DE102004014355B4

DE102004014355B4 - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements durch Ur- und Umformen

Info

Publication number: DE102004014355B4
Application number: DE102004014355A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Kamp
Original assignee: Odelo GmbH
Current assignee: ODELO GMBH, 71409 SCHWAIKHEIM, DE
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: DE102004014355A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Varianten der Bauelementgestalt eines optoelektronischen Bauelements,
– wobei durch Urformen ein Bauelementgrundkörper (20) erzeugt wird,
– wobei der Bauelementgrundkörper (20) in ein Umformwerkzeug eingesetzt wird,
– wobei der Bauelementgrundkörper (20) in einen Bauelementkörper (30) umgeformt wird,
– wobei beim Umformen die die optischen Abstrahleigenschaften bestimmende geometrische Gestalt des optoelektronischen Bauelements erzeugt wird und
– wobei beim Umformen die Masse des Bauelementgrundkörpers (20) verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
Aus der DE 101 59 522 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bekannt. Optoelektronische Bauelemente werden hergestellt, indem z. B. um einen lichtemittierenden Halbleiterchip herum ein Bauelementkörper erzeugt wird. Der Bauelementkörper bestimmt weitgehend die optischen Abstrahleigenschaften des optoelektronischen Bauelements. Bei der Herstellung des optoelektronischen Bauelements wird daher das genaue Abstrahlverhalten maßgeblich durch die Gestalt des Bauelementkörpers definiert. Wird der Bauelementkörper mittels eines Urformverfahrens hergestellt, ist für jede Gestalt des optoelektronischen Bauelements ein eigenes, hochwertiges und teures Werkzeug erforderlich. Beispielsweise beim Bonden, in der Werkzeugtechnologie, beim Urformprozess, etc., sind für jede Bauelementgestalt die zur Erzielung der optischen Abstrahleigenschaften erforderlichen besonderen Anforderungen zu berücksichtigen und jeweils geeignete Werkzeuge und Herstellungsprozesse zu entwickeln.
Aus der DE 101 35 190 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lumineszenzdiode bekannt, bei der eine Vergussmasse in eine Gießform eingebracht wird und die Oberfläche der Vergussmasse in der Gießform mit Hilfe einer Prägevorrichtung geprägt wird. Die Durchlaufzeit an dieser Arbeitsstation wird durch die Dauer des Vergießens und des Prägens bestimmt. Erst nach der Entnahme der fertigen Lumineszenzdiode kann ein neuer Halbleiterchip eingelegt werden. Soll die Oberfläche einer Lumineszenzdiode eine andere Gestalt erhalten, muss die Gießform zum Umrüsten stillgesetzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein Herstellungsverfahren für optoelektronische Bauelemente zu entwickeln, das kostengünstig die Herstellung einer Vielzahl von Varianten der Bauelementgestalt ermöglicht.
Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.
Dazu wird durch Urformen ein Bauelementgrundkörper erzeugt. Der Bauelementgrundkörper wird in ein Umformwerkzeug eingesetzt. Anschließend wird der Bauelementgrundkörper in einen Bauelementkörper umgeformt.
Beim Umformen wird die die optischen Abstrahleigenschaften bestimmende geometrische Gestalt des optoelektronischen Bauelements erzeugt. Beim Umformen wird die Masse des Bauelementgrundkörpers verringert.
Bei der Herstellung des Bauelementgrundkörpers mittels des Urformens werden bereits die Werkstoff- und verfahrensspezifischen Anforderungen z. B. an das Bonden, die Werkzeugtechnologie, die Prozesstechnologie etc. berücksichtigt. Die hierfür erforderlichen Werkzeuge und die Prozessteuerung brauchen nur einmal entwickelt zu werden. Die Urform und der Urformprozess können kostenmäßig und prozesstechnisch optimiert werden. Beim anschließenden Umformprozess sind die gefährdeten Bauteile des optoelektronischen Bauelements, wie z. B. der lichtemittierende Chip, der Bonddraht etc. bereits gut geschützt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen.
1: Schnitt durch eine Roh-Leuchtdiode mit einem Leuchtdiodengrundkörper;
2: Schnitt durch eine Leuchtdiode mit einer konvexen optischen Linse;
3: Schnitt durch eine Leuchtdiode mit einem kegelstumpfförmigen Leuchtdiodenkörper und einer konvexen optischen Linse;
4: Schnitt durch eine Leuchtdiode mit einer konkaven optischen Linse;
5: Schnitt durch eine Leuchtdiode mit einer Planfläche;
6: Schnitt durch eine Leuchtdiode mit einer konkaven Linse und einer Planfläche.
In den 1 bis 6 ist als optoelektronisches Bauelement eine Leucht- oder Lumineszenzdiode dargestellt. Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine Roh-Leuchtdiode. Die Roh-Leuchtdiode umfasst elektrische Teile (10), beispielsweise einen lichtemittierenden Chip (11) und elektrische Anschlüsse (12), die von einem Leuchtdiodengrundkörper (20) umgeben sind. Der Leuchtdiodengrundkörper (20) besteht z. B. aus einem transparentem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PMMA.
Zur Herstellung der Roh-Leuchtdiode wird der anorganische oder organische lichtemittierende Chip (11) mit den elektrischen Anschlüssen (12) z. B. in eine Spritzgussform eingelegt. Das von der Spritzgussform umschlossene Volumen entspricht zumindest annähernd dem Volumen des späteren Leuchtdiodenkörpers (30), vgl. die 2–6. Das von der Spritzgussform umschlossene Volumen ist z. B. zylinderförmig und weist beispielsweise mehrere abgesetzte Durchmesserbereiche auf. Aufgrund der einfachen Geometrie des von der Spritzgussform um schlossenen Volumens kann ein kostengünstig herzustellendes Spritzgusswerkzeug eingesetzt werden.
Nach dem Schließen der Spritzgussform wird in diese beispielsweise ein Thermoplast z. B. unter hohem Druck bei einer Temperatur zwischen etwa 400 K und etwa 700 K eingespritzt und die Spritzgussform befüllt. Der Einspritzdruck und der Volumenstrom sind so gesteuert, dass beim Einspritzen die empfindlichen elektrischen Teile (10) nicht beschädigt werden. Der in die Spritzgussform eingespritzte Werkstoff erreicht in der gesamten Spritzgussform eine annähernd gleiche Materialstärke. Für die Prozesssteuerung bedeutet dies, dass im Werkstück keine Zonen geringer oder extrem hoher Materialstärke zu berücksichtigen sind. Dementsprechend kann der Spritzgussprozess so optimiert werden, dass ein homogenes Werkstück entsteht. Das Bonden, die Werkzeugtechnologie, die Spritzgusstechnologie und die Prozessführung können auf minimale Herstellungskosten und hohe Prozesssicherheit ausgelegt sein. Die späteren optischen Eigenschaften der Leuchtdiode, z. B. erforderliche Materialanhäufungen, Verjüngungen, Hinterschnitte etc. bleiben in diesem Verfahrensschritt weitgehend unberücksichtigt. Gegebenenfalls kann das Spritzgussverfahren auch in mehreren zeitlich und/oder räumlich getrennten Stufen erfolgen.
Durch dieses Urformverfahren wird in der Spritzgussform der Leuchtdiodengrundkörper (20) erzeugt, vgl. 1. Der Leuchtdiodengrundkörper (20) schützt nun die elektrischen Teile (10) vor Beschädigungen, Feuchtigkeit, physikalischen und/oder chemischen Einflüssen, etc. Er umfasst beispielsweise einen zylinderförmigen Abschnitt (22) mit einer Stirnfläche (23). Der zylinderförmige Abschnitt (22) und die Stirnfläche (23) erfüllen in diesem Ausführungsbeispiel noch keine speziellen Anforderungen an die optischen Eigenschaften der Leuchtdiode.
Die so hergestellte Roh-Leuchtdiode mit dem Leuchtdiodengrundkörper (20) kann nun aus der Spritzgussform entnommen werden oder in der Spritzgussform weiterbearbeitet werden. Gegebenenfalls kann die Roh-Leuchtdiode nach dem Urformen erkalten, auf die wesentlichen optischen und elektrischen Eigenschaften vermessen werden und beispielsweise zwischengelagert werden.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die Roh-Leuchtdiode mit dem Leuchtdiodengrundkörper (20) in ein Umformwerkzeug eingesetzt. Das Umformwerkzeug ist beispielsweise ein Warmumformwerkzeug, z. B. ein Heißprägewerkzeug. Das Umformwerkzeug kann Teil des Urformwerkzeuges sein.
Der Leuchtdiodengrundkörper (20) wird auf eine Temperatur zwischen 60% und 100% der absoluten Schmelztemperatur, z. B. bei PMMA auf eine Temperatur zwischen 410 Kelvin und 445 Kelvin, erhitzt. Der Werkstoff des Leuchtdiodengrundkörpers (20) ist in diesem Temperaturbereich plastisch.
Das Heißprägewerkzeug umfasst z. B. einen Stempel und eine Matrize. Hierbei hat der Stempel beispielsweise eine konkave Innenfläche. Beim Heißprägen wird der Stempel auf die Stirnfläche (23) des Leuchtdiodengrundkörpers (20) aufgesetzt, vgl. 1, und seine Innenfläche auf dem Leuchtdiodengrundkörper (20) abgebildet. Gegebenenfalls wird bei diesem Verfahrensschritt ein aufgeheizter Stempel und eine gekühlte Matrize eingesetzt. Hierbei wird der Leuchtdiodengrundkörper (20) – unter weitgehender Beibehaltung seiner Dichte – derart umgeformt, dass er z. B. die Gestalt des in 2 dargestellten Leuchtdiodenkörpers (30) erhält. Beim Umformen kann die Masse des Leuchtdiodengrundkörpers (20) verringert werden. Überschüssiger Werkstoff wird dann beispielsweise aus dem Werkzeug verdrängt.
Die in der 2 im Schnitt dargestellte Leuchtdiode umfasst einen Leuchtdiodenkörper (30), der einen Sockel (21), einen zylindrischen Abschnitt (32) und einen halbkugelförmigen Abschnitt (33) aufweist. Der Werkstoff des Leuchtdiodenkörpers (30) ist homogen. Die elektrischen Teile (10) sind gut geschützt. Beim Umformen des Leuchtdiodengrundkörpers (20) in den Leuchtdiodenkörper (30) werden sie nicht beschädigt. Auch ihre Lage in der Leuchtdiode bleibt z. B. weitgehend unverändert.
Die Leuchtdiode mit dem Leuchtdiodenkörper (30) kann nach dem Umformen aus dem Werkzeug entnommen werden. Der Leuchtdiodenkörper (30) mit dieser geometrischen Gestalt ist wiederholbar mit geringer geometrischer Form- und Lagetoleranz herstellbar. Die Leuchtdiode mit dem Leuchtdiodenkörper (30) kann so die hohen Anforderungen an die optischen Abstrahleigenschaften der Leuchtdiode erfüllen.
Beim Betrieb der Leuchtdiode wird vom lichtemittierenden Chip (11) emittiertes Licht beim Austritt aus dem optisch dichten Leuchtdiodenkörper (30) in die optisch dünne Umgebung (1) vom Lot auf die Grenzfläche (35) weg gebrochen. Der halbkugelförmige Abschnitt (33) wirkt beim Betrieb der Leuchtdiode als Sammellinse. Die beim Umformen erzeugte geometrische Gestalt des Leuchtdiodenkörpers (30) bestimmt somit die optischen Abstrahleigenschaften der Leuchtdiode.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch eine Leuchtdiode, deren Leuchtdiodenkörper (30) den Sockel (21), einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (36), und einen kugelabschnittsförmigen Abschnitt (37) umfasst.
Zur Herstellung dieser Leuchtdiode wird zunächst die in der 1 dargestellte Roh-Leuchtdiode mit dem Leuchtdiodengrundkörper (20) durch Urformen erzeugt. Der Leuchtdiodengrundkörper (20) wird dann in einem Umformwerkzeug in den in der 3 dargestellten Leuchtdiodenkörper (30) umgeformt. Bei diesem Umformen erhält die Leuchtdiode die geometrische Gestalt, die ihre optischen Abstrahleigenschaften bestimmt. Die Dichte des Leuchtdiodenkörpers (30) ist zumindest annähernd gleich der Dichte des Leuchtdiodengrundkörpers (20), der in der 1 dargestellt ist.
Die kegelförmige Gestalt des in der 3 dargestellten Leuchtdiodenkörpers (30) erleichtert beispielsweise die Entnahme der fertigen Leuchtdiode aus der Form. Beim Betrieb der Leuchtdiode wirkt der kugelabschnittsförmige Abschnitt (37) z. B. als Sammellinse.
Die 4 zeigt einen Schnitt durch eine Leuchtdiode, deren Leuchtdiodenkörper (30) eine Streulinse (38) umfasst. Zur Herstellung dieser Leuchtdiode wird, wie in den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen, zunächst eine Roh-Leuchtdiode mit einem Leuchtdiodengrundkörper (20) z. B. in einer Spritzgussform erzeugt, vgl. 1. Durch Umformen des Leuchtdiodengrundkörpers (20) mittels eines z. B. konvexen Umformstempels wird der in der 4 dargestellte Leuchtdiodenkörper (30) erzeugt.
Weitere Ausführungsbeispiele von Leuchtdioden, die aus der in der 1 dargestellten Roh-Leuchtdiode mit einem Leuchtdiodengrundkörper (20) durch Umformen erzeugt werden, zeigen die 5 und 6. Die in der 5 gezeigte Leuchtdiode strahlt z. B. durch eine Planfläche (39) Licht ab. Die in der 6 dargestellte Leuchtdiode umfasst als Lichtaustrittsfläche eine Planfläche (39), die eine Streulinse (38) umgibt.
Beim Umformen des Leuchtdiodengrundkörpers (20) können beliebige geometrische Gestalten des Leuchtdiodenkörpers (30) erzeugt werden. So können z. B. in die Stirnfläche (23) des Leuchtdiodengrundkörpers (20) mittels des Umformwerkzeuges optische Strukturen eingeprägt werden. Dies sind z. B. Einkerbungen, Gitterstrukturen, Schuppenstrukturen, Freiformflächen, diffraktive Optiken, etc. Diese Strukturen bestimmen dann die optischen Abstrahleigenschaften der Leuchtdiode.
Das Umformen des Leuchtdiodengrundkörpers (20) in den Leuchtdiodenkörper (30) kann auch in mehreren zeitlich und/oder räumlich versetzen Schritten erfolgen. So kann beispielsweise in einem ersten Umformschritt aus dem in der 1 dargestellten Leuchtdiodengrundkörper (20) der in der 5 dargestellte Leuchtdiodenkörper (30) erzeugt werden. In einem zweiten Umformschritt wird dann z. B. in die Planfläche (39) ein optisches Gitter eingeprägt.
Das beschriebene Verfahren kann auch zur Herstellung einer Chip-on-board-Leuchtdiode, einer SMD-Leuchtdiode, etc. eingesetzt werden.
Außer als Leuchtdiode kann das optoelektronische Bauelement auch als Laserdiode, Photodetektor, Optokoppler, etc. ausgeführt sein.

1: Umgebung
5: optische Achse
10: elektrische Teile
11: lichtemittierender Chip
12: elektrische Anschlüsse
20: Bauelementgrundkörper, Leuchtdiodengrundkörper
21: Sockel
22: zylinderförmiger Abschnitt
23: Stirnfläche
30: Bauelementkörper, Leuchtdiodenkörper
32: zylindrischer Abschnitt
33: halbkugelförmiger Abschnitt
35: Grenzfläche
36: kegelstumpfförmiger Abschnitt
37: kugelabschnittsförmiger Abschnitt
38: Streulinse
39: Planfläche

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Varianten der Bauelementgestalt eines optoelektronischen Bauelements, – wobei durch Urformen ein Bauelementgrundkörper (20) erzeugt wird, – wobei der Bauelementgrundkörper (20) in ein Umformwerkzeug eingesetzt wird, – wobei der Bauelementgrundkörper (20) in einen Bauelementkörper (30) umgeformt wird, – wobei beim Umformen die die optischen Abstrahleigenschaften bestimmende geometrische Gestalt des optoelektronischen Bauelements erzeugt wird und – wobei beim Umformen die Masse des Bauelementgrundkörpers (20) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelementgrundkörper (20) durch Spritzgießen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelementgrundkörper (20) ohne signifikante Dichteänderung in den Bauelementkörper (30) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauelementgrundkörpers (20) ein Thermoplast ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelementgrundkörper (20) mittels eines Heißprägeverfahrens umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelementgrundkörper (20) beim Umformen eine Temperatur hat, die zwischen 60% und 100% seiner absoluten Schmelztemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen eine optische Struktur in die Oberfläche des Leuchtdiodengrundkörpers (20) eingeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur eine Freiformfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur ein diffraktives optisches Element umfasst.