WO2006114082A2 - Optisches bauteil, optoelektronisches bauelement mit dem bauteil und dessen herstellung - Google Patents

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Definitions

  • Thermosetting plastics such as epoxy polymers or silicones can be used for the encapsulations or optical components of optoelectronic components. However, these plastics are difficult to mold.
  • the aim of the present invention is therefore to provide an optical component which reduces the above-mentioned disadvantages.
  • optical component according to claim 1.
  • optical component and optoelectronic component with the component and its production are the subject of further claims.
  • the invention relates to an optical component having a specific shape, comprising a thermoplastic which has been crosslinked during or after molding.
  • a standard thermoplastic can be used which, due to its thermoplastic properties, has a flow transition range above its service temperature and is therefore particularly simple in the softened state, for example by pressing, extrusion, injection molding or injection compression molding and other shaping processes can be formed into an optical component.
  • the thermoplastic is then crosslinked only during or after molding, resulting in a modified thermoplastic having increased temperature dimensional stability, a lower coefficient of thermal expansion, and improved mechanical performance.
  • optical components according to the invention which comprise the additionally crosslinked thermoplastics are also solder-stable, so that optoelectronic components which have these components can also be mounted particularly easily by means of soldering to substrates, for example printed circuit boards.
  • optical components according to the invention can have any desired shapes. So they can z. B. be formed as a housing for the radiation-emitting semiconductor chips, as reflectors or as lenses. The optical components can thus be brought into any form that can be used for optoelectronic applications. Due to the thermoplastic properties, the shape, z. B. by means of injection molding particularly simple, wherein only during or after shaping the crosslinking takes place.
  • an optical component is understood to be a component that interacts with light, that is to say in particular light-shaping, light-guiding and / or light-transducing.
  • optical components are z. As lenses that can focus the light and reflectors that reflect the light.
  • thermoplastic has been crosslinked by irradiation.
  • irradiation for the crosslinking of the thermoplastic can be carried out, for example, by irradiation with beta or gamma rays.
  • Such irradiations can be carried out, for example, in conventional electron accelerators and gamma systems. Due to the irradiation u. a. Radicals generated in the readily processable thermoplastics, which cause a further crosslinking of the thermoplastic polymer strands due to their reactivity, so that highly crosslinked three-dimensional polymer networks can arise.
  • crosslinking agents may include, for example, organic peroxides, which may also provide for the chemical crosslinking of the thermoplastics. This can result in a uniform network of thermoplastic macromolecules.
  • Crosslinking aids can also be used in the above-mentioned beam crosslinking to shorten the irradiation times and by-products of irradiation z. B. by fragmentation or oxidation to reduce.
  • thermoplastics used in the optical components according to the invention may be selected from a group comprising the following plastics: polyamide, polyamide 6, polyamide 6,6, polyamide 6,12, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyphenylene oxide, polyoxymethylene, acrylonitrile butadiene Styrene copolymer, polymethyl methacrylate, modified polypropylene, ultrahigh molecular weight polyethylene, ethylene-styrene interpolymers, copolyester elastomers, thermoplastic urethane, polymethyl methacrylimide, cycloolefin copolymers, cycloolefin polymers, polystyrene and styrene-acrylonitrile copolymer.
  • plastics mentioned can each be used alone or in any desired combinations in the production of optical components according to the invention.
  • thermoplastics By means of various thermal, physical and mechanical tests, it is possible to detect the property changes which occur during the subsequent crosslinking of thermoplastics. In this way it is possible to crosslink conventional non-crosslinked thermoplastics Thermoplastics to distinguish.
  • the incorporation of polar oxygen-containing groups on the surface of radiation-crosslinked thermoplastics can be detected by means of IR spectroscopy.
  • U. a. Electron irradiation increases the surface tension of radiation cured thermoplastic materials, thereby increasing the polarity of the surface of the thermoplastics.
  • the increase in the glass transition temperature of additionally crosslinked thermoplastics can be detected, for example, by means of dilatometric, dielectric, dynamic-mechanical or refractometric measurements by DSC (differential scanning calorimetry) or by means of NMR spectroscopy, all of which are known to a person skilled in the art.
  • DMA torsion tests also provide direct information on the glass transition temperature T 9 , the changed melt crystallization behavior and the temperature stability of the cross-linked thermoplastics.
  • cross-linked thermoplastic materials up to the melting range are often stiffer than uncrosslinked thermoplastic materials with the consequence that cross-linked thermoplastics no longer flow, so that an improved temperature dimensional stability is ensured.
  • Crosslinked thermoplastics often behave elastically in the melting area and do not flow anymore. The crosslinking further reduces the thermal expansion and the permeability to water and oxygen. Likewise, silver migration is restricted. - S -
  • Optical components according to the invention advantageously comprise a thermoplastic which is substantially transparent to radiation.
  • the radiation can be emitted by all possible radiation sources, for example optoelectronic components, into which the optical component is integrated.
  • substantially transparent means that the thermoplastic has a transparency of about 70 to 80%, preferably up to 92%, for the radiation.
  • the inventors have surprisingly found that crosslinked thermoplastics still have sufficiently transparent properties.
  • an inorganic coating may additionally be arranged on an optical component according to the invention. This can increase the mechanical resistance, soldering resistance and resistance to water penetration in addition to crosslinking.
  • This inorganic coating may include, for example, materials selected from silica and titania. The coating may comprise only one of the materials or a combination of both materials.
  • Such layers can be applied, for example, in a gas phase deposition process with layer thicknesses of about 50 nm to 1000 nm. Coatings with such layer thicknesses are additionally also largely transparent to radiation.
  • connecting elements can be formed from the thermoplastic material of an optical component according to the invention (see, for example, FIGS. 3 and 4).
  • Such connecting elements can serve, for example, to connect optical components with optoelectronic radiation-emitting components.
  • Optoelectronic components with these optical Components can then also be mounted on a substrate, for example a printed circuit board, in a particularly simple manner via further connecting elements made of the crosslinked thermoplastics (see, for example, FIG. 4).
  • the connecting elements such as pins, tabs, plugs or the like can be particularly easily formed from thermoplastic materials, since they are well meltable and therefore easily malleable. Only after or during the formation of these connecting elements, the thermoplastic materials of an optical component according to the invention are then further crosslinked, so that an increased stability results.
  • Optical components according to the invention can in this case comprise a lens or a reflector (see, for example, FIGS. 1 to 5).
  • a lens this can be glued onto an existing encapsulation of an optoelectronic component, this component then being solder resistant in spite of the thermoplastic (see, for example, FIG. 2).
  • a reflector as an optical component, a thermoplastic material is preferably used which has a high reflectivity and is not transparent. Frequently, in this case, the thermoplastic still further additives, such as titanium dioxide (white pigment) is added. It is also possible to form housings of subsequently cross-linked thermoplastic material, which at the same time also have reflector properties (see, for example, Figures 1 and 2).
  • the invention further relates to an optoelectronic, radiation-emitting component with an optical component comprising a crosslinked thermoplastic.
  • Such components often have similar good optical properties as components from previously used special high-temperature plastics, but are easier and cheaper to produce.
  • the optical component is formed as a housing, since in this way a particularly good soldering stability of a radiation-emitting component can be ensured. Due to its good optical properties, for example its good transparency, the optical component can also be arranged in the beam path of the component and is then substantially transparent to the emitted radiation (see, for example, FIG. 2).
  • the invention further provides a method for producing an optical component of a specific shape with the method steps:
  • thermoplastic A) providing a thermoplastic
  • an injection molding process is used in process step B).
  • a crosslinking aid is additionally added before process step C).
  • TAIC triallyl isocyanurate
  • the molded thermoplastic in method step C) can be exposed to an irradiation dose of about 30 to 400 kGy, preferably 33 to 165 kGy, with electron beams.
  • TAIC triallyl isocyanurate
  • Peralink 301 triallyl isocyanurate
  • the proportion of the added TAIC was 2-5 wt% # preferably about 3 to 4 wt%.
  • the addition was either directly as a liquid or adsorbed to a hollow granules.
  • Calcium silicate was not used, as usual, as a carrier material for TAIC, since it adversely affects the transparency of the lenses.
  • Subsequent cross-linking was by irradiation with beta rays at typically 66-132 kGy for a few seconds.
  • Irradiation is sequential in 33 kGy increments.
  • the irradiation takes place at least twice, but preferably four times with, for example, the same in each case Radiation doses.
  • the lenses may have connecting elements for anchoring in the form of legs (see, for example, FIGS. 3 and 6).
  • the lenses of the radiation-crosslinked Grilamid TR 90 were, in contrast to lenses made of the uncrosslinked material solder-stable and had a transparency of about 70-95%, preferably 85-90%.
  • the water absorption of the lenses of the crosslinked material was reduced so much that when blasting at a maximum temperature of 260 0 C at 30s no blistering was observed.
  • housings of LEDs which comprise thermoplastics filled with white pigment can also be used, for example.
  • B. produced by means of injection molding and radiation crosslinking the resulting housing then in contrast to the non-radiation crosslinked housings are solder resistant.
  • TOP LEDs can also be such.
  • B. still the housing of so-called the expert also known "SMART LEDs", and "chip LEDs" are radiation crosslinked.
  • SMART LEDs are described, for example, in the document DE 199 63 806 C2, which is hereby incorporated by reference, and have an LED with a leadframe which is encapsulated by a plastic molding compound in such a way that the LED is connected to its LED
  • the plastic molding compound can still be mixed with a light conversion substance, in the case of "chip LEDs", LEDs are mounted on a PCB that has contacts for mounting and encapsulated by a plastic molding compound.
  • Figures 1 to 7 show various embodiments of radiation-emitting devices according to the invention with optical components of crosslinked thermoplastic materials in cross section and a radiation-crosslinked lens, which is suitable for installation in an optoelectronic device.
  • FIG. 1 shows, in cross-section, a radiation-emitting component 5A, in which a semiconductor component 5, e.g. B. an LED by means of a bonding wire 10 and a conductor strip 20 is electrically contacted.
  • the semiconductor component 5 is located in a reflector trough which has a reflector surface 2 and which concentrates the light emitted by the semiconductor component.
  • the reflector pan and the semiconductor component 5 located therein are of a casting 15, z. B. encompassing epoxy or silicone.
  • the radiation-emitting component 5A has a housing 1 made of a radiation-cured or chemically crosslinked thermoplastic on, which has high reflectivity and from the same time the reflector surfaces 2 of the reflector trough are formed.
  • the housing 1 consists either of expensive high-temperature plastics or thermosetting plastics
  • radiation-emitting components according to the invention are cheaper and easier to produce due to the easy formability of the thermoplastics.
  • FIG. 2 shows a cross section of a further embodiment of a radiation-emitting component 5A according to the invention.
  • a lens 25 is additionally present, which is applied to the encapsulation 15 of the component.
  • Such a lens 25 may also be particularly easily formed from a post-crosslinked thermoplastic material.
  • the housing 1 may also include a thermoplastic material crosslinked according to the invention in the component of FIG. 2 or may comprise conventional high-temperature thermoplastics or thermosetting plastics. Since it is surprisingly also possible to produce subsequently crosslinked thermoplastic materials with sufficiently transparent properties, it is readily possible to arrange the lens 25 made of the subsequently crosslinked thermoplastic material in the beam path 60 of the component 5A.
  • FIG. 3 shows a further variant of a radiation-emitting component 5A according to the invention, in which a lens 25 is arranged on the casting 15, which likewise subsequently comprises radiation-crosslinked thermoplastic material and which additionally has connecting elements 30A.
  • the connecting elements 30A consist of small feet it allow by means of a snap mechanism to anchor the feet in recesses 3OC of the housing 1 mechanically. In such an embodiment, it is no longer necessary, as usual, to fasten the lens 25, for example by gluing, on the casting 15 of the component 5A.
  • connecting elements 3OB can also be formed in the housing 1, which additionally comprises crosslinked thermoplastic materials according to the invention, which allow an anchoring of the component 5A on a substrate 100, for example a printed circuit board, in a particularly simple manner.
  • the fasteners 3OB are fixed in the form of feet by means of a snap mechanism in recesses 3OD of the substrate 100.
  • Such fastening methods can replace, for example, conventional soldering methods and thus reduce or prevent thermal stress on the component.
  • radiation-emitting components having the housings 1 made from these materials can also be attached to substrates 100 without major problems by means of soldering methods.
  • FIG. 5 shows in cross-section a further embodiment of the invention, in which both the lens 25 and the housing 1 comprise subsequently cross-linked thermoplastic materials.
  • the lens 25 may be an inorganic one Coating 25A and be disposed on the housing 1, an inorganic coating IA.
  • Such coatings which may include, for example, materials selected from silica and titania, may be deposited, for example, by gas deposition processes having layer thicknesses of 50 nm to 1000 nm.
  • the device is mounted by soldering through the solder 50 on the substrate 100.
  • FIG. 6 shows a component in which the lens 25 is placed on the housing 1 via fastening elements 25B.
  • the fastening elements 25 B comprise the housing 1.
  • FIG. 7 shows in FIGS. 7A and 7B perspective views of a possible embodiment of a lens 25 which, similar to that shown in FIG. 6, can be plugged onto a housing 1.
  • pins 25C are also provided, which are inserted into corresponding recesses in the housing.
  • Figure IC shows the lens 25 in cross section.
  • thermoplastic materials used as well as the shape and function of the optical components formed from these subsequently crosslinked thermoplastic materials are not limited to the embodiments presented. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments. Further variations are possible above all with regard to the thermoplastic materials used as well as the shape and function of the optical components formed from these subsequently crosslinked thermoplastic materials.

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Abstract

Es wird ein optisches Bauteil (1, 25) vorgeschlagen, das eine bestimmte Form aufweist und einen Thermoplasten umfasst, der während oder nach der Formgebung zusätzlich weiter vernetzt worden ist. Derartige thermoplastische Materialien weisen eine erhöhte Temperaturformbeständigkeit auf, sind aber trotzdem vor der zusätzlichen Vernetzung aufgrund ihrer thermoplastischen Eigenschaften leicht und billig formbar.

Description

Optisches Bauteil, optoelektronisches Bauelement mit dem Bauteil und dessen Herstellung
Bei Vergussmaterialen für optoelektronische Bauelemente, wie zum Beis'piel Radial-LEDs, Smard-LEDs oder Chip-LEDs, Gehäusematerialien für optoelektronische Bauelemente wie SMT- LED' s oder auch optischen Bauteilen wie beispielsweise Linsen ist es häufig erforderlich, dass die entsprechenden Materialien lötbeständig sind. Deshalb werden heute mit Glasfasern und/oder mit Mineralien gefüllte
Hochtemperaturkunststoffe verwendet, die sehr teuer sind und sich nur mit speziellen Spritzgießverfahren bei hohen Temperaturen verarbeiten lassen. Für die Kapselungen oder optischen Bauteile von optoelektronischen Bauelementen können duroplastische Kunststoffe, wie Epoxypolymere oder Silikone eingesetzt werden. Diese Kunststoffe sind allerdings nur schwierig formbar.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optisches Bauteil anzugeben, das die oben genannten Nachteile vermindert .
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein optisches Bauteil nach Anspruch 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Bauteils sowie ein optoelektronisches Bauelement mit dem Bauteil und dessen Herstellung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Bauteil mit einer bestimmten Form, umfassend einen Thermoplasten der während oder nach der Formgebung vernetzt worden ist. Der Vorteil eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils besteht darin, dass ein Standard-Thermoplast verwendet werden kann, der aufgrund seiner thermoplastischen Eigenschaften oberhalb seiner Gebrauchstemperatur einen Fließübergangs- bereich aufweist und somit im erweichten Zustand beispielsweise durch Pressen, Extrudieren, Spritzgießen oder Spritzprägen und andere Formgebungsverfahren besonders einfach zu einem optischen Bauteil geformt werden kann. Erst während oder nach der Formgebung wird dann der Thermoplast vernetzt, wobei ein modifizierter Thermoplast resultiert, der eine erhöhte Temperaturformbeständigkeit, einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und verbessertes mechanisches Verhalten aufweist. Die Erfinder haben dabei überraschenderweise gefunden, dass trotz der nachträglich durchgeführten Vernetzung optische Bauteile aus diesen vernetzten Thermoplasten nach wie vor ausreichend gute optische Eigenschaften aufweisen, um die Bauteile auch in optoelektronischen Systemen verwenden zu können. Dabei sind die erfindungsgemäßen optischen Bauteile, die den zusätzlich vernetzten Thermoplasten umfassen auch überraschenderweise lötstabil, so dass optoelektronische Bauelemente, die diese Bauteile aufweisen auch besonders einfach mittels Verlötens auf Substraten, zum Beispiel Leiterplatten, montiert werden können .
Erfindungsgemäße optische Bauteile können je nach Anwendung beliebige Formen aufweisen. So können sie z. B. als Gehäuse für die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips, als Reflektoren oder als Linsen ausgeformt sein. Die optischen Bauteile können somit in jede für optoelektronische Anwendungen einsetzbare Form gebracht werden. Aufgrund der thermoplastischen Eigenschaften lässt sich die Formgebung, z. B. mittels Spritzgießens besonders einfach durchführen, wobei erst während oder nach der Formgebung die Vernetzung erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird unter einem optischen Bauteil ein Bauteil verstanden, dass eine Wechselwirkung mit Licht eingeht, also insbesondere lichtformend, lichtführend und/oder Iichtumwandelnd ist. Beispiele für optische Bauteile sind z. B. Linsen, die das Licht bündeln können sowie Reflektoren, die das Licht reflektieren .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass nach der Formgebung der Thermoplast mittels Bestrahlung vernetzt worden ist. Eine derartige Bestrahlung zur Vernetzung des Thermoplasten kann beispielsweise mittels Bestrahlung durch Beta- oder Gammastrahlen erfolgen. Derartige Bestrahlungen können beispielsweise in herkömmlichen Elektronenbeschleunigern und Gammaanlagen erfolgen. Aufgrund der Bestrahlung werden u. a. Radikale in den leicht verarbeitbaren Thermoplasten erzeugt, die aufgrund ihrer Reaktivität eine weitere Vernetzung der thermoplastischen Polymerstränge bewirken, so dass hochvernetzte dreidimensionale Polymernetzwerke entstehen können.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass während der Formgebung, zum Beispiel während der Extrudierung, unter hohem Druck eine zusätzliche Vernetzung durch Zugabe von Vernetzungsmitteln erfolgt. Derartige Vernetzungsmittel können zum Beispiel organische Peroxide umfassen, die ebenfalls eine räumliche Vernetzung der Thermoplasten auf chemischem Wege ermöglichen können. Dabei kann ein gleichmäßiges Netzwerk von thermoplastischen Makromolekülen entstehen. Vernetzungshilfsmittel können auch bei der oben erwähnten Strahlenvernetzung verwendet werden, um die Bestrahlungszeiten zu verkürzen und Nebenprodukte der Bestrahlung z. B. durch Fragmentierung oder Oxidation zu vermindern.
Aufgrund der während beziehungsweise nach der Formgebung des optischen Bauteils erfolgenden Vernetzung können erfindungsgemäß alle bisher nicht einsetzbaren preisgünstigen technischen Thermoplaste verwendet werden, die beispielsweise bei mäßigen Temperaturen im Spritzgussverfahren verarbeitet werden können. Die in erfindungsgemäßen optischen Bauteilen eingesetzten Thermoplasten können dabei ausgewählt sein aus einer Gruppe die folgende Kunststoffe enthält: Polyamid, Polyamid 6, Polyamid 6,6, Polyamid 6,12, Polybutylen- terephthalat , Polyethylenterephthalat , Polycarbonat , Polyphenylenoxid, Polyoxymethylen, Acrylnitril-Butadien- Styrol-Copolymer, Polymethylmethacrylat , modifiziertes Polypropylen, ultrahigh molecular weight Polyethylen, Ethylen-Styrol-Interpolymere, Copolyesterelastomere, thermoplastisches Urethan, Polymethylmethacrylimid, Cycloolefin- copolymere, Cycloolefinpolymere, Polystyrol und Styrol- Acrylnitril-Copolymer .
Die genannten Kunststoffe können dabei jeweils alleine oder in beliebigen Kombinationen bei der Herstellung von erfindungsgemäßen optischen Bauteilen verwendet werden.
Mittels verschiedener thermischer, physikalischer und mechanischer Prüfungen lassen sich die Eigenschaftsänderungen, die beim nachträglichen Vernetzen von Thermoplasten auftreten nachweisen. Auf diese Weise ist es möglich herkömmliche nicht-vernetzte Thermoplaste von vernetzten Thermoplasten zu unterscheiden. So kann beispielsweise mittels IR-Spektroskopie den Einbau polarer sauerstoffhaltiger Gruppen auf der Oberfläche von strahlenvernetzten Thermoplasten nachgewiesen werden. U. a. durch die Elektronenbestrahlung kommt es zu einem Anstieg der Oberflächenspannung von strahlenvernetzten thermoplastischen Materialien, so dass die Polarität der Oberfläche der Thermoplaste erhöht wird.
Der Anstieg der Glasübergangstemperatur von zusätzlich vernetzten Thermoplasten kann beispielsweise mittels dilatometrischer, dielektrischer, dynamisch-mechanischer oder refraktrometrischer Messungen mittels DSC (differential scanning calorimetry) bzw. mit Hilfe von NMR-Spektroskopie, die alle einem Fachmann bekannt sind, nachgewiesen werden.
DMA-Torsionsversuche geben ebenfalls direkten Aufschluss über die Glasübergangstemperatur T9, über das veränderte Schmelz- Kristallisationsverhalten und die Temperaturformbeständigkeit der vernetzten Thermoplaste. In der Nähe des Glasübergangs- bereichs sind dabei vernetzte thermoplastische Materialien bis zum Schmelzbereich häufig steifer als unvernetzte thermoplastische Materialien mit der Folge, dass vernetzte Thermoplaste nicht mehr fließen, so dass eine verbesserte Temperaturformbeständigkeit gegeben ist. Vernetzte Thermoplaste verhalten sich im Schmelzbereich häufig gummielastisch und fließen nicht mehr. Durch die Vernetzung vermindert sich weiterhin die thermische Ausdehnung sowie die Permeabilität für Wasser und Sauerstoff. Ebenso wird die Silbermigration eingeschränkt . - S -
Erfindungsgemäße optische Bauteile umfassen dabei vorteilhafterweise einen Thermoplasten, der im wesentlichen transparent ist für Strahlung. Die Strahlung kann dabei von allen möglichen Strahlungsquellen, beispielsweise optoelektronischen Bauelementen emittiert werden, in die das optische Bauteil integriert ist . Im wesentlichen transparent bedeutet dabei, dass der Thermoplast eine Transparenz von etwa 70 bis 80 % bevorzugt bis 92 % für die Strahlung aufweist. Die Erfinder haben dabei überraschenderweise gefunden, dass vernetzte thermoplastische Kunststoffe nach wie vor ausreichend transparente Eigenschaften aufweisen.
Weiterhin kann auf einem erfindungsgemäßen optischen Bauteil zusätzlich eine anorganische Beschichtung angeordnet sein. Diese kann die mechanische Beständigkeit, Lötstabilität sowie die Resistenz gegen eindringendes Wasser zusätzlich zur Vernetzung erhöhen. Diese anorganische Beschichtung kann beispielsweise Materialien umfassen, die ausgewählt sind aus Siliziumdioxid und Titandioxid. Dabei kann die Beschichtung lediglich eines der Materialen oder eine Kombination beider Materialien umfassen. Derartige Schichten können beispielsweise in einem Abscheidungsprozess aus der Gasphase mit Schichtdicken von etwa 50 nm bis 1000 nm aufgebracht werden. Beschichtungen mit derartigen Schichtdicken sind zusätzlich auch noch weitestgehend transparent für Strahlung.
In einer weiteren Ausführungsform können aus dem thermoplastischen Material eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils Verbindungselemente ausgeformt sein (siehe beispielsweise die Figuren 3 und 4) . Derartige Verbindungselemente können beispielsweise dazu dienen, optische Bauteile mit optoelektronischen Strahlungsemittierenden Bauelementen zu verbinden. Optoelektronische Bauteile mit diesen optischen Bauteilen können dann auch besonders einfach über weitere Verbindungselemente aus den vernetzten Thermoplasten auf ein Substrat, zum Beispiel eine Leiterplatte montiert werden (siehe z. B. Fig. 4). Die Verbindungselemente, beispielsweise Zapfen, Laschen, Stecker oder ähnliches können besonders einfach aus thermoplastischen Materialien geformt werden, da diese gut schmelzbar sind und daher leicht formbar sind. Erst nach oder während der Ausformung dieser Verbindungselemente werden dann die thermoplastischen Materialien eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils weiter vernetzt, so dass eine erhöhte Stabilität resultiert.
Erfindungsgemäße optische Bauteile können dabei eine Linse oder einen Reflektor umfassen (siehe beispielsweise die Figuren 1 bis 5) . Im Falle einer Linse kann diese auf einen vorhandenen Verguss eines optoelektronischen Bauelements aufgeklebt werden, wobei dieses Bauelement dann trotz des Thermoplasten lötstabil ist (siehe beispielsweise Figur 2) . Im Falle eines Reflektors als optisches Bauteil wird bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, der eine hohe Reflektivität aufweist und nicht transparent ist . Häufig werden in diesem fall dem Thermoplasten noch weitere Additive, beispielsweise Titandioxid (Weißpigment) zugesetzt. Es ist auch möglich Gehäuse aus nachträglich vernetzten thermoplastischem Material zu formen, die gleichzeitig auch Reflektoreigenschaften aufweisen (siehe z. B. Figuren 1 und 2) .
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein optoelektronisches, Strahlungsemittierendes Bauelement mit einen optischen Bauteil umfassend einen vernetzten Thermoplasten. Derartige Bauteile weisen häufig ähnlich gute optische Eigenschaften auf wie Bauteile aus bisher verwendeten speziellen Hochtemperaturkunststoffen, sind aber einfacher und billiger herzustellen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das optische Bauteil als Gehäuse ausgeformt ist, da so eine besonders gute Lötstabilität eines Strahlungsemittierenden Bauelements gewährleistet werden kann. Aufgrund seiner guten optischen Eigenschaften, beispielsweise seiner guten Transparenz kann das optische Bauteil auch im Strahlengang des Bauelements angeordnet sein und ist dabei dann im wesentlichen transparent für die emittierte Strahlung (siehe beispielsweise Figur 2) .
Aufgrund der erhöhten Temperaturbeständigkeit und verbesserten Eigenschaften von vernetzten thermoplastischen Materialen ist es besonders günstig über dieses Material ein Strahlungsemittierendes Bauelement auf einem Substrat zu befestigen. Dies kann beispielsweise mittels von Verschlusselementen oder Lötverfahren erfolgen (siehe z. B. Figuren 4 und 5) .
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils einer bestimmten Form mit den Verfahrensschritten:
A) Bereitstellen eines Thermoplasten,
B) Überführen des Thermoplasten in die gewünschte Form,
C) Vernetzen des Thermoplasten wobei das optische Bauteil gebildet wird.
Vorteilhafterweise wird im Verfahrensschritt B) ein Spritzguss-Verfahren verwendet. Häufig wird vor dem Verfahrensschritt C) zusätzlich ein Vernetzungshilfsmittel, - S -
z. B. Triallylisocyanurat (TAIC) hinzugegeben, welches die Vernetzung erleichtert.
Im Falle von chemischen Vernetzungsverfahren ist es beispielsweise möglich die Verfahrensschritte B) und C) gemeinsam durchzuführen und dabei chemische Vernetzer wie zum Beispiel organische Peroxide zu verwenden.
Im Falle von Strahlenvernetzungen kann im Verfahrensschritt C) der geformte Thermoplast mit Elektronenstrahlen einer Bestrahlungsdosis von etwa 30 bis 400 kGy, bevorzugt 33 bis 165 kGy ausgesetzt werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiele
Es wurden 2-3 mm dicke Linsen mit einem Durchmesser von 0,8 cm aus einem Polyamid (Grilamid TR 90) gespritzt, wobei zu dem KunstStoffgranulat als Vernetzungshilfsmittel Triallylisocyanurat (TAIC, Peralink 301) in flüssiger Form zugegeben wurde. Der Anteil des zugegebenen TAIC betrug 2-5 Gew%# bevorzugt etwa 3 bis 4 Gew% . Die Zugabe erfolgte entweder direkt als Flüssigkeit oder adsorbiert an ein Hohlkammergranulat. Calciumsilikat wurde nicht, wie sonst üblich als Trägermaterial für TAIC verwendet, da es sich nachteilig auf die Transparenz der Linsen auswirkt. Die anschließende Vernetzung erfolgte durch Bestrahlung mit Betastrahlen bei typischerweise 66-132 kGy für einige Sekunden. Die Bestrahlung erfolgt sequentiell in 33 kGy- Schritten. Die Bestrahlung erfolgt zumindest zweimal, bevorzugt aber viermal mit z.B. jeweils gleichen Strahlendosen. Die Linsen können dabei Verbindungslemente zur Verankerung in Form von Beinchen aufweisen (siehe z. B. Fig. 3 und 6) .
Führt man den Spritzguss mit einem mit Inertgas gespülten, z. B. N2-gespülten Granulat in einer N2-gespülten Spritzgussmaschine durch, erhält man glasklare Produkte. Bei der Strahlenvernetzung bilden sich Farbzentren, die zu einer Gelbfärbung der Spitzgussteile führen. Diese Verfärbung verschwindet vollständig beim Löten bei 2600C. Die gelöteten Produkte sind glasklar mit einer Transparenz von 85-90%. Anstatt N2 lassen sich auch andere Inertgase verwenden, wobei die Erfinder festgestellt haben, dass bei Verwendung der Inertgase, wie oben beschrieben, die während der Strahlenvernetzung auftretende Verfärbung dann beim Löten reduziert wird bzw. vollständig verschwindet. Besonders vorteilhaft wird auch während der Strahlenvernetzung unter Inertgas, z. B. N2 gearbeitet. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die optischen Bauteile unter Inertgas in Plastikbeuteln verpackt und dann vernetzt werden.
Die Linsen aus dem strahlenvernetzten Grilamid TR 90 waren im Gegensatz zu Linsen aus dem nicht vernetzten Material lötstabil und wiesen eine Transparenz von etwa 70-95%, bevorzugt 85-90% auf. Außerdem wurde die Wasseraufnahme von den Linsen aus dem vernetzten Material soweit reduziert, dass beim Löten mit einer maximalen Temperatur von 2600C bei 30s keine Blasenbildung beobachtet wurde.
Analog zur oben genannten Strahlenvernetzung der Linsen können auch Gehäuse von LED's, die mit Weißpigment gefüllte Thermoplasten umfassen z. B. mittels Spritzgussverfahren hergestellt und strahlenvernetzt werden wobei die resultierenden Gehäuse dann im Gegensatz zu den nicht strahlenvernetzten Gehäusen lötstabil sind. Neben den in Fig. 1 -6 gezeigten einem Fachmann bekannten "TOP-LEDs" können so auch z. B. noch die Gehäuse von sogenannten dem Fachmann ebenfalls bekannten „SMART-LEDs", und „Chip-LEDs" strahlenvernetzt werden. „SMART-LEDs" werden z. B. in der Druckschrift DE 199 63 806 C2 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird und weisen eine LED mit einem Leadframe auf, der derart von einer Kunststoff-Pressmasse verkapselt ist, dass die LED an ihren Lichtaustrittsseiten von der Pressmasse umgeben ist. Die Kunststoff-Pressmasse kann noch mit einem Lichtkonversionsstoff vermengt sein. Bei „Chip- LEDs" sind LEDs auf einem PCB, das Kontakte zur Montage aufweist montiert und von einer Kunststoff-Pressmasse umkapselt .
Figuren 1 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelementen mit optischen Bauteilen aus vernetzten thermoplastischen Materialien im Querschnitt sowie eine strahlenvernetzte Linse, die zum Einbau in ein optoelektronisches Bauelement geeignet ist.
Figur 1 zeigt im Querschnitt ein strahlungsemittierendes Bauelement 5A, bei dem ein Halbleiterbauelement 5, z. B. eine LED mittels eines Bonddrahts 10 und einem Leiterband 20 elektrisch kontaktiert wird. Das Halbleiterbauelement 5 befindet sich in einer Reflektorwanne, die eine Reflektorfläche 2 aufweist und das vom Halbleiterbauelement emittierte Licht bündelt . Die Reflektorwanne und das darin befindliche Halbleiterbauelement 5 sind von einem Verguss 15, z. B. umfassend Epoxy oder Silikon umhüllt. Das strahlungs- emittierende Bauelement 5A weist ein Gehäuse 1 aus einem strahlen- beziehungsweise chemischvernetzten Thermoplasten auf, das hohe Reflektivität aufweist und aus dem gleichzeitig die Reflektorflächen 2 der Reflektorwanne geformt sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Strahlungsemittierenden Bauelementen, bei denen das Gehäuse 1 entweder aus teuren Hochtemperaturkunststoffen oder aus Duroplasten besteht, sind erfindungsgemäße Strahlungsemittierende Bauelemente aufgrund der leichten Formbarkeit der Thermoplaste billiger und leichter herzustellen.
In Figur 2 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements 5A dargestellt. Dabei ist im Gegensatz zum Bauelement der Figur 1 zusätzlich eine Linse 25 vorhanden, die auf dem Verguss 15 des Bauelements aufgebracht ist. Eine derartige Linse 25 kann auch besonders einfach aus einem nachträglich vernetzten thermoplastischen Material geformt sein. Je nach Anforderungen an das Bauelement kann auch bei dem Bauelement der Figur 2 das Gehäuse 1 ein erfindungsgemäß nachträglich vernetztes thermoplastisches Material umfassen oder auch herkömmliche Hochtemperaturthermoplaste oder duroplastische Kunststoffe umfassen. Da es überraschenderweise auch möglich ist, nachträglich vernetzte thermoplastische Materialien mit ausreichend transparenten Eigenschaften herzustellen, ist es ohne weiteres möglich die aus dem nachträglich vernetzten thermoplastischen Material hergestellte Linse 25 im Strahlengang 60 des Bauelements 5A anzuordnen.
Figur 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements 5A, bei dem eine Linse 25 auf dem Verguss 15 angeordnet ist, die ebenfalls nachträglich strahlenvernetztes thermoplastisches Material umfasst und die zusätzlich Verbindungselemente 3OA aufweist. In diesem Fall bestehen die Verbindungselemente 3OA aus kleinen Füßchen die es erlauben mittels eines Schnappmechanismus die Füßchen in Vertiefungen 3OC des Gehäuses 1 mechanisch zu verankern. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist es nicht mehr notwendig, wie sonst üblich die Linse 25 beispielsweise mittels Klebens auf dem Verguss 15 des Bauelements 5A zu befestigen.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 können ebenso auch im Gehäuse 1, das erfindungsgemäß zusätzlich vernetzte thermoplastische Materialien umfasst Verbindungselemente 3OB ausgeformt sein, die eine Verankerung des Bauelements 5A auf einem Substrat 100, beispielsweise einer Leiterplatte auf besonders einfache Weise ermöglichen. Auch in diesem Fall werden die Verbindungselemente 3OB in Form von Füßchen mittels eines Schnappmechanismus in Vertiefungen 3OD des Substrats 100 befestigt. Derartige Befestigungsmethoden können beispielsweise herkömmliche Lötverfahren ersetzen und so eine thermische Belastung des Bauelements vermindern beziehungsweise verhindern.
Aufgrund der zusätzlichen Temperaturformbeständigkeit von zusätzlich vernetzten thermoplastischen Materialien können Strahlungsemittierende Bauelemente die Gehäuse 1 aus diesen Materialien aufweisen auch ohne größere Probleme mittels Lδtverfahren auf Substraten 100 befestigt werden.
Figur 5 zeigt dabei im Querschnitt eine weitere Ausführungs- form der Erfindung, bei der sowohl die Linse 25 als auch das Gehäuse 1 nachträglich vernetzte thermoplastische Materialien umfassen. Um die Lötbeständigkeit noch weiter zu erhöhen, die Barriereeigenschaften für Wasser zu steigern und die mechanische Stabilität zu erhöhen, können auf beiden optischen Bauteilen, der Linse 25 eine anorganische Beschichtung 25A und auf dem Gehäuse 1 eine anorganische Beschichtung IA angeordnet sein. Derartige Beschichtungen, die beispielsweise Materialien enthalten können, die ausgewählt sind aus Siliziumdioxid und Titandioxid können beispielsweise mittels Gasabscheidungsprozessen mit Schichtdicken von 50 nm bis 1000 nm aufgebracht werden. Das Bauelement ist dabei mittels Lötens durch die Lötmasse 50 auf dem Substrat 100 montiert.
In Figur 6 ist ein Bauelement gezeigt bei dem die Linse 25 über Befestigungselemente 25B auf das Gehäuse 1 gesteckt ist. Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten Bauelement umfassen die Befestigungselemente 25B das Gehäuse 1.
Figur 7 zeigt in den Figuren 7A und 7B perspektivische Ansichten einer möglichen Ausführungsform einer Linse 25, die ähnlich wie in Fig. 6 gezeigt auf ein Gehäuse 1 gesteckt werden kann. Zusätzlich zu den Befestigungselementen 25B sind auch noch Zapfen 25C vorhanden, die in entsprechende Vertiefungen im Gehäuse gesteckt werden. Figur IC zeigt die Linse 25 im Querschnitt.
Die hier dargestellte Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargelegten Ausführungsbeispiele. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Weitere Variationen sind vor allem noch bezüglich der verwendeten thermoplastischen Materialien, sowie der Form und Funktion der aus diesen nachträglich vernetzten thermoplastischen Materialien geformten optischen Bauteilen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Bauteil (1, 25) mit einer bestimmten Form , umfassend einen Thermoplasten, der während oder nach der Formgebung vernetzt worden ist.
2. Optisches Bauteil (1, 25) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem nach der Formgebung der Thermoplast mittels Bestrahlung vernetzt worden ist.
3. Optisches Bauteil (1, 25) nach Anspruch 1, bei dem während der Formgebung eine Vernetzung durch Zugabe von Vernetzungsmitteln erfolgt ist.
4. Optisches Bauteil (1, 25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Thermoplast ausgewählt ist aus einer Gruppe die folgende Kunststoffe enthält: Polyamid (PA), Polyamid 6 (PA 6); Polyamid 6,6 (PA 6,6), Polyamid 6, 12 (PA 6,12); Polybutylenterephthalat (PBT) ; Polyethylenterephthalat (PET) ; Polycarbonat (PC) ; Polyphenylenoxid (PPO) ; PoIy- oxymethylen (POM) ; Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) ; Polymethylmethacrylat (PMMA) ; modifiziertes Polypropylen (PP-modified) ; ultrahigh molecular weight Polyethylen (PE-UHMW) , Ethylen-Styrol-Interpolymere (ESI) ; Copolyesterelastomere (COPE) ; thermoplastisches Urethan (TPU) ; Polyuriethylmethacrylimid (PMMI) ;
Cycloolefincopolymere (COC) ; Cycloolefinpolymere (COP) Polystyrol (PS) und Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) .
5. Optisches Bauteil (1, 25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
Bei dem der Thermoplast im wesentlichen transparent ist für Strahlung.
6. Optisches Bauteil (1, 25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , auf dem zusätzlich eine anorganische Beschichtung (IA, 25A) angeordnet ist.
7. Optisches Bauteil (1, 25) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die anorganische Beschichtung (IA, 25A) Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus: SiO2 und TiO2.
8. Optisches Bauteil (1, 25) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Beschichtung eine Schichtdicke von 50 nm bis 1000 nm aufweist.
9. Optisches Bauteil (1, 25) nach einem der vorherigen f' Ansprüche , bei dem zusätzlich aus dem Thermoplasten Verbindungselemente (3OA, 30B) ausgeformt sind.
10. Optisches Bauteil (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Linse umfasst.
11. Optisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das einen Reflektor umfasst.
12. Optoelektronisches, strahlungsemittierend.es Bauelement (5A) mit
- einem optischen Bauteil (1, 25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
13. Strahlungsemittierendes Bauelement (5A) nach dem vorhergehenden Anspruch,
- wobei das optische Bauteil (1, 25) als Gehäuse ausgeformt ist.
14. Strahlungsemittierendes Bauelement (5A) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem das optische Bauteil (1, 25) im Strahlengang (60) des Bauelements (5A) angeordnet ist und im wesentlichen transparent für die emittierte Strahlung ist .
15. Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das gesamte Bauelement von dem Gehäuse verkapselt ist.
16. Anordnung eines Strahlungsemittierenden Bauelements (5A) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 auf einem Substrat (100) ,
- wobei das Bauelement (5A) über das optische Bauteil (1, 25) auf dem Substrat (100) befestigt ist.
17. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der das Bauelement (5A) mittels Lötens auf dem Substrat (100) befestigt ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils (1, 25) einer bestimmten Form mit den Verfahrensschritten: A) Bereitstellen eines Thermoplasten,
B) Überführen des Thermoplasten in die gewünschte Form und,
C) Vernetzen des Thermoplasten wobei das optische Bauteil gebildet wird.
19. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem im Verfahrensschritt B) ein Spritzgussverfahren verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem vor dem Verfahrensschritt C) zusätzlich ein Vernetzungshilfsmittel zugegeben wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem nach dem Verfahrensschritt B) im Verfahrensschritt C) der geformte Thermoplast mit Elektronen-Strahlen einer Bestrahlungsdosis von etwa 33 bis 165 kGy ausgesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
- bei dem die Verfahrensschritte B) und C) gemeinsam durchgeführt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem ein transparenter Thermoplast verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23,
- bei dem im Verfahrensschritt B) das Überführen des Thermoplasten in die gewünschte Form unter Inertgas durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24,
- bei dem der Verfahrensschritt C) unter Inertgas durchgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25,
- bei dem im Verfahrensschritt C) der geformte Thermoplast zumindest zweimal mittels einer Strahlung vernetzt wird.
27. Verwendung von Bauteilen mit einer bestimmten Form, die einen Thermoplasten umfassen, der während oder nach der Formgebung vernetzt worden ist für optoelektronische Bauelemente.
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