DE10353604B4 - Optoelectronic component and method for producing an optoelectronic component - Google Patents
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Abstract
Optoelektronisches Bauelement mit
– mindestens einem optoelektronischen Sender oder Empfänger zum Emittieren bzw. Empfangen von einer Bauelementstrahlung,
– einem Einkapselungsmaterial mit einer Koppelfläche, an der die Bauelementstrahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt bzw. in das Bauelement eingekoppelt wird,
wobei das Bauelement ein oberflächenmontierbares Bauelement ist und
die Koppelfläche zumindest zum Teil aus Oberflächen einer Vielzahl von Koppelelementen gebildet und durch diese dreidimensional strukturiert ist und dass die Koppelelemente eine für die Bauelementstrahlung durchlässige gehärtete Polymermasse sowie eine zufällig verteilte Formgebung aufweisen,
wobei
die Polymermasse der Koppelelemente einen geringeren Brechungsindex aufweist als das Einkapselungsmaterial.Optoelectronic component with
At least one optoelectronic transmitter or receiver for emitting or receiving a component radiation,
An encapsulation material having a coupling surface at which the component radiation is coupled out of the component or coupled into the component,
wherein the device is a surface mountable device and
the coupling surface is formed at least in part from surfaces of a multiplicity of coupling elements and is structured by them in a three-dimensional manner, and that the coupling elements have a hardened polymer mass permeable to the component radiation and a randomly distributed shaping,
in which
the polymer mass of the coupling elements has a lower refractive index than the encapsulating material.
Description
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit mindestens einem optoelektronischen Sender oder Empfänger zum Emittieren bzw. Empfangen von einer Bauelementstrahlung, und einer Koppelfläche, an der die Bauelementstrahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt bzw. in das Bauelement eingekoppelt wird.The invention relates to an optoelectronic component having at least one optoelectronic transmitter or receiver for emitting or receiving a component radiation, and a coupling surface, at which the component radiation is coupled out of the component or coupled into the component.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauelementes, bei dem eine Bauelement-Grundform bereitgestellt wird, die mindestens einen optoelektronischen Sender oder Empfänger zum Emittieren bzw. Empfangen von einer Bauelementstrahlung sowie eine Grenzfläche aufweist, an der die Bauelementstrahlung aus der Bauelement-Grundform ausgekoppelt bzw. in diese eingekoppelt wird.In addition, the invention relates to a method for producing such a component, in which a basic component form is provided which has at least one optoelectronic transmitter or receiver for emitting or receiving a component radiation and an interface at which the component radiation from the component basic form decoupled or coupled into this.
Unter Bauelementstrahlung ist in diesem Zusammenhang eine elektromagnetische Strahlung zu verstehen. Diese kann innerhalb der Bauelement-Grundform auch teilweise oder komplett in eine Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge konvertiert werden. In einem derartigen Fall umfasst der Begriff Bauelementstrahlung auch die konvertierte Strahlung.Under component radiation is to be understood in this context, electromagnetic radiation. This can also be partially or completely converted into radiation of different wavelengths within the component basic form. In such a case, the term component radiation also includes the converted radiation.
Ein derartiges Bauelement ist beispielsweise in Möllmer, Waitl, ”Siemens SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage”, Siemens Components 29 (1991), Heft 5, Seite 193 bis 196, beschrieben. Es weist eine in ein Gehäuse montierte Leuchtdiode auf, die durch eine strahlungsdurchlässige Vergußmasse eingekapselt ist. Die Vergußmasse weist nach außen eine unstrukturierte, im Wesentlichen plane Grenzfläche auf, an der eine Bauelementstrahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt wird.Such a device is described for example in Möllmer, Waitl, "Siemens SMT-TOPLED for surface mounting", Siemens Components 29 (1991), No. 5, pages 193 to 196. It has a light-emitting diode mounted in a housing, which is encapsulated by a radiation-permeable potting compound. The potting compound has on the outside an unstructured, substantially planar interface at which a component radiation is coupled out of the component.
In der Druckschrift ist ebenfalls beschrieben, wie eine Steigerung der Strahlungsauskopplung aus dem Bauelement erreicht werden kann, indem eine äußere Optik auf die Grenzfläche aufgebracht wird. Als Beispiel für eine äußere Optik ist eine Linse beschrieben, die zum Beispiel aus Polycarbonat gefertigt sein kann.The document also describes how an increase in the radiation decoupling from the component can be achieved by applying an external optic to the interface. As an example of an external appearance, a lens is described, which may be made of polycarbonate, for example.
Zudem ist bekannt, daß mit strukturierten Strahlungsauskoppelflächen ebenfalls eine deutliche Steigerung von Ein- oder Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung erreicht werden kann. Ein Beispiel für ein derartiges Bauelement ist ein oben beschriebenes Bauelement, auf dessen Grenzfläche eine Fresnel-Linse aufgebracht worden ist.In addition, it is known that with structured radiation decoupling surfaces also a significant increase of coupling or decoupling of electromagnetic radiation can be achieved. An example of such a device is a device described above, on the interface of a Fresnel lens has been applied.
Derartige Bauelemente mit einer aufgebrachten äußeren Optik haben den Nachteil, daß ihre Herstellung relativ aufwendig ist, da die äußere Optik gesondert hergestellt und nachfolgend sehr genau auf der Strahlungsauskoppelfläche positioniert und befestigt werden muß. Eine Schwierigkeit besteht darin, die äußere Optik derart aufzubringen, daß eine optimale Einkopplung von Strahlung aus dem Bauelement in die Optik und umgekehrt gewährleistet ist. Dabei sind insbesondere Luftspalte zwischen der Grenzfläche und der Optik zu vermeiden, an denen elektromagnetische Strahlung totalreflektiert werden kann.Such components with an applied outer optics have the disadvantage that their production is relatively complicated, since the outer optics manufactured separately and subsequently positioned and fastened very accurately on the radiation coupling-out surface. A difficulty is to apply the outer optics such that an optimal coupling of radiation from the device to the optics and vice versa is ensured. In particular, air gaps between the interface and the optics are to be avoided, at which electromagnetic radiation can be totally reflected.
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Eine LED-Anordnung ist in der Druckschrift
In der Druckschrift
Im „Lehrbuch der Organischen Chemie” von Wolfgang Walter, 21. Auflage, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, ISBN 3-7776-0438-0, Seite 312, sind Epoxidharzmassen angegeben.In "Textbook of Organic Chemistry" by Wolfgang Walter, 21st edition, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, ISBN 3-7776-0438-0, page 312, epoxy resin compositions are given.
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement der eingangs genannten Art mit einer strukturierten Koppelfläche bereitzustellen, das einfach und kostengünstig herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung eines derartigen optoelektronischen Bauelements. The present invention has for its object to provide an optoelectronic device of the type mentioned above with a structured coupling surface, which is simple and inexpensive to produce. Another object of the present invention is to provide a simple and inexpensive method of manufacturing such an optoelectronic device.
Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 beziehungsweise durch ein verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Bauelements sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4, während die Ansprüche 6 bis 15 vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zum Gegenstand haben.These objects are achieved by a component having the features of claim 1 or by a method having the features of claim 5. Advantageous developments of the device are the subject of
Erfindungsgemäß ist die Koppelfläche des optoelektronischen Bauelements der eingangs genannten Art zumindest zum Teil aus Oberflächen einer Vielzahl von Koppelelementen gebildet und durch diese dreidimensional strukturiert. Dabei weisen die Koppelelemente im wesentlichen eine für die Bauelementstrahlung durchlässige gehärtete Polymermasse auf.According to the invention, the coupling surface of the optoelectronic component of the type mentioned at the beginning is at least partially formed from surfaces of a large number of coupling elements and structured by them in three dimensions. In this case, the coupling elements essentially have a permeable to the component radiation cured polymer composition.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Bauelementes wird die Koppelfläche erzeugt, indem auf der Grenzfläche der Bauelement-Grundform eine Vielzahl von Koppelelementen gebildet wird. Dies erfolgt durch ein Aufbringen und Härten einer Vielzahl von Tropfen, die im wesentlichen eine härtbare Polymermasse aufweisen. Die Polymermasse ist zumindest in einem gehärteten Zustand für die Bauelementstrahlung durchlässig.In the method according to the invention for producing the component, the coupling surface is produced by forming a plurality of coupling elements on the interface of the component basic form. This is done by applying and curing a plurality of drops, which essentially have a curable polymer composition. The polymer composition is permeable to the component radiation at least in a cured state.
Das Wort „Masse” in dem Begriff „Polymermasse” impliziert im Sinne der Erfindung nicht, dass die Polymermasse eine gewisse Mindestviskosität aufweist. Vielmehr kann diese im ungehärteten Zustand insbesondere auch eine derart geringe Viskosität aufweisen, dass ihre Konsistenz als flüssig bezeichnet werden kann.The term "mass" in the term "polymer composition" for the purposes of the invention does not imply that the polymer composition has a certain minimum viscosity. Rather, in the uncured state, this may in particular also have such a low viscosity that its consistency can be described as liquid.
Zur Herstellung des optoelektronischen Bauelementes ist es vorteilhafterweise nicht notwendig, eine äußere Optik in einem separaten Prozeß herzustellen und auf die Grenzfläche der Bauelement-Grundform aufzubringen. Vielmehr werden die Koppelelemente aus einem Material, das im wesentlichen eine Polymermasse aufweist, direkt auf der Grenzfläche gebildet. Das Material liegt in einem flüssigen oder zähflüssigen Zustand vor und wird in Form von Tropfen auf die Grenzfläche aufgebracht. Dies geschieht vorzugsweise derart, daß die Tropfen in einem freien Flug auf die Grenzfläche gelangen, das heißt, daß sie beispielsweise aus einem Abstand auf die Grenzfläche fallengelassen oder auf diese geschossen werden können. Dies kann beispielsweise nach einem Prinzip, wie es bei Tintenstrahldruckern zum Einsatz kommt, erfolgen.For the production of the optoelectronic component, it is advantageously not necessary to produce an external optic in a separate process and to apply it to the interface of the component basic form. Rather, the coupling elements are formed of a material which essentially has a polymer composition directly on the interface. The material is in a liquid or viscous state and is applied in the form of drops on the interface. This is preferably done in such a way that the drops reach the interface in a free flight, that is to say they can be dropped onto or shot at the interface, for example. This can be done, for example, according to a principle as used in inkjet printers.
Vorteilhafterweise werden die Tropfen bereits während des Aufbringens in einem signifikanten Maß gehärtet. Dies bedeutet, daß die Viskosität der Tropfen während des Aufbringens derart erhöht wird, daß diese nach dem Auftreffen auf die Grenzfläche nicht zu einem dünnen Film zerfließen oder jeweils in viele Teile zerspritzen, sondern als dreidimensionale Elemente auf der Grenzfläche bestehen bleiben. Verformen können sich die derart gehärteten Tropfen nach und insbesondere auch während dem Auftreffen auf die Grenzfläche dagegen sehr wohl. Der Begriff Tropfen bezeichnet im Zusammenhang mit der Erfindung ein bestimmtes Volumen einer Flüssigkeit oder einer Masse, das eine beliebige Form haben kann.Advantageously, the drops are already hardened during the application to a significant degree. This means that the viscosity of the droplets is increased during the application such that they do not melt into a thin film after impact with the interface, or splinter into many parts, but remain as three-dimensional elements on the interface. On the other hand, the thus hardened drops can deform very well after and in particular also during the impact on the boundary surface. The term drop, in the context of the invention, denotes a specific volume of a liquid or a mass, which may have any desired shape.
Bevorzugt wird als Polymermasse eine Reaktionsmasse verwendet, die durch eine elektromagnetische Strahlung oder durch Wärme initiiert härtbar ist. Das Härten der Tropfen wird bei Verwendung einer derartigen Polymermasse durch Beaufschlagung der Tropfen mit elektromagnetischer Strahlung beziehungsweise Wärme initiiert. Zweckmäßigerweise geschieht dies während des Aufbringens der Tropfen auf die Grenzfläche.Preferably, a reaction mass which is curable by means of electromagnetic radiation or initiated by heat is used as the polymer mass. The hardening of the droplets is initiated by the application of such a polymer mass by applying the droplets with electromagnetic radiation or heat. This is expediently carried out during the application of the drops to the interface.
Reaktionsmassen mit einem derartigen Härtungsmechanismus können in einem schnellen durch eine Initiierung angeregten Prozeß in eine Gelphase übergehen. Eine so erreichbare Anhärtung kann innerhalb einer kurzen Zeit erfolgen, die sogar weniger als eine Sekunde betragen kann.Reaction masses with such a curing mechanism can be converted into a gel phase in a rapid initiation-initiated process. Such an achievable hardening can take place within a short time, which may even be less than one second.
Besonders bevorzugt wird als Reaktionsmasse eine durch eine UV-Strahlung initiiert härtbare Reaktionsmasse verwendet. Das Härten der Tropfen wird dabei entsprechend durch Beaufschlagen mit UV-Strahlung initiiert, was wiederum zweckmäßigerweise während des Aufbringens der Tropfen auf die Grenzfläche geschieht.It is particularly preferred to use a reaction mass which is initiated by a UV radiation and is curable. The hardening of the drops is initiated in this case by applying UV radiation, which in turn advantageously takes place during the application of the drops to the interface.
Eine UV-initiiert härtbare Reaktionsmasse hat gegenüber einer Reaktionsmasse, die durch Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich initiiert härtbar ist, den Vorteil, daß sie vor dem Aufbringen der Tropfen nicht vor Licht geschützt werden muß, damit eine vorzeitige Initiierung des Härtens vermieden wird.A UV-curable reaction mass has the advantage over a reaction mass, which is curable initiated by radiation from the visible spectral range, that it need not be protected from light before applying the drops, so that premature initiation of curing is avoided.
Mittels elektromagnetischer Strahlung können die Tropfen durchstrahlt werden, wodurch eine Initiierung der Härtung in dem gesamten Volumen des Tropfens im wesentlichen gleichzeitig erfolgt, wogegen bei einer Initiierung durch Wärmezufuhr diese zuerst am Außenbereich des Tropfens erfolgt. By means of electromagnetic radiation, the drops can be irradiated, whereby an initiation of the curing in the entire volume of the drop takes place substantially simultaneously, whereas at an initiation by heat supply, this first takes place at the outer area of the drop.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Polymermasse eine Harzmasse, bevorzugt eine Epoxidharzmasse verwendet.In a preferred embodiment, the polymer composition used is a resin composition, preferably an epoxy resin composition.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet ein Heizen der Bauelement-Grundform vor dem Aufbringen und Härten der Tropfen, so daß die Grenzfläche eine erhöhte Temperatur aufweist. Bevorzugt wird die Grenzfläche auf eine Temperatur zwischen einschließlich 60°C und einschließlich 130°C erwärmt. Durch die erhöhte Temperatur der Grenzfläche wird das Härten der Tropfen insbesondere ab deren Auftreffen auf der Grenzfläche beschleunigt.A particularly advantageous embodiment of the method involves heating the device base mold prior to applying and curing the drops so that the interface has an elevated temperature. Preferably, the interface is heated to a temperature between 60 ° C inclusive and 130 ° C inclusive. Due to the increased temperature of the interface, the hardening of the drops is accelerated, in particular from their impact on the interface.
Zweckmäßigerweise umfaßt die Bauelement-Grundform ein für die Bauelementstrahlung durchlässigen Verguß, mit dem der optoelektronische Sender beziehungsweise Empfänger verkapselt ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Grenzfläche der Bauelement-Grundform durch eine Oberfläche des Vergusses gebildet.Expediently, the component basic form comprises a potting permeable to the component radiation, with which the optoelectronic transmitter or receiver is encapsulated. In this embodiment, the interface of the component basic shape is formed by a surface of the potting.
Die Koppelelemente werden zweckmäßigerweise mit einer mittleren Ausdehnung zwischen einschließlich 50 μm und einschließlich 500 μm gebildet. Unter Ausdehnung ist in diesem Zusammenhang die Länge eines auf eine Gerade projizierten Koppelelementes zu verstehen, wobei die Gerade in einer Haupterstreckungsebene der Grenzfläche verläuft. Die mittlere Ausdehnung ist demnach die über alle Richtungen gemittelte Ausdehnung eines Koppelelementes.The coupling elements are advantageously formed with a mean extent between 50 microns inclusive and including 500 microns. Expansion in this context means the length of a coupling element projected onto a straight line, the straight line extending in a main plane of extension of the boundary surface. The mean extent is therefore the average over all directions expansion of a coupling element.
Besonders bevorzugt werden die Koppelelemente mit einer linsenartigen Form gebildet, was eine Auskopplung beziehungsweise Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung begünstigt.Particularly preferably, the coupling elements are formed with a lenticular shape, which favors a coupling or coupling of electromagnetic radiation.
Als Polymermasse wird vorzugsweise ein Epoxidharz mit einem Diglycidylether von Bisphenol A als Hauptbestandteil und einem Kationen freisetzenden Photoinitiator verwendet. Mit besonderem Vorteil wird hierfür ein Epoxidharz eingesetzt, das folgende in Gewichtsprozent angegebenen Bestandteile umfaßt:
80 bis 99% Di- und mehrfunktionelle Epoxidharze
0 bis 10% monofunktionelles Epoxidharz
0–19% Vinylether
0–10% aliphatischer oder cycloaliphatischer Alkohol
0–5% Haftvermittler
0,1–5% Photoinitiator für kationisch initiierte Härtung.As the polymer composition, an epoxy resin having a diglycidyl ether of bisphenol A as a main component and a cation-releasing photoinitiator is preferably used. With particular advantage, an epoxy resin is used for this purpose, which comprises the following components stated in percent by weight:
80 to 99% di- and polyfunctional epoxy resins
0 to 10% monofunctional epoxy resin
0-19% vinyl ether
0-10% aliphatic or cycloaliphatic alcohol
0-5% adhesion promoter
0.1-5% photoinitiator for cationic initiated cure.
Eine Zusammensetzung der Polymermasse ist vorteilhafterweise derart ausgewählt, daß sie eine ausreichend hohe Glasübergangstemperatur von 100°C und mehr aufweist.A composition of the polymer composition is advantageously selected such that it has a sufficiently high glass transition temperature of 100 ° C and more.
Bevorzugt ist die Polymermasse optisch an ein Material angepaßt, auf dem die Koppelelemente angeordnet sind. Der Brechungsindex der gehärteten Polymermasse kann mehr als 1,5 aufweisen.Preferably, the polymer composition is optically adapted to a material on which the coupling elements are arranged. The refractive index of the cured polymer composition may be more than 1.5.
Alle im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das derart hergestellte Bauelement.All embodiments and advantages described in connection with the method also apply to the component produced in this way.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus dem in folgenden in Verbindung mit den
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the exemplary embodiments and figures, the same or equivalent components are each provided with the same reference numerals.
Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale. Rather, some details of the figures are exaggerated for clarity.
In
Die Bauelement-Grundformen
Der Tropfenspender
Das Öffnungsventil
Als Epoxidharz wird beispielsweise ein UV-initiiert kationisch härtbares Epoxidharz verwendet, das Zusammensetzungen mit den folgenden in Gewichtsteilen (ppw) angegebenen Bestandteilen aufweisen kann:
Mit dem Epoxidharz werden Koppelelemente
Eine Modifikation beinhaltet die Zugabe einer bestimmten Menge an Vinylethern, mit deren Hilfe die Anhärtezeit der Tropfen weiter verkürzt werden kann. Darüber hinaus ist im Sinne der Erfindung eine Zugabe weiterer Stoffe möglich, solange das Epoxidharz oder im allgemeineren Fall das Polymer strahlungsdurchlässig und härtbar bleibt. So kann z. B. ein Lumineszenz-Konversionsmaterial in der Polymermasse enthalten sein.One modification involves the addition of a certain amount of vinyl ethers, with the help of which the hardening time of the drops can be further shortened. In addition, according to the invention, it is possible to add further substances, as long as the epoxy resin or, in the more general case, the polymer remains permeable to radiation and curable. So z. For example, a luminescence conversion material may be included in the polymer composition.
Geeignete Lumineszenz-Konversionsmaterialien, wie etwa ein YAG:Ce Pulver, sind z. B. in der
Die Harzzusammensetzung kann innerhalb von etwa einer Sekunde oder kürzer anhärtbar sein und zeigt nach vollständiger Aushärtung eine ausreichende Haftfestigkeit. Sie übersteht Lötbadbedingungen schadlos und ohne Verminderung der thermomechanischen Eigenschaften der Koppelelemente.The resin composition may be curable within about one second or less and exhibits sufficient adhesive strength after complete cure. It survives solder bath conditions without damage and without reducing the thermo-mechanical properties of the coupling elements.
Die Tropfen
Beim Auftreffen der Topfen
Die freie Fläche der Koppelelemente
Nachfolgend können die elektrisch leitenden Anschlüsse
In
Das Einkapselungsmaterial
Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels auf dieses beschränkt. Beispielsweise kann die Grenzfläche
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