光學元件，含有該元件的光電器件及其制備的制作方法

專利名稱：光學元件，含有該元件的光電器件及其制備的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學元件，含有該元件的光電器件及其制備方法。
背景技術：
對于用于光電器件，例如Radial-LED, Smard(Smart)-LED或Chip-LED的燒注材料，用于光電器件如SMT-LED或者光學元件例如透鏡的殼體材料，常常需要相應的材料是耐焊接的。因此如今使用填充有玻璃纖維和/或礦物質的高溫塑料，它們很貴，并且只能用特定的注塑方法在高溫下進行加工。可以使用熱固性塑料如環氧聚合物或硅酮用于光電器件的外殼或光學元件，不過這些塑料很難成型。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種能減小上述缺點的光學元件。根據本發明，該目的是通過根據權利要求I的光學元件實現的。其它權利要求的主題是該光學元件其它有利的技術方案以及含有該元件的光電器件及其制備。本發明的主題是一種具有確定形狀的光學元件，其包含-在成型期間或之后交聯的熱塑性材料。本發明的光學元件的優點在于，可以使用標準熱塑性材料，由于其是熱塑性的而且在其工作溫度之上具有流動轉變區域，因此，在軟化狀態下例如通過擠壓、擠出、注塑或噴壓和其它成型方法，可以特別容易地成型為光學元件。然后在成型期間或之后才使該熱塑性材料交聯，從而得到改性的熱塑性材料，其具有較高的溫度形狀穩定性(Temperaturformbestandigkeit)，較小的熱膨脹系數和改善的機械性能。本發明人驚訝地發現，盡管所述熱塑性材料是后交聯的，由該交聯的熱塑性材料制成的光學元件仍然具有足夠好的光學性質，從而該元件也可以用于光電系統中。根據本發明的光學元件，其包含額外交聯的熱塑性材料，而且令人驚訝地是焊接穩定的，因此包含該元件的光電器件還可以特別容易地通過焊接而安裝在基材，例如電路板上。根據本發明的光學元件可以根據應用的不同而具有任意形狀。因此，例如可以成型為用于發射輻射的半導體芯片的殼體，成型為反射器或成型為透鏡。因此，該光學元件可以制成可用于光電應用的各種形狀。由于其是熱塑性的，因而所述成型例如可以通過注塑而特別簡單地進行，且在成型期間或之后才進行交聯。在本發明的另一實施方式中，光學元件是指與光有相互作用的元件，亦即特別是形成光的、導光的和/或轉換光的元件。光學元件的實例例如有可以聚光的透鏡，以及反射光的反射器。在本發明的一個實施方式中，可以在成型后，通過輻射而使熱塑性材料進行交聯。、這種使熱塑性材料交聯的輻射例如可以通過用3或Y射線進行輻射來實現。這種輻射例如可以在常規的電子加速器和Y裝置中進行。由于輻射，在易于加工的熱塑性材料中尤其產生自由基，由于其該自由基具有反應性，使熱塑性的聚合物段(Polymcrstrange)進一步交聯，從而可以形成高度交聯的三維聚合物網。 在本發明另一實施方式中，可以在成型期間，例如在擠出期間，在高壓下，通過加入交聯劑進行進一步的交聯。這樣的交聯劑例如可以包括有機過氧化物，它們同樣能夠以化學方式使熱塑性材料發生立體交聯。此時可以形成熱塑性大分子的均勻網絡。交聯助劑也可以用于以上提到的輻射交聯中，從而縮短輻射時間，并減少輻射的副產物，例如由于分裂或氧化產生的。由于在光學元件成型期間或之后進行的交聯，因此根據本發明，可以使用迄今不能使用的所有廉價的工業熱塑性材料，它們例如在適當的溫度下采用注射成型法進行加工。在本發明的光學元件中使用的熱塑性材料可以選自以下塑料，含有聚酰胺，聚酰胺6，聚酰胺6，6，聚酰胺6，12，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯 醚，聚甲醛，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯，改性的聚丙烯，超高分子量的聚乙烯，乙烯-苯乙烯互聚物，共聚酯彈性體，熱塑性的聚氨酯，聚甲基甲基丙烯酰亞胺，環烯烴共聚物，環烯烴聚合物，聚苯乙烯和苯乙烯-丙烯腈共聚物。在制備本發明的光學元件時，上述塑料可以相應地單獨使用或任意組合使用。通過各種熱、物理和機械的檢驗，可以證實隨后發生了交聯的熱塑性材料的性質發生變化。以此方式可以區別未交聯的常規熱塑性材料和交聯的熱塑性材料。因此，例如通過IR-光譜可以證實在輻射交聯的熱塑性材料的表面上形成極性的含氧基團。尤其是通過電子輻射可以提高輻射交聯的熱塑性材料的表面張力，因此提高熱塑性材料表面的極性。進一步交聯的熱塑性材料的玻璃化轉變溫度的升高例如可以通過膨脹測量、介電測量、動態-機械測量或折射測量，通過技術人員都已知的DSC(差示掃描量熱法)或借助于NMR光譜來證實。DMA扭轉試驗同樣直接給出了已交聯的熱塑性材料的玻璃化轉變溫度Tg，改變的熔化-結晶行為和溫度形狀穩定性的信息。已交聯的熱塑性材料在玻璃化轉變區域附近直至熔化區域常常比未交聯的熱塑性材料更硬，因而已交聯的熱塑性材料不再流動，從而使得溫度形狀穩定性改善。交聯的熱塑性材料在熔化區域常常表現為橡膠狀彈性，并且不再流動。通過交聯，還減小了熱膨脹以及對水和氧氣的滲透性。同樣限制了銀遷移。根據本發明的光學元件有利地含有對輻射基本上是透明(transparent)的熱塑性材料。輻射可以由所有可能的輻射源，例如集成了光學元件的光電器件發出。基本透明意味著，該熱塑性材料對輻射的透明度約為70至80%，優選至92%。本發明人驚訝地發現，交聯的熱塑性塑料仍然具有足夠透明的性質。此外，在本發明的光學元件上還額外布置無機涂層。這可以在交聯的基礎上進一步提高機械穩定性、焊接穩定性以及防止水滲透的能力。該無機涂層例如可以含有選自二氧化硅和二氧化鈦的材料。在此，所述涂層可以只含有一種材料或者含有兩種材料的組合。這種層例如可以在氣相沉積工藝進行涂覆，層厚度為約50nm lOOOnm。此外，具有這樣的層厚度的涂層對于輻射也是盡可能可透過的。在另一實施方式中，可以由形成本發明的光學元件的熱塑性材料形成連接元件(例如參見圖3和4)。這種連接元件例如可以用于連接光學元件和發出輻射的光電器件。帶有所述光學元件的光電元件然后也可以特別簡單地通過由所述交聯的熱塑性材料制成的其它連接元件而安裝在基材，例如電路板上(例如參見圖4)。該連接元件，例如栓釘、連接板、插頭等可以特別簡單地由熱塑性材料形成，因為它們可良好熔融，因此易于成型。然后，形成本發明的光學元件的熱塑性材料在該連接元件成型后或成型期間才進一步交聯，從而得到提聞的穩定性。根據本發明的光學元件可以包括透鏡或反射器(例如參見圖I到5)。在透鏡情況下，其可以貼在光電器件現有的澆注件上，盡管是熱塑性材料，但該器件仍是焊接穩定的(例如參見圖2)。在反射器情況下，作為光學元件，優選使用具有高反射性且不透明的熱塑性的塑料。在該情況下，還常常向該熱塑性材料中添加其它添加劑，例如二氧化鈦(白色顏料)。也可以形成由后交聯的熱塑性材料制成的殼體，該殼體同時還具有反射器性質(例如參見圖I和2)。本發明的主題還在于一種發出輻射的光電器件，帶有包含交聯的熱塑性材料的光學元件。這種元件常常具有與目前使用的由特種高溫塑料制成的元件類似好的光學性質，但可更簡便和便宜地制得。所述光學元件成型為殼體是特別有利的，因為這樣可以確保發出輻射的器件特別好的焊接穩定性。由于該光學元件具有良好的光學性質，例如良好的透明度，所以其也可以被布置在該器件的射線途徑中，因此對所發出的輻射基本是可透過的(例如參見圖2)。由于已交聯的熱塑性材料升高的溫度穩定性和得到改善的性質，因此特別有利的是通過該材料將發出輻射的器件固定在基材上。這例如可以通過鎖緊元件或焊接方法實現(例如參見圖4和5)。本發明的主題還在于一種制備確定形狀的光學元件的方法，具有以下方法步驟A)提供熱塑性材料，B)將熱塑性材料轉變為希望的形狀，C)交聯該熱塑性材料，從而形成光學元件。有利地，在方法步驟B)中采用注射成型法。常常在方法步驟C)之前還加入交聯助劑，例如三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC)，其使得交聯變容易。在化學交聯方法情況下，例如可以一起進行方法步驟B)和C)，此時使用化學交聯齊U，例如有機過氧化物。 在輻射交聯情況下，在方法步驟C)中，可以對已成型的熱塑性材料施加輻射劑量約為30 400kGy，優選33 165kGy的電子束。本發明還涉及以下方面I. 一種具有確定形狀的光學元件(1，25)，其包含-在成型期間或之后交聯的熱塑性材料。2.根據前述項目的光學元件(1，25)，-其中，所述熱塑性材料在成型后通過輻射進行交聯。3.根據項目I的光學元件(1，25)，
-其中，所述熱塑性材料在成型期間通過加入交聯劑進行交聯。4.根據前述項目之一的光學元件(1，25)，
-其中，所述熱塑性材料選自以下塑料，含有聚酰胺(PA)，聚酰胺6(PA6);聚酰胺6，6 (PA 6，6)，聚酰胺6，12 (PA 6，12);聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT);聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET);聚碳酸酯(PC);聚苯醚(PPO);聚甲醛(POM);丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS);聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA);改性的聚丙烯(改性的PP);超高分子量的聚乙烯(PE-UHMW)，乙烯-苯乙烯互聚物(ESI);共聚酯彈性體(COPE);熱塑性聚氨酯(TPU);聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI);環烯烴共聚物(COC);環烯烴聚合物(COP)，聚苯乙烯(PS)和苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)。5.根據前述項目之一的光學元件(1，25)，-其中，所述熱塑性材料對輻射基本上是可透過的。6.根據前述項目之一的光學元件(1，25)，-在所述光學兀件(1,25)上額外布置無機涂層(1A,25A)。7.根據前述項目的光學元件(1，25)，-其中，所述無機涂層(1A，25A)包含選自SiO2和TiO2的材料。8.根據項目6或7之一的光學元件(1，25)，-其中，所述涂層的層厚度為50nm至lOOOnm。9.根據前述項目之一的光學元件(1，25)，-其中，由所述熱塑性材料額外成型連接元件(30A，30B)。10.根據前述項目之一的光學元件(25)，其包含透鏡。11.根據項目I至10之一的光學元件⑴，-其包含反射器。12. 一種發出輻射的光電器件(5A)，其包含-根據前述項目之一的光學兀件(1，25)。13.根據前述項目的發出輻射的器件(5A)，-其中所述光學元件(1，25)成型為殼體。14.根據項目12或13之一的發出輻射的器件(5A)，-其中，所述光學元件(1，25)布置在器件(5A)的射線途徑(60)中，和-所述元件對發出的輻射基本上是可透過的。15.根據項目12至14之一的發出輻射的器件，-其中，整個器件被殼體所封裝。16.根據項目12至15之一的發出輻射的器件(5A)在基材(100)上的布置，-其中，所述器件(5A)通過光學兀件(1,25)而固定在基材(100)上。17.根據前述項目的布置，-其中，所述器件(5A)通過焊接而固定在基材(100)上。18. 一種制備確定形狀的光學元件(1，25)的方法，具有以下方法步驟A)提供熱塑性材料，B)將熱塑性材料轉變為希望的形狀，和C)交聯該熱塑性材料，從而形成光學元件。19.根據前述項目的方法，-其中，在方法步驟B)中采用注射成型法。
20.根據項目17至19之一的方法，-其中，在方法步驟C)前還額外添加交聯助劑。21.根據項目18至20之一的方法，-其中，在方法步驟B)后，在方法步驟C)中，對已成型的熱塑性材料施加輻射劑量約為33 165kGy的電子束。22.根據項目18至20之一的方法，-其中，一起進行方法步驟B)和C)。23.根據項目18至22之一的方法，-其中，使用透明的熱塑性材料。 24 根據項目18至23之一的方法，-其中，在方法步驟B)中，在惰性氣氛下使所述熱塑性材料轉變為希望的形狀。25.根據項目18至24之一的方法，-其中，在惰性氣氛下進行方法步驟C)。26 根據項目18至25之一的方法，-其中，在方法步驟C)中，對所成型的熱塑性材料進行至少兩次輻射交聯。27.具有確定形狀的元件用于光電器件的用途，該元件含有在成型期間或之后進行交聯的熱塑性材料。


圖I表示發出輻射的器件5A的橫截面。圖2表不本發明的發出福射的器件5A另一實施方式的橫截面。圖3表示根據本發明的發出輻射的器件5A的另一方案。圖4表示由形成本發明的光學元件的熱塑性材料形成的連接元件。圖5表不本發明另一實施方式的橫截面。圖6表不透鏡25通過固定兀件25B插在殼體I上的器件。圖7A和7B表不透鏡25的可行實施方式的透視圖。圖7C表不透鏡25的橫截面。
具體實施例方式以下通過附圖和實施例更詳細地解釋本發明。實施例由聚酰胺(Grilamid TR 90)壓鑄出2_3mm厚、直徑0. 8cm的透鏡，其中向該塑料顆粒中加入液態的三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC，Peralink301)作為交聯助劑。所加入的TAIC的份額為2-5重量優選約3 4重量％。該加入或者作為液體直接進行,或者吸附在空腔顆粒上進行。沒有象通常那樣使用硅酸鈣作為TAIC的載體材料，因為其對透鏡的透明度有不利影響。接下來的交聯通過用P射線一般以66-132kGy的劑量輻射數秒來進行。接著以33kGy劑量進行輻射。該輻射進行至少兩次，但優選四次，例如分別用相同的輻射劑量。該透鏡可以具有插頭形狀的連接元件，用于固定(例如參見圖3和6)。如果在N2沖洗的注射成型機中對用惰性氣體，例如N2沖洗的顆粒進行注射成型，則得到玻璃般清澈(glasklare)的產品。在輻射交聯時形成色中心，這導致所述注塑件發黃色。該變色在260°C下焊接時完全消失。所焊接的產品是玻璃般清澈的，透明度為85-90 %。還可以使用其它惰性氣體代替N2,本發明人發現，在使用惰性氣體時，如上所述，在輻射交聯期間出現的變色在焊接時有所減弱，或者完全消失。特別有利的是，在輻射交聯期間還在惰性氣體，例如N2下加工。這例如可以如下實現，將該光學元件在惰性氣氛下裝入塑料袋中，然后進行交聯。與由未交聯的材料制成的透鏡不同，由輻射交聯的Grilamid TR 90制成的透鏡是焊接穩定的，其透明度約為70-95%，優選85-90%。此外，由該交聯的材料制成的透鏡的吸水量大大減少，以至于在最高溫度260°C焊接30秒時沒有觀察到發泡。類似于上述的輻射交聯透鏡，還可以制備LED的殼體，其包含用白色顏料填充的熱塑性材料，例如通過注射成型法制備，并輻射交聯，與未輻射交聯的殼體不同，這樣得到的殼體是焊接穩定的。除了在圖1-6中所示的技術人員已知的“TOP-LED”外，這樣例如還
可以對本領域技術人員同樣已知的所謂的“SMART-LED”和“Chip-LED”的殼體進行輻射交聯。“SMART-LED”例如在所引用的出版物DE 19963806C2中有述，并且具有引線框架，其這樣被塑料-模壓塑料包封，使得LED在其出光側被模壓塑料所包圍。所述塑料-模壓塑料還可以摻合光轉換物質。“Chip-LED”是安裝在具有裝配用接觸點的PCB上的LED，并被塑料-模壓塑料所包封。圖I到7表示根據本發明的發出輻射的器件的不同實施方式的橫截面，所述器件帶有由已交聯的熱塑性材料制成的光學元件，以及適合于嵌入光電器件中的輻射交聯的透鏡。圖I表示發出輻射的器件5A的橫截面，其中，半導體器件5，例如LED通過連接線10和導線帶20電接觸。半導體器件5位于反射器槽中，其具有反射器面2，并使半導體器件發出的光成束。反射器槽和位于其中的半導體器件5被澆注件15，例如完全被環氧樹脂或硅樹脂所包圍。發出輻射的器件5A具有由輻射或化學交聯的熱塑性材料制成的殼體1，其具有高反射性，同時由其形成反射器槽的反射器面2。與殼體I或者由昂貴的高溫塑料或者由熱固性塑料形成的傳統的發出輻射的器件不同，根據本發明的發出輻射的器件由于熱塑性材料的易成型性而更便宜和更簡便地制得。圖2表示本發明的發出輻射的器件5A另一實施方式的橫截面。與圖I的器件不同，在此額外還有一個透鏡25，其施加在器件的澆注件15上。這樣的透鏡25也可以特別簡單地由后交聯的熱塑性材料形成。根據對器件要求的不同，在圖2的器件情況下，殼體I也可以包含根據本發明后交聯的熱塑性材料，或者包含傳統的高溫熱塑性材料或熱固性塑料。由于令人驚訝地還可以制備具有足夠透明性質的后交聯的熱塑性材料，因此尤其可以將由后交聯的熱塑性材料制得的透鏡25布置在器件5A的射線途徑60中。圖3表示根據本發明的發出輻射的器件5A的另一方案，其中透鏡25布置在澆注件15上，其同樣包含后輻射交聯的熱塑性材料，并且還額外具有連接元件30A。在此情況下，連接元件30A由小的腳(F u^chen)形成，這可以通過定位機理而使腳機械固定在殼體I的凹槽30C中。在這樣的實施例中不再需要象常見的那樣將透鏡25例如通過粘合而固定在器件5A的澆注件15上。代替圖3的實施例或者額外地，同樣還可以在包含根據本發明進一步交聯的熱塑性材料的殼體I中成型連接元件30B，其能夠特別簡便地使器件5A固定在基材100，例如電路板上。在此情況下連接元件30B也以小的腳形式通過定位機理固定在基材100的凹槽30D中。這種固定方法例如可以代替傳統的焊接法，并因此減小或防止器件的熱負荷。由于進一步交聯的熱塑性材料額外的溫度形狀穩定性，所以通過焊接方法將具有由該材料制成的殼體I的發出輻射的器件固定基材100上，也沒有較大問題在。圖5表不本發明另一實施方式的橫截面,其中，透鏡25以及殼體I都包含后交聯的熱塑性材料。為了更進一步提聞耐焊接性，提聞對水的阻擋性質和提聞機械穩定性，可以在兩種光學元件上，為透鏡25布置無機涂層25A和在殼體I上布置無機涂層1A。這種涂層，例如可以含有選自二氧化硅和二氧化鈦的材料，例如可以通過氣體沉積工藝涂覆，層厚為50nm lOOOnm。該器件通過焊料50的焊接而安裝在基材100上。圖6表不一種器件,其中，透鏡25通過固定兀件25B插在殼體I上。與圖3中所示的器件不同，固定元件25B包圍著殼體I。 圖7的圖7A和7B表示透鏡25的可行實施方式的透視圖，它們類似于圖6中所示可以插在殼體I上。除了固定元件25B外還存在插在殼體相應凹槽中的栓釘25C。圖7C表示透鏡25的橫截面。文中描述的本發明不限于所述的實施例。更確切地說，本發明包括每個新特征以及特征的每種組合，尤其是權利要求中包含的特征的每種組合，即使該特征或該組合本身 沒有明確記載在權利要求或實施例中。其它方案，尤其是有關于所使用的熱塑性材料，以及由該后交聯的熱塑性材料形成的光學元件的形狀和功能，也是可行的。
權利要求
1.一種成型為透鏡的光學元件(1)，其包含 -在成型期間或之后通過輻射交聯的熱塑性材料。
2.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其中，所述熱塑性材料通過β射線或Y射線交聯。
3.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其中，所述交聯另外通過加入交聯劑進行。
4.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其中，所述熱塑性材料選自以下塑料，含有聚酰胺(PA)，聚酰胺6(ΡΑ6);聚酰胺6，6 (PA 6，6)，聚酰胺6，12 (PA 6，12);聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT);聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET);聚碳酸酯(PC);聚苯醚(PPO);聚甲醛(POM);丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS);聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);改性的聚丙烯(改性的PP);超高分子量的聚乙烯(PE-UHMW)，乙烯-苯乙烯互聚物(ESI);共聚酯彈性體(COPE);熱塑性聚氨酯(TPU);聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI);環烯烴共聚物(COC);環烯烴聚合物(COP)，聚苯乙烯(PS)和苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)。
5.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其包含另外的光學元件(25)。
6.根據權利要求I或5的光學兀件(I),其中，所述光學兀件(I)和/或另外的光學兀件(25)包含熱塑性材料，所述熱塑性材料對輻射具有大于70%的透明度。
7.根據權利要求I或5的光學兀件(I), -其中，在所述光學元件(I)和/或另外的光學元件(25)上另外布置無機涂層(1Α，25Α)。
8.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其中，由所述熱塑性材料另外成型連接元件(30Α，30Β)。
9.根據權利要求I的光學兀件(I)， -其包含反射器。
10.一種發出輻射的光電器件(5Α)，其包含 -根據權利要求I的光學兀件(I)。
11.一種制造成型為透鏡的光學元件(I)的方法，具有以下方法步驟 Α)提供熱塑性材料， B)將所述熱塑性材料轉變為希望的形狀，和 C)通過射線交聯所述熱塑性材料，從而形成光學元件。
12.根據權利要求11的方法， -其中，在方法步驟B)后，在方法步驟C)中，對已成型的熱塑性材料施加輻射劑量為33至165kGy的電子束。
13.根據權利要求11的方法， -其中，在另外的方法步驟D)中，制成另外的光學元件(25)。
14.根據權利要求13的方法， -其中，在方法步驟D)中，使用透明的熱塑性材料。
15.根據權利要求11的方法，-其中，在方法步 驟C)中，對所成型的熱塑性材料至少兩次通過輻射進行交聯。
全文摘要
本發明涉及一種光學元件(1，25)，其具有確定形狀，并包含在成型期間或之后進一步交聯的熱塑性材料。這種熱塑性材料具有較高的溫度形狀穩定性，但由于其熱塑性，在進一步交聯前可以簡便和便宜地成型。
文檔編號H01L33/48GK102683561SQ20121014843
公開日2012年9月19日 申請日期2006年4月18日 優先權日2005年4月26日
發明者安德烈亞斯·普洛斯爾, 格特魯德·克勞特 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導體有限責任公司