专利名称：可表面装配的光电子组件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种可表面装配的光电子组件的制造方法，该组件有一个基体、一个安置在此基体的空隙中的光电子发送器和/或接收器及一个用于封闭此空隙的光学装置，本发明还涉及一种可表面装配的光电子组件。
近年来，表面装配技术(SMT)不断地解决了导线轨道支架同加线的组件的装配问题。SMT的具有决定意义的优点在于提高了用传统装配方法达不到的包装密度。
由于在许多光学应用方面要求高的包装密度，所以SMT在光电子领域内具有特殊的意义。也已知一些按SMT-概念可实现表面装配而设计的光电子组件。
EP 0230 336 A1介绍了一种可表面装配的光电子组件，该组件有一个环状的外壳，外壳的上环孔是用一个球透镜封闭的，而其下环孔则处在一个薄板上。在外壳内部，在薄板和球透镜下顶点之间安置了发送光的半导体元件。环状外壳的由薄板表面和球透镜限界出的内腔填充了一种透明的胶粘剂。
在EP 0 400 176中介绍了另一种可表面装配的光电子组件。这种组件具有一个带有中心凹穴的基体，一个光学有源半导体元件被安置在此凹穴中。基体的上方有一个透镜，它经过一个固定装置例如一个固定栓而与基体相连。
在下述文件中“Siemens SMT-TOPLED für dieoberflchenmontage”，Frank Mllmer und GünterWaitl，Siemens Components 29，(1991)，第4册，第147至149页，介绍了一种规定用于表面装配的发光二极管(LED)。为了制造这种发光二极管，利用一种耐高温的热塑性塑料即构成外壳框架的热塑性塑料压注出一个连续的冲压的导体带。在外壳框架的内区，将一个光学有源的元件装配在上述导体带上，并与在该处的导线轨道实现电接触。然后，为了保护有源元件不受环境影响，用一种浇铸树脂将框架内区加以浇铸。在上述组件上不配置一个透镜或一个类似的光学装置。
在前面提及的两个文献中所介绍的SMT－光电子元件具有这样的特点，即整个组件外壳首先通过用一种热塑性塑料压注出一个导体带的方法而制造出来，在制成热塑性塑料外壳之后才将光电子发送器和/或接收器装入该外壳中。这种制造方法的一些优点在于可以实现带(导体带)的非常廉价的大批生产；可用简单方式实现小的结构高度和标准化的基本结构形式。由于其成本很低，这种所谓的预制外壳的SMT－光电子元件大多用于显示系统等中。
本发明的任务是提供一种方法，利用本方法可以改善文首述及的那种光电子SMT－组件的反射特性，而且为此不会不可接受地提高组件成本。此外，本发明还有一个目标，就是提供这样一种光电子SMT－组件，它既具有可良好确定的反射特性，同时又具有低的组件成本的优点。
上述任务是通过具有权利要求1或权利要求8的特征的一种方法以及通过具有权利要求18的特征的一种光电子组件加以解决的。
在准备好在其空隙中装有光电子发送器和/或接收器的基体之后，便用一种透明的、可硬化的填料充填该基体的空隙，并将光学装置安置在该基体上，其中，在填料和/或光学装置(如光学装置也具有填料的话)完全硬化之前，使光学装置在空隙的范围内与填料相接触。
本发明的一个主要的观点在于在用填料灌注空隙之后才将光学装置安置在基体上。由于光学装置安置在已经填充了填料的空隙上，所以可确保光学装置在基体上非常精确的和可重现的定位，它基本上不会再受到以后的步骤如硬化步骤或脱模步骤的损害。这样，就反射行为抑或接收行为来说，均可保证光电子组件的高光学性质，这种高光学性质对于那些希望获得精确射束导向和高的光效率的应用来说都具有重大意义。本发明提出的光电子组件因此考虑到是这样的组件，其中，在先装配好光学装置的情况下，空隙的填充是从相反一边进行的。
本发明提出的方法可以特别优选地用于制造所谓的预加外壳的光电子组件。于此，在成形具有空隙的外壳的同时，利用一种热塑性塑料喷注出一个导体带以首先制造出基体，然后将光电子发送器和/或接收器安装到处于空隙内的导体带的一个区段上。
根据本发明提出的方法的第一个特别有利的实施形式，将光学装置安置在尚未硬化的填料上，以后填料才完全硬化。
在此情况下，填料的填入量是这样选定的，使得在随后安置光学装置时基本上没有填料溢过空隙的边缘。这样，以后就不需要采取措施来收集有可能溢出的填料了。
也可以充分利用由于填料的表面张力而产生的凹弧形成。在这种情况下，可使用这样一种光学装置，它的在其接触到填料的范围中的造形是如此选择的，使得即使在一个以填料充填直到其边缘的空隙条件下，在安置光学装置时也不会有填料溢出空隙的边缘。
在安置光学装置之前，基体也可以配置一个环绕着空隙的环形槽。在此情况下，在安置光学装置时，有可能溢出的填料便被收集到该环形槽中，从而防止填料向下流到基体的外侧，并在该处硬化，否则这会损害组件的可操作性。
如果基体在安置光学装置之前在边缘一侧配置为空隙而安置的支承元件以用于光学装置的话，则可使光学装置达到一种可特别再现的定位。支承元件例如可以在预加外壳的光电子组件条件下制造基体的已述及的压注步骤中与外壳整体地加以成形。
最好在基本上无压力的情况下，从上方将光学装置安置在基体上，或者安置在成形于基体上的支承元件上。然后光学装置便会仅仅依靠重力作用而贴紧。
另一个有利的方法变型在于在安置光学装置之前，首先利用浇铸法、压制法或压注法制造出光学装置来，然后当作松散材料进行运输，再自动地将之从松散材料中提出，并自动地在一基体上方进行定位而安置在该基体上。上述措施的优点在于光学装置的制造是完全与基体的制造无关地进行的，这样就能对光学装置实现分开的和有效的质量控制，以及实现分开的分级处理。由此，便能够制造出具有最高质量的光电子组件。
根据本发明提出的方法的第二种特别优选的实施形式，光学装置在一次浇注过程中成形的，而且在此浇注过程的范围内被安置在基体上的空隙区域中，并以填料填充到空隙中。在采用本发明提出的方法的上述第二种实施形式时，基体的空隙的填充也是在将光学装置安置在上述浇注步骤的范围内之前进行的，所以与这一工序操作相关联的各优点在本发明提出的这种实施形式上也是显而易见的。
在采用本发明提出的方法的上述第二种实施形式时，为了制造光学装置，最好首先准备好一个浇注半模，并用另一种填料填充该半模。另一方面，在用填料填充基体的空隙之后，首先至少让部分填料硬化，然后再用填料加以润湿。随后将基体和以另一种填料填充的浇注半模对齐地并合起来，在下一步中使浇注半模中的另一种填料完全硬化，同时向基体的空隙中的填料浇注。最后，将浇注半模从带有用填料固定的光学装置的基体上取下，以使制造完毕的光电子组件脱模。
润湿处理例如可以如此进行将基体围绕一水平轴转动，至少使其表面一侧浸入填料中。由于填料至少部分地硬化之故，所以在转动基体时没有填料溢出。
借助对填料表面的润湿处理，便可防止在以后的加注填料的步骤中有气泡滞留在填料中。
本发明提出的方法的上述第二种实施形式的优点在于这种实施形式可以简单地实现，而且具有高的自动化潜力，从而特别还能实现大系列的批量生产。
本发明提出的方法和本发明提出的组件的其它有利的设计方案，分别见从属的权利要求2至7及9至17和19与20所述。
下面将参照附图以实例对本发明加以说明；附图表示
图1一个在本发明提出的方法中使用的带有外壳和导体带的基体的透视图；图2A、2B、2C根据本发明的第一种实施形式参照图1中所示的基体实例的方法步骤基体的准备；基体的空隙的填充；光学装置安置到基体上；图3图2C中所示的按照本发明的第一种实施形式制造的光电子组件平面图；图4表明光学装置的制造和运送的示意图；图5按本发明提出的方法的第一种实施形式制造的另一光电子组件；图6图5中所示光电子组件的平面图；图7表明本发明提出的方法的第二种实施形式的示意图。
图1表示一个基体1，该基体是通过压注一个带有高温热塑性塑料外壳3的导体带2而成形的。外壳3最好具有平的外表面，以保证简单的可装配性。在外壳3的表面上配有一个空隙4。
图2A表示一个基本上按图1所示基体1的断面图，于此，外壳3’与图1所示外壳3仅有的区别在于外壳3’的表面5配有一个环绕空隙4的环形槽6，关于此环形槽以后还会谈到的。图2A示明导体带2的区段7、8是被热塑性塑料外壳3’包封的，而且在空隙4的底侧区域内以接触段9、10进入到该空隙中。于此，接触段9一直延伸到空隙4的中心区域内。
外壳3的内壁表面13是设计成斜面的，并构成一个反射体。由于外壳材料选用了一种具有大约90％或更大的高漫射反射度的材料，所以上述表面13可以获得高的反射率。
在制造导体带－外壳结构2、3’之后，将一个半导体芯片11装入外壳3’的空隙4中。在图2A所示的示意图中已经表明了这一装配步骤。于此，半导体芯片11被安置在导体带2的延长的接触段9上，并与之实现电接触。另一种电接触是经过一条导线12实现的，该导线从半导体芯片11引向相对峙的导体带2的接触段10。例如可以使用一个发光二极管或一个光敏半导体元件作半导体芯片11。
在半导体芯片11的装配和接触之后，使用一种可流动的填料14填充图2b中所示的空隙4。填料14例如可以是一种环氧树脂。填料14和外壳材料就它们的热特性而言是彼此匹配的，从而可避免热负荷导致产生机械故障，这种热负荷例如在焊接组件时以及在以后的使用范围中都可能出现。
由于填料的表面张力之故，填料表面15会形成一种凹弧，也就是说它具有一个凹入的曲线。
填料14的填充高度取决于凹弧形成的尺寸、在下一步(见图2C)中待安置在空隙4中的光学装置的造形，此外还取决于是否在外壳边采取措施例如图中所示环绕的环行槽6，以收集可能从边缘溢出的填料。
图2C表示随后进行的将光学装置安置在空隙4中的情形。根据图2C中所示的例子，光学装置是按一种平凸聚光透镜16的形式设计的。在朝向空隙4的一边上，聚光透镜16在其中心区域有一个平的基面17，该基面经过一个导入斜面18而连续成一个依径向处于外面的环形的支承面19。基面17与支承面19是共平面的。
在将透镜16安置到如图2B所示的填充了填料14的外壳3上时，首先将透镜16定位在空隙4上，并使之与空隙轴向对准。然后将透镜16下放到热塑性塑料做的外壳3’上，于此，透镜16的导入斜面18同倾斜的反射体内壁表面13的一个上部区域自定中心地相合成。这样，透镜16便取得了一个相对于外壳3’的最终位置，该最终位置与前述的对准步骤根本没有关系，基本上是凭借透镜制造和外壳制造的尺寸稳定性而被确定在相应的斜面范围中。
透镜16装配到外壳3’上的过程如下首先让透镜基面17与填料14的上表面15相接触。此刻，支承19尚未在外壳3’的表面5上。随后让透镜16降到它的最终位置上，这一点仅仅通过重力的作用来实现。于此，透镜基面17与填料14实现全面积的接触，并且视空隙4的填充高度(见图2B)之不同，填料14被挤出空隙4。溢出外壳边缘的填料被收集在环形槽6中。因此，环形槽6防止了否则有可能的填料沿着外壳外壁向下流淌的现象。填料14会有一定量的外溢到环形槽6中，这是完全合乎希望的，因为这样使得透镜16和外壳3’之间的结合的紧密性受到有利影响。
在最后一个制造步骤中，于是使填料14例如在一个热处理框架中在组件上完全硬化。
图3表示图2c中所示的光电子组件俯视图。形成反射体的空隙4的斜壁表面13以及半导体芯片11处于透镜16的下方，并以虚线表示之。为了清楚起见，供选择的环形槽6没有绘出。
参照图2A至2C所说明的方法可以用不同形状和不同材质的透镜来实施。但重要的是，采用本发明提出的方法的这一结构形式时，透镜的制造在把透镜装配到外壳3、3’上之前就已经结束了。
图4以举例的方式说明图2c中所示的平凸聚光透镜16的制造，采用的是在一压模20中实施的注压法。于此，首先将透明的压制材料沿着箭头21所示方向通过一个被加热的半模23的通道22压入到一压模中，该压模是由第一个半模23的模面24、与第一个半模23相邻布置的第二个半模25的模面26以及一个可移动地容纳在第二个半模25中的环形推料器28的端面27所确定的。然后，压制材料经过一压制工序而成形为透镜16，该透镜随即借助环形推料器28在热态定型情况下沿箭头29方向从压模20中被推出。于此，透镜16作为散料而落入一个透镜收集容器30中。透镜收集容器30以在图中未示出的方式与输送装置例如振动式输送器、送料斗等相连，透镜16经过该输送装置被送到一个也未在图中示出的装配单元，透镜利用该装置单元而被安置到光电子组件的外壳3上，按所述方式(见图2C)进行安置。
按图4所示明的透镜制造方法已证实具有这样的优点，即产生的容许误差仅仅是很小的。其结果是，一方面可保持小的废品率，另一方面由于透镜16的良好尺寸稳定性之故不仅有利于透镜16的光学性质，而且有利于透镜16在外壳3、3’中的最终位置的可再现性。
图2C中所示的光电子组件的一项改型见图5中所示。图5所示的光电子组件与图2C中所示组件的区别主要在于它具有一个直径为R的球透镜16’，以代替平凸透镜16。
图5中所示组件的制造过程与图2A至2C中所示方法步骤相似。球透镜16’在安置到外壳3’上时的自定中心是通过它的表面倒圆度来实现的。在安放球透镜16’时，进入空隙4中的球体部位31与填料14相接触。通过对透镜16’的充填高度和/或半径R的适当选择便可达到下述目的处于插入状态中的球体部位31的表面曲线正好与填料表面15的凸起曲线相补。在此情况下，在将透镜16’进行安置时不会有排挤填料的现象发生。倒圆的球体部位31的另一优点在于该部位可以保证在装配时不会有气泡滞留在填料表面15和透镜16’之间。
图6表示图5中所示的带有球透镜16’的光电子组件的俯视图。从此图中可以看出在空隙4的斜的内壁表面13上形成了一些径向接片32，它们用作为球透镜16’的支承面。
一方面通过这些径向接片32为球透镜16’提供确定的和稳固的三点式支承，从而可进一步提高球透镜16’相对于外壳3’的装配位置的可再现性。另一方面，径向接片32在空隙4的内表面13和球体部位31之间创造了一环形腔式的自由区域，该自由区域可以用作为被挤压出来的填料的容纳室，因而在明显挤出填料的情况下也可以避免填料溢出空隙的边缘。
径向接片32或相似的支承元件也可以配用于其它透镜形状，特别是按图2C所采用的平凸透镜16。
现在参照图7来说明本发明提出的方法的第二种实施形式。此第二种实施形式与第一种实施形式的主要区别在于光学装置现在是按一种注入法安置在结构部分外壳3上的。
配备一个光学半导体芯片11的外壳3(见图1)在第一输送带33上输送给浇注站34，在此浇注给结构部分外壳3的空隙4得到浇注。然后通过热效应35使填料完全硬化或者至少部分硬化。在36处，输送带33回转180°，在37处，外壳的这时朝下的已被浇注的表面为了它预润湿而浸入到浇注树脂中。
部分硬化或完全硬化的填料的润湿也可以按别的方法来完成。润湿的目的在于保证下一步的浇注过程能没有气泡地完成。
第二输送带38载着浇注半模39，该半模是为了制造光学装置而配备的。此外，在透镜浇注站40处，浇注半模39用一种浇注树脂加以填充。带有朝下的外壳3的第一输送带33和带有填充好的浇注半模39的第二输送带38，被一起引导通过两个轴向平行地布置的小齿轮41之间的间隙，并在此间隙中相并合。小齿轮41被加热，所以在该间隙中存在大约80℃的温度。在离开该间隙之后，已并合的外壳-浇注半模3、39在一机械导引42的影响下经受大约150℃的热处理43。热处理的作用是使其时处于浇注半模39中的填料被浇注到外壳一侧的填料表面上，并在其上完全硬化。两条输送带33、38穿行过第二对小齿轮44之间的间隙，该间隙同样保持在80℃的温度上。带有浇注好的光学装置45的结构部件的脱模是在第二对小齿轮44的出口边通过两条输送带33和38的分离引导来实现的。
图7中所示的方法可以如下地加以改变可以不在一条输送带上输送，而是将预定数目的n个浇注半模集合成一个集装式的浇注模组。在经过如图7所示的相应预处理之后，填充了填料的浇注模组于是被从下方如此送到输送带33上，使得浇注模组的每个浇注半模同一个放置在输送带33上的外壳3相接触。例如可以用一个夹具夹紧在一起。带有被夹住的浇注模组的输送带33于是同图7中所示双输送带结构相似地经受大约150℃的热处理43。在实现完全硬化之后，在脱模的范围中将整个浇注模组从输送带33上卸下来。
最后述及的方法在应用浇注模组的条件下，与图7所示的双输送带方法相比，具有以下的优点所用的浇注模组可以再使用大约200至300次，而在输送带38上运送的浇注半模39一般在使用很少几次之后就必须加以更换。此外，通过整体设计，从而可以将浇注模位置稳定地布置成浇注模组，以达到更高的位置精确度，因此按本方法制造的光电子组件一般都可满足更高的质量要求。
不过，图7中所示的双输送带法也有它的优点，就是由于它的高自动化程度之故，可以很经济合算地加以实现。
权利要求
1．可以表面装配的光电子组件的制造方法，光电子组件有一个基体(1)、一个安置在基体(1)的空隙(4)中的光电子发送器和/或接收器(11)以及一个封闭空隙(4)的光学装置(16，16’，45)，方法包括以下步骤a)准备基体(1)同安置在空隙中的光电子发送器和/或接收器，b)用一种透明的可硬化的填料(14)填充基体(1)的空隙(4)，c)光学装置(16，16’)的安放，其特征在于按步骤c)将光学装置(16，16’)安置在尚未硬化的填料(14)上，然后使填料(14)完全硬化。
2．按权利要求1所述的方法，其特征在于方法步骤-压注出一个带有一热塑性塑料外壳(3)的导体带(2)以制造基体(1)，同时形成空隙(4)，-将光电子发送器和/或接收器(11)装配到导体带(2)的处于空隙(4)中的区段(9)上，-用一种透明的可硬化的填料(14)填充基体(1)的空隙(4)，填料的热特性是与热塑性塑料外壳材料相匹配的。
3．按权利要求1或2所述的方法，其特征在于按步骤b)，填料(14)的填充量是如此选择的，使得在以后按步骤d)安置光学装置(16，16’)时基本上没有填料(14)溢出空隙(4)的边缘。
4．按权利要求3所述的方法，其特征在于按步骤b)，空隙(4)基本上要用填料(14)填充到边沿，于此，在填充好空隙(4)之后，由于填料(14)的表面张力之故而形成一凹孤(15)，而光学装置(16，16’)在其接触到填料(14)的部位(31)的成形是如此选择的，使得在以后安置光学装置(16，16’)时基本上没有填料(14)溢出空隙(4)的边缘。
5．按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于按步骤c)，光学装置(16，16’)基本上是无压力地从上方安放在基体(1)上或者安放在配置于基体上的支承元件(32)上。
6．按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于完全硬化是在热作用条件下实现的。
7．按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于在步骤b)之前还得执行以下步骤-采用浇注、压制或注压工序制造出光学装置(16，16’)，-准备好光学装置(16，16’)，并当作散料输送之，-从散料中自动地取出光学装置(16，16’)，-光学装置(16，16’)在基体(1)上方的自动定位。
8．可以表面装配的光电子组件的制造方法，光电子组件有一个基体(1)、一个安置在基体(1)的空隙(4)中的光电子发送器和/或接收器(11)以及一个封闭空隙(4)的光学装置(45)，制造方法包括以下步骤A)准备基本(1)同安置在空隙(4)中的光电子发送器和/或接收器(11)，B)用第一种透明的可硬化的填料(14)填充基体(1)的空隙(4)，C)准备浇注半模(39)，并用第二种透明的、可硬化的填料填充浇注半模(39)，D)基体(1)的空隙(4)中的第一种填料(14)和/或浇注半模(39)中的第二种填料至少部分地硬化，E)基体(1)和浇注半模(39)如此位置正确地并合，使得浇注半模(39)中存在的其它填料与基体(1)的空隙(4)中的填料(14)的一个表面相接触，F)第二和/或第一种填料完全硬化，G)浇注半模(39)从带有浇注的光学装置(45)的基体(1)脱模。
9．按权利要求8所述的方法，其特征在于在步骤E)之前，填料(14)的表面要加以润湿。
10．按权利要求9所述的方法，其特征在于填料(14)的表面的润湿步骤包括以下步骤-将基体(1)围绕一水平轴如此转动(36)，使得空隙(4)的开口朝下，-基体(1)的至少表面侧浸入(37)液态填料中。
11．按权利要求8至10的任一项所述的方法，其特征在于通过热处理(35)使填料(14)至少实现部分完全硬化。
12．按权利要求8至11的任一项所述的方法，其特征在于通过热处理(43)使其余填料实现完全硬化。
13．按权利要求8至12的任一项所述的方法，其特征在于-若干个基体(1)在第一输送带(33)上运送，-若干个浇注半模(39)在第二输送带(38)上运送，-第一带(33)和第二带(38)至少在按步骤C)的浇注过程中是平行地导引的。
14．按权利要求8至13的任一项所述的方法，其特征在于-若干基体(1)在第一带(33)上运送，-若干个浇注半模(39)集合成一个浇注模组，-浇注模组至少在按步骤E)的浇注过程中可以松开地与相应数目的基体(1)相连。
15．按权利要求8至14任一项所述的方法，其特征在于基体(1)和浇注半模(39)是在大约80℃温度条件下并合的。
16．按权利要求8至15任一项所述的方法，其特征在于其余填料的完全硬化(43)是在大约150℃条件下实现的。
17．按权利要求8至16任一项所述的方法，其特征在于浇注半模(39)从基体(1)的脱模是在大约80℃温度条件下实现的。
18．可以表面装配的光电子组件，具有-一个基体(1)，它是由一个热塑性塑料压注外壳和一个压注成形的导体带(2)构成的，-一个安装置在基体(1)的空隙(4)中的光电子发送器和/或接收器(11)，它装配在导体带(2)的处于空隙(4)内的区段(9)上，-一种处于空隙中的透明的、可硬化的填料(14)，它的热特性与热塑性塑料外壳材料相匹配，-一个封闭空隙的光学装置(16，16’)，其特征在于光学装置(16，16’)和填料(14)是彼此浇注起来的，所以光学装置在其处在填料上的支承面范围内与填料(14)有全面的接触。
19．按权利要求18所述的可以表面装配的光电子组件，其特征在于空隙(4)配有一个环绕的环形槽(6)。
20．按权利要求18或19之一所述的可以表面装配的光电子组件，其特征在于基体(1)配有朝空隙(4)的边缘一侧安置的支承元件(32)以用于支承光学装置(16，16’)。
全文摘要
可以表面装配的光电子组件的制造方法,它包含以下步骤:准备基体同安置在基体的空隙中的光电子发送器和/或接收器,用一种透明的、可硬化的填料填充基体的空隙,以及将光学装置安放在基体上,于此,光学装置与填料相接触。
文档编号H01L31/02GK1285082SQ98813642
公开日2001年2月21日 申请日期1998年12月15日 优先权日1997年12月15日
发明者G·韦特尔, R·鲁茨, H·布伦勒 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体股份有限两合公司