CN101044636A - 具有改善了散热的半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光装置，包括衬底、电路、与所述电路电连接的LED，以及布置成将来自LED的热量传输出去的散热器，其中LED通过所述衬底中的开口与所述散热器热接触。本发明还涉及制造这种装置的方法。

Description

具有改善了散热的半导体发光装置
发明领域
本发明涉及一种发光装置，包括衬底、电路、至少一个散热器和至少一个电连接到所述电路的LED。本发明还涉及制造这种装置的方法。
背景技术
此时考虑用于照明的高效和高亮度LED的阵列。为了实现这个，必须在辅助安装台上以精确的孔距组装各个单个的LED。
此时已经使用硅衬底上的薄膜处理制造这种辅助安装台。硅的使用是有利的，因为硅处理是公知的、容易得到的并且可以以足够小的孔距制造硅上金属结构，用作驱动LED的电路。同时，硅具有适当的导热性以将来自LED的热量传输出去。
目前，在薄绝缘栅氧化物上生长电路以最小化LED和硅衬底之间的热阻，并且将LED连接到薄绝缘栅氧化物上面的电路。
在多LED的应用中，以精确孔距放置在衬底上的多个LED，还希望避免LED之间的串扰，也就是，从LED的侧壁发出的光耦合到相邻的LED(任意不同颜色的LED中并在那里被吸收。
避免LED之间的串扰的一种方法是在衬底中的凹槽中放置LED，使得凹槽的壁阻止LED之间的串扰。然而，在这些凹槽中布置电路图案的工艺不是简单的，因此，已经提出围绕单个LED光刻法构建壁来避免串扰。
在多LED应用中的另一个问题是，LED以及尤其是大功率LED在发光时耗散大量的热能。这些热耗散对于LED能够运行多长时间或者由哪种电源运行LED存在着限制。因此，更希望将来自LED的热很好地传输掉。通常，这通过将硅基辅助安装台放置在散热器上来实现，容纳LED的辅助安装台的侧面和散热器远远地相对。但是，这将有利地减少散热器和LED之间的热阻，因为这将减少由于热耗散产生的限制。
在OKI Electric Ind有限公司的JP61061458A中公开了一种避免串扰的可选方法。在该公开文本中，台面结构的LED图案布置在衬底上。然后将光敏树脂旋涂在衬底上，由此用形成在LED之间的光屏蔽区域的材料填充LED之间的区域。然后在该结构的顶部布置电路图案。
但是该方法没有对来自LED的热量提供改善的热传输。
因此，仍然需要这样的一种LED基发光装置，该发光装置容易制造并对来自LED的热量提供改善的热传输。尤其是有必要存在具有降低了相邻LED之间的串扰的这种装置的必要。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种克服了上述缺陷的发光装置以及制造这种装置的方法。
在第一个方案中，本发明由此提供了一种发光装置，包括衬底、电路、散热器和电连接到所述电路的发光二极管(LED)，其中该LED通过所述衬底中的开口与所述散热器热接触。
具有根据本发明的装置的一个优点是，由于LED和散热器通过衬底中的开口热连接，所以在热路径中没有衬底材料。优选选择热路径中的材料具有高于衬底材料的导热率的导热率。如果热量通过衬底材料传输，那么连接处的导热率因此可以高于衬底材料的导热率。如这里使用的，术语“电路”指的是无源电导体的图案，即可以连接电部件，例如二极管、晶体管、开关等等的配线。元件和地之间的接地连接也是电路的一部分，例如该元件可以是散热器。
如这里使用的，术语“散热器”指的是将来自热耗散元件，例如发光二极管的热量传输出去的装置。采用该术语以包括将来自热耗散元件的热量传输到第二散热器的所谓的中间散热器，对于几个中间散热器来说该第二散热器可能是公共的。
如这里使用的，“LED”指的是所谓的“多重芯片，形成在一个芯片上的单个发光二极管(LED)或者多个LED”。该术语还涉及发出从紫外光、可见光到红外光的任何波长的光的所有类型的LED，例如有机LED(OLED)、聚合LED(polyLED)和常规的无机LED。还采用术语LED包括激光二极管(LD)。
术语“和…热连接”以及“热连接到…”指的是两个元件之间例如LED和散热器之间的导热率高，优选高于衬底材料的导热率。因此两个元件可以彼此热连接，即使它们被一个或者多个附加元件分隔开，只要这些附加元件具有高于衬底材料的导热率的导热率即可。
而且，根据本发明，LED优选布置成至少部分地经由电路、通过衬底中的开口与散热器热连接。
LED电连接到电路，但是如果LED还热连接到电路同时电路热连接到散热器，尤其是如果电路是由具有高导热率的材料构成的，则它是有利的。因此，通过LED耗散的至少一部分热量经由电路、通过衬底中的开口传送到散热器。
优选地，LED还通过所述开口连接到所述电路。尽管电路主要可以布置在和LED相对的衬底的一侧上，但是在开口中露出电路的一部分，允许LED通过衬底中的开口连接到该电路。
更优选地，电路布置在散热器上，可选地被介电层至少部分地分隔开，并在电路上布置LED。
这允许散热器和电路之间以及LED和电路之间的高接触区域，允许LED和散热器之间的高导热率。而且它最小化了LED和散热器之间的距离，其还增加了从LED到散热器的导热率。
LED可以至少部分地设置在衬底的开口中。以这种方式允许LED上的连接焊盘和电路之间的直接接触，并因此可以获得LED和散热器之间的良好热连接。
而且，通过在开口中布置LED，尤其是如果衬底是由非半透明材料制成的或者如果开口的内壁反射或者吸收光，降低了由于LED以平行于衬底的表面方向发射光而导致两个相邻LED之间的串扰。通过在衬底中的开口中布置LED，没必要围绕LED光刻法构建壁，来阻止相邻LED之间的串扰。
电路可以在衬底中的开口中形成凸起。这种凸起促进了LED和电路的连接，并提供了LED和开口底部之间的界限分明的空间，其形成了LED和开口底部之间的空腔。该空腔可以被导热的未充满材料填充，以进一步改善从LED到散热器的热传输。
在根据本发明的包括两个或者多个LED的装置中，其每一个LED都经由电路、通过衬底中的开口与散热器热连接，LED可以连接到一个公共的或者两个不同的散热器。然而，有利的是，LED连接到单独的散热器，以便于减小在装置上的机械压力。
在第二个方案中，本发明提供了用于制造发光装置的方法。该方法包括提供衬底、电路、散热器和LED，在所述衬底上布置所述电路，在所述衬底中获得开口，布置所述LED和所述电路电连接，以及布置所述散热器和所述LED热连接，由此通过所述开口实现所述热连接。
优选地，在根据本发明的方法中，通过衬底中的开口实现LED和电路之间的电连接。
由此，制成了发光装置，其中LED至少部分地经由电路、通过衬底中的开口与散热器热连接。
该方法因此允许制造根据本发明的发光装置，其中在LED和散热器之间没有衬底材料，其允许将来自LED的热量良好地传送出去。
该方法还可以包括附加步骤，例如沉积保护层，例如在电路和衬底和/或散热器之间的电绝缘层，以及沉积刻蚀掩模。
该制造方法还允许容易地通过特定点的刻蚀制造附加开口或者通过衬底的通孔。
附图说明
图1描述了本发明的发光装置的横截面图。
图2a-d描述了制造图1中的发光装置的方法的步骤的轮廓图。
具体实施方式
现在将参考附图进一步描述本发明。
如图1描述的本发明的一个实施例示出了根据本发明的发光装置1，包括设置有开口3的衬底2，在该开口中布置了LED 4。
电路5布置在衬底2上，并且通过电介质层6和衬底分隔开。然而，在开口3的某个部分，没有在电路5上布置电介质，使得在开口中可以接触到该电路。
在开口3中的电路5的可接触部分，LED 4和该电路进行电和热连接。LED也可以和热凸块7热连接而不是电连接。
中间散热器8布置在电路5和热凸块7上，并和电路5和热凸块7热连接，并通过导热电介质层9与电路5部分地电隔离。然而，散热器8充当对电路的接地，因此，在电路的一个位置10，电路和中间散热器8电接触。
电路5和热凸块7在开口的底部形成凸起，其在LED 4和开口底部之间形成空腔11。空腔11填充有没填满的导热材料，其进一步改善了LED 4和中间散热器之间的热连接，并将中间散热器8焊接到第二散热器12。
LED还通过电路5连接到LED驱动器单元13，其控制LED。该LED驱动器单元13经由导热电介质层9中的开口14在没有被散热器覆盖的电路5的位置处连接到该电路5。
对于发光装置来说，衬底1可以是适用于辅助安装台中的本领域公知的任何衬底。优选地，衬底材料是这样的，通过刻蚀它可以相当容易地在衬底中制造凹槽和开口。适当的衬底通常包括普通的硅衬底、金刚石和氮化铝，但是不局限于此。
开口13的面积对于LED 4优选足够大以能被安装在开口中。而且，开口还足够深(也就是衬底足够厚)，使得当附着到电路时，LED的上表面基本上和衬底的上表面的水平面平齐或者低于衬底的上表面的水平面。适用于本发明的发光装置中的很多LED还可以在或多或少地平行于衬底的表面的方向上发光。在某些应用中，例如，当使用在彼此的附近设置的本发明的几个发光装置时，由此有利的是，阻止从一个LED发出的光耦合到相邻的LED中，并在那里被吸收。因此，在这些情况中，有利的是，能够以平行于衬底的表面的方向发光的至少那部分LED设置在所述开口内部，使得以基本上平行的方向发射的光被开口的壁吸收或者反射。优选地，开口的面积在开口的上表面处大于在开口的底部，由此形成开口的内壁，该内壁能够将光从开口反射出去。
在本发明的其它实施例中，LED可以定位在衬底的表面上，或者在衬底中开口的顶部或者在开口的旁边，电连接器到达开口用于连接到电路，其中连接器通过电路将来自LED的热量传送到散热器。
适合在本发明中使用的LED可以是发出任何颜色的LED，包括激光二极管。然而所有的接触点都在一边上的LED是优选的，这是因为这有助于连接到电路。
电路优选包括导电金属例如铜、铝、银、金和其它适合的导电金属、以及其它包括适合用作发光装置的电路的导电材料的非金属或者金属，例如AlSi的构图层。优选电路的导热率高于衬底的导热率。
例如，电路通过布置在电路和衬底之间并优选具有高导热率的电介质材料层与衬底电隔离。
这种电介质材料的非限定性例子包括例如AlN、金刚石、Si3N4和SiC。
图1中所示的电路通过导热电介质材料和散热器电隔离。然而，在本发明的一些实施例中，优选的是，电路完全和散热器隔离。用于隔离电路和散热器的适当电介质材料包括金刚石、SiC和AlN，但不局限于此。
电路有利地包括至少一部分，其露出装置后部(也就是散热器侧)上的周围部分。可以使用该露出部分作为电路和LED驱动器单元之间的连接，这将被用于控制电连接到电路的LED的功能。
和电路隔离开的热凸块的使用是可选的，但是可以用于进一步改善LED和散热器之间的热接触。热凸块优选是由具有高导热率的导电或者非导电材料构成的，其导热率至少高于衬底的导热率。用于热凸块的适当材料例如是适用于电路中的材料，但不局限于此。
中间散热器优选是由高导热率的材料构成的金属，例如铜、银、金、钨和其它金属或者具有高导热率的非金属材料，但不局限于此。这些材料对于本领域技术人员是已知的。
在根据本发明的其它优选实施例中，将根据本发明的多个发光装置布置成一个发光装置阵列。在这些阵列中，多个LED可以布置在一个且相同的衬底上，但是在单独的开口中，或者可以布置在单独的衬底上。多个装置可以和一个公共中间散热器或者单独的中间散热器热连接。然而，优选的是，每个LED和单独的中间散热器热连接，因为这减小了例如由于散热器的热膨胀而出现的装置上的机械应力。在那些情况中，然而优选的是，在公共的第二个散热器上布置所有的这些散热器，以改善装置的机械支撑和散热特性。
适用于第二散热器的材料是具有高导热率的材料，并包括CuW合金、铜/钼合金、金属基体复合物例如碳化硅微粒加强的铝(Al/SiC)、碳/碳复合物和陶瓷基体复合物，例如金刚石微粒加强的碳化硅，但不局限于此。
LED和开口的底部之间的空腔优选填充有导热材料，以改善LED和散热器之间的热连接。适当的这些材料包括填充有导热陶瓷微粒的环氧树脂，但是不局限于此。
优选地，电路可以连接到LED驱动器单元，其控制连接到电路的LED的功能。适当的这些LED驱动器单元对本领域技术人员是已知的。
将理解的是，根据本发明的装置还涉及包括多个LED的装置，其每个都布置在一个单衬底上的上述单独开口中，同时共用至少一部分的公共电路。
根据本发明的装置还可以包括“穿过衬底的通孔”，也就是穿过衬底的开口孔。装置可以被布置在LED上或者LED的阵列上的光准直仪覆盖，以所希望的方式将从LED发射的光扩散出去，并且可以用硅酮膏填充该准直仪和LED之间的孔隙。可以使用穿过衬底的通孔，以用硅酮膏填充这个孔隙。
实例
现在将描述用于制造图1所示的发光装置的方法的例子，并在图2中描绘。
(i)电路的制造
该方法从制造电路和热凸块开始，在该实施例中其将在开口中形成凸起。
提供具有大约625μm厚度的硅衬底。在该硅衬底的将要变成电路侧面的侧面上，生长并构图硬刻蚀掩模(0.5μm的SiO2)，在该掩模中留下开口，其中开口限定凸起的位置，之后通过KOH在开口中刻蚀出5-20μm的深度，并从衬底剥离掉SiO2。
接下来，在电路侧衬底上沉积和构图电介质材料Si3N4，以在衬底和电路之间提供电隔离，在用于凸起的位置处留下电介质材料中的开口。
通过沉积和构图厚(1-5μm)铝层在衬底上涂覆电路，并将具有高导热率的薄(～100nm)电介质溅射在该电路上，以将电路与环境隔离，尤其是以散热器隔离。
热凸块没有和LED电连接，因此通过刻蚀(70℃KOH刻蚀)可以从热凸块去除掉该AlN层，以提供和散热器的直接热连接和电连接。而且，由于散热器用作对于LED的电接地，所以还可以从电路的一部分去除掉AlN材料，其将用作和散热器的接地。而且，在将不被散热器覆盖的电路的一个区域处，去除掉AlN材料，以提供电路的区域，该区域将被露出于装置的散热器侧的周围(图2a)。
(ii)开口的限定
然后，通过研磨或者湿法破坏性刻蚀，从衬底的LED侧将衬底削薄到大约LED的厚度(～200um)。硬刻蚀掩模(Cr/Cu)沉积在衬底的LED侧上并且被构图以限定用于开口的区域。
(iii)电镀中间散热器
为了沉积中间散热器，在衬底的电路侧上溅射电镀层(Cr/Cu)，并且在电镀层上构图厚(20-100μm)抗蚀剂层，以限定用于中间散热器的位置。然后在电镀层上在限定的位置处电镀中间散热器(铜，～50μm)(图2b)。
(iv)刻蚀开口
在去除掉抗蚀剂之后，从衬底的LED侧将开口刻蚀到电路和/或电介质Si3N4材料，开口的面积通过先前沉积的硬刻蚀掩模来限定，在电介质Si3N4材料上沉积电路。在该步骤中，通过电镀层和散热器保护衬底的电路侧不被刻蚀。
在这之后，通过湿法刻蚀去除掉电镀层，该湿法刻蚀还从衬底的LED侧去除掉硬刻蚀掩模(图2c)。
(v)附着LED
通过无电镀生长，现在，在开口中露出并在开口中形成凸起的电路部分被设置有焊料湿层Ni/Au。在该步骤中，Ni/Au层还将沉积在衬底的电路侧上的铜中间散热器上，这将避免其被腐蚀。
最后，LED可以被焊接到电路且未充满，并还将该装置焊接到CuW散热器(图2d)。
应当理解的是，即使该说明书涉及布置一个通过衬底中的开口与散热器热接触的单个LED，以形成根据本发明的发光装置，它还涉及平行布置通过一个衬底中的多个开口与散热器热接触的多个LED的方法。
该提出的方法还提供穿过衬底的通孔的制造方法。
例如可以通过如下所述步骤进行制造穿过衬底的通孔：
在电镀中间散热器之前，从很小区域去除掉沉积有电路的SiO2层以及隔离电路和中间散热器的导热电介质材料，以露出衬底材料。当电镀中间散热器时，还围绕由此露出的区域电镀该材料的环形。在刻蚀衬底的LED侧中的开口步骤期间，将不能保护因此露出的区域，因此，将在所需的位置获得穿过衬底的通孔。

Claims (10)

1、一种发光装置(1)，其包括衬底(2)、电路(5)、与所述电路电连接的LED(4)、和布置成将来自LED的热量传输出去的散热器(8)，其特征在于：
所述LED通过所述衬底中的开口(3)和所述散热器热接触。
2、根据权利要求1的发光装置，其中所述LED通过所述电路至少部分地和所述散热器热接触。
3、根据权利要求1到2的任一项的发光装置，其中所述LED通过所述衬底中的所述开口和所述电路连接。
4、根据权利要求3的发光装置，其中所述电路布置在所述散热器上，并且所述LED布置在所述电路上。
5、根据权利要求1到4的任一项的发光装置，其中所述LED至少部分地布置在所述开口中。
6、根据权利要求3到5的任一项的发光装置，其中所述电路在所述开口中形成凸起。
7、根据权利要求1到6的任一项的发光装置，包括通过所述衬底中的第一开口与第一散热器热连接的第一LED，以及通过所述衬底中的第二开口与第二散热器热连接的第二LED。
8、一种制造发光装置的方法，包括：
提供衬底、电路、散热器和LED；
在所述衬底上布置所述电路；
在所述衬底中获得开口；
布置与所述电路电连接的所述LED，和
布置和所述LED热连接的所述散热器，其中通过所述开口实现所述热连接。
9、根据权利要求8的方法，其中通过所述开口实现所述电连接。
10、根据权利要求8到9的任一项的方法，其中通过刻蚀获得所述开口。
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