用于制造具有硅树脂光学系统的光学模块的方法、光学模块及其使用

摘要

本发明涉及一种用于制造光学模块的方法，包括以下步骤：a.提供具有第一表面（5）的衬底（1）；b.提供开放式铸模（6），其中至少一个光学元件（4、4′）的成型在所述铸模中被构造；c．利用增附剂（2）涂覆所述第一表面（5）；d．在由硅树脂（3）构造所述光学元件的情况下在所述开放式铸模中利用所述硅树脂（3）覆盖所涂覆的表面（2、5）；e．在所述铸模中使所述硅树脂硬化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光学模块的制造方法，该制造方法包括在开放式铸模中利用硅树脂来覆盖衬底的第一表面。本发明此外涉及一种光学模块，该光学模块包括具有第一表面的衬底和被施加在该第一表面上的由硅树脂构成的层，其中光学元件被构造在由硅树脂构成的层中。

背景技术

WO 2012/031703A1 描述一种用于板上芯片模块的制造方法，在所述板上芯片模块中衬底包括具有多个LED的板状载体，其中该衬底的表面在开放式铸模中以覆盖的方式配备有用于构造光学系统的层。

发明内容

本发明的任务是说明一种用于制造光学模块的方法，该方法能够实现在选择所使用的硅树脂时的高灵活性。

该任务通过一种用于制造光学模块的方法来解决，该方法包括以下步骤：

a．提供具有第一表面的衬底；

b．提供开放式铸模，其中至少一个光学元件的成型在该铸模中被构造；

c．利用增附剂涂覆第一表面；

d．在由硅树脂构造光学元件的情况下在开放式铸模中利用硅树脂覆盖所涂覆的表面；

e．在铸模中使硅树脂硬化。

通过将增附剂施加到衬底的要涂覆的表面上，可以在铸模中避免或减小辅助物质到硅树脂的掺合。此外，较大类别的硅树脂可供用于涂覆。其它的有利的效果是被硬化的硅树脂从铸模的良好的脱离。特别是在此当前可以舍弃铸模的涂覆或具有分离薄膜的铸模的设计。

本发明意义上的光学元件应被理解为层中的任何成型，该成型根据需要也在UV范围内和/或在IR范围内允许光的明确定义的穿透。在优选的实施方式中，光学元件特别可以是透镜、例如聚光透镜、散射透镜、圆柱形透镜、菲涅耳透镜或诸如此类。在另外的实施方式中，光学元件但是也可以在于光的散射、通过棱镜的分开或诸如此类。用于光的简单穿透的平面平行的面的构造也是本发明意义上的光学系统。具有被成型在其中的光学元件的聚合层构造直接布置在该衬底上的光学系统。

衬底在铸模中的覆盖可以以不同的方式实现。或者可以首先把硅树脂带到铸模中，此后将衬底浸入到该硅树脂中。替代地，为此也可以首先将衬底置入到至少部分空的铸模中，此后受控地填入硅树脂。无论如何，该铸模优选地具有如桥接片、凸起部或诸如此类的结构，在所述结构上放上并且定位该衬底。

在一个优选的实施例中，硅树脂不包含作为掺杂物的增附剂。由此尤其可以获得特别好的UV透射性。

硅树脂可以优选地包含用于使硬化过程开始的催化剂。例如在此可以涉及铂或类似物质的很少的掺合。通过催化的引起的硬化可以获得硅树脂的高纯度。特别优选地，硅树脂的硬化当前不借助UV光实现，因为在许多情况下对于UV光的高透射性恰巧是所期望的。

此外优选地，该方法包括将铸模中的硅树脂加热到所定义的温度以便使硬化开始和/或加速的步骤。例如可以通过加热来加速催化引起的硬化，这使得该方法更有效并且进一步降低所需要的催化剂量。但是也可设想仅仅通过提高的温度来实现的硬化。典型的所定义的温度处于以下范围之下，在这些范围中能预料到硅树脂的脆化或其它的退化。示例的温度范围处于大约100℃，优选地低于140℃。所定义的温度尤其也依赖于哪些温度与衬底兼容。

在一种特别优选的实施方式中规定，硅树脂在被引入到所述铸模中之前直接被构造为至少两种硅树脂的混合物。这样的两或多组分的系统可在市场上买到，其中通过两种特别是高纯度的硅树脂的混合又得到高纯度的硅树脂，在该硅树脂中然而通过混合启动硬化过程或交联。因此例如可以设计两种硅树脂之一，使得该硅树脂包含用于使混合物硬化的催化剂，该催化剂但是单独地不使该硅树脂交联。

一般来说有利地，该硅树脂是高纯度的并且包含少于100ppm的杂质。特别优选地，杂质的含量少于10ppm。杂质在此应被理解为除了催化剂之外的所有的有机的或其它的掺合物，这些掺合物不属于被交联的、被硬化的硅树脂系统本身。不期望的杂质的实例是被掺合的增附剂。一般来说，具有碳链键的组分也被视为不期望的杂质。这样的键经常不是UV稳定的。因此根据本发明所期望的硅树脂具有至少在硬化之后可能单独的例如甲基剩余族形式的碳原子。由于硅树脂的高纯度，特别是可以获得特别高的UV耐久性（Best?ndigkeit）。这不仅涉及硅树脂的机械耐久性，而且涉及光学耐久性，因为在存在已经少量的污物的情况下出现UV照射的硅树脂的提早的变黄。

为了最小化衬底到硅树脂的过渡范围内的不利效应，优选地规定，增附剂以小于100nm的平均层厚度被施加到表面上。在此对于光学特性来说尤其值得期望的是，增附剂的层厚度处于穿过光学元件的光的半波长以下。进一步优选地，该层厚度小于10nm、特别是不大于10个单层。由于增附剂的功能，仅仅一个单层的施加是理想的并且所期望的。

增附剂到衬底上的涂敷可以以合适的方式、例如通过浸入、蒸发、滴落（auftropfen）、喷溅或借助旋转涂覆实现。特别优选地，在该涂敷之后例如通过吹掉过量的增附剂来实现所涂敷的层的变薄。

增附剂优选地自身是UV稳定的。如果层是足够薄的，那么增附剂由于UV辐射的退化至少可以被容忍。用于硅树脂的增附剂一般是已知的并且依赖于各自要使用的衬底。增附剂经常具有分子，这些分子具有连接在衬底上的第一端基和连接在硅树脂上的第二端基。优选地涉及通过化学键连接在硅树脂上的增附剂。增附剂可以根据情况以化学和/或物理方式、例如通过粘结或范德华力连接在衬底上。典型的增附剂由反应的硅氧烷和硅树脂的混合物组成。特别是所述端基可以根据衬底被优化。

为了优化开放式浇铸方法而规定，硅树脂在硬化之前具有小于1000mPa*s的粘度。该粘度优选地小于100mPa*s，特别优选地小于50mPa*s。这些低粘度允许铸模的无气泡的并且快速的填充并且特别是允许衬底的无气泡的遮盖。在此例如被浸入的衬底所挤出的过量的硅树脂可以容易地在溢出口处流出。

一般来说有利地规定，被硬化的硅树脂具有10至90 肖氏A（Shore A）范围内的硬度。该硬度特别优选地处于50至75 肖氏A的范围内。由此给定足够的机械稳定性，以便也确保要求高的光学系统的精确的成形。同时，涂层由于其高弹性而提供很好的保护以免受机械影响、如碰撞、震动或热决定的机械张力。

在一种一般来说优选的实施方式中规定，由硅树脂组成的光学元件相对于在小于400nm的波长范围内大于1W/cm²的照射强度具有持久的UV耐久性。特别优选地，该耐久性相对于大于10W/cm²的照射强度还可以存在。已经显示出，特别高纯度的硅树脂是用于与UV辐射一起使用的很好的材料。持久的耐久性在此应被理解为照射可以在至少几个月的长的时间间隔上施加，而硅树脂没有明显地退化或褪色或变黄。根据本发明的模块的优选的UV耐久性因此显著地处于材料相对于太阳辐照的通常的UV耐久性之上，该太阳辐照可以被估计为大概0.15W/cm²。

在本发明的一种优选的实施方式中，衬底包括具有至少一个LED的载体。特别优选地，光学元件在此直接被布置在LED上。对于这样的模块一般来说参考文献WO 2012/031703。该衬底特别是可以是具有多个LED并且可能具有其它的电子器件的板上芯片模块（COB）。这些LED特别是可以在UV范围内辐射。优选地、但是不是必需被使用的LED的峰值波长处于350至450nm的范围内。优选的子范围是365±5nm、375±5nm、385±5nm、395±5nm和405±5nm。LED的光谱半值宽度典型地处于20至30nm的范围内。在该基础上，光谱宽度可以为50至70或更大nm。总体上，通过根据本发明的方法可以提供具有LED的材料一致地一体式地被施加的初级光学系统的LED模块。该LED模块在此特别优选地在UV范围内辐射。

这样的LED模块可以特别是在UV范围内产生高辐射强度。所述LED模块可以优选地被用于构建发光体，所述发光体将高照射密度聚束成所定义的结构。特别优选的使用针对用于干燥涂层的装置的构建而存在。这样的装置例如可以被用于在印刷方法、特别是胶版印刷方法中干燥漆。

在另一个实施例中规定，衬底具有透光的载体，其中该载体和光学元件共同地构造光学系统。在这样的光学系统中，该载体原则上可以由与所施加的层相同的或不同的材料组成。优选地，该载体例如由玻璃组成。特别是可以涉及UV可透射的玻璃、例如石英玻璃。

在另一种优选的实施方式中规定，在步骤e之后此外涂覆第二表面，其中第二表面的涂覆同样包括方法步骤a至e。因此例如可以在中央载体、例如玻璃板上制造具有两个相同或不同地形成的层侧面的光学系统。也可设想的是，以该方式在两侧涂覆具有LED的模块。在此或者LED可以存在于两侧上，或者第二侧上的涂层仅仅用于保护模块例如以免碰撞、水的侵入或诸如此类。

第二表面在此或者可以是例如在涂覆在第一涂层对面的衬底侧面的情况下衬底的第二表面，或者也可以是另外的表面。特别是可以是第一涂层的外表面，然后在该方法的重新应用中第二涂层被施加到该第一涂层上。根据需要可以将第二层直接施加到该第一层上。替代于此，第二表面也可以属于如调质、金属蒸镀等等的中间层，该中间层例如首先被施加到第一涂层上。

本发明的任务此外通过一种光学模块来解决，该光学模块包括具有第一表面的衬底和被施加在该第一表面上的由硅树脂构成的层，其中光学元件借助开放式浇铸方法被构造在由硅树脂构成的层中，其中在该第一表面和由硅树脂构成的层之间布置有由增附剂构成的层。通过由增附剂构成的层的设置能够实现硅树脂与衬底的好的并且整面的连接。

根据本发明的光学模块此外优选地包括一个或多个按照权利要求1至13之一的特征。特别是可以按照根据本发明的方法制造该光学模块。原则上，但是也可以按照不同的方法来制造该光学模块。

本发明的任务此外通过发光体来解决，该发光体包括根据本发明的光学模块。

根据本发明，这样的发光体优选地被用于干燥层。在此可以优选地涉及在印刷方法中的使用。

本发明的其它优点和特征由随后描述的实施例以及从属权利要求得出。

附图说明

随后描述并且借助附图进一步解释本发明的多个优选的实施例。

图1示出根据本发明的模块的第一实施例的示意性截面图。

图2示出在光学模块的根据本发明的制造过程中开放式铸模和衬底的两个图示。

图3示出图2中的铸模的变型。

图4示出本发明的第二实施方式的光学模块的三种变型的截面图。

图5示出按照图4的模块的第一改进方案。

图6示出按照图4的模块的第二改进方案。

图7示出按照图4的模块的使用的一个实例。

图8示出本发明的不同实施例的组合使用的一个实例。

具体实施方式

按照图1的光学模块包括衬底1，由增附剂2构成的层被施加在该衬底上。由硅树脂形成的层3被施加在该增附剂2上，该层当前包括多个聚光透镜形式的光学元件4。

衬底1在此由具有载体1a的板上芯片模块（COB）组成，在该载体上布置有多个LED 1b。增附剂2遮盖衬底的第一表面5，该第一表面部分地由载体1a的表面并且部分地由LED 1b和其它器件（未被示出）的表面组成。

在根据图4至图6的本发明的另外的实施例中，衬底不是由LED模块组成，而是由透光的载体1、当前由玻璃板组成。载体1与一个或多个类似于第一实例被施加的具有被构造在其中的光学元件4、4′的硅树脂层3、3′共同地构造光学系统10。当前，衬底或透光的载体1分别作为具有平面平行的表面的板被示出。但是根据需要该载体也可以包括光学元件、诸如透镜。

在按照图4的上面的实例中，光学元件4类似于第一实施例被构造为聚光透镜。

在按照图4的中间的实例中，光学元件4被构造为菲涅耳透镜。

在按照图4的下面的实例中，光学元件4被构造为光折射的结构或成型的准随机的聚集，由此获得散射效应。

层3、3′分别由具有大约65肖氏A硬度的高纯度的硅树脂组成。该硅树脂是无色并且透明的。该硅树脂在大约300nm到大约1000nm的波长范围内是可高度透射的。该硅树脂相对于具有低于400nm的波长和大于10 Watt/cm²的能量密度的持久的照射是抗UV的。

前面所描述的光学模块的制造分别按照以下方法来实现：

首先，提供开放式铸模6（参见图2），该铸模尤其包含用于光学元件4的成型的阴模。此外，在模子6中设置有用于衬底1的定位支承的桥接片或凸起部形式的支承体6a。

此后，衬底1在其要涂覆的表面5上必要时在清洁步骤之后利用增附剂2来涂覆。该涂覆例如通过过量物质的滴落和吹掉来实现，由此同时实现剩下的增附剂的干燥。在理想情况下，所涂敷的增附剂的厚度仅仅为单层，但是无论如何优选地小于100nm。

一旦该衬底以该方式被制备，由两种组分构成的硅树脂混合物就被制造并且被引入到开放式铸模中。在此一种组分包含催化剂并且另外的组分包含交联剂（Vernetzer）。该混合物具有当前小于50 mPa*s的粘度。通过组分的混合，原则上开始硬化过程，但是该硬化过程在低的温度、诸如室温的情况下相当慢地进行。

随后，该衬底受控地以被涂覆的表面5向下被引入到铸模中并且被浸入到硅树脂混合物中（参见图2，左侧）。

在此，特别是溢出口7可以如在图3中示意性地被示出的那样被设置在铸模上。该溢出口结合硅树脂的低粘度导致，衬底的浸入深度是明确定义的并且特别是被衬底所挤出的硅树脂可以流出。以该方式例如在需要时可以确保，除了衬底的表面5之外，衬底的端面也被层3的环绕的边缘8遮盖，但是衬底的背面9不被涂覆。但是在另外的实施方式中，衬底的完全包覆也可以是所期望的。

该边缘8一方面在保持在载体衬底的边缘上或这些光学系统的边对边（auf Sto?）的模块化的排列的情况下具有用于载体衬底1的保护功能，并且该边缘能够实现衬底的直接的、无缝的、透明的排列并且因此能够实现两个载体衬底之间的光学界面处的光偏转的最小化。

在衬底被定位在支承体6a上之后，在需要时还控制是否表面5的润湿完全并且特别是在没有气泡的情况下被实现。在本发明的一种可能的改进方案中，衬底的浸入也可以在真空中实现，以便减少气泡的问题。但是一般来说，由于低粘度也可以在非真空的情况下实现无气泡的涂覆。

在定位之后实现硅树脂的硬化或交联。这适宜地通过温度提高显著地被加速。在大约100℃的温度的情况下，该硬化可以在典型地半个小时内实现。在150℃的范围内的温度的情况下，该硬化典型地在几分钟内实现。在选择用于该热硬化的温度时也应该考虑相应衬底的特性。

一旦该硅树脂被硬化，就可以将现在被涂覆的衬底从可重复使用的铸模取出，参见图2中的右图。

因为当前高纯度的硅树脂在该硅树脂中没有掺合增附剂的情况下被使用，所以也不需要用于将硅树脂3从模子6分离的其它措施。特别是舍弃具有分离薄膜或诸如此类的铸模的设计。由此简化该制造并且能够实现铸模的结构的很精确的浇铸。

前面所描述的方法可以在需要时多次相继地被应用于相同的对象。图5和图6示出本发明的实施方式，所述实施方式分别是图4中的实例的这种改进方案。在此分别在制造具有光学元件4的第一层3之后制造具有光学元件4′的第二层3′。

在按照图5的实例的情况下，第二层3′被施加到当前被构造为平板的衬底1的背面或相对侧上。为此该衬底只须在还未被涂覆的侧9上配备增附剂2并且然后向前被引入到相应的铸模6中。其它的方法步骤如前面所描述的那样实现。

在图5所示出的实例中，为了图解目的，衬底1的第一表面5或正面已经涂覆有多个聚光透镜4。衬底1的第二表面9或背面涂覆有菲涅耳透镜4′，所述菲涅耳透镜分别与聚光透镜4对准。

在图6中所示出的实例中，首先当前具有菲涅耳透镜的层3被施加到了衬底的第一表面5或正面上。随后，增附剂2被施加到了该层3上并且具有聚光透镜4′的第二层3′被施加到了该第一层3上。在该情况下，被施加的第一层3是本发明意义上的衬底，并且该层的外表面是第二表面9。

原则上，这样的多个层的数量和构型不受限制。

所述层也可以具有浇铸材料的不同的组成，特别是不同的浇铸材料和/或浇铸材料的混合。因此不同的特性可以相互被组合，或者光学特性在施加多个层时例如通过所使用的浇铸材料的折射系数的轻微的改变几乎逐渐地被影响。同样，当前完工的边界层可以在施加下一层之前例如通过硅树脂边界层、介电或金属涂层的通过溅射、喷洒、润湿或其它常用的表面涂层方法硅烷化（Silanisierung）而被影响并且被改变。

前面，特别纯的硅树脂的使用作为优选的被提及，以便在临界的波长范围内优化特别高的透射和材料耐久性。但是，浇铸材料原则上可以利用光学有效的材料来填充，以便因此产生其它的光学功能性、诸如借助发磷光和发荧光的物质、诸如稀土元素的引入的光波长的转换，或者以便借助散射物质、诸如透明的或半透明的（例如由玻璃或陶瓷构成的）颗粒或金属颗粒的引入来影响光学系统的不透明性。

图7示出前面所描述的光学系统10结合平面光源的优选的使用。该光源在此被构造为具有多个被布置在光栅中的LED的LED模块11。光学系统间隔地被布置在该光源之前并且以所期望的方式、当前通过分别被分配给LED的聚光透镜来折射各个LED的光。

图8示出另一优选的使用，在该使用中按照图1的根据本发明的模块与按照图4的根据本发明的模块组合。在此总体上存在第一光学模块，该第一光学模块被构造为具有初级光学系统3的LED模块1、1a、1b。被构造为光学系统10的第二光学模块安置在该第一光学模块之前。当前两个模块分别具有多个与LED相关的聚光透镜，所述聚光透镜以共同作用的方式总体上传送LED的大的张角。