將光學(xué)透鏡附接到帶有電子光源的印刷電路板的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及LED組件和用于通過施涂包括硅樹脂或環(huán)氧樹脂的粘合劑并在低溫下熱固化粘合劑材料來附接光學(xué)透鏡到具有電子光源的印刷電路板的方法，電子光源例如是LED或OLED。
【專利說明】將光學(xué)透鏡附接到帶有電子光源的印刷電路板的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2011年5月16日提交的美國臨時專利申請61/486716和2012年5月16日提交的美國專利申請13/473427的優(yōu)先權(quán)，它們每一個都通過引用被全文并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明概括地涉及將帶有或不帶有透鏡支座的光學(xué)透鏡附接到具有電子光源的印刷電路板的方法以及所得到的組件。
【背景技術(shù)】
[0003]在印刷電路板上存在許多種類型的電子光源，其中包括，例如，發(fā)光二極管(LED)和有機發(fā)光二極管(OLED)。LED以在120和130度之間的寬發(fā)散角發(fā)光。在很多應(yīng)用中需要使光線平行并發(fā)散到不同的光線角度和聚焦深度。有大量不同類型的透鏡可用于全部的不同風格和形狀的LED。將透鏡附接到LED的目前的方法是利用非抗紫外線粘合劑或自粘膠。這些粘合劑的持續(xù)性通常不會多于幾年。這些粘合劑不得不通過手工分配并因此不能被精確地施涂。因為粘合劑被手工分配，所以過程中的變數(shù)被大大增加并且對過程的控制被大大消弱。人們擠壓分配施涂器的壓力在應(yīng)用和應(yīng)用之間以及人和人之間都是不同的。人際互動大大增加了這種變數(shù)。如果在透鏡的應(yīng)用過程中粘合劑落在LED上或轉(zhuǎn)移到LED上，那么這會對透鏡的性能帶來有害影響。這是一個十足的勞動密集型的過程，其結(jié)果參差不齊并且長期的粘合也不確定。因此，需要一種方式來使過程自動化，從而精確地將粘合劑分配在LED周圍以附接透鏡，而不使粘合劑轉(zhuǎn)移到LED表面上。本發(fā)明解決并克服了這些問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明涉及光學(xué)組件和通過施涂包括環(huán)氧樹脂或硅樹脂的粘合劑和任選的低溫熱固化，將帶有或不帶有透鏡支座的光學(xué)透鏡附接到具有電子光源例如發(fā)光二極管的印刷電路板的方法。
[0005]本發(fā)明的其它應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^下面提供的具體描述而明白易懂。應(yīng)當理解的是，詳細描述和具體的示例雖然指出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但都是僅用于說明目的而不是用于限制本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]本發(fā)明將通過具體描述和附圖而被更全面地理解，附圖不一定是按比例的，附圖中:
圖1圖示了已知的LED組件。
[0007]圖2圖示了已知的LED組件。
[0008]圖3圖示了圖2的透鏡支座。[0009]圖4圖示了將透鏡支座卡在LED包裝上的已知LED組件和方法。
[0010]圖5圖示了在不使用粘合劑的情況下圖4的透鏡支座被附接在LED包裝上。
[0011]圖6圖示了在本發(fā)明的范圍內(nèi)的LED組件。
[0012]圖7是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的LED組件的特寫側(cè)視圖。
[0013]圖8是在本發(fā)明范圍內(nèi)的過程的過程流程圖。
【具體實施方式】
[0014]下面對實施例的具體描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并決非用于限定本發(fā)明、其應(yīng)用或使用。
[0015]本發(fā)明涉及一種方法，優(yōu)選地是一種自動化或計算機化的方法或過程，用于分配粘合劑材料并用于使用粘合劑材料將光學(xué)透鏡附接到具有電子光源的印刷電路板，電子光源例如是發(fā)光二極管(LED)或有機發(fā)光二極管(0LED)，在本文中被可互換地稱為LED。
[0016]本發(fā)明的粘合劑材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、或它們的組合。粘合劑材料用作長期的、非退化的粘合劑來將外部的光學(xué)透鏡結(jié)合在LED上并提供對有害的環(huán)境因素的保護，例如潮濕和污染物。
[0017]可取的硅樹脂粘合劑的特征包括，但不限于，1-部分成分電絕緣、不透明、將塑料LED透鏡和透鏡支座附接在印刷電路板和塑料基體上的優(yōu)良粘合性、可在低于2 3 01F 熱固化以避免對全部類型的透鏡和透鏡支座的任何熱扭變的柔性硅樹脂、具有在約50000厘泊和70000厘泊范圍內(nèi)的粘度以允許一滴滴地分配在LED周圍以附接第二透鏡或透鏡支座的粘稠材料、透鏡和透鏡支座到全部類型的印刷電路板的優(yōu)良的粘合并提供了對潮濕和環(huán)境污染物的非常好的保護。可用作本發(fā)明中的商業(yè)上可獲得的硅樹脂粘合劑的不例包括但不限于Dow 737或738娃樹脂密封劑、Shin-Etsu 10-Seal-300、和HumisealR1-2145。優(yōu)選地，硅樹脂粘合劑材料成分包括結(jié)晶二氧化硅、有機聚硅氧烷或它們的混合物、或者它們的組合物。有機聚硅氧烷可以是直鏈有機聚硅氧烷。
[0018]硅樹脂粘合劑材料是可低溫固化的，優(yōu)選是在或低于230 T {HO 時在約一小時或更短的時長上固化，這是由于使塑料透鏡支座或透鏡變形的可能性。根據(jù)本發(fā)明的粘合劑材料在產(chǎn)品的壽命長度上將透鏡或透鏡支座固定并且不受紫外(UV)光的影響。硅樹脂粘合劑材料還提供了優(yōu)良的吸震性。
[0019]可取的可熱固化的環(huán)氧樹脂粘合劑的特征包括，但不限于，1-部分成分電絕緣、不透明、具有在約15000厘泊到35000厘泊范圍內(nèi)的粘度的環(huán)氧樹脂材料(粘稠的糊狀材料以用于從選擇性涂覆裝備中被分配出，該裝備包含計算機編程和控制的針分配閥)、可在更低時間和溫度(例如在100 c下7-15分鐘)下熱固化以避免對全部類型的透鏡和透鏡支座的熱扭變的硬環(huán)氧樹脂、顏色是白到灰、非常結(jié)實和堅固、使用NFT 76107方法測得的大于
5.0Mpa的剪切強度、透鏡和透鏡支座與全部類型的印刷電路板的優(yōu)良粘合并且提供了對潮濕和環(huán)境污染物的非常好的保護。適合用于本發(fā)明中的商業(yè)上可獲得的環(huán)氧樹脂粘合劑的不例是來自 Protavic America 公司的 Protavic ATE 10120。另外，來自 Ellsworth,Masterbond, Dow Corning, and Polymark公司的導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂也是合適的。
[0020]適合用在本發(fā)明中的粘合劑材料被用機器人的或其它計算機可編程自動化選擇性分配裝備精確地分配在LED周圍，優(yōu)選地，該分配裝備具有精確針閥，從而將LED的邊緣密封到印刷電路板并且提供足夠的材料以牢固結(jié)合光學(xué)透鏡或光學(xué)透鏡支座但不會提供過多的材料從而使其在透鏡或透鏡支座被附接時轉(zhuǎn)移到LED上。透鏡或透鏡支座可用手安置。粘合劑材料由機器人的或其它計算機可編程的選擇性分配裝備或機器施涂。針分配閥的大小由要被分配的材料的類型和材料的量確定。另外，有各種不同類型的針分配閥適合用在根據(jù)本發(fā)明的方法中，這包括加壓分配針閥。通過控制針移動橫過印刷電路板的速度和分配粘合劑的空氣壓力，與手動方法相比過程變數(shù)被大大減少，這提供了非常高度的過程控制。計算機控制的針分配閥，例如在Asymtek 940上，通常被編程為以約每秒4英寸到每秒6英寸的速度范圍并且以約65磅到75磅的壓力范圍分配材料。
[0021]商業(yè)上可獲得的分配裝備的示例包括但不限于來自精確閥和自動化(PrecisionValve and Automation)的 Asymtek 940 (使用 DV05 加壓分配針)和 PVA6000 (使用 FC100高壓分配閥)。
[0022]潛在的終端使用應(yīng)用包括但不限于需要附接第二光學(xué)透鏡的全部LED印刷電路板。
[0023]參照附圖，附圖1圖示了已知的LED組件(10)，其包括安裝到印刷電路板(13)上的LED (未示出)，多個透鏡支座(14)和透鏡(12)被附接到LED (未示出)上。圖1說明了通過卡合裝配的附接，該卡合裝備具有制造變化，這些制造變化會改變所附接的透鏡的保持強度。在這組件中，使用的是保形涂層(19)，而不使粘合劑。保形涂層指的是被施涂到電子電路的介電材料，用于保護不受潮濕、灰塵、化學(xué)物質(zhì)、和溫度極限的影響，這些在沒有涂層(未受保護)時可能導(dǎo)致電子系統(tǒng)的故障。保形涂層(19)不提供足夠的強度來將透鏡
(12)或透鏡支座(14)固定到印刷電路板(15)。在有大量的振動和沖擊的終端使用應(yīng)用中，透鏡或透鏡支座可能被振松并脫落。如在圖1中所示，透鏡支座(14)是圓錐形的并且透明的透鏡(12)被安裝在透鏡支座(14)內(nèi)。因此，圖1圖示了與本發(fā)明相比較差的方法和LED組件。
[0024]圖2圖示了使用透鏡支座(22)的已知LED組件(20)和方法，該透鏡支座(22)具有自粘材料(21)，其帶有可撕去的保護襯材(未示出)。為了將透鏡支座(22)安裝到印刷電路板(24 )上，襯材被撕去，這暴露出自粘材料(21)，并且透鏡支座(22 )被壓到印刷電路板
[24]上并在LED(26)上方。這種LED組件(20)和附接方法的問題是自粘材料(21)不會保持在透鏡或透鏡支座上并且隨著時間的流逝會失去其強度以至于透鏡或透鏡支座脫落。如圖2所示，透鏡支座(22)的自粘材料(21)具有低結(jié)合強度并且因LED (26)在操作中產(chǎn)生的熱而變軟并且松脫。在板上的任何類型的污染可對粘合強度具有進一步的負面影響。
[0025]有許多其它類型的透鏡支座和透鏡，它們都要求在LED包裝周圍的極緊的裝配。這些對緊度規(guī)定沒有給液體粘合劑的手工施涂的變化留有空間。透鏡支座與LED包裝的界面是在兩個部件被組裝時的在它們之間的沒有任何空間的精確裝配。當液體粘合劑用手施涂并且透鏡被附接時，材料會很容易轉(zhuǎn)移到LED (26)上并且對光輸出具有有害影響。與圖2的LED組件和方法相比，本發(fā)明的方法精確地施涂了預(yù)定量的粘合劑材料并且對特定區(qū)域施涂，由此消除了這種問題。
[0026]圖3圖示了圖2中的被附接到印刷電路板(24)并在LED (26)上方的透鏡支座
(22)。如所示，即使有間隙空間，這種間隙空間也不多。
[0027]圖4圖示了將透鏡支座(44)卡在LED包裝(48)上的已知LED組件和方法。它沒有提供良好的保持力，這是因為在制造中的不同的容差。透鏡支座(44)容易被震動或撞掉。圖4圖示了透鏡支座(44)和LED包裝(48)的界面。
[0028]圖5圖示了在不使用任何粘合劑的情況下圖4的透鏡支座(44)如何被附接在LED包裝(48)上。沒有任何針對潮濕或環(huán)境污染物的保護。
[0029]圖6圖示了在本發(fā)明的范圍內(nèi)的LED組件(60)和方法，LED組件(60)具有多個透鏡(未示出)或帶有被附接的透鏡(62)的透鏡支座(64)。具體來說，圖6圖示了在LED基部(68)周圍的被分配的粘合劑材料(67)和透鏡支座(64)的附接。LED組件(60)任選地被低熱固化。如在圖6中所示，LED組件(60)是預(yù)制構(gòu)件形式(66)的。本發(fā)明的方法使用計算機編程的涂覆裝備來選擇性地分配粘合劑材料，優(yōu)選地通過控制或改變針分配閥的類型。圖6圖示了 LED組件，其具有例如五個透鏡支座(64)和透鏡(62)，它們被附接到兩個印刷電路板(65)中的每一個上。如所示，
粘合劑材料(67)在透鏡支座(64)的外輪廓形狀內(nèi)被均勻地或一致地施涂到印刷電路板(65)。在本申請的這種方法中，不需要透明的保形涂層，因為粘合劑材料已經(jīng)完全密封透鏡或附接有透鏡的透鏡支座到印刷電路板，而不會將任何材料轉(zhuǎn)移到LED頂部發(fā)光表面(未示出)上。粘合劑材料的量是根據(jù)多種因素確定的，例如，終端使用應(yīng)用，并且被分配成允許粘合劑材料覆蓋LED的基部并密封LED不受污染物影響。
[0030]圖7是LED組件60的特寫側(cè)視圖，LED組件(60)位于面板(66)上，這示出了根據(jù)本發(fā)明被施涂至印刷電路板(65 )的表面的粘合劑材料(67 )和被牢固地附接到LED包裝(未示出)的透鏡支座(64)。該被施涂的粘合劑材料提供了所需的機械強度和針對污染物的保護。
[0031]本發(fā)明意圖處理和解決與分配粘合劑材料以在LED的壽命期間將光學(xué)透鏡結(jié)合到LED包裝并提供保護有關(guān)的問題。通過在LED周圍精確地分配粘合劑，在LED和印刷電路板之間形成保護性密封。通過計算機編程的選擇性分配裝備對硅樹脂或環(huán)氧樹脂粘合劑的受控和精確施涂消除了粘合劑向LED上的轉(zhuǎn)移。通過目前的手工施涂方法基本上是不可能實現(xiàn)此目的的。目前的粘合劑不提供針對潮濕或污染物的保護，本發(fā)明的粘合劑材料卻可以。本發(fā)明的粘合劑材料在低溫下被熱固化。
[0032]圖8是圖示了根據(jù)本發(fā)明的施涂方法的過程流程圖。本發(fā)明的方法包括將全部類型的透鏡支座和透鏡安置到安裝在全部類型的印刷電路板上的LED和0LED。板和透鏡通常是在未被附接的狀態(tài)下收到的。本領(lǐng)域技術(shù)人員無需過多的實驗就容易地知曉那種材料是給定的應(yīng)用所需要的。
[0033]為了施涂粘合劑材料，選擇性涂覆裝備的針分配閥被編程為精確地施涂材料到圍繞要被附接的透鏡或透鏡支座的基部的需要區(qū)域。透鏡或支座用手或通過使用被設(shè)計用于保持多個透鏡或透鏡支座的定制固定裝置組裝。一旦透鏡或透鏡支座被組裝在LED上，該組件此后被轉(zhuǎn)移到受控熱固化爐內(nèi)以消除或減少使透鏡或透鏡支座變形的風險。在分配到要被附接到印刷電路板以由此形成光學(xué)組件的透鏡或透鏡支座的外輪廓形狀后，粘合劑材料優(yōu)選在230 被固化約20-30分鐘。
[0034]在本發(fā)明的方法的另一方面，該方法用于針對例如其中需要對污染物進行額外保護的情況在粘合劑材料內(nèi)分配保形涂層，優(yōu)選地光學(xué)透明的、非變黃的保形涂層。因此，該方法還包括提供光學(xué)透明、非變黃的保形涂層和粘合劑材料，將粘合劑材料施涂到印刷電路板，并將光學(xué)透明的、非變黃的保形涂層材料施涂在粘合劑材料的周長上或附近，優(yōu)選在粘合劑材料的內(nèi)側(cè)周長上，其中每一者都是在低溫熱固化之前被施涂。粘合劑材料在印刷電路板上被施涂到透鏡或透鏡支座的周長并建立了包含光學(xué)透明的保形涂層的第二施涂的壩。保形涂層材料是獨特的，因為其可被施涂在LED上或轉(zhuǎn)移到它們上并且不會對發(fā)光輸出有有害影響。
[0035]適合與本發(fā)明的方法一起使用的保形涂層的示例包括但不限于硅樹脂涂層，例如2010年4月21日提交的共同未決美國專利申請12/799238和2011年5月10日提交的共同未決美國專利申請13/104842中的共有發(fā)明，這兩個文獻中的每一個都通過引用并入本文。硅樹脂粘合劑提供了將透鏡或透鏡支座固定到印刷電路板并提供對嚴苛環(huán)境、高達400叩的極端熱量和污染物影響的保護的雙重作用。
[0036]示例
進行了附接透鏡拉力測試。使用的裝備是阿美特克機械力計(Ametek MechanicalForce Gauge)模型L-20-M。用在測試中的環(huán)氧樹脂粘合劑材料是PROTAVIC ATE 10120，其商業(yè)上可從Protavic America公司獲得。力(磅)代表將安裝在印刷電路板上的透鏡拉掉的力的量
【權(quán)利要求】
1.一種用于將光學(xué)透鏡附接到具有電子光源的印刷電路板的方法，該方法包括: 使用自動化粘合劑分配機器施涂粘合劑材料到印刷電路板；以及 將光學(xué)透鏡或光學(xué)透鏡支座附接到被施涂的粘合劑材料以形成組件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括，對該組件熱固化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電子光源是發(fā)光二極管或者有機發(fā)光二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中粘合劑材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、或它們的組合。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中粘合劑材料是光學(xué)透明的。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中粘合劑材料是非變黃的。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中包括硅樹脂的粘合劑材料具有在約50000厘泊到70000厘泊范圍內(nèi)的粘度。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中包括環(huán)氧樹脂的粘合劑材料具有在約15，000厘泊到35, 000厘泊范圍內(nèi)的粘度。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中環(huán)氧樹脂具有在使用方法NFT76107測得的大于5.0MPa的剪切強度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中粘合劑材料是通過由針分配閥精確分配粘合劑材料來施涂的。`
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中粘合劑材料是通過加壓針分配閥分配的。
12.如權(quán)利要求2所述的方法，其中組件被熱固化到IlOsC或以下的溫度。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中硅樹脂粘合劑材料還包括結(jié)晶二氧化硅、有機聚硅氧烷或它們的混合物、或者它們的組合。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中有機聚硅氧烷是直鏈有機聚硅氧烷。
15.一種LED組件，包括: 具有電子光源的印刷電路板， 透鏡或附接有透鏡的透鏡支座，以及 粘合劑材料，其被圍繞著透鏡或透鏡支座的基部施涂到印刷電路板，粘合劑材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、或它們的組合。
16.如權(quán)利要求15所述的LED組件，其中粘合劑材料是光學(xué)透明的。
17.如權(quán)利要求15所述的LED組件，其中粘合劑材料是非變黃的。
18.如權(quán)利要求15所述的LED組件，其中硅樹脂粘合劑材料還包括結(jié)晶二氧化硅、有機聚硅氧烷或它們的混合物、或者它們的組合。
19.如權(quán)利要求18所述的LED組件，其中有機聚硅氧烷是直鏈有機聚硅氧烷。
20.—種LED組件，包括: 具有電子光源的印刷電路板， 透鏡或附接有透鏡的透鏡支座， 粘合劑材料，其被圍繞透鏡或透鏡支座的基部精確施涂到印刷電路板，以及保形涂層，其被圍繞著透鏡或透鏡支座的基部施涂到印刷電路板上的粘合劑材料的周長上或附近。
21.如權(quán)利要求20所述的LED組件，其中粘合劑材料被熱固化。
22.如權(quán)利要求20所述的LED組件，其中粘合劑材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、或它們的組合。
23.如權(quán)利要求22所述的LED組件，其中硅樹脂粘合劑材料還包括結(jié)晶二氧化硅、有機聚硅氧烷或它們的混合物、或者它們的組合。
24.如權(quán)利要求23所述的LED組件，其中有機聚硅氧烷是直鏈有機聚硅氧烷。
25.如權(quán)利要求20所述的LED組件，其中保形涂層包括硅樹脂。
26.如權(quán)利要求25所述的LED組件，其中保形涂層是非變黃的。
27.如權(quán) 利要求25所述的LED組件，其中保形涂層是光學(xué)透明的。
【文檔編號】H01L21/00GK103733303SQ201280023404
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】D.卡托尼, J.D.哈曼 申請人:薩特-R-盾公司