CN101167193A - 包括设置在凹部中的led的光源 - Google Patents

Abstract

提供一种光源，包括具有第一侧和相对的第二侧的基板(1)，设置在所述基板的所述第一侧中的至少一个凹部(2)，至少部分设置在所述基板(1)上的电路(4)，以及设置在所述至少一个凹部(2)中并与所述电路(4)连接的至少一个LED(3)。所述至少一个凹部(2)的表面是连续的并且通过基板材料与所述第二侧物理隔离。通过在基板的所述凹部中设置LED，减少相邻LED之间的串扰，保持光源良好的机械稳定性以及减少经过基板的热通路。

Description

包括设置在凹部中的LED的光源

技术领域

本发明涉及一种光源，其包括具有第一侧和相对的第二侧的基板，设置在所述基板的所述第一侧中的至少一个凹部，至少部分设置在所述基板上的电路，以及至少一个设置在所述至少一个凹部中并与所述电路连接的LED。

背景技术

当前考虑采用高效和高亮度的LED阵列作为光源。为了使其可行，必须将多个单独的LED以细微的间距组装在基板上。

在多个LED应用中，几个LED以细微间距位于基板上的，还希望避免LED之间的串扰，即从多个LED侧壁发出的光与相邻LED(任选不同颜色)相耦合并且在那里被吸收。

防止LED之间串扰的一种方法是将LED放置在凹部中，使得凹部的壁防止LED之间的串扰。

例如，已经建议在单独的LED周围用光刻法(lithographically)构建壁以防止串扰。

在多个LED应用中存在的另一个问题是LED且特别是高功率的LED在发射光时耗散大量的热能。

所述热耗散呈现了对LED能够工作多长时间或LED可以用何种功率工作的限制。因此，一定非常希望获得从LED发出的良好热传输。

EP1253650A中描述了一种解决相邻LED之间热耗散和串扰问题的方法，其涉及一种光源，该光源包括基板和平台，所述基板限定在第一侧和相对的第二侧之间延伸的孔，所述平台覆盖邻近第一表面的孔的开口。通过将LED放置在基板的孔中，解决了位于分离的孔中的相邻LED之间的串扰。通过将LED安置设置于基板一侧上的平台上，该平台可以形成有效的热耗散热通路并且基板可以适当地由绝热材料制成而不影响热通路。

然而，在这个方法中，需要在基板的背侧上设置这个平台并且关注LED与该适当地由金属化合物制成的平台电绝缘。这就使得附加的制造步骤有必要，这是不想要的。

因此，仍然需要一种基于LED的发光装置，其易于制造并可以提供改进的远离LED的热传输。特别是，需要这种在相邻LED之间的串扰减少的装置。

发明内容

本发明的一个目的是克服至少一部分现有技术的问题，并提供一种使单独的LED之间的串扰减小并使散热得以改进的多LED光源。

因此，在本发明的一个方面中提供一种光源，其包括具有第一侧和相对的第二侧的基板。在所述基板的第一侧中设置至少一个凹部，在所述基板上设置电路，并且在所述至少一个凹部中设置至少一个LED，并使所述LED与所述电路连接。该LED和该电路与该基板电绝缘。

在本发明的光源中，至少一个凹部的表面是连续的并且与一个接一个的基板材料(substrate-by-substrate material)的第二侧物理分离。

本发明的一个优点是将LED设置于基板的凹部中可以减少在分离的凹部中的相邻LED之间的串扰。

另一个优点是减小了LED和第二侧之间的热通路，并由此减小了热阻，使得更好地散热。

再一个优点是或者是电介质基板材料或是具有电绝缘表面层的导电或半导电材料的基板材料使设置于凹部中的LED与基板的第二侧电绝缘。

在本发明的实施例中，将散热片设置在所述基板的第二侧上，通过基板材料，LED与所述散热片至少部分地热接触，其中所述基板材料将凹部的表面与基板的第二侧分离开。

根据该实施例的光源的一个优点是由于LED与散热片之间的电介质基板材料，散热片会与LED电绝缘，并且这避免了对LED和散热片之间的额外绝缘层的需求。

所述实施例的另一个优点是散热片通过形成凹部底部的基板材料的薄壁与LED热接触。

在本发明的实施例中，凹部的侧壁或至少部分凹部侧壁是锥形的，使得朝向基板第一侧的开口比凹部的底部区域大。优选地，朝向基板第一侧向外呈锥形的该侧壁是反射表面。

所述实施例的优点是凹部中的LED发射的光通过朝向基板第一侧的开口而从凹部中传输出来，即使光沿着平行于基板的表面的方向发射或者向下发射到凹部中。这提高了光源的效率。

在本发明的实施例中，将光学元件，例如透镜，准直器和/或颜色转换器，设置于覆盖凹部的基板的第一侧上，并由此将任意的LED设置于该凹部中以接收至少部分由该LED发射的光。

在本发明的实施例中，上述光学元件包括凹部，光源的基板设置在该凹部中。

所述实施例的优点是所述凹部使得光学元件可以简单地以预定位置和/或取向设置于基板上。另一个优点是光学元件沿着基板的外围侧面向下延伸的部分可以收集LED以倾斜的角度或平行于基板表面发出的光。这样提高了光源的效率，因为使更多的出射光得到利用。

在本发明的实施例中，LED通过基板的第二侧连接到或可以连接到LED驱动器，即具有位于基板第二侧上的部分并与LED连接的电路。该位于基板的第一侧上的LED与基板的第二侧之间的连接可以通过例如从第一到第二侧的孔或者通过基板的边缘侧来实现。

所述实施例的优点是可以将任选地设置在基板的顶部的元件，例如光学透镜，滤色器和准直器等，设计成具有沿着基板边缘侧向下延伸的部分而不会妨碍光源与LED驱动器的连接。所述的一个例子是上述具有凹部的光学元件，基板设置在该凹部中。

在本发明的实施例中，LED和电路之间的连接位于所述凹部内。

所述实施例的优点是如果LED的上表面位于基板第一侧平面的下面，那么例如上面所描述的光学元件可以直接设置于基板的表面上。

在本发明的实施例中，发光化合物设置于所述凹部中，至少部分覆盖在凹部中设置的LED以接收由该LED发出的光。

这种发光化合物可以用于将由LED发出的光的颜色转变为不同的颜色。

所述实施例的优点是发光化合物可以设置为覆盖LED的顶部和侧面。这使得LED发出的基本上所有的光在发出光源之前都会经过发光化合物由此具有良好的效率。

所述实施例的另一个优点是发光化合物在凹部中的设置不会影响在基板的顶部上设置光学元件的可能性，如上所述。

在本发明的实施例中，第一LED设置于第一凹部中且第二LED设置于第二凹部中。

所述实施例的优点是减小了设置于分离的凹部中的LED之间的串扰，使得更好地控制由光源发出的全部的光。

所述实施例的另一个优点是每个凹部为发光化合物提供轮廓分明的沉积区域，并且相邻的凹部可以填充具有低交叉污染风险的不同的发光化合物。由此，利用这个方法和仅具有一种颜色的多个LED但是在不同的凹部中利用不同的发光化合物可以方便地制造多色彩光源。

在本发明的实施例中，基板包括具有电绝缘表面层的导电或半导电材料，该电绝缘表面层使至少LED和电路与基板绝缘。在散热片是导电材料的情况下，有利的是散热片也通过这样的电绝缘表面层与基板绝缘。

这种半导电材料的例子包括硅，其具有相当高的导热性。硅可以使得LED与散热片之间的热接触良好，相对便宜，并且能够很容易与薄的电绝缘层电绝缘，例如与热生长的SiO₂层电绝缘，同时提供在凹部表面和基板的第二侧之间的所希望的绝缘。此外，如果采用硅，可以将有源电路，例如晶体管，二极管(例如光电二极管)和热传感器等集成在基板中。

在本发明的实施例中，凹部的表面和基板的第二侧由至少10-100μm、优选25-75μm的基板材料分离开。

在这个范围内的厚度使得通过基板的热传输良好并且与此同时，整个结构的机械稳定性良好。

现在将参照显示本发明示例性实施例的附图更加详细地描述本发明的这个方面和其它方面，其中不同附图中共同的特征具有相同的附图标记，且附图并非照尺寸绘制。

附图说明

图1示出根据本发明的光源的一部分的横截面。

图2示出根据本发明的光源的透视图。

图2a示出设置在LED之前的基板。

图2b示出在凹部中提供有LED的图2a中的基板。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的光源的示意性实施例。

提供硅基板1，具有SiO₂的电绝缘表面层10，且在基板的前侧提供凹部2。在凹部2中设置发光二极管(LED)3。该凹部2是锥形的，具有比底部区域大的开口区域。

LED3与电路4连接，设置在基板1上并位于凹部2中。LED3和电路4之间的连接由LED底侧上的焊块来提供。

电路4经过基板的一个侧边缘，并通过在基板1背侧上的接触来连接到LED驱动单元6。

设置光准直器8以便准直由LED3发出的光，并且该光准直器包括凹部，在该凹部中设置基板1，使得该准直器8部分地沿着基板1的边缘侧向下延伸。

散热片9也设置在基板的背侧，处于与LED3的位置对应的位置，以便将LED所散发的热远离光源的热敏部件传输，例如LED3本身。

在图1所示的实施例中，基板1是硅基板。由于硅是半导电材料，因此基板的表面提供有SiO₂的绝缘层10来将电路、LED和该光源的其它部件绝缘以避免短路。SiO₂是硅基板上绝缘层的很有吸引力的候选，因为它可以提供有效的绝缘同时不会在任何可察觉的程度上妨碍硅材料的相对高的热导性。对本领域技术人员而言，很明显，也可以使用其它基板材料。例如，可以使用本领域技术人员公知的介电基板材料，如像Al₂O₃或AlN的陶瓷基板，且在这种情况下，可以省略电绝缘层10。此外，可以提供具有电绝缘表面层的其他导电或半导电材料可以用作本发明光源中的基板材料。

提供具有绝缘表面层的半导电或导电基板材料的方法对于本领域技术人员是公知的。在硅基板的情况下，这种方法包括在硅基板的表面上生长(例如热学地)氧化层(即提供表面改性)的方法，以及沉积氧化层(即提供涂层)的方法。因此，绝缘表面层包括表面改性和涂层。

在半导电或导电基板材料的情况下，至少电路和LED与基板绝缘，但是通常，基本上整个基板都被提供具有绝缘表面。

通常，基板大约是200μm厚，但是该厚度可以随着例如LED的类型和厚度以及所使用的区域而大范围地变化。

基板1中的凹部2通常通过从该基板中除去材料来形成，例如通过蚀刻或钻孔。该凹部对于基板的前侧是敞开的，并且该凹部的表面是连续的，在该意义上其不受向基板背侧的开口的限制。

凹部的深度通常是这样的，使得存在范围在10-100μm，例如25-75μm范围中的基板材料，该基板材料将凹部的最深点与基板的背侧相分离。这种厚度的基板材料可以在LED和散热片之间的热通路中提供低的热阻。这种厚度的基板材料还在安装的LED的位置处提供良好的机械稳定性。

该凹部通常具有锥形的形状，该锥形具有比底部区域大的开口区域。这导致凹部的侧壁朝着前侧向外倾斜。通过将该凹部中的基板材料处理成为反射性表面或通过将该侧壁涂敷反射性涂层，该侧壁还可以是反射性的。即使光本来是朝向侧壁发出的，但是由于凹部中LED发出的光被反射出凹部，因此反射性侧壁提高了光源的效率。

通常，凹部的深度使得设置在凹部中的LED的顶侧低于基板前侧的平面。因此凹部起到准直器的作用，且在平行于基板平面的方向上发出的光或者被反射出该凹部或者由基板材料所吸收。

设置于凹部2中的LED3可以是本领域技术人员公知的任何类型的LED。

如这里所使用的，术语“发光二极管”或“LED”包括所有类型的发光二极管，包括激光二极管，无机基LED和有机LED，如聚LED和OLED，其能够发射从红外线到紫外线的波长或波长间隔的光。

在本申请的上下文中，下面两种类型的LED之间存在区别：(i)具有与位于LED一侧上的阳极和阴极相连的两个连接器的LED(一般称作“倒装晶片”LED)和(ii)具有与位于LED两侧的阳极和阴极相连的连接器的LED(这里表示“引线接合”LED)。

这两种类型的LED都适用于本发明。然而，在本发明的某些应用中，优选“倒装晶片”型，因为这种类型呈现基本上平坦的前表面并具有起伏不大的外形(low profile)。目前，在“倒装晶片”设计中可以提供蓝色和绿色LED而在“引线接合”设计中只能提供红色LED。

将电路4设置在基板1上以便为LED提供接触区域并且为连接到LED驱动器提供接触区域。通常，该电路4由通过本领域技术人员公知的方法施加在基板上的导电图形构成。该电路一般使用的材料包括例如Al，Cu，Au，Ag等的导电金属，以及包括这样的金属的导电合金和化合物，还包括导电的非金属化合物。

在凹部中以及在凹部周围的电路的设计取决于将要与该电路连接的LED的类型。通常，对于“倒装晶片”LED，可以将用于LED的阳极和阴极的连接设置于凹部的底部中，形成“脚印”，LED与该“脚印”适配并与其连接。对于“引线接合”LED，可以将用于阳极的连接设置于凹部的底部中，而用于阴极的连接(金属线)提供在到凹部的边缘上。然而，如果该凹部足够大，那么还可以将用于阴极的连接提供在凹部的底部或侧壁上。

在本发明的一些实施例中，该电路通过基板的背侧连接或可连接到LED驱动单元。如图1所示，该电路设置在基板的前侧上，沿着基板的边缘侧向下直到背侧。解决该问题的一种可选择的方法是将该电路设置在从基板的前侧到背侧的孔中。

在背侧上设置部分电路提供光源与副底座(sub-mount)的简单连接。此外，其也允许光学元件，如图1中所示的准直器，沿着基板的边缘侧向下延伸。

在基板上设置多个LED的情况中，或者在相同的凹部或者在分离开的凹部中，电路都可以为每个LED提供单独寻址。

在例如硅基板的情况下，可以通过集成电路的制造领域中公知的方法在硅基板材料中结合电路的有源部件，例如晶体管，二极管和传感器。

通常使用一般公知的导电焊接材料，通过焊接将该LED与电路相连接。

LED驱动单元6为其所连接的LED提供驱动电压，该LED驱动单元6是本领域技术人员公知的任意类型。如果需要，LED驱动单元可以允许各个LED的单独寻址。

如图1中所示，准直器8设置于基板1上以便准直由LED3发出的光。然而，其它光学元件也可以单独地或与其它光学元件结合地设置在该基板上。这种光学元件包括，但是不局限于，透镜，滤色器，色彩转换器，漫射器等。例如可以将用于使光聚焦的透镜设置于准直器的顶部上，首先收集由该装置发射的光并随后将其沿某一方向引导或将其聚焦在某点上。

可以提供滤色器来选择由光源发出的某一波长或波长间隔。

色彩转换器可以用于将LED发出的光转换为所希望的波长。这种色彩转换器可以例如是包括发光材料的透明的或半透明的元件。

如图1中所示，部分准直器部分地沿着基板的周边侧向下延伸。这是可选择的，但是在一些情况下提高了光源的总效率，因为甚至以非常倾斜的角度发出的光都可以由该准直器接收。

该散热片9设置在基板1的背侧以将工作中的LED耗散的热远离该装置的热敏部件(例如LED本身)传输。通常，该散热片是具有高导热性的材料，例如金属。例子包括一般的金属，例如，但是并不限于，Cu，W，Al，以及这些具有高导热性的金属和材料的合金，如AlSiC。

该散热片适于设置在基板的背侧上与凹部中LED的位置相对应的位置，这样使从LED到散热片的热通路最小化。然而，也可适于在基板和散热片之间设置接触层以便将它们物理地和/或热学地适当接合在一起。此外，由于该电路主要设置在基板的前侧上，基本上整个背侧都可以用作与散热片的接触区域，提供良好的散热特性。

发光材料可以设置在凹部2中，至少部分地覆盖设置于该凹部中的(多个)LED。该发光材料可以用于将LED发出的光转变为所转变的颜色，并且对于第一和第二颜色的大量组合来说，用于将第一颜色转变为第二颜色的发光材料对该领域技术人员是已知的。当将较短波长的光(例如UV或蓝光)转变为较长波长的光(例如绿光或红光)时，色彩转变的效率是最高的。

这种发光材料的应用的一个例子是将蓝光或绿光转变为红光。如上所述，目前，红色LED在“倒装晶片”设计中是无法得到的，但是为了消除对提供红光的“引线接合”LED的需要，可以用蓝-红转变材料覆盖蓝色的倒装晶片LED。

当发光材料设置于凹部中时，该凹部的壁形成了朝向任何相邻凹部的天然屏障。这使得分离的发光材料以较低的交叉污染的风险沉积于相邻的凹部中。

可以将发光材料沉积在凹部中来覆盖该凹部中的(多个)LED并不来填充该凹部。该发光材料可以形成在基板前侧的平面之下或之中的表面。在这样的情况下，该发光材料不会对在基板顶部上设置如透镜、准直器等的光学元件形成任何障碍。然而，该发光材料还可以形成该基板前侧的平面之上的表面，例如凸面。在这种情况下，该发光材料除了其色彩转变特性之外本身还起到聚焦透镜的作用。

本发明的第二个示意性实施例在图2a和2b中示出，且包括具有多个凹部2，2′，2″的基板1和设置在每个凹部中的LED3，3′，3″。每个LED都与电路4连接，但是可单独地寻址以便适合光源产生的全部光。

三个LED3，3′，3″都产生不同颜色，在这里分别例示为蓝光，绿光和红光。

在图2b示出的实施例中，所有的三个LED是蓝色LED。然而，产生绿光的LED是由蓝到绿转变的发光材料21覆盖的蓝色LED，产生红光的LED是由蓝到红转变的发光材料22覆盖的蓝色LED。由于每个LED都是被单独驱动，所以这个实施例的光源表示颜色可变的RGB-像素。

在基板的背侧(图2中没有示出)上，可以设置散热片，所述散热片可以包括用于所有LED的一个公共的散热片或者每个LED一个单独的散热片。

在本发明的其它实施例中，没有使用发光材料，且像素中的每种颜色都是由自身发出这种颜色的LED产生的。

因此，基板中的凹部可以具有以下一个或多个效果：(i)减少LED和散热片之间的热阻而不需要通过穿过基板的孔的直接连接，(ii)减少位于相邻凹部中的相邻LED之间的光学串扰，(iii)至少在倒装晶片的情况下，在基板的前侧上提供了平面表面，(iv)为发光材料的沉积提供了轮廓分明的区域，以及(v)便于在光源的顶部上设置光学元件。

根据本发明的光源可以由包括本领域技术人员公知的步骤的方法来制造。

通常，在基板材料的大晶片(例如传统的硅晶片)上制造或至少部分平行地生产多个光源，随后将该晶片适当地切成更小的单元。

首先，通过使硬蚀刻掩模(SiO₂/Si₃N₄)形成图案将凹部位置限定在硅晶片一侧上。将相同的掩模材料沉积在该晶片的背侧，以便充分地保护该侧不受随后的蚀刻。

通过KOH蚀刻从基板中蚀刻出这些凹部，比晶片的厚度小10-100μm的深度，即并不完全穿透晶片，之后去掉蚀刻掩模。在该凹部底部中残留的晶片材料在完成的产品中将起到热通路以及电绝缘的作用。

为了准备在基板的前侧和背侧之间的电连接，例如通过激光切除而在这些连接的位置形成穿透基板的孔。这些孔例如可以是狭缝的形式。

为了准备沉积该电路，使硅晶片的表面氧化(前侧，背侧，凹部中和通孔中)以便提供电绝缘表面层。

将该电路在该凹部中、晶片的前侧上、穿透基板的孔中和晶片的后侧上设置为所希望的图案的镀金属。该电路的带图案的沉积例如可以通过传统的光刻技术在晶片的绝缘部分上将抗蚀剂层形成图案，随后沉积金属并接着除去该抗蚀剂来获得。

任选的是，接着将该凹部的侧壁处理成反射表面。

将LED设置在凹部中并通过焊接与电路连接，且将晶片切成单独的光源。通过贯穿晶片的狭缝切割晶片，在基板外围边缘处从前侧到后侧曝露出侧面接触。

如上所述，可以在将晶片切成小片之前或之后利用发光材料来填充该凹部。

优选将光学元件设置在切割后的基板上，以便利用具有从前到后的接触的上述优点。

可以通过具有高导热性的粘接层将散热片设置在所切割的基板的背侧上。

本领域技术人员可以认识到本发明决不限制于上述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行多种改进和变化。例如，可以通过采用蓝色LED和采用蓝到黄转变发光材料或者作为沉积在凹部中的发光化合物或者作为设置在基板上的光学元件中的发光材料来产生白光的光源，其中白光可以通过黄色转变的光和残留的没有转变的蓝光来获得。

此外，上述方法是针对硅基板。为了制造本发明的光源，其它的基板材料可能需要不同的处理条件。例如，材料不同于硅的导电或半导电基板材料可要求其它的方法来获得电绝缘表面层，固有的电介质基板材料可能根本不需要任何的电绝缘层。

Claims (11)

1.一种光源，包括具有第一侧和相对的第二侧的基板(1)，设置在所述基板的所述第一侧中的至少一个凹部(2)，设置在所述基板(1)上的电路(4)，以及设置在所述至少一个凹部(2)中并与所述电路(4)连接的至少一个LED(3)，所述LED(3)和所述电路(4)与所述基板电绝缘，其特征在于

所述至少一个凹部的表面是连续的并且通过基板材料与所述第二侧物理分离。

2.根据权利要求1的光源，其中散热片(9)设置在所述基板(1)的所述第二侧上，且所述LED(3)至少部分地通过所述基板材料与所述散热片(9)热接触，所述基板材料将所述凹部(2)的所述表面与所述基板(1)的所述第二侧分离开。

3.根据权利要求1或2所述的光源，其中所述凹部(2)包括朝向所述基板的所述第一侧向外呈锥形的反射侧壁。

4.根据前述任一项权利要求所述的光源，其中在所述基板(1)的所述第一侧上设置光学元件(8)以接收由所述至少一个LED(3)发出的至少部分光。

5.根据权利要求4所述的光源，其中所述光学元件(8)包括凹部(11)，所述基板(1)设置在所述光学元件(8)的所述凹部(11)中。

6.根据前述任一项权利要求所述的光源，其中所述电路(4)通过所述基板的所述第二侧能连接到LED驱动器(6)。

7.根据前述任一项权利要求所述的光源，其中至少一个LED(3)和所述电路(4)之间的连接位于所述凹部(2)内。

8.根据前述任一项权利要求所述的光源，其中发光部件(21)设置于所述凹部(2′)中，至少部分覆盖所述至少一个LED(3′)以接收由所述至少一个LED(3′)发出的至少部分光。

9.根据前述任一项权利要求所述的光源，包括设置于第一凹部(2)中的第一LED(3)和设置于第二凹部(2′)中的第二LED(3′)，根据前述任一项权利要求所述的光源，其中所述基板(1)包括具有电绝缘表面层(10)的导电或半导电材料，该电绝缘表面层使至少所述LED(3)和所述电路(4)与所述基板(1)绝缘。

10.根据权利要求10所述的光源，其中所述基板(1)包括硅。

11.根据前述任一项权利要求所述的光源，其中所述凹部(2)的表面与所述基板的所述第二侧由至少10-100μm、优选25-75μm的基板材料分离开。

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