專利名稱：無焊料的發(fā)光二級管組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)光二極管(LED)陣列及其組件，更具體地涉及但 不限于不采用焊料的發(fā)光二極管(LED)陣列及其組件。
背景技術(shù)：
自電子工業(yè)的最早期以來，電子產(chǎn)品的組裝，更具體地，將電子部件持 久地組裝到印刷電路板上已經(jīng)涉及到了利用某種形式的溫度相對較低的焊 接合金(例如，錫/鉛或Sn63/Pb37)。原因是多樣的，但是最重要的一個(gè)原 因是便于大量地接合印刷電路與大量電子部件的引線之間的上千個(gè)電子互 連。
鉛是劇毒物質(zhì)，暴露于鉛可以產(chǎn)生大量已知的不利于健康的影響。在本 文中要強(qiáng)調(diào)的是，焊接操作產(chǎn)生的煙霧對工人很危險(xiǎn)。該工藝可以產(chǎn)生作為 鉛氧化物(來自鉛基焊料)和松香(來自焊料助熔劑(solder flux ))的組合 物的煙霧。這些成分的每一個(gè)都已顯示出潛在的危險(xiǎn)。另外，如果減少電子 裝置中的鉛數(shù)量，也會(huì)減輕開采和冶煉鉛的壓力。開采鉛會(huì)污染當(dāng)?shù)氐牡叵?水供應(yīng)。冶煉會(huì)導(dǎo)致工廠、工人和環(huán)境的污染。
減少鉛用量也會(huì)降低廢棄電子裝置中的鉛數(shù)量，降低垃圾和其它不安全 位置處的鉛水平。由于回收用過的電子產(chǎn)品的難度和成本以及疏于對垃圾出 口的強(qiáng)制立法，大量用過的電子產(chǎn)品被輸送到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)較低且工作條件較差 的國家，諸如中國、印度和肯尼亞。
因此，存在減少錫/鉛焊料的市場和立法壓力。具體地，歐盟于2003年 2月批準(zhǔn)了在電氣和電子設(shè)備中使用某些有害物質(zhì)的限制令(Directive on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)(通常稱為有害物質(zhì)限制令或者RoHS )。 RoHS限制令 于2006年7月1日生效，被要求強(qiáng)制實(shí)行并成為每個(gè)成員國的法律。該限 制令限制了在各種類型電氣和電子設(shè)備的制造中使用包括鉛的六種有害材 料。這與廢舊電氣和電子設(shè)備限制令(WEEE， Waste Electrical and ElectronicEquipment Directive) 2002/96/EC緊密相關(guān)，其設(shè)定了電氣產(chǎn)品的收集、回 收和再利用的目標(biāo)，并且是開始解決大量有毒電子裝置垃圾問題的立法的一 部分。
RoHS沒有排除在所有電子裝置中使用鉛。在要求高可靠性的某些裝置 中(如醫(yī)療裝置)允許繼續(xù)使用鉛合金。因此，電子裝置中的鉛繼續(xù)受到關(guān) 注。電子工業(yè)一直在尋求錫/鉛焊料的可實(shí)現(xiàn)的替代物。當(dāng)前使用的大部分常 規(guī)替代物是SAC類物質(zhì)，其是含錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)的合金。
SAC焊料也具有嚴(yán)重的環(huán)境問題。例如，開采錫對于當(dāng)?shù)睾腿澜缍际?有害的。在亞馬遜雨林發(fā)現(xiàn)了大量的錫礦藏。在巴西，這已經(jīng)引起了道路修 筑、森林欲伐、移民、土壤退化、大壩、尾礦池和土丘的產(chǎn)生、以及冶煉操 作。在巴西開采錫的最嚴(yán)重的環(huán)境影響大概是河流和小溪的淤泥充塞。這樣 的退化永久地改變了動(dòng)物和植物的形態(tài)、毀壞了基因庫、改變了土壤結(jié)構(gòu)、 引入了有害物和疾病、并且造成不可恢復(fù)的生態(tài)損失。
由巴西環(huán)境的管理不善引起的世界范圍內(nèi)的生態(tài)問題是眾所周知的。這 些生態(tài)問題覆蓋了從雨林破壞引起的全球變暖壓力到動(dòng)植物生命多樣性破 壞造成的對制藥工業(yè)的長久損害。巴西采礦僅是錫工業(yè)的破壞性影響的一個(gè) 示例。大量的礦藏和開采操作也出現(xiàn)在印度尼西亞、馬來西亞和中國這樣的 發(fā)展經(jīng)濟(jì)的態(tài)勢超過了對生態(tài)保護(hù)的關(guān)注的發(fā)展中國家中。
SAC焊料還具有其它問題。它們需要高溫、浪費(fèi)能量、脆弱、并且會(huì)引 起可靠性問題。熔化溫度使得部件和電路板可能被損壞。這對于某些類型的 發(fā)光部件(諸如LED)而言是非常重要的問題，因?yàn)椴捎玫沫h(huán)氧樹脂的熔化 溫度難以承受組件所需的溫度。此外，尤其麻煩的是，將裝置組裝到散熱基 板上，期望由此可以排放運(yùn)行部件的熱量。
各合金組成的化合物的正確用量仍在研究之中，并且長期穩(wěn)定性也是未 知的。而且，如果表面準(zhǔn)備不適當(dāng)，SAC焊接工藝傾向于形成短路(例如， "錫須(tin whiskers )"和開路。無論采用錫/鉛焊料還是SAC類物質(zhì)，致密 金屬都會(huì)增加電路組件的重量和高度。
因此，需要焊接工藝及其附帶的環(huán)境和實(shí)際問題的替代物。
盡管焊接合金已經(jīng)很普遍，但是也已經(jīng)提出和/或采用了其它的接合材 料，諸如導(dǎo)電結(jié)合劑形式的所謂的"聚合物焊料"。此外，人們還致力于通 過為部件提供插口來制作可分離的連接。還有開發(fā)為連接功率和信號(hào)負(fù)載導(dǎo)體的電氣和電子連接器，該連接器被描述為具有要施加恒定的力或壓力的各 種彈性接觸結(jié)構(gòu)。
于此同時(shí)，人們已經(jīng)持續(xù)地致力于使更多的電子裝置具有更小的體積。 因此，最近幾年，在電子工業(yè)內(nèi)對將集成電路(IC)芯片堆疊在封裝體內(nèi)以
及IC封裝體本身堆疊的各種方法很感興趣，所有這些都是旨在減少沿z或
垂直軸的組裝尺寸。這對于用于發(fā)光應(yīng)用的LED組件來說比較不重要。
人們也正在致力于通過在電路板內(nèi)嵌入某些部件(主要為無源器件)來
減少印刷電路板(PCB)上的表面安裝部件的數(shù)量。
在IC封裝的創(chuàng)建過程中，人們也曾致力于通過直接在基板內(nèi)設(shè)置未封
裝的IC器件并通過對芯片接觸直接鉆孔和鍍覆使它們互連來埋設(shè)有源器件。
盡管這樣的解決方案在特定的應(yīng)用中提供了益處，但是芯片的輸入/輸出 (I/O)端子會(huì)非常小，并且成為精確地制作這種連接的挑戰(zhàn)。而且，制造
完成的器件可能不會(huì)成功地通過老化測試，從而使得前功盡棄。
另一個(gè)關(guān)注的領(lǐng)域是熱管理，這是因?yàn)槊芗庋b的半導(dǎo)體器件(諸如，
LED)會(huì)產(chǎn)生降低組件可靠性的高的能量密度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供改善的發(fā)光二極管(LED)組件。 簡言之，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是發(fā)光二極管(LED)組件形式的電 氣裝置。提供了多個(gè)LED的組，其中每個(gè)LED具有陽極和陰極。基底以基 本上固定的關(guān)系保持LED,同時(shí)一個(gè)或多個(gè)陽極導(dǎo)體通過以不包括任何焊料 為特征的方式電連接到一個(gè)或多個(gè)LED陽極。類似地， 一個(gè)或多個(gè)陰極導(dǎo)陰極。
簡言之，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是制造多個(gè)發(fā)光二極管(LED)的 組件的工藝，其中每個(gè)LED具有陽極和陰極。LED以基本上固定的關(guān)系固 定到基底。LED陽極的每一個(gè)電連接到陽極導(dǎo)體，其中可以存在一個(gè)或多個(gè)
似地，LED陰極的每一個(gè)電連接到陰極導(dǎo)體，其中也可以存在一個(gè)或多個(gè)陰 極導(dǎo)體，并且它們到陰極的連接也以不包括任何焊料為特征的方式完成。 本發(fā)明的全部優(yōu)點(diǎn)源自于在LED組件中去除焊料的使用，并且在LED組件的制造中去除焊接。
去除使用焊料的優(yōu)點(diǎn)是在LED組件中不再需要焊料中的金屬。歷史地
看，這些金屬曾經(jīng)僅僅是比較昂貴。然而，這里具體關(guān)心的是，本發(fā)明可以
降低LED組件的環(huán)境成本。焊料中的金屬的開采、冶煉、處理和最后的處 置都傾向于損害環(huán)境以及以任何方式涉及這些任務(wù)的人。
去除使用焊接來制造LED組件的優(yōu)點(diǎn)是不再需要直接的和外圍的操作 及它們所涉及的成本。焊接必然涉及加熱要焊接的工件。通常，通過根據(jù)需 要施加熱和去除熱來進(jìn)行熱操作傾向于比較復(fù)雜且使制造更加昂貴。在LED 組件的情況下，熱傾向于損壞組件的元件，并且在焊接工藝中施加和去除熱 尤其傾向于產(chǎn)生應(yīng)力并進(jìn)一步損壞LED組件。此外， 一旦完成焊接，則通 常頻繁地需要使用化學(xué)藥品的一個(gè)或多個(gè)清洗階段，化學(xué)藥品比較昂貴且也 傾向于損害環(huán)境。
而且，去除使用焊料和焊接來制作LED組件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最終的產(chǎn) 品可以制作得更緊湊。因?yàn)楣ぜg的焊料，諸如LED與其供導(dǎo)電體的端 子，必定占據(jù)一定的空間，所以去除焊料可以空出這樣的空間。另外，由于 當(dāng)焊料是液體時(shí)的表面張力和流動(dòng)效應(yīng)，焊料連接傾向于比較"月巴大(fat)"， 使其最終比工件剛好需要的接合點(diǎn)占據(jù)更大的空間。因此，利用本發(fā)明可以 消除對過大的部件"足跡(footprint)"的需要。
結(jié)合這里描述以及附圖中示出的對執(zhí)行本發(fā)明的當(dāng)前已知的最好模式 以及優(yōu)選實(shí)施例的工業(yè)適用性的描述，本發(fā)明的這些及其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言變得清晰。


結(jié)合附圖，通過下面的詳細(xì)描述本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將明顯易懂，其中 圖1 (背景技術(shù))是典型LED的截面?zhèn)纫晥D，該LED可以用于傳統(tǒng)的 LED組件或根據(jù)本發(fā)明的LED組件。
圖2 (現(xiàn)有技術(shù))是包括圖1的LED的傳統(tǒng)LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖4是也根據(jù)本發(fā)明的替代LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的較大LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖6a-b是也根據(jù)本發(fā)明的較大LED組件的示意圖，其中圖6a是LED組件的俯視圖，而圖6b是LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖7a-b示出了根據(jù)本發(fā)明的大的三維LED組件的透視圖，其中圖7a 示出了具有常規(guī)元件關(guān)系的LED組件，而圖7b示出了局部分解的LED組 件。
圖8a-j是處于一系列制造階段的LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
圖9a-e是處于一系列制造階段的替代LED組件的截面?zhèn)纫晥D。
在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同或相似的元件或步驟。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是發(fā)光二極管(LED)組件。如這里的各附圖所示， 尤其在圖3的示意圖中，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例由總的附圖標(biāo)記100、200、300、 400、 500、 600和700表示。
圖1 (背景技術(shù))是典型LED10的截面?zhèn)纫晥D，其可以用于傳統(tǒng)的LED 組件或根據(jù)本發(fā)明的LED組件。LED10具有發(fā)揮多種作用的主體12。例如， 主體12以固定關(guān)系物理地保持(hold )LEDIO的其它元件。這用于保護(hù)LED10 的內(nèi)部元件免受損壞，用于根據(jù)需要設(shè)置LED10的外部通訊元件，并且用 于通常在將其安裝到LED組件中時(shí)便于操作LEDIO。在光學(xué)方面，主體12 還通常用于使LED10發(fā)射的光波通過。為此，主體12具體地具有表面14， 在該表面14處光主要發(fā)射自LED10。在表面14處，主體12可以選擇性地 包括類似于透鏡以引導(dǎo)光的特征(未示出)和/或類似于外殼以與外部接收光 元件(例如，與光纖)匹配。主體12還可以用于從LED10的內(nèi)部元件傳導(dǎo) 散熱。歷史上，該熱傳導(dǎo)作用一般不重要，但是現(xiàn)在改變了，尤其是對于新 興的大功率LED應(yīng)用?？紤]到所有這些作用，LED10的主體12典型地為單 一的塑料材料，有時(shí)也采用玻璃、石英或材料混合物。
除主體12之外，LED 10的外部元件是陽極16和陰極18。 LEDIO的內(nèi) 部元件是頂接觸20、 P型層22、 P-N結(jié)24、 N型層26和底接觸28。在圖1 所示的LED10中，另外設(shè)置陽極引線30以將頂接觸20連接到陽極16,并 且底接觸28與陰極18集成在一起。在圖1中，陽極16和陰極18示出為接 觸(或"焊墊"或"端子")，但是這不是所有LED的情況，引線(或"配 線")也很常見。為此，應(yīng)當(dāng)注意的是，LED IO僅為通常LED的代表。
在運(yùn)行過程中，LED IO接受進(jìn)入陽極16的電流，該電流通過陽極引線30到達(dá)頂接觸20且進(jìn)入P型層22,穿過P-N結(jié)24，進(jìn)入N型層26到達(dá)底 接觸28,并流出陰極18。這使得LED 10以其特征方式在P-N結(jié)24的平面 中產(chǎn)生光。應(yīng)當(dāng)注意的是，LED 10的該邊緣發(fā)射特征可以啟發(fā)對主體12的 設(shè)計(jì)(或者給其增加附加結(jié)構(gòu))，以引導(dǎo)光更加優(yōu)化地從LED IO的表面14 取出。
圖2 (現(xiàn)有技術(shù))是包括圖1的LED 10的傳統(tǒng)LED組件50的截面?zhèn)?視圖。這里的LED組件50以其典型的制造方式和通常的使用方式取向，也 就是，LED 10的發(fā)光面14向上。
以這樣的取向，現(xiàn)在討i侖通常從下向上"構(gòu)建，，的LED組件50。如果
常總是提供電絕緣的基板52。然而，可選的元件可以提供在基板52下面的 分區(qū)域(sub-region) 58中。例如，如果基板52是印刷電路板(PCB )的最 上面的非導(dǎo)電層，則在該分區(qū)域58中也可以存在其它層(例如，如果印刷 電路板是雙側(cè)的，則可為接地平面或者"相反側(cè)"的特征)。
對于某些新興的應(yīng)用，具體地，可以存在于基板52下面的分區(qū)域58中 的特征是散熱器?；?2將典型地在一定程度上用于傳遞熱，但是它不是 最佳的。說得更清楚一些，熱沉的作用(本領(lǐng)域的技術(shù)人員更加熟悉)和散 熱器的作用不同。盡管這些元件在一定程度上相類似地運(yùn)行，但是熱沉優(yōu)化 為從特定的位置(典型地為點(diǎn)或者較小的位置)去除熱能，而散熱器優(yōu)化為 使熱能遍布某個(gè)區(qū)域或較大位置來分布和均衡。
繼續(xù)圖2，陽極線路54和陰極線3各56"^殳置在基板52上。再次地，通常 的PCB在此用作有用的示例。在PCB中，基板52通常為電絕緣材料，線路 54、 56為銅箔，并且基板52上的線路54、 56的必要圖案通過絲網(wǎng)印刷、光 刻、銑削或其它適當(dāng)?shù)墓に噷?shí)現(xiàn)。
這里特別感興趣的是LED組件50接下來的較高特征，焊接焊墊60組。 它們將LED10的陽極線路54電連接到陽極16，并且將陰極線路56電連接 到陰極18。焊接焊墊60還物理地將LED10連接到LED組件50的其它位置， 從而將LED 10保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 焊接焊墊60中可能的材料已經(jīng)在這里的其它地方進(jìn)行了討論和圖示。 然而，這里還應(yīng)當(dāng)考慮的是，焊接焊墊60固有地將給整個(gè)LED組件50增 加附加的層級或位移層(displacement layer) 62。在LED組件50的總厚度較為關(guān)鍵的應(yīng)用中，該位移層62將受到關(guān)注，于是重要的目標(biāo)是將其最小
化或消除。
圖2還示意性地示出了從LED 10進(jìn)入LED組件50的熱流通道64。如 這里所看到的，LED 10產(chǎn)生的大量熱能通過焊接焊墊60，該熱能的大部分 流過陰極18和陰極線路56。在某些應(yīng)用中，該熱流將引起嚴(yán)重的問題。例 如，如果在LED10中聚集太多的熱，則其內(nèi)部將被損壞。焊接焊墊60傾向 于是導(dǎo)熱的，但是它們還是延長和復(fù)雜了作為熱能傳遞出LED10的主要通 道的通道。此外，因?yàn)闊崮茉贚ED 10的結(jié)構(gòu)中以及整個(gè)LED組件50中的 流動(dòng)不是瞬時(shí)的，所以導(dǎo)致局部受熱(例如，圖2中的LED10的陰極端部)。 這會(huì)使LED組件50受到熱應(yīng)力，在極端的情況下這可以導(dǎo)致焊接焊墊60 與陽極16、陰極18或線路54、 56分離，或者甚至導(dǎo)致LED10的主體12 破裂。
在圖2中，通過LED 10的頂面和側(cè)面的熱流通道64是很小的(如以較 淺的箭頭示意性地示出)。園為這里的LED10的表面14需要發(fā)射產(chǎn)生的光， 所以對LED 10的頂面幾乎做不了什么。但是，LED10的側(cè)面是另一回事。 然而，在這里，焊接焊墊60傾向于與可以做的相干擾。當(dāng)LED 10焊接到 LED組件50中時(shí)，尤其是在LED組件50的表面安裝裝置(SMD: surface mount device)實(shí)施例(依賴于液體焊料的表面張力效應(yīng)來幫助定位LEDIO ) 中，期望使LED IO的側(cè)面敞開(如圖2所示)。但是，焊接后，焊接焊墊 60中的毛細(xì)區(qū)域(wick region) 66通常保留(也是當(dāng)焊料為液體時(shí)由表面張 力效應(yīng)引起)，并且一旦它保留在LED組件50中，將妨礙將熱導(dǎo)體添加至 LED 10的側(cè)面。
基于焊料(solder-based)的電子組裝技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)服務(wù)于我們超過了 一 個(gè)世紀(jì)，并且它們也已經(jīng)用于LED大約一半這個(gè)時(shí)間。然而，如剛剛討論 的示例以及其它很多示例所示，這些技術(shù)日益滿足不了我們的需要和新的應(yīng) 用，尤其是對于需求逐漸增加的更大功率的LED和緊密接近的大量LED。 考慮到這一點(diǎn)，本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了改善的電子組裝技術(shù)，具體地包括不基 于焊料的技術(shù)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED組件100的截面?zhèn)纫晥D。為了在此清楚地呈 現(xiàn)本發(fā)明，沒有過多引入不特別相關(guān)的新的細(xì)節(jié)，圖I的LEDIO再一次用 作示例。雖然如此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，LED的設(shè)計(jì)上存在很多變化，但是， 一旦掌握了下面的原理，大規(guī)^^莫地改變本發(fā)明以用于其它設(shè) 計(jì)將是相對簡單的設(shè)計(jì)問題。
本發(fā)明的LED組件100是圖3,圖3故意示出為與圖2中的現(xiàn)有技術(shù)的 LED組件50相反耳又向。這便于這里討^r制造LED組件100的一種方式。當(dāng) 然，LED組件100可以根據(jù)隨后運(yùn)行中的需求來取向。
因此，從圖3的底部開始，可以提供可選的分區(qū)域102 (現(xiàn)在討論的示 例)。接下來，向上是LEDIO。這里的示例再一次使用了圖1的傳統(tǒng)LED 10, 上面已經(jīng)對其進(jìn)行了詳細(xì)討論。然而，這里的LED10示出為被可選的基體 (matrix) 104圍繞。
基體104可以起很多作用。例如，它可以有助于將LED IO永久地保持 在適當(dāng)位置，或者在組裝的早期階段臨時(shí)保持LED IO并稍后去除。如果基 體104是最終的LED組件100的一部分，則它也可以有助于均ff分布和去 除熱能并使得整個(gè)LED組件IOO更堅(jiān)固。例如，基體104可以幫助LED組 件100抵抗物理應(yīng)變，并且使LED 10的陽極16和陰極18不受腐蝕和短路 污染物的影響?；w104還可以幫助引導(dǎo)光從LED 10的表面14出射?；叵?一下，光在P-N結(jié)24的平面中以邊緣方式發(fā)射，從而通常不直接朝著LED 10 的表面14?；剡^頭來參考圖2,可以理解的是，這里產(chǎn)生的光的相當(dāng)一部分 可以在側(cè)面處出射，而不是通過LEDIO的表面14,盡管主體12和圍繞LED 10的環(huán)境區(qū)域(典型地為空氣)的折射系數(shù)具有相對的差別。相反地，圖3 中的基體104有效地防止了任何光通過LED 10的側(cè)面出射，并且保證大部 分光通過LED10的表面14出射，這是所期望的。
繼續(xù)從圖3的底部向上，這里在LED IO之上是基底106、陽極導(dǎo)體108、 絕緣層110和陰極導(dǎo)體112。這里不應(yīng)當(dāng)對這些層采取過多的隱含限定。例 如，可以采用各種制造工藝來設(shè)置這些導(dǎo)體層，這些制造工藝包括無電鍍 覆；電解質(zhì)鍍覆；濺射；導(dǎo)體(例如，配線)的超聲結(jié)合；導(dǎo)體、導(dǎo)體填充 的聚合物(例如，填充有金屬粉或納米粒子)、類似填充的導(dǎo)電油墨、催化 油墨、本征導(dǎo)電聚合物的電阻焊。在功能上結(jié)果將大體相同，但是在結(jié)構(gòu)上 將相當(dāng)大地變化。關(guān)于這一點(diǎn)，還應(yīng)當(dāng)注意的是，圖3中的示意圖是側(cè)視圖， 并且對其太草率的解釋可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的印象。例如，這里陽極導(dǎo)體108和 陰極導(dǎo)體112呈現(xiàn)為層，但是當(dāng)以三維觀看LED組件100時(shí)，它們可以替 代地僅僅為導(dǎo)電線或線路(例如，參見圖7a-b,具體示出了這一點(diǎn)的示例)。如圖3所示的實(shí)施例中的基底106是絕緣體，以保持LEDIO的陽極16 和陰極18之間的電絕緣。另外，在陽極16和陰極18處或它們之一處需要 穿過基底106的較大的開口 ( orifice ),然后基底106簡并成(degenerate into ) 陽極導(dǎo)體108或陰極導(dǎo)體112。具體地講，在某些制造工藝(例如，光刻) 中基底106可以用作上面的層的基板，和/或它可以用作散熱器。
相反地，陽極導(dǎo)體108和陰極導(dǎo)體112都必須是導(dǎo)電的，因?yàn)樗鼈兊闹?要作用是傳導(dǎo)電流。陽極導(dǎo)體108將電流傳導(dǎo)到LED10的陽極16，陰極導(dǎo) 體112將電流傳導(dǎo)到LED 10的陰極18。在圖3中，陽極導(dǎo)體108示出為在 陰極導(dǎo)體112之下，但這不是限制性的，并且沒有理由在替代實(shí)施例中不能 是相反的情況。
顧名思義，絕緣層IIO需要是絕緣體，因?yàn)槠渥饔檬请娊^緣陽極導(dǎo)體108 與陰極導(dǎo)體112?？蛇x地，通過適當(dāng)?shù)牟牧线x擇，絕緣層110可以優(yōu)化為幫 助散熱器。
通常，基底106和絕緣層IIO將為平面層，并且陽極導(dǎo)體108或陰極導(dǎo) 體112之一也可以是平面層，或者陽極導(dǎo)體108和陰極導(dǎo)體112可以簡單地 為線形導(dǎo)體(例如，再一次參見圖7a-b)。如果這些導(dǎo)體108、 112中的一個(gè) 是平面的，則這樣可以提供電磁屏蔽。另外，因?yàn)檫@些導(dǎo)電的導(dǎo)體108、 112 也傾向于是導(dǎo)熱的，所以當(dāng)其一個(gè)為平面時(shí)，也可以用作散熱器。
圖4是也根據(jù)本發(fā)明的替代LED組件200的截面?zhèn)纫晥D。這里不存在 相當(dāng)于圖3中的基底的分離層。替代地，除了作為導(dǎo)體之外，陽極導(dǎo)體108 用作LED IO的基底。這一點(diǎn)的直接變化是使陰極導(dǎo)體112成為最下面的導(dǎo) 體，并且使其額外地作為LED 10的基底。
至此，已經(jīng)采用簡單的一個(gè)LED實(shí)施例來介紹本發(fā)明的關(guān)^t原理，而 沒有以太多的細(xì)節(jié)來模糊事物。對于現(xiàn)在尚隱蔽一些原理，討論現(xiàn)在轉(zhuǎn)入一 些示例，示出本發(fā)明如何能夠具體地提供包括大量LED的LED組件。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的較大LED組件300的截面?zhèn)纫晥D。五個(gè)LED 10這 里描述為線形布置?？紤]到前面的討論，LED組件300的大部分特征和運(yùn)行 應(yīng)當(dāng)一目了然。然而，應(yīng)當(dāng)注意到一個(gè)新的方面，單個(gè)的陽極層302和單個(gè) 的陰極層304的每一個(gè)為這里的所有LED10共用(并且這里還釆用了7>共 的基底306)。從而，這里所有的LED10—致地運(yùn)行，全部同時(shí)點(diǎn)亮或變暗。 然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解的是，可以提供多條陽極線和/或多條陰極線以及適當(dāng)?shù)慕^緣層或等效的機(jī)制，然后，LED可以根據(jù)需要分別或同時(shí)運(yùn)行。
圖6a-b也是#4居本發(fā)明的較大LED組件400的示意圖，其中圖6a是 LED組件400的俯視圖，而圖6b是LED組件400的截面?zhèn)取妶D。十個(gè)LED 10這里描述為兩行且每行五個(gè)的布置。此外，該LED組件400的大部分特 征和運(yùn)行也應(yīng)當(dāng)一目了然。然而，應(yīng)當(dāng)注意的不同方面是，這里沒有提供絕 緣層，這是因?yàn)殛枠O導(dǎo)體402和陰極導(dǎo)體404在相同的平面中，且仍為這里 的所有LED10所共用。這里應(yīng)當(dāng)注意的另一方面是，陽極層302或陰極層 304可以看作這里的"基底"，這是因?yàn)閮烧邽樗械腖ED10所共用并且在 某種程度上支撐所有的LEDIO。這里還可以理解的是，尤其是從圖6b可以 看出，LED組件400可以相當(dāng)薄，并且具有非常低的側(cè)面輪廓(例如，甚至 比圖2中的現(xiàn)有技術(shù)的LED組件50還薄)。
簡單地回顧圖5并繼續(xù)參考圖6a-b，這些不應(yīng)曲解為暗示本發(fā)明僅可以 以嚴(yán)格的幾何形狀來體現(xiàn)。例如，多個(gè)LED 10可以名義上以類似線形 (linear-like)的方式(如圖5中的情況)排列，而不是確實(shí)以幾何線形的方 式。例如，二十五個(gè)LED IO可以物理地布置成環(huán)形、端部開口的曲線、螺 旋線等?；蛘撸鄠€(gè)LED10可以名義上以類似陣列的方式(如圖6a-b的情 況)排列，而不是確實(shí)以幾何平面的方式設(shè)置。例如，二十五個(gè)LED10也 可以物理地布置成完整的或局部的圓柱、半球或許多其它任何的三維曲線形 狀。
圖7a-b以透視的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的大的三維LED組件500，其 中圖7a以常規(guī)的元件關(guān)系示出了 LED組件500，而圖7b示出了局部分解的 LED組件500。
如制造過程中一樣，從這里取向的LED組件500的底部向上進(jìn)行，提 供透明的底層(sub-layer) 502,并且所有的LED10都具有面向(against) 該底層502的表面(這里不可見，例如參見圖1)。這里的LED10都示出為 具有相同的耳又向，即陽極16靠左，陰極18靠右，但是這不是必須的。例如， LED IO可以替代地設(shè)置為兩行LED 10的陽極16相鄰(如圖6a所示)，兩 行LED 10的陰極18相鄰，等等。這可以便于布置陽極線路504和陰極線路 506(在功能上，以與圖3-5的陽極導(dǎo)體108和陰極導(dǎo)體112相同的方式而凈皮 采用)。圖3-5的基底106和絕緣層110在這里的圖7a-b中省略，以避免其遮擋其它元件。
這里的陽極線路504和陰極線路506在圖5所示的布置上略有變化。在 圖7a-b中，LED10的一些組合不能被可控地驅(qū)動(dòng)。例如，從左下到右上以 對角線延伸的一組LED10就不能在沒有同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有存在的LED 10情況下 被驅(qū)動(dòng)。然而，克服這一點(diǎn)是比較簡單的。類似于上面所討論的選擇運(yùn)行線 形組件中的各LED的情況，尋址(address-ably)驅(qū)動(dòng)三維組件中的LED僅 需要改變線路(典型地增加附加的線路)并使其絕緣。
圖8a-j是處于一系列制造階段的LED組件600的截面?zhèn)纫晥D。在圖8a 中，已經(jīng)提供基底602, —些LED 10已經(jīng)用結(jié)合劑(bonding agent) 604固 定到基底602上，并且一個(gè)LED10 (最右面的一個(gè))處于用結(jié)合劑604固定 到基底602上的工藝中。這里的基底602典型地為電絕緣材料，其原因?qū)ⅠR 上明了。其次，如果需要，這里的基底602也可以是導(dǎo)熱材料，其程度為與 其作為電絕緣體不過度沖突。這里的結(jié)合劑604不需要是特別強(qiáng)的結(jié)合劑， 因?yàn)樗鼉H用于臨時(shí)結(jié)合。然而，這里的結(jié)合劑604必需是電絕緣體，并且它 可以選擇為也是導(dǎo)熱的材料。
在圖8b中，所有的LED10已經(jīng)固定(結(jié)合)到基底602，并且覆蓋層
(cover layer )606已經(jīng)涂覆到LED組件600的當(dāng)前的頂側(cè)上。該覆蓋層606 必需某種程度上對LED10發(fā)射的光波長透明(即光學(xué)傳導(dǎo))，明顯的原因是 LED10發(fā)射的大部分光應(yīng)當(dāng)通過覆蓋層606。例如，如果覆蓋層606做得較 薄而沒有完全覆蓋LEDIO及其表面14 (圖1 ),則覆蓋層606可以替代地為 不透明的材料。在本發(fā)明的LED組件600的一些實(shí)施例中，用于覆蓋層606 的一個(gè)特別合適的材料選擇是使其與LED10主體中采用的材料正好相同， 因?yàn)檫@將保證LED10的主體與覆蓋層606的折射系數(shù)基本上相同，并且光 以最小的折射和損耗有效地從LED 10進(jìn)入覆蓋層606。然而，在本發(fā)明的 LED組件600的替代實(shí)施例中，與LED10的主體中采用的材料不同的覆蓋 層606材料可以故意選擇為散射來自LED10的光，并從而總體上更均勻地 出射來自LED組件600的光。覆蓋層606的另一個(gè)選擇是采用不均勻
(non-homogeneous)材料，例如，其被注入很少的空氣或氣泡或銀或鋁的 顆粒。采用該不均勻材料通常有助于散射來自LED組件600的光。另外， 回顧LEDIO中P-N結(jié)24 (圖1 )的邊緣光發(fā)射，這有助于更好地引導(dǎo)LED 組件600產(chǎn)生的光(即，相對于LED組件600的耳又向向上，如圖8a-b所示)。繼續(xù)覆蓋層606的材料，其也可以選擇為導(dǎo)熱的材料。在圖8a-j中的本 發(fā)明LED組件600的具體實(shí)施例中，覆蓋層606的材^F是否為電絕緣體并 不重要，但是對于其它實(shí)施例要適當(dāng)考慮這一點(diǎn)。
在圖8c中，LED組件600被翻轉(zhuǎn)以有利于在后續(xù)的制造階段中增加材 料，并且已經(jīng)執(zhí)行了接下來的階段，靠近LED 10的陽極16已經(jīng)涂敷了散熱 器區(qū)域608。如這里所描述的情況，設(shè)置在這些散熱器區(qū)域608中的材料可 以選擇地為與結(jié)合劑604相同。
在圖8d中，已經(jīng)涂敷了陰極層610 (或者一組陰極導(dǎo)體或線路)。其電 連接這里所示的LED 10的陰極18,并且當(dāng)LED組件600以這里其它處描 述的方式使用時(shí)該陰極層610最終將承載電流。因此，陰極層610是導(dǎo)電材 料(圖8a-j中以較重實(shí)線表示的導(dǎo)體)。
在圖8e中，已經(jīng)去除了陰極層610在LED10的陽極16上的部分。而 且，在圖8f中，已經(jīng)涂敷了絕緣體層612。
在圖8g中，已經(jīng)涂敷了散熱器層614。如這里所示的情況，典型地但不 是必須，其與散熱器區(qū)域608中采用的材料相同。
在圖8h中，已經(jīng)為LED10的陽極16提供了開口 616,并且在圖8i中 已經(jīng)涂敷了陽極層618(或一組陽極導(dǎo)體或線路)，其電連接這里所示的LED 10的陽極16。當(dāng)LED組件600以這里其它處描述的方式使用時(shí)該陽極層618 最終也將承載電流。
最后，在圖8j中，已經(jīng)涂敷了可選的保護(hù)層620。典型地，其為物理上 兼顧且電絕緣的材料。現(xiàn)在完成了這里的LED組件600。
圖9a-e是處于一系列制造階段的替代LED組件700的截面?zhèn)纫晥D。在 圖9a中，已經(jīng)提供了基底702， 一些LED 10已經(jīng)放置(固定)到基底702 中，并且一個(gè)LED IO處于被放置的過程中。這里提供接收LED IO的陽極 16的散熱器區(qū)域704，但不主要依靠這些來使LED10保持在適當(dāng)位置。替 代地，這里基底702已經(jīng)具有開口 706,調(diào)節(jié)開口 706的尺寸使得LED10 的陰極18以緊配合(interference fit)來接合。在圖9a中，LED組件700取 向?yàn)長ED 10在基板702的上面，但這完全是選擇的事情，因?yàn)檫@里不需要 提供圖8b-i中的LED組件600的覆蓋層606的等效特征。
在圖9b中，LED組件700已經(jīng)翻轉(zhuǎn)以便于在后續(xù)制造階段中增加材料。 [注意，制造過程中的組件取向不是本發(fā)明的限制。在特定工藝的特定階段中，可以有或者也可以沒有最好的取向，但是當(dāng)應(yīng)用這里的教導(dǎo)來制造本發(fā) 明的實(shí)施例時(shí)，在通常的制造工藝中對這一點(diǎn)的處理對普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)是 簡單的。]
在圖9b中，陰極層708 (或陰極導(dǎo)體或線路)也已經(jīng)涂敷在基底702 和LED 10的陰極18 (在圖9a-e中用較重實(shí)線表示的導(dǎo)體)上。然而，這里 可以看出，該陰極層708也沒有覆蓋散熱器區(qū)域704。例如，這是因?yàn)殛帢O 層708材料是不粘合到散熱器區(qū)域704材料的，或者陰極層708材料甚至可 以是"回避(shy away )"散熱器區(qū)域704材料的(例如，由于故意選擇表面 張力特性)。當(dāng)然，陰極層708也可以涂敷在散熱器區(qū)域704上，然后從這 里選擇性地移除(例如，通過激光融蝕)。
再次暫時(shí)離題，在圖9a-e所示的LED組件700的特定布置中，如果基 底702由導(dǎo)電材料制成并且用于以陰極層的方式承載來自LED10的電流， 則陰極層708完全可以簡單地省略(dispense with )。
繼續(xù)，在圖9c中，已經(jīng)涂敷了散熱器層710。其可以是(如圖所示)或 可以不是與散熱器區(qū)域704相同的材料。
在圖9d中，已經(jīng)為LED 10的陽極16提供了開口 712。這些開口 712 在某些制造工藝中可以稱為"通孔(via)"，但是它們可以用激光、電子束或 磨蝕清除(abrasive ablution)、或者用光刻蝕刻、或者通過任何其它適合的 工藝來實(shí)現(xiàn)。因此，為了避免限制解釋，這里采用寬泛的詞語"開口"。
最后，在圖9e中，已經(jīng)涂敷了陽極層714 (或陽極導(dǎo)體或線路)。陽極 層714和陰極層708的材料必須是導(dǎo)電的，并且由于散熱器層710與它們二 者接觸，所以這里的散熱器層710必須是電絕緣材料?，F(xiàn)在完成了這里的 LED組件700。
盡管上面已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，它們僅通過示例 來呈現(xiàn)，并且本發(fā)明的幅度和范圍不限于任何上述的示范性實(shí)施例，而是4叉 根據(jù)隨后的權(quán)利要求及其等同特征來限定。
權(quán)利要求
1.一種電氣裝置，包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)，其中每個(gè)所述LED具有陽極和陰極；基底，以基本固定的關(guān)系保持所述多個(gè)LED；一個(gè)或多個(gè)陽極導(dǎo)體，每一個(gè)都以不包括任何焊料為特征的方式電連接到所述LED的一個(gè)或多個(gè)所述陽極；以及一個(gè)或多個(gè)陰極導(dǎo)體，每一個(gè)都以不包括任何所述焊料為特征的所述方式電連接到所述LED的一個(gè)或多個(gè)所述陰極，由此設(shè)置了LED組件。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中.-存在一個(gè)所述陽極導(dǎo)體并且為所述基底，或者存在一個(gè)所述陰極導(dǎo)體并 且為所述基底。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括絕緣層，將所述一個(gè)或多個(gè)陽極導(dǎo)體與所述一個(gè)或多個(gè)陰極導(dǎo)體分離。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括散熱器層，使來自所述多個(gè)LED的熱量分布遍及所述LED組件。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中除了所述陽極和所述陰極電連接的位 置之外，每個(gè)所述LED具有期望光主要出射的表面以及至少一個(gè)側(cè)面，該 裝置還包括材料基體，圍繞所述多個(gè)LED的所述側(cè)面的至少一部分。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述材料基體為適合于在所述多個(gè)LED的所迷側(cè)面處反射所述光的類 型，從而增加所述多個(gè)LED的所述表面出射的所述光。
7. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述材料基體完全圍繞所述多個(gè)LED的所述側(cè)面，并且還覆蓋所述多 個(gè)LED的所述表面。
8. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述材料基體為適合于散射所述光的類型。
9. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中 所述多個(gè)LED以類似線形的方式布置。
10. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述多個(gè)LED以類似陣列的方式排列。
11. 一種制造多個(gè)發(fā)光二極管(LED)的組件的工藝，其中每個(gè)LED具有陽極和陰極，所述工藝包括(a) 以基本上固定的關(guān)系將LED固定到基底；(b) 將所述LED的所述陽極的每一個(gè)電連接到陽極導(dǎo)體，其中可以存在一個(gè)或多個(gè)所述陽極導(dǎo)體，并且所述連接所述陽極是以不包括任何焊料為特征的方式進(jìn)行；以及(c) 將所述LED的所述陰極的每一個(gè)電連接到陰極導(dǎo)體，其中可以存在一個(gè)或多個(gè)所述陰極導(dǎo)體，并且所述連接所述陰極是以不包括任何所述焊料為特征的所述方式進(jìn)行。
12. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中所述基底是電絕緣體；所述(b )包括提供陽極開口 ，所述陽極開口通過所述基底而到達(dá)所述LED的所述陽極；以及沉積通過所述陽極開口的所述陽極導(dǎo)體；并且所述(c )包括提供陰極開口，所述陰極開口通過所述基底而到達(dá)所述LED的所述陰才及；以及沉積通過所述陰極開口的所述陰極導(dǎo)體。
13. 如權(quán)利要求11所述的工藝，還包括在所述基底上分離地布置所述陽極導(dǎo)體和所述陰極導(dǎo)體。
14. 如權(quán)利要求11所述的工藝，還包括(d )在所述一個(gè)或多個(gè)所述陽極導(dǎo)體與所述一個(gè)或多個(gè)所述陰極導(dǎo)體之間提供絕緣層。
15. 如權(quán)利要求14所述的工藝，其中存在單個(gè)的所述陽極導(dǎo)體所述(c )包括提供通過所述基底的間隙開口，使得所述基底與所述LED的所述陰極不電連接；并且所述(d)包括提供陽極開口 ，所述陽極開口通過所述絕緣層而到達(dá)所述LED的所述陽才及。
16. 如權(quán)利要求14所述的工藝，其中存在單個(gè)的所述陰極導(dǎo)體所述基底為導(dǎo)電體并且是所述單個(gè)的所述陰極導(dǎo)體；所述(c )包括提供通過所述基底的間隙開口 ，使得所述基底與所述LED的所述陽極不電連接；并且所述(d )包括提供陰極開口 ，所述陰極開口穿過所述絕緣層而到達(dá)所述LED的所述陰極。
17. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中存在一個(gè)所述陽極導(dǎo)體并且是所述基底，或者存在一個(gè)所述陰極導(dǎo)體并且是所述基底。
18. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中除了所述陽極和所述陰極電連接的位置之外，每個(gè)所述LED具有期望光主要出射的表面和至少一個(gè)側(cè)面，所述工藝還包括用反光材料圍繞所迷多個(gè)LED的所述側(cè)面。
19. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中除了所述陽極和所述陰極電連接的位置之外，每個(gè)所述LED具有期望光主要出射的表面和至少一個(gè)側(cè)面，所述工藝還包括用光散射材料至少覆蓋所述多個(gè)LED的所述表面。
20. —種電氣裝置，包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED),其中每個(gè)所述LED具有陽極和陰極；基底，用于以基本上固定的關(guān)系保持所述多個(gè)LED;一個(gè)或多個(gè)陽極導(dǎo)體部件，每一個(gè)以不包括任何悍料為特征的方式電連接所述LED的一個(gè)或多個(gè)所述陽極；以及一個(gè)或多個(gè)陰極導(dǎo)體部件，每一個(gè)以不包括任何所述焊料為特征的所述方式電連接所述LED的一個(gè)或多個(gè)所述陰極，由此設(shè)置了 LED組件。
21. —種電氣裝置，包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED),其中每個(gè)所述LED具有陽極和陰極；基底，具有多個(gè)第一開孔；以及一個(gè)或多個(gè)第一導(dǎo)體，通過所述多個(gè)第一開孔連接到所述LED的所述陽極或所述陰極。
22. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，還包括在所述基底中的多個(gè)第二開孔以及一個(gè)或多個(gè)第二導(dǎo)體，所述一個(gè)或多個(gè)第二導(dǎo)體通過所述多個(gè)第二開孔連接到所述LED的一個(gè)或多個(gè)所述陰極。
23. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，其中所述多個(gè)開孔布置成圖案。
24. 如權(quán)利要求22所述的電氣裝置，還包括在所述第一導(dǎo)體與所述第二導(dǎo)體之間的絕緣層。
25. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體選自由無電鍍覆金屬、電解鍍覆金屬、濺射金屬、超聲波結(jié)合金屬、電阻焊金屬、導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電油墨構(gòu)成的組。
26. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，其中所述基底由導(dǎo)熱材料構(gòu)成。
27. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，其中所述基底由導(dǎo)電材料構(gòu)成。
28. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，其中所述基底由電絕緣材料構(gòu)成。
29. 如權(quán)利要求27所述的電氣裝置，其中所述基底電連接到所述陽極或者所述陰極的一個(gè)或多個(gè)，并且與所述陽極或者所述陰極的另一個(gè)電絕緣。
30. 如權(quán)利要求21所述的電氣裝置，還包括將所述LED固定到所述基底的粘合劑。
全文摘要
一種發(fā)光二極管(LED)組件形式的電氣裝置。提供了多個(gè)LED，其中每一個(gè)都具有陽極和陰極?；滓曰竟潭ǖ年P(guān)系保持該多個(gè)LED。然后，一個(gè)或多個(gè)陽極導(dǎo)體的每一個(gè)以不包括任何焊料為特征的方式電連接到一個(gè)或多個(gè)LED陽極。類似地，一個(gè)或多個(gè)陰極導(dǎo)體的每一個(gè)以不包括任何焊料為特征的方式電連接到一個(gè)或多個(gè)LED陰極。
文檔編號(hào)H01L25/13GK101682991SQ200880015306
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者約瑟夫·C·菲耶爾斯塔德 申請人:奧卡姆業(yè)務(wù)有限責(zé)任公司