DE10023353A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung

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Abstract

Zum Befestigen einer optischen Linse über einem optoelektronischen Sender oder Empfänger wird vorgeschlagen, ein UV- oder lichtinitiiert-kationisch härtendes Epoxidharz zu verwenden, mit dessen Hilfe die Klebestelle innerhalb weniger Sekunden angehärtet und damit fixiert werden kann. Außerdem werden flüssig applizierbare Harzzusammensetzungen zur Verwendung als Klebstoff vorgeschlagen, die optisch angepaßt und für die dauerhafte sichere Verwendung in optoelektronischen Bauelementen und für deren Großserienfertigung optimiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einem Trägerkörper, auf dem ein optoelektronischer Sender oder Empfänger angeordnet ist, mit einer über dem Sender oder Empfänger aufgebrachten und diesen verkapselnden transparen­ ten Schicht und mit einem über der transparenten Schicht an­ geordneten optischen Element.
Ein solches Bauelement ist beispielsweise aus der DE 197 55 734 A1 bekannt. Dort ist ein SMD-montierbares optoelektronisches Bauelement beschrieben, welches auf einem mit einer Ausneh­ mung versehenen Trägerkörper aufgebaut ist. Der optoelektro­ nische Sender oder Empfänger ist in der Ausnehmung angeordnet und mit einer optisch angepaßten transparenten Kunststoff­ schicht verkapselt. Über der transparenten Kunststoffschicht und in direktem Kontakt mit dieser ist als optisches Element eine Linse angeordnet, mit deren Hilfe der Lichteinfall oder die Lichtabstrahlung des Bauelements kontrolliert wird. Für die Kunststoffschicht wird eine transparente Vergußmasse ver­ wendet, wobei die Linse vor dem vollständigen Aushärten die­ ser Vergußmasse auf die Kunststoffschicht aufgesetzt wird. Beim Aushärten der Vergußmasse entsteht sowohl ein guter op­ tischer Kontakt als auch eine gute Haftung zwischen der Kunststoffschicht und der optischen Linse.
Nachteilig an dieser Lösung ist, daß eine genaue Ausrichtung der Linse nur schwierig möglich ist und daß die Linse während des Aushärtens relativ zum Grund- oder Trägerkörper fixiert werden muß. Da diese Fixierung während der gesamten Aushärte­ zeit, die je nach verwendetem Kunststoff bis zu mehreren Mi­ nuten und Stunden erfordern kann, aufrechterhalten werden muß, erschwert dies die Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein opto­ elektronisches Bauelement anzugeben, bei dem ein optisches Element wie zum Beispiel Linse einfach und sicher ausgerich­ tet und fixiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement der eingangs genannten Art mit Hilfe der Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zum passgenauen Verkleben gehen aus weiteren An­ sprüchen hervor.
Die Erfindung schlägt vor, das optische Element mit Hilfe der Klebstoffschicht aus einem einkomponentigen Harz auf einer transparenten Schicht aufzukleben. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, die als transparente Schicht verwendete Kunststoffschicht unabhängig vom optischen Element auszuhär­ ten und gegebenenfalls deren Oberfläche zu behandeln. Das einkomponentige Harz der Klebstoffschicht ermöglicht ein ein­ faches Aufbringen des optischen Elements auf der transparen­ ten Schicht.
Vorzugsweise wird als Klebstoffschicht ein UV- oder licht­ initiiert kationisch gehärtetes Epoxidharz eingesetzt. Harze mit diesem Härtungsmechanismus haben den Vorteil, daß sie in einem schnellen Licht- oder UV-initiiert angeregten Prozeß in eine Gelphase übergehen, die bereits eine Vorfixierung er­ laubt. Beim Einsatz eines solchen Harzes als Klebstoff wird also eine schnelle Fixierung der zu verklebenden Teile ermög­ licht. Eine vollständige Aushärtung der bereits vorfixierten Teile kann dann in einem weiteren Schritt ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen wie etwaige Fixierungen erfolgen.
Die Anhärtung kann dabei innerhalb weniger Sekunden erfolgen. Möglich ist es sogar, die Anhärtung nur mit Hilfe eines Licht- oder UV-Blitzes anzuregen. Dies ist ausreichend, die zu verklebenden Teile so fest zu fixieren, daß während der vollständigen Aushärtung, die zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt stattfinden kann, die Ausrichtung der zu verkleben­ den Teile relativ zueinander erhalten bleibt. Damit ist eine schnelle und exakte Fixierung der zu verklebenden Teile mög­ lich, was insbesondere bei optischen Systemen wichtig ist.
Die schnelle Anhärtung des kationisch härtenden Harzes hat den weiteren Vorteil, daß sie bei einer beliebigen Temperatur durchgeführt werden kann, die im Hinblick auf die spätere Verwendung der Verklebung und insbesondere im Hinblick auf die spätere Betriebstemperatur des optoelektronischen Bauele­ ments ausgewählt sein kann. Bevorzugt wird die strahlenindu­ zierte Vorhärtung der Klebstoffschicht bei möglichst niedri­ gen Temperaturen durchgeführt, insbesondere bei Temperaturen bis 60°C. Auf diese Weise können thermische Spannungen ver­ mieden werden, die durch thermische Ausdehnung bei der Här­ tung bei erhöhter Temperatur in die Klebestelle eingebracht sein können. Eine spannungsreduzierte Verklebung zeichnet sich außerdem durch eine erhöhte Stabilität aus, und läßt sich in reproduzierbarer Weise herstellen. Gegebenenfalls von einer vorhandenen thermomechanischen Verspannung abhängige Materialeigenschaften können so konstant und reproduzierbar eingestellt werden. Dadurch kann auch die vollständige Här­ tung zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt durchgeführt wer­ den.
Der chemische und geometrische Aufbau der Klebstoffschicht ist außerdem so gewählt, daß die Klebstoffschicht unter Tem­ peratur-, Feuchte- und Strahlenbelastung, die bei dem opto­ elektronischen Bauelement in verstärkter Weise zu berücksich­ tigen ist, weder vergilbt, noch eintrübt und sich in ihren mechanischen sowie mechanischen Eigenschaften verschlechtert. Damit ist auch gewährleistet, daß weder die Lichtausbeute herabgesetzt, noch die Abstrahlcharakteristik des optoelek­ tronischen Bauelements verändert wird. Auch die mechanische Festigkeit der Klebstoffschicht wird über die genannten Bela­ stungen nicht reduziert. Es kann damit sichergestellt erden, daß die Funktionstüchtigkeit bei der Herstellung, Qualifizierung und während der gesamten Betriebszeit bzw. Lebensdauer von bei LEDs üblichen zehn Jahren gewährleistet wird. Die Klebstoffschicht und damit das optoelektronische Bauelement bzw. die LED bestehen die anspruchsvollen Qualifizierungsan­ forderungen für den Automobilbereich.
Durch geeignete Auswahl der Harzkomponenten ist es außerdem möglich, ein Harz mit ausreichend hoher Glasübergangstempera­ tur TG von beispielsweise 120°C und mehr zu erhalten. Dies garantiert einen sicheren Betrieb des mit diesem Harz ver­ klebten Bauelements bei Betriebstemperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur. Diese hohe TG bleibt auch über die Lebensdauer des Bauelements erhalten, ohne sich unter Tempe­ ratur-, Licht- oder Feuchtebelastung zu reduzieren.
Nach vollständiger Aushärtung des Harzes zeigt dieses keiner­ lei optische Inhomogenitäten, weder Lufteinschlüsse noch Cracks, Risse oder etwa eine Delamination. Der Klebstoff und damit auch die Klebeverbindung ist ausreichend temperatursta­ bil und übersteht Lötbadbedingungen, welche für die SMD- Montage des SMD-Bauelemenst erforderlich sind, schadlos und ohne Funktionsstörungen.
Die ausgehärtete Klebstoffschicht kann auf einen Brechungsin­ dex nD von mehr als 50 eingestellt werden. Damit ist sie op­ tisch optimal an die bevorzugt verwendeten optischen Press­ massen angepaßt, die bevorzugt für das optische Element ver­ wendet werden.
Beim Verkleben transparenter Teile, wie bei der vorliegenden Erfindung, gelingt es, bei der Bestrahlung mittels UV oder sichtbarem Licht durch die zu verklebenden Teile hindurch das gesamte Klebstoffschichtvolumen zu erfassen, so daß eine überall gleichmäßig einsetzende (An-)Härtung erfolgt. Dies ist bereits bei geringem Bestrahlungsleistungen von weniger als 100 mW/cm2 erreichbar.
Das Harz kann rheologisch so angepaßt werden, daß eine Mikro­ dosierung bei 60°C mit Dosiertoleranzen von < +/-3% möglich ist, so daß die Klebstoffschicht in einer dünnen Schichtdicke von beispielsweise bis zu 100 µm exakt und reproduzierbar aufgebracht werden kann, wobei gute Klebeigenschaften der Klebeverbindung erhalten werden. Das Klebeverfahren ist so ausgelegt, daß es in großmaßstäblicher hochautomatisierter Fertigung mit hohen Durchsatzzahlen durchführbar ist. Dies wird insbesondere durch die schnellen Anhärtezeiten erreicht, mit der sich die Linse auf der Kunststoffschicht fixieren läßt.
Für das erfindungsgemäße Bauelement findet bevorzugt ein flüssig applizierbares Epoxidharzsystem Verwendung, welches die folgende in Gewichtsprozent angegebene allgemeine Zusam­ mensetzung aufweisen kann:
Di- und mehrfunktionelles Epoxidharz 80-99%
Monofunktionelles Epoxidharz (Reaktivverdünner, Monoglycidylether) 0-10%
(Poly-)Vinylether 0-20%
Aliphatischer oder cycloaliphatischer Alkohol 0-10%
Haftvermittler (Organofunktionelle Alkoxy-Siloxane) 0-5%
Verlaufshilfsmittel, vorzugsweise auf Silikon- oder Acrylatbasis 0-1%
Entlüfter, vorzugsweise auf Silikon- oder Acrylatbasis 0-1%
Katalysator für UV-initiiert kationische Härtung 0,1-2%
Als Photoinitiator für die kationische Härtung wird bei­ spielsweise UVI6974 (CIBA SC) eingesetzt. Für die spätere thermische Härtung können noch Initiatoren für eine katio­ nisch initiiert thermische Härtung eingesetzt werden. Bevor­ zugt werden dabei Halonium- und Oniumsalzes des Schwefels (Sulfoniumsalze) eingesetzt. Ein geeigneter thermische In­ itiator ist z. B. S-Benzylthiolaniumhexafluorantimonat (Aldrich).
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Verkle­ ben transparenter Teile für das optoelektronische Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt in nur schematischer und nicht detailgenauer Darstellung ein optoelektronisches Bauelement im Querschnitt.
Der Grundkörper für das Bauelement wird durch Umspritzen ei­ nes Leiterbandes 2 mit einem Hochtemperaturthermoplast unter Herausbildung eines Gehäuses 3 gebildet. Das Gehäuse weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, in der der optische Sender oder Empfänger angeordnet und mit dem Leiterband, aus dem die SMD-fähigen Kontakte hergestellt sind, elektrisch verbunden wird. Die Ausnehmung im Gehäuse weist vorzugsweise schräge Seitenflächen 4 auf, die daher als Reflektor für das opto­ elektronische Bauelement dienen können.
Nach der Montage und Kontaktierung des optischen Senders oder Empfängers 1 in der Ausnehmung wird diese mit einer fließfä­ higen Vergußmasse befüllt, und diese anschließend zu einer den Sender oder Empfänger verkapselnden Kunststoffschicht 5 ausgehärtet. Auf die Kunststoffschicht 5 wird anschließend eine dünne Schicht 6 eines UV-initiiert-kationisch härtenden Epoxidharzes in einer Schichtdicke von beispielsweise 90 µm aufgebracht. Auf diese Harzschicht 6, die die spätere Klebe­ schicht bildet, wird anschließend die als optisches Element die optische Linse 7 aufgesetzt, ausgerichtet und gegebenen­ falls in der exakten Position kurz fixiert.
Auf der Fügeseite kann die Linse oder allgemein das optische Element eine nicht dargestellte Oberflächentopologie aufwei­ sen, die von einer planen Fläche abweicht. Dies kann insbesondere eine definierte Rauhigkeit oder Welligkeit sein. Die Fügefläche kann auch Strukturen aufweisen, die eine bessere mechanische Verzahnung der zu verklebenden Oberflächen ermög­ lichen. Dies können Zapfen oder ähnliches sein. Auch eine im Querschnitt sägezahnartige Topologie ist möglich.
Zur Ausrichtung der zu verklebenden Teile in exaktem und re­ produzierbaren Abstand voneinander ist es vorteilhaft, Ab­ standselemente oder Spacer zwischen den Fügeflächen anzuord­ nen. Diese können Teil einer der Fügeflächen sein.
Die Linse selbst kann zur gezielten Einstellung der Abstrahl­ charakteristik neben der dargestellten konvexen Geometrie au­ ßerdem eine planparallele oder eine konkave Abstrahlfläche sowie unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
Nach der Ausrichtung wird die gesamte Anordnung für kurze Zeit von oben einer UV-Strahlung ausgesetzt, beispielsweise einem UV-Blitz. Nach wenigen Sekunden, insbesondere nach ei­ ner Zeitdauer von 0,1 bis 5 Sekunden ist die optische Linse 7 ausreichend auf der Kunststoffschicht 5 fixiert und die Kleb­ stoffschicht 6 ausreichend angehärtet.
In einem zweiten Schritt wird die Klebeschicht 6 anschließend vollständig ausgehärtet, beispielsweise zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 120°C.
Für das erfindungsgemäß verwendete UV-initiiert-kationisch härtende Epoxidharz werden folgende in Gewichtsteilen (ppw) angegebene Zusammensetzungen gewählt.
Beispiel a)
Bisphenol-A-Epoxidgießharz, GY260 88,9 ppw
Epoxynovolak D. E. N. 438 10,9 ppw
Tego-DF48 (Haftvermittler) 0,4 ppw
Initiator UVI6974 1,0 ppw
Beispiel b)
Bisphenol-A-Epoxidgießharz GY260 88,9 pbw
Epoxynovolak D. E. N. 438 10,0 pbw
BYKA506 0,4 pbw
Intiator UV16974 0,7 pbw
Mit den beiden Epoxidharzzusammensetzungen a und b werden op­ toelektronische Bauelemente mit Klebeschichten erhalten, die unter den möglichen Einsatzbedingungen des Bauelements gegen Temperatur-, Feuchte- und Strahlenbelastung so stabil sind, daß sie weder eine Vergilbung, Eintrübung oder sonstige Ver­ änderung aufweisen, die die Lichtausbeute herabsetzen oder die Abstrahlcharakteristik verändern könnten. Die Harzzusam­ mensetzungen sind innerhalb weniger Sekunden anhärtbar und zeigen nach vollständiger Aushärtung eines ausreichend Haft­ festigkeit. Sie überstehen Lötbadbedingungen von 3 × 260°C schadlos und ohne Verminderung der thermomechanischen Eigen­ schaften der Klebstoffschicht.
Eine weitere, nicht in den Ausführungsbeispielen beschriebene Modifikation betrifft die Zugabe einer bestimmten Menge an Vinylethern, mit deren Hilfe die Anhärtzeit weiter verkürzt werden kann. Damit ist es möglich, die Anhärtung zu beschleu­ nigen und damit den Durchsatz bei der Herstellung der opto­ elektronischen Bauelemente weiter zu erhöhen. Die übrigen Be­ standteile können außerdem so ausgewählt sein, daß sie opti­ mal optisch an die Kunststoffschicht angepaßt sind, so daß keine optischen Verluste beim Übergang von der Kunststoff­ schicht in die Klebstoffschicht oder beim Übergang von der Klebstoffschicht in die Linse in Kauf genommen werden müssen.

Claims (13)

1. Optoelektronisches Bauelement
mit einem Trägerkörper, auf dem ein optoelektronischer Sender oder Empfänger angeordnet ist,
mit einer, über dem Sender oder Empfänger aufgebrachten und diesen verkapselnden transparenten Schicht,
mit einem über der transparenten Schicht angeordneten op­ tischen Element
dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element mit einer Klebstoffschicht aus einem einkomponentigen Harz auf die transparente Schicht aufgeklebt ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Klebstoffschicht ein UV- oder Licht-initiiert kationisch gehärtetes Epoxidharz ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Klebstoffschicht eine Glasübergangstemperatur von mehr als 100°C aufweist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-3, mit einer an die transparente Schicht optisch angepaßten Klebstoffschicht.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem transparente Schicht und optisches Element aus Glas, Polyacrylat, Polyurethan oder Epoxidharzformstoff bestehen.
6. Verfahren zum paßgenauen Verkleben transparenter Teile optoelektronischer Bauelemente mit den Schritten:
Auftragen einer dünnen Harzschicht eines kationisch in­ itiiert härtbaren Epoxidharz auf eine Oberfläche eines der zu verklebenden transparenten Teile
Aufsetzen und Ausrichten eines weiteren transparenten Teils auf die Harzschicht
Beaufschlagung mit UV oder Licht-Strahlung zur Anhärtung der Harzschicht
Vollständiges Aushärten der Harzschicht bei erhöhter Tem­ peratur.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Beaufschlagung mit UV Strahlung für weniger als 5 s bei einer Bestrahlungsleistung von weniger als 100 mW/cm2 erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Beaufschlagung mit UV Strahlung durch einen UV-Blitz und die Aushärtung bei Temperaturen oberhalb 120°C erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, bei dem für die Harzschicht ein Epoxidharz mit einem Diglycidylether von Bisphenol A als Hauptbestandteil und einem Kationen freisetzenden Photoinitiator eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Epoxidharz eingesetzt wird, das folgende in Gewichtsprozent angegebene 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.
11. Verwendung eines kationisch initiiert härtbaren Epoxid­ harzes mit einem Diglycidylether von Bisphenol A als Hauptbestandteil zum positionsgenauen Verkleben transpa­ renter Teile optoelektronischer Bauelemente mit weiteren optischen Elementen wie Spiegeln oder Linsen.
12. Verwendung nach Anspruch 11 zur zuverlässigen Verklebung folgender Materialkombinationen von Fügepartnern: Kunst­ stoff/Kunststoff, Kunststoff/Glas, Glas/Glas.
13. Verwendung nach Anspruch 11 zur funktionssicheren Verkle­ bung SMD fähiger optoelektronischer Bauelemente für den Automobilbereich.
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