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CN101794856B - 光学元件封装件及其制造方法 - Google Patents

光学元件封装件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学元件封装件及其制造方法，该光学元件封装件包括：芯片形式的光学元件；以及透镜树脂，具有覆盖光学元件的光学功能面的凸透镜面，该凸透镜面形成为具有多个在垂直于与凸透镜面的每部分接触的平面的方向具有顶点的微小凸曲面的粗糙面。

Description

光学元件封装件及其制造方法
相关申请的参考
本申请包含于2009年1月30日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2009-019320的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及光学元件封装件及其制造方法，尤其涉及具有覆盖诸如发光元件、受光元件等光学元件的透镜树脂的光学元件封装件及其制造方法。
背景技术
在通过以芯片形式封装诸如发光元件、受光元件等光学元件而形成的光学元件封装件中，例如，光学元件安装在一对引线框架之一上，而另一引线框架与光学元件通过导线彼此连接。这对引线框架通过在引线框架中装有光学元件的部分和导线连接部分具有开口的框架状封装树脂而被支撑和固定。此外，在将安装有光学元件的部分和导线连接部分包埋和密封的状态下，在框架状封装树脂的开口的上部设置透镜树脂。透镜树脂可以具有发散和射出光的粗糙面。
当在具有上述构造的光学元件封装件中形成透镜树脂时，通过所期望的透镜形状的阴模或者所谓的金属模、树脂模等母模(matrix)执行树脂成型。当形成具有粗糙面的透镜树脂时，特别地，使用其表面通过在高压下吹撒诸如氧化铝粉末的硬质粉末而变粗糙的母模。此外，采用这样一种方法：通过向阳模吹撒硬质粉末使用于形成母模的阳模表面变粗糙，并且由阳模形成母模(参见日本专利公开第Sho55-27461号)。
发明内容
然而，通过在高压下吹撒硬质粉末而获得的粗糙面在硬质粉末的吹撒方向较深。因此，通过具有该粗糙面的母模而获得的透镜树脂不能在所有方向均匀分布光的发散角，并且经由透镜树脂发射的光的光分布特性形成卷绕曲线。
因此期望提供具有透镜树脂的光学元件封装件，其中透镜树脂具有由提供良好的光分布特性的粗糙面而形成的凸透镜面，以及提供这种光学元件封装件的制造方法。
根据该发明实施例的光学元件封装件包括：芯片(chip)形式的光学元件；以及透镜树脂，具有覆盖光学元件的光学功能面的凸透镜面。在光学元件封装件中，透镜树脂的凸透镜面形成为具有多个微小的凸曲面的粗糙面，其中凸曲面在垂直于与凸透镜面的各部分接触的平面的方向具有顶点。
根据该发明另一实施例，提供具有这种构造的光学元件封装件的制造方法，其方法通过使用具有凹状透镜成型面的母模进行树脂成型而形成透镜树脂。该透镜成型面形成为具有多个微小的凹曲面的粗糙面，其中凹曲面在垂直于与透镜成型面的各部分接触的平面的方向具有顶点。通过使用具有塑造成凸透镜形状的放电曲面的放电电极进行放电处理而形成这种透镜成型面。
根据具有这种构造的光学元件封装件，形成凸透镜面的粗糙面的微小凸曲面是在与凸透镜面的各部分垂直的各个方向凸出的凸曲面。从而，例如从覆盖有透镜的光学元件发射并在各个凸曲面散射的光的集合体形成无限接近从光学元件发射的光的光分布特性的曲线。即，可以获得平滑一致而不是无规则的光分布特性。
如上所述，根据该发明实施例，在包含具有粗糙凸透镜面的透镜树脂的光学组中可以提高光分布特性。此外，本发明可以提供包含具有能够提供良好光分布特性的粗糙凸透镜面的透镜树脂的光学元件封装件。
附图说明
图1是根据实施例的光学元件封装件的构造示图；
图2是透镜面的粗糙度和通过透镜面的光的光学波形的粗糙度之间的关系的示意图；
图3是辅助说明实施例效果的曲线图，该图示出了发射角度和亮度之间的关系；
图4A和4B是根据该实施例的光学元件封装件的制造方法的工序图(1)；
图5A是根据该实施例的光学元件封装件的制造方法的工序图(2)；
图5B和5C是图5A中的各个部分的截面图；
图6A是根据该实施例的光学元件封装件的制造方法的工序图(3)；
图6B和6C是图6A中的各个部分的截面图；
图7A～7C是根据该实施例的光学元件封装件的制造方法的工序图(4)；
图8A和8B是辅助说明用于制造根据该实施例的光学元件封装件的金属模的制造工序图；以及
图9A和9B是在该实施例中生产的透镜树脂的凸透镜面的光学显微镜图。
具体实施方式
下文将以下列顺序描述本发明的优选实施例。
1.光学元件封装件的构造
2.光学元件封装件的制造方法
3.用于成型透镜的母模的形成方法
1.光学元件封装件的构造
图1是根据应用本发明的实施例的光学元件封装件1的示意截面图。图1示出的光学元件封装件1是用于在安装基板上安装芯片状发光元件的封装件。如下形成光学元件封装件1。
光学元件封装件1包括两个引线电极(leadelectrode)3和5、用于固定和支撑引线电极3和5的封装树脂11、安装在引线电极3上的光学元件13、用于将光学元件13和引线电极5相互连接的导线15、以及用于覆盖光学元件13的透镜树脂19。本发明的特征尤其在于透镜树脂19中的凸透镜面S的构造。下文将详细描述发光元件封装件1的构造中的每一个部件。
彼此平行地配置2个引线电极3和5，并且引线电极3和5绝缘。形成作为引线电极之一的引线电极3，使得引线电极3的一部分具有用于安装元件的芯片垫(diepad)的宽度。
封装树脂11与引线电极3和5一体地形成。封装树脂11具有用于暴露作为封装树脂11的中心部分的引线电极3和5的一部分的凹部11a。凹部11a形成为其圆开口的直径从开口的上部到暴露引线电极3和5的底部减小的侧壁锥形。
假设光学元件13是诸如发光二极管(LED)的芯片形式发光元件或芯片形式受光元件，并且假设光学元件13具有诸如发光面、受光面等的光学功能面和在光学功能面相对侧的表面上的电极。在封装树脂11的凹部11a内将这种光学元件13管芯焊接(die-bonded)于引线电极3上，其光学功能面向上。
导线15设置在封装树脂11的凹部11a内将光学元件13和另一引线电极5彼此连接的状态。
透镜树脂19形成凸透镜。在嵌入光学元件13和导线15的状态，在封装树脂11的凹部11a上设置透镜树脂19。此外，透镜树脂19的凸透镜面S被粗糙化为毛面(satinfinishedsurface)，毛面具有具有如主要部分的放大图所示的微小凸曲面S1、S1、…。
特别地，根据本实施例的透镜树脂19的第一特征是各个微小凸曲面S1、S1、…在垂直于凸透镜面S的各个表面部分的方向是凸出的。即，在形成一个透镜树脂19的凸透镜面S中设置各个微小凸曲面S1，使得垂直于与凸透镜面S的各部分接触的面的方向的顶点部分最凸出。
第二特征是各个微小凸曲面S1关于作为轴的垂直于与凸透镜面S的各部分接触的平面的方向而对称。
第三特征是微小凸曲面S1、S1、…在大小和高度上不相同，具有不规则的大小和高度，并且不规则配置。
第四特征是微小凸曲面S1具有充分小于其底面直径的高度。
图2是与透镜面的粗糙度Rz相关的通过透镜面的光的光学波形的粗糙度的示意图。顺便提及，假设光学波形的粗糙度是与辐射角相关的亮度的最小值和最大值之间的差。
如图2所示，在达到透镜面的粗糙度Rz的特定大小的范围内，通过粗糙的凸透镜面的光的光学波形的粗糙度与透镜面的粗糙度Rz成反比。因此，期望设定透镜树脂19中的微小凸曲面S1的高度以提供能够有效减小光的光学波形的粗糙度的透镜面的粗糙度Rz。
在如上所述形成的光学元件封装件1中，形成粗糙的凸透镜面S的微小凸曲面S1是在垂直于凸透镜面S的各个部分的各个方向凸出的凸曲面。从而，例如，从覆盖有透镜树脂19的光学元件13发射并在各个凸曲面S1散射的光h的集合体形成无限接近从光学元件13发射的光的光分布特性的曲线，如图3中的(1)曲线所示。
此外，各个微小凸曲面S1关于垂直于与凸透镜面S的各部分接触的平面的方向的轴对称。因此，例如，从覆盖有透镜树脂19的光学元件13发射并在各个微小凸曲面S1中散射的光h在各个微小凸曲面S1中均一散射，并且均一发射到透镜树脂19的外部。
作为上面的结果，可以获得平滑一致而不是无规则的光分布特性。
顺便提及，实验证实当凸透镜面的粗糙度Rz为20μm～40μm时，从光学元件13发射的光的平滑效果增强，并且展现了平滑的光分布。
此外，因为微小凸曲面S1、S1、…各自在大小和高度上不相同，并且不规则地配置，所以可以抑制通过透镜树脂19的光的色像差。
此外，各个微小凸曲面S1具有充分小于其底面直径的高度。因此，微小凸曲面S1关于从光学元件13发射的光h的角度不超过临界角(几乎所有的光被反射到内部的入射角)，并且可以无限减少来自微小凸曲面S1的反射光(返回光)。
另一方面，通过使用其表面通过在高压下吹撒硬质粉末而变粗糙的母模所形成的常规凸透镜面形成在对准吹撒硬质粉末的方向凸出的微小凸曲面。因此，在这种凸透镜面的各个凸曲面上散射的光的集合体形成由图3中的(2)虚线表示的卷绕曲线。
2.光学元件封装件的制造方法
图4A～图7C是根据本发明实施例的光学元件封装件的制造方法的制造工序图。下面将参照这些附图详细描述光学元件封装件的制造方法的实施例。
首先，如图4A所示，准备用于形成多个光学元件封装件的引线框架10。在引线框架10中垂直和水平设置多个封装部1a。上述的2个引线电极3和5彼此平行地设置在封装部1a中。2个引线电极3和5通过框架形式的外引线7彼此连接，并且彼此整体形成。
引线框架10同样设置有用于金属模的定位孔9，金属模用于稍后执行的透镜树脂成型。将为金属模提供的用于定位的的导销插入定位孔9中。
接下来，如图4B所示，通过封装树脂11固定引线框架10中的各个内引线电极3和5。该封装树脂11具有板形式的外部形状，并且与引线框架10整体形成。封装树脂11具有多个上述的凹部11a，凹部11a在暴露各个封装部1a中的内引线电极3和5的一部分的情形下形成。例如，如上述形成的封装树脂11可以通过使用金属模塑造。
接下来，如图5A的平面图、沿着图5A的线A-A’的图5B的截面图、以及沿着图5A的线B-B’的图5C的截面图所示，将诸如LED芯片的光学元件13管芯焊接于引线电极3上，其芯片垫暴露于封装树脂11中的各个凹部11a。因此，光学元件13和引线框架10中的另一引线电极5通过导线15彼此连接。
作为上面的结果，形成板状结构17，其具有安装在封装树脂11中设置的多个凹部11a内的光学元件13。
图6A～图6C表示下一工序。图6A是平面图。图6B是沿着图6A的线A-A’取得的截面图，以及图6C是沿着图6A的线B-B’取得的截面图。如这些图所示，具有上述构造的结构17固定于用于透镜树脂成型的金属模21。
这里的金属模21通过下部模21-1和上部模21-2形成。下部模21-1具有3个用于定位的对应于设置在引线框架10中的定位孔9的导销P。于是，通过将3个导销P插入设置在引线框架10中的各个定位孔9将引线框架10与金属模21对准。此外，将对准的引线框架10的边缘夹入下部模21-1和上部模21-2之间，由此将结构17以预定的配置状态相对于金属模21固定。
在如上述的将结构17对准并固定于金属模21的状态下，在下部模21-1和上部模21-2之间形成用于容纳封装树脂11的腔21a。
在上部模21-2中的腔21a的顶面上配置和形成多个凹状透镜成型面Sr。设置凹状透镜成型面Sr，使得在结构17容纳于内部的状态下对应于结构17的各个凹部11a。形成具有这种凹状透镜成型面Sr的上部模21-2作为用于模塑参照图1描述的透镜树脂(19)的母模(阴模)。因此，上部模21-2的凹状透镜成型面Sr粗糙化为具有如主要部分的放大图中示出的微小凸曲面Sr1、Sr1、…的毛面。
特别地，同样在上部模21-2中，透镜成型面Sr的第一特征是各个微小凹曲面Sr1、Sr1、…通过曲面形成，所述曲面在垂直于透镜成型面Sr的各个表面部分的方向是凹的。即，在凹状透镜成型面Sr中设置各个微小凹曲面Sr1，使得垂直于与透镜成型面Sr的各部分接触的面的方向最深。
第二特征是各个微小凹曲面Sr1关于垂直于与透镜成型面Sr的各部分接触的平面的方向的轴而对称。
第三特征是微小凹曲面S1、S1、…各自在大小和高度上不相同，具有不规则的大小和高度，并且不规则地配置。
第四特征是微小凹曲面Sr1具有充分小于其底面直径的深度。
顺便提及，稍后将描述这种上部模21-2的生产方法。
形成罐21b和多条供给通路(所谓的浇注口)21c作为金属模21中除了腔21a以外的空间部分，罐21b中提供有将被填充注入腔21a的树脂19’，供给通路用于彼此连接罐21b和腔21a。此外，在下部模21-1和上部模21-2彼此叠加的状态下，在供给通路21c的相对侧，在下部模21-1和上部模21-2之间设置用于彼此连接腔21a和金属模21外部的排气孔21e。顺便提及，尽管可以仅设置一条供给通路，但是通过以多条支路来设置供给通路21c，可以防止供给通路21c的弯曲的同时，还可确保树脂供给。
罐21b是形成为注射器(其内设置有活塞21d)形状的空间部分。通过罐21b内设置的活塞21d的推动压力，将罐21b内的树脂19’通过供给通路21c提供给腔21a。
例如，以相等间隔将多条供给通路21c设置在形成腔21a的四个壁面之一，并且形成用于提供罐21b和腔21a之间相通的多个通道。
当如上所述将引线框架10固定于金属模21时，预先将下部模21-1和上部模21-2加热至大约150℃～200℃。此外，将未固化树脂19’滴入罐21b。
如上所述，利用对准并固定的结构17，通过罐21b内的活塞21b的向上推动将腔21b内未固化树脂19’经由多条供给通路21c注入填充到腔21a。从而，如上所述，将未固化树脂19’填充注入到容纳有结构17的腔21a的全部区域。这时，空气从设置在供给通路21c的相对侧的排气孔21e排到金属模21的外部。
此后，持续加压几分钟，而活塞21d的高度保持在将未固化树脂19’填充注入腔21a的整个区域的状态。
从而，如图7A所示，通过从金属模21加热将填充注入在腔21a的整个区域中的未固化树脂(19’)进行固化处理。于是，填充结构17的凹部11a，并且在各个凹部11a上形成具有向外凸的凸透镜面S的透镜树脂19。
接下来，如图7B所示，从金属模21移去结构17和与结构17一体地形成的透镜树脂19。从而，在通过在各个封装部1a中安装光学元件13而形成的结构17上，在各个光学元件13和各个导线15被密封的状态下设置具有凸状的透镜树脂19。具有凸状的透镜树脂19在封装部1a之间是连续的，并且被整体形成。
上述处理之后，如图7C所示，将透镜树脂19和结构17分为各个封装部1a。
作为上面的结果，获得通过用凸的透镜树脂19密封安装在引线电极3和5上的光学元件13和导线15而形成的多个光学元件封装件1。如参照图1所描述的，这样获得的光学元件封装件1中的透镜树脂19粗糙化为具有在垂直于凸透镜面S的各部分的方向凸出的微小凸曲面S1、S1、…的毛面。
3.用于成型透镜的母模的生产方法
图8A和8B表示用于成型在上述制造工序的透镜树脂的母模的生产方法。
首先，如图8A所示，准备用于形成母模的板材21-2’。假设板材21-2’由金属材料制成。于是，在板材21-2’中对应于形成各个透镜成型面Sr的位置的部分形成凹部23。在形成透镜成型面Sr的区域内形成各个浅于透镜成型面Sr的凹部23。各个凹部23的壁面形状不需要整体上类似于凹状的透镜成型面Sr。例如，通过切削处理形成凹部23，并且不需要经过镜面处理。
接下来，如图8B所示，准备具有凸放电曲面31s的放电电极31，其中，凸放电曲面31s具有基本等于透镜成型面Sr的凹状的曲率的曲率，即，与将要塑造的透镜树脂(19)的凸透镜面S基本相同的放电曲面31s。放电电极31的放电曲面31s不需要有微小凸曲面。然后，在油罐中，这种放电电极31在施加了高电压的状态下逐渐接近凹部23。
从而，在放电电极31的放电曲面31s和板材21-2’中的凹部23的内壁之间发生火花放电。并且板材21-2’的壁面被逐渐切削掉。这时，在放电曲面31s和板材21-2’中的凹部23的内壁之间的最短距离位置上发生火花。因此，最后，板材21-2’中的凹部23的内壁逐渐被处理成为与放电电极31的放电曲面31s保持相等间隔的凹状，此外，在垂直于处理面的各部分的方向不规则地切削侧壁。从而形成多个微小图曲面Sr1。
因此，顺序形成在板材21-2’中形成的全部凹部23作为具有多个微小凹曲面Sr1的凹状透镜成型面Sr。从而，生产用作形成透镜树脂(19)的母模的金属模(上部模21-2’)。顺便提及，可以同时使用多个放电电极31对在板材21-2’中形成的多个凹部23执行放电处理。
这种生产方法是这样一种成型方法，通过在其曲率基本等于透镜成型面Sr的凹状的曲率的凸放电曲面31s与板材21-2’中的凹部23的内壁之间的火花放电，逐渐切削板材21-2’的壁面。因此，在各个不规则位置的垂直于放电曲面31s的各部分的方向上，凹部23的内壁切的最深。从而，当凹曲面与作为凸曲面的放电曲面31s基本相同时，获得透镜成型面Sr，其中在垂直于与凹曲面Sr的各部分接触的平面的方向最深处的各个微小凹曲面(微小凹曲面Sr1)具有不规则的大小和高度，并且不规则地设置和形成。
此外，通过这种放电处理形成的各个微小凹曲面Sr1以垂直于与透镜成型面Sr的各部分接触的平面的方向为轴而对称形成。此外，由于放电的不规则性，各个形成的微小凹曲面Sr1在大小和深度上不相同，并且不规则地设置。此外，形成各个微小凹曲面Sr1，深度充分小于其底面直径。
结果，具有参照图6A～图6C描述的构造的金属模的上部模21-2，即，通过诸如放电处理的简单方法能够生产出用于形成提供平滑一致而不是无规则的光分布特性的透镜树脂的母模。
另一方面，尽管通过使用研磨膏等研磨而进行镜面处理得到母模，用该母模进行树脂成型来获得透镜树脂，这样的透镜树脂也可以提供平滑一致而不是无规则的光分布特性时，但是镜面处理花费大量时间。因此，对具有多个透镜成型面的母模的形成应用镜面处理时需要的花费和时间太多而不可行。
图9A是通过这种生产方法获得母模中的透镜成像面的光学显微镜图像。这个图示出通过根据上述实施例的方法获得由不规则形状的微小凸曲面而变粗糙的透镜形成面。
图9B是通过使用母模的树脂成型获得透镜树脂中的凸透镜面的光学显微镜图像。这个图示出通过根据上述实施例的方法获得由不规则形状的微小凸曲面而变粗糙的凸透镜面。顺便提及，图9A和图9B是各自的倍率的光学显微镜图像。
本领域技术人员应当理解的是，根据设计要求和其它因素，可以在所附权利要求书或其等同范围内进行各种修改、组合、再组合和改进。

Claims (5)

1.一种光学元件封装件的制造方法，所述方法包括以下步骤：
当形成覆盖芯片形式的光学元件的光学功能面的透镜树脂时，
通过具有凹状透镜成型面的母模执行树脂成型，所述透镜成型面形成为具有在垂直于与所述透镜成型面的各部分接触的平面的方向凹入的多个微小凹曲面的粗糙面；
通过使用具有塑造成凸透镜形状的放电曲面的放电电极进行放电处理而形成所述母模。
2.根据权利要求1所述的光学元件封装件的制造方法，其中，以垂直于与所述透镜成型面的各部分接触的平面的方向为轴，关于所述轴对称形成所述多个微小凹曲面。
3.根据权利要求1所述的光学元件封装件的制造方法，其中，所述多个微小凹曲面都形成为具有不同深度和不同大小之一的形状。
4.根据权利要求1所述的光学元件封装件的制造方法，其中，以小于所述多个微小凹曲面的底面直径的深度形成所述多个微小凹曲面。
5.根据权利要求1所述的光学元件封装件的制造方法，其中，当形成所述透镜树脂时，将未固化树脂填充注入通过使用所述母模形成的腔中，并且在所述填充注入时所述光学元件容纳于所述腔中。
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