advantageously be used for the production of an optical component.
  • the optical component is formed from the hybrid material.
  • the first and second components of the hybrid material comprise monomers. In a crosslinking of the monomers in the context of a polymerization process, the monomers of the first and the second component form a copolymer.
  • the first component and the second component of the hybrid material comprise polymers.
  • the first component polysiloxanes and the second component polymers which are selected from epoxy resins, polyimides and polyacrylates.
  • the polymers crosslink with one another in the course of a curing process, the polymers form a polymer mixture in which the individual polymers are crosslinked with one another.
  • the second component of the hybrid material additionally comprises siloxane groups.
  • the hybrid material in further embodiments has a siloxane content in a range of 10 to 90% by weight.
  • the hybrid material has a siloxane content in a range from 40 to 60% by weight, in particular 40% by weight or 50% by weight.
  • the hybrid material before curing that is, uncrosslinked, a viscosity of 0.5 to 200 Pa s, measured at room temperature, on.
  • the hybrid material is pre-cured to a precursor solid at room temperature.
  • the uncrosslinked hybrid material is suitable. Neten conditions exposed, for example, a temperature, a pressure, electromagnetic radiation, for example, radiation in the ultraviolet or infrared wavelength range, or a combination thereof, so that a crosslinking reaction between the first component and the second component of the hybrid material begins.
  • the crosslinking reaction can come to a standstill and the hybrid material, which now partially crosslinks the first component and the second component, forms a solid at room temperature precursor ,
  • the precursor thus obtainable can be in any solid form, for example in plate or block form.
  • the preliminary product obtainable in this way is comminuted, for example by grinding or crushing, and is thereby converted, for example, into a granular form or a powder form.
  • the powder form of the precursor is particularly suitable for adding further powdery materials, for example fillers or wavelength conversion substances, to the precursor.
  • a precursor present in powder form is pressed into a mold, for example into a tablet or pellet form.
  • an exact dosage of the precursor with regard to the weight and an exact geometrical adaptation, for example with regard to the dimensions of the mold can advantageously take place.
  • the precursor can be provided for the further process in suitable amounts and dimensions.
  • the hybrid material may be formed into a particulate form, such as a pellet or tablet form, by a molding process such as casting and subsequent partial cure.
  • the first component and the second component of the precursor can be further crosslinked to the precursor and placed in a mold, i. the precursor is further cured.
  • the conditions may be the same or different as in the preparation of the precursor.
  • the optical component of the hybrid material or the precursor is formed as a shaped body.
  • the shaped body is advantageously formed in a cavity of a molding tool, wherein the optical component is produced with a shape corresponding to the shape of the cavity.
  • a compression molding, a transfer molding, or an injection molding process can be used.
  • the shaped body can have any shape suitable for the optical component.
  • the molding is formed from the precursor in a transfer molding process.
  • the precursor in solid form, for example, in pressed into tablets powder, the injection molding machine supplied.
  • the transfer molding process is carried out at a temperature between 100 and 220 degrees Celsius, preferably in a range of 130 to 180 degrees Celsius, wherein the precursor preferably liquefies again.
  • the liquefied intermediate product is thereby introduced into the cavity by means of a gating system of the mold injected, whereby a pressure of 50 to 100 bar can prevail.
  • the precursor has a viscosity in a range of 1 mPa s to 30 Pa s at a temperature of 150 degrees Celsius.
  • the precursor at 150 degrees Celsius a comparable or higher viscosity than molding compositions based on epoxy, particularly preferably viscosities of more than 4 Pa s, more preferably of more than 10 Pa s.
  • the precursor can be processed in conventional injection molding machines, with no or only small adjustments of the injection molds are necessary, in particular with respect to venting of the cavity or the Angusssystems, with regard to injection points and Entformschrägen.
  • a higher viscosity reduces the tendency to flash, the so-called flash.
  • the susceptibility of the method to thickness tolerances and unevenness of the substrate can be reduced by a higher viscosity.
  • the hybrid material or precursor is hardened to form a cured hybrid material.
  • the curing of the hybrid material occurs by a crosslinking reaction of the first component and the second component under suitable conditions, for example, a temperature, pressure, electromagnetic radiation, or a combination thereof.
  • the curing of the precursor takes place by a continuation of the crosslinking reaction under suitable conditions, for example a temperature, a pressure, an electromagnetic radiation. or a combination thereof.
  • suitable conditions for example a temperature, a pressure, an electromagnetic radiation. or a combination thereof.
  • the conditions during curing of the precursor may be the same or different as in the preparation of the precursor of the hybrid material.
  • curing of the hybrid material or precursor to a cured hybrid material as a shaped article occurs at least partially in the cavity of a molding tool.
  • Complete cure of the hybrid material or precursor to a cured hybrid material may also occur in the cavity of the mold or, alternatively, outside the cavity of the mold. The conditions during curing can be kept constant or varied.
  • Complete curing preferably means the greatest possible crosslinking of the first component and the second component.
  • the hybrid material or precursor has a cure time of less than 5 minutes. Short curing times can be beneficial for short machine cycle times, which can have a positive effect on the economics of the process.
  • the cured hybrid material has a hardness in a range from 80 Shore A to 80 Shore D, preferably more than 60 Shore D.
  • Compounds with epoxy, imide and acrylate groups in the cured state can reach a high hardness, which can be advantageous for the stability and the further processibility of a component.
  • a hybrid material can thus have a higher hardness and less brittleness.
  • a high hardness can in Connection with a high stiffness of the molding may be advantageous, for example, in terms of easier separation of the Angusssystems of the mold after injecting the hybrid material or the precursor into the ceramics of the mold.
  • the optical component can advantageously have a high resistance to mechanical influences given a high hardness of the cured hybrid material.
  • a high hardness in a further mechanical processing of the optical component for example by sawing.
  • the method for producing an optical component in which the optical component is produced from a material comprising a hybrid material comprises the following method steps:
  • the transfer of the precursor obtained from the hybrid material by means of precuring into a liquid or doughy state can be effected by the action of heat and / or pressurization.
  • the transfer of the precursor into a liquid or doughy state can take place in a gating system of a transfer molding or injection molding tool.
  • the precursor can be introduced in the liquid or solid state into the cavity of the mold.
  • the precursor at least partially fill the cavity in the cavity and thus take a corresponding shape.
  • the shape of the cavity for the cured hybrid material can be obtained.
  • the method for producing an optical component comprises the additional method steps to be carried out before method step A): Al) precuring the hybrid material to form a precursor which is solid at room temperature,
  • the transfer of the comminuted, present for example in powder or granular form precursor can be done by agglomeration or compaction, advantageously by pressing.
  • the compact form can be a tablet or a pellet form.
  • a film is at least partially applied (foil molding) on the inner wall of the cavity prior to adding the hybrid material or the precursor into the cavity of the mold.
  • the film is attached to be in the following molding process between the hybrid material or precursor and the interior wall of the cavity, thereby avoiding wetting of the interior wall of the cavity and consequent adherence of the hybrid material or precursor to the interior wall of the cavity can.
  • Particularly advantageous is the use of a heat-resistant film which expands under the influence of temperature.
  • the use of a film may be particularly advantageous when using a hybrid material or low viscosity precursor. This can reduce the need for a necessary after the molding process required cleaning process of the mold. It is advantageous if the film does not affect the shape of the cavity, for example, if the film is very thin. It is particularly advantageous if the film is not thicker than 40 microns.
  • the film rests entirely on the inner wall of the cavity and thus adapts to the shape of the inner wall of the cavity.
  • This can be done for example by sucking the film to the inner wall of the cavity by means of a suitable structure of the inner wall of the cavity.
  • a suitable structure of the inner wall may, for example, have a multiplicity of openings and / or areas with a porous material, through which the film can be sucked in via a vacuum system which generates a negative pressure at least in the vicinity of the inner wall.
  • the film expands under additional temperature action. Thereby, a complete concern of the film on the inner wall of the cavity can be favorably influenced.
  • the hybrid material or the precursor does not or only slightly adheres to the film, so that after the molding process, an easy removal of the film can be done with a slight influence on the surface of the at least partially cured hybrid material.
  • the film an improved sealing of the cavity and / or the area to be formed can take place.
  • the use of a film may be advantageous because the wetting of areas, for example of the mold, which are to remain free of the hybrid material or the precursor, can be substantially reduced and thus less burring (flash) occurs. As a result, advantageously a downstream cleaning process can be avoided.
  • a mold release agent is additionally added to the hybrid material or the precursor. It is advantageous if the mold release agent does not significantly affect the optical properties of the optical component to be produced and is additionally resistant to aging.
  • the use of a mold release agent may prove to be particularly advantageous in the manufacture of the optical component, since the use of the mold release agent facilitates the detachment of the at least partially cured hybrid material from the mold. This can be particularly advantageous if, due to special properties of the optical component to be produced, in particular if the optical component to be manufactured contains very small structures, no other possibilities of facilitated demolding are possible, for example way by the attachment of a film on the inner wall of the cavity of the mold.
  • a wavelength conversion substance is admixed with the hybrid material or the precursor.
  • Wavelength conversion materials are suitable for absorbing at least a portion of radiation that passes through the optical component in a first wavelength range and for emitting electromagnetic radiation having a second wavelength range that differs from the first wavelength range.
  • a wavelength conversion substance can in particular have inorganic phosphor powders comprising nitrides and / or silicates, as well as, for example, cerium-doped yttrium aluminum garnet and cerium-doped terbium aluminum garnet powders and combinations thereof.
  • Suitable organic and inorganic phosphors are listed, for example, in the publications WO 01/50540 A1 and WO 98/12757 A1, the disclosure of which relates to the phosphors hereby incorporated by reference.
  • the wavelength conversion substance is added to the hybrid material.
  • the hybrid material is precured to a precursor, whereby a mixture of the precursor and the wavelength conversion substance is obtained, which is present for example in the form of plates.
  • the mixture thus obtained from the precursor and the wavelength solution can be comminuted, preferably ground to a powder, and the powder mixture thus obtained can be brought into a compact form, preferably being pressed into tablets.
  • the wavelength conversion substance is added to the precursor, which is present for example as a coherent solid, in particular as a plate or as a block.
  • the precursor may be present as granules.
  • the precursor is comminuted to powder together with the added wave conversion substance and the powder mixture thus obtained is brought into a mold, preferably pressed into tablets.
  • wavelength konversionsstof 'f a precursor in powder form and added to the powder mixture thus obtained is placed in a mold, preferably compressed into tablets.
  • Accurate adjustment of the color location and the saturation of the emission radiation of the optical component can be made possible by the possibility of precise mixing of the wavelength conversion substance.
  • a homogeneous color impression of the exit radiation can be made possible by avoiding sedimentation of the wavelength conversion substance by short curing times of the hybrid material.
  • the wavelength conversion substance is selected such that at least part of the radiation entering the optical component is converted to another wavelength.
  • the radiation entering the optical component can have a wavelength in the range from ultraviolet to green radiation and the converted radiation has a wavelength in the range from green to red radiation. Will only a portion of the radiation entering the optical component is converted to a different wavelength and / or at least a portion of the radiation entering the optical component is converted to at least two wavelengths, a mixed-color emission spectrum of the output radiation can be generated.
  • the selection of the wavelength conversion substance is carried out depending on the wavelength spectrum of the radiation entering the optical component and on the desired emission spectrum.
  • the wavelength conversion substance is selected such that the radiation entering the optical component has a wavelength in the range of blue radiation and the radiation emerging from the optical component has a mixture of several wavelength ranges, giving the impression of a white light ,
  • a material for increasing the refractive index is added to the hybrid material or the precursor.
  • An increase in the refractive index can be advantageous, for example, for the production of lenses or other refractive optical components.
  • the material to increase the refractive index may be chemically bonded to the hybrid material, in particular it may have chemically bonded titanium, zirconium and / or sulfur.
  • the material for increasing the refractive index in the form of an oxide may be admixed with the hybrid material or the precursor, which may in particular be a metal oxide, for example TiO 2 , ZrO 2 , QfAl 2 O 3 .
  • particles can be added to the hybrid material or the precursor, in particular to glass particles. Kel.
  • materials may be incorporated with high refractive index non-oxide materials, such as gallium nitride.
  • an optoelectronic component is encapsulated by an optical component comprising the cured hybrid material or precursor, wherein the optical component and the optoelectronic component are arranged relative to one another such that the optical component encloses the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component can be arranged on a substrate or not.
  • the optical component is designed so that it is at least partially formed on the optoelectronic component such that the optoelectronic component is in contact with the optical component.
  • the optical component encloses the optoelectronic component at least partially positively.
  • an optoelectronic component is encapsulated by an optical component, wherein the optoelectronic component is arranged on a substrate and the optical component is arranged above the optoelectronic component such that the optoelectronic component is enclosed by the substrate and the optical component ,
  • the optical component can also be part of an encapsulation of an optoelectronic component.
  • an optoelectronic component is mounted on a substrate during the Curing the hybrid material or the precursor at least partially enclosed by this.
  • the hybrid material or the precursor can be at least partially or completely cured.
  • the optoelectronic component is mounted on a substrate in the cavity of the molding tool such that the hybrid material or the precursor is at least partially molded onto the optoelectronic component during injection into the cavity.
  • the hybrid material or the precursor completely or at least partially enclose the optoelectronic component and the substrate.
  • a suitable geometry of the substrate may prove advantageous when the cured hybrid material has a low hardness.
  • the dimensional stability of the optical component can advantageously be influenced, in particular increased approximately.
  • a radiation-emitting optoelectronic component is used as an optoelectronic component.
  • This is preferably a radiation-emitting semiconductor chip z.
  • B. a luminescence diode chip such as a light-emitting diode chip, a semiconductor chip, a thin-film light-emitting diode chip, or an organic, electroluminescent LED chip (OLED).
  • a thin-film light-emitting diode chip is distinguished, in particular, by the following characteristic features: on a first main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence which faces toward a carrier element, a reflective layer is applied or formed which forms at least part of the epitaxial layer sequence generated electromagnetic radiation reflected back into this; the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m; and the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, ie it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • OLEDs consist of electroluminescent organic layers, which are arranged between two electrodes. When an electric potential is applied to the electrodes, light is emitted due to recombinations between electrons and "holes" injected into the organic layers.
  • a radiation-receiving optoelectronic component is used as an optoelectronic component, for example a photodiode, a phototransistor or a photo IC.
  • a radiation-emitting semiconductor chip is used as the optoelectronic component, which in operation irradiates radiation with a white light. lenin from a wavelength range from ultraviolet to green can send out.
  • a radiation-emitting semiconductor chip is used, which can emit radiation in the blue wavelength range during operation.
  • the optoelectronic component can be arranged on a substrate, wherein the substrate has a leadframe, a printed circuit board, a flexmatarialbased design or a ceramic-based design.
  • the substrate and / or of the optoelectronic component that are in contact with the hybrid material or the precursor may be coated with a material that is suitable for adhesion between the substrate and / or the optoelectronic component and the hybrid material or to improve the precursor.
  • the material comprises a silicate, wherein in particular by flame pyrolysis of an organosilicon compound, a thin, very dense and firmly adhering silicate layer is applied to the substrate.
  • the silicate layer has a high surface energy and is therefore particularly suitable for increasing the adhesion of the hybrid material or the precursor to the substrate.
  • This embodiment of the method is particularly advantageous if the optical component has no mechanical anchoring to the substrate or the optoelectronic component, but adheres only to the substrate and / or to the electronic component.
  • the cavity of the mold can be formed such that in a molding process, a plurality of optical components is produced.
  • the plurality of optical components is produced in one piece, that is to say in such a way that the optical components after the forming process are connected at least in some areas.
  • the production of a plurality of optical components in a cavity facilitates the manufacturing process such that only one cavity has to be evacuated during the molding process. Such evacuation can take place via a common opening in the cavity for several or all regions of the cavity in which an optical component is formed.
  • the filling that is to say, for example, the injection of the molding compound into the cavity can take place via a common sprue system for several or all regions in which an optical component is formed.
  • This can be particularly advantageous if the optical components have a very small size, since a single cavity, in which only one optical component can be formed, must also have an opening for evacuating the cavity and a gating system.
  • the cavity is shaped such that the plurality of optical components is arranged in a row next to each other.
  • the cavity is shaped such that the plurality of optical components is arranged flat, that is, that the optical components are arranged side by side in a plane.
  • a plurality of components, which have been formed in a common cavity are separated after the molding process.
  • the Separation can be done by cutting, sawing, scribing, breaking, grinding, laser cutting or combinations thereof. It may be advantageous if the cavity between the areas in which the optical components are formed, has areas in which connection areas between the optical components are formed, in which the separation can be made. Such connection regions can advantageously be made thinner than the optical components and can have predetermined breaking points, for example.
  • a plurality of optoelectronic components are mounted in a common cavity.
  • the plurality of optoelectronic components can be formed and / or encapsulated by forming the plurality of optical components in a common molding process.
  • each optoelectronic component is mounted on a separate substrate, and the plurality of substrates with optoelectronic components is mounted in the cavity of the mold prior to the molding process.
  • a plurality of optoelectronic components are mounted on a common substrate, and the common substrate with the plurality of optoelectronic semiconductor components is mounted in the cavity of the mold prior to the molding process.
  • the subject of an embodiment of the invention is also an optical component obtainable by a method according to the invention.
  • the optical component is in the beam path of an electromagnetic radiation.
  • at least parts of the optical component are located in the beam path of an electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation can be emitted by a radiation-emitting component.
  • the optical component has at least regions in which the optical component is at least partially transparent to the electromagnetic radiation.
  • the transparency is preferably designed so that a reduction in the intensity of the radiation transmitted through the optical component can be reduced by the reflection or absorption process in the optical component or at the interfaces of the optical component.
  • the optical component has at least one first surface, into which the electromagnetic radiation enters and which is referred to as the entry surface. Furthermore, the optical component has at least one second surface from which the electromagnetic radiation exits again after propagation through at least individual regions of the optical component and which is referred to as the exit surface.
  • the entry surface and the exit surface of the optical component can be arbitrarily shaped and arbitrarily oriented towards each other.
  • the electromagnetic radiation entering the optical component and the electromagnetic radiation emerging from the optical component may differ in their properties, for example with regard to intensity, direction, wavelength, polarization and coherence length.
  • the optical component is in particular a radiation-diffractive optical component, a radiation-refractive optical component, a reflector, a wavelength converter, a housing, a part of a housing, an encapsulation, a part of an encapsulation or a combination thereof ,
  • the radiation-refractive optical component is a lens, in particular a spherical lens, an aspherical lens, a cylindrical lens or a Fresnel lens.
  • the subject of an embodiment of the invention is also an arrangement which comprises an optical component obtainable by a method according to the invention and an optoelectronic component.
  • the optical component is arranged above an optoelectronic component such that at least part of the optical component is located in the beam path of the optoelectronic component.
  • the optical component has a shape such that it at least partially encloses the optoelectronic component.
  • the optical component can thereby at least partially encapsulate the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component can be arranged on a substrate, wherein the optical component can be formed such that it encloses at least a part of the substrate.
  • the arrangement has a shape such that it can be surface-mounted.
  • FIG. 1 a schematic representation of a radiation-emitting semiconductor component with an optical component according to the invention
  • FIG. 2 another schematic representation of a radiation-emitting semiconductor component of the invention
  • FIGS. 3a and 3b show further schematic representations of radiation-emitting semiconductor components according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b further schematic representations of radiation-emitting semiconductor components according to the invention.
  • FIG. 5 a further schematic representation of a radiation-emitting semiconductor component
  • FIG. 6 another schematic representation of an arrangement with an optical component
  • FIGS. 7a to Ie further schematic representations of a production method of an arrangement with an optical component
  • FIG. 8 another schematic representation of an arrangement with an optical component.
  • an optical component 1 produced by a method according to the invention is arranged on a semiconductor chip 2, which is mounted on a substrate 3.
  • the optical component 1 is a so-called parabolic concentrator (CPC).
  • embodiments of the invention also include optical components such as lenses, diffractive optics, reflectors, or in general all types of optical components.
  • optical components By producing the optical components in a method according to the invention, it is possible to use silicone resins for the production of all common optical components.
  • the method according to the invention offers the possibility of producing optical components which combine the advantages of the aging stability of silicone resins with a significantly improved dimensional stability.
  • the exemplary embodiment of a radiation-emitting semiconductor component shown in FIG. 1 is a so-called chip-on-board assembly (COB).
  • COB chip-on-board assembly
  • the semiconductor chip 2 may be a conventional light-emitting diode chip or else a thin-film light-emitting diode chip.
  • the optical component 1 can take on several functions. It can serve for beam shaping, but also for converting the emission spectrum of the semiconductor chip. For this purpose, the shape Mass of the optical component 1, a so-called conversion substance admixed.
  • the conversion substance may be a phosphor pigment powder which converts, for example, a certain proportion of short-wave light into longer-wave radiation, so that the impression of a multicolored light source, in particular of a white light source, is produced.
  • optical components may be elliptical (compound elliptic concentrator, CEC) or hyperbolic concentrators (compound hyperbolic concentrator, CHC). These components may be provided with reflective side walls.
  • the light entry and light exit surfaces of the concentrators can have any desired geometric shapes, in particular ellipses, circles, squares and polygons of regular and irregular nature.
  • the concentrator is arranged downstream of the semiconductor chip and its main emission direction, i. it is located in the optical path of the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip 2 may additionally be surrounded by a frame on or in which the optical component 1 is attached.
  • the frame can fix the optical component 1 and / or adjust it relative to the chip outcoupling surface.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a radiation-emitting semiconductor component according to the invention.
  • a semiconductor chip 2 is disposed on a substrate 3.
  • the semiconductor chip 2 is followed by an optical component 12 according to the invention.
  • the optical component 12 is an optical system which is similar in its effect to a CPC optic. It has comparable efficiency and stands out through a simplified production.
  • the desired optical properties are achieved by straight side surfaces in combination with a curved exit surface.
  • the exemplary embodiment in FIG. 2, like the exemplary embodiment in FIG. 1, also relates to a so-called chip-on-board unit.
  • FIG. 3 shows, in the two image parts a and b, schematic illustrations of two embodiments of radiation-emitting semiconductor components according to the invention.
  • the two image parts a and b have in common that a semiconductor chip 2 is arranged within a preformed housing 4 and surrounded by an overmolded region 5.
  • the encapsulation of the region 5 can be carried out by a method according to the invention.
  • the optics 8 or 81 can be produced in a method step according to the invention together with the overmolded area 5 or can be produced separately by a method according to the invention and then arranged on the overmolded area 5.
  • Possible examples of optics 8 and 81 are Fresnel lenses, spherical lenses, aspherical lenses or diffractive optics.
  • FIG. 4 shows in the image parts a and b two further preferred embodiments of radiation-emitting semiconductor components according to the invention.
  • a semiconductor chip 2 which is arranged on a lead frame 6, surrounded in a transfer molding process with injection molding compound and there is a molded package 7.
  • This technique is already known, for example, Osram sells products according to this technique among the Trade names SmartLED or Firefly. So far, this manufacturing method for silicone-free resins could be applied.
  • the inventive method allows the use of silicone resins in this area.
  • An optic 82 or 83 can be arranged on the injection-molded housing 7.
  • This optics 82 and 83 can either be produced together with the injection-molded housing 7 in a transfer molding process, or else produced separately in a method according to the invention and then arranged on the injection-molded housing 7.
  • the mixture of silicone resins with epoxy resins to hybrid materials allows high dimensional stability and good adhesion of the molding compound to the lead frame 6 or the substrate.
  • the free connection of the lead frame 6 is electrically connected to the chip 2 by means of the contacting 13. The other electrical contact is at the chip bottom.
  • Both the injection-molded housing 7 and the optics 82 and 83 may contain conversion or phosphors.
  • the lead frame 6 may also have an S-shaped bend to form a surface-mountable, radiation-emitting semiconductor device.
  • Image part a in FIG. 4 shows an embodiment with a diffractive optic and image part b in FIG. 4 an embodiment with a spherical lens.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a radiation-emitting semiconductor component according to the invention.
  • a semiconductor chip 2 is arranged on a base package 9.
  • the semiconductor chip 2 is provided with an encapsulation 10, which is followed by an optical system 11.
  • the encapsulation 10 of the semiconductor chip 2 is a high radiation input. intensity.
  • the encapsulation 10 advantageously consists of a molding compound with a high proportion of silicone resin. Silicone resin meets the requirements for aging and radiation stability.
  • the lack of dimensional stability of the silicone resin is compensated in this embodiment by Nachorder a dimensionally stable optics 11.
  • the optic 11 therefore surrounds the encapsulation 10 and ensures its dimensional stability. Since the optic 11 itself has a proportion of silicone resins, their aging stability and radiation resistance is also increased and there is a good connection between the optic 11 and the encapsulation 10.
  • the encapsulation 10 of silicone resin and the optics 11 can be formed of the silicone / epoxy resin hybrid material, the difference in the refractive indices of the encapsulation and the optics is reduced in this embodiment.
  • an optical component 21 made from an intermediate product is shaped by means of a method according to the invention in a transfer molding process in such a way that it encloses an optoelectronic component 2 which is arranged on a leadframe 6.
  • the S-shaped bends of the lead frame 6, which are enclosed by the optical component 21, result in a mechanical anchoring of the lead frame 6 with the optical component 21.
  • the arrangement forms a surface-mountable component.
  • the precursor may be subjected to an internal molding prior to molding to the optical device 21 in the transfer molding process. be added separating agent, resulting in a simplified demolding after the molding process.
  • the optical component has, for example, a length of approximately 1.3 mm +/- 0.1 mm, a width of approximately 0.8 mm +/- 0, 1 mm and a height of approximately 0.3 mm +/- 0, 1 mm up.
  • the optical component has a length of about 1.7 mm +/- 0.1 mm, a width of about 0.8 mm +/- 0.1 mm and a height of about 0.65 +/- 0, 05 mm up.
  • the optical component can also, for example, have chamfers on the side surfaces 22, 23 with angles 31, 32 to a vertical 30 of 5 to 7 degrees. The chamfers, for example, facilitate removal from the mold after the transfer molding process. Alternatively, the angles can be 0 degrees.
  • the optoelectronic component is an LED chip, which is contacted by the side facing away from the substrate by means of a bonding wire 13.
  • it is an InGaN-based LED chip having an emission maximum at 470 nm.
  • a wavelength conversion substance to the hybrid material or to the precursor, for example based on YAG: Ce
  • no wavelength conversion substance is added to the hybrid material or the precursor. It shows the The radiation exiting the optical component, for example, the blue radiation emitted by the LED chip at 470 nm. Furthermore, the arrangement, for example, a radiation angle in the range of 130 to 170 degrees on the side remote from the substrate side of the optical component.
  • an optical component is arranged above a substrate with optoelectronic components within a method according to the invention.
  • FIG. 7 a shows a substrate 6 on which a plurality of optoelectronic components 2 are arranged in a cell-shaped manner next to each other along a direction 100.
  • the substrate 6 is, for example, a lead frame.
  • the optoelectronic components 2 are LED chips which are regularly spaced on the lead frame 6, for example at a distance 101 of 0.6 mm.
  • the light-emitting diodes have an edge length 102 in the row direction 100 of less than about 0.4 mm.
  • the number of arranged LED chips on a substrate may be dependent on the mold used and may be 26, for example (not shown).
  • the leadframe has a width of about 2.3 mm perpendicular to the row direction 100.
  • the lead frame 6 with the light emitting diodes 2 is mounted in a cavity 40 of a transfer molding tool.
  • the transfer molding tool has, for example, at least two parts 41, 42, which enclose the cavity 40.
  • the cavity has the shape of the optical component to be formed, in particular also regions 43 which, on the side facing away from the substrate 6 Cavity above the LED chips 2 are arranged.
  • the regions 43 are formed, for example, in the shape of a longitudinally cut cylinder and have, for example, a radius of about 0.225 mm.
  • a sprue system 45 Via a sprue system 45, a liquefied intermediate product is introduced into the cavity 40.
  • the precursor is at least partially cured in the cavity 40, advantageously, the precursor is cured to a cured hybrid material, wherein the optical component is formed.
  • the precursor contains an internal mold release agent.
  • the internal mold release agent facilitates the removal of the optical component from the parts 41, 42 of the transfer molding tool after curing.
  • the arrangement of the optical component 21, which is the lead frame 6 with the LED chips 2 according to Figure 7c formed, removed after curing of the hybrid material or Vorpordukts become.
  • the arrangement has areas 51, in which no LED chip 2 is located, and area 54, in each of which an LED chip is located.
  • the optical component 21 has regions 50 according to the shape of a cylinder cut lengthwise in the regions 54 of the arrangement on the side facing away from the substrate above the LEDs 2.
  • a separation of the areas 54 can be carried out. By separating each area receives 54 side surfaces 52. For example, a separation by sawing in the areas 51 are made with a saw width of 0.2 mm.
  • the one LED chip 2 on a lead frame 6 umformt having an optical component 21 By separating result from the isolated areas 54 arrangements according to the figures 7d and 7e, the one LED chip 2 on a lead frame 6 umformt having an optical component 21.
  • Figure 7d shows a front view of the arrangement
  • Figure 7e is a side view.
  • the assembly has a footprint of about 0.4 mm by 2.3 mm and a height of about 0.5 to 0.7 mm.
  • the optical member has side surfaces 52 formed by the dicing and a curved portion 50 in the form of a longitudinally cut cylinder.
  • the improved coupling-out or focusing of the radiation generated by the LED chip 2 can be achieved.
  • an optical component 21 is formed on a substrate 60 with an LED chip 2.
  • the substrate 2 is a printed circuit board (pcb).
  • the optical device may be molded to the substrate 60 and the LED chip by a transfer molding method using a foil for facilitated molding.
  • the molding of the optical component can take place on a printed circuit board with a plurality of LED chips.
  • the surface can be pretreated before the transfer molding process by means of flame silicate.
  • the arrangement can be singulated into arrangements which have an optical component molded onto a printed circuit board with an LED chip.
  • the optical component has, for example, a length of 1.1 mm to 1.3 mm, a width of 0.55 mm to 0.65 mm and a height of 0.3 mm to 0.7 mm.
  • the LED chip is an InGaN-based LED chip, which has an emission maximum at 470 nm having.
  • a wavelength conversion substance to the hybrid material or to the precursor, for example based on YAG: Ce
  • the LED chip can be selected so that the radiation emission is parallel to the surface 61.
  • measurements are shown for the aging stability of some materials for optical components.
  • the light intensity of a laser beam with a wavelength of 405 nm, a beam diameter of 20 micrometers and an output power of 25 mW after transmission through optical components with a thickness of 1 mm was measured by means of a photodetector.
  • the time is plotted in minutes, on the vertical axis the measured transmitted light intensity in units of the photocurrent.
  • the measurements 91, 92 optical components with commercial epoxy resins were used, while for the measurements 93, 94, 95 optical components, which were made of a hybrid material according to the invention were used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen und eines strahlungsemittierenden Bauelements mittels eines Molding-Prozesses und ein optisches sowie ein strahlungsemittierendes Bauelement mit definierter Viskosität.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines optischen und eines strah- lungsemittierenden Bauelementes und optisches sowie strah- lungsemittierendes Bauelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen und eines Strahlungsemittierenden Bauelements mittels eines Formgebungsprozesses (Molding Prozess) und ein optisches sowie ein Strahlungsemittierendes Bauelement.
In der GB 1 423 013 ist eine Leuchtdiode beschrieben, deren Halbleiterchip unter Verwendung eines Transfer-Molding- Prozesses in transparente Harze eingebettet ist. Unter anderem wird dort die Möglichkeit erwähnt, den Chip mit Silikonharz zu umgießen.
In der US 4,198,131 wird die Herstellung von optischen Elementen aus Silikonharzen für Kontaktlinsen beschrieben. Dort wird der erhöhte Tragekomfort durch die Verwendung von Silikonharzen hervorgehoben.
In der EP 1 424 363 Al wird die Verwendung verschiedener Silikonharze mit einer Viskosität unterhalb von einer Pascal- Sekunde in Verbindung mit Leuchtdioden beschrieben.
In der WO 01/50540 Al ist eine oberflächenmontierbare Leuchtdiodenquelle beschrieben, bei der ein strahlungsemittierender Halbleiterchip auf einem Leiterrahmen (Lead-Frame) durch einen Transfer-Molding-Prozess mit einem Kunstharz umspritzt ist. Die Kunstharzmasse bildet dabei das Gehäuse der Leucht- diodenlichtquelle . Optische Bauelemente zeigen häufig eine Materialdegradation, wenn sie sich im Strahlengang strahlungsemittierender elektronischer Bauelemente, beispielsweise Leuchtdioden (LED) die im ultravioletten oder blauen Spektralbereich emittieren, befinden. Eine solche Materialdegradation, hervorgerufen durch den Einfluss der energiereichen ultravioletten oder blauen Strahlung bewirkt, dass solche optischen Bauelemente eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, wobei die Lebensdauer durch die Zeit gegeben ist, nach der die Intensität der durch das optische Bauelement transmittierten Strahlung auf die Hälfte ihres anfänglichen Wertes abgesunken ist. Die Materialdegradation kann sich beispielsweise durch eine Verfärbung, insbesondere durch eine Vergilbung oder Braunfärbung, sowie durch eine Versprödung und Rissbildung der Bereiche des optischen Bauelements zeigen, die sich im Strahlengang des strahlungs- emittierenden, elektronischen Bauelements befinden. Durch Temperaturerhöhung und/oder zusätzliche Feuchtigkeitseinwirkung kann die Materialdegradation noch beschleunigt werden. Infolge einer fortschreitenden technischen Weiterentwicklung der LED-Halbleitermaterialien im Sinne einer Steigerung der Abstrahlleistung der LED-Halbleitermaterialien wird dabei die Lebensdauer der optischen Bauelemente zusätzlich herabgesetzt .
Bisher wurden bei der Herstellung von Strahlungsemittierenden Bauelementen bzw. optischen Bauelementen transparente Thermoplaste, Harze oder Glas verwendet.
Thermoplaste zeichnen sich durch kostengünstige und einfache Verarbeitung aus. Allerdings weisen sie eine geringe Strahlungsbeständigkeit für kurzwellige Strahlung auf und haben eine eingeschränkte Betriebstemperatur.
_ O _ Duroplaste hingegen zeichnen sich durch relativ hohe Temperaturbeständigkeit und gute Abformeigenschaften sowie Formtreue aus. Die Duroplaste weisen aber ebenso eine geringe Strahlungsbeständigkeit für kurzwellige Strahlung auf. Der Verar- beitungsprozess ist teuer und es fallen vergleichsweise hohe Materialkosten an.
Glas zeichnet sich durch gute Alterungs- sowie gute Temperaturstabilität aus, jedoch entstehen hohe Kosten für das Material und die Bearbeitungsprozesse.
Die Verwendung von Silikonharzen ist bisher nur eingeschränkt möglich. Silikonharze sind zwar strahlungs- beziehungsweise alterungsstabil, allerdings sind die Formungs-Prozesse (Spritzgussprozesse bzw. Molding) für Silikonharze vergleichsweise zeit- und kostenaufwendig. Die nach bekannten bisherigen Verfahren hergestellten Bauelemente weisen eine für die praktische Nutzung zu geringe Formstabilität auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement sowie ein Strahlungsemittierendes Bauelement und Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, bei denen unter der Verwendung von Silikonharz und eines Moldingprozesses eine Verbesserung entsteht.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement sowie ein Strahlungsemittierendes Bauelement und Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, wobei in einem Formprozess ein Epoxidharz verwendet wird.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement sowie ein Strahlungsemittierendes Bauelement und Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, wobei ein Hyb- ridmaterial aus Silikonharzen mit einer Beimischung von geeigneten weiteren Harzen verwendet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin optische Bauelemente und Strahlungsemittierende Bauelemente, die durch ein erfindungs- gemäßes Verfahren hergestellt werden.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Bauelements sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung eines optischen sowie eines Strahlungsemittierenden Bauelements unter Einsatz eines Spritzgussverfahrens (Injection Molding) weist insbesondere das Merkmal auf, dass als Formmasse ein Silikonharz mit einer Viskosität in einem Bereich von 4,5 bis 20 Pascal-Sekunden (Pa s) , gemessen bei Raumtemperatur, verwendet wird. Als vorteilhaft erweist sich dabei eine Viskosität von 10 Pa s bei Raumtemperatur.
Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Verwendung eines bei Raumtemperatur flüssigen Silikonharzes als Formmasse.
Bevorzugt werden klare Silikonharze verwendet, beispielsweise Silikone, die kommerziell von Dow-Corning erhältlich sind, um eine geeignete Transparenz des optischen sowie des strah- lungsemittierenden Bauelements für Strahlung zu gewährleisten.
Insbesondere ist das verwendete Silikonharz so an den Formge- bungsprozess angepasst, dass durch kurze Maschinenzykluszei- ten effektive und kostengünstige Herstellungsverfahren für alterungsstabile Bauelemente ermöglicht werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn durch höhere Viskositäten die Bildung von so genanntem Flash verringert wird. Unter Flash versteht der Fachmann einen unerwünschten Effekt, bei dem die Formmasse Bereiche benetzt, beispielsweise durch Kriechprozesse, die von der Formmasse vorteilhafterweise frei zu bleiben sind.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden für das Spritzgussverfahren (Injection Molding) Prozesstemperaturen zwischen 100 und 220 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 130 und 180 Grad Celsius angewendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Prozesstemperatur 150 Grad Celsius.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden Spritzdrücke bis zu 1000 bar, insbesondere zwischen 50 und 100 bar aufgewendet.
Es ist weiterhin vorteilhaft für das Verfahren, wenn die Formmasse Beimischungen zur Entformung oder Trennung enthält. Besonders vorteilhaft hierfür sind Materialien auf Wachsbasis oder Metallseifen mit langkettigen Carbonsäuren. Solche Beimischungen zur Entformung oder Trennung können nicht nur in Verbindung mit Silikonharzen sondern auch in Verbindung mit anderen Formmassen, insbesondere auch aushärtenden Formmassen, die beispielsweise Epoxide oder Hybridmaterialien aufweisen, verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die verwendete Formmasse einen Konversionsstoff auf. Der in der Formmasse dispergierte Konversionsstoff kann ein anorgani- sches Leuchtstoffpigmentpulver sein, das Leuchtstoffe mit der allgemeinen Formel A3B5X12 :M enthält. Insbesondere können als Leuchtstoffpigmente Partikel aus der Gruppe der Cer-dotierten Granate verwendet werden, dabei insbesondere Cer-dotiertes Yttriumaluminiumgranat (Y3Al5O12=Ce, YAG: Ce) , Cer-dotiertes Terbiumaluminiumgranat (TAG: Ce), Cer-dotiertes Terbium- Yttriumaluminiumgranat (TbYAG:Ce), Cer-dotiertes Gadolinium- Yttriumaluminiumgranant (GdYAG:Ce) und Cer-dotiertes Gadolinium-Terbium-Yttriumaluminiumgranat (GdTbYAGiCe) . Weitere mögliche Leuchtstoffe sind Wirtsgitter auf Sulfid- und Oxy- sulfidbasis, Aluminate und Borate mit entsprechend im kurzwelligen Bereich anregbaren MetallZentren. Auch metallorganische LeuchtstoffSysteme sind verwendbar. Die Leuchtstoffpig- mente können dabei auch eine Mehrzahl verschiedener Leuchtstoffe und der Konversionsstoff kann eine Mehrzahl verschiedener Leuchtstoffpigmente enthalten. Weiterhin kann der Konversionsstoff lösliche und schwer lösliche organische Farbstoffe und Leuchtstoffmischungen enthalten.
Es kann vorteilhaft sein, wenn dem vorzugsweise vorgetrockneten Konversionsstoff ein Haftvermittler, vorzugsweise in flüssiger Form, beigemengt wird, um die Haftfähigkeit des Konversionsstoffes mit der Formmasse zu verbessern. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn bei der Verwendung von anorganischen Leuchtstoffpigmenten der Haftvermittler 3- Glycidoxypropyltrimethoxysilan und/oder weitere Derivate auf Trialkoxysilan-Basis aufweist. Die Verwendung eines Haftvermittlers ist dabei nicht auf die Verwendung in Verbindung mit Silikonharzen beschränkt. Insbesondere können solche Haftvermittler auch zur Verbesserung der Haftfähigkeit eines Konversionsstoffs mit aushärtbaren Formmassen, die beispielsweise Epoxide oder Hybridmaterialien aufweisen, verwendet werden.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, zur Modifizierung der Leuchtstoffoberflächen einfach- und/oder mehrfachfunktionelle polare Agentien mit Carbonsäure-, Carbonsäureester-, Ether- und/oder Alkoholgruppen einzusetzen. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, Diethylenglykolmonoraethylether einzusetzen. Durch eine solche Modifizierung kann die Benetzbarkeit der hochenergetischen Leuchtstoffoberflächen erhöht werden und damit die Verträglichkeit und Dispergierung bei der Verarbeitung mit der Formmasse verbessert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht, wenn der Formmasse Füllstoffe zur Erhöhung des Brechungsindex beigemengt werden. Füllstoffe können insbesondere Glaspartikel, TiO2, ZrO2, CtAl2O3, oder andere Metalloxide enthalten. Weiterhin können Füllstoffe mit nicht-oxidischen Materialien mit hohem Brechungsindex beigemengt werden, beispielsweise etwa Galliumnitrid.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegen die Zykluszeiten des Formprozesses (Molding-Prozess) zwischen 30 Sekunden und zwei Minuten. Dabei beinhaltet die Zykluszeit die Einspritzzeit und die Aushärtezeit der Formmasse im Formwerkzeug. Insbesondere können die Einspritzzeiten in einem Bereich von bis zu 25 Sekunden, bevorzugt weniger als 25 Sekunden, liegen, so dass so genannter Wire Sweep, wie er bei einer zu hohen Transfergeschwindigkeit oder großer Viskosität auftritt, vermieden wird.
Unter Wire Sweep versteht der Fachmann in einem Formprozess, beispielsweise einem Spritzgussverfahren, einem Spritzpressverfahren oder einem Formpressverfahren, einen unerwünschten Effekt einer Formmasse insbesondere auf die elektrische Kon- taktierung von elektronischen Bauelementen, beispielsweise auf Bonddrähte, über die beispielsweise die elektrische Kon- taktierung von strahlungsemittierenden, elektronischen Bau- elementen erfolgt. Eine hohe Transfergeschwindigkeit der Formmasse, beispielsweise hervorgerufen durch einen hohen Spritzdruck oder eine hohe Pressgeschwindigkeit, und eine hohe Viskosität der Formmasse kann eine nachteilige Verformung eines Bonddrahtes bis hin zu einer Dekontaktierung des elektronischen Bauelements durch eine Unterbrechung der elektrischen Leitung über den Bonddraht bewirken.
Bei einer Ausführungsform eines optischen Bauelements ist das optische Bauelemente nach einem der vorgenannten Verfahren hergestellt .
Ein weiteres Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Spritzpressverfahren (Transfer Molding) Epoxidharze mit einer Viskosität von 4 bis 35 Pa s, gemessen bei 150 Grad Celsius, oder Silikonharze mit einer Beimischung von Epoxidharzen (Hybridmaterial) zwischen 30 und 80% und einer Viskosität zwischen 0,9 und 12 Pa s, gemessen bei Raumtemperatur, verwendet werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Spritzpressverfahren feste Materialien verwendet werden, insbesondere tab- lettenfδrmige Materialien.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden mittels des Spritzpressverfahrens vorgefertigte Bauelemente, beispielsweise elektronische Bauelemente, zumindest in Teilbereichen mit einer Formmasse versehen und/oder umspritzt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine klare Formmasse (Moldcompound) auf Epoxidbasis verwendet, vorzugsweise wird ein Epoxidharz verwendet mit der Zusammensetzung 10-20% Tris- (2, 3-epoxypropyl) -1,3 , 5-Triglycidyl-Isocyanurat, 20-35% Tetrahydrophthalsäureanhydrid, 45-S0% Bisphenol-A- Epoxidharz und 2-3% Quarzglas, erhältlich beispielsweise unter dem Markennamen Nitto NT 300H-10025.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Epoxidharz eine Viskosität von 10 Pa s, gemessen bei 150 Grad Celsius, auf. Dadurch ist eine gute Verarbeitbarkeit der Formmasse unter gleichzeitig reduzierter Beeinträchtigung eines zu umspritzenden elektronischen Bauelements gegeben, insbesondere dadurch, als dass insbesondere ab einer Viskosität von 50 Pa s, gemessen bei 150 Grad Celsius, ein Wire Sweep auftreten kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hybridmaterial ein Silikonharz mit einer 50-prozentigen Beimischung von Epoxidharzen auf .
Bei einer Ausführungsform der Verfahrens liegt die Prozesstemperatur bei dem Spritzpressverfahren (Transfer Molding) zwischen 100 und 220 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 130 und 180 Grad Celsius. Es kann dabei besonders vorteilhaft sein, wenn die Prozesstemperatur bei 150 Grad Celsius liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden bei dem Spritzpressverfahren Spritzdrücke zwischen 50 und 100 bar aufgewendet .
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen enthält die verwendete Formmasse eine Beimischung zur Entfor- mung oder Trennung, insbesondere Materialien auf Wachsbasis oder Metallseifen mit langkettigen Carbonsäuren . Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen weist die verwendete Formmasse einen KonversionsStoff auf. Der in der Formmasse dispergierte Konversionsstoff kann ein anorganisches Leuchtstoffpigmentpulver sein, das Leuchtstoffe mit der allgemeinen Formel A3B5Xi2 :M enthält. Insbesondere können als Leuchtstoffpigmente Partikel aus der Gruppe der Cer-dotierten Granate verwendet werden, dabei insbesondere Cer-dotiertes Yttriumaluminiumgranat (Y3Al5Oi2 : Ce, YAG: Ce), Cer-dotiertes Terbiumaluminiumgranat (TAG:Ce), Cer-dotiertes Terbium-Yttriumaluminiumgranat (TbYAG:Ce), Cer-dotiertes Gadolinium-Yttriumaluminiumgranant (GdYAG: Ce) und Cer-dotiertes Gadolinium-Terbium-Yttriumaluminiumgranat (GdTbYAG: Ce) . Weitere mögliche Leuchtstoffe sind Wirtsgitter auf Sulfid- und Oxysulfidbasis, Aluminate und Borate mit entsprechend im kurzwelligen Bereich anregbaren Metallzentren. Auch metallorganische LeuchtstoffSysteme sind verwendbar. Die Leuchtstoff- pigmente können dabei auch eine Mehrzahl verschiedener Leuchtstoffe und der Konversionsstoff kann eine Mehrzahl verschiedener Leuchtstoffpigmente enthalten. Weiterhin kann der Konversionsstoff lösliche und schwer lösliche organische Farbstoffe und Leuchtstoffmischungen enthalten.
Es kann vorteilhaft sein, wenn dem vorzugsweise vorgetrockneten Konversionsstoff ein Haftvermittler vorzugsweise in flüssiger Form beigemengt wird, um die Haftfähigkeit des Konversionsstoffes mit der Kunststoff-Pressmasse zu verbessern. Insbesondere ist es vorteilhaft, bei der Verwendung von anorganischen Leuchtstoffpigmenten als Haftvermittler 3- Glycidoxypropyltrimethoxysilan oder weitere Derivate auf Tri- alkoxysilan-Basis zu verwenden. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, zur Modifizierung der Leuchtstoffoberflächen einfach- und/oder mehrfachfunktionelle polare Agentien mit Carbonsäure-, Carbonsäureester-, Ether- und/oder Alkoholgruppen einzusetzen. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, Diethylenglykolmonomethylether einzusetzen. Durch die Verwendung solcher Zusätze kann die Benetzbarkeit der hochenergetischen LeuchtstoffOberflächen und damit die Verträglichkeit und Dispergierung bei der Verarbeitung mit der Formmasse verbessert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht, wenn der Formmasse Füllstoffe zur Erhöhung des Brechungsindex beigemengt werden. Füllstoffe können insbesondere Glaspartikel, TiO2, ZrO2, (XAl2O3 oder andere Metalloxide enthalten. Weiterhin können Füllstoffe mit nicht-oxidischen Materialien mit hohem Brechungsindex beigemengt werden, beispielsweise etwa Galliumnitrid.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Spritzpressverfahren Zykluszeiten zwischen zwei und acht Minuten auf, insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn das Verfahren eine Zykluszeit von fünf Minuten aufweist, weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Verfahren eine Zykluszeit von bis zu drei Minuten, insbesondere weniger als drei Minuten, aufweist, da längere Zykluszeiten generell die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens vermindern. Dabei beinhaltet die Zykluszeit die Einspritzzeit und die Aushärtezeit der Formmasse im Formwerkzeug. Insbesondere können die Einspritzzeiten in einem Bereich von bis zu 25 Sekunden, bevorzugt weniger als 25 Sekunden, liegen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn im Spritzpressverfähren Aushärtzeiten zwischen drei und fünf Minuten angewendet werden, da die Anpassung der Formmasse an den automatisierten Verarbeitungsprozeß mit kurzen Verweil- bzw. Aushärtzeiten im formgebenden Werkzeug ein wirtschaftliches Verfahren ermöglicht.
Kurze Aushärtezeiten und kurze Prozesszeiten sind vorteilhaft für das Herstellungsverfahren, damit die Ausbringungsmenge, also die Produktionsmenge, nicht zu gering ist, so dass die Herstellungskosten der Bauelemente im Rahmen der Wirtschaftlichkeit bleiben.
Bei einer Ausführungsform eines Strahlungsemittierenden Bauelements ist ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Bei einer Ausführungsform eines Strahlungsemittierenden Bauelements wird ein Strahlungsemittierendes Bauelement hergestellt, das ein optisches Bauelement aufweist, welches nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Bei einer Ausführungsform eines Strahlungsemittierenden Bauelements ist einem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes optisches Bauelement nachgeordnet.
Dabei bedeutet „nachgeordnet" hier und im folgenden, dass sich das optische Bauelement im Strahlengang des strahlungs- emittierenden Halbleiterbauelements befindet.
Bei einer Ausführungsform eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements weist ein vorgeformtes Gehäuse (Premolded Package) eine Umspritzung eines Halbleiterchips nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines strahlungsemittie- renden Halbleiterbauelements weist ein vorgeformtes Gehäuse eine Umspritzung eines Halbleiterchips innerhalb des vorgeformten Gehäuses nach einem erfindungsgemäßen Verfahren auf sowie ein dem Halbleiterchip nachgeordnetes optisches Bauelement .
Bei einer Ausführungsform eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist ein Halbleiterchip auf einem Grundkörper (Basis-Package) mit einer Silikonharzmischung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren umspritzt.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines strahlungsemittie- renden Halbleiterbauelements ist einem umspritzten Halbleiterchip in Abstrahlrichtung ein optisches Bauelement nachgeordnet, wobei das optische Bauelement nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines strahlungsemittie- renden Halbleiterbauelements, weist die Silikonmischung der Umspritzung des Halbleiterbauelements eine geringere Formstabilität auf als jene Silikonmischung des nachgeordneten optischen Bauelements. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Leistungsbauformen vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements, wobei das optische Bauelement aus einem Material hergestellt wird, das ein Hybridmaterial umfasst, wobei das Hybridmaterial - als erste Komponente zumindest eine Siloxangruppen- enthaltende Verbindung aufweist und
- als zweite Komponente Verbindungen aufweist, deren funktionelle Gruppen ausgewählt sind aus Epoxidgruppen, Imidgruppen und Acrylatgruppen.
Die Verwendung eines Hybridmaterials zur Herstellung eines optischen Bauelements ermöglicht es, für das optische Bauelement vorteilhafte Eigenschaften von Siloxangruppen- enthaltenden Verbindungen, beispielsweise Silikonen, mit für das optische Bauelement vorteilhaften Eigenschaften von Verbindungen mit Epoxid- , Imid-, und Acrylatgruppen, insbesondere Duroplasten, beispielsweise Epoxidharzen, Polyimidharzen und Acrylharzen, zu verbinden. Vorteilhafte Eigenschaften von Siloxangruppen-enthaltenden Verbindungen sind beispielsweise Temperaturbeständigkeit und Alterungsstabilität. Vorteilhafte Eigenschaften von Verbindungen mit Epoxid- , Imid- und Acrylatgruppen, wie sie optisch transparente Polymeren aufweisen, sind beispielsweise kurze Aushärtzeiten und eine gute Haftung des Materials an Oberflächen, die beispielsweise Kupfer, Silber oder Silizium aufweisen. Weiterhin können Hybridmaterialien vorteilhafte Eigenschaften wie etwa eine hohe Härte und eine hohe Elastizität und insbesondere auch eine niedrigere Sprödigkeit und Brüchigkeit aufweisen im Vergleich zu Silikonen, die im ausgehärteten Zustand eine hohe Härte aufweisen. Insbesondere können Hybridmaterialien gute optische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Transparenz für elektromagnetische Strahlung zumindest eines Wellenlängenbereichs, aufweisen und können somit vorteilhafterweise für die Herstellung eines optischen Bauelements eingesetzt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das optische Bauelement aus dem Hybridmaterial ausgeformt. Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weisen die erste und die zweite Komponente des Hybridmaterials Monomere auf. Bei einer Vernetzung der Monomere im Rahmen eines Polymerisationsprozesses bilden die Monomere der ersten und der zweiten Komponente ein Copolymer.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weisen die erste Komponente und die zweite Komponente des Hybridmaterials Polymere auf . Insbesondere weisen die erste Komponente Polysiloxane und die zweite Komponente Polymere auf, die ausgewählt sind aus Epoxidharzen, Polyimiden und Polyacrylaten. Bei einer Vernetzung der Polymere untereinander im Rahmen eines Aushärteprozesses bilden die Polymere eine Polymermischung bei der die einzelnen Polymere miteinander vernetzt sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die zweite Komponente des Hybridmaterials zusätzlich Siloxangrup- pen auf .
Das Hybridmaterial weist bei weiteren Ausführungsformen einen Siloxananteil in einem Bereich von 10 bis 90 Gew% auf. Vorzugsweise weist das Hybridmaterial einen Siloxananteil in einem Bereich von 40 bis 60 Gew% auf, insbesondere 40 Gew% oder 50 Gew%.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Hybridmaterial vor dem Aushärten, also unvernetzt, eine Viskosität von 0,5 bis 200 Pa s, gemessen bei Raumtemperatur, auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Hybridmaterial zu einem bei Raumtemperatur festen Vorprodukt vorgehärtet. Dabei wird das unvernetzte Hybridmaterial geeig- neten Bedingungen ausgesetzt, beispielsweise einer Temperatur, einem Druck, elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Strahlung im ultravioletten oder infraroten wellenlän- genbereich, oder einer Kombination davon, so dass eine Vernetzungsreaktion zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente des Hybridmaterials beginnt. Durch entsprechende Einstellung der Bedingungen der Vernetzung, beispielsweise vorzeitige Druckänderung oder Temperaturänderung bzw. vorzeitiges Abstellen der elektromagnetischen Strahlung, kann die Vernetzungsreaktion zum Erliegen kommen und das Hybridmaterial, das nun teilweise Vernetzungen der ersten Komponente und der zweiten Komponente aufweist, bildet ein bei Raumtemperatur festes Vorprodukt. Das so erhältliche Vorprodukt kann in jedweder festen Form, beispielsweise in Platten- oder Blockform vorliegen. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn das so erhältliche Vorprodukt zerkleinert wird, beispielsweise durch Mahlen oder Zerstoßen und dabei beispielsweise in eine Granulatform oder eine Pulverform überführt wird. Die Pulverform des Vorprodukts ist besonders geeignet, um weitere, pulverförmige Materialien, beispielsweise Füllstoffe oder Wellenlängenkonversionsstoffe, dem Vorprodukt zuzusetzen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das zerkleinerte Vorprodukt in eine Form zu bringen, beispielsweise durch Agglomerieren, Kompaktieren oder Stückigmachen, vorteilhafterweise durch Pressen. Vorteilhafterweise wird ein in Pulverform vorliegendes Vorprodukt in eine Form gepresst, beispielsweise in eine Tabletten- oder Pelletform. Dadurch kann vorteilhafterweise eine genaue Dosierung des Vorprodukts hinsichtlich des Gewichts und eine genaue geometrische Anpassung, beispielsweise hinsichtlich der Abmessungen der Form, erfolgen. Somit kann das Vorprodukt für das weitere Verfahren in geeigneten Mengen und Maßen bereitstellt werden. Weiterhin kann das Hybridmaterial durch einen Formprozess, beispielsweise durch Vergießen und anschließendes teilweises Aushärten, in eine stückige Form, etwa eine Pellet- oder Tablettenform, gebracht werden.
Weiterhin können die erste Komponente und die zweite Komponente des Vorprodukts nach dem Vorhärten zum Vorprodukt und dem Bringen in eine Form weiter vernetzt werden, d.h. das Vorprodukt wird weiter ausgehärtet . Die Bedingungen dabei können die gleichen oder andere sein wie bei der Herstellung des Vorprodukts .
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das optische Bauelement aus dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt als Formkörper gebildet. Der Formkörper wird vorteil- hafterweise in einer Kavität eines Formwerkzeugs gebildet, wobei das optische Bauelement mit einer der Form der Kavität entsprechenden Form erzeugt wird. Dabei kann insbesondere ein Formpress-, ein Spritzpress-, oder ein Spritzgussverfahren zum Einsatz kommen. Der Formkörper kann dabei jedwede für das optische Bauelement geeignete Form aufweisen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Formkörper aus dem Vorprodukt in einem Spritzpressverfahren gebildet. Dabei wird das Vorprodukt in fester Form, beispielsweise in zu Tabletten gepresstem Pulver, der Spritzpressmaschine zugeführt. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn das Spritzpressverfahren bei einer Temperatur zwischen 100 und 220 Grad Celsius, bevorzugt in einem Bereich von 130 bis 180 Grad Celsius durchgeführt wird, wobei sich das Vorprodukt vorzugsweise wieder verflüssigt. Das so verflüssigte Vorprodukt wird dabei mittels eines Angusssystems in die Kavität des Formwerkzeugs gespritzt, wobei ein Druck von 50 bis 100 bar herrschen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Vorprodukt eine Viskosität in einem Bereich von 1 mPa s bis 30 Pa s bei einer Temperatur von 150 Grad Celsius auf. Vorzugsweise weist das Vorprodukt bei 150 Grad Celsius eine vergleichbare oder höhere Viskosität als Formmassen auf Epoxidbasis auf, insbesondere bevorzugt Viskositäten von mehr als 4 Pa s, besonders bevorzugt von mehr als 10 Pa s. Dadurch kann das Vorprodukt in herkömmlichen Spritzpressmaschinen verarbeitet werden, wobei keine oder nur geringe Anpassungen der Spritzwerkzeuge notwendig sind, insbesondere hinsichtlich Entlüftungen der Kavi- tät oder das Angusssystems, hinsichtlich Anspritzpunkte und hinsichtlich Entformschrägen. Darüber hinaus verringert eine höhere Viskosität die Neigung zur Gratbildung, dem so genannten Flash. Im Falle der Ausformung eines optischen Bauelements an oder um ein Substrat, insbesondere ein Substrat, auf dem ein optoelektronisches Bauelement angeordnet ist, kann die Anfälligkeit des Verfahrens gegenüber Dicketoleranzen und Unebenheiten des Substrats durch eine höhere Viskosität verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Hybridmaterial oder das Vorprodukt mittels Härten zu einem gehärteten Hybridmaterial verarbeitet. Das Härten des Hybridmaterials geschieht durch eine Vernetzungsreaktion der ersten Komponente und der zweiten Komponente bei geeigneten Bedingungen, beispielsweise einer Temperatur, einem Druck, einer elektromagnetischen Strahlung oder einer Kombination davon. Das Härten des Vorprodukts geschieht durch eine Fortsetzung der Vernetzungsreaktion bei geeigneten Bedingungen, beispielsweise einer Temperatur, einem Druck, einer elektromagnetischen Strah- lung oder einer Kombination davon. Die Bedingungen bei Härten des Vorprodukts können dabei die gleichen oder andere sein wie bei der Herstellung des Vorprodukts aus dem Hybridmaterial.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform geschieht das Härten des Hybridmaterials oder des Vorprodukts zu einem gehärteten Hybridmaterial als Formkörper zumindest teilweise in der Ka- vität eines Formwerkzeugs. Eine vollständige Aushärtung des Hybridmaterials oder des Vorprodukts zu einem ausgehärteten Hybridmaterial kann ebenfalls in der Kavität des Formwerkzeugs erfolgen oder alternativ außerhalb der Kavität des Formwerkzeugs. Dabei können die Bedingungen während der Aushärtung konstant gehalten werden oder variiert werden. Vorzugsweise bedeutet eine vollständige Aushärtung eine möglichst weitgehende Vernetzung der ersten Komponente und der zweiten Komponente .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hybridmaterial oder das Vorprodukt eine Aushärtezeit von weniger als 5 Minuten auf. Kurze Aushärtezeiten können vorteilhaft für kurze Maschinentaktzeiten sein, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirken kann.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weist das ausgehärtete Hybridmaterial eine Härte in einem Bereich von 80 Shore A bis 80 Shore D, bevorzugt mehr als 60 Shore D auf. Verbindungen mit Epoxid-, Imid- und Acrylatgruppen im ausgehärteten Zustand können eine hohe Härte erreichen, was vorteilhaft für die Stabilität und die Weiterverarbeitbarkeit eines Bauelements sein kann. Im Gegensatz zu reinen Silikonharzen kann ein Hybridmaterial damit eine höhere Härte und eine geringere Sprödigkeit aufweisen. Eine hohe Härte kann in Verbindung mit einer hohen Steifigkeit des Formkörpers vorteilhaft sein, beispielsweise in Bezug auf ein leichteres Abtrennen des Angusssystems des Formwerkzeugs nach dem Einspritzen des Hybridmaterials oder des Vorprodukts in die Ka- vität des Formwerkzeugs. Dadurch kann vorteilhafterweise eine reduzierte Werkzeugverschmutzung durch ein definiertes Abbrechen des Angusssystems ermöglicht werden. Insbesondere ergibt sich dadurch ein geringerer Reinigungsaufwand, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirken kann. Weiterhin kann das optische Bauelement vorteilhafterweise bei einer hohen Härte des ausgehärteten Hybridmaterials eine hohe Festigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist eine hohe Härte bei einer weiteren mechanischen Bearbeitung des optischen Bauelements, beispielsweise durch Sägen. Durch eine zu geringe Härte kann das optische Bauelement dabei hingegen während der mechanischen Bearbeitung unter Auftreten von Verspannungen deformiert werden und sich nach der mechanischen Bearbeitung aufgrund der Verspannung wieder verformen, was zu einer nachteiligen und unerwünschten Formabweichung des optischen Bauelements führen kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements, bei dem das optische Bauelement aus einem Material hergestellt wird, das ein Hybridmaterial umfasst, folgende Verfahrens- schritte :
A) Überführen eines aus dem Hybridmaterial mittels Vorhärtens erhaltenes Vorprodukts in einen flüssigen oder teigigen Zustand,
B) Einbringen des Vorprodukts aus dem Verfahrenschritt A) in eine Kavität eines Formwerkzeugs, wobei die Kavität eine bestimmte Form aufweist, und C) Aushärten des Vorprodukts zu einem festen Hybridmaterial, wobei das optische Bauelement mit einer der Form der Kavität weitgehend entsprechenden Form erzeugt wird.
Die Überführung des aus dem Hybridmaterial mittels Vorhärtens erhaltenen Vorprodukts in einen flüssigen oder teigigen Zustand kann dabei durch Wärmeeinwirkung und/oder Druckbeaufschlagung erfolgen. Insbesondere kann die Überführung des Vorprodukts in einen flüssigen oder teigigen Zustand in einem Angusssystem eines Spritzpress- oder Spritzgusswerkzeugs erfolgen. Durch das Angusssystem kann das Vorprodukt in dem flüssigen oder festen Zustand in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht werden. Dabei kann das Vorprodukt zumindest teilweise den Hohlraum in der Kavität ausfüllen und so eine entsprechende Form einnehmen. Durch das Aushärten des Vorprodukts zu einem gehärteten Hybridmaterial kann die der Form der Kavität weitgehend entsprechende Form für das gehärtete Hybridmaterial erhalten werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements die zusätzlichen, vor dem Verfahrensschritt A) auszuführenden Verfahrensschritte: Al) Vorhärten des Hybridmaterials zu einem bei Raumtemperatur festen Vorprodukt,
A2) Zerkleinern des festen Vorprodukts zu einem pulver- oder granulatförmigen Zustand, und
A3) Überführen des zerkleinerten Vorprodukts in eine kompakte Form.
Das Überführen des zerkleinerten, beispielsweise in Pulveroder Granulatform vorliegenden Vorprodukts kann durch Agglomerieren oder Kompaktieren, vorteilhafterweise durch Pressen erfolgen. Die kompakte Form kann dabei eine Tabletten- oder eine Pelletform sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Zugeben des Hybridmaterials oder des Vorprodukts in die Kavität des Formwerkzeugs auf der Innenwand der Kavität zumindest teilweise eine Folie angebracht (Folienmolding) . Da- bei wird die Folie so angebracht, dass sie sich im folgenden Formprozess zwischen dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt und der Innenwand der Kavität befindet, wodurch eine Benetzung der Innenwand der Kavität und ein damit verbundenes Anhaften des Hybridmaterials oder des Vorprodukts an der Innenwand der Kavität vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer hitzeresistenten Folie, die sich unter Temperatureinwirkung ausdehnt. Die Verwendung einer Folie kann insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung von einem Hybridmaterial oder einem Vorprodukt mit niedriger Viskosität sein. Dadurch kann die Notwendigkeit hinsichtlich eines nach dem Formprozess folgenden erforderlichen Reinigungsprozesses des Formwerkzeugs vermindert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Folie die Formgebung der Kavität nicht beeinflusst, beispielsweise wenn die Folie sehr dünn ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Folie nicht dicker als 40 Mikrometer ist.
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn die Folie gänzlich an der Innenwand der Kavität anliegt und sich so der Form der Innenwand der Kavität angleicht. Dies kann beispielsweise durch das Ansaugen der Folie an die Innenwand der Kavität mittels einer geeigneten Struktur der Innenwand der Kavität erfolgen. Eine geeignete Struktur der Innenwand kann beispielsweise eine Vielzahl von Öffnungen und/oder Bereiche mit einem porösen Material aufweisen, durch die die Folie ü- ber ein Vakuumsystem, das einen Unterdruck zumindest in der Nähe der Innenwand erzeugt, angesaugt werden kann. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn sich die Folie unter zusätzlicher Temperatureinwirkung ausdehnt. Dadurch kann ein gänzliches Anliegen der Folie an der Innenwand der Kavität günstig beeinflusst werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Hybridmaterial oder das Vorprodukt nicht oder nur wenig an der Folie haftet, so dass nach dem Formprozess eine leichte Entfernung der Folie unter einer geringen Beeinflussung der Oberfläche des zumindest teilweise ausgehärteten Hybridmaterials erfolgen kann.
Weiterhin kann durch die Verwendung der Folie eine verbesserte Abdichtung der Kavität und/oder des zu umformenden Bereichs erfolgen. Bei der Verwendung eines Hybridmaterials o- der eines Vorprodukts mit einer geringen Viskosität kann daher die Verwendung einer Folie vorteilhaft sein, da die Be- netzung von Bereichen, beispielsweise des Formwerkzeugs, die frei von dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt bleiben sollen, wesentlich reduziert werden kann und somit weniger Grat- bildung (Flash) auftritt. Dadurch kann vorteilhafterweise ein nachgeschalteter Reinigungsprozess vermieden werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt zusätzlich ein Formtrennmittel beigegeben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Formtrennmittel die optischen Eigenschaften des herzustellenden optischen Bauelements nicht signifikant beeinflusst und zusätzlich alterungsstabil ist. Die Verwendung eines Formtrennmittels kann sich bei der Herstellung des optischen Bauelements als besonders vorteilhaft erweisen, da bei Verwendung des Formtrennmittels das Ablösen des zumindest teilweise ausgehärteten Hybridmaterials aus dem Formwerkzeug erleichtert wird. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn durch spezielle Eigenschaften des zu fertigenden optischen Bauelements, insbesondere, wenn das zu fertigende optische Bauelements sehr kleine Strukturen enthält, keine anderen Möglichkeiten der erleichterten Entformung möglich sind, beispiels- weise durch die Anbringung einer Folie auf der Innenwand der Kavität des Formerkzeugs .
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt ein Wellenlängenkonversionsstoff beigemischt. Wellenlängenkonversionsstoffe sind geeignet, zumindest einen Teil einer Strahlung, die durch das optische Bauelement durchtritt, in einem ersten Wellenlängenbereiσh zu absorbieren und elektromagnetische Strahlung mit einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich zu emittieren. Diesbezüglich kann ein Wellenlängenkonversionsstoff insbesondere anorganische Leuchtstoffpul- ver, die Nitride und/oder Silikate aufweisen, sowie beispielhaft Cer-dotierte Yttriumaluminiumgranat- und Cer-dotierte Terbiumaluminiumgranatpulver sowie Kombinationen daraus aufweisen. Geeignete organische und anorganische Leuchtstoffe sind beispielsweise in den Druckschriften WO 01/50540 Al und WO 98/12757 Al aufgeführt, deren Offenbarungsgehalt die Leuchtstoffe betreffend hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Wellenlängenkonversionsstoff dem Hybridmaterial beigemengt. Anschließend wird das Hybridmaterial zu einem Vorprodukt vorgehärtet, wodurch eine Mischung aus dem Vorprodukt und dem Wellenlängenkonversionsstoff erhalten wird, die beispielsweise in Form von Platten vorliegt. Die so erhältliche Mischung aus dem Vorprodukt und dem Wellenlängenkonyersionsstoff kann zerkleinert werden, dabei vorzugsweise zu einem Pulver gemahlen werden, und die so gewonnene Pulvermischung kann in eine kompakte Form gebracht werden, dabei vorzugsweise zu Tabletten ge- presst werden. Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Wellenlängenkonversionsstoff dem Vorprodukt beigegeben, das beispielsweise als zusammenhängender Festkörper vorliegt, insbesondere als Platte oder als Block. Alternativ kann das Vorprodukt als Granulat vorliegen. Das Vorprodukt wird zusammen mit dem beigegebenen Wellenkonversionsstoff zu Pulver zerkleinert und die so gewonnene Pulvermischung wird in eine Form gebracht, vorzugsweise zu Tabletten gepresst. Dadurch kann vorteilhafterweise eine homogene Mischung von Vorprodukt und Wellenlängenkonversionsstoff erreicht werden
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der vorzugsweise in Pulverform vorliegende Wellenlängen- konversionsstof'f einem in Pulverform vorliegenden Vorprodukt beigegeben und die so gewonnene Pulvermischung wird in eine Form gebracht, vorzugsweise zu Tabletten gepresst.
Eine genaue Einstellung des Farbortes und der Sättigung der Austrittsstrahlung des optischen Bauelements kann durch die Möglichkeit einer genauen Abmischung des Wellenlängenkonversionsstoffs ermöglicht werden. Ein homogener Farbeindruck der Austrittsstrahlung kann durch die Vermeidung von Sedimentation des Wellenlängenkonversionsstoffs durch kurze AushärtZeiten des Hybridmaterials ermöglicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Wellenlängenkonversionsstoff derart ausgewählt, dass zumindest ein Teil der in das optische Bauelement eintretenden Strahlung zu einer anderen Wellenlänge konvertiert wird. Dabei kann die in das optische Bauelement eintretende Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von ultravioletter bis grüner Strahlung aufweisen und die konvertierte Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von grüner bis roter Strahlung. Wird nur ein Teil der in das optische Bauelement eintretenden Strahlung zu einer anderen Wellenlänge konvertiert und/oder wird zumindest ein Teil der in das optische Bauelement eintretenden Strahlung zu mindestens zwei Wellenlängen konvertiert, kann ein mischfarbiges Austrittsspektrum der Austrittsstrahlung erzeugt werden. Die Auswahl des Wellenlängenkonversions- stoffs erfolgt dabei abhängig vom Wellenlängenspektrum der in das optische Bauelement eintretenden Strahlung und vom gewünschten Austrittsspektrum.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Wellenlängenkonversionsstoff derart ausgewählt, dass die in das optische Bauelement eintretende Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von blauer Strahlung aufweist und die aus dem optischen Bauelement austretende Strahlung eine Mischung mehrerer Wellenlängenbereiche aufweist, so dass der Eindruck eines weißen Lichts entsteht.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens des Verfahrens wird dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt ein Material zur Erhöhung des Brechungsindex beigefügt . Eine Erhöhung des Brechungsindex kann beispielsweise vorteilhaft sein für die Herstellung von Linsen oder anderen lichtbrechenden optischen Bauelementen. Dabei kann das Material zur Erhöhung des Brechungsindex chemisch an das Hybridmaterial gebunden sein, insbesondere kann es chemisch gebundenes Titan, Zirkon und/oder Schwefel aufweisen. Darüber hinaus kann das Material zur Erhöhung des Brechungsindex in Form eines Oxids dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt beigemischt sein, dabei kann es sich insbesondere um ein Metalloxid handeln, beispielsweise TiO2, ZrO2, QfAl2O3. Des Weiteren können als Material zur Erhöhung des Brechungsindex dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt Partikel beigemischt werden, insbesondere Glasparti- kel . Weiterhin können Materialien mit nicht-oxidischen Materialien mit hohem Brechungsindex beigemengt werden, beispielsweise etwa Galliumnitrid.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein optoelektronisches Bauelement durch ein das gehärtete Hybridmaterial bzw. Vorprodukt umfassendes optisches Bauelement verkapselt, wobei das optische Bauelement und das optoelektronische Bauelement derart zueinander angeordnet werden, dass das optische Bauelement das optoelektronische Bauelement umschließt. Dabei kann das optoelektronische Bauelement auf einem Substrat angeordnet sein oder nicht .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das optische Bauelement so ausgeführt, das es zumindest teilweise an das optoelektronische Bauelement derart angeformt wird, dass das optoelektronische Bauelement in Kontakt mit dem optischen Bauelement steht. Besonders bevorzugt umhüllt das optische Bauelement das optoelektronische Bauelement zumindest teilweise formschlüssig.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein optoelektronisches Bauelement durch ein optisches Bauelement verkapselt, wobei das optoelektronische Bauelement auf einem Substrat angeordnet ist und das optische Bauelement so über dem optoelektronischen Bauelement angeordnet wird, dass das optoelektronische Bauelement von dem Substrat und dem optischen Bauelement umschlossen ist. Somit kann das optische Bauelement auch Teil einer Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat während des Aushärtens des Hybridmaterials oder des Vorprodukts zumindest teilweise von diesem umschlossen. Dabei kann das Hybridmaterial oder das Vorprodukt zumindest teilweise oder vollständig ausgehärtet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das optoelektronische Bauelement auf einem Substrat derart in der Kavität des Formwerkzeugs angebracht, dass das Hybridmaterial oder das Vorprodukt beim Einspritzen in die Kavität zumindest teilweise an das optoelektronische Bauelement angeformt wird. Dabei kann das Hybridmaterial oder das Vorprodukt das optoelektronische Bauelement und das Substrat vollständig oder zumindest teilweise umschließen. Eine geeignete Geometrie des Substrats kann sich vorteilhaft erweisen, wenn das ausgehärtete Hybridmaterial eine geringe Härte aufweist. Insbesondere kann dadurch die Formstabilität des optischen Bauelements vorteilhaftig beeinflusst, insbesondere etwa erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als ein optoelektronisches Bauelement ein Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement verwendet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Strahlungsemittierenden Halbleiterchip z. B. einen Lumineszenzdiodenchip wie etwa einen Leuchtdiodenchip, einen Halbleiterchip, einen Dünnfilm- Leuchtdiodenchip, oder einen organischen, elektrolumineszie- renden Leuchtdiodenchip (OLED) .
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus: an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxie- schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett . 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
OLEDs bestehen im Prinzip aus elektrolumineszierenden, organischen Schichten, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind. Wird ein elektrisches Potential an die Elektroden angelegt, so kommt es auf Grund von Rekombinationen zwischen E- lektronen und "Löchern" , die in die organischen Schichten injiziert werden, zur Emission von Licht.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als ein optoelektronisches Bauelement ein strahlungsempfangendes optoelektronisches Bauelement verwendet, beispielsweise eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein Foto-IC.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein strahlungsemittierender Halbleiterchip als optoelektronisches Bauelement verwendet, der im Betrieb Strahlung mit einer WeI- lenlänge aus einem Wellenlängenbereich von ultraviolett bis grün aussenden kann. Bevorzugt wird ein strahlungsemittieren- der Halbleiterchip verwendet, der im Betrieb Strahlung im blauen Wellenlängenbereich aussenden kann.
Weiterhin kann das optoelektronische Bauelement auf einem Substrat angeordnet werden, wobei das Substrat einen Leiterrahmen, eine Leiterplatte, eine flexmatarialbasierte Bauform oder eine keramikbasierte Bauform aufweist .
Weiterhin können zumindest Teile des Substrats und/oder des optoelektronischen Bauelements, die sich in Kontakt mit dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt befinden, mit einem Material beschichtet werden, das geeignet ist, eine Haftung zwischen dem Substrat und/oder dem optoelektronischen Bauelement und dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt zu verbessern. Bevorzugt weist das Material ein Silikat auf, wobei insbesondere durch Flammenpyrolyse einer siliziumorganischen Verbindung eine dünne, sehr dichte und fest haftende SilikatSchicht auf dem Substrat aufgebracht wird. Die Silikatschicht weist eine hohe Oberflächenenergie auf und ist dadurch insbesondere geeignet, die Haftung des Hybridmaterials oder des Vorprodukts am Substrat zu erhöhen. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn das optische Bauelement keine mechanische Verankerung mit dem Substrat oder dem optoelektronischen Bauelement aufweist, sondern nur am Substrat und/oder am elektronischen Bauelement haftet.
Weiterhin kann eine Haftung zwischen dem Substrat und/oder dem optoelektronischen Bauelement und dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt durch eine Plasmavorbehandlung des Substrats und/oder des optoelektronischen Bauelements erhöht werden. Weiterhin kann die Kavität des Formzeugs derart ausgebildet werden, dass in einem Formprozess eine Vielzahl optischer Bauelemente hergestellt wird. Dabei wird die Vielzahl der optischen Bauelemente in einem Stück hergestellt, also derart, dass die optischen Bauelemente nach dem Formprozess zumindest in Teilbereichen zusammenhängen. Die Herstellung einer Vielzahl von optischen Bauelementen in einer Kavität erleichtert den Herstellungsprozess derart, dass im Rahmen des Formprozesses nur eine Kavität evakuiert werden muss. Eine solche Evakuierung kann für mehrere oder alle Bereiche der Kavität, in denen ein optisches Bauelement ausgeformt wird, über eine gemeinsame Öffnung in der Kavität erfolgen. Ebenso kann die Befüllung, also beispielsweise das Einspritzen der Formmasse in die Kavität über ein gemeinsames Angusssystem für mehrere oder alle Bereiche erfolgen, in denen ein optisches Bauelement ausgeformt wird. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn die optischen Bauelemente eine sehr kleine Größe aufweisen, da eine Einzelkavität, in der nur ein optisches Bauelement ausgeformt werden kann, ebenfalls eine Öffnung zur Evakuierung der Kavität und ein Angusssystem aufweisen muss.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die Kavität derart geformt, dass die Vielzahl optischer Bauelemente in einer Zeile nebeneinander angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die Kavität derart geformt, dass die Vielzahl optischer Bauelemente flächig angeordnet ist, das heißt, dass die optischen Bauelemente nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Vielzahl von Bauelementen, die in einer gemeinsamen Kavität ausgeformt worden sind, nach dem Formprozess vereinzelt. Das Vereinzeln kann dabei durch Schneiden, Sägen, Ritzen, Brechen, Schleifen, Lasertrennen oder Kombinationen daraus erfolgen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Kavität zwischen den Bereichen, in denen die optischen Bauelemente ausgeformt werden, Bereiche aufweist, in denen Verbindungsbereiche zwischen den optischen Bauelementen ausgeformt werden, in denen die Vereinzelung vorgenommen werden kann. Solche Verbindungsbereiche können vorteilhafterweise dünner als die optischen Bauelemente ausgeführt sein und können beispielsweise Sollbruchstellen aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen in einer gemeinsamen Kavität angebracht. Dadurch kann in einem gemeinsamen Formprozess die Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen durch Ausformung der Vielzahl der optischen Bauelemente umformt und/oder verkapselt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist jedes optoelektronische Bauelement auf einem eigenen Substrat angebracht und die Vielzahl von Substraten mit optoelektronischen Bauelementen wird vor dem Formprozess in der Kavität des Formwerkzeugs angebracht .
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind eine Mehrzahl optoelektronischer Bauelemente auf einem gemeinsamen Substrat angebracht und das gemeinsame Substrat mit der Mehrzahl optoelektronischer Halbleiterbauelemente wird vor dem Formprozess in der Kavität des Formwerkzeugs angebracht.
Gegenstand einer Ausführungsform der Erfindung ist auch ein optisches Bauelement, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhältlich ist. Bei einer weiteren Ausführungsform befindet sich das optische Bauelement im Strahlengang einer elektromagnetischen Strahlung. Insbesondere befinden sich zumindest Teile des optischen Bauelements im Strahlengang einer elektromagnetischen Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei von einem Strahlungsemittierenden Bauelement ausgesandt werden. Insbesondere weist das optische Bauelement zumindest Bereiche auf, in denen das optische Bauelement zumindest teilweise transparent für die elektromagnetische Strahlung ist. Bevorzugt ist die Transparenz so ausgelegt, dass eine Verringerung der Intensität der durch das optische Bauelement transmit- tierten Strahlung durch Reflexions- oder Absorptionsprozess im optischen Bauelement oder an den Grenzflächen des optischen Bauelements vermindert werden kann.
Weiterhin weist das optische Bauelement bei einer Ausführungsform mindestens eine erste Oberfläche auf, in die die elektromagnetische Strahlung eintritt und die als Eintrittsfläche bezeichnet wird. Weiterhin weist das optische Bauelement mindestens eine zweite Oberfläche auf, aus der die e- lektromagnetische Strahlung nach der Ausbreitung durch zumindest einzelne Bereiche des optischen Bauelements wieder austritt und die als Austrittsfläche bezeichnet wird. Dabei können die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche des optischen Bauelements beliebig geformt sein und beliebig zueinander o- rientiert sein. Darüber hinaus können sich die in das optische Bauelement eintretende elektromagnetische Strahlung und die aus dem optischen Bauelement austretende elektromagnetische Strahlung in ihren Eigenschaften unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich Intensität, Richtung, Wellenlänge, Polarisation und Kohärenz1änge . Bei einer weiteren Ausführungsform des optischen Bauelements, ist das optische Bauelement insbesondere ein strahlungsbeu- gendes optisches Bauelement, ein strahlungsbrechendes optisches Bauelement, ein Reflektor, ein Wellenlängenkonverter, ein Gehäuse, ein Teil eines Gehäuses, eine Verkapselung, ein Teil einer Verkapselung oder eine Kombination daraus.
Bei einer weiteren Ausführungsform des optischen Bauelements ist das strahlungsbrechende optische Bauelement eine Linse, insbesondere eine sphärische Linse, eine asphärische Linse, eine Zylinderlinse oder eine Fresnellinse.
Gegenstand einer Ausführungsform der Erfindung ist auch eine Anordnung, die ein optisches Bauelement, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhältlich ist, und ein optoelektronisches Bauelement umfasst. Insbesondere ist das optische Bauelement über einem optoelektronischen Bauelement so angeordnet, dass sich zumindest ein Teil des optischen Bauelements im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements befindet. Dabei weist das optische Bauelement eine solche Form auf, dass es das optoelektronische Bauelement zumindest teilweise umschließt. Insbesondere kann das optische Bauelement dadurch das optoelektronische Bauelement zumindest teilweise verkapseln. Das optoelektronische Bauelement kann dabei auf einem Substrat angeordnet sein, wobei das optische Bauelement so ausgeformt sein kann, dass es zumindest einen Teil des Substrats umschließt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Anordnung weist die Anordnung eine solche Form auf, dass sie oberflächenmontier- bar ist. Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich im Folgenden in Verbindung mit den in den Figuren 1 bis 8 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1, eine schematische Darstellung eines strahlungsemit- tierenden Halbleiterbauelements mit einem erfindungsgemäßen optischen Bauelement,
Figur 2, eine weitere schematische Darstellung eines strah- lungsemittierenden Halbleiterbauelements erfindungsgemäßen optischen Bauelement,
Figuren 3a und 3b, weitere schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen,
Figuren 4a und 4b, weitere schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen,
Figur 5, eine weitere schematische Darstellung eines strah- lungsemittierenden Halbleiterbauelements ,
Figur 6, eine weitere schematische Darstellung einer Anordnung mit einem optischen Bauelement,
Figuren 7a bis Ie, weitere schematische Darstellungen eines Herstellungsverfahren einer Anordnung mit einem optischen Bauelement,
Figur 8, eine weitere schematische Darstellung einer Anordnung mit einem optischen Bauelement.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dimensioniert dargestellt sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes optisches Bauelement 1 auf einem Halbleiterchip 2 angeordnet, der auf einem Substrat 3 angebracht ist . Bei dem optischen Bauelement 1 handelt es sich um einen so genannten parabolischen Kon- zentrator (Compound parabolic concentrator, CPC)
Erfindungsgemäße Ausführungsformen schließen allerdings auch optische Bauelemente wie Linsen, diffraktive Optiken, Reflektoren oder generell alle Arten von optischen Bauelementen ein.
Durch die Herstellung der optischen Bauelemente in einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Silikonharze für die Herstellung aller üblichen optischen Bauelemente zu verwenden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, optische Bauelemente herzustellen, welche die Vorteile der Alterungsstabilität von Silikonharzen mit einer deutlich verbesserten Formstabilität verbinden.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements handelt es sich um eine so genannte Chip-On-Board-Montage (COB) .
Der Halbleiterchip 2 kann hierbei ein konventioneller Leuchtdiodenchip sein oder auch ein Dünnfilmleuchtdiodenchip. Das optische Bauelement 1 kann mehrere Funktionen übernehmen. Es kann zur Strahlformung dienen, aber auch zur Umwandlung des Emissionsspektrums des Halbleiterchips. Dazu wird der Form- masse des optischen Bauelements 1 ein so genannter Konversionsstoff beigemischt. Der Konversionsstoff kann ein Leucht- stoffpigmentpulver sein, welches zum Beispiel einen gewissen Anteil kurzwelliges Licht in langwelligere Strahlung überführt, damit der Eindruck einer mehrfarbigen Lichtquelle, insbesondere einer Weißlichtquelle entsteht.
Weitere optische Bauelemente können elliptische- ( Compound elliptic concentrator, CEC) - oder hyperbolische Konzentrato- ren (Compound hyperbolic concentrator, CHC) sein. Diese Bauelemente können mit reflektierenden Seitenwänden versehen sein. Die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen der Kon- zentratoren können dabei beliebige geometrische Formen aufweisen, insbesondere Ellipsen, Kreise, Quadrate und Vielecke regelmäßiger und unregelmäßiger Art .
Bevorzugt ist der Konzentrator dem Halbleiterσhip und dessen Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet, d.h. er befindet sich im optischen Strahlengang des Halbleiterchips.
Der Halbleiterchip 2 kann zusätzlich von einem Rahmen umgeben sein, an oder in dem das optische Bauelement 1 angebracht ist. Der Rahmen kann das optische Bauelement 1 fixieren und/oder dieses relativ zur Chipauskoppelfläche justieren.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements. Bei dem Halbleiterbauelement ist ein Halbleiterchip 2 auf einem Substrat 3 angeordnet . Dem Halbleiterchip 2 ist ein erfindungsgemäßes optisches Bauelement 12 nachgeordnet. Bei dem optischen Bauelement 12 handelt es sich hierbei um eine Optik, welche in ihrer Wirkung einer CPC-Optik ähnlich ist. Sie weist eine vergleichbare Effizienz auf und zeichnet sich durch eine vereinfachte Herstellung aus. Die gewünschten optischen Eigenschaften werden durch gerade Seitenflächen in Kombination mit einer gewölbten Austrittsfläche erreicht . Das Ausführungsbeispiel in Figur 2 bezieht sich ebenfalls wie das Ausführungsbeispiel in Figur 1 auf eine so genannte Chip-On- Board-Einheit .
Figur 3 zeigt in den beiden Bildteilen a und b schematische Darstellungen zweier erfindungsgemäßer Ausführungsformen von Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen. Den beiden Bildteilen a und b ist gemeinsam, dass ein Halbleiterchip 2 innerhalb eines vorgeformten Gehäuses 4 angeordnet und von einem umspritzten Bereich 5 umgeben ist. Das Umspritzen des Bereiches 5 kann nach einem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden. Oberhalb des umspritzten Bereiches 5 ist eine Optik 8 bzw. 81 angeordnet. Die Optik 8 bzw. 81 kann in einem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt gemeinsam mit dem umspritzten Bereich 5 hergestellt werden oder getrennt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und danach auf dem umspritzten Bereich 5 angeordnet werden. Mögliche Beispiele für Optiken 8 bzw. 81 sind Fresnellinsen, sphärische Linsen, asphärische Linsen oder diffraktive Optiken.
Figur 4 zeigt in den Bildteilen a und b zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Strahlungsemittie- render Halbleiterbauelemente. Bei der Herstellung wird ein Halbleiterchip 2, der auf einem Leiterrahmen 6 angeordnet ist, in einen Spritzpressverfahren mit Spritzmasse umgössen und es entsteht ein Spritzgussgehäuse (molded package) 7. Diese Technik ist bereits bekannt, beispielsweise vertreibt die Firma Osram Produkte nach dieser Technik unter den Handelsnamen SmartLED oder Firefly. Bisher konnte dieses Herstellungsverfahren für silikonfreie Harze angewendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verwendung von Silikonharzen in diesen Bereich. Auf dem Spritzgussgehäuse 7 kann eine Optik 82 bzw. 83 angeordnet sein. Diese Optik 82 bzw. 83 kann entweder zusammen mit dem Spritzgussgehäuse 7 in einem Spritzpressverfahren hergestellt werden, oder aber auch getrennt in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und danach auf dem Spritzgussgehäuse 7 angeordnet werden. Die Mischung der Silikonharze mit Epoxydharzen zu Hybridmaterialien ermöglicht eine hohe Formstabilität und eine gute Haftung der Formmasse am Leiterrahmen 6 oder am Substrat . Der freie An- schluss des Leiterrahmens 6 ist mittels der Kontaktierung 13 mit dem Chip 2 elektrisch verbunden. Der andere elektrische Kontakt ist an der Chipunterseite .
Sowohl das Spritzgussgehäuse 7 als auch die Optik 82 bzw.83 können Konversions- oder Leuchtstoffe enthalten.
Der Leiterrahmen (lead frame) 6 kann auch eine S-förmige Biegung aufweisen, damit ein oberflächenmontierbares, strah- lungsemittierendes Halbleiterbauelement entsteht.
Bildteil a in Figur 4 zeigt eine Ausführungsform mit einer diffraktiven Optik und Bildteil b in Figur 4 eine Ausführungsform mit einer sphärischen Linse.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine so genannte Leistungsbauform, dabei wird ein Halbleiterchip 2 auf einem Basis-Package 9 angeordnet. Der Halbleiterchip 2 wird mit einer Umspritzung 10 versehen, der eine Optik 11 nachgeordnet ist. Bei einer Leistungsbauform ist die Umspritzung 10 des Halbleiterchips 2 einer hohen Strahlungsin- tensität ausgesetzt. Daher ist es wichtig, für die Umsprit- zung 10 ein alterungsstabiles beziehungsweise strahlungsbe- ständiges Material zu verwenden. Deshalb besteht die Umsprit- zung 10 vorteilhafterweise aus einer Formmasse mit einem hohen Silikonharzanteil. Silikonharz erfüllt die Anforderungen an Alterung und Strahlungsstabilität. Der Mangel an Formstabilität des Silikonharzes wird in dieser Ausführungsform durch Nachordnung einer formstabilen Optik 11 kompensiert. Die Optik 11 umschließt daher die Umspritzung 10 und gewährleistet deren Formstabilität. Da die Optik 11 selbst einen Anteil an Silikonharzen aufweist, ist deren Alterungsstabilität und Strahlungsbeständigkeit ebenfalls erhöht und es entsteht eine gute Verbindung zwischen der Optik 11 und der Umspritzung 10.
Da die Umspritzung 10 aus Silikonharz und die Optik 11 aus dem Silikon/Epoxydharz-Hybridmaterial gebildet werden kann, ist in dieser Ausführungsform der Unterschied der Brechungs- indices der Umspritzung und der Optik verringert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist ein optisches Bauteil 21 aus einem Vorprodukt mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Spritzpressverfahren so ausgeformt, dass es ein optoelektronisches Bauelement 2, das auf einem Leiterrahmen 6 angeordnet ist, umschließt. Durch die S- förmigen Biegungen des Leiterrahmens 6, die von dem optischen Bauelement 21 umschlossen sich, entsteht eine mechanische Verankerung des Leiterrahmens 6 mit dem optischen Bauelement 21. Die Anordnung bildet ein oberflächen-montierbares Bauelement .
Dem Vorprodukt kann vor dem Ausformen zu dem optischen Bauelement 21 in dem Spritzpressverfahren ein internes Form- trennmittel beigemischt sein, wodurch sich eine erleichterte Entformung nach dem Formprozess ergibt.
Das optische Bauteil weist beispielsweise ein Länge von ungefähr 1,3 mm +/- 0,1 mm, eine Breite von ungefähr 0,8 mm +/- 0 , 1 mm und eine Höhe von ungefähr 0,3 mm +/- 0,1 mm auf. Alternativ weist das optische Bauteil beispielsweise eine Länge von ungefähr 1,7 mm +/- 0,1 mm, eine Breite von ungefähr 0,8 mm +/- 0,1 mm und eine Höhe von ungefähr 0,65 +/- 0,05 mm auf. Das optische Bauteil kann beispielsweise auch Anschrä- gungen an den Seitenflächen 22, 23 aufweisen mit Winkeln 31, 32 zu einer Vertikalen 30 von 5 bis 7 Grad. Die Anschrägungen können beispielsweise eine Entformung nach dem Spritzpressverfahren erleichtern. Alternativ können die Winkel auch 0 Grad sein.
Bei dem optoelektronischen Bauelement handelt es sich um ein LED-Chip, der von der dem Substrat abgewandten Seite mittels eines Bonddrahts 13 kontaktiert wird. Beispielsweise handelt es sich um einen LED-Chip auf InGaN-Basis, der ein Emissionsmaximum bei 470 nm aufweist. Durch Beimischung eines Wellenlängenkonversionsstoffs zum Hybridmaterial oder zum Vorprodukt, beispielsweise auf YAG: Ce-Basis, kann ein kalt- bis warmweißer Leuchteindruck erziehlt werden. Insbesondere kann die aus dem optischen Bauelement austretende Strahlung der Anordnung beispielsweise einen weißen Farbeindruck mit den Farbortkoordinaten x=0,30, y=0.28 gemäß CIE 1931 aufweisen. Alternativ weist die aus dem optischen Bauelement austretende Strahlung der Anordnung beispielsweise einen weißen Farbeindruck mit den Farbortkoordinaten x=0, 32, y=0,31 gemäß CIE 1931 auf.
Alternativ ist dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt kein Wellenlängenkonversionsstoff beigemischt. Dabei weist die aus dem optischen Bauelement austretende Strahlung beispielsweise die von dem LED-Chip emittierte blaue Strahlung bei 470 nm auf. Weiterhin weist die Anordnung beispielsweise einen Abstrahlwinkel im Bereich von 130 bis 170 Grad auf der vom Substrat abgewandten Seite des optischen Bauteils auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 7a bis 7d wird innerhalb eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein optisches Bauelement über einem Substrat mit optoelektronischen Bauelementen angeordnet .
Dabei zeigt Figur 7a ein Substrat 6, auf dem eine Mehrzahl optoelektronischer Bauelemente 2 entlang einer Richtung 100 zellenförmig nebeneinander angeordnet ist. Bei dem Substrat 6 handelt es sich beispielsweise um einen Leiterrahmen. Bei den optoelektronischen Bauelementen 2 handelt es sich um LED- Chips, die auf dem Leiterrahmen 6 beispielsweise mit einem Abstand 101 von 0,6 mm regelmäßig beabstandet angebracht sind. Die Leuchtdioden weisen beispielsweise eine Kantenlänge 102 in Zeilenrichtung 100 von weniger als ungefähr 0,4 mm auf. Die Anzahl der angeordneten LED-Chips auf einem Substrat kann ist abhängig vom Verwendeten Formwerkzeug und kann bei- pielsweise 26 sein (nicht gezeigt) . Der Leiterrahmen weist beispielsweise eine Breite von ungefähr 2,3 mm senkrecht zur Zeilenrichtung 100 auf.
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Figur 7b wird der Leiterrahmen 6 mit den Leuchtdioden 2 in einer Kavitat 40 eines Spritzpresswerkzeugs angebracht. Das Spritzpresswerkzeug weist dabei beispielsweise mindestens zwei Teile 41, 42 auf, die die Kavität 40 umschließen. Die Kavität weist die Form des zu formenden optischen Bauteils auf, insbesondere auch Bereiche 43, die auf der dem Substrat 6 abgewandten Seite der Kavität oberhalb der LED-Chips 2 angeordnet sind. Die Bereiche 43 sind beispielsweise gemäß der Form eines der Länge nach aufgeschnittenen Zylinders ausgebildet und weisen beispielsweise einen Radius von ungefähr 0,225 mm auf. Über ein Angusssystem 45 wird ein verflüssigtes Vorprodukt in die Kavität 40 eingebracht. Das Vorprodukt wird in der Kavität 40 zumindest teilweise gehärtet, vorteilhafterweise wird das Vorprodukt zu einem gehärteten Hybridmaterial ausgehärtet, wobei das optische Bauelement gebildet wird. Das Vorprodukt enthält ein internes Formtrennmittel. Durch das interne Formtrennmittel wird eine erleichterte Entformung des optischen Bauteils aus den Teilen 41, 42 des Spritzpresswerkzeugs nach dem Härten erreicht .
Durch Öffnen des Spritzpresswerkzeugs an der Verbindungsfläche 44 zwischen den Teilen 41, 42 des Spritzpresswerkzeugs kann die Anordnung aus dem optischen Bauelement 21, das dem Leiterrahmen 6 mit den LED-Chips 2 gemäß Figur 7c umformt ist, nach der Härtung des Hybridmaterial oder des Vorpordukts entnommen werden. Die Anordnung weist dabei Bereiche 51 auf, in denen sich kein LED-Chip 2 befindet, und Bereich 54, in denen sich jeweils ein LED-Chip befindet. Das optische Bauteil 21 weist dabei Bereiche 50 gemäß der Form eines der Länge nach aufgeschnittenen Zylinders in den Bereichen 54 der Anordnung auf der dem Substrat abgewandten Seite oberhalb der LEDs 2 auf. In den Bereichen 51 kann eine Vereinzelung der Bereiche 54 vorgenommen werden. Durch das Vereinzeln erhält jeder Bereich 54 Seitenflächen 52. Beispielsweise kann eine Vereinzelung durch Sägen in den Bereichen 51 mit einer Sägebreite von 0,2 mm vorgenommen werden.
Durch das Vereinzeln ergeben sich aus den vereinzelten Bereichen 54 Anordnungen gemäß der Figuren 7d und 7e, die einen LED-Chip 2 auf einem Leiterrahmen 6 umformt mit einem optischen Bauteil 21 aufweisen. Figur 7d zeigt dabei eine Frontansicht der Anordnung, Figur 7e eine Seitenansicht dazu. Die Anordnung weist beispielsweise eine Grundfläche von ungefähr 0,4 mm mal 2,3 mm und eine Höhe von ungefähr 0,5 bis 0,7 mm auf. Das optische Bauteil weist Seitenflächen 52 auf, die durch das Vereinzeln entstanden sind, und einen gekrümmten Bereich 50 gemäß der Form eines der Länge nach aufgeschnittenen Zylinders. Durch den gekrümmten Bereich 50 kann beispielsweise die verbesserte Auskopplung oder eine Fokussie- rung der vom LED-Chip 2 erzeugten Strahlung erreicht werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 ist ein optisches Bauelement 21 an ein Substrat 60 mit einem LED-Chip 2 angeformt. Bei dem Substrat 2 handelt es sich um eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, pcb) . Das optische Bauelement kann durch ein Spritzpressverfahren unter Verwendung einer Folie zur erleichterten Entformung (Foil Molding) an das Substrat 60 und den LED-Chip angeformt werden. Die Anformung des optischen Bauelements kann an eine Leiterplatte mit einer Mehrzahl von LED-Chips erfolgen. Zur Verbesserung der Haftung des optischen Bauelements 21 an die Oberfläche 61 der Leiterplatte 60 kann die Oberfläche vor dem Spritzpressverfahren mittels Flammsilikatisierung vorbehandelt werden. Nach der Anformung des optischen Bauelements kann die Anordnung vereinzelt werden in Anordnungen, die ein optisches Bauelement angeformt an eine Leiterplatte mit einem LED-Chip aufweisen. Das optische Bauelement weist nach dem Vereinzeln beispielsweise eine Länge von 1,1 mm bis 1,3 mm, eine Breite von 0,55 mm bis 0,65 mm und eine Höhe von 0,3 mm bis 0,7 mm auf.
Beispielsweise handelt es sich bei dem LED-Chip um einen LED- Chip auf InGaN-Basis, der ein Emissionsmaximum bei 470 nm aufweist. Durch Beimischung eines Wellenlängenkonversionsstoffs zum Hybridmaterial oder zum Vorprodukt, beispielsweise auf YAG:Ce-Basis, kann die aus dem optischen Bauelement austretende Strahlung der Anordnung beispielsweise einen weißen Farbeindruck mit den Farbortkoordinaten x=0,30, y=0.28 gemäß CIE 1931 mit einer Leuchtstärke von 200 med aufweisen. Dabei kann der LED-Chip so gewählt werden, dass die Strahlungsemission parallel zur Oberfläche 61 erfolgt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 sind Messungen zur Alterungsstabilität einiger Materialien für optische Bauelemente gezeigt . Dazu wurde die Lichtintensität eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 405 nm, einem Strahldurchmesser von 20 Mikrometer und einer Ausgangsleistung von 25 mW nach der Transmission durch optische Bauelemente mit einer Dicke von 1 mm mittels eines Fotodetektors gemessen. Auf der horizontalen Achse des Graphen ist die Zeit in Minuten aufgetragen, auf der vertikalen Achse die gemessene transmittierte Lichtintensität in Einheiten des Fotostroms. Für die Messungen 91, 92 wurden optische Bauelemente mit handelsüblichen Epoxidharzen verwendet, während für die Messungen 93, 94, 95 optische Bauelemente, die aus einem erfindungsgemäßen Hybridmaterial hergestellt wurden, verwendet wurden. Durch die Strahlungseinwirkung des Lasers erfolgt eine stetige Alterung beispielsweise in Form einer Vergilbung der optischen Bauelemente, die sich in einer geringeren transmittierten Lichtintensität niederschlägt. Ein vollständig transparentes optisches Bauelement wurde für eine Lichtintensität von 300 Mikroampere angenommen, eine vollständige Vergilbung für eine Lichtintensität von weniger als 50 Mikroampere. Die optischen Bauelemente gemäß der Messungen 93 , 94 , 95 zeigen eine etwa zwei Größenordnungen größere Alterungsstabilität hinsichtlich strahlungsinduzierter Alterung als die optischen Bauelemente gemäß der Messungen 91, 92

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes unter Einsatz eines Injection Molding Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silikonharz als Formmasse mit einer Viskosität von 4,5 bis 20 Pas verwendet wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozesstemperatur zwischen 130 und 18O0C angewendet wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Spritzdrücke zwischen 50 und 100 bar aufgewendet werden.
4. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse eine Beimischung zur Entformung oder Trennung, insbesondere wie Materialien auf Wachsbasis oder Metallseifen mit langkettigen Carbonsäuren enthält.
5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse mindestens einen Konversionsstoff enthält, wobei der Konversionstoff einen organischen oder anorganischen Leuchtstoff oder eine Mischung davon enthält.
6. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
•dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse mindestens einen Konversionsstoff enthält, wobei der KonversionsStoff YAG: Ce, TAG: Ce, TbYAG: Ce, GdYAG: Ce oder GdTbYAG:Ce oder ein daraus gebildetes Gemisch enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formmasse Füllstoffe zur Erhöhung des Brechungsindex beigemengt werden, wobei die Füllstoffe Glaspartikel, TiC^, ZrC>2 , αAl2θ3, andere Metalloxide und/oder ein Nicht-Oxid, das Galliumnitrid umfasst, enthalten.
8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die Zykluszeiten zwischen 30 Sekunden und 2
Minuten liegen.
9. Optisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Transfermoldingprozess Epoxydharze mit einer Viskosität von 4 bis 35 Pa s oder Silikonharze mit einer Beimischung von Epoxydharzen zwischen 30 und 80 % und einer Viskosität zwischen 0,9 und 12 Pas verwendet werden.
11. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur zwischen 130 und 180° C liegt.
12. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzdrücke im Verfahren zwischen 50 und 100 bar liegen.
13. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formmasse eine Beimischung zur Entformung oder Trennung wie Materialien auf Wachsbasis, Metallseife mit langkettigen Carbonsäuren beigemischt sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse mindestens einen Konversionsstoff enthält, wobei der Konversionsstoff einen organischen oder anorganischen Leuchtstoff oder ein Gemisch daraus enthält.
15. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse mindestens einen Leuchtstoff enthält, wobei der Leuchtstoff YAG: Ce, TAG: Ce, TbYAG: Ce, GdYAG: Ce, GdTbYAG: Ce oder ein hieraus gebildetes Gemisch ist .
16. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Formmasse Füllstoffe zur Erhöhung des Brechungsindex beigemengt werden, wobei die Füllstoffe Glaspartikel, Tiθ2, ZrC>2, CÜAI2O3, andere Metalloxide und/oder ein Nicht-Oxid, das Galliumnitrid umfasst, enthalten.
17. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die Zykluszeiten zwischen 2 Minuten und 8 Minuten liegen.
18. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtzeiten zwischen 3 Minuten und 5 Minuten liegen.
19. Strahlungsemittierendes Bauelement gefertigt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18.
20. Strahlungsemittierendes Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass einem optoelektrischen Halbleiter ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 9 nachgeordnet ist.
21. Strahlungsemittierendes Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass einem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 9 nachgeordnet ist.
22. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Premolded LED Package eine Umspritzung des Halbleiterchips nach einem der Verfahren 10 bis 18 erfolgt.
23. Ξtrahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Umspritzung ein optisches Bauelement naσhgeordnet ist.
24. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip auf einer Basispackage mit einer Silikonharzmischung gemäß einem der Verfahren 10 bis 18 umspritzt wird.
25. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Umspritzung ein optisches Bauelement nach einem der Verfahren 1 bis 8 nachgeordnet ist.
26. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Silikonmischung der Umspritzung eine höhere Viskosität als die Silikonmischung des optischen Bauelements aufweist.
27. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements, bei dem das optische Bauelement aus einem Material hergestellt wird, das ein Hybridmaterial umfasst, wobei das Hybridmaterial
- als erste Komponente zumindest eine Siloxan-Gruppen- enthaltende Verbindung aufweist und - als zweite Komponente Verbindungen aufweist, deren funktionelle Gruppen ausgewählt sind aus Epoxidgruppen, Imidgruppen und Acrylatgruppen.
28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Bauelement aus dem Hybridmaterial ausgeformt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, bei dem ein Hybridmaterial verwendet wird, das als erste und zweite Komponente Monomere aufweist, die zu einem Copσlymer verarbeitet werden.
30. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, bei dem ein Hybridmaterial verwendet wird, das als erste und zweite Komponente Polymere aufweist und zu einer Polymermischung verarbeitet wird.
31. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die zweite Komponente zusätzlich Siloxangruppen aufweist.
32. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Hybridmaterial einen Siloxananteil zwischen 10 und 90 Gew% aufweist.
33. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Hybridmaterial einen Siloxananteil zwischen 40 und 60 Gew% aufweist .
34. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Hybridmaterial bei Raumtemperatur eine Viskosität im Bereich von 0,5 bis 200 Pa s aufweist.
35. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Hybridmaterial zu einem Vorprodukt vorgehärtet wird, wobei das Vorprodukt bei Raumtemperatur fest ist.
36. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Vorprodukt zerkleinert wird.
37. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das zerkleinerte Vorprodukt in eine Form gebracht wird.
38. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das optische Bauelement aus dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt als Formkörper gebildet wird.
39. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Formkörper mittels eines Verfahrens gebildet wird, das ausgewählt ist aus Formpressen, Spritzpressen und Spritzguss.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, bei dem der Formkörper in einer Kavität eines Formwerkzeugs gebildet wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, bei dem das Vorprodukt in einem Spritzpressverfahren verarbeitet wird.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 41, bei dem das Vorprodukt eine Viskosität im Bereich von 1 mPa s bis 30 Pa s bei 15O0C aufweist.
43. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Hybridmaterial oder das Vorprodukt mittels Härtens zu einem gehärteten Hybridmaterial verarbeitet wird.
44. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Hybridmaterial Aushärtezeiten von weniger als 5 Minuten aufweist .
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 oder 44, bei dem das gehärtete Hybridmaterial eine Härte von mehr als 60 Shore D aufweist.
46. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung eines optischen Bauelements, bei dem das optische Bauelement aus einem Material hergestellt wird, das ein Hybridmaterial umfasst, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte urafasst :
A) Überführen eines aus dem Hybridmaterial mittels Vorhärtens erhaltenen Vorprodukts in einen flüssigen oder teigigen Zustand,
B) Einbringen des Vorprodukts aus dem Verfahrenschritt A) in eine Kavität eines Formwerkzeugs, wobei die Kavität eine bestimmte Form aufweist, und
C) Aushärten des Vorprodukts zu einem festen Hybridmaterial, wobei das optische Bauelement mit einer der Form der Kavität weitgehend entsprechenden Form erzeugt wird.
47. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, mit den zusätzlichen, vor dem Verfahrensschritt A) auszuführenden Verfahrensschritten :
Al) Vorhärten des Hybridmaterials zu einem bei Raumtemperatur festen Vorprodukt,
A2) Zerkleinern des festen Vorprodukts zu einem pulver- oder granulatförmigen Zustand, und
A3) Überführen des zerkleinerten Vorprodukts in eine kompakte
Form.
48. Verfahren nach Anspruch 40 oder 46, bei dem zumindest teilweise auf der Oberfläche der Kavität des Formwerkzeugs vor dem Formprozess eine Folie angebracht wird.
49. Verfahren nach Anspruch 48, bei dem die Folie eine Benetzung der Oberfläche der Kavität durch das Hybridmaterial oder das Vorprodukt vermeidet .
50. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt ein internes Formtrennmittel zugegeben wird.
51. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt ein Wellenlängen- konversionsstoff zugegeben wird, wobei der Wellenlängenkonversionsstoff YAG: Ce, TAG: Ce, TbYAG: Ce, GdYAG: Ce, GdTbY- AG: Ce, Nitride oder Silikate oder ein daraus gebildetes Gemisch aufweist.
52. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dem Hybridmaterial oder dem Vorprodukt ein Material zur Erhöhung des Brechungsindex zugegeben wird, wobei das Material an das Hybridmaterial chemisch gebunden, als Oxid, als Partikel oder als Kombination daraus vorliegt.
53. Verfahren nach Anspruch 52, bei dem das Material zur Erhöhung des Brechungsindex chemisch an das Hybridmaterial oder an das Vorprodukt gebundenes Titan, Zirkon und/oder Schwefel aufweist .
54. Verfahren nach Anspruch 52, bei dem dem Material zur Erhöhung des Brechungsindex ein Oxid zugegeben wird, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, wobei die Gruppe TiO2, ZrO2 und CuAl2O3 umfasst, und/oder ein Wicht-Oxid zugegeben wird, das Galliumnitrid umfasst.
55. Verfahren nach Anspruch 54, bei dem dem Material zur Erhöhung des Brechungsindex Glaspartikel beigemischt werden.
56. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem durch das optische Bauelement mindestens ein optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat verkapselt wird.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 56, bei dem während des Aushärtens des Hybridmaterials oder des Vorprodukts ein optoelektronisches Bauelement auf einem Substrat zumindest teilweise umschlossen wird.
58. Verfahren nach Anspruch 57, bei dem das optoelektronische Bauelement auf einem Substrat in der Kavität des Formwerkzeugs angeordnet wird.
59. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 58, bei dem als optoelektronisches Bauelement ein strahlungsemittierender Halbleiterchip verwendet wird.
60. Verfahren nach Anspruch 59, bei dem ein strahlungsemittierender Halbleiterchip verwendet wird, der im Betrieb Strahlung aussenden kann, wobei die Strahlung eine Wellenlänge im ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich aufweist.
61. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 60, bei dem ein Substrat verwendet wird, das einen Leiterrahmen, eine Leiterplatte, eine flexmaterialbasierte Bauform oder eine keramikbasierte Bauform aufweist.
62. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 61, bei dem vor dem Formprozess zumindest Teile des Substrats und/oder des optoelektronisches Bauelements mit einem Material beschichtet werden, das geeignet ist, die Haftung zum Hybridmaterial oder zum Vorprodukt zu erhöhen.
63. Verfahren nach Anspruch 62, bei dem das Material ein Silikat aufweist.
64. Verfahren nach Anspruch 62 oder 63, bei dem die Beschich- tung mittels Flammsilikatisierung erfolgt.
65. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Vielzahl optischer Bauelemente hergestellt wird und die Vielzahl optischer Bauelemente anschließend vereinzelt wird.
66. Verfahren nach Anspruch 65, bei dem das Vereinzeln durch Schneiden, Sägen, Ritzen, Brechen und/oder Schleifen erfolgt.
67. Optisches Bauelement, das nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche herstellbar ist.
68. Optisches Bauelement nach Anspruch 67, wobei das optische Bauelement ein strahlungbeugendes optisches Bauelement, ein strahlungbrechendes optisches Bauelement, ein Reflektor, ein Wellenlängenkonverter, ein Gehäuse, ein Teil eines Gehäuses, eine Verkapselung, ein Teil einer Verkapselung oder eine Kombination daraus ist.
69. Optisches Bauelement nach Anspruch 68, wobei das strahlungsbrechende optische Bauelement eine sphärische Linse, eine asphärische Linse, eine Zylinderlinse oder eine Fresnel- linse ist .
70. Anordnung, umfassend
- ein optisches Bauelement erhältlich nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 27 bis 66, und
- ein optoelektronisches Bauelement.
71. Anordnung nach Anspruch 70, wobei das optische Bauelement das optoelektronische Bauelement zumindest teilweise umschließt .
72. Anordnung nach Anspruch 70 oder 71, wobei die Anordnung oberflächenmontierbar ist.
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