JP2013541202A - ビーム放射デバイス - Google Patents

Abstract

ビーム放射デバイスを提示する。このビーム放射デバイスは、動作中に電磁ビームをビーム出射面（２）から送出する半導体ボディ（１）を有している。この半導体ボディは、陥入部（４）を有するデバイスケーシング（５）内に配置されている。さらに、デバイスは光学素子（８）を含んでおり、この光学素子は接合層（９）によって機械的に安定して、デバイスケーシング（５）と接続されている。この接合層（９）は３０ＭＰＡ以下の弾性率を有している。

Description

ビーム放射デバイスを提示する。

本発明の課題は、ビーム放射デバイスを提示することである。このビーム放射デバイスは、殊に良好な温度変化耐性を有している。

上述の課題は、請求項１に記載されている特徴部分の構成を有するビーム放射デバイスによって解決される。有利な発展形態および実施形態は、従属請求項に記載されている。

ビーム放射デバイスは殊に、
・動作時に電磁ビームをビーム出射面から送出する半導体ボディと、
・当該半導体ボディを含むデバイスケーシングと、
・接合層を用いてデバイスケーシングと材料接続的に接続されている光学素子とを有しており、ここでこの接合層は、３０ＭＰａ以下、有利には１０ＭＰａ以下の弾性率を有している。

特に有利には、光学素子は別個に製造された素子である。通常、光学素子は次のように配置されている。すなわち、半導体ボディから送出されたビームの大部分が光学素子を通過するように配置されている。通常、接合層および光学素子は、共通の境界面を形成する。特に有利には、接合層の主表面は、半導体ボディのビーム取り出し面に対して平行に配置されている。さらに、接合層の主表面は特に有利には、光学素子のビーム入力面に対して平行に配置されている。特に有利には、半導体ボディのビーム出射面によって半導体ボディから送出される光の大部分は接合層を通る。

有利には、接合層はさらに、Ａ９０以下、特に有利にはＡ４５以下のショア硬さを有している。

ビーム放射デバイスは、殊に、例えばビーム放射デバイスにおけるビーム形成のために設けられている、デバイスの光学素子を、弾性のある接合層を用いて、機械的にデバイスケーシングからデカップリングする、という考えに基づいている。このようなデバイスは通常、比較的強い温度変動にさらされても、大きい損傷を受けることがない。その高い温度変化耐性故に、このデバイスは殊に、ＳｎＡｇＣｕベースのはんだをはんだ付けするために高いはんだ付け温度、例えば２６０℃で負荷され、かつ急峻なはんだ付けプロファイル勾配で負荷されるのに適している。デバイスの熱循環耐性も効果的に高められる。

このデバイスでは、有利には、外部から作用する機械的な力が殊に可逆的な変形の形で接合層内に受容される。このようにして応力ピークが効果的に緩和されて、デバイスケーシングが保護される。さらに、このデバイスは、光学素子の大きさおよび形状がデバイスの温度変化耐性に影響を与えない、という利点を有している。これによって、光学素子の新たな設計を用いることが可能になる。しかも、デバイスの温度変化耐性が低減されることはない。

光学素子とデバイスケーシングが、弾性のある接合層によって機械的にほぼ相互にデカップリングされていない従来のデバイスは、本願とは異なり、はんだ付け温度が高い場合、およびはんだ付けプロファイル勾配が急峻である場合に、損傷を受けてしまう、という欠点を有している。なぜなら、光学素子、例えばレンズははんだ付け時に、材料の熱膨張が原因で動き、この動きがケーシングに伝わるからである。はんだ付け過程中の光学素子の動き、およびここから結果的に生じるデバイスの損傷は、本発明のビーム放射デバイスでは、有利には少なくとも低減される。

デバイスの実施形態では、接合層は、シリコーン、エポキシド、シリコーンとエポキシドの混成物またはポリウレタンを有している、またはこのような材料から成る。

有利には、接合層の厚さは少なくとも３０μｍである。特に有利には接合層の厚さは少なくとも５０μｍである。

特に有利には、光学素子は３５００ＭＰａ以上の弾性率を有している。ガラスを有しているまたはガラスから成る光学素子は、例えば通常は、約６００００ＭＰａの弾性率を有している。

特に有利には、光学素子は、Ｄ８０以上のショア硬さを有している。

光学素子が接合層によって機械的にほぼ、デバイスケーシングからデカップリングされている場合には、有利には、比較的硬い材料を光学素子に対して使用することができる。これは、高い弾性率および／または高いショア硬さを有している。高い弾性率および／または高いショア硬さを有している光学素子は機械的に有利には特に安定しており、従って、デバイス内の比較的壊れやすい半導体ボディを保護するのに寄与する。

ある実施形態では、光学素子は、後続の材料のうちの１つを有している、または後続の材料のうちの１つから成る：エポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成物、ガラス、熱可塑性物質。

デバイスの別の実施形態では、半導体ボディは、デバイスケーシングの陥入部内に配置されている。デバイスケーシングのこの陥入部は、有利には注封コンパウンドで充填されている。特に有利には陥入部は完全に注封コンパウンドで満たされる。この注封コンパウンドはさらに、有利には接合層と共通の境界面を形成する。特に有利には、注封コンパウンドと接合層との間に空気が満たされた間隙は設けられていない。

特に有利には、注封コンパウンドの主表面は、接合層の主表面に対して平行に、かつ半導体ボディのビーム出射面に対して平行に配置されている。特に有利には、半導体ボディのビームの大部分は接合層も、注封コンパウンドも通る。

注封コンパウンドは、一方では、半導体ボディを保護するために設けられている。さらに通常は、注封コンパウンドによって、デバイスからの光の取り出しが増大する。注封コンパウンドは、ここで有利にはビーム透過性に構成されている。

注封コンパウンドは例えばエポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成材料またはポリウレタンを有している、またはこられの材料から成る。

特に有利には、注封コンパウンドは３０００ＭＰａ以上の弾性率を有している。注封材料のショア硬さはさらに、有利には、Ｄ８９以上である。

高い弾性率および／または高いショア硬さを有する比較的硬い注封材料を使用することによって、殊に、半導体ボディを特に良好に機械的に保護することができる。さらに、硬い注封コンパウンドの使用が有利には可能である。なぜなら、柔らかい接合層を介して、注封コンパウンドが光学素子から機械的にほぼデカップリングされているからである。

有利には、接合層と光学素子との間の屈折率変化は、０．３以下、特に有利には０．１以下である。

接合層と光学素子との間の小さい屈折率変化によって、半導体ボディのビームが接合層および光学素子を通過する際の、光学的な損失が有利には低減される。

別の実施形態では、注封コンパウンドと接合層との間の屈折率も、値０．３以下、特に有利には０．１以下である。

注封コンパウンドと接合層との間の屈折率変化が特に小さいことによっても、境界面での光学的な損失が有利には低減される。

ビーム路内で、デバイスの半導体ボディから取り出し面まで、屈折率が整合された材料を使用することによって、デバイスの特に高い光学的な効率が実現される。有利な光学的な設計では、半導体ボディによって形成された光束の９０％〜９５％がデバイスから取り出される。

さらに、特に有利には、種々の材料間の境界面の形状は、ビーム形成の目的で整合される。

本発明の別の有利な実施形態および発展形態を、図示された実施例と関連して以下に記載する。

ある実施例に従ったビーム放射デバイスの概略的な断面図 本発明の基になるアイディアを説明するための、ビーム放射デバイスの概略的な断面図 本発明の基になるアイディアを説明するための、ビーム放射デバイスの概略的な断面図

同一の、同様の、または同じ作用を有する素子には、図面において同じ参照番号を付与している。これらの図面および図示された部材相互の大きさの比は、縮尺通りではない。むしろ個々の部材、殊に層の厚さは、見やすくするためにおよび／または分かりやすくするために、誇張して大きく示されている。

図１に示された実施例に即したビーム放射デバイスは、半導体ボディ１を有している。この半導体ボディは動作中に、電磁ビーム、有利には可視光を自身のビーム出射面２から送出するのに適している。

ビーム形成のために、半導体ボディ１はアクティブゾーン３を有している。このアクティブゾーンは有利にはｐｎ接合部、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造または特に有利には多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含んでいる。用語「量子井戸構造」は、ここで、量子化の次元に関する情報を含んでいない。従ってこれは殊に、量子桶、量子線および量子点およびこれらの構造の各組み合わせを含んでいる。

半導体ボディ１は、デバイスケーシング５の陥入部４内に取り付けられている。例えば、半導体ボディ１はデバイスケーシング５内に接着されている。

デバイスケーシング５の陥入部４は、傾斜した側面６を有している。この側面は、半導体ボディ１のビームを、デバイスの取り出し面７へと偏向するのに適している。

陥入部４を介して、デバイスケーシング５上に、光学素子８、ここではレンズが取り付けられている。このレンズは、ビーム成形のために設けられている。光学素子８は次のように配置されている。すなわち、半導体ボディ１から送出されたビームが実質的に、この光学素子８を通るように配置されている。

レンズ８とデバイスケーシング５との間に接合層９が配置されている。この接合層は、光学素子８をデバイスケーシング５と機械的に安定して接続する。接合層９は、３０ＭＰａ以下、特に有利には１０ＭＰａ以下の弾性率を有している。さらに、接合層９のショア硬さは有利にはＡ９０以下、特に有利にはＡ４５以下である。接合層９の厚さは、有利には３０μｍ以上であり、特に有利には５０μｍ以上である。接合層９は例えば、以下の材料のうちの１つを有している、または以下の材料のうちの１つから成る：シリコーン、エポキシド、シリコーンとエポキシドの混成物、ポリウレタン。特に有利には、接合層はシリコーンを有している、またはシリコーンから成る。

図１の実施例に示されたデバイスの光学素子８は、有利には、３５００ＭＰａ以上の弾性率および／またはＤ８０以上のショア硬さを有している。光学素子８は、例えば以下の材料のうちの１つを有している、または以下の材料のうちの１つから成る：エポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成物、ガラス、熱可塑性物質。

特に有利には、接合層９と光学素子８との間の屈折率変化は０．１以下であり、特に有利には０．３以下である。

さらに、デバイスケーシング５の陥入部４は完全に、ビーム透過性の注封材料１０によって充填され、この中に半導体ボディ１が埋設される。注封コンパウンド１０はこれによって、接合層９と共通の境界面を形成する。

半導体ボディ１を保護するために、注封コンパウンド１０は比較的硬く構成される。特に有利には、注封コンパウンド１０は、３０００ＭＰａ以上の弾性率および／またはＤ８０以上のショア硬さを有している。

注封コンパウンド１０は、例えば、以下の材料のうちの１つを有することができる、または以下の材料のうちの１つから成る：エポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成物、ポリウレタン。

有利には、接合層９と注封コンパウンド１０との間の屈折率変化は０．３以下、特に有利には０．１以下である。

さらに、デバイスケーシング５は電気的な接続ストリップ１１を有している。これは、デバイスケーシング５の側方から突出している。電気的な接続ストリップ１１は、取り出し面７に対向して位置する、デバイスの下面１２へと湾曲されている。この電気的な接続ストリップ１１によって、ビーム放射デバイスは、担体１３と導電性に、はんだ付け層（図示されていない）を介して接続されている。はんだ付け層は、例えば、ＳｎＡｇＣｕをベースとしている。柔らかい接合層９を介した機械的なデカップリングに基づいて、図１に示されたデバイスは、損傷を受けずに約２６０℃のはんだ付け温度を有するのに適している。

図２は、デバイスケーシング５を備えたデバイスを示している。このデバイスケーシング５の陥入部４内には注封コンパウンド１０が配置されている。この図に基づいて以下で、注封コンパウンド１０が熱膨張した際に、その上に半導体ボディ１が取り付けられるべきデバイスケーシング５の底面に作用する力に関する論理的な予測を示す。

室温Ｔ≒２５℃では、注封コンパウンド１０は、内部に向かって、陥入部内へと湾曲されている、空気に対する境界面１４を有している。温度Ｔ＝２６０℃で、注封材料１０は膨張する。従って、注封コンパウンドと空気との間の境界面１４’は、今度は外側へ湾曲する。この状態では、注封コンパウンド１０は、体積重心Ｍ_Ｖを有する。この体積重心Ｍ_Ｖとデバイスケーシング５の底面との間の間隔は、Ｌ_１である。デバイスケーシング５の底面に、注封コンパウンド１０の熱膨張によって作用する力は、ばね力Ｆ_{ｆｅｒｄｅｒ}＝Ｃ×Ｌに対する式を用いて見積もられる。力Ｆ_１＝Ｃ×Ｌ_１が生じる。

図３のデバイスでは、注封コンパウンド１０は、図３のデバイスとは異なり、レンズ状に形成されている。レンズ状の注封コンパウンド１０は、室温Ｔ＝２５℃の場合には、外側へ湾曲した、空気に対する境界面１４を有している。レンズ状の注封コンパウンド１０の体積は、温度Ｔ＝２６０℃で拡張し、注封コンパウンド１０と空気との間の境界面１４’外側へ伸びる。温度Ｔ＝２６０℃での注封コンパウンド１０の体積重心が、再び、Ｍ_Ｖで表されている。この体積重心Ｍ_Ｖとデバイスケーシング５の底面との間の間隔は、Ｌ_２である。注封材料の熱膨張によって、デバイスケーシング５の底面に作用する力Ｆ_２は、Ｆ_２＝Ｃ×Ｌ_２である。Ｌ_２＞Ｌ_１であるので、Ｆ_２＞Ｆ_１も当てはまる。

注封材料１０の体積が大きくなるほど、デバイスの熱負荷時に、陥入部４の底面に配置されている半導体ボディ１への層剥離力が大きくなる。注封コンパウンド１０自体が、例えば、図３に示されているように、光学素子の形態で形成されている場合には、この層剥離力は特に大きくなる。これに対して、例えば図１に示されているように、光学素子８が機械的に、例えば柔らかい接合層９を介してデバイスケーシング５の陥入部４内の注封材料１０からデカップリングされる場合には、格段に小さい層間剥離力が作用する。

本出願は、ドイツ特許出願ＤＥ１０２０１００４５３１６．１の優先権を主張する。この文献の開示内容は本願に参照として取り入れられている。

本発明は、実施例に基づく記載によって制限されない。むしろ、本発明は各特徴並びに各特徴の組み合わせを含んでいる。これは殊に、特許請求の範囲における特徴の各組み合わせを含んでいる。これは、この特徴またはこの組み合わせ自体が明確に、特許請求の範囲または実施例に示されていない場合にも当てはまる。

図３のデバイスでは、注封コンパウンド１０は、図２のデバイスとは異なり、レンズ状に形成されている。レンズ状の注封コンパウンド１０は、室温Ｔ＝２５℃の場合には、外側へ湾曲した、空気に対する境界面１４を有している。レンズ状の注封コンパウンド１０の体積は、温度Ｔ＝２６０℃で拡張し、注封コンパウンド１０と空気との間の境界面１４’外側へ伸びる。温度Ｔ＝２６０℃での注封コンパウンド１０の体積重心が、再び、Ｍ_Ｖで表されている。この体積重心Ｍ_Ｖとデバイスケーシング５の底面との間の間隔は、Ｌ_２である。注封材料の熱伸張によって、デバイスケーシング５の底面に作用する力Ｆ_２は、Ｆ_２＝Ｃ×Ｌ_２である。Ｌ_２＞Ｌ_１であるので、Ｆ_２＞Ｆ_１も当てはまる。

Claims (15)

1. ビーム放射デバイスであって、
   当該ビーム放射デバイスは、半導体ボディ（１）とデバイスケーシング（５）と光学素子（８）を有しており、
   ・前記半導体ボディ（１）は動作中に電磁ビームをビーム出射面（２）から送出し、
   ・前記デバイスケーシング（５）は前記半導体ボディ（１）を包囲しており、
   ・前記光学素子（８）は、接合層（９）によって前記デバイスケーシング（５）と材料接続によって接続されており、
   ・前記接合層（９）は、３０ＭＰａ以下の弾性率を有している、
   ことを特徴とする、ビーム放射デバイス。
2. 前記接合層（９）の弾性率は１０ＭＰａ以下である、請求項１記載のビーム放射デバイス。
3. 前記接合層（９）は、Ａ９０以下のショア硬さを有している、請求項１または２記載のビーム放射デバイス。
4. 前記接合層（９）は、シリコーン、エポキシド、シリコーンとエポキシドの混成物、ポリウレタンのうちの１つの材料を有している、請求項１から３までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
5. 前記接合層（９）は、少なくとも３０μｍ、有利には少なくとも５０μｍの厚さを有している、請求項１から４までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
6. 前記光学素子（８）は、３５００ＭＰａ以上の弾性率および／またはＤ８０以上のショア硬さを有している、請求項１から５までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
7. 前記光学素子（８）は、エポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成物、ガラス、熱可塑性物質のうちの１つの材料を有している、請求項１から６までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
8. 前記半導体ボディ（１）は、前記デバイスケーシング（５）の陥入部（４）内に配置されており、前記デバイスケーシング（５）の陥入部（４）は注封コンパウンド（１０）で充填されている、請求項１から７までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
9. 前記注封コンパウンド（１０）は、エポキシド、シリコーン、シリコーンとエポキシドの混成物、ポリウレタンのうちの１つの材料を有している、請求項８記載のビーム放射デバイス。
10. 前記注封コンパウンド（１０）は、３０００ＭＰａ以上の弾性率および／またはＤ８０以上のショア硬さを有している、請求項８または９記載のビーム放射デバイス。
11. 前記接合層（９）と前記光学素子（８）の間の屈折率変化は、０．３以下である、請求項１から１０までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
12. 前記接合層（９）と前記光学素子（８）の間の屈折率変化は、０．１以下である、請求項１１記載のビーム放射デバイス。
13. 前記注封コンパウンド（１０）と前記接合層（９）との間の屈折率変化は、０．３以下である、請求項８から１２までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
14. 前記注封コンパウンド（１０）と前記接合層（９）との間の屈折率変化は、０．１以下である、請求項８から１３までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。
15. 前記接合層（９）の主表面は、前記半導体ボディ（１）のビーム出射面に対して平行に延在している、請求項１から１４までのいずれか一項記載のビーム放射デバイス。

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