TW202205548A - 光電模組及其製造方法與用途 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種光電模組。該光電模組具有載體元件、至少施加在載體元件上的光電元件、用於光電元件的蓋體及空腔。蓋體包括在圓周方向上圍繞光電元件並連接到載體元件的框架，以及施加在框架上並實質上與載體元件相對、用於將電磁輻射輸入進蓋體及/或從蓋體輸出的玻璃元件。空腔形成在至少部分地由蓋體的內表面及載體元件的表面所界定的容積內。光電元件設置在空腔中並且被蓋體密封地封閉及/或以可熱壓的方式封閉。光電模組更包括至少部分地填充空腔的填充材料，填充材料適於並配置為補償填充材料所佔據的容積的膨脹，並且包括至少一個第一可變形補償容積，其設置成與蓋體及/或載體元件的子區域相鄰。

Description

具有增強電磁輻射輸出之密封光電模組
本發明係有關於一種具有來自光電模組的增強電磁輻射輸出之密封光電模組，並且有關於一種用於製造這種光電模組的方法。
根據先前技術，光電元件或組件，例如LED，通常通過環氧樹脂與聚矽氧以及玻璃封裝、陶瓷-玻璃封裝或金屬-玻璃封裝來進行封裝。這種金屬玻璃封裝或陶瓷級封裝通常包括金屬或陶瓷封裝元件與透明封裝元件，用於將電磁輻射，特別是光，輸入到封裝中或從封裝中輸出。光電元件本身的封裝一方面用於保護光電元件，另一方面用於增加來自光電元件的電磁輻射輸出，在這種情況下，增強電磁輻射輸出可以通過適當選擇封裝材料的折射率來實現。光電元件被施加到基板或載體元件上，並且通常藉由焊接(soldering)處理或熔接(welding)處理而被對應的封裝所封裝或封閉。有時也使用填充材料，填充材料被引入到封裝中並且有助於增強電磁輻射輸出。
舉例來說，美國專利申請案US 2005/0239227 A1描述一種電路板，該電路板具有至少一個LED晶片及半透明蓋，該半透明蓋圍繞至少一個LED晶片並在其開口端連接到電路板。蓋子的內表面與電路板限定了內部容積，該內部容積包含至少一個LED晶片並且其中引入了覆蓋至少一個LED晶片的透明填充材料，例如聚矽氧或環氧化物。光輸出因填充材料而增加，因為填充材料導致內部容積中的折射率的光輸出增強變化。
美國專利申請案US 2003/0219207 A1 也使用光學凝膠形式的填充材料來調整折射率，以增加從光源，例如LED，進到光導，例如光纖，的光輸出。為了在光導未附接到光發射表面時在光源與光導之間傳輸光，光學凝膠填充了圍繞光發射表面並由塑料圓頂所包圍的中空空間。
美國專利申請案US 2009/0206352 A1揭露了一種封裝體包圍的LED晶片，封裝體包括至少一個基體及由玻璃體形成的帽蓋，LED晶片位於基體的凹槽中及後者之上。LED晶片的初級輻射至少部分地被轉換元件轉換成具有更長波長的輻射，轉換裝置容納在帽蓋的玻璃體中並且玻璃體的折射率大於1.6，較佳地為至少n=1.7。基體凹槽被填滿了填充材料，其覆蓋LED晶片並且容納浸液作為主要成分及玻璃與磷顏料的比例，且有助於增強LED晶片主要輻射的轉換效率。
根據先前技術，填充材料被引入到一內部容積中，該內部容積由載體元件及蓋體或帽蓋界定，該載體元件具有施加在其上的光電元件，例如LED晶片，填充材料隨著溫度升高而膨脹，特別是由於電磁熱輻射或輻射熱。如果填充材料由於其隨溫度升高的容積膨脹而填充內部容積，特別是完全填充，則填充材料將增加的壓力施加到蓋體上並且也施加到其上施加有光電元件的載體元件上。除了導致電磁輻射輸出效率顯著降低的蓋體中的裂縫之外，光電元件也可能被施加在其上的填充材料的壓力所損壞。
因此，本發明的至少一個目的是提供一種具有至少一個光電元件及覆蓋光電元件之填充材料的經改良的密封光電模組，其克服了上述缺點，同時具有來自光電模組的增強電磁輻射輸出。特別地，本發明的一個目的是，即使填充材料發生容積變化，也會發生來自光電模組的增強電磁輻射輸出。
上述目的中的至少一個通過獨立請求項1及方法請求項10的特徵來實現，並且由各個附屬請求項的進一步特徵構成及改進。
根據本發明的光電模組包括載體元件、施加在載體元件上的至少一個光電元件、用於光電元件的蓋體及空腔。光電模組的蓋體，也稱為帽蓋，包括在圓周方向上圍繞光電元件並連接到載體元件的框架，以及用於將電磁輻射輸入進蓋體及/或從蓋體輸出之施加在框架上並實質上與載體元件相對的玻璃元件。空腔形成在至少部分地由蓋體的內表面及載體元件的表面所界定的容積內。光電元件用一種方式設置在空腔中，該方式是它被蓋體密封地封閉及/或以可熱壓(autoclavable)的方式封閉。光電模組還包括填充材料，該填充材料至少部分地填充空腔。光電模組還適配及配置為補償由填充材料所佔據的容積的膨脹，並且為此包括至少一個第一可變形補償容積。
也可以想到以一種方式配置補償容積，該方式是使得其容積在超過或低於溫度臨界值時趨向於零。然而，補償容積通常在-40°C至+150°C，較佳-25°C至+125°C的溫度範圍內存在並且有效，這對於光電部件的應用是習知的。
根據本發明的光電模組提出一種藉由為光電模組提供至少一個第一可變形補償容積來補償覆蓋光電元件或引入到空腔中的填充材料的容積膨脹的解決方案。在光電模組內部溫度升高的情況下，例如由於電磁熱輻射或輻射熱，填充材料可以至少膨脹到第一補償容積中。最初沒有被填充材料填充的至少一個第一補償容積隨後至少部分被膨脹的填充材料填充。因為填充材料可以至少膨脹到第一補償容積中，所以填充材料在光電元件所施加的載體元件上及/或蓋體上施加小很多的壓力或甚至幾乎沒有施加任何壓力。損壞蓋體及/或載體元件上的光電元件的風險，若未能消除，亦通過填充材料至少膨脹到第一補償容積中的可能性(這導致來自光電模組的增強電磁輻射輸出)而因此顯著地降低了。
在一個範例性具體例中，填充材料是液體，例如油，並且在其膨脹期間形成彎曲的表面，特別是凸出彎曲的表面。這種曲面在流體靜力學中被稱為彎液面(meniscus)，並且是基於形成彎液面的液體及與液體相鄰的壁表面之間的相互作用。
除了至少一個補償容積之外，在光電模組中還可以設置多個補償容積，即第二、第三等原本沒有用填充材料來填充的可變形補償容積，各個補償容積在空間上彼此分離。
當在本發明的範圍內提及電磁輻射輸出或光輸出時，術語電磁輻射或光是指預定的光譜範圍並且不限於可見光的光譜。例如，紅外光或紫外(UV)光也可包括在該預定光譜範圍內。蓋體的玻璃元件例如可以是玻璃板形式的玻璃窗，或者它也可以具有不同的形狀，例如凸形或凹形。特別地，玻璃元件也可以配置為透鏡。除了玻璃窗，玻璃陶瓷窗、藍寶石窗、石英窗或矽窗例如也可以用作透明玻璃元件。在這種情況下，矽窗口是僅對紅外光透明的玻璃元件的範例。
在一個範例性具體例中，第一可變形補償容積可以與光電模組的蓋體的子區域及/或載體元件的子區域相鄰，從而具有最小可能的折射率變化的介面形成在蓋體內部，這對將要輸出的電磁輻射的光學路徑產生負面影響。與根據本發明的該具體例相比，如果第一補償容積不與蓋體及/或載體元件的子區域相鄰設置，而是例如在填充材料的兩個相互分離的區域之間並且分別直接與填充材料的這些區域相鄰，將在補償容積及填充材料之間形成更多的界面。這將對要輸出的電磁輻射的光學路徑產生負面影響並且降低來自光電模組的電磁輻射輸出的效率。這些轉變通常作為與空氣或氣體的界面存在，然後具有更大的折射率變化，這導致高反射損失。
作為與光電模組的蓋體的子區域及/或載體元件的子區域相鄰的第一補償容積的替代方案，在另一範例性具體例中，至少一個第一補償容積也可以完全被填充材料所包圍。特別地，至少一個第一補償容積可以形成為氣泡，該氣泡位於光電模組的填充材料所填充的區域中。
補償容積較佳地填充有可壓縮介質，特別是氣態介質，或者有彈性介質。作為替代，補償容積可以是真空。所有這些變型使得在填充材料膨脹到補償容積中的情況下可以有利於填充材料來壓縮補償容積，使得填充材料可以將其容積增加到補償容積中。
在一個具體例中，蓋體的子區域及/或載體元件的子區域可以塗覆有對於填充材料非潤濕及/或對於填充材料非黏性的塗層，使得至少一個第一補償容積是通過從該塗層上剝離填充材料而形成。這種塗層必須在用填充材料來填充空腔之前進行。如果在塗覆後用填充材料來填充空腔，則填充材料不會黏附到非潤濕或非黏性塗層上。填充材料可以從該塗層分離或縮回，使得通過分離形成至少一個第一補償容積。
在另一具體例中，還可以想到的是，第一補償容積的至少一個子區域塗覆有對於填充材料非潤濕及/或對於填充材料非黏性塗層。在將第一補償容積引入光電模組及其至少部分塗層之後，當用填充材料填充空腔時，填充材料不黏附在該塗層上並且可以從其上分離。這會產生第二個補償容積，然後作為真空存在，而第一補償容積是可壓縮介質或彈性介質。
光電模組，特別是蓋體或承載元件，例如可以包括特別是連接到框架或承載元件的至少一個軟性膜，以便補償由填充材料所佔據的容積的膨脹。這種膜由彈性且因此可膨脹的材料組成，並且以這樣的方式構成:填充材料不能穿過膜而是在膜膨脹時被膜界定或保持。在本發明的範圍內，也可以在光電模組中提供不止一個這樣的軟性膜，然後對應的膜彼此空間分離地設置。
根據一個具體例，第一補償容積至少設置在框架的面向空腔的內表面及/或載體元件的面向空腔的表面之間。如果設置軟性膜，則當填充材料因為其容積膨脹而將壓力施加到膜上時，它可以向外彎曲到第一補償容積中。然而，如果填充材料在第一補償容積的方向上膨脹，因此在膜的方向上膨脹，則它可以在其膨脹方向上被膜所限定，而不會阻礙在補償容積的方向上進一步膨脹。因此，填充材料與變形的或向外彎曲的膜一起在第一補償容積的方向上膨脹。
根據本發明的光電模組的至少一個膜較佳地界定密封的空腔。這意味著空腔的子區域由至少一個膜界定並且因此與至少一個膜直接相鄰。因此，空腔由一個容積形成，該容積由蓋體的內表面、由載體元件的面向光電元件的表面、以及由至少一個膜限定。在這樣的具體例中，除了蓋體及載體元件之外，膜因此是光電元件的氣密封裝的組成部分。
作為上述軟性膜的替代或結合，光電模組可以包括雙金屬元件。特別地，在另一個具體例中，蓋體的框架可以配置為至少部分地是雙金屬的，以補償被填充材料佔據的容積的膨脹。雙金屬元件包括以形狀配合或材料配合相互連接的兩層不同金屬，其特點在於在溫度變化的情況下改變其形狀，特別是彎曲的特性。彎曲的原因是用於雙金屬複合材料或雙金屬元件的金屬具有不同的熱膨脹係數，因此也具有不同的縱向膨脹係數，因此在加熱期間被拉長了不同的距離，這導致由於他們之間形成的連接而彎曲。在框架被配置為至少部分雙金屬的情況下，雙金屬框架被設計成在溫度升高的情況下向外彎曲，即遠離空腔，使得形成了構成第二補償容積的中空空間。由於溫度升高，填充材料可以膨脹到該第二補償容積中。較佳地，第二補償容積是與至少一個第一補償容積不同的補償容積。然而，第二補償容積也可以是至少一個第一補償容積。
根據一個具體例，填充材料可以特別是聚矽氧、聚合物、環氧樹脂或油，及/或蓋體的框架可以是陶瓷或金屬，較佳地至少部分地塗覆有玻璃的金屬或至少部分塗覆有玻璃的陶瓷。填充材料的選擇可以藉助其折射率來進行，並且尤其可以取決於所使用的玻璃元件的折射率及要輸入或輸出的電磁輻射的波長。在由金屬或陶瓷製成的具有至少部分玻璃塗層的框架的情況下，玻璃塗層尤其用於將框架連接到承載元件。
此外，載體元件例如可以至少部分地由陶瓷及/或金屬構成，並且較佳地包括用於接觸光電元件的電氣佈局。光電元件尤其通過焊接處理或黏接處理施加在載體元件上。
此外，根據本發明的光電模組的一個具體例，空腔的容積比第一補償容積的容積大至少2.5倍。
除了平坦的、平面的載體元件，在另一個具體例中，載體元件還可以包括凹部，在該凹部中，光電元件設置在載體元件上。在這種情況下，空腔實質上由承載元件的凹部形成。
除了在空腔中的光電元件的氣密封裝之外，在本發明的範圍內也可以進行在空腔中的光電元件的可熱壓封閉。可熱壓封閉是指氣密封閉，或是在蒸汽滅菌的空腔11中持續一段時間的光電元件2封閉。在這種情況下，光電元件2以氣密方式封閉在空腔11中至少15分鐘的持續時間，蒸汽通常為110°C至140°C的溫度，較佳約135°C，及高達3bar的壓力以及高濕度。例如，氣體可滲透及/或擴散開放的通道因此也可以從光電模組1內部的補償容積朝向外部來形成，即光電模組1的外部，例如當光電元件以可熱壓的方式封閉在空腔中時用於壓力平衡。
此外，本發明還有關於一種製造密封及/或可熱壓的光電模組的方法，該方法包括以下步驟： 在一載體元件上施加至少一個光電元件， 用一方式將一蓋體連接到該載體元件，該蓋體包括一框架及用於將電磁輻射輸入到該蓋體及/或從該蓋體輸出的一玻璃元件，該方式係將該蓋體的該框架連接到該載體元件，該光電元件在圓周方向上被該框架所包圍並且該蓋體的該玻璃元件與該承載元件實質上相對，以及 在由該蓋體的內表面及該載體元件的表面所界定的容積內形成一空腔，使得該光電元件設置在該空腔中並且該光電元件在該空腔中被密封及/或可熱壓封閉， 在將該蓋體連接到該載體元件的步驟之前用一填充材料覆蓋該光電元件，或者，用一填充材料通過至少一個填充開口來至少部分地填充所形成的該空腔，該填充開口延伸穿過該載體元件、該框架 或該蓋體的該玻璃元件 ，以及在該填充後將該填充開口及一排氣開口密封及/或可熱壓封閉， 在該光電模組內部形成至少一個第一可變形補償容積。
第一補償容積可能以各種方式形成，如上面通過與光電模組相關的對應具體例已經描述的。在將光電元件施加到載體元件上的步驟之後，例如在一種實施方式中，可以進行用一塗層塗覆框架及/或載體元件的子區域，該塗層對於填充材料非潤濕及/或對於填充材料非黏性的。
上面提到的方法步驟的順序在這種情況下不一定對應於上面提到的方法步驟的順序。例如，空腔的形成可能已經在蓋體的連接之前進行。
根據本發明的方法導致關於根據本發明的光電模組已經提到的優點。
在根據本發明的上述方法中，在一個具體例中，特別是通過以下製程中之一者執行用來將光電元件氣密及/或可熱壓封閉的蓋體與載體元件的連接： 雷射焊接，該載體元件較佳地是陶瓷或金屬並且該框架較佳地是陶瓷或金屬，特別是塗覆有玻璃的金屬， 電阻焊接， 用金屬焊料來熔接，該載體元件及該蓋體分別具有適合於形成與焊料牢固連接的表面，並且較佳地包括焊料預成型件， 用玻璃焊料熔接， 用一填充材料至少將該框架及該玻璃元件、該框架及該載體元件或該玻璃元件及該載體元件黏合， 用聚矽氧、聚合物或與該填充材料不同的接合材料至少將該框架及該玻璃元件、該框架及該載體元件或該玻璃元件及該載體元件黏合。
所有上述製程分別確保光電元件以氣密密封及/或可熱壓的方式被蓋體及載體元件包圍，因此有助於保護光電元件免受外部影響。
在根據本發明的方法中，在填充開口及排氣開口延伸穿過玻璃元件的情況下，在用填充材料填充空腔之後，進行填充開口及排氣開口的封閉較佳地是通過用玻璃焊料來密封或用填充材料，較佳是聚矽氧或環氧樹脂，來密封。在填充開口及排氣開口延伸穿過承載元件或框架的情況下，進行填充開口及排氣開口的封閉較佳地通過金屬化填充開口及排氣開口的焊接或通過用金屬來焊接。排氣開口用於填充過程期間在空腔內的壓力平衡，特別是用於排出封閉在空腔內的空氣。在填充過程完成之後，填充開口及排氣開口需要重新封閉以確保在空腔中光電元件的氣密及/或可熱壓封裝，這可以如上所述般地進行。
根據一個具體例，在根據本發明的方法中，通過至少一個軟性膜的向外彎曲或變形來補償填充材料佔據的容積的膨脹，該軟性膜較佳地連接到蓋體的框架或載體元件。在這種情況下，至少一個膜在第一補償容積的方向上向外彎曲。在這種情況下，至少一個第一補償容積設置成至少在框架的面向空腔的內表面及/或載體元件與該至少一個膜的面向空腔的表面之間，或在框架或載體元件的凹部中與至少一個膜相鄰。在另一個具體例中，軟性膜也可以由填充材料本身的表面形成。例如，為此，填充材料可以在其表面硬化以形成膜。
作為軟性膜的替代物，或與其結合，根據本發明的方法例如還提出了補償填充材料所佔據的容積的膨脹可以通過將支承在蓋體的框架的填充材料上的至少一個區域彎曲或變形來執行，至少在支承於填充材料上的區域中框架配置為雙金屬的。如上述，在溫度變化的情況下，由以形狀或材料配合相互連接的兩層不同金屬組成的雙金屬複合材料的特點在於形狀變化，特別是彎曲。
此外，在根據本發明的方法中將光電元件施加到載體元件上可以例如通過焊接處理或黏合處理來進行。較佳地，還在載體元件上施加用於接觸光電元件的電氣佈局。
根據上述具體例的光電模組尤其可以用在用於皮膚治療、組織治療、腫瘤治療、基於UV的工廠及交通工具的表面上。通常，該模組可用於液體或氣體的UV-B或UV-C處理。
本發明的其他優點、特徵及應用可能性將在以下對其範例性具體例及相關圖式的描述幫助下變得更加清楚。
圖1及圖2分別以穿過光電模組1的剖面圖顯示根據本發明的第一(圖1)及第二(圖2)具體例的光電模組1。圖1及圖2的光電模組1包括載體元件3及施加在其上的光電元件2。光電元件2例如可以是LED晶片並且例如焊接或黏接到載體元件上。根據圖1及2的載體元件3部分地由陶瓷構成，但在另一個具體例中它可以至少部分地由金屬構成，可能與陶瓷結合。為了光電元件2的電接觸，載體元件3包括在其中延伸的具有導體19的電饋通部(electrical feed-throughs)17。
圖1及圖2所示的光電模組1還包括用於光電元件2的蓋體5及空腔11。蓋體5包括框架7，框架7在圖1及圖2中的圓周方向上完全包圍光電元件2，蓋體5連接到載體元件3，並且在圖1及圖2的本範例中，被配置為封裝帽，以及實質上與載體元件3相對的玻璃元件9，用於將電磁輻射輸入蓋體5及/或從蓋體5輸出。配置為封裝蓋的框架7包括由塗覆有玻璃的金屬製成的截頭圓錐形套筒(frustoconical sleeve)，在底面具有供電磁輻射進入及離開的通透開口12。為了製造蓋體5，玻璃元件9可以放置在封裝蓋7， 包括通透開口12，的底面的內側上並且密封地連接，較佳地通過玻璃焊接的方式。根據一個具體例，如圖1及圖2所示，玻璃元件9不是設置成與框架7或封裝蓋7的開口齊平，而是在光電元件2相對於與組裝的光電模組1相關聯的框架7的方向上有所偏移。玻璃元件9是透明的，並且在圖1及圖2中作為範例配置為玻璃窗，但是在另一個具體例中它也可以例如被成形為凸面或凹面。作為玻璃窗的替代物，在另一個具體例中，玻璃-陶瓷窗、藍寶石窗、石英窗或光束偏轉光學元件，如透鏡或稜鏡之類的也可以用作透明玻璃元件。
空腔11分別形成在由蓋體5的內表面及載體元件3的面向光電元件2的表面所界定的容積內。光電元件2因此以一種通過蓋體5及載體元件3氣密地封閉或封裝的方式被設置在空腔11中。
圖1及圖2的光電模組1分別包括填充材料13，其部分填充空腔11。根據圖1的填充材料13是油，而根據圖2的填充材料是環氧樹脂。然而，在另一個具體例中，填充材料也可以是聚合物或聚矽氧。在圖1及圖2中，蓋體5被密封地連接到載體元件3之前，填充材料首先被引入由框架7或封裝蓋及玻璃窗9組成的倒置蓋體5中。然而在圖1中，填充材料13填充了不與蓋體5的框架7相鄰的光電模組1的內部容積，在圖2中填充材料13填充了與圖1相比在光電模組1內部更大的容積，並且對比圖1，大部分與蓋體5的框架7相鄰。
此外，根據圖1及圖2將光電模組1分別調適及配置以補償由對應填充材料13佔據的容積的膨脹，並且為此分別在光電模組1內部包括可變形的第一補償容積15，特別是在空腔11中。補償容積15設置成分別與蓋體5及承載元件3的子區域相鄰，並且在圖1及2中例如填充有空氣。在圖1中，補償容積15與配置為封裝帽的框架7的整個內表面相鄰，並且在圓周方向上完全包圍填充材料13。圖1中的空腔11的容積比補償容積15的體積大2.5倍。然而，在圖2中，與圖1相比，存在較小的補償容積15，其支撐在配置為封裝帽的框架7的內表面的下部區域上以及在支撐元件3的區域上。圖2中空腔11的容積比補償容積15的體積約大15倍。
在圖1中，與填充材料的膨脹相關的光電模組1內部的溫度升高尚未發生，亦即填充材料13未因此膨脹。填充材料13的表面向內彎曲，亦即在光電元件2的方向上彎曲，因此凹入，並形成凹的彎液面25。由填充材料13的表面所形成的彎液面25是基於配置為油的填充材料13以及載體元件3與玻璃元件9的表面之間的相互作用。在溫度升高的情況下，圖1中的填充材料13將在補償容積15的方向上膨脹，雖然這在圖1中未顯示。填充材料13的表面因此將向外凸出彎曲並因此形成凸彎液面。在這個揭露的意義上，彎液面意在表示與表面張力所形成的補償容積的任何界面。
與圖1對比，為了補償填充材料13佔據的容積的膨脹，圖2中的光電模組1包括軟性膜26，其在圖2中固定在框架7及載體元件3上。在圖2中，導致填充材料13膨脹的溫度升高同樣尚未發生。因此，膜26處於鬆弛狀態，亦即沒有對其施加壓力。在光電模組1內部的溫度升高的情況下，特別是由在光電模組1內部形成的輻射熱所引起的，填充材料13可以用控制方式膨脹到補償容積15中，只要它被膜26界定或保持，但不能穿過膜26(這在圖2中未顯示)。由於膨脹的填充材料13所施加到膜26上的壓力，膜26在補償容積15的方向上變形，或對應地向外彎曲。因此，圖2中的補償容積15可以定義為由框架7的面向空腔11的內表面、載體元件3的面向空腔11的表面及膜26所界定的容積。
根據第三具體例在圖3中的剖面圖中表示的光電模組1在其基本結構上對應於圖1及2中所示的光電模組。然而，圖3中表示的光電模組1不同於在圖1及2中所示的光電模組之處在於補償容積15不與框架7或蓋體5的子區域相鄰，而是完全被填充材料13包圍。圖3中的補償容積15反而是形成為例如氣泡27，除了形成為氣泡27的補償容積15之外，光電模組1的空腔11被填充材料13完全地填充。
圖4及圖5顯示根據第四具體例的光電模組1的剖面圖。它們顯示由玻璃元件9及框架7組成的蓋體5，玻璃元件9例如是透鏡90，框架7例如是部分塗覆有玻璃的陶瓷，使得框架藉由玻璃塗層連接到透鏡90。框架7的子區域塗覆有塗層14，該塗層對於所使用的填充材料13是非潤濕的及/或對於所使用的填充材料13是非黏性的，該塗層在將填充材料13引入空腔11之前進行。蓋體5或框架7通過填充材料13黏合到載體元件3上，填充材料13例如是聚矽氧並且最初實質上完全填充空腔11，使得光電模組1被氣密地密封。
圖5顯示填充材料13在引入空腔11之後已經從塗層分離。第一補償容積15通過填充材料13從該塗層14的分離而形成。光電模組1中的補償容積15因此也可以僅通過已經引入空腔11中的填充材料13從非潤濕或非黏性塗層及自由容積分離而形成，補償容積15藉此而形成。當然，塗層14必須以這樣的方式選擇:它對填充材料13的材料不具有黏附作用，在範例中以聚矽氧表示。因此，術語非潤濕及非黏性總是相對於所使用的填充材料13來解釋。
圖6以立體圖顯示根據本發明的光電模組的示意性結構，圖3及圖4用於說明以填充材料填充空腔11之前的光電模組1的基本結構。因此省略了對本發明重要的填充材料13及補償容積15的特徵。光電元件2首先例如通過黏接製程施加到載體元件3上，在圖3中例如陶瓷，由此，作為替代方案，焊接處理也可以設想在本發明的範圍。此外，用於接觸光電元件2的電氣佈局被應用到載體元件3上，雖然這在圖3中沒有顯示。由框架7及玻璃元件9組成的蓋體因此連接到載體元件3。蓋體的框架7，在圖3中以陶瓷為例，放置在載體元件3上並且密封地連接到載體元件3，框架7到載體元件3的連接通過例如圖3中的雷射焊接來實現。框架7在圓周方向上完全包圍光電元件2。用於將電磁輻射輸入到蓋體及/或從蓋體中輸出的蓋體的玻璃元件9連接到框架7，使得玻璃元件9實質上與載體元件3相對。由蓋體的內表面及載體元件3的指向光電元件2的方向的表面所限定的空腔11形成在容積內。光電元件2因此設置在空腔11中並且密封地封閉在空腔11中。
圖7以剖視圖顯示根據本發明的光電模組1的第五具體例，該模組已經根據上文關於圖6描述的製程來製造。光電元件2施加在例如由金屬構成的載體元件3上，載體元件3包括填充開口21及排氣開口23，用於在將蓋體5連接到載體元件3之後用填充材料填充空腔11。光電模組1的蓋體5由框架7及玻璃元件9組成，框架7在圖7中例如由金屬製成，玻璃元件9在圖7中被配置為透鏡90並且與載體元件3相對。
在用填充材料填充(圖7中未顯示)空腔11期間，填充材料通過填充開口21被引入空腔11中，排氣開口23在填充期間用於空腔11中的壓力平衡，特別是通過釋放封閉在空腔11中的空氣。完成填充過程後，需要重新封閉填充開口21及排氣開口23，以確保光電元件2在空腔11中的氣密封裝。然後通過載體元件3的金屬化填充開口21及金屬化排氣開口23的焊接或者通過用金屬焊料焊接來進行封閉。在本發明的一個未顯示的具體例中，填充開口21及排氣開口23可以延伸穿過玻璃元件9，在這種情況下填充開口21及排氣開口23的關閉特別是通過用玻璃焊料來密封或用填充材料13本身來密封。
然而，在未顯示的一種實施方式中，也可以至少不關閉通風口，即，使其保持打開狀態。在未顯示的另一具體例中，還可以想到一種氣體可滲透及/或對擴散開放的通道，該通道從光電模組1內部的補償容積向外(亦即，光電模組1的外部)形成。在這兩種情況下，雖然沒有將光電元件2氣密地封裝在空腔11中，但是光電元件2仍然以可熱壓的方式封閉在空腔11中。可熱壓封閉是指光電元件2在蒸汽滅菌室11中的氣密閉合或封閉。在這種情況下，光電元件2以氣密方式被封閉在空腔11中至少15分鐘的持續時間，使用溫度通常為110°C至140°C，較佳約135°C、壓力高達3bar以及高濕度的蒸汽。
圖8及圖9分別以剖視圖顯示光電模組1的第六及第七具體例。使用與圖1及圖2中相同的符號，下面描述與圖1及圖2的不同之處。在圖8及圖9中，根據圖1及圖2，蓋體5分別包括框架7及玻璃元件9，玻璃元件9配置為用於電磁輻射的輸入及輸出的玻璃窗。然而，框架7沒有配置為截頭圓錐體封裝帽，如圖1及2所示，玻璃窗9支撐在封裝帽的底部。根據圖8及圖9蓋體5的框架7配置成實質上垂直於載體元件3，並且玻璃窗9分別安裝支撐在框架7上並且實質上平行於載體元件被定向。
圖8中的框架7例如由金屬構成，而圖9中的框架7例如配置為雙金屬的並且在溫度升高的情況下變形，特別是彎曲。在溫度升高的情況下，不僅填充圖9中的空腔11的填充材料13因此膨脹。雙金屬框架7也對溫度升高做出反應，特別是通過彎曲。在圖9中，雙金屬框架7被設計成在溫度升高的情況下向外彎曲，即遠離空腔11，使得在光電模組1中形成了構成第二補償容積的中空空間(這未在圖9中顯示)。由於溫度升高，填充材料13可以膨脹到該第二補償容積中。因此，圖9的雙金屬框架7可以補償填充材料13在溫度升高的情況下通過其彎曲所佔據的容積的膨脹。
為了製造圖8及圖9的光電模組1，針對光電元件2的氣密及/或可熱壓的封閉，通過用金屬焊料焊接將蓋體5連接到載體元件3，載體元件3及蓋體5分別包括可焊接表面，即適於形成與焊料牢固連接的表面，並且各自的可焊接表面包括焊料預成型件。然而，作為使用金屬焊料的焊接處理的替代方案，在其他具體例中，也可以使用其他處理將蓋體5連接到載體元件3。例如，可以執行使用玻璃焊料的焊接。也可以想到熔接處理，例如電阻熔接或雷射熔接，在這種情況下，載體元件3較佳地是陶瓷或金屬並且框架7較佳地是陶瓷或金屬，特別是塗覆有玻璃的金屬。各個元件，例如蓋體5或框架7與玻璃元件9，以及載體元件3，也可以用填充材料13或用聚矽氧、聚合物或與填充材料不同的接合材料來黏合。
圖8及圖9中描繪的光電模組1分別包括設置在對各自光電模組1內部的補償容積15。補償容積15例如分別填充有空氣，但在另一具體例中它也可以填充有任何期望的可壓縮介質，尤其是任何期望的氣態介質。除了可壓縮介質，補償容積15在其他實施例中也可以是彈性介質或真空。然而，對比圖1與圖2，圖8中的補償容積15設置在框架7的凹部或孔洞28中並且在圖9中設置在承載元件3的凹部或孔洞28中，並且一方面相鄰於框架7或載體元件3，另一方面分別相鄰於軟性膜26。對比圖2，圖8及圖9中的膜分別設置在空腔11的外部。
在圖8中，膜26固定於支撐在框架7的凹部上的框架7的區域上。如果填充材料13在溫度升高的情況下膨脹，如圖8所示，它會在設置於框架7的凹部中的補償體積15的方向上擠壓並對應地將壓力施加到膜26上。膜26因為其遠離空腔11的彈性而向外彎曲，亦即進入補償體積15，並且界定填充材料13。
另一方面，在圖9中，膜26固定於支承在承載元件3的凹部上的承載元件3的區域上。如果填充材料13在溫度升高的情況下膨脹，如圖9所示，它在設置於載體元件3的凹部中的補償容積15的方向上擠壓並且在膜26上施加壓力。膜26因為其遠離空腔11的彈性而向外彎曲，亦即進入補償容積15並界定填充材料13，如圖8所示。
在圖8及圖9中，膜26分別形成光電元件2的氣密封裝的組成部分，膜26替代圖8中框架7的子區域及圖9中載體元件3的子區域，用於光電元件2的密封閉合。
在另一個未顯示的具體例中，框架7或承載元件3中的凹部也可以不配置成連續的並且僅在框架7或載體元件3的面向空腔11的內表面上，形成由框架7或承載元件3向外封閉的中空空間。在這種情況下，光電元件2將總是被承載元件3及蓋體5完全密封封閉，而分別設置在空腔中的膜不會形成光電元件2的密封封裝的組成部分。
圖10表示根據第八具體例的穿過光電模組1的剖面圖。還可以通過圖1至3、8及9中的範例看出，光電元件2被施加在載體元件3上，該載體元件包括電饋通部17，導體19在其中延伸以用於光電元件2的電接觸。在圖10中，光電模組1的蓋體5由玻璃元件9及框架5組成，框架5在這裡例如由塗覆有玻璃的金屬製成並且通過玻璃塗層連接到玻璃元件9。光電模組1的空腔11例如完全填有填充材料，在圖10中填充材料是聚合物。對比上述具體例，如圖10所示，當壓力施加到玻璃元件9上時，玻璃元件9是可變形的並且對應地膨脹。特別地，玻璃元件9是所謂的超薄玻璃，其是穩定的，同時非常柔韌，因此可變形，厚度範圍從幾十微米到約200微米，例如圖10中的約30微米。在填充材料13膨脹的情況下，通過玻璃元件9的膨脹，由於施加到玻璃元件9上的壓力，形成了填充材料13可以擴散進的補償容積15。由於其可變形性，玻璃元件9用作軟性膜26並且因此被認為是本發明範圍內的膜26的可能具體例。
圖11及圖12分別顯示模擬發光功率的圖形結果作為從具有280nm 波長的光電模組發出的電磁輻射(即UV光)的極角函數。極角描述了載體元件3的表面法線與射出的UV光之間的角度。在模擬中，假設用於輸出UV光的玻璃元件9具有折射率n=1.45。在圖11的模擬結果中，UV光從未填有填充材料的光電模組發出，而在圖12所示的模擬結果中，UV光從填有聚矽氧的光電模組發出，圖12的模擬基於聚矽氧作為填充材料，透射率T=0.83且折射率nF =1.41。從圖11及12的比較中可以清楚地看出，當根據圖12用聚矽氧填充光電模組時，從光電模組發出的UV光的發光功率增加了兩倍以上。顯著增加的光輸出可能因此通過用合適的填充材料去填充光電模組的空腔來實現輸出，如圖11及12所示，借助波長為280nm的UV光的例子。
如上述的根據本發明具體例的光電模組1可以用於許多不同的領域。例如，它們尤其可以用於皮膚治療、組織治療、腫瘤治療、基於紫外線的工廠及交通工具的表面上。
應該指出的是，即使這些特徵僅結合某些其他特徵進行了描述，本領域技術人員可以從以上描述或圖式中收集到的所有特徵可以單獨地或以任何期望的組合與本發明揭露的其他特徵或特徵群進行組合，除非已明確排除或技術條件使這種組合不可能或無意義。為了描述的簡潔性及可讀性，避免了對特徵的所有可能組合的綜合明確的描述。本專利請求項所定義的本發明的保護範圍不受說明書及圖式中所詳細表示的本發明具體例的限制，僅作為範例。根據圖式、說明書及所附申請專利範圍，所揭露的具體例的變體對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。專利請求項中使用的「包括」一詞不排除其他元件或步驟。不定冠詞「a」或「an」不排除複數。不排除在各種專利請求項中要求保護的特徵組合。特別地，圖式中表示的範例的特徵可以彼此組合。例如，如圖4的範例性具體例中所示的透鏡90也可用於所示的任何其他範例性具體例中。除了通過膜而與補償容積隔開的填充材料之外，也可以提供如圖1所示與填充材料的表面直接相鄰的補償容積，使得例如圖1與圖2的特徵也可以在相同的組件中實現。
1:光電模組 2:光電元件 3:載體元件 5:蓋體 7:框架 9:玻璃元件 11:空腔 12:通透開口 13:填充材料 14:非潤濕或非黏性塗層 15:補償容積 17:電饋通部 19:17的導體 21:填充開口 23:排氣開口 25:彎液面 26:膜 27:氣泡 28:孔洞 90:透鏡
圖1顯示根據本發明的第一具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖2顯示根據本發明第二具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖3顯示根據本發明第三具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖4及5顯示根據本發明第四具體例的根據本發明的光電模組在兩個不同時間點處的剖面圖。 圖6顯示在立體圖中在引入填充材料之前根據本發明的光電模組的基本示意性結構。 圖7顯示根據本發明的第五具體例的在引入填充材料之前的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖8顯示根據本發明第六具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖9顯示根據本發明第七具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖10顯示根據本發明第八具體例的根據本發明的光電模組的剖面圖。 圖11顯示基於模擬的從無填充材料的光電模組發出的UV光的極角相關發光功率的圖表視圖。 圖12顯示基於模擬的從根據本發明的填充有聚矽氧的光電模組發出的UV光的極角相關發光功率的圖表視圖。
1:光電模組
2:光電元件
3:載體元件
5:蓋體
7:框架
9:玻璃元件
11:空腔
12:通透開口
13:填充材料
15:補償容積
17:電饋通部
19:17的導體
26:膜

Claims (15)

  1. 一種光電模組，包括：一載體元件(3)、施加在該載體元件(3)上的至少一光電元件(2)、用於該光電元件(2)的一蓋體(5)、及一空腔(11)， 其中該蓋體(5)包括一框架(7)及一玻璃元件(9、90)，該框架(7)在圓周方向上完全包圍該光電元件(2)並連接到該載體元件(3)，並且該玻璃元件(9、90)施加在該框架(7)上並且實質上與該載體元件(3)相對，用於將電磁輻射輸入進該蓋體(5)及/或從該蓋體(5)輸出，其中該空腔(11)形成在一容積內部，該容積至少部分地由該蓋體(5)的一內表面及該載體元件(3)的一表面所界定，並且該光電元件(2)以它被蓋體(5)氣密地封閉的方式及/或以可熱壓的方式設置在該空腔(11)中， 其中該光電模組(1)包括一填充材料(13)，該空腔(11)至少部分地填充有該填充材料(13)， 其中該光電模組(1)適於並配置為補償由該填充材料(13)佔據的容積的膨脹，並且為此包括至少一個第一可變形補償容積(15)。
  2. 如請求項1之光電模組，其中，該至少一個補償容積(15)填充有可壓縮介質，尤其是氣態介質，或彈性介質，或者是真空。
  3. 如請求項1或2之光電模組，其中，該蓋體(5)的子區域及/或該載體元件(3)的子區域塗覆有一塗層(14)，該塗層(14)對於填充材料(13)是非潤濕及/或對於該填充材料(13)非黏性的，使得該至少一個第一補償容積(15)係通過將填充材料(13)從該塗層(14)分離來形成。
  4. 2或3之光電模組，其中，該至少一個第一補償容積(15)設置成與該蓋體(5)的子區域及/或該載體元件(3)的子區域相鄰。
  5. 如請求項1或2之光電模組，其中，該至少一個第一補償容積(15)被填充材料(13)完全包圍並且較佳地形成為氣泡(27)。
  6. 如前述請求項中任一項之光電模組，其中，該至少一個第一補償容積(15)配置為至少在該框架(7)的面向該空腔(11)的內表面及/或該載體元件(3)的面向該空腔(11)的表面之間。
  7. 如前述請求項中任一項之光電模組，其中，該光電模組(1)，特別是該蓋體(5)或該載體材料(3)，包括較佳地連接到該框架(7)或該承載元件(3)的至少一個軟性膜(26)，以補償該填充材料(13)所佔據的容積的膨脹。
  8. 如請求項7之光電模組，其中，該至少一個膜(26)界定該密封的空腔(11)。
  9. 如前述請求項中任一項之光電模組，其中，該填充材料(13)是聚矽氧、聚合物、環氧樹脂或油，及/或該蓋體(5)的該框架(7)是陶瓷或金屬，較佳地至少部分塗覆有玻璃的金屬或至少部分塗覆有玻璃的陶瓷。
  10. 如請求項1至9中任一項之光電模組，其中，該載體元件(3)至少部分地由陶瓷及/或金屬構成並且較佳地包括用於接觸該光電元件(2)的電氣佈局(17)。
  11. 一種製造密封及/或可熱壓的光電模組的方法，包括以下步驟： 在一載體元件(3)上施加至少一個光電元件(2)， 用一方式將一蓋體(5)連接到該載體元件(3)，該蓋體(5)包括一框架(7)及用於將電磁輻射輸入到該蓋體 (5)及/或從該蓋體(5)輸出的一玻璃元件(9、90)，該方式係將該蓋體(5)的該框架(7)連接到該載體元件(3)，該光電元件(2)在圓周方向上被該框架(7)所包圍並且該蓋體的該玻璃元件(9、90)與該承載元件 (3)實質上相對，以及 在實質上由該蓋體(5)的內表面及該載體元件(3)的表面所界定的容積內形成一空腔(11)，使得該光電元件(2)設置在該空腔(11)中並且該光電元件(2)在該空腔(11)中被密封及/或可熱壓封閉， 在將該蓋體(5)連接到該載體元件(3)的步驟之前用一填充材料(13)覆蓋該光電元件(2)，或者，用一填充材料(13)通過至少一個填充開口(21)來至少部分地填充所形成的該空腔(11)，該填充開口(21)延伸穿過該載體元件(3)、該框架(7)或該蓋體(5)的該玻璃元件(9、90)，以及在該填充後將該填充開口(21)及一排氣開口(23)密封及/或可熱壓封閉， 在該光電模組(1)內部形成至少一個第一可變形補償容積(15)。
  12. 如請求項11之方法，其中，通過以下製程中之一者執行用來將該光電元件(2)密封及/或可熱壓封閉的該蓋體(5)與該載體元件(3)的連接： 雷射焊接，該載體元件(3)較佳地是陶瓷或金屬並且該框架(7)較佳地是陶瓷或金屬，特別是塗覆有玻璃的金屬， 電阻焊接， 用金屬焊料來熔接，該載體元件(3)及該蓋體(5)分別具有適合於形成與焊料牢固連接的表面，並且較佳地包括焊料預成型件， 用玻璃焊料熔接， 用一填充材料至少將該框架(7)及該玻璃元件(9)、該框架(7)及該載體元件(3)或該玻璃元件(9)及該載體元件(3)黏合， 用聚矽氧、聚合物或與該填充材料不同的接合材料至少將該框架(7)及該玻璃元件(9)、該框架(7)及該載體元件(3)或該玻璃元件(9)及該載體元件(3)黏合。
  13. 如請求項11或12之方法，其中，在填充開口(21)及排氣開口(23)延伸穿過該玻璃元件(9、90)的情況下，用該填充材料(13)填充該空腔(11)之後的該填充開口(21)及該排氣開口(23)的封閉是通過用一玻璃焊料密封或用該填充材料(13)密封來執行，該填充材料(13)較佳為聚矽氧或環氧樹脂，並且在填充開口(21)及排氣開口(23)延伸穿過該載體元件(3)或該框架(7)的情況下，則是通過熔焊金屬化填充開口(21)及排氣開口(23)或用金屬焊料焊接來執行。
  14. 如請求項11至13中任一項之方法，其中，對該填充材料(13)所佔據的容積的膨脹的補償係通過向外彎曲至少一個軟性膜(26)來執行，該軟性膜較佳地連接到該蓋體(5)的該框架(7)或連接到該承載元件(3)，該至少一個膜(26)在至少一個第一補償容積(15)的方向上向外彎曲，該至少一個第一補償容積(15)設置成至少在該框架(7)的面向該空腔(11)的內表面及/或該載體元件(3)與該至少一個膜(26)的面向該空腔(11)的表面之間或在該框架(7)或該載體元件(3)的凹部中與該至少一個膜(26)相鄰。
  15. 一種請求項1至10中任一項之光電模組在表面上的用途，其用於： 皮膚治療， 組織治療， 腫瘤治療， 基於紫外線的工廠， 交通工具，或 液體或氣體的UV-B或UV-C處理。
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