DE10023353A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur HerstellungInfo
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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.
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 |
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.
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.
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.
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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