CN113795932B - 制作led组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种制作LED组件（1）的方法，该方法包括以下步骤：提供LED封装（10P），该LED封装（10P）包括布置在支撑体（10）中的一个或多个LED（100）并且包括在支撑体（10）的一个或多个表面（10B，10T）上的热接触区域和电接触区域（101，102，103）；提供热管（12）；以及在LED封装（10P）的接触区域（101，102，103）和热管（12）的第一端区域（121）之间形成热接触。本发明进一步描述了一种LED组件（1）和一种LED照明布置（2）。

Description

制作LED组件的方法
技术领域
本发明描述了一种制作LED组件的方法、一种LED组件、和一种LED照明布置。
背景技术
发光二极管（LED）正变得愈加广泛地用于要求高光输出和小光源尺寸的应用中。直接发射LED的紧密间隔布置可以用于诸如汽车前照明的应用。LED可以以晶圆级封装的形式提供为半导体结构。然而，将LED布置得非常靠近在一起的需要导致热管理的问题。由于当LED变得太热时，光输出降低，因此确保热量有效且快速地从LED封装中传输出去非常重要。随着半导体制作技术导致增加的电流密度，这个问题正变得愈加显著。来自LED封装的热量通常被引导到散热器，例如具有大表面积的相对大的金属体。出于稳定性的原因，LED封装通常安装在中介层——例如小型印刷电路板（PCB）——上，并且中介层又安装在散热器上。改善热传递所采取的步骤通常集中在改善从LED到中介层以及从中介层到散热器的热路径。然而，这种散热器的体积以及使其紧靠LED的需要对照明应用的整体设计造成了限制。避免这种设计限制的一种方法可以是在LED布置和散热器之间使用热桥。LED布置和中介层可以安装在热桥的一端，并且散热器可以安装在热桥的另一端。然而，从LED布置到热桥的热传递的有效性可以通过中介层的存在而显著减小。
因此，本发明的目的是改善从这种LED封装到散热器的热传递。
发明内容
本发明的目的通过以下来实现：权利要求1的制作LED组件的方法；权利要求4的LED组件；和权利要求10的LED照明布置。
根据本发明，制作LED组件的方法包括提供LED封装的步骤，该LED封装包括布置在支撑体中的一个或多个LED管芯并且包括热接触区域和电接触区域。接触区域可以理解为基本上与支撑体的表面齐平的金属区域。本发明的方法进一步包括提供热管以及在LED封装的热接触区域和热管的第一端区域之间形成直接热接触的步骤。
本发明的方法的一个优点是，该LED组件的特征在于LED管芯和散热器之间的热管路径中的非常低的传热阻力。将热量从LED管芯快速传递出去支持了它们的性能。LED封装应该被理解为包括阳极接触区域和阴极接触区域，并且还可以包括附加的热接触区域。然而，如下文应当解释的，专用热接触区域可能不是必需的，因为至少一个实施例许可热量通过电接触区域从LED封装传输出去。
在本发明的上下文中，热管应理解为连接在LED封装和散热器之间的中空金属管，优选具有一个或多个平坦侧面。热管优选由诸如铜的金属制成，因为其具有非常好的导热性。例如，工作流体可以是水。本发明的方法的一个优点是，它提供了一种提供从LED封装到散热器的热路径的直接方式。LED封装的热接触区域直接连接到热路径中，而不必首先穿过中介层或相似物。表述“直接热接触”应理解为意味着LED封装的热的热接触焊盘与热管直接物理接触。这是通过将LED的热接触区域热连接到热管的表面来实现的。这种直接热连接的特征在于有利的低热阻。热管实际上是LED封装和散热器之间的桥，并允许散热器定位成距LED一段距离，同时确保热量从LED封装的热LED快速传递到热管和散热器。这与传统设计相比是有利的，在传统设计中，这种LED封装借助于中间体或中介层安装到散热器上。在本发明的方法中，消除了对这种中介层的需要，并且通过将散热器放置得更远离LED封装的可能性获得了设计自由度。
根据本发明，LED封装包括：半导体结构，其中一个或多个LED管芯布置在支撑体中；支撑体下侧上的阳极接触区域和阴极接触区域；支撑体下侧上的热接触区域；和至少在热接触区域之上形成的纳米线场。
本发明的LED封装的优点在于，LED封装和热管之间的热连接可以是非常有利的金属对金属连接，因为纳米线场（也称为纳米线“草坪”）包括非常密集的短而细的金属线的布置。可以用有利的低工作量来将热管制备成还包括互补纳米线场，并然后可以通过将互补纳米线场彼此压靠以形成“纳米焊接”来将LED封装热连接到热管。当然，LED阵列和驱动器电路之间的电连接也可以通过在阳极/阴极接触区域中提供纳米线场来实现。互补纳米线场之间的实际结合本质上是通过将一个纳米线场压到另一个上而形成的摩擦结合。当由诸如铜的金属制成时，纳米线不受LED管芯的高结温的影响。
根据本发明，LED组件包括在本发明的LED封装的实施例和散热器之间延伸的热管。热管包括形成在一个外端处的纳米线场，并且LED封装通过热管的该端处的纳米线场和形成在LED封装的热接触区域中的互补纳米线场之间的纳米焊接而热连接到热管。在热管的另一端，散热器热连接到热管。
根据本发明，LED照明布置包括本发明的LED组件的实施例，以及驱动器电路，该驱动器电路包括安装在PCB上的电路组件并且包括用于连接到LED组件的导电轨道。LED组件的LED封装通过LED封装的阳极和阴极接触区域以及PCB上对应的导电轨道之间的电连接而连接到驱动器电路。
本发明的LED照明布置的特征在于有利的热表现，因为在操作期间来自（多个）LED的热量可以通过纳米焊接快速地且可靠地传递到热管，并经由热管传递到散热器，即使该散热器位于距LED封装的某个距离处。
从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。实施例的特征可以适当地组合。在一类权利要求的上下文中描述的特征可以同样适用于另一类权利要求。
LED封装可以被提供为半导体结构，该半导体结构被制作为例如芯片级封装或晶圆级封装并且被包含在薄支撑体中。支撑体可以通过用诸如白色硅树脂的材料包封一个或多个LED管芯的下侧和侧面而制成，形成为薄瓦的形状。（多个）发射面可以覆盖有磷光体材料以执行波长转换，或者被任何合适的保护涂层覆盖。金属接触区域可以设置在这种薄的白色硅树脂“瓦”的一个或多个表面上。替代地，LED管芯可以布置在薄陶瓷载体上，并且然后包封在如上所述的薄的白色硅树脂“瓦”中。在这样的实施例中，接触区域可以设置在陶瓷载体的外部。
接触区域（电的和/或热的）可以在上侧上（即在发射面侧上）和/或在下侧上。在不以任何方式限制本发明的情况下，在下文中可以假设LED的发射表面在封装的上侧上，并且电极接触区域和一个或多个热接触区域设置在封装的下侧上。
在本发明的优选实施例中，LED封装包括布置在支撑体中的两个或更多个串联的LED，该支撑体优选具有小于1.0 mm的厚度。例如，封装的厚度可以在0.3 mm或更小的量级。
在本发明的优选实施例中，通过在纳米线场将要生长的区域之上执行电解生长来制成纳米线场。该区域可以通过沉积具有期望面积的种子层来制备。在电解生长过程期间，非常薄的结构——纳米线——从种子层生长。可以通过适当选择工艺参数来确定纳米线的宽度和长度。优选地，纳米线场中的纳米线具有至多80 μm、更优选地至多60 μm的长度。优选地，纳米线场中的纳米线具有至少20 μm、更优选地至少40 μm的长度。优选地，纳米线场中的纳米线的密度在103–106根线/mm2的范围内。
用于连接LED封装和散热器的热管优选形成为细长金属管，例如铜、铝、不锈钢、或其他良好导热体的单件管。热管的材料和尺寸、以及要使用的工作流体的类型优选基于各种参数——诸如预期的LED温度、最小热通量、系统几何形状等——来选择。例如，铜热管可以以具有均匀截面形状的中空杆的形式提供。有利的截面形状可以是三角形（例如等边三角形），因为具有这种截面形状的管能够承受弯曲。具有三角形或其他多边形截面形状的热管也提供了散热器可以附接的若干表面。由于热管确保散热器距LED封装一段距离，因此散热器甚至可以与LED封装在同一平面中，即散热器和LED封装可以附接到热管的同一表面，每端一个。与现有技术的热管相比，本发明中使用的热管在内部不需要任何芯吸或毛细网，因为热管的形状促使冷凝的工作流体从热管的冷端返回到热端。
在本发明的LED组件中，LED封装和热管之间的热连接是通过将在LED封装的热接触区域中并且在热管上形成的互补纳米线场压在一起而形成的金属纳米焊接。这种金属纳米焊接也适用于实现电连接。因此，在本发明的另外的优选实施例中，LED封装还包括形成在阳极接触区域之上的纳米线场和形成在阴极接触区域之上的纳米线场。为了实现LED封装和驱动器电路之间的电连接，例如在PCB的对应导电轨道上形成互补纳米线场，并且通过将电极接触区域的纳米线场压到导电轨道上形成的互补纳米线场上来形成纳米焊接。替代地，LED封装和PCB之间的电连接也可以包括热管，例如连接在LED封装阳极接触区域和PCB上对应导电区域之间的第一热管，以及连接在LED封装阴极接触区域和PCB上对应导电区域之间的第二热管。在这样的实施例中，热管优选地彼此电气隔离。
热管的热路径可以在散热器处终止。为此，散热器可以安装在热管的另一端，例如通过使用合适的导热粘合剂、通过焊接等。在本发明的优选实施例中，热管和散热器之间的热连接也是通过提供适当的纳米线场并将这些压在一起以形成纳米焊接来完成的。
从以下结合所附附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得清楚。然而，应理解，附图仅仅为了说明的目的而设计，并且不作为对本发明的限制的定义。
附图说明
图1A和图1B 图示了本发明的LED组件的一个实施例；
图2A和图2B 图示了本发明的LED组件的另外的实施例；
图3A-图3C图示了本发明的LED组件的另外的实施例；
图4A和图4B图示了本发明的LED组件的另外的实施例；
图5A和图5B图示了本发明的LED组件的另外的实施例；
图6 示出了通过本发明的LED组件的实施例的示意性截面；
图7A和图7B图示了本发明的LED组件的另外的实施例。
在附图中，类似的数字始终指代类似的对象。各图解中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1A示出了本发明的LED组件1的一个实施例。该图解示出了LED封装10P，包括嵌入支撑体10中的两个LED 100，该支撑体10由诸如如上所述的白色硅树脂的材料制成。LED封装10P仅包括这种薄的瓦片状主体10，并且不需要安装到任何中介层或相似的载体结构上。可以假设LED 100串联电连接。在LED封装10P的下侧上，如图1B中所示，提供阳极接触焊盘101和阴极接触焊盘102，用于将LED封装10P电连接到电路中。还提供了热接触区域103。代替通过在LED封装10P的热接触区域和中介层之间形成热连接，并且然后在中介层和散热器之间形成另外的热连接，来将LED封装10P安装到中介层上，LED封装10P的热接触103直接安装到本发明的LED组件1中的热管12。热管12在LED封装10P和散热器11之间延伸。在适当选择材料和尺寸等的情况下，热管12为散热器11提供了具有非常低的热阻的路径。这对于用高电流密度驱动的LED阵列是重要的。因为热管12有助于将热量从LED 100快速传输出去，所以散热器11可以布置在距LED封装10P相当远的距离处，从而允许较大的设计灵活性。在这个示例性实施例中，热管12被提供为具有三角形截面的细长金属部件。这种形状具有的优点是不需要毛细芯吸或网状结构（在现有技术的热管中用于将冷凝的工作流体传输回到热端），因为这种形状在热管12的两端之间产生压力差。因此，这种热管12的尺寸可以显著小于构造成容纳芯吸网状结构的现有技术热管。例如，可以使用导热粘合剂将LED封装10P的热接触区域103结合到热管12。相似地，可以使用导热粘合剂将散热器11结合到热管12。
热管12示出为具有均匀三角形截面的中空直管，并且可以假设由诸如铜的金属制成并承载工作流体（未示出）。LED封装10P和散热器11附接到热管12的平坦面，使得三角形的顶点指向下方。冷凝物在散热器端聚集在热管12的下部区域，并返回到LED端。来自LED100的热量导致工作流体在LED端蒸发，并且对流将蒸汽携带到散热器端，在那里循环重复。
对于热管12来说，直的或细长的形状是优选的，但是应当理解，如果必要，热管的几何形状和截面可以在特定限度内被修改，以适应应用的要求。例如，热管可以包括适度的曲线，以便将LED封装热连接到稍微偏移布置的散热器。虽然这些图解以开放的截面示出了热管12，但是应当理解，热管12在两端都是封闭的以包含工作流体（例如水）。
图2A和图2B示出了本发明的LED组件1的另外的优选实施例。这里，阳极接触焊盘101和阴极接触焊盘102设置在支撑体10的上表面，并且热接触区域103形成在LED封装10P的几乎整个下侧之上，如图2B中所示。这允许LED封装10P和热管12之间的热连接有利地大。同样，这种热结合可以通过如上所述的纳米焊接来实现，在该情况下，处理LED封装10P的热接触区域103以生长纳米线草坪NW_103，并且在热管12的适当区域中生长对应的草坪。
图3A示出了制备以在本发明的LED组件1的优选实施例中使用的LED封装10P。这里，已经通过在热接触区域103的区域之上生长纳米线场NW_103来制备LED封装10P的热接触区域103。图3B示出了供LED封装10P的此实施例使用的热管12。这里，热管12的第一端处的热接触区域121已经通过在热接触区域121的区域之上生长纳米线场NW_121来制备。为了将LED封装10P结合到热管12，纳米线场NW_103、NW_121被压在一起。然后，纳米线场NW_121、NW_103的金属纳米线是LED封装10P和热管12之间的热路径的一部分。在此实施例中，热管12可以借助于散热器11的接触区域113（在图3C中示出）和热管12上的对应接触区域122之间的热结合而附接到散热器11。
图4A示出了制备以在本发明的LED组件1的另外的优选实施例中使用的散热器11。这里，散热器11的热接触区域113已经通过在热接触区域113的区域之上生长纳米线场NW_113来制备。图4B示出了供散热器11的此实施例使用的热管12。这里，热管12的第二端处的热接触区域122已经通过在热接触区域122的区域之上生长纳米线场NW_122来制备。为了将散热器11热连接到热管12，纳米线场NW_122、NW_113被压在一起。然后，纳米线场NW_122、NW_113的金属纳米线是热管12和散热器11之间的热路径的一部分。
图5A示出了制备以在本发明的LED组件1的另外的优选实施例中使用的LED封装10P。LED封装10P可以电连接到电路中，如图5B中示出的照明布置2的示例性实施例所示。以相似于图3A的实施例的方式，LED封装10P的热接触区域103已经通过在热接触区域103的区域之上生长纳米线场NW_103来制备。另外，还已经通过在这些区域中生长纳米线场NW_101、NW_102来制备阳极接触区域101和阴极接触区域102。LED封装10P可以热连接到热管12，如上面图3B或图4B中所描述。该图解还示出了具有互补纳米线场NW_31、NW_32的PCB 3的一部分，互补纳米线场NW_31、NW_32被形成以匹配在阳极接触区域101和阴极接触区域102中生长的纳米线场。图5B示出了从上方观察的LED封装10P，并且穿过LED封装10P的顶面10T仅示意性地指示热接触区域103以及电极接触101、102的位置。为了将LED封装10P电连接到PCB3，两对纳米线场NW_101、NW_102、NW_31、NW_32被压在一起。通过将如上所述的纳米线场用于LED封装10P的电连接和热连接，可以非常有利地优化LED封装10P的散热。此外，照明布置2的组装被简化，因为热连接和电连接容易实现，并且只需要在将相应部件压在一起之前，将LED封装10P相对于热管12的互补纳米线场和PCB 3精确定位。LED封装10P可以首先电安装到PCB，并且然后热安装到热管12，或者反之亦然。
图6示出了本发明的LED组件的一个实施例正被组装时的示意性截面，即刚好在纳米线场NW_103（形成在LED封装10P的热接触区域中）和互补纳米线场NW_121（形成在热管12的第一端）之间形成纳米焊接之前。为了清晰起见，纳米线以非常简化的方式示出。实际上，纳米线将仅具有小于1.0 μm的厚度、在20 μm到80 μm的范围内（例如50 μm）的高度，并且将以103–106/mm2的密度形成。
图7示出了本发明的LED组件1的另外的实施例。这里，不需要专用的热接触区域。代替地，使用一对热管12将来自阳极接触区域和阴极接触区域的热量传输到散热器11。一个热管12在阳极接触区域101和散热器11之间延伸，并且另一个热管12在阴极接触区域102和散热器11之间延伸。热管12彼此电气隔离。热结合可以以上述方式形成，例如使用在如图7B中所示的阳极和阴极接触区域101、102中生长的纳米线草坪NW_101、NW_102以及在每个热管12的合适区域中生长的对应纳米线草坪之间的纳米焊接。
尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将要理解，可以对其进行许多附加的修改和变型而不脱离本发明的范围。
为了清晰起见，应理解，遍及本申请使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。
附图标记
LED组件 1
载体 10
LED封装 10P
顶表面 10T
底面 10B
LED管芯 100
阳极接触区域 101
阴极接触区域 102
热接触区域 103
散热器 11
热接触区域 113
热管 12
第一端区域 121
第二端区域 122
PCB 3
导电轨道 31、32
纳米线场 NW_103，NW_121
纳米线场 NW_101，NW_102
纳米线场 NW_113，NW_122
纳米线场 NW_31，NW_32

Claims (17)

1.一种制作LED组件的方法，所述方法包括：
提供LED封装，所述LED封装包括布置在支撑体中的一个或多个LED以及在所述支撑体的一个或多个表面上的热接触区域和电接触区域；
提供热管；
提供印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板包括被配置为向所述LED封装供电的导电轨道；执行电解生长以在所述热管的第一端区域中制备第一纳米线场；
执行电解生长以在所述支撑体的热接触区域和电接触区域中制备第一互补纳米线场；
将所述LED封装压到所述热管上，以接合所述第一纳米线场和所述支撑体的热接触区域中的所述第一互补纳米线场；以及
将所述支撑体的电接触区域的第一互补纳米线场压到在所述印刷电路板的导电轨道上形成的另一互补纳米线场上来形成纳米焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
提供散热器；以及
将所述散热器与所述热管的第二端区域热耦合。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
执行电解生长以在所述热管的第二端区域中制备第二纳米线场；
执行电解生长以在所述散热器的表面上制备第二互补纳米线场；以及
将所述散热器压到所述热管上以接合所述第二纳米线场和所述第二互补纳米线场。
4.一种LED组件，包括：
热管，包括在所述热管的第一端区域中的第一纳米线场；
LED封装，包括支撑体中的一个或多个LED、所述支撑体下侧上的阳极接触区域和阴极接触区域、所述支撑体下侧上的热接触区域、在所述热接触区域中的至少一个第二纳米线场、以及所述阳极接触区域中的第三纳米线场和所述阴极接触区域中的第四纳米线场中的至少一个，
所述LED封装和所述热管经由所述第二纳米线场和所述第一纳米线场之间的纳米焊接热耦合在一起；以及
印刷电路板(PCB)，其包括被配置为向所述LED封装供电的导电轨道，
所述LED封装和所述印刷电路板经由所述第三纳米线场和所述第四纳米线场中的至少一个和形成在所述印刷电路板的导电轨道上的另一互补纳米线场之间的纳米焊接电耦合在一起。
5.根据权利要求4所述的LED组件，其中所述支撑体包括白色硅树脂。
6.根据权利要求4所述的LED组件，其中所述一个或多个LED包括在所述支撑体中的两个或更多个串联的LED，所述支撑体具有至多0.5mm的厚度。
7.根据权利要求4所述的LED组件，其中所述热管是在所述LED封装和散热器之间延伸的细长金属部件，并且所述散热器热连接到所述热管的第二端区域。
8.根据权利要求7所述的LED组件，其中所述热管具有三角形截面。
9.根据权利要求7所述的LED组件，其中所述热管是中空管并且由铜形成。
10.根据权利要求9所述的LED组件，其中所述热管进一步包括所述中空管内部的工作流体。
11.根据权利要求10所述的LED组件，其中所述中空管的各端是封闭的。
12.一种LED照明布置，包括：
LED组件，包括：
热管，包括在所述热管的第一端区域中的第一纳米线场，
LED封装，包括支撑体中的一个或多个LED、所述支撑体下侧上的阳极接触区域和阴极接触区域、所述支撑体下侧上的热接触区域、和在所述热接触区域中的至少一个第二纳米线场，
所述LED封装和所述热管经由所述第二纳米线场和所述第一纳米线场之间的纳米焊接热耦合在一起；
驱动器电路，包括安装在PCB(3)上的电路部件，所述驱动器电路经由所述LED封装(10P)的阳极接触区域和阴极接触区域以及所述PCB上的对应导电轨道(31，32)之间的电连接而电耦合到所述LED封装；和
在所述LED封装的阳极接触区域和阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及在所述对应导电轨道(31，32)上的互补纳米线场，
其中，所述LED封装和所述驱动器电路之间的电连接包括所述阳极接触区域和所述阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及所述对应导电轨道上的互补纳米线场之间的纳米焊接。
13.根据权利要求12所述的LED照明布置，其中所述LED封装的阳极接触区域和阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及所述对应导电轨道上的互补纳米线场包括从种子层生长的金属纳米线，其中纳米线场中纳米线的密度在103–106/mm2的范围内。
14.根据权利要求12所述的LED照明布置，其中所述LED封装的阳极接触区域和阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及所述对应导电轨道上的互补纳米线场具有至多80μm的长度。
15.根据权利要求12所述的LED照明布置，其中所述LED封装的阳极接触区域和阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及所述对应导电轨道上的互补纳米线场具有至多60μm的长度。
16.根据权利要求13所述的LED照明布置，其中所述LED封装的阳极接触区域和阴极接触区域中的每一个上的第三纳米线场以及所述对应导电轨道上的互补纳米线场具有至多40μm的长度。
17.根据权利要求12所述的LED照明布置，其中所述热管包括具有三角形截面的中空管和所述中空管内的工作流体。
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