CN107076370A - 布置在包括插口的主体中的led - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施例的装置包括安装在导电衬底上的发光二极管（LED）。透镜布置在LED上。在导电衬底上模制聚合物主体，并且该聚合物主体直接接触透镜。

Description

布置在包括插口的主体中的LED

技术领域

本发明涉及一种利用布置在包括插口的主体中的固态光源的灯组。

背景技术

包括发光二极管（LED）、共振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光装置属于当前可用的最有效光源。制造能够在整个可见光谱上操作的高亮度发光装置的目前被关注的材料系统包括III-V族半导体（尤其是镓、铝、铟和氮和/或磷的二元、三元和四元合金）。通常，通过在蓝宝石、碳化硅、硅、III-氮化物、GaAs或者其它合适的衬底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或者其它外延技术外延地生长不同组成和掺杂物浓度的半导体层的堆叠来制造III-V发光装置。所述堆叠通常包括形成在衬底上的掺有例如Si的一个或多个n型层、形成在所述一个或多个n型层上的有源区中的一个或多个发光层以及形成在有源区上的掺有例如Mg的一个或多个p型层。在n型和p型区上形成电触头。

LED被越来越多地用作汽车应用中的照明光源。例如，LED可用于改装灯泡中，用于替代常规白炽灯泡。

图1示出了用于汽车应用中的卤素光源。卤素灯泡100插入插口120中。插口120将灯泡100 电连接至图1中未示出的电控制器。灯泡100 包括底座104和透镜102。透镜102通常为尤其在振动的环境（诸如汽车环境）下易碎的玻璃。通常为塑料的插口120的一个用途是将灯泡100保持在保护其免受振动的位置。

发明内容

本发明的一个目的是提供附着于导电衬底并且布置在包括插口的模制体中的一个或多个LED。

根据本发明的实施例的装置包括安装在导电衬底上的发光二极管（LED）。透镜布置在LED上。主体形成在导电衬底上并且与透镜直接接触。主体包括按照单个一体化结构形成的灯泡部分和插口部分。

根据本发明的实施例的方法包括将发光二极管（LED）附着于导电衬底。在LED和导电衬底上模制主体。主体包括按照单个一体化结构形成的灯泡部分和插口部分。布置在LED上的透镜从主体突出。

附图说明

图1示出了卤素灯泡和插口；

图2示出了布置在包括插口的模制体中的LED；

图3示出了LED的示例；

图4是图2中所示的结构的剖视图；

图5示出了布置在包括位于灯具中的插口的模制体中的LED；

图6示出了制造图2和图4所示的结构的方法；

图7示出了布置在成型为热交换器的模制体中的LED。

具体实施方式

在包括LED的光源（诸如用于汽车应用的改装灯泡）中，不需要玻璃透镜。因此，不需要分离的插口来保护光源例如免受振动。在本发明的实施例中，在LED周围模制的主体中包括插口部分。

虽然在下面的示例中，半导体发光装置是发射蓝光或UV光的III-氮化物LED，但是可使用除LED之外的半导体发光装置（诸如激光二极管）、由其它材料系统（诸如其它III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料、ZnO或者基于Si的材料）制成的半导体发光装置或者非半导体发光装置。

在本发明的实施例中，在LED上形成透镜。LED安装在导电框架或者衬底上，然后在LED、透镜和导电衬底周围模制主体。模制体包括用于将LED电连接至更大的系统（诸如汽车或汽车照明系统）的插口。

图2示出了本发明的实施例。一体的灯泡和插口包括模制体50。虽然主体50 在本文中被称作“模制体”，但是主体50可通过任何合适的技术形成，而不一定通过模制形成。例如，模制体50可为聚合物。在一些实施例中，模制体50是可将热从LED传导散开并传导至空气或者导电衬底中的导热塑料，从而热可从装置去除。透镜42形成在LED上的一部分从模制体50突出。在模制体50中可包括一个或多个LED。虽然图2中所示的透镜42从模制体50的侧部的单个区突出，但是一个或多个透镜可按照任何合适的取向排列，以及排列在模制体50上的单个或多个位置。模制体不限于图2中所示的形状。

模制体50包括对应于图1中所示的灯泡和插口的灯泡部分54和插口部分52二者。在图2中，灯泡部分54和插口部分52一体化为单个模制体50，并且不像图1的灯泡100和插口120那样可分离。为了改变图1的照明装置，将灯泡100从插口120取下并更换。为了改变图2的照明装置，将包括插口部分52的整个模制体50取下和更换；没有分离的插口。

在诸如汽车应用的一些应用中，通常通过标准调节诸如图1的灯泡和插口的器件。例如，图1中所示的灯泡和插口符合IEC 60061标准。具体标准可不同并且与本发明无关。为了符合标准，插口120 和/或灯泡100的特定部分必须具有特定形状。图1的插口120包括突出部分 108，其底部代表基准线106。基准线106可用于将插口120和灯泡100与例如光学器件（optic）或任何其它结构对齐，以确保灯泡100合适地安装以及在光学和/或机械上对齐。

在一些实施例中，包括插口（诸如图2的结构）的模制体符合标准，并因此包括标准所需的形状、结构和基准线。例如，图2的模制体50包括一个或多个突起56，其底部对应于用于根据IEC 60061标准对其光源的基准线。

图3示出了合适的LED的一个示例。可使用任何合适的LED或者其它发光装置，并且本发明不限于图3中所示的LED。图3中所示的装置是倒装芯片，这意味着LED主体25的底部上的一个或多个反射触头将光从LED的顶部引导出以进入透镜42内。可使用其它装置几何形状；本发明不限于倒装芯片LED。

图3中所示的LED可如下形成。半导体结构22如本领域所知的那样生长在生长衬底（图3中未示出）上。生长衬底通常为蓝宝石但是可为任何合适的衬底，诸如（例如）SiC、Si、GaN或复合衬底。半导体结构22包括夹在n型区与p型区之间的发光区或有源区。n型区24可首先生长，并且可包括不同组成和掺杂物浓度的多个层，例如，所述多个层包括诸如缓冲层或者晶核层的预备层和/或被设计为有利于去除生长衬底的层，其可为针对为发光区有效地发射光所需的特定光学、材料或者电特性设计的n型或者非有意掺杂的，以及n型或者甚至p型器件层。发光区或有源区26生长在n型区上方。合适的发光区的示例包括单个厚的或薄的发光层，或者包括通过势垒层分离的多个薄的或厚的发光层的多个量子阱发光区。随后p型区28可生长在发光区上方。像n型区那样，p型区可包括多个不同组成、厚度和掺杂物浓度的层，包括非有意掺杂的层或者n型层。

在半导体结构生长之后，在p型区的表面上形成p触头。p触头30通常包括诸如反射金属和防护金属的多个导电层，其可防止或降低反射金属的电迁移。反射金属通常为银，但是可使用任何合适的一种或多种材料。在形成p触头30之后，将p触头30的一部分、p型区28和有源区26去除，以暴露出n型区24的其上形成有n触头32的一部分。n触头32和p触头30通过可填充有电介质34（诸如硅的氧化物或任何其它合适的材料）的间隙彼此电隔离。可形成多个n触头过孔；n触头32和p触头30不限于图3中所示的排列方式。n触头和p触头可再分布以形成具有电介质/金属堆叠的结合焊盘，如本领域所已知的。

厚金属焊盘36和38形成在n触头和p触头上并且电连接至n触头和p触头。焊盘38电连接至n触头32。焊盘36电连接至p触头30。焊盘36和38通过可填充有电介质材料的间隙40彼此电隔离。焊盘38通过可在p触头30的一部分上方延伸的电介质 34与p触头30电隔离。例如，焊盘36和38可为金、银、合金或者通过电镀或任何其它合适的技术形成的任何其它合适的材料。在一些实施例中，焊盘36和38足够厚以支承半导体结构22，从而可去除生长衬底。

在一些实施例中，作为厚金属焊盘36和38的替代，半导体结构附着于主衬底，其可为例如硅、陶瓷、金属或者任何其它合适的材料。在一些实施例中，生长衬底保持附着于半导体结构。生长衬底可变薄和/或纹理化、粗糙化或图案化。

许多个体LED 10形成在单个晶圆上。在邻近的LED 10之间的区中，通过向下蚀刻至衬底将半导体结构完全去除，或者将半导体结构向下蚀刻至电绝缘层。电介质材料12布置在LED 10之间的区域中。在诸如切分的后续处理中，材料12可在机械上支承和/或保护LED 10的侧部。材料12也可形成为防止光从LED 10的侧部逃逸或降低从LED 10的侧部逃逸的光的量。

随后从LED的晶圆去除生长衬底。例如，可通过激光熔融、蚀刻、诸如磨削的机械技术或者任何其它合适的技术来去除生长衬底。LED 10的半导体结构22可在去除生长衬底之后变薄，和/或可将暴露的顶表面粗糙化、纹理化或图案化，例如，以改进从LED 10的光提取。

在一些实施例中，波长转换层20连接至LED 10的通过去除生长衬底暴露的表面，或者在生长衬底保持附着于半导体结构地方连接至装置中的生长衬底。波长转换层20可为通过任何合适的技术形成的任何合适的材料。可使用多个波长转换层。波长转换材料可为常规磷光体、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、聚合物或者发光的其它材料。在多个实施例中，例如，波长转换层20可为与透明材料混合的一种或多种粉末磷光体，所述透明材料诸如硅，其被分配、丝网印刷、模板印刷或预形成，然后层合在LED 10上方，或者为预形成的发光陶瓷或者分配在胶粘或结合至LED 10的玻璃或其它透明材料中的磷光体。

波长转换层20吸收通过LED发射的光并且发射一种或多种不同波长的光。通过LED发射的未转换的光通常是从所述结构中提取的光的最终光谱的一部分，但是这并不是一定的。常见组合的示例包括发射蓝光的LED 与发射黄光的波长转换材料的组合、发射蓝光的LED与发射绿光和红光的波长转换材料的组合、发射UV的LED与发射蓝光和黄光的波长转换材料的组合以及发射UV的LED与发射蓝光、绿光和红光的波长转换材料的组合。可加入发射其它颜色的光的波长转换材料以调整从所述结构发射的光的光谱。

可将例如导致散射或者改变层的折射率的非波长转换材料加入波长转换层20。合适的材料的示例包括二氧化硅和TiO₂。在一些实施例中，在装置中不使用波长转换材料。

在形成波长转换层20或者将预形成的波长转换层20附着于LED之前或之后，可将LED的晶圆切分为个体LED或LED组。通过切割围绕LED主体25的电介质12将图3中所示的LED与晶圆分离。

在将LED附着于导电衬底之前或之后，可在LED主体25上形成波长转换层20，如下面的描述。

在LED上布置光学元件42。光学元件42是可改变通过LED发射的光的图案的结构。合适的光学元件的示例包括诸如圆顶透镜和菲涅尔透镜的透镜和诸如光学集中器的其它结构。为了语言简单，在本文中将光学元件42称作透镜。透镜42可为通过胶粘或以其它方式附着于LED主体25的预形成的透镜或者例如通过模制形成在LED主体25上的透镜。如图3所示，透镜42通常在LED主体25的侧部上延伸，但是并不要求这样。在一些情况下，一个物理透镜可覆盖不止一个LED。使用一个透镜覆盖多个LED在系统的光学性能方面可具有优点，由于通过将多个LED布置在导电衬底上，可将不同颜色、不同形状和/或不同电特性的LED布置为彼此靠近，并且通过特定光学耦合成为合适的单个物理透镜。

模制透镜42可如下形成。将内部具有透镜42的形状的模具放置于LED主体25上。该模具可在光学上与防止模制材料与模具粘连的不粘膜对齐。在一些实施例中，将诸如O₂等离子体的等离子体施加于LED主体25的顶表面，以提高模制材料与LED主体的粘合力。模具与LED主体25之间的区填充有可热固化的液体模制材料。模制材料可为任何合适的光学透明材料，诸如硅树脂、环氧树脂或者混合硅树脂/环氧树脂。可使用混合物将模制材料的热膨胀系数（CTE）与LED主体25的CTE更紧密地匹配。硅树脂和环氧树脂具有足够高的折射率（大于1.4）以有利于从LED的光提取以及用作透镜。一种硅树脂的折射率为1.76。在一些实施例中，在模制材料中散布诸如磷光体的波长转换材料。可使用具有散布的波长转换材料的光学元件来代替波长转换层20或额外使用所述光学元件。可在LED主体25与模具之间形成真空密封，并且可将两个部分彼此压合在一起，以使得LED插入液体模制材料中，并且模制材料处于压力下。随后可加热该模具，例如加热至约150 ℃或其它合适的温度并持续合适的时间以使模制材料变硬成为透镜42。然后，将如图3中所示的成品装置从模具中取出。

透镜42可成组地在LED上模制，如图4中所示，从而邻近的装置的透镜42连接在一起。

在将LED附着于导电衬底之前或之后，透镜42可形成在LED主体25上，如下所述。

图4是图2中所示的结构的剖面。

如图4中所示，将一个或多个LED 25附着于导电衬底18。LED 25可经图3所示的可电连接和物理连接至衬底18的焊盘36和38直接连接至衬底18。可替换地，LED 25可经导线或任何其它合适的结构电连接至衬底18。导电衬底18可为金属、诸如聚酰亚胺的柔性聚合物或者可忍受被暴露于聚合物模制所需的温度（例如超过260℃的温度持续大于10秒）的任何其它合适的材料。在一些实施例中，导电衬底18 是热导率为至少100W/mK的材料，诸如（例如）C194铜。导电衬底18 可包括电连接至LED上的阳极和阴极连接部分（图3中所示的装置中的焊盘36和38）的电隔离构件和任何其它电路元件。导电衬底18 可包括从模制体突出的外部部分。外部部分可用于将导电衬底电连接至可将电流供应至导电衬底以为LED施加正向偏压的电源，以使得LED发射光。

在图4中所示的结构中，诸如插头或插头的插座的电连接结构48在主体50的底部中凹进。电连接结构48通过诸如（例如）引线16的任何合适的结构电连接至衬底18。

可将一个或多个可选的额外电路元件44附着于导电衬底18或者附着于模制体50内部或外部的引线16。额外电路元件44可为不发光的电路元件。例如，额外电路元件44可为静电放电保护电路、功率调节电路、驱动器电路、控制电路、带引线的电阻器、带引线的二极管，或者任何其它合适的电路元件。带引线的电阻器和二极管是两端具有引线（长导线）的标准分立电路元件。这些装置可通过诸如钎焊、激光焊接和电阻焊接的技术方便地连接至传导衬底18或者引线16。当期望从例如 LED的热敏电路元件去除例如电阻器主体的热源时使用带引线的组件。额外电路元件44可被完全包装在模制体50中，或者额外电路元件 44的全部或一部分可从模制体50突出。

模制体50可为任何合适的材料，包括（例如）塑料、聚碳酸酯、聚烯烃、PPA、PPS或者诸如硅橡胶的聚合物。在一些实施例中，模制体50是热导率为至少1W/m-K的导热塑料。在一些实施例中，热传导塑料的使用消除了对额外散热器的需求。在一些实施例中，模制体50是诸如电阻率为至少10，000Ω-m的塑料的材料，以电隔离诸如引线16的布置在模制体50中的部件。

在一些实施例中，模制体50的一部分涂覆或涂布有电绝缘涂料46。例如，如图4所示，电连接结构48附近的模制体的一部分可涂覆有电绝缘涂料，以使得模制体50的热传导塑料不直接接触电连接结构48。电绝缘涂料允许使用导电塑料或者聚合物作为模制体50。在一些实施例中，导电衬底18涂布或涂覆有电绝缘涂料以使布置在导电衬底18上的电路与导电模制体50隔离。在一些实施例中，导电模制体50可用于提供电屏蔽以保护电路元件免受电磁干扰（EMI），和/或当电路通过非DC电波形驱动或者内部产生非DC电波形时降低或减轻电噪声。

在一些实施例中，主体50由诸如载有石墨的聚碳酸酯的导电聚合物模制。导电模制体50可自身形成装置的电路的一部分，从而去除对额外分离的组件的需要并且潜在地将热分布至模制体50中或者从模制体50去除热。

在一些实施例中，模制体50覆盖透镜42的至少一部分，从而透镜42嵌入主体50中。模制体50直接接触透镜42的一部分。模制体50通常是不透明的，但是在一些实施例中其可为透明的或者半透明的。

在一些实施例中，模制体50包括外表面上的鳍，其针对周围空气提供直接热耦合。这些鳍可利用本领域已知的工序设计，以生成有效的散热结构。

图5示出了一种包括LED的结构，该LED布置在安装在灯具中的包括插口的模制体中。模制体50布置在作为灯具的一部分的反射器62中。布置在多个LED上的透镜42从模制体50的至少两侧突出，如图所示。从LED发射并从透镜42提取的光60可被反射器62反射出并且朝前（图示取向为朝左）重新定向。模制体50的参考平面58与反射器62的表面对齐。例如，模制体50可穿过反射器62中的孔直至突起56抵住反射器62的表面为止。在一些实施例中，模制体50的在反射器62中的一部分66的形状必需符合标准。模制体50的在反射器62外的一部分64的形状可为柔性的。

图7示出了一个成形为热交换器的模制体50的示例。图7中的反射器62内部（或者参考平面 58以上）的部分66是堆叠在直径较大的圆柱体上的直径较小的圆柱体。直径较大的圆柱体是模制体50的在反射器62外部（参考平面 58以下）的部分64。反射器外部的部分64可成形为如图7所示的有鳍的热交换器或者任何其它合适的结构。反射器内部的部分66可根据标准需要成形。在部分64的侧部上示出电连接结构48。

图6示出了形成图2和图4中所示的装置的方法。在处理72中，将LED附着于导电衬底。在一些实施例中，利用当暴露于一般模塑温度（例如，在280-350℃的范围内）时不失效的裸晶附着技术将LED芯片安装在传导衬底上。可使用任何合适的材料将LED附着于导电衬底，诸如（例如）银裸晶附着环氧树脂或者共晶AuSn 焊料。除LED芯片之外，在一些实施例中还可将构成电路的其它结构附着于衬底。在一些实施例中，在裸晶附着之后，将一根或多根导线键合至 LED 和/或其它电路元件以完成与LED和/或其它电路元件的电连接。

在一些实施例中，在处理72之后，在LED上模制透镜。在一些实施例中，使用当受到注塑模制时保持至少一些其机械强度的透镜材料。可在形成透镜之前或之后将诸如带引线的电阻器、电导线或封装的半导体装置的额外组件附着于传导衬底。

在形成透镜和附着非LED电组件之后，可将整个装配件布置在诸如常规注塑机的模塑机中。在处理74中，在一些实施例中，在导电衬底、可选的非LED组件和透镜的一部分上模制聚合物。在一些实施例中，聚合物主体形成灯泡或灯的机械主体以及用于将热从LED和其它电组件携带至周围空气或者引线16的散热器二者。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员应该理解，一旦提供本公开，就可在不脱离本文所述的本发明构思的精神的情况下对本发明作出修改。因此，本发明的范围不旨在限于示出和描述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种装置，包括：

安装在导电衬底上的发光二极管（LED）；

布置在LED上的透镜；以及

形成在导电衬底上并且直接接触透镜的主体，该主体包括按照单个的一体化结构形成的灯泡部分和插口部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，衬底是金属框架。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，主体不透明并且覆盖透镜的一部分。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，灯泡部分和插口部分符合标准。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括布置在主体上的基准线，该基准线由标准定义。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括电连接至LED并且布置在主体中的不发光的电子组件。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述不发光的电子组件是静电放电保护电路、功率调节电路、驱动器电路、控制电路、带引线的电阻器和带引线的二极管其中之一。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，主体的热导率为至少1瓦/米·开。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，导电衬底是热导率为至少100瓦/米·开的金属。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，主体的一部分被涂覆有电绝缘涂料。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，导电衬底的一部分被涂覆有电绝缘涂料。

12.一种方法，包括以下步骤：

将发光二极管（LED）附着于导电衬底；以及

在LED和导电衬底上模制主体；

其中，主体包括按照单个的一体化结构形成的灯泡部分和插口部分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，布置在LED上的透镜从主体突出。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

透镜直接接触主体；

主体是不透明的塑料；并且

主体覆盖透镜的一部分。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，灯泡部分和插口部分的形状由标准定义。