用於將電路載體與殼體部件進行組裝的方法及光學單元的製作方法
2023-05-29 19:37:11 1
用於將電路載體與殼體部件進行組裝的方法及光學單元的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於將電路載體與殼體部件進行組裝的方法，並且還涉及使用這種特定的將電路載體與殼體部件進行組裝並且對準的方法而製造的一種用於發射和/或接收輻射的光學單元。所述方法包括以下步驟：提供所述電路載體並且提供具有至少一個第一開口的所述殼體部件，其中在所述電路載體上布置有至少一個電子部件；按照將所述電子部件相對於所述殼體部件中的所述第一開口對準的方式來對準所述電路載體，其中所述電子部件直接用作其在所述電路載體上的自身位置的基準；將所述電路載體固定在所述殼體部件處。
【專利說明】用於將電路載體與殼體部件進行組裝的方法及光學單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於將電路載體與殼體部件進行組裝的方法，此外還涉及使用這種特定的將電路載體與殼體部件進行組裝並且對準的方法製造的用於發射和/或接收輻射的光學單元。
【背景技術】
[0002]在組裝電子部件時，通常將它們安裝在某種電路載體上，並且電路載體必須要安裝在形成殼體或作為該殼體的一部分的機械零件處或機械零件內。在多個應用領域中，例如當組裝光電部件如發光二極體(LED)或光接收部件如光電二極體時，必須要實現電子部件相對於殼體、或另外的機械或光學零件(如透鏡和孔)、或殼體的開口的特別準確的定位。通常藉助於某種機械配件、或通過在印刷電路板(PCB)上設置藉助於自動組裝設備對其進行光學評估的基準來完成該對準。對PCB的對準藉助於機械定位輔助如開口來實現。因此，必須要考慮兩個對準步驟的公差。例如，通過設置在電路載體的金屬化層中的結構如十字、圓圈等來形成基準。
[0003]然而，特別對於光電應用，仍然需要提供以下改進了的對準方法，該對準方法使得殼體部件與電子部件之間的定位具有更高的準確性，此外可以以更具成本效益並且簡單的方式來進行。
【發明內容】
[0004]通過獨立權利要求的主題解決了本目的。根據本發明的方法及光學單元的有利實施方式為從屬權利要求的主題。
[0005]本發明是基於以下思想:可以通過將電子部件自身用作其位置的指示器來實現殼體部件中的開口與組裝在電路載體上的電子部件之間最準確的對準。因此電子部件自身具有基準的功能，並且其位置相對於殼體部件中的開口被評估。該解決方案首先具有以下優點:未使用將另外的公差及不準確性引入對準處理的中間結構。此外，由於除所組裝的電子部件以外無需設置另外的基準或機械對準結構，所以簡化了生產過程。
[0006]除開口以外，殼體部件的外圍區域或透明區域也可以用於將殼體部件與安裝的電子部件對準。
[0007]在對準步驟之後，電路載體與殼體部件彼此機械地連接以保持對準位置。
[0008]用於對準電路載體的一種很好地確立了的可能性是藉助於相機進行光學評估，其中通過以下來監視電子部件的位置:通過第一開口或另外的機械參照來拍攝電子部件的圖像，並且數字地評估這些圖像以得到這兩個部件相對於彼此的準確位置。例如，對於沒有孔的光學系統，電路載體上的晶片必須相對於透鏡的光軸被對準。
[0009]本發明特別適合於使殼體的零件與安裝有光電部件的電路載體對準。這樣的光電部件可以是發光二極體(LED)、或用於接收輻射的光電二極體，但也可以是用於安全和監視應用的飛行時間(time-of-flight)元件。
[0010]將電路載體固定至殼體部件的特別有效的方式是進行雷射焊接步驟。為此，可以為印刷電路板設置使得雷射束能夠被引導至殼體部件的第二開口。如果殼體部件在第二開口的位置處包括相應的可焊接材料，則藉助於雷射束來熔化可焊接材料並且建立至電路載體的連接。
[0011]替選地或另外地，還可以進行熱衝壓步驟。此外，還可以使用將兩個零件彼此固定的任何其它適合的方法如粘合或包覆成型(overmolding)。
[0012]如果開口為在光電部件的操作期間意在使入射或發射輻射束成形的光學功能性孔，則安裝在電路載體上的光電部件與設置在殼體部件中的開口之間的準確對準具有特別的相關性。例如，在光幕與光障的應用領域中，通常要求輻射束具有小的開口角。為此，在發光元件前面布置具有限定直徑的孔以減小開口角。
[0013]另一方面，對於接收元件，孔也可以有利地濾除任何噪聲輻射。
[0014]在任何情況下，必須儘可能精確地關於光學部件的光軸來設置孔。
[0015]本發明特別有利於藉助於板上晶片技術安裝的電子部件。然而，本發明當然也可以用於SMD(表面安裝器件)部件。此外，如果直接使用發光二極體(LED)在其SMD殼體內的晶片位置進行對準，則可以通過使用根據本發明的對準技術來消除該LED晶片在SMD殼體內的位置的不準確性。由於SMD殼體內LED晶片的公差較大，與COB部件相比本發明的對準的效果更高。
[0016]為確保任何所生成的熱快速散去並且此外為確保保持熱膨脹儘可能低，可以使用所謂的MCPCB(金屬芯印刷電路板)作為電路載體。金屬芯通常包括被電絕緣外層覆蓋的鋁合金。然而，本發明的原理當然也可以用於任何其它種類的電路載體如陶瓷電路載體或印刷電路板。
[0017]為建立殼體部件與電路載體之間的預定距離，可以在電路載體處設置一個或更多個間隔元件。這可以是例如覆蓋印刷電路板的表面的一部分的插入成型件(insertmolding)。
[0018]進行根據本發明的對準的最簡單的方法是使用連接有視頻處理單元的可移動XY致動器，視頻處理單元通過殼體部件的開口或沿殼體部件的周圍區域拍攝電子部件的圖像並且對圖像進行處理。
[0019]通過在殼體部件中設置金屬結構，可以實現殼體部件的熱穩定性與機械穩定性，其進一步增強了殼體部件與電子部件之間對準的準確性。特別地如在歐洲專利申請EP12166435.3或EP12166434.6中所提出的，可以通過包覆成型金屬結構來形成殼體部件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]將附圖合併至本說明書並且形成其一部分以示出本發明的幾種實施方式。這些附圖連同描述用於說明本發明的原理。附圖的目的僅為示出如何能夠做出並且使用本發明的優選以及替選性示例，而非被解釋為將本發明限於所說明與描述的實施方式。此外，實施方式的幾個方面可以單獨地或按照不同的組合形成根據本發明的解決方案。另外的特徵和優點從如在附圖中示出的以下對本發明的各種實施方式的更加具體的描述中會變得明顯，其中相同的附圖標記表示相同的要素，其中:
[0021]圖1是對電路載體的一部分的示意性表示；
[0022]圖2是對根據第一實施方式的電路載體的示意性表示；
[0023]圖3示出了根據本發明的對準過程的第一步驟；
[0024]圖4示出了該對準過程的下一步驟；
[0025]圖5示出了用於對圖4的對準結構進行固定的雷射焊接步驟；
[0026]圖6示出了光學單元的一個示例，該光學單元可以有利地使用根據本發明的對準方法進行組裝；
[0027]圖7示出了光學單元的另一個示例，該光學單元可以有利地使用根據本發明的對準方法進行組裝；
[0028]圖8示出了使用根據本發明的方法對不止一個部件的對準。
【具體實施方式】
[0029]電路載體100承載電子部件102，電子部件102藉助於板上晶片(COB)技術與設置在電路載體上的相應互連弓I線連接。
[0030]板上晶片技術的意思是將晶片(die)自身直接安裝在電路載體如印刷電路板100上，而不在電子部件102周圍提供任何另外的殼體。這是安裝例如LED晶片非常常見的方法。根據本發明的電路載體可以例如通過具有包括鋁合金的芯的金屬芯PCB(MCPCB)來形成。如已經提到的，還可以將其它類型的電路載體用於根據本發明的安裝過程。
[0031]然而，如上面已經提到的，還可以使用根據本發明的對準來有利地組裝SMD殼體中的標準LED晶片。
[0032]COB技術的典型特徵是電子部件102在印刷電路板自身上的定位相對於電路載體100的其他部分非常準確。例如，電子部件102相對於鑽孔104的中心的距離d可以按照± 50 μ m或更小的公差進行對準，鑽孔104例如可以用於在對準過程中與移動PCB的工具接八口 ο
[0033]將關於圖2至圖5詳細說明電路載體100相對於殼體106的一部分的對準。
[0034]在所示實施方式中，電路載體100具有電子部件102和接合開口 104，在接合開口104處用於移動電路載體100的自動機可以接合。通過對印刷電路板如MCPCB (金屬芯印刷電路板)進行包覆成型來設置間隔元件108。對於後續的焊接處理，PCB100具有開口 110。對於對準處理，將電路載體100帶至殼體部件106和工具112附近，工具112使得電路載體100能夠沿至少X和Y方向精確移動，並且與設置在電路載體100處的開口 104接合。
[0035]殼體部件具有孔114，其要與電子部件102的位置對準。藉助致動器112，電路載體100的位置相對於殼體部件104被改變，直到電子部件102可以在孔114中直接成像為止。間隔元件108保持電子部件102與殼體部件106之間的預定距離。
[0036]也可以給出透明零件如透鏡來代替孔114，並且使電子部件如LED相對於該零件對準。
[0037]光學對準系統從上方觀察電子部件102，並且確保兩個部件相對於彼此完全對準。在對準完成後，下一步驟是對電路載體100的相對於殼體部件106的最終固定。根據本實施方式，這藉助於雷射焊接步驟來完成。
[0038]在圖5中，附圖標記116代表所施加的雷射束，其被引導通過針對焊接步驟而設置的開口 110。雷射束116的能量導致殼體部件106和間隔元件108的材料熔化，從而形成穩固的雷射焊接的連接118。可替代地，也可以進行熱衝壓步驟或任何其它適合的處理例如粘合、超聲波焊接等，以使得在通過測量與定位系統將其保持在適當位置的同時將PCBlOO固定在殼體部件106處。
[0039]圖6示出了本對準方法的示例性應用，其中光學單元120承載電路載體100，其必須要考慮具有用於聚焦從LED102發射的光的孔114的殼體部件106來對準。
[0040]可以通過孔114對LED晶片102進行成像來直接確保LED與孔114之間的對準。可以例如通過包覆成型步驟來建立印刷電路板100與殼體部件106之間的固定。可替代地，當然也可以提供雷射焊接步驟。
[0041]可替代地，也可以相對於透明的殼體零件128(圖6中影線所示)來進行對準，以使發光中心線132相對於透鏡126的中間軸130對準。例如，可以將透鏡126和透明零件128製作成一個集成的成型零件，使得對準步驟的準確度將僅受加工準確度的影響。
[0042]如圖6所示，可以在用於透鏡和載體的相同模製工具中將殼體零件128製作成雙部件模製零件。例如在歐洲專利申請N0.12166434.6「Optical Module and Optical Unitfor a Light Curtain, and Fabricat1n Method」中描述了用於形成光幕的這樣的技術。通過這種集成雙部件技術，可以最小化從透鏡至殼體部件的公差，並且可以實現提高了的整體定位準確度。這樣的提高了的定位準確度不僅對於較大的單元如光幕重要，而且也可以有利地用於其它傳感器應用，如使用反射技術的飛行時間(TOF)傳感器或光學傳感器。基於反射概念的傳感器通常集成有一個或更多個接收器和一個或更多個發射器，並且因此，特別從光學部件和殼體零件(例如，透鏡或孔)之間的提高了的組裝準確度中獲益。
[0043]當然，本發明也可以用於在完全沒有孔的情況下電子部件102相對於透鏡126的對準。在圖7中描繪了這樣的系統。所有其它特徵與相對於之前附圖所說明的類似。
[0044]通過在塑料外層124中布置金屬芯122的方式製備殼體部件106，可以在對準步驟後維持特別精密準確的對準而不受熱膨脹的影響。
[0045]根據本發明的對準技術的優點可以首先在以下事實中看出:僅COB公差影響對準，並且因此可以實現比例如卡扣應用更佳的準確性。用於焊接的鑽孔表示雷射束的公差窗，使得雷射束不必嚴格在其焊接位置中。
[0046]當使單個LED相對於孔或透鏡對準時，可以對關於在PCB上安裝LED的所有公差進行補償，包括殼體中LED的放置公差。結果的公差僅受以下情況的影響:所進行的根據本發明的光學對準有多麼準確；以及因後續雷射焊接或其它固定處理而引起的對準的可能位移。如果在電路載體上安裝有不止一個電子部件，則自然地，部件相對於彼此的定位的公差對沒有直接用作基準的那些部件的對準品質具有影響。然而，不同部件相對於彼此的定位通常具有可接受的低公差，並且特別是與印刷的基準與電子部件之間的對準相比更加準確。由此，根據本發明的對準也導致了其中涉及多個電子部件的明顯改進。
[0047]此外，不必將印刷電路板100插入成型在大的區域上方，其難以在插入成型模具中密封，而僅在布置有間隔元件108的小的區域中。由此，印刷電路板不會由於熱影響發生撓曲。可以藉助通過孔114對電子部件102的位置成像的相機和視頻處理單元來控制電子致動器工具112。
[0048]圖8示出了在印刷電路板100上安裝第一電子部件102和第二電子部件103的情況。例如，第一電子部件包括具有光敏區105的接收器集成電路，其中第一電子部件102直接用於其自身在電路載體上的位置的基準。根據本實施方式，第一電子部件102不僅在將PCB相對於機械零件如殼體或透鏡來對準時而且在PCB組裝期間用作基準。特別地，光敏區105可以用作第二電子部件103在印刷電路板100上準確放置的基準。例如，當使用COB技術時，可以以特別簡單的方法來實施利用已經組裝的第一電子部件102對第二電子部件103的這種對準。由此，可以精確地觀測第一電子部件102與第二電子部件103之間的限定距離a和b。
[0049]在下一步驟中，可以針對作為第一電子部件102的具有LED的晶片來進行如上所述的對組裝的PCB的對準和安裝。特別地，光敏區105再次用作基準，現在是相對於殼體部件如透鏡或孔來對準PCB。
[0050]藉助該對準技術，特別是當將該技術與如圖6中所示的雙部件殼體結合時，可以實現反射傳感器和TOF傳感器的設計的全新的性能水平。對於這樣的應用，首先，兩個電子部件的高度準確的對準可以用於發射器與接收器在電路載體上的組裝。其次，更多部件模製殼體(再次使用發射器和接收器之一作為基準)的概念導致殼體部件相對於電子部件的高度精確的對準。這導致由於發射的輻射和接收器部分的感測區彼此更好地相互關聯而增強了的輻射產量和靈敏性。
[0051]可以看出，特定電子部件上的任何結構如LED的金屬電極或晶片的邊緣(例如，當安裝TOF部件時)都可以用作根據本發明的基準。
[0052]附圖標記
[0053]
【權利要求】
1.一種將電路載體與殼體部件進行組裝的方法，其中所述方法包括以下步驟: 提供所述電路載體並且提供具有至少一個第一開口的所述殼體部件，其中在所述電路載體上布置有至少一個第一電子部件； 按照將所述電子部件相對於所述殼體部件中的所述第一開口對準的方式來對準所述電路載體，其中所述第一電子部件直接用作所述第一電子部件在所述電路載體上的自身位置的基準； 將所述電路載體固定在所述殼體部件處。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在對準所述電路載體的步驟中，通過所述第一開口拍攝並且評估所述電子部件的圖像以進行對所述第一電子部件的位置的光學評估。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述第一電子部件是能夠操作以發送和/或接收輻射的光電部件。
4.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中在將所述電路載體固定在所述殼體部件處的步驟中，進行雷射焊接步驟、超聲波焊接步驟或粘合步驟。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述電路載體包括至少一個第二開口，並且將雷射束引導穿過所述第二開口以進行所述雷射焊接步驟。
6.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中在將所述電路載體固定在所述殼體部件處的步驟中，進行熱衝壓步驟。
7.根據權利要求3至6中的一項所述的方法，其中所述殼體部件中的所述第一開口是用於在所述光電部件的操作期間使入射輻射束和/或發射輻射束成形的光學功能性孔。
8.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中用板上晶片COB技術將所述第一電子部件組裝在所述電路載體上。
9.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中所述電路載體包括金屬芯印刷電路板MCPCB。
10.根據前述權利要求中的一項所述的方法，還包括以下步驟:在所述電路載體處提供至少一個間隔元件以沿著與所述電路載體限定的平面交叉的方向建立所述殼體部件與所述電路載體之間的預定距離。
11.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中在所述對準步驟期間，藉助於在至少兩個維度上的電子受控致動器來相對於所述殼體部件移動所述電路載體。
12.根據前述權利要求中的一項所述的方法，還包括以下步驟:當在所述電路載體上組裝第二電子部件時，通過將所述第一電子部件用作所述第一電子部件在所述電路載體上的自身位置的基準來對準所述第二電子部件。
13.一種用於發射和/或接收輻射的光學單元，所述光學單元包括:能夠操作以發送和/或接收所述輻射的光電部件；以及具有用於使所述輻射成形的孔的殼體部件，其中所述光學單元使用根據權利要求1至12中的一項所述的方法來組裝。
14.根據權利要求13所述的光學單元，其中所述電路載體包括金屬芯印刷電路板MCPCB。
15.根據權利要求14所述的光學單元，其中所述金屬芯包括鋁合金。
16.根據權利要求13至15中的一項所述的光學單元，其中所述殼體部件包括包覆成型的金屬結構。
17.根據權利要求13至16中的一項所述的光學單元，其中所述殼體部件包括將至少一個透明透鏡與不透明殼體結合的雙部件零件。
【文檔編號】H05K13/04GK104185413SQ201410222316
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年5月23日 優先權日:2013年5月27日
【發明者】馬丁·哈德格, 亨利·舒爾策 申請人:賽德斯安全與自動化公司