CN101154703A - 辐射元件的外壳、辐射元件及其制造方法 - Google Patents

辐射元件的外壳、辐射元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及辐射元件的外壳、一种辐射元件以及该元件的一种制造方法。该外壳具有引线架(2)、至少一个芯片安装区(11)、至少一个引线连接区(10)和至少一个外部电连接条(3a，b)，其中设置了一个支承部分，它具有该引线连接区(10)和该连接条(3a，b)并在其中嵌入一个单独制造的热连接部分(4)，该外壳(1)具有用模塑材料制成的外壳基体(1)，引线架埋入其中使得外部电连接条可从该外壳基体引出，且热连接部分(4)的热连接面可从外面进行热连接，外壳基体(1)具有辐射出射窗口(8)，且热连接部分(4)埋置在该外壳基体中，使芯片安装区布置在辐射出射窗口(8)内，辐射出射窗口(8)的侧壁(9)构成为反射面。

Description

辐射元件的外壳、辐射元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种辐射元件的外壳、一种辐射元件以及该元件的一种制造方法。
背景技术
例如从DE 196 36 454已知发出辐射的半导体元件的芯片引线架。该处描述的半导体元件具有一个埋入了芯片引线架的外壳基体以及一个发出辐射的半导体本体，该半导体本体安装在该芯片引线架上。该芯片引线架和外壳基体同时设计成产生辐射的反射器。
此外，从外壳基体伸出的芯片引线架的部分区域作为外部电连接条构成，而外壳则设计成适合于表面安装元件。为了达到尤其是在大功率半导体元件时产生的损耗热的良好的散热，反射器的一部分可作为热连接从外壳基体引出。
对高发光效率和相应大的损耗功率的元件来说，希望或需要更有效的散热。
发明内容
本发明的目的是提出一种改进的辐射元件的外壳、一种辐射元件及其制造方法。
根据本发明的用于辐射元件的外壳具有引线架、至少一个芯片安装区、至少一个引线连接区和至少一个外部电连接条，其中设置了一个支承部分，它具有该引线连接区和该连接条并在其中嵌入一个单独制造的热连接部分，该外壳具有一个外壳基体，该基体用一种模塑材料制成，引线架这样埋入其中，即外部电连接条可从该外壳基体引出，且热连接部分的一个热连接面可从外面进行热连接，外壳基体具有一个辐射出射窗口，且热连接部分这样埋置在该外壳基体中，使芯片安装区布置在辐射出射窗口内，辐射出射窗口的侧壁构成为反射面。
辐射元件尤指发光二极管的芯片引线架具有至少一个芯片安装区、至少一个引线连接区和至少一个例如用来把元件安装并连接到一块印刷电路板上的外部连接条，并设置了一个支承部分，该支承部分具有引线连接区和电连接条并在其中嵌入一个与芯片引线架隔开的单独制造的热连接部分，后者设有芯片安装区。具有这种芯片引线架的元件在运行中产生的损耗热主要通过这个热连接部分来散热。这个热连接部分最好与支承部分进行电连接，并同时作为芯片的电连接用。
与芯片引线架隔开单独制造的热连接部分具有这样的优点，即在大量损耗热的吸收和散发方面可达到最佳化而比整体的芯片引线架好得多。所以在这种热连接部分时，厚度、导热率、热膨胀系数和热连接面都可达到最佳化而几乎与对芯片引线架的要求无关。特别是，这种热连接部分可达到高的热容量，所以该热连接部分构成一个有效的散热源。一个大的热连接面可减小热阻，并由此改善导热和把热散发到周围。
在本发明的一个优选方案中，支承部分具有一个例如夹箍或夹环形式的嵌入孔，该热连接部分嵌入其中。这里可理解成将热连接元件嵌入芯片引线架的嵌入孔中，且其周边与芯片引线架连接。
为此，这个热连接部分例如可卡入该支承部分中和/或与它挤紧连接或铆接。根据本发明，最好在热连接部分和支承部分之间构成挤紧连接，这种挤紧连接的特点是具有高的机械强度和优良的导电率。挤紧连接例如可这样构成：支承部分和热连接部分例如通过把该连接部分嵌入支承部分的一个嵌入孔中来实现该支承部分和热连接部分的相互定位，然后热连接部分这样变形，即在支承部分中形成连接部分的机械的固定位置。可用锤或冲头之类的工具来产生变形。
连接部分最好这样成形，即它可按铆钉的方式与支承部分连接。在一定情况下，连接部分的单个接片或撑条的变形也能满足在连接部分和支承部分之间形成足够强度的挤紧连接。
在本发明的范围内可在连接部分和支承部分之间建立附加的或另外的其他连接例如钎焊或熔焊连接也是适合的。此外，连接部分还与支承部分进行粘接。
半导体元件的这样构成的一个机械稳定的支架具有这样的优点，即用相当少的技术费用就可把它制造出来。
热连接部分最好具有一个反射槽。在由此构成的元件时，这种热连接部分可改善元件的辐射效率和射束聚束。在本发明的这个方案时，最好用一种金属的热连接部分，因为金属表面以其很小的吸收损失和很强的定向反射而很适合作反射器表面。
为了提高机械稳定性，尤其是对下面尚待详细说明的外壳或元件来说，热连接部分的反射槽的高度最好这样选定，使它不超过一个设置在安装区的芯片的两倍高度。
适合作热连接部分的材料是具有高导热率的金属，特别是铜或铝或它们的合金。此外，其他优选的材料有钼、铁、镍和钨以及镍铁合金和铜钨合金，它们的热膨胀系数与半导体材料例如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和以它们为基础的材料的热膨胀系数很匹配。其他适合作热连接部分的材料为陶瓷和硅之类的半导体。热连接部分也可是多层的，例如构成金属陶瓷复合系统。
热连接部分的芯片安装表面最好进行调质处理，调质处理可改善芯片安装的表面性能(键合性能)。这种调质处理例如可包括涂覆一层银或金。
还有焊接连接条或引线连接区进行表面调质处理例如涂覆一层金、银、锡或锌来改善焊接或键合性能，在很大程度上也是有利的。
支承部分最好含铜或软铁并可例如用相应的箔冲压而成。根据本发明，这种支承部分有利于散热，所以对供电功能以及在下面还要详细说明的一种模塑材料的弯曲性能和附着性能都可达到最佳化。
这方面例如包括：支承部分在其厚度上可这样制作，即从一卷支承带进行加工、稍为冲压即可弯曲成型。这类加工性能有利于自动化生产和支承带上单个元件的密集布置(很小的间距)。
这样要求的支承部分的很小厚度一般对芯片的足够冷却造成了困难。特别是由于机械稳定性的原因限制了热连接的横截面。本发明通过嵌入热连接部分而消除了这个缺点。
根据本发明，为了构成辐射元件的外壳，芯片引线架最好被外壳基体包封。为此，芯片引线架最好埋入一种构成该外壳基体的模塑材料例如注塑或压铸材料中。这样就可用注塑法或压铸法进行经济的外壳制造。模塑材料例如可用环氧树脂或丙烯酸树脂为基础的塑料，但也可用任一种其他适合于这种使用目的的材料。为了散热，热连接部分最好这样埋入：它部分地从外壳基体伸出或构成外壳基体的一部分并由此可从外部进行热连接。
在外壳基体中最好构成一个辐射出射窗口形式的孔口，并将热连接部分这样埋入外壳基体中，使芯片安装区位于辐射出射窗口以内。芯片安装区例如可构成辐射出射窗口的一个界定面。
这种外壳形状特别适合于可表面安装的元件，辐射出射窗口对面的一侧或外壳基体的一个侧面构成元件的一个支承面。埋入的热连接部分最好一直延伸到这个支承面，这样，通过该支承面就可同时把损耗热散发到一个冷却体或印制电路板上。热连接部分最好这样设计，使其表面的一部分同时构成支承面或支承面的一部分。
为了提高辐射效率，外壳基体内的辐射出射窗口可做成圆锥形。这样，它的侧壁就构成了一个反射器。通过这个反射器可使位于芯片安装区的辐射源朝主辐射方向偏转到发射辐射分量的一侧。这样就达到了辐射效率的提高和辐射的聚束改进。
反射器最好这样造型，使热连接部分构成反射器的第一区段，在该第一区段上连接一个由辐射出射窗口的侧壁构成的反射器第二区段。反射器的总高度最好小于一个用来安装在芯片装配区上的芯片的四倍高度。这样就可保证高的机械稳定性，并把由于温度变化产生的应力例如焊接过程中产生的应力限制到容许的范围。
此外，用本发明的一个芯片引线架或外壳可构成一个具有改善散热的发射辐射元件。这个元件具有一个发出辐射的芯片最好是一个半导体芯片，该芯片布置在热连接部分的芯片安装区上。
该芯片最好至少部分地被一种浇注材料包封。这种实施方案特别适用于具有一个在一个辐射出射窗口中布置了芯片的外壳，其中该辐射出射窗口完全或部分地用上述浇注材料填充。作为浇注材料特别适合用反应性树脂，例如环氧树脂、丙烯酸树脂或硅树脂或它们的混合。在浇注材料中也可添加发光物质，这种发光物质把芯片产生的辐射转换成别的波长范围。这个实施方案特别适用于发射混合色或白色光的元件。
为了使外壳、芯片和浇注材料之间的热翘曲保持最小，特别是为了避免浇注保护层的剥落，最好这样选择浇注体积V，使之与芯片的高度H满足下列关系：
V≤q·H
式中q表示比例系数，其值小于10毫米2，最好为7毫米2。
在本发明的一个优选方案中，芯片引线架分成第一和第二电连接部分，其中热连接部分嵌入第一电连接部分并在第二电连接部分上构成引线连接区。为了供电，一根引线从芯片的接触面引到引线连接区。
本发明元件的制造方法从制造一个支承部分开始，该支承部分例如事先从一条带或箔冲制而成。
在下一个步骤中，将一个单独制作的热连接部分嵌入该支承部分为此设置的一个孔中。然后将芯片安装到热连接部分上，例如通过用一种导电的粘接剂粘接或通过焊接。接着把这样形成的芯片引线架用一种合适的外壳模塑材料进行包封，以构成外壳，例如用一种注塑法或一种压铸法进行。
在浇注前把芯片安装到芯片引线架上的优点是，也可用高温方法例如焊接方法进行装配。浇注的外壳部分不可能在这种高温过程中受到损害。如果这点并不重要，当然也可按别的顺序进行上述工艺步骤。
在浇注前把芯片安装到芯片引线架上时，可用一种硬焊方法在超过260℃的温度下焊接芯片。这样，在芯片和芯片引线架之间就可达到特别低的热阻。此外，在芯片和热连接部分之间建立了耐高温的连接，并特别是在高达大约260℃的典型温度下焊接元件时，减少了芯片松脱的危险。
附图说明
本发明的其他特征，优点和适用性结合附图1至5的5个实施例来说明。
图1a和1b本发明一个芯片引线架的一个实施例的示意俯视图或剖面图；
图2本发明一个外壳的第一实施例的示意透视剖面图；
图3本发明一个外壳的第二实施例的示意透视图；
图4本发明一个元件的第一实施例的示意透视图；
图5本发明一个元件的第二实施例的示意横截面。
具体实施方式
在图1a和1b中所示的芯片引线架2包括一个分成两个电连接部分12a，b的支承部分以及一个热连接部分4。两个电连接部分12a，b分别结束在一个焊接连接条3a，b中。
一个电连接部分12a具有一个夹环形式的孔，热连接部分4嵌入该孔中。为此，热连接部分4例如可精配合嵌入电连接部分12a中，然后按铆接方式与电连接部分12a挤紧。热连接部分4和电连接部分12a之间的另一类周边连接例如也可通过铆接，钎焊或熔焊来实现。
热连接部分4基本上是旋转对称的并具有凸起19，这些凸起可实现芯片引线架2牢固锚定在一个外壳中。此外，在热连接部分4中构成一个反射槽16形式的凹坑，在该凹坑的底面设置一个用来安装一个发射辐的芯片的芯片安装区11，而该凹坑的侧面则起反射面的作用。
电连接部分12a的夹环具有一个空隙13，第二个电连接线12a的一个舌状的引线连接区10与该空隙重叠。这个引线连接区10与反射槽的辐射侧边缘在高度上错开布置。这样，在安装芯片时就可在芯片和引线连接区10之间进行短的引线连接，而无须在热连接部分中在反射槽的边缘上为此设置一个空隙。
图2表示本发明一个外壳的一个实施例的纵剖面透视图。该外壳具有一个用塑料模塑材料制成的基体1，该基体例如可用注塑法或压铸法制成。该模塑材料例如由一种以环氧树脂或丙烯酸树脂为基础的塑料材料组成，但了民可由适合于这个目的的别的任何一种材料组成。
在基体1中，埋入了一个基本上相当于图1的芯片引线架2，该芯片引线架包括两个电连接部分12a，b和一个嵌入其中的热连接部分4以及焊接连接条，后者从该外壳基体中伸出。热连接部分4在芯片连接区11上构成基本上平面的没有反射槽的结构。
热连接部分4是这样布置在外壳基体1内的，使热连接部分4的底面6构成基体支承面7的一部分。该热连接部分在其周边设置有凸起19，以便机械牢固锚定在该外壳基体中。
在支承面7的对面，在外壳基体中构成一个孔口8作为辐射出射窗口，该孔口通到热连接部分4，这样，一个要固定在其上的发出辐射的芯片便可位于辐射出射窗口8内。辐射发射窗口8的侧面9是倾斜的并作为由这个芯片运行时产生的辐射的反射器用。
图3表示本发明一个外壳的另一实施例的支承面的透视图。象前述实施例那样，热连接部分4的底面6从外壳基体1伸出。其中热连接部分4的底面6从基体1稍微凸起，这样，在装配好的状态下，就可保证在热连接部分4和一个相应的支撑体例如一块印制电路板或一个冷却体之间的牢固支承和良好的导热。
与前述实施例不同的是，这个外壳基体1具有一个侧向的、从热连接部分4延伸到外壳基体1的侧面的槽20。当外壳安装到一个支撑体上时。在装配好的状态下，这个槽20也可用来检查该外壳和支撑体之间的连接。这样，就可特别是检查支撑体和热连接部分之间的焊接。
图4表示本发明一个辐射元件的一个实施例的示意透视图。
象前述实施例那样，一个芯片引线架2用一个嵌入的热连接部分4几乎埋入外壳基体1中，所以只有焊接连接条3a，b从外壳基体1侧向伸出，热连接部分4以未示出的方式构成外壳基体的支承面7的一部分并由此可从外部进行热连接。
在热连接部分4的芯片安装区11上，固定了一个发出辐射的芯片5例如一个发光二极管。最好这是一个半导体芯片，例如一个发光二极管芯片或激光器芯片，该芯片用一种硬焊料焊接到热连接部分4上。另一种方法是，该芯片可用一种粘接剂粘接到芯片安装区11上，该粘接剂应具有足够的导热性，而且最好也是导电的。
GaAs、GaP和GaN基的半导体材料例如GaAlAs、InGaAs、InGaAlAs、InGaAlP、GaN、GaAlN、InGaN和InGaAlN特别适合作有效的辐射源。
元件的外壳基本上相当于图2和图3所示的外壳。唯一的区别是，热连接部分4具有一个包围芯片5的反射槽16，它的反射面基本上无缝过渡到辐射出射窗口8的侧面9，所以形成了一个分别由热连接部分4和由辐射出射窗口8构成的区段组成的整个反射器。
此外，辐射出射窗口8在元件的纵向内进行了少许的扩展并包括一个引线连接区10，该连接区位于没有与热连接部分连接的芯片引线架2的电连接部分12b上。一根引线17从这个引线连接区10引到一个设置在芯片5上的接触面。
引线连接区10与热连接部分的反射槽16的辐射侧的边缘在高度上是错开布置的。这样，在芯片5和引线连接区10之间就可建立短的，因而机械牢固的引线连接，因为后者可靠近芯片5延伸。此外，由此使所产生的引线拱起的高度保持很小，因而减少了短路的危险，这种短路例如在芯片用浇注材料包封时由于引线侧向重叠到热连接部分上而可产生。
图5表示本发明一个元件的另一个实施例的横截面，该横截面相当于沿图4剖面线A-A剖开的轮廓。
象图3所示的实施例那样，这里的芯片5的安装侧上的热连接部分也是中心凹入的，所以为芯片5产生的辐射形成了一个反射槽16，辐射出射窗口8的反射侧壁9与该反射槽连接。
与上述实施例的区别在于，这样构成的整个反射器15在部分反射器9、16之间的过渡部分具有一个折点。通过这种造型使整个反射器15很接近于一个旋转抛物面，并由此达到了有利的辐射特性。与该反射槽的底面以一个较陡的角度从芯片辐射的光线较强地朝元件的主辐射方向偏转。
为了保护芯片，辐射出射窗口8用一种浇注材料14例如环氧树脂或丙烯酸树脂之类的反应树脂填充。为了产生的辐射的聚束，浇注材料14可象透镜那样构成一个轻微拱起的表面18。
为了浇注材料14、外壳基体1和芯片引线架2达到牢固的机械连接，热连接部分的反射槽16的高度A最好选用小于芯片5的两倍高度H。由热连接部分4和外壳基体1构成的整个反射器15的高度B应小于芯片5的4倍高度H。最后，辐射出射窗口8最好这样造型，使浇注的体积V满足上述关系：
V≤q·H
式中q约为7毫米2。由于满足了这个关系，便有利于增加机械稳定性并由此提高元件的容许负荷和寿命。为此，把热连接部分4用凸起19锚定在外壳基体1中同样有助于这个目的。
为了制作这种元件，首先要为芯片引线架2制备一个支承部分，该支承部分例如用一种支承带冲压而成并带有一个孔。然后将热连接部分4嵌入该支承部分的这个孔中并与该支承部分挤紧。
在下一个步骤中，在热连接部分4上安装例如焊接或粘接发出辐射的芯片5。为了构成外壳基体1，由该支承部分和热连接部分4构成的芯片引线架2与预安装的芯片5用一种模塑材料进行包封，其中，芯片5周围的区域以及引线连接区10留有空隙。这种包封例如可用注塑法或压铸法来实现。最后，将一根引线17从引线连接区10引到芯片5的一个接触面。
另一种办法是，在该支承部分和热连接部分4连接后，首先用上述模塑材料包封所构成的芯片引线架2，然后将芯片5固定最好粘接并键合到芯片连接区11上。
当然，本发明结合实施例进行的说明并不表示本发明局限于这些实施例。本发明的芯片引线架和外壳在很大程度上可用于要求有效散热的其他元件，或作为芯片也可用其他的半导体。
上述方法包括制备一个芯片引线架的步骤和该芯片最好通过焊接固定是在芯片引线架用一种模塑材料包封之前进行的，其中芯片的周围留有空隙，也可应用到其他外壳结构型式上而不用热连接部分，这本身就已经是一种发明。
这种方法的诸多优点特别在于，芯片的固定可达到最佳化而几乎与模塑材料的性能无关。焊接过程例如可在一个扩展的温度区进行，而且焊料可用熔点最好超过260℃的例如硬焊料，这种焊料可在芯片和芯片引线架之间建立热阻很小的连接。这样，也就减少了在一个相应元件分离到一块印制电路板上时芯片可能松脱的危险。

Claims (27)

1.用于辐射元件的外壳，其具有引线架(2)，至少一个芯片安装区(11)、至少一个引线连接区(10)和至少一个外部电连接条(3a，b)，
其特征为，
设置了一个支承部分，它具有该引线连接区(10)和该连接条(3a，b)并在其中嵌入一个单独制造的热连接部分(4)，
该外壳(1)具有一个外壳基体(1)，该基体用一种模塑材料制成，引线架(2)这样埋入其中，即外部电连接条(3a，b)可从该外壳基体引出，且热连接部分(4)的一个热连接面可从外面进行热连接，
外壳基体(1)具有一个辐射出射窗口(8)，且热连接部分(4)这样埋置在该外壳基体中，使芯片安装区(11)布置在辐射出射窗口(8)内，
辐射出射窗口(8)的侧壁(9)构成为反射面。
2.按权利要求1的外壳，
其特征为，
该支承部分具有一个夹箍或夹环，热连接部分(4)嵌入其中。
3.按权利要求1或2的外壳，
其特征为，
在热连接部分(4)和支承部分之间设置有一个挤紧连接、铆接、钎焊连接或熔焊连接。
4.按权利要求1的外壳，
其特征为，
从芯片安装区(11)看去，引线连接区(10)布置得比它高一些。
5.按权利要求1的外壳，
其特征为，
热连接部分(4)含有铜、铝、钼、铁、镍或钨。
6.按权利要求1的外壳，
其特征为，
为了改善芯片安装，芯片安装区(11)进行表面调质处理。
7.按权利要求6的外壳，
其特征为，
芯片安装区的表面调质处理包括涂覆一层银或金。
8.按权利要求1的外壳，
其特征为，
该支承部分含有铜或铁。
9.按权利要求1的外壳，
其特征为，
为了改善元件的安装性能，外部电连接条(3a，b)进行表面调质处理。
10.按权利要求9的外壳，
其特征为，
改善元件安装性能的表面调质处理包括涂覆一层银、金、锡或锌。
11.按权利要求1的外壳，
其特征为，
该外壳是可以表面安装的。
12.具有辐射芯片(5)的辐射元件，
其特征为，
它具有按权利要求1的外壳。
13.按权利要求12的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)是半导体芯片。
14.按权利要求12的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)至少部分地用一种辐射可穿透的塑料材料(14)包封。
15.按权利要求14的辐射元件，
其特征为，
该塑料材料含有环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂或这些树脂的混合。
16.按权利要求14的辐射元件，
其特征为，
辐射可穿透的塑料材料(1 4)的体积V按下式计算：
V≤q·H，
式中H为芯片(5)的高度，q为比例系数，其值小于10毫米2。
17.按权利要求12的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)固定在热连接部分(4)的芯片安装区(11)上。
18.按权利要求17的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)粘接或钎焊在芯片安装区(11)上。
19.按权利要求18的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)用一种硬焊料固定在芯片安装区(11)上。
20.按权利要求19的辐射元件，
其特征为，
该硬焊料的熔化温度高于260℃。
21.按权利要求12的辐射元件，
其特征为，
芯片(5)用引线(17)与引线连接区(10)导电连接。
22.按权利要求12的辐射元件的制造方法，
其特征为具有下列步骤：
-制备一个支承部分；
-把一个具有芯片安装区(11)的热连接部分(4)嵌入该支承部分中；
-把一个发出辐射的芯片(5)安装到芯片安装区(11)上；
-把支承部分(2)和热连接部分(4)埋入一种外壳模塑材料中。
23.按权利要求22的方法，
其特征为，
热连接部分(4)通过铆接、挤紧连接或焊接与该支承部分连接。
24.按权利要求22的方法，其特征为，
在该支承部分和热连接部分(4)埋入外壳模塑材料之前，将芯片(5)安装到芯片安装区(11)上。
25.按权利要求22的方法，
其特征为，
芯片(5)焊接在芯片安装区(11)上，且焊接温度高于260℃。
26.按权利要求22的方法，
其特征为，
芯片(5)用一种硬焊料固定在芯片安装区(11)上。
27.按权利要求22的方法，
其特征为，
支承部分(2)和热连接部分(4)用注塑法或压铸法埋入外壳模塑材料中。
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