CN106463599A - 包括导热主体和半导体发光器件的照明器件 - Google Patents

Abstract

照明器件包括主体（39）。主体（10）包括具有多个导电焊盘（50，52）的安装区域（11）和从安装区域（11）延伸的细长构件（16）。安装区域（11）和细长构件（16）由导热电绝缘材料形成。导电焊盘（50、52）嵌在导热电绝缘材料中。器件还包括布置成与在安装区域（11）中的主体（10）直接接触的半导体发光器件（12）。

Description

包括导热主体和半导体发光器件的照明器件

技术领域

本发明涉及包括导热主体的照明器件。

背景技术

包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光器件在当前可得到的最高效的光源内。当前在能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中所感兴趣的材料系包括第III-V族半导体，特别是也被称为III-氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。一般，通过使具有不同成分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或其它适当的衬底上通过金属有机气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术外延地生长来制造III-氮化物发光器件。叠层常常包括掺杂有例如Si、在衬底之上形成的一个或多个n型层、在一个或多个n型层上形成的在有源区中的一个或多个发光层以及掺杂有例如Mg的在有源区之上形成的一个或多个p型层。电触头在n和p型区上形成。

图1示出用于将至少一个LED安装到散热器的金属块240，其在US 7625104中被更详细描述。LED裸片244安装在金属块的安装部分248上。例如，金属块由导热材料例如铝、钢或铜形成。金属块还包括支柱250。支柱250包括在支柱的远端处的螺纹部分252。螺纹螺母254被接纳在支柱250的螺纹部分252上。

金属块240被显示为安装到散热器270。散热器270包括用于接纳支柱250的开口272。导热材料249布置在散热器270的前表面274和金属块的安装部分248之间。金属块240通过啮合螺纹螺母154并使螺纹螺母254变紧而固定到散热器270，因而使金属块的安装部分248被促使与散热器270的前表面274热耦合。导体260和262经过支柱250的螺纹部分252的端部延伸，并便于连接到用于向LED 244供应操作电流的电流源。

散热器270具有圆柱形罐形主体，其进一步充当用于收集并引导由LED裸片244产生的光的光反射器和/或光导。导体260和262可连接到在用于悬挂LED装置的房间的天花板上的照明装置（未示出）。在其它实施例中，散热器270可以例如是板或具有冷却鳍片的散热器。

发明内容

本发明的目的是提供可在有或没有单独散热器的情况下使用的照明器件。

在本发明的实施例中，照明器件包括主体。主体包括具有多个导电焊盘的安装区域和从安装区域延伸的细长构件。安装区域和细长构件由导热电绝缘材料形成。导电焊盘嵌在导热电绝缘材料中。器件还包括布置成与在安装区域中的主体直接接触的半导体发光器件。

在本发明的实施例中，照明器件包括主体。主体包括导热电绝缘材料。半导体发光器件安装在主体上。主体配置成附接到板金属而没有散热器。

附图说明

图1示出附接到安装在散热器上的金属块的LED。

图2示出根据本发明的实施例的照明器件。

图3示出半导体发光二极管的例子。

图4是图2所示的照明器件的主体的顶视图。

图5是图2所示的照明器件的横截面视图。

图6是包括电路例如驱动器电路的照明器件的横截面视图。

图7是在图6中的横截面中所示的接触焊盘的顶视图。

具体实施方式

在图1所示的结构中，一个或多个LED 244使用螺纹支柱250附接到金属块。金属块必须接着被附接到散热器，其可被成形为光导或反射器。换句话说，为了最有效地使用在图1中示出的所安装的LED，用户或购买者必须熟悉热管理和光学器件，使得用户或购买者可选择适当的散热器和/或反射器或光导来与图1的所安装的LED一起安装。

在本发明的实施例中，照明器件例如LED安装在具有足够好的热性能的主体上，使得外部散热器可以是不需要的。透镜可在LED之上形成。相应地，结构的用户或购买者在热管理或光学器件中不需要任何专门技术。所安装的LED可附接到简单的结构，例如板金属。

图2示出本发明的实施例。发光器件12（例如LED）附接到主体10。发光器件12附接到在主体的顶表面上的安装区域11上的导电焊盘。在图4中更详细示出包括安装区域的顶表面。透镜14可在发光器件12之上形成，如图5和6所示。

主体10包括从安装区域11延伸的细长构件16。细长构件可用于将主体10附接到另一结构，例如具有用于容纳细长构件16的孔的板金属。在一些实施例中，如图2所示，细长构件16可具有螺纹表面17。螺纹表面17可容纳用于将主体10紧固到另一结构的螺母（未在图2中示出）。虽然图2所示的例子使用螺纹细长构件16和螺母来将主体附接到另一结构，可使用用于将主体附接到另一结构的任何适当的结构，例如扭锁布置、弹簧推进布置、基于铆钉的布置或任何其它适当的机械布置。

用于提供与主体10的安装区域中的导电焊盘的电连接的结构18布置在细长构件16的端部处。电连接结构可以是任何适当的结构，包括电线、金属扁平接线片、金属支柱或任何其它适当的结构。在一些实施例中，结构18是绝缘位移连接器或IDC，其可在低成本下集成到主体10内。

图3示出可在本发明的实施例中使用的III-氮化物LED的一个例子。可使用任何适当的发光器件12，且本发明不限于图3所示的例子。虽然在图3的例子中半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III-氮化物LED，可使用除了LED以外的半导体发光器件，例如激光二极管和由其它材料系（例如其它III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料）制成的半导体发光器件。

通过使III-氮化物半导体结构22在生长衬底20上生长来形成图3的器件，如在本领域中已知的。生长衬底常常是蓝宝石，但可以是任何适当的衬底，例如SiC、Si、GaN或复合衬底。III-氮化物半导体结构生长于的生长衬底的表面可在生长之前被图案化、粗糙化或纹理化，这可提高来自器件的光提取。生长衬底的与生长表面相对的表面（即在倒装芯片配置中大部分光被提取所经由的表面）可在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可提高来自器件的光提取。

半导体结构包括夹在n和p型区之间的发光或有源区。n型区24可首先生长，并可包括多层不同的成分和掺杂剂浓度，包括例如预备层（例如缓冲层或成核层）和/或设计成便于生长衬底的移除的层（其可以是n型或非有意掺杂的）以及针对特定的光、材料或电特性而设计的n或p型器件层，这些特性对使发光区有效地发射光来说是合乎需要的。发光或有源区26在n型区之上生长。适当的发光区的例子包括单个厚或薄发光层或多个量子阱发光区（包括由阻挡层分离的多个薄或厚发光层）。P型区28可接着在发光区之上生长。像n型区一样，p型区可包括具有不同成分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。

在生长之后，p触头32在p型区28的表面上形成。P触头32常常包括多个导电层，例如可防止或减小反射金属的电迁移的反射金属和防护金属。反射金属常常是银，但可使用任何适当的一种或多种材料。在形成p触头32之后，p触头32、p型区28和有源区26的一部分被移除以暴露n触头30被形成于的n型区24的一部分。n和p触头30和32通过间隙34彼此电隔离，间隙34可填充有电介质，例如硅的氧化物或任何其它适当的材料。可形成多个n触头通孔；n和p触头30和32不限于图3所示的布置。n和p触头可与电介质/金属叠层重新分布在一起，如在本领域中已知的。

LED 19可附接到底座40。为了形成在LED 19和底座40之间的电连接，一个或多个互连37和38在n和p触头30和32上形成或电连接到n和p触头30和32。互连37电连接到图3中的n触头30。互连38电连接到p触头32。互连37和38通过介质层36和间隙35与n和p触头30和32电隔离并与彼此电隔离。互连37和38可以是例如焊料、凸块焊点、金层或任何其它适当的结构。底座40可以是例如硅、陶瓷或任何其它适当的材料。电迹线可在底座40的表面上或底座40内形成以将互连37和38电连接到在底座40的底部上的接触焊盘（未在图3中示出）。在底座40的底部上的接触焊盘可连接到在如图2所示和如下所述的主体10的安装区域11中形成的接触焊盘。

衬底20可被薄化或完全移除。在一些实施例中，通过薄化暴露的衬底20的表面被图案化、纹理化或粗糙化以提高光提取。

在一些实施例中，一个或多个结构附接到半导体结构（如果结构20被移除的话），或附接到与半导体结构相对的衬底20的侧面（如果衬底20存在的话）。该（多个）结构可以是例如光学元件例如透镜、滤波器或波长转换构件。

在图3所示的结构中，波长转换构件42布置在衬底20之上。波长转换构件42包括波长转换材料，其可以例如是常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V半导体、II-VI或III-V半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发冷光的其它材料。波长转换材料吸收由LED发射的光并发射一个或多个不同波长的光。由LED发射的未转换的光常常是从结构提取的光的最终光谱的部分，虽然它不需要是。常见组合的例子包括与发黄光的波长转换材料组合的发蓝光的LED、与发绿光和红光的波长转换材料组合的发蓝光的LED、与发蓝光和黄光的波长转换材料组合的发UV光的LED以及与发蓝光、绿光和红光的波长转换材料组合的发UV光的LED。可添加发射其它颜色的光的波长转换材料以剪裁从结构提取的光的光谱。

波长转换构件42可以是预先形成的波长转换构件，例如与透明基质（例如玻璃或硅酮）组合、然后分割成波长转换构件的波长转换陶瓷瓦或波长转换材料。替代地，波长转换构件42可在LED 19上在原位形成。例如，波长转换材料可与透明材料（例如硅酮、环氧树脂或任何其它适当的材料）混合，然后被分配、用模板印刷、丝网印刷、电泳地沉积或以其它方式布置在LED 19之上。

在将ELD 19附接到底座40之前或之后以及在将波长转换构件42附接到LED 19之前或之后，很多单独的LED在单个晶圆上形成，晶圆然后从器件的晶圆被切割。

可使用任何适当的发光设备。本发明不限于图3所示的特定发光器件。发光器件在下面的附图中由块12表示。

返回到图2，发光器件12安装在主体的顶表面上的安装区域11中的主体10上。在图4中更详细示出安装区域11。如图4所示，安装区域11包括至少两个导电焊盘50、52和热焊盘54。导电焊盘50和52分别电连接到在底座40的底部上的焊盘（在图3中示出），以提供与LED19的电连接。导电焊盘50和52之一电连接到图3所示的n触头30，而导电焊盘50和52中的另一个电连接到图3所示的p触头32。与n触头30的连接可经由焊盘37。与p触头32的连接可经由焊盘38。焊盘50、52和54可嵌在形成主体10的电绝缘导热材料中。在焊盘50和52之间的电隔离由主体10的材料提供。

安装区域11可包括如图4所示的第三焊盘54，其可以是导热的。热焊盘54的被暴露部分可与传导热远离LED 19的底座40上的结构对齐。嵌在主体内的热焊盘54的一部分可具有足够的尺寸以将由发光器件12产生的热传导到导热主体10内。主体10还扩散热以增强结构的热性能。

安装区域11可以相对于主体10的顶表面的其余部分凹进，虽然它不需要这样。在一些实施例中，安装区域11被成形为对应于布置在发光器件12之上的透镜或其它光学元件。例如在图4中，安装区域11被成形为对应于如图2所示的圆顶透镜14。

在一些实施例中，在发光器件12附接到安装区域11中的焊盘50、52和54之后以及在透镜14（图2所示）布置在安装区域11之上之后，在发光器件12和透镜之间的空间可被填充有材料。填充材料可保护发光器件12，和/或帮助从照明器件将光提取到透镜。在一些实施例中，填充材料具有不大于发光器件12的折射率且不小于透镜14的折射率的折射率。安装区域11可包括端口56和58，其在填充材料的注入期间被使用。填充材料可被注入到端口56和58之一内，而端口56和58中的另一个可用于将空气从在发光器件和透镜之间的空间排出，使得填充材料占据尽可能多的空间。

虽然安装区域11实质上是圆的且主体10的顶表面在图4所示的实施例中是椭圆形的，这些特征可以是任何适当的形状。例如，安装区域11和/或主体10的顶表面可以是圆形的、椭圆形的、六边形的、八边形的、正方形的或任何其它适当的形状。

图5是图2所示的器件的横截面视图。如图5所示，照明器件12附接于的导电焊盘50和52嵌在主体10中。导电焊盘50和52由布置在主体10的细长构件16内的导电线62和64连接到外部电连接结构18。导电线62和64可以是例如金属线。细长构件16可以被模制在导电线62和64周围，使得导电线62和64嵌在细长构件16中。导电线62将导电焊盘50连接到外部连接器66。导电线64将导电焊盘52连接到外部连接器68。外部连接器66和68可以是弹簧连接器或任何其它适当的结构。

图5还示出布置在安装区域11中的照明器件12之上的透镜14。帮助光的提取或保护发光器件12的材料可布置在照明器件12和透镜14之间的空间60中。可使用在图4中示出和上面所述的端口56和58将材料注入到空间60中。

在一些实施例中，安装区域11和细长构件16是单个模制的集成主体10。单个模制的集成主体10可由导热电绝缘材料形成。适当材料的例子包括导热聚合物，例如冷聚合物D3612或任何其它适当的材料。导热电绝缘材料在一些实施例中可具有至少6 W/mk的导热率，而在一些实施例中不大于25 W/mK。

嵌在导热电绝缘材料中的导电结构例如焊盘50、52和54以及导电线62和64可以是具有良好导热性的材料，以进一步提高在器件中的热耗散。适当的材料的例子包括金属，例如铜。

在一些实施例中，安装在主体12上的发光器件12可具有小于10°C/W的热阻。

图6示出实施例，其中电路集成到紧固件内，紧固件用于将主体10附接到外部结构71，例如具有孔以容纳细长构件16的板金属。紧固件包括围住腔72的壳体70。螺母74或用于附接到主体10的其它适当的结构布置在腔72的顶部处。例如，螺母74可以被粘贴或以其它方式附接到壳体70的顶壁的底表面。在主体10包括具有螺纹表面17的细长构件16的实施例中，螺母74接纳螺纹表面17以将主体10附接到紧固件。在其它实施例中，螺母74可由在弹簧之上的板条代替，板条啮合细长构件16并提供与外部结构71的积极啮合（即对抗外部结构71的压力）。

电路76布置在腔72内。电路76可以是预先制造的芯片或任何其它适当的结构。电路76可包括例如驱动器电路、功率调理电路、控制电路或服务于任何其它适当的目的的电路。电路76可布置在壳体70的壁上。例如，芯片可被粘贴或以其它方式附接到壳体70的底部或侧壁。

接触焊盘78和80布置在壳体70的表面上。接触焊盘78和80与从主体10的细长构件16的底部延伸的弹簧连接器66和68对齐。当通过绕着主体10旋转紧固件直到螺母74与细长构件16的螺纹部分17啮合为止而将紧固件连接到细长构件16时，弹簧连接器66触摸接触焊盘80，且弹簧连接器68触摸接触焊盘78。

图7是在图6中的横截面中示出的接触焊盘78和80的顶视图。接触焊盘80是圆焊盘，而接触焊盘78是围绕接触焊盘80的同心环。接触焊盘78和80由间隙82分离。当紧固件在细长构件16周围扭转时，弹簧连接器66与接触焊盘80接触而在适当的地方旋转，同时弹簧连接器68与环形接触焊盘78接触而在接触焊盘80周围的圆中旋转。

弹簧连接器66和68经由布置在主体10的安装区域11中的接触焊盘电连接到发光器件12，接触焊盘连接到布置在细长构件16内的导电线。在安装区域11中的接触焊盘和导电构件没有在图6中示出，但在图5和附随的文本中示出和描述。

接触焊盘78和80由一个或多个导电线84连接到电路76，导电线84可以是电线或任何其它适当的结构。导电线84一般布置在腔72内，虽然它们不需要这样。电路76连接到一个或多个外部连接器86，其提供到紧固件中的电路并从而到发光器件12的电连接。

上面所述的实施例可用于任何适当的目的，包括外部照明、器具和橱柜照明、房间照明和聚光照明。所使用的LED常常是高功率器件，使得器件在一些实施例中提供例如至少100 lm，而在一些实施例中不大于600 lm。

上面所述的实施例可具有优于常规LED封装和底座的优点。如上所述，上面所述的实施例可以不需要散热器或透镜由最终用户应用，因此用户不需要有热管理或光学器件的任何知识。主体10在上面所述的实施例中可通过可用的高体积引线框制造来形成，且因此可能与其它封装比较是廉价的。如上所述，IDC连接器可使用引线框制造技术来集成到主体10内。IDC连接器是简单的、鲁棒的、可靠的和廉价的连接器。简单的机械连接可由不熟练的用户在现场更换。

详细描述了本发明后，本领域中的技术人员将认识到，给出本公开，可对本发明进行修改而不偏离本文所述的创造性概念的精神。因此，意图并不是本发明的范围被限制到所示和所述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种照明器件，包括：

主体，其包括：

安装区域，其包括多个导电焊盘；以及

细长构件，其从所述安装区域延伸；

其中所述安装区域和所述细长构件由导热电绝缘材料形成，以及所述多个导电焊盘嵌在所述导热电绝缘材料中；以及

半导体发光器件，其布置成与在所述安装区域中的所述主体直接接触。

2.如权利要求1所述的照明器件，其中所述照明器件具有小于10°C/W的热阻。

3.如权利要求1所述的照明器件，其中所述导热电绝缘材料是聚合物。

4.如权利要求1所述的照明器件，其中所述细长构件包括螺纹部分。

5.如权利要求1所述的照明器件，还包括从所述细长构件的与所述安装区域相对的端部突出的第一电连接器和第二电连接器，其中所述第一电连接器和第二电连接器通过第一导电线和第二导电线电连接到布置在所述安装区域中的第一导电焊盘和第二导电焊盘，其中所述第一导电线和第二导电线嵌在所述细长构件内。

6.如权利要求1所述的照明器件，还包括布置在所述半导体发光器件之上并与所述主体直接接触的透镜。

7.如权利要求1所述的照明器件，还包括用于连接到所述细长构件的紧固件，所述紧固件包括电路。

8.如权利要求7所述的照明器件，其中：

所述紧固件包括与所述细长构件的螺纹部分啮合的螺母；

第一电连接器和第二电连接器从所述细长构件的与所述安装区域相对的端部突出；以及

当所述螺母与所述细长构件的所述螺纹部分啮合时，所述第一电连接器和第二电连接器接触布置在所述紧固件上的第一电接触焊盘和第二电接触焊盘。

9.如权利要求8所述的照明器件，其中所述第一电接触焊盘和第二电接触焊盘电连接到所述电路。

10.如权利要求8所述的照明器件，其中所述第二电接触焊盘围绕所述第一电接触焊盘。

11.一种照明器件，包括：

主体，其包括导热电绝缘材料；

半导体发光器件，其安装在所述主体上；

其中所述主体配置成附接到板金属而没有散热器。

12.如权利要求11所述的照明器件，其中所述主体包括适合用于穿过板金属中的孔的细长构件。

13.如权利要求12所述的照明器件，其中所述细长构件包括电连接，所述照明设备还包括用于连接到所述细长构件的紧固件，所述紧固件包括电连接到触头的电路，当所述紧固件连接到所述细长构件时，所述触头与所述细长构件的所述电连接啮合。

14.如权利要求11所述的照明器件，其中所述半导体发光器件包括直接附接到嵌在所述导热电绝缘材料中的多个导电焊盘的金属触头。

15.如权利要求11所述的照明器件，还包括布置在所述半导体发光器件之上的透镜。