CN102326269A - 紧凑的模制led模块 - Google Patents
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Abstract
一种形成发光二极管（LED）模块（68）的方法将透镜支撑框架（42）的阵列模制在连接的引线框架（44）的阵列之上。在支撑框架内将LED（20，30）结合到引线框架接触（12，14）。然后，将模制的透镜（48）固定在每个支撑框架之上，并且切割引线框架以形成各单独的LED模块（68）。在另一个实施例中，与支撑框架（82）一起模制透镜（80）以形成单一件，并且将支撑框架固定到连接的引线框架的阵列中的引线框架（72）。在另一个实施例中，不使用透镜，并且将杯状物（15）与引线框架（16）模制在一起，使得LED模块（38）只是由单一引线框架/杯状物和LED形成。由于每个LED包封体仅仅由一个或两个分离件形成，并且模块在阵列规模上制造，因而模块可以制造得非常小而简单。
Description
技术领域
本发明涉及封装发光二极管（LED）以形成微小模块的方法，特别地，涉及使用非常少的部件的LED模块的制造技术。
背景技术
由于闪光灯模块的小尺寸以及低电压LED电源的原因，一些数码相机（例如那些合并到手机中的数码照相机）使用LED闪光灯。这样的模块典型地基本上为尺寸大约5x5mm的矩形并且为3mm高。这样的尺寸是使用当前模块设计的最小实际可实现的。
这些模块典型地通过以下方式形成：模制塑料外壳，接着使金属引线咬合到外壳上，接着使模制的透镜咬合到外壳的顶部上，接着对于每个外壳提供安装到尺寸过大的陶瓷基座上的LED管芯，接着使外壳居中位于LED管芯和基座之上，接着将外壳引线焊接到基座上的顶部垫，其中焊接也将LED/基座固定到外壳以完成该模块。该工艺在单独的单元上执行，因而存在大量的处理和许多工艺步骤。这样的模块具有非常严格的公差，并且由于各部件的数量的原因，该模块生产相对昂贵。
所需要的是允许模块更小且具有更少的部件的新的LED模块设计。同样需要的是可以以更加放宽的公差制造以及比现有技术模块更廉价且更快速地制造的LED模块设计。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种对现有技术作出改进的LED模块及其制造方法。不同的实施例被公开。
在一个实施例中，连接的引线框架的金属片用作LED电极与其上将最终安装LED模块的印刷电路板之间的电接口。平坦的引线框架的阵列置于模具中，该模具也限定了在每个引线框架之上形成的反射盆状物（tub）。接着，通过模具模制塑料以填充引线框架的阵列中的空隙并且将盆状物形成为单一部件。接着，将密封的LED直接结合到引线框架顶部表面上以及反射盆状物内暴露的引线框架垫。所述片典型地包含用于LED的数百个引线框架。这样的阵列规模的处理比处理单独的各引线框架和分开地模制的盆状物要简单且快速得多。然后，例如通过沿着刻线断开来切割所述片以分离出各单独的LED模块。使用这种技术，可以同时形成数百或数千个LED模块。
在另一个实施例中，将引线框架片和透镜支撑框架模制为单一部件。接着，在每个支撑框架之上固定预先形成的光收集透镜，然后切割所述片以分离出各LED模块。
在另一个实施例中，将LED结合到模制的引线框架片。接着，在该片上的每个LED之上固定具有一体的支撑框架的模制的光收集透镜，然后切割该片以分离出各LED模块。
不同的结构和制造细节也被描述。由于制造是在阵列规模上进行，因而更快速且以更高精度执行处理、定位和其他处理。在给出的实例中，排除LED的模块为一个或两个部件。由于无需任何精确匹配的配合，因而放宽了制造公差。此外，LED模块可以制造得小于现有技术模块，例如具有2.5x3mm或更小的覆盖区以及2.5mm或更小的高度。
附图说明
图1为具有反射盆状物的模制的引线框架片的一部分的截面图。
图2为图1盆状物内的具有结合到引线框架上的垫的基座的LED的截面图。
图3为描述用来形成图2的结构的步骤的流程图。
图4为具有透镜支撑框架的模制的引线框架片的一部分的截面图。
图5为要固定到图4的支撑框架的光收集透镜的截面图。
图6为图5中的透镜的更详细的视图。
图7为图4的支撑框架内的具有结合到引线框架上的垫的基座的LED的截面图。
图8为固定到图7的支撑框架的图5的光收集透镜的截面图。
图9为描述用来形成图8的结构的步骤的流程图。
图10为模制的引线框架片的一部分的截面图。
图11为具有结合到图10的引线框架上的垫的基座的LED的截面图。
图12为光收集透镜和透镜支撑框架的截面图，其中每个透镜和支撑框架是单一的构造，要固定到图11的引线框架。
图13为图12中的透镜和支撑框架的更详细的视图。
图14为针对每个LED的固定到图11的引线框架的图12的单一光收集透镜和支撑框架的截面图。
图15为描述用来形成图14的结构的步骤的流程图。
图16为所述各模块中任意一个的自上而下的视图的实例，其示出位于中间的LED、围绕LED的光收集透镜或反射盆状物以及模块外周界。取决于光模式的要求，透镜或盆状物可以是圆形、矩形、六角形或者其他适当形状。
图17为所述各模块中任意一个的底视图的实例，其示出要连接到印刷电路板的引线框架的垫。
各个不同附图中相同或等效的元件用相同的附图标记标识。
具体实施方式
图1和图2中示出且在图3的流程图中概括了用于形成紧凑LED模块的第一实施例的工艺。
产生用于接纳例如由压印或蚀刻的铜形成的连接的引线框架的薄金属片（例如0.5mm）的模具。通过使金属垫处于与LED基座的相应垫对准的位置而为LED模块定制引线框架。在另一个实施例中，无需基座，并且LED管芯电极结合到引线框架垫。用于LED的每个引线框架至少需要阳极垫和阴极垫。金属垫通过以后在划片工艺期间切割的外围部分而保持在铜引线框架内的适当位置，从而这些垫最终彼此电绝缘。在用于模块的引线框架中，所有用于将模块连接到印刷电路板的垫都在模块的底部表面上。
金属引线框架是公知的，处于本领域技术人员技能内的是图案化引线框架以便满足本发明模块的要求。
模具具有限定图1中的盆状物10的腔体。盆状物可以为大约2mm高，因为LED非常小而薄。LED可以具有小于1mm的侧边。使用软化的或液体模制材料的模制工艺是公知的。
在图3的步骤11中，将金属引线框架片放置在模具中，并且软化的或液体塑料填充模具以形成盆状物10并且填充引线框架片中的空隙。塑料可以是杜邦的ZytelTM或者适合于模制的任何高温塑料。高温塑料在这里定义为能够耐受标准无铅工业焊接回流组装工艺而没有足够显著的变形或破坏以损害LED模块操作所需的机械和光学完整性的任何化合物。可以在模具中放置引线框架片之前首先向模具填充软化的塑料，或者可以在将所述片置于模具中之后对塑料注射成型。然后，将塑料固化并且从模具中移除结构。该模制的结构的整个高度可以小于3mm。尽管图1仅仅示出了在其关联的引线框架上的两个盆状物，但是所述片包含盆状物和引线框架的二维阵列，其典型地超过一千盆状物和引线框架以便实现高生产量。
引线框架垫12和14被示为在模制的引线框架16的顶部表面和底部表面之间延伸。图1的模制引线框架和盆状物形成单一部件，因而它可以容易地由常规自动定位设备作为一个单元加以处理。
如果形成盆状物10的模制塑料是充分反射的，例如漫射白色，那么对于盆状物壁无需反射涂层。如果需要反射涂层，那么可以掩蔽引线框架垫，并且可以将反射涂层15沉积在盆状物壁上。喷射和真空沉积的反射涂层是公知的。
在步骤18中，在基座上形成和安装常规LED。图2中所示的LED管芯20可以是涂覆有YAG磷光体（发射黄绿色）或者涂覆有红色和绿色磷光体的GaN蓝色发射管芯。通过磷光体泄漏的蓝色光与磷光体发射的光组合产生白色光。这样的白色光LED是公知的。LED管芯20被形成为两个电极在底部上的倒装芯片。LED管芯20结合到基座晶片的相应垫，与其一起的是许多其他LED管芯结合到相同的基座晶片的相应垫。晶片可以是陶瓷，其中电极24在基座晶片的顶部表面与底部表面之间延伸。用于LED的基座是公知的。也可以将ESD保护芯片26安装到基座晶片以便对每个LED管芯20进行ESD保护。LED管芯和ESD保护芯片通过例如硅树脂28被密封。然后，切割晶片以分离出各LED/基座。在图2中，单个基座标识为基座30。
LED管芯20和基座30的总厚度可以为大约1mm或更小。
在步骤32中，基座垫被超声熔接（weld）到每个盆状物10内的引线框架16的相应垫。如果希望的话，引线框架垫可以具有一层金、镍或其他适当材料以便促进熔接或焊接。这样的涂覆和熔接技术是公知的。
在步骤34中，例如沿着图2中的线36切割引线框架片以分离出各单独的LED模块38。引线框架片可以包括预先形成的凹槽或细微穿孔，这些凹槽或细微穿孔限定要沿着其分离引线框架的栅格。切割可以通过简单地沿着凹槽或细微穿孔断开引线框架来执行。
由于用于形成LED模块38的工艺在阵列规模上执行，因而该工艺相对容易、快速、廉价和高效。无需透镜，因为密封剂保护LED管芯，并且发射的光束可以通过盆状物10的形状定形。圆形盆状物将形成基本上圆形的光束。矩形盆状物将形成大体为矩形的光束。在一个实施例中，盆状物是六角形的。排除LED的模块38仅仅是单一模制件。
在一个实施例中，每个模块38覆盖区（footprint）大约为2.5x3mm，高度小于3mm。
图4-8示出了另一个实施例，并且图9的流程图概括了制造工艺。
在图9的步骤40中，将类似于参照图1讨论的引线框架片的铜引线框架片置于限定图4所示的透镜支撑框架42的模具中。模制工艺和塑料可以与参照图1所讨论的相同。总高度可以介于2mm与3mm之间。模制工艺将模制的引线框架44和支撑框架42形成为用于后续阵列规模处理的单一部件。
在步骤46中，由例如高折射率硅树脂模制限光透镜48（图5）。用于透镜48的模制材料是受限的，因为该材料必须保持基本上透明，而不管来自LED 模块及其在顾客产品中的组件的制造工艺的高的光强度和热量。然而，用于引线框架44和支撑框架42的模制材料可以是多种多样的不那么昂贵、机械上较为坚硬、不一定透明的高温材料（例如ZytelTM），因而典型地不会是相对昂贵的硅树脂。可以形成这样的透镜48，其在模制之后彼此连接并且沿着预定的断开线断开以便分离出透镜48。这可以通过定位机器完成，紧接着将透镜48固定到支撑框架42以便简化处理。
图6为透镜48的更详细的视图。透镜48的发光侧被示为模制成具有用于使光定形和/或改善光输出耦合（降低全内反射）的光学细部。透镜48被示为具有棱镜50的小同心圆环的模式以形成用于使光模式定形的菲涅尔透镜。对于其他的设计，例如对于普通照明，发光表面可以随机地粗糙化以输出宽的均匀光束。透镜48具有用于例如通过胶合固定到支撑框架42的顶部的凸缘52。在一个实施例中，支撑框架42和透镜48可以形成为具有互连的小突出物、凹槽或夹具，因而这些部件可以咬合在一起。
为了收集来自LED的光并且将光引导出透镜48，可以将反射涂层54沉积到透镜48上。这可以在透镜48被连接在一起时完成以便简化处理。在一个实施例中，涂层是镜面反射的，因而光朝透镜48的输出表面反射。箭头55代表沉积到除了光入射表面之外的透镜48的外表面之上的反射材料。在另一个实施例中，如果利用全内反射（TIR）实现了充分的反射，那么无需反射涂层。
在图9的步骤60中，如关于图2所讨论的，将LED管芯20安装到基座晶片上，并且切割晶片以分离出LED。
在步骤62中，如图7中所示，例如通过超声熔接将基座30的底部垫结合到引线框架44的相应垫。这样的结合在阵列规模上执行以便实现更加高效的处理。
在步骤64中，如图8中所示，通过例如胶或者其他手段将透镜48固定到支撑框架42。在一个实施例中，单独地处理和定位各透镜48。在另一个实施例中，将透镜48连接在一起且一起置于支撑框架42之上，其中在分离引线框架44的同时将透镜48分开，例如通过锯切或断开。
定位公差被放宽，因为LED管芯20之上的透镜48的竖直高度由模具确定，并且横向定位是不严格的。LED管芯密封剂与透镜48之间的空气间隙可以小至0.1mm。几乎所有从LED管芯20发射的光将在很少反射的情况下耦合到透镜48中，因为透镜48的输入表面平行于且靠近LED管芯20的顶部表面，并且LED管芯20置于透镜48的腔体65内以便捕获整个180o角度的光。腔体65允许模块非常薄，因为透镜48的外部可以在该透镜不接触LED的情况下低于LED管芯20的表面。
在步骤66中，切割引线框架44以形成各单独的LED模块68。
在一个实施例中，每个模块68覆盖区为大约2.5x3mm，高度小于3mm。
图10-14示出了另一个实施例，并且图15的流程图概括了制造工艺。
在图15的步骤70中，将类似于关于图1所讨论的引线框架片的铜引线框架片置于模具中，或者以其他方式对该铜引线框架片处理以便利用塑料填充该引线框架中的空隙。这增加了引线框架72（图10）的刚性，并且像其他实施例那样密封模块的底部。对于引线框架72，不模制支撑框架或盆状物。
在步骤74中，像图3的步骤18中那样，将LED管芯20安装到基座30上。
在步骤76中，如图11中所示，将基座30垫超声熔接到引线框架垫12和14。
在步骤78中，将硅树脂透镜80（图12）和透镜支撑框架82一起模制为单一部件。所有的透镜/框架可以在模制工艺之后连接在一起（在凸缘84处），因而它们可以在单次操作中一起固定到引线框架72，或者可以单独地处理各透镜/框架。
图13更详细地示出了透镜80和支撑框架82。透镜80可以与图6中所示的透镜48相同。
在步骤86中，如图14中所示，将支撑框架82固定到引线框架72，使得透镜80覆盖每个LED管芯20。可以使用胶或其他手段。
在步骤88中，切割引线框架72以形成单独的各LED模块92。
在一个实施例中，每个模块92覆盖区为大约2.5x3mm，高度小于3mm。
图16为上面描述的各模块中任意一个的自上而下的视图，其示出位于中间的LED/基座96、围绕LED/基座96的光收集透镜或反射盆状物98，以及切割之后由模制的引线框架的外周界限定的模块外周界100。取决于光模式的要求，透镜和/或盆状物可以是矩形、椭圆形、六角形或者其他适当的形状。
像在所有实施例中那样，基座不是必要的，因为倒装芯片LED管芯电极可以直接结合到引线框架顶部垫。铜引线框架接触区域可以被涂覆金层以便允许将LED电极超声熔接到引线框架。由于LED管芯可以比250微米薄，因而得到的模块可以显著小于3mm高，例如甚至为1.5-2.5mm。在所有实施例中，可以将LED管芯或基座焊接而不是超声熔接到引线框架。当在本文中使用时，术语LED包括裸露的LED管芯或者安装到基座上的LED管芯。
图17为所述各模块中任意一个的底部视图，其示出要连接到印刷电路板的引线框架的阳极和阴极垫102和104。可以使用任意垫模式。垫102和104正好与各附图中所示的上面的垫12和14的表面相对。
LED模块可以用于照相机闪光灯、其中希望小尺寸的普通照明或者用于任何其他应用。任何类型的LED可以用来产生任何模式和颜色的光。
本文描述的模块利用仅仅几个部件形成，并且功能件被模制在一起以形成用于阵列规模处理的单一部件，因而一些或所有工艺同时在成百上千个LED模块上同时地形成从而提高了处理速度、降低了成本、易于处理、提高了一致性以及实现了其他的优点。在所描述的各个不同的模块中，无需精确的定位步骤以实现严格的性能规范。
详细地描述了本发明之后，本领域技术人员应当理解，给定本公开内容，可以在不脱离本文描述的本发明构思的精神的情况下对本发明做出若干修改。因此，本发明的范围并非旨在受限于所示出和描述的特定实施例。
Claims (15)
1.一种形成发光二极管（LED）模块（68，92）的方法，包括：
提供连接的引线框架（44，72）的阵列，所述引线框架具有顶部表面和底部表面，所述引线框架具有用于电连接到LED（20，30）的顶部金属接触（12，14）；
模制用于支撑透镜（48，80）的支撑框架（42，82）；
模制透镜（48，80）；
将LED（20，30）附接到所述引线框架的顶部金属接触；
将透镜固定在LED之上，使得这些透镜在LED之上由支撑框架支撑；以及
切割引线框架以形成各单独的LED模块（68，92），每个模块包含单个引线框架、单个透镜以及单个支撑框架，该支撑框架形成每个模块的外壁，并且该引线框架形成每个模块的底部表面，其中所述底部表面具有底部金属接触（102，104）。
2.权利要求1的方法，进一步包括：
围绕连接的引线框架（44）的阵列模制第一材料，并且同时在引线框架之上模制第一材料以形成支撑框架（42），从而形成包括连接的引线框架（44）的模制阵列和支撑框架（42）的模制阵列的单一部件，每个支撑框架与不同的引线框架关联；
其中模制透镜（48）包括与支撑框架分开地模制透镜，所述透镜利用与第一材料不同的第二材料进行模制；并且
其中将透镜固定在LED（20，30）之上包括将透镜固定在支撑框架之上。
3.权利要求2的方法，其中第二材料包括透明硅树脂。
4.权利要求2的方法，其中支撑框架（44，72）的高度小于3mm。
5.权利要求2的方法，其中每个透镜（48）具有凸缘（52），其中将透镜固定在LED（20，30）之上包括将每个透镜的凸缘固定到支撑框架（42）的顶部。
6.权利要求1的方法，其中每个引线框架（44，72）的底部表面在切割之后限定了每个模块的覆盖区。
7.权利要求1的方法，其中每个透镜（48，80）具有腔体（65），并且将透镜（48，80）固定在LED（20，30）之上包括固定这些透镜，使得来自LED的光进入腔体。
8.权利要求1的方法，进一步包括将反射涂层（54）沉积在透镜（48，80）的外表面的一部分之上，该反射涂层使光向上反射通过透镜的出射表面（50）。
9.权利要求1的方法，其中模制用于支撑透镜（80）的支撑框架（82）以及模制透镜包括利用相同的材料将支撑框架和透镜模制在一起，使得每个支撑框架及其关联的透镜在切割之后是单一部件，
其中将透镜（80）固定在LED（20，30）之上包括将每个支撑框架（82）固定到连接的引线框架的阵列中的引线框架（72）。
10.一种发光二极管（LED）模块（68，92），包括：
模制的引线框架（44，72），其具有顶部表面和底部表面，该引线框架具有用于电连接到LED（20，30）的顶部金属接触（12，14）；
模制的支撑框架（42，82），用于支撑透镜；
模制的透镜（48，80），
其中支撑框架（42）与引线框架（44）一起模制以便形成由相同材料模制的单一件，或者支撑框架（82）与透镜（80）一起模制以便形成相同材料的单一件；以及
LED（20，30），其附接到引线框架的顶部金属接触；
其中透镜固定在LED之上，使得该透镜在LED之上由支撑框架支撑，从而使排除LED的整个LED模块由两个模制件形成。
11.权利要求10的LED 模块，其中LED（20，30）包括安装到基座（30）上的LED管芯（20），其中基座上的接触电连接到引线框架（42，82）的金属接触（12，14）。
12.权利要求10的LED 模块，其中支撑框架（42）与引线框架（44）一起模制以便形成由相同材料模制的单一件。
13.权利要求10的LED 模块，其中支撑框架（82）与透镜（80）一起模制以便形成相同材料的单一件。
14.权利要求10的LED 模块，其中透镜（48，80）包括腔体（65），并且透镜固定在LED（20，30）之上使得来自LED的光进入腔体，该透镜包括透镜外表面之上的反射层（54）。
15.一种形成发光二极管（LED）模块（38）的方法，包括：
提供连接的引线框架（16）的阵列，所述引线框架具有顶部表面和底部表面，所述引线框架具有用于电连接到LED（20，30）的顶部金属接触（12，14）；
围绕连接的引线框架的阵列模制第一材料，并且同时在引线框架之上模制第一材料以形成用于包围每个LED的杯状物（15），每个杯状物与不同的引线框架关联；
在每个杯状物内将LED附接到引线框架的顶部金属接触；以及
切割引线框架以形成各单独的LED模块（38），每个模块包含与杯状物模制在一起的单个引线框架以及单个LED而没有透镜，并且引线框架形成每个模块的底部表面，其中底部表面具有底部金属接触（102，104）。
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