CN103094451B - Led模块及其接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法，该方法包括：提供发光二极管(LED)器件(例如，LED元件和PCB)以及散热器。通过应用超声波能量将该LED器件与散热器相接合。在实施例中，该接合可以形成包含铜和铝的接合件。该PCB可以是金属芯PCB(MC‑PCB)。本发明还提供了一种LED模块及其接合方法。

Description

LED模块及其接合方法
技术领域
本发明基本上涉及的是装配，更具体地来说，涉及的是发光二极管(LED)器件的装配。
背景技术
诸如LED器件的光电器件是用在各种应用方式中的半导体光源。当施加电压时，LED器件发射出不同波长的光。LED器件以其紧凑尺寸、开关速度以及可靠性使工业迅速地发展。因为LED会产生热量，所以通常需要冷却器件来释放所产生的热量。一种冷却器件是散热器。然而，传统的LED装配方法通常包括将LED与冷却器件相接合的昂贵并且复杂的工艺，例如，需要进行高温共晶接合。现有技术的其他缺陷包括：在LED器件和冷却器件之间缺少导热性。因此，即使现有的装配和应用LED器件的方法在某些方面已经能够满足其预期目的，但是无法完全令人满意。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括：提供发光二极管(LED)器件；提供散热器；以及将所述LED器件与所述散热器相接合，其中，所述接合包括：施加超声波能量。
在该方法中，提供所述LED器件包括：将LED元件与印刷电路板(PCB)相连接，并且其中，所述接合包括：将所述PCB直接与所述散热器相接合。
在该方法中，所述PCB是金属芯PCB(MC-PCB)。
在该方法中，所述超声波接合工艺包括：在施加超声波能量时，向所述LED器件和所述散热器中的至少一个施加压力。
在该方法中，还包括：在所述接合之前，将导热材料施加在所述LED器件和所述散热器之间。
在该方法中，所述接合形成了包含铜和铝的接合件。
在该方法中，所述接合进一步包括：向所述散热器和所述LED器件中的至少一个施加热量。
根据本发明的另一方面，提供了一种装配发光二极管(LED)模块的方法，所述方法包括：提供LED元件；将所述LED元件与印刷电路板(PCB)相连接；提供散热器；以及利用超声波能量将所述PCB与所述散热器相连接，所述PCB具有与其相连接的所述LED元件。
在该方法中，所述PCB是金属芯PCB(MC-PCB)。
在该方法中，所述PCB是多层板，并且包括具有第一成分的基层。
在该方法中，所述散热器包含第二成分，并且其中，将所述LED器件与所述散热器相接合包括：形成包含有与所述第二成分相混合的第一成分的接合件。
在该方法中，所述第二成分是铝，所述第一成分是铜。
在该方法中，将所述PCB与所述散热器相接合包括：形成沿着所述PCB的边缘设置的一个或多个接合件。
在该方法中，将所述PCB与所述散热器相接合包括：形成宽度大于大约3mm的接合件。
在该方法中，将所述PCB与所述散热器相接合包括：向接合区域施加压力，并且其中，在所述接合区域中形成有接合件。
在该方法中，还包括：在接合所述散热器和所述PCB之前，形成位于所述PCB和所述散热器之间的导热胶层。
根据本发明的又一方面，提供了一种发光二极管(LED)模块，包括：散热器，具有第一成分；LED器件，设置在所述散热器上，其中，所述LED器件包括LED元件和金属芯印刷电路板(MC-PCB)，其中，所述MC-PCB包含第二成分；接合件，位于所述散热器和所述MC-PCB之间，其中，所述接合件包括所述第一成分和所述第二成分的混合物。
在该LED模块中，所述第一成分是铝，所述第二成分是铜。
在该LED模块中，所述接合件设置在所述MC-PCB的边缘上。
在该LED模块中，所述接合件形成了围绕所述LED元件的环。
附图说明
当阅读附图时，根据详细描述可以最好地理解本发明的各个方面。需要强调的是，根据工业中的标准实践，各种不同部件没有按比例绘制。实际上，为了使论述清晰，可以任意增大或减小各种部件的尺寸。
图1是根据本发明的一个或者多个方面的装配LED器件的方法的流程图；
图2是根据图1的方法的装配LED器件的实施例的概括性截面图；
图3是在图1的方法的后续工艺步骤中的装配LED器件的实施例的概括性截面图；
图4是对应于图3的器件的经过装配的LED器件的俯视图。
图5是根据图1的方法的装配LED器件的另一个实施例的概括性截面图；
图6是在图1的后续工艺步骤中的图5的LED器件实施例的概括性截面图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例、或者实例。以下描述了组件和配置的具体实例以简化本发明。这仅仅是实例，并不旨在限制本发明。此外，将一个部件形成在另一部件上，与另一部件相连接和/或相耦合可以包括将部件形成为直接接触的实施例，还可以包括将其他部件形成在部件之间(比如，部件不直接接触)的实施例。为了简单和清楚，可以通过不同比例绘制各个部件。尽管将各个实施例描述为包括LED元件或者器件，然而本领域普通技术人员可以意识到，本公开的各个方面适用于包括了其他光电器件的其他器件类型。
图1示出了根据本发明的各个方面的装配光电(例如，LED)器件的方法100的流程图。图3-图4和图5-图6是在方法100的各个阶段期间的各个实施例的装配的截面图。图4提供了对应的俯视图。可以理解，为了便于理解本文所论述的发明构思，将这些附图的各个方面进行简化。因此，应该注意，可以在图1的方法100之前、之中、和/或之后提供附加工艺，并且在本文中仅对其中一些工艺进行简要描述。类似地，图2-图6的器件可以包括未具体示出的附加元件，和/或可以示出在其他实施例中省略掉的附加元件。
参考图1，方法100开始于框102，其中，提供了一个或多个LED元件(或者器件)。该LED元件可以包括经过适当掺杂来提供p-n结的半导体材料。该LED元件可以包括现在公知的或以后将会发展出的任何发射辐射(例如，可见光、紫外线、或者红外线)的波长。参考图2的实例，示出了LED元件202。
然后，方法100继续进行到框104，其中，将LED元件与印刷电路板(PCB)相连接(例如，接合)来形成LED器件。该LED器件可以通过粘合剂、管芯接合材料、共晶工艺、和/或其他适当连接工艺接合至PCB上。该PCB可以提供与LED电连接的工具，比如，用于将电压传送至LED元件和/或与LED相关的电路或者部件的导电迹线。在实施例中，LED元件包括与PCB相接合的散热块(heat slug)或热焊盘(thermal pad)。
在实施例中，PCB是金属芯PCB(MC-PCB)。MC-PCB可以用于大功率应用方式。MC-PCB可以是铜-类MC-PCB。在可选实施例中，MC-PCB是铝-类MC-PCB。在其他实施例中，PCB具有FR4，和/或可以根据设计限制和/或成本限制来使用其他适当的PCB类型。MC-PCB可以为LED器件提供热管理，从而能够通过LED元件的背面提供散热路径。
PCB可以包括多层结构。在实施例中，PCB是包括具有导体层、绝缘体层、和基层的多层结构的MC-PCB。基层可以作为散热器(heat spreader)。基层可以包含金属。在实施例中，该基层包含铜(例如，铜或者铜合金)。在其他实施例中，基层可以是铝或者铝合金。在实施例中，将油墨(ink)设置在基层的表面上，例如，设置在铜层的表面上。油墨可以包括焊料掩模，该焊料掩模覆盖电路径，并且保护铜箔(copper clad)与空气和/或其他带电体相隔离。绝缘体层可以是介电聚合物或其他绝缘材料。绝缘体层可以包含由于其高导热性(例如，大于1W/mK)而挑选出来的成分。导体层提供了向LED元件传送电信号(例如，提供电压)的电极图案或者迹线。在实施例中，导体层是铜(例如，铜箔)。
参考图2的实例，示出了MC-PCB 206。MC-PCB 206包括基层208、层间介电层210、和导体层212。导体层212可以为与LED元件202相连接的电极(pole)204提供电连接和/或物理连接。电极204可以是不同偏压(例如，a+偏压极和a-偏压极)。电极204可以用于为LED元件202提供电压，从而使得LED元件202可以运行。电极204可以是通过引线接合提供电连接的焊盘。电极204可以包含金、锡、和/或其他导电材料。在实施例中，基层208是铜。在实施例中，层间介电层210是导热电介质。MC-PCB 206的厚度可以处于大约0.5mm和大约2mm之间。图2示出了设置在MC-PCB 206上的LED元件202。
然后，方法100进行到框106，其中，提供了散热器(heat sink)。该散热器可以用于从设置在散热器上的LED元件中将该LED元件所产生的热量散发出去。在实施例中，散热器是铝。其他示例性成分包括铜。参考图2的实例，提供了散热器214。在实施例中，散热器214是铝。散热器214仅仅是示例性的并且不限于这种结构；可以使用任何结构的冷却器件。
然而，方法100进行到框108，其中，将界面材料施加到PCB和散热器中的至少一个。界面材料可以是导热材料。在实施例中，界面材料是导热胶。界面材料可以具有粘合性能，从而在PCB和散热器之间提供接合。可选地，界面材料可以在PCB和散热器之间提供导热界面，但是不提供任何粘合性能来接合PCB和散热器。参考图2的实例，示出了界面材料216。在实施例中，界面材料216是导热材料(例如，胶)。如下所述，图2示出了在接合元件之前设置在散热器214上的LED元件202和MC-PCB 206。
然后，方法100进行到框110，其中，LED器件和散热器被接合。在传统方法中，可以使用螺丝和/或用于填充LED和散热器之间的空间的热界面材料(TIM)将散热器与LED器件相连接。这种工艺高成本且低效率。本发明所提供的特定实施例优于使用螺丝的方式。
在实施例中，PCB结构(包括设置在其上的LED元件)通过超声波能量与散热器相接合。这种超声波能量工艺(例如，超声波焊接)可以包括在PCB和散热器之间施加压力。具体地，超声波焊接工艺可以包括向通过所施加的压力固定在一起的PCB结构和/或散热器提供高频振动。这样可以通过将PCB的材料与散热器的材料相混合来提供固态接合。因此，不需要螺丝或其他连接工具，比如螺栓、焊料、或粘合剂。超声波工艺的频率可以是大约15kHz、大约20kHz、大约30kHz、大约35kHz、大约40kHz、或者大约70kHz；然而，多种其他实例也是可能的。
超声波接合工艺包括向进行接合的部件(例如，PCB和散热器)施加压力。在实施例中，使用挤压装置或夹具(jig)来施加压力。该挤压装置可以提供施加到MC-PCB的压力，尤其是施加到MC-PCB的基层上的压力。可选地、或者附加地，挤压装置可以提供施加到散热器的压力。在实施例中，接合装置围绕着LED元件以环形(例如，矩形区域)提供压力和/或超声波频率。在实施例中，接合装置围绕着PCB的边缘区域(例如，MC-PCB的基金属层的边缘区域)以环形(矩形区域)提供压力和/或超声波。在实施例中，形成了宽度大于大约3mm的接合件，然而，多个其他实施例也是可能的。可以通过压力区域和/或入射能区域来控制该接合件的宽度。
如上所述，在实施例中，超声波焊接工艺(例如，利用压力)导致MC-PCB上的材料与散热器的材料相混合。特别地，这样就导致了MC-PCB的基金属层的材料(例如，金属)与散热器的材料(例如，金属)相混合。在实施例中，该接合提供了铜和铝的混合物。例如，在实施例中，MC-PCB的基层是铜，散热器是铝，将其混合形成了元件之间的接合。
在可选实施例中，使用热超声波接合工艺将PCB结构与散热器相接合。热超声波接合可以形成固态接合件。热超声波接合可以包括：向将要进行接合的一个或多个元件施加热量、超声波能量、和/或压力。与上述类似，在实施例中，热超声波工艺导致MC-PCB的材料与散热器的材料相混合。特别地，热超声波工艺可以使得MC-PCB的基金属层的材料(例如，金属)与散热器的材料(例如，金属)相混合。在实施例中，接合提供了铜和铝的混合物。例如，在实施例中，MC-PCB的基层是铜，散热器是铝，其混合形成了位于元件之间的接合。
参考图3的实例，已经对器件200实施了接合工艺(参考图2的以上描述)，从而提供了LED模块300。LED模块300示出了基金属层208和散热器214之间的接合件(例如，物理连接件)302。在实施例中，通过超声波接合工艺来形成接合件302。在实施例中，通过热超声波接合工艺来形成接合件302。
接合件302包括基金属层208的材料和散热器214的材料的混合物，该混合物呈固态接合件状。在实施例中，接合件302包括铝和铜的混合物。在实施例中，接合件的宽度W大于大约3mm。然而，其他宽度也是可能的，并且可以通过用于接合元件的装置进行控制。基于夹具设置，可以实施较小的接触区域。位于接合件302上方并且与其邻近的基金属层208的区域可以是在其中不存在路径或者迹线(例如，传送电信号)的禁止区域(exclusion area)。例如，在实施例中，导体层212不设置在接合件302的区域上方。PCB 206的将形成接合件302的区域(例如，在接合件302上方)可以称为接合区域。接合区域可以是PCB的边缘区域(例如，基层208)。
接合件302可以是连续的环形(圆形、矩形等)或者包括多个中间插入了非接合区域的接合部分。接合部分可以设置成围绕着LED元件的环。如所示，接合件302形成在基金属层208的终端边缘上，然而，其他实施例也是可能的。接合件302可以直接将MC-PCB 206的角部(例如，基层208)与散热器214相接合。
参考图4，示出了根据本发明的LED模块的实施例的俯视图。LED模块400基本上可以与上面参考图3进行描述的LED模块300类似。因此，使用了类似的标号方式。LED模块400示出了形成为连续的环形的接合件302。然而，其他实施例也是可能的。LED模块400包括迹线402(例如，电极图案)。迹线402可以为电极204与LED元件202提供电连接。迹线402可以形成在PCB的导体层212中。
参考图5和图6，示出了根据本公开的LED模块的另一个实施例。图5示出了器件500，该器件500基本上与上面参考图2所描述的器件200类似。器件500包括LED元件202、电极204、以及设置在散热器214上的MC-PCB 502。界面层216插在散热器和MC-PCB 502之间。在实施例中，器件500示出了在将MC-PCB与散热器接合在一起(例如，如图6所示)之前的LED模块。
LED元件202、电极204、界面层216、和/或散热器214基本上可以与上面参考图2和图3所描述的类似。MC-PCB 502是多层PCB。MC-PCB 502可以称为直接MC-PCB(Direct MC-PCB)。MC-PCB 502包括导电层504、绝缘层506以及基层508。导电层504可以提供从电极204到LED元件202的电连接和/或物理连接(电极图案)。导体层504可以包括铜(例如，铜箔，copper clad)。在实施例中，基层508是铜。在实施例中插入的绝缘层506是导热的。MC-PCB 502的厚度T2可以处于大约0.5mm和大约2mm之间的。MC-PCB 502可以不同于MC-PCB 206，其中，MC-PCB 502不包括位于部分LED元件202的底面上(例如，位于LED元件202的散热焊盘下面)的绝缘层506。
现在参考图6，示出了上面参考图5所描述的器件500，该器件500已经接合在一起以形成了LED模块600。LED模块600示出了位于基层508和散热器214之间的接合件(例如，物理连接件)602。可以使用方法100(包括参考方法100的框110所描述的步骤)形成接合件602。在实施例中，通过超声波接合工艺形成接合件602。在实施例中，通过热超声波接合工艺形成接合件602。
接合件602包括形成为固态接合件的基层508和散热器214的材料混合物。在实施例中，接合件602包括铜和铝的混合物。例如，基层508可以是铜，散热器214可以是铝，其混合形成了铜和铝的混合物接合件。在实施例中，接合件602的宽度W大于大约3mm。然而，其他宽度也是可能的，并且可以通过用于接合元件的装置进行控制。位于接合件602上方并且与其邻近的基层508的区域可以是在其上不存在路径或迹线(例如，传送电信号)的禁止区域(例如，导电层不设置在接合件602的区域之上)。
接合件602可以是连续的环形或者包括多个中间插入有非接合区域的接合部分。接合部分可以设置为环形。如所示，接合件602形成在基金属层508的终端边缘上，然而，其他实施例也是可能的。接合件602可以直接将MC-PCB 502的角部(例如，基层508)与散热器214相接合。
通过图2、图3、图4、图5、和图6示出了LED模块即其部件的各个实施例，本领域普通技术人员可以意识到，本发明的各个方面可以用于LED模块的各种结构。
由此，提供了一种接合与PCB相连接的LED元件以及散热器，从而形成LED模块的方法。该方法包括接合工艺，该接合工艺利用压力的超声波接合，从而直接接合PCB和散热器。该接合件可以是具有PCB材料和散热器材料的混合物的固态接合件。
特别地，在实施例中，装配LED模块的方法描述了以下内容，包括：提供发光二极管(LED)器件(例如，LED元件和PCB)和散热器。通过应用超声波能量将LED器件与散热器相接合。在实施例中，接合可以形成包含铜和铝的接合件。在另一个实施例中，PCB是金属芯PCB(MC-PCB)。超声波接合工艺可以包括在应用超声波能量时，向LED器件和散热器中的至少一个施加压力。
在某些实施例中，在接合之前将导热材料应用在LED器件和散热器之间。在其他实施例中，该接合进一步包括：向散热器和LED器件中的至少一个施加热量(例如，热超声波接合)。
在另一个实施例中，描述了装配发光二极管(LED)模块的方法。提供了LED元件和散热器。该LED元件可以与印刷电路板(PCB)相连接。利用超声波能量接合PCB和散热器。该PCB可以是金属芯PCB(MC-PCB)。
在实施例中，PCB是多层板并且包括具有第一成分的基层。散热器可以包含第二成分。将LED器件与散热器相接合包括：形成包含有与第二成分相混合的第一成分的接合件。在另一个实施例中，第二成分是铝，第一成分是铜。
在方法的实施例中，将PCB与散热器相接合包括：形成沿着PCB的边缘设置的一个或多个接合件。接合件的宽度可以大于大约3mm。将PCB与散热器相接合可以包括：向接合区域施加压力并且将接合件形成在接合区域中。该方法还可以包括：在接合散热器和PCB之前，形成位于PCB和散热器之间的导热胶。
本发明还提供了一种发光二极管(LED)模块。在实施例中，该LED模块包括具有第一成分的散热器以及设置在该散热器上的LED器件。该LED器件包括LED元件和金属芯印刷电路板(MC-PCB)。该MC-PCB包含第二成分。该模块还包括位于散热器和MC-PCB之间的接合件；该接合件包括第一成分和第二成分的混合物。
在某些实施例中，第一成分是铝，第二成分是铜。该接合件可以设置在MC-PCB的边缘上。该接合件可以形成围绕着LED元件的环。

Claims (10)

1.一种装配发光二极管(LED)模块的方法，所述方法包括：
提供LED元件；
将所述LED元件与印刷电路板(PCB)相连接，其中所述印刷电路板包括基层、层间介电层与导体层，所述层间介电层夹设于所述基层与所述导体层之间并暴露所述基层的边缘，且所述LED元件连接部分的所述导体层并且通过所述导体层电性连接设置于所述PCB上的电极；
提供散热器；以及
利用超声波能量将所述PCB的所述基层与所述散热器相连接，使所述PCB夹设于所述LED元件与所述散热器之间，其中所述基层与所述散热器的连接位置对应于所述暴露的基层边缘，所述PCB具有与其相连接的所述LED元件；并在所述基层与所述散热器的连接位置形成一个或多个接合件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述PCB的所述基层具有第一成分，所述散热器包含第二成分，并且其中，将所述基层与所述散热器相接合包括：形成包含有混合所述第二成分与所述第一成分的所述接合件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二成分是铝，所述第一成分是铜。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，从一截面看，所述PCB的所述基层包括凸块穿设所述层间介电层并与所述LED元件耦接。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，将所述PCB的所述基层与所述散热器相接合包括：向所述暴露的基层边缘形成的接合区域施加压力，然后在所述接合区域的下方形成所述接合件。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在接合所述散热器和所述PCB的基层之前，形成位于所述PCB的所述基层和所述散热器之间的导热胶层。
7.一种发光二极管(LED)模块，包括：
散热器，具有第一成分；
LED器件，设置在所述散热器上，其中，所述LED器件包括LED元件和金属芯印刷电路板(MC-PCB)，且所述MC-PCB包含具有第二成分的基层、层间介电层与导体层，所述层间介电层夹设于所述基层与所述导体层之间并暴露所述基层的边缘，所述LED元件连接部分的所述导体层使所述基层夹设于所述LED元件与所述散热器之间；
接合件，位于所述散热器和所述MC-PCB的所述基层之间，其中，所述接合件包括所述第一成分和所述第二成分的混合物；
其中，所述接合件设置在所述MC-PCB的所述暴露的基层边缘的下方。
8.根据权利要求7所述的发光二极管(LED)模块，其中，所述第一成分是铝，所述第二成分是铜。
9.根据权利要求7所述的发光二极管(LED)模块，其中，所述接合件对应于所述LED元件在所述基层与所述散热器之间形成了围绕的环。
10.根据权利要求7或9所述的发光二极管(LED)模块，其中，从一截面看，所述MC-PCB的所述基层包括凸块穿设所述层间介电层并与所述LED元件耦接。
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