CN115298840A - 具有金属嵌体和底部触点的发光器件 - Google Patents

具有金属嵌体和底部触点的发光器件 Download PDF

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S·H·刘
H·卡盖亚玛
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Abstract

本文描述了发光器件。发光器件包括杂化器件和封装衬底，该杂化器件具有顶部表面和底部表面，该封装衬底包括在封装衬底的开口中的金属嵌体和导电通孔。金属嵌体热耦合到杂化器件的底部表面。导电触点布置在封装衬底的底部表面上，每个导电触点电耦合到多个导电通孔中的一个。导电连接器电耦合在杂化器件的顶部表面和封装衬底的顶部表面之间。每个导电连接器通过相应的一个导电通孔电耦合到封装衬底的底部表面上的相应的一个导电触点。

Description

具有金属嵌体和底部触点的发光器件
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年2月6日提交的美国临时专利申请号62/970975和2020年7月21日提交的美国非临时专利申请号16/934905的权益，其如同被完全阐述一般地通过引用而并入。
背景技术
精确控制照明应用可能需要生产和制造小型可寻址发光二极管（LED）照明系统。这种系统的较小尺寸可能需要非常规的组件和制造工艺。
发明内容
本文描述了发光器件。一种发光器件包括杂化（hybridized）器件和封装衬底，该杂化器件具有顶部表面和底部表面，该封装衬底包括在封装衬底中的开口中的金属嵌体和导电通孔。金属嵌体热耦合到杂化器件的底部表面。导电触点布置在封装衬底的底部表面上，每个导电触点电耦合到多个导电通孔中的一个。导电连接器电耦合在杂化器件的顶部表面和封装衬底的顶部表面之间。每个导电连接器通过相应的一个导电通孔电耦合到封装衬底的底部表面上的相应的一个导电触点。
附图说明
通过结合附图以示例的方式给出的以下描述，可以得到更详细的理解，其中：
图1为示例LED阵列的顶视图；
图2A为示例杂化器件的截面示图；
图2B为合并了图2A的示例杂化器件的示例LED照明系统的截面示图；
图3为合并了图2B的LED照明系统的示例应用系统的截面示图；
图4为图2B的示例LED照明系统的顶视图；
图5A、5B、5C和5D为示出无源组件、金属镀膜（metallization）和其他元件的示例布局的另一个示例LED照明系统的顶视图；
图6A、6B和6C为示例四层电路板的最顶或第一层、第二层和第三层的顶视图；
图6D为示例四层电路板的最底或第四层的底视图；
图7为可以合并图2B的LED照明系统的示例车辆头灯系统的示意图；
图8为另一示例车辆头灯系统的示意图；以及
图9为制造LED照明系统（诸如图2B的LED照明系统）的示例方法的流程图。
具体实施方式
下文将参照所附附图更全面地描述不同光照明系统和/或发光二极管（“LED”）实施方案的示例。这些示例不相互排斥，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征组合，以实现附加的实施方案。因此，将理解，所附附图中所示的示例仅是出于说明的目的而提供的，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。类似的数字始终指代类似的元件。
将理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语可以用于将一个元件与另一元件区分开来。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且第二元件可以被称为第一元件。如本文中使用的，术语“和/或”可以包括一个或多个相关联列出项的任何和所有组合。
将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到另一元件上”时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，可能没有中间元件的存在。还将理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件和/或经由一个或多个中间元件而连接或耦合到另一元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，在该元件和该另一元件之间没有中间元件的存在。将理解，这些术语旨在涵盖除了附图中描绘的任何方位之外的元件的不同方位。
诸如“下面”、“上面”、“上方”、“下方”、“水平”或“垂直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与附图中所图示的另一元件、层或区域的关系。将理解，这些术语旨在涵盖除了附图中描述的方位之外的器件的不同方位。
此外，LED、LED阵列、电气组件和/或电子组件是否被包封在一个、两个或多个电子板上也可以取决于设计约束和/或应用。
半导体发光器件（LED）或光学功率发射器件（诸如发射紫外（UV）或红外（IR）光功率的器件）是当前可用的最有效的光源之一。这些器件（以下称为“LED”）可以包括发光二极管、谐振腔发光二极管、垂直腔激光二极管、边缘发射激光器等。例如，由于其紧凑的尺寸和较低的功率要求，LED可能是许多不同应用的有吸引力的候选。例如，它们可以用作手持式电池供电器件（诸如相机和手机）的光源（例如，闪光灯和相机闪光灯）。它们还可以用于例如汽车照明、抬头显示（HUD）照明、园艺照明、街道照明、视频手电筒（torch for video）、一般光照（例如，家庭、商店、办公室和工作室照明，剧院/舞台照明和建筑照明）、增强现实（AR）照明、虚拟现实（VR）照明、作为显示器的背光、以及IR光谱仪。单个LED可能提供不如白炽光源亮的光，并且因此，多结器件或LED阵列（诸如单片LED阵列、微型LED阵列等）可以用于期望或需要更高亮度的应用。
对于一些应用，LED可以被布置成阵列。例如，LED阵列可以支持从光分布的细粒度（fine-grained）强度、空间和时间控制中受益的应用。这可以包括但不限于来自像素块或单独的像素的发射的光的精确空间图案化。取决于应用，发射的光可以是光谱不同的、随时间自适应的和/或环境响应的。LED阵列可以以各种强度、空间或时间模式提供预编程的光分布。发射的光可以至少部分地基于接收到的传感器数据并且可以用于光学无线通信。相关联的电子器件和光学器件在发射器、发射器块或器件水平可能是不同的。
LED阵列可以由LED、VCSEL、OLED或其他可控发光系统的一维、二维或三维阵列形成。LED阵列可以形成为单片衬底上的发射器阵列，通过衬底的部分或完全分割而形成，使用光刻法、加法或减法处理而形成，或者通过使用拾取和放置或其他合适的机械放置的装配而形成。LED阵列可以以网格图案均匀地布置，或者替代地，可以被定位成限定几何结构、曲线、随机或不规则的布局。
图1为示例LED阵列102的顶视图。在图1中所图示的示例中，LED阵列102是发射器120的阵列。LED阵列102中的发射器120可以是单独可寻址的，或者可以是以组/子集可寻址的。
图1中还示出了LED阵列102的3×3部分的分解视图。如3×3部分分解视图所示，LED阵列102可以包括发射器120，每个发射器具有宽度w1。在实施例中，宽度w1可以是大约100μm或更小（例如，40μm）。发射器120之间的通道122的宽度可以是w2。在实施例中，宽度w2可以是大约20μm或更小（例如，5μm）。在一些实施例中，宽度w2可以是小到1μm。通道122可以在相邻发射器之间提供气隙，或者可以包含其他材料。从一个发射器120的中心到相邻发射器120的中心的距离d1可以是大约120μm或更小（例如，45μm）。将理解，本文提供的宽度和距离仅仅是示例并且实际的宽度和/或尺寸可以变化。
将理解，尽管在图1中示出了以对称矩阵布置的矩形发射器，但是任何形状和布置的发射器都可以应用于本文描述的实施例。例如，图1的LED阵列102可以包括超过20000个处于任意适用布置（诸如200×100矩阵、对称矩阵、非对称矩阵等）的发射器。还将理解，多组发射器、矩阵和/或板可以以任何适用的形式被布置，以实现本文描述的实施例。
如上所述，LED阵列（诸如LED阵列102）可以包括多达20000个或更多的发射器。这种阵列可能具有90 mm2或更大的表面积，并且可能需要相当大的功率来给它们供电，诸如60瓦或更大。像这样的LED阵列可以被称为微型LED阵列或简称为微型LED。在一些实施例中，微型LED可以包括数百、数千或者甚至数百万个LED或发射器，这些LED或发射器一起定位在厘米级面积的衬底上或更小的衬底上。微型LED可以包括设置在衬底上的单独的发射器的阵列，或者可以是部分地或完全地划分成（形成发射器的）区段的单个硅晶片或管芯。
控制器可以被耦合以选择性地为LED阵列中的发射器的子组供电以提供不同的光束图案。LED阵列中的至少一些发射器可以通过连接的电迹线而被单独控制。在其他实施例中，发射器的组或子组可以被一起控制。在一些实施例中，发射器可以具有不同的非白色的颜色。例如，至少四个发射器可以是发射器的RGBY组。
LED阵列照明器可以包括灯具，该灯具可以被编程以基于选择性的发射器激活和强度控制来投射不同的照明图案。这种照明器可以不使用移动部件从单个照明器件递送多个可控光束图案。通常，这是通过调节1D或2D阵列中的单独的LED的亮度来完成的。光学器件，无论是共享的还是单独的，都可以可选地将光引导至特定的目标区域上。在一些实施例中，LED、它们的支撑衬底和电迹线以及相关联的微型光学器件的高度可以小于5毫米。
LED阵列，包括LED或µLED阵列，可用于选择性地和适应性地照亮建筑物或区域以改善视觉显示或降低照明成本。此外，这种LED阵列可以用于投射媒体立面以获得装饰性的运动或视频效果。结合跟踪传感器和/或相机，行人周围区域的选择性照明可以是可能的。光谱不同的发射器可以用于调节照明的色温，以及支持波长特定的园艺照明。
街道照明是一种重要的应用，其可以极大地受益于LED阵列的使用。单一类型的LED阵列可以用于模拟各种路灯类型，例如，通过选定的发射器的适当激活或去激活，允许在I型线性路灯和IV型半圆形路灯之间切换。此外，通过根据环境条件或使用的时间来调节光束强度或分布，可以降低街道照明成本。例如，当行人不存在时，可以减小光强度和分布区域。如果发射器是光谱不同的，则可以根据相应的日光、黄昏或夜晚条件来调节光的色温。
LED阵列也非常适合用于支持需要直接或投射显示的应用。例如，警告、紧急情况或信息标志都可以使用LED阵列来显示或投射。例如，这允许投射颜色变化或闪烁的出口标志。如果LED阵列包括大量发射器，则可以呈现文本或数字信息。也可以提供方向箭头或类似的指示符。
车辆头灯是一种可能需要大量像素和高数据刷新速率的LED阵列应用。仅主动照亮道路的选定部分的汽车前照灯可以用于减少与迎面而来的驾驶员的眩光或眩目相关联的问题。使用红外相机作为传感器，LED阵列可以只激活照亮道路所需的那些发射器，而去激活可能使行人或迎面而来的车辆的驾驶员炫目的发射器。此外，可以选择性地照亮道路之外的行人、动物或标志，以提高驾驶员的环境意识。如果发射器是光谱不同的，则可以根据相应的日光、黄昏或夜晚条件来调节光的色温。一些发射器可以用于光学无线的车辆对车辆通信。
为了单独地驱动或控制阵列中的单独的LED或发射器，硅背板可以被设置成紧邻于LED阵列。在一些实施例中，硅背板可以包括从一个或多个源接收电力以给硅背板的各个部分供电的电路、从一个或多个源接收图像输入以经由LED阵列显示图像的电路、用于在硅背板和外部控制器（例如，车辆头灯控制、通用照明控制等）之间进行通信的电路、用于产生信号（诸如脉宽调制（PWM）信号）以基于例如接收到的图像输入和从外部源接收到的通信来控制阵列中的单独的LED或发射器的操作的电路、以及用于基于产生的信号单独地驱动阵列中的LED或发射器的多个LED驱动器。在实施例中，硅背板可以是互补金属氧化物半导体（CMOS）背板，其可以包括与对应的LED阵列中的LED或发射器相同数量的驱动器。在一些实施例中，硅背板可以是专用集成电路（ASIC）。在一些实施例中，可以为一定数量的LED或发射器的每一个组设置一个驱动器，并且控制可以是针对LED或发射器的组而不是针对单独的LED或发射器。每个驱动器可以单独地电耦合到对应的LED或发射器或者LED或发射器的组。虽然上面参照特定的电路描述了硅背板，但是本领域普通技术人员将理解，用于驱动LED阵列的硅背板（诸如在本文中描述）可以包括更多、更少或不同的组件，这些组件潜在地执行不同的功能而不偏离在本文中描述的实施例。
如上所述，硅背板中的单独的驱动器电耦合到LED阵列中的单独的LED或发射器或者LED或发射器的组。因此，LED阵列必须紧邻于硅背板放置。在实施例中，这可以通过将LED阵列表面上的铜柱凸块或连接器的阵列中的铜柱凸块或其他连接器单独地耦合到硅背板的相对表面上的对应连接器来实现。诸如上述的硅背板在操作期间可能变得非常热，特别是考虑到它紧邻于LED阵列。因此，散热对于这种器件来说是具有挑战性的。虽然一些用于半导体器件散热的解决方案是已知的，但是这些解决方案通常包括通过器件顶部来散热的结构。然而，由于来自LED阵列的光发射，通过器件顶部来散热可能不实际或不可能。本文描述的实施例提供了可以通过器件的底部表面实现有效和高效的散热的结构。
此外，LED阵列（诸如LED阵列102）和相关联的硅背板可能需要多个无源元件（诸如电阻器、电容器和晶体）紧邻于硅背板而被放置在电路板上。除了通过器件的底部表面提供散热之外，本文中描述的实施例还可以提供一种LED封装，该封装使得能够将大量无源元件（例如，27个或更多）放置在电路板的顶部表面上，并且紧邻于背板和LED阵列。此外，本文描述的实施例可以提供薄型（low profile）LED阵列封装，其可以容纳一个或多个无源元件，并且能够耗散由硅背板和LED阵列产生的热量。
图2A为示例杂化器件200的截面示图。在图2A中所图示的示例中，杂化器件200包括硅背板204。LED阵列202（诸如µLED）的第一表面203可以安装在硅背板204的第一表面205上。为了简化描述，硅背板204的第一表面205在本文中也可以称为顶部表面，并且LED阵列202的第一表面203在本文中也可以称为底部表面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果杂化器件200被倒置，则第一表面205可以是底部表面，如果杂化器件200被侧向翻转，则第一表面205可以是侧表面，等等。类似地，如果杂化器件被倒置，则第一表面203可以变成顶部表面，如果杂化器件200被侧向翻转，则第一表面203可以是侧表面，等等。如上所述，硅背板204的第一表面205上的连接器阵列（未示出）可以被焊接、回流或以其他方式电和机械耦合到LED阵列202的底部表面上的连接器阵列。连接器阵列可以是任何连接器阵列，诸如铜柱凸块阵列。LED阵列202可以具有深度D1。在实施例中，深度D1可以例如在5和250 µm之间。硅背板204可以具有深度D2。在实施例中，深度D2可以例如在100 µm和1 mm之间。杂化器件200也可以称为杂化管芯。
图2B为合并了图2A的示例杂化器件200的示例LED照明系统250的截面示图。在图2B中所图示的示例中，杂化器件200被封装在封装衬底208中。
在图2B中所图示的示例中，硅背板204的第二表面207可以安装在金属嵌体210的第一表面209上。硅背板204的第二表面207在本文中也可以称为底部表面，并且金属嵌体210的第一表面209在本文中也可以称为顶部表面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果杂化器件200被倒置，则第二表面207可以是顶部表面，如果杂化器件200被侧向翻转，则第二表面207可以是侧表面，等等。类似地，如果杂化器件被倒置，则第一表面209可以变成底部表面，如果杂化器件200被侧向翻转，则第一表面209可以变成侧表面，等等。在图2B中所图示的示例中，硅背板204的第二表面207和金属嵌体210的第一表面209通过金属层206接合。金属层206可以是任何具有良好热性能的金属，其使得能够在硅背板204和金属嵌体210之间进行热传递。在实施例中，金属层206可以是银。金属层206将硅背板204热耦合到金属嵌体210。
金属嵌体210可以是具有良好热性能的一种或多种类型的金属的任何一片或多层。在实施例中，金属嵌体210是单片金属，诸如铜或铝构件或主体。金属嵌体210可以具有第二表面211，该第二表面211可以接触另一个电路板、散热器或其他金属嵌体或金属片，其示例如下所述，以促进热量从LED阵列202和硅背板204经由金属嵌体210传递到电路板、散热器或其他嵌体或金属片。金属嵌体210的第二表面211在本文中也可以称为底部表面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果杂化器件200被倒置，则第二表面211可以是顶部表面，如果杂化器件200被侧向翻转，则第二表面211可以是侧表面，等等。金属嵌体210也可以包括侧表面。取决于形状，金属嵌体210可以具有任意数量的侧表面或单个侧表面，其可以是顶部表面、底部表面等，这取决于杂化器件200的方位。一个或多个导电焊盘可以是金属嵌体210的第一和/或第二表面209/211的一部分或与其耦合，并且可以覆盖第一和/或第二表面209/211的一部分、第一和/或第二表面209/211的全部或者延伸超过第一和/或第二表面209/211。
金属嵌体210可以嵌入衬底208中。更具体地，在所图示的实施例中，金属嵌体210嵌入衬底208中，使得金属层206、硅背板204和LED阵列202凸出并延伸到衬底208的第一表面213上方。第一表面213在本文中也可以称为顶部表面，但是可以是侧表面或底部表面，这取决于LED照明系统250的方位。在一些实施例中，金属层206和/或硅背板204的全部或部分可以嵌入衬底208中。衬底208可以具有暴露衬底208的内表面217a、217b的开口。该开口可以完全延伸穿过衬底208的整个厚度T。取决于形状，开口可以具有任意数量的内表面或单个内表面217，其可以是顶部表面、底部表面等，这取决于LED照明系统250的方位。在图2B中所图示的示例中，杂化器件200与至少金属嵌体210被放置在开口中，并且侧表面接触衬底208的内表面217a、217b。在这种实施例中，杂化器件200可以经由合适的粘合剂固定到衬底208的内表面217a、217b。在其他实施例中，衬底208可以围绕杂化器件200被模制，使得至少金属嵌体210的侧表面与衬底208的内表面217a、217b直接接触。在其他实施例中，开口可以比杂化器件200宽，并且可以在内表面217a、217b和至少金属嵌体210的侧表面之间留下空间。
所图示的LED照明系统250也可以包括热耦合到金属嵌体210的第二表面211的金属焊盘218。金属焊盘218可以促进金属嵌体210和另一个电路板、另一个金属嵌体和/或散热器之间的连接。在实施例中，可以不包括金属焊盘218，并且金属嵌体210可以被放置成与另一个电路板、另一个金属嵌体和/或散热器直接接触。在所图示的实施例中，金属焊盘218完全覆盖金属嵌体210的第二表面211，并且与衬底208的第二表面215的一部分重叠。第二表面211也可以称为底部表面，但可以是顶部表面、侧表面等，这取决于LED照明系统250的方位。本领域普通技术人员将理解，金属焊盘218可以仅部分覆盖金属嵌体210的第二表面211，可以完全覆盖金属嵌体210的第二表面211而不与衬底的第二表面215重叠，或者可以进一步延伸以覆盖衬底208的第二表面215的更大区域。
无源组件216可以安装在衬底208的第一表面213上。在图2B中所图示的示例中，无源组件216安装在第一表面213上的金属焊盘221上。也可以在衬底208的第二表面215上设置底部金属焊盘或触点220。每个无源组件216可以通过相应的通孔219耦合到衬底208的第二表面215上的相应的金属焊盘或触点220。通孔219可以被加衬、填充或者可以以其他方式包括电耦合在金属焊盘221和金属焊盘或触点220之间的金属材料，以在无源组件216和衬底208的底部表面上的金属焊盘或触点220之间建立电连接，用于电连接到另一个电路板（在图3中示出）。硅背板204也可以经由导电连接器212电耦合到无源组件216。尽管在图2B中未示出，但是衬底208的第一表面213上的金属镀膜可以完成导电连接器212和相应的无源组件216之间的电连接。下面参照图4示出并描述了金属镀膜的示例。
尽管图2B中仅示出了两个导电连接器212，但可以包括任何数量的导电连接器212。例如，LED照明系统250可以包括27个或更多个无源组件216以及相等数量的导电连接器212。在所图示的实施例中，导电连接器212是导线，诸如带状导线。然而，导电连接器212可以是任何合适类型的导电连接器，诸如柔性电路。导电连接器可以被密封剂材料214完全覆盖。密封剂材料214可以保护导电连接器212，并且在实施例中，还可以起到例如为经由LED阵列202显示的图像提供对比度的功能。在实施例中，密封剂可以是环氧树脂或硅树脂材料，其具有可以产生深色或黑色外观的碳填料。密封剂材料在本文中也可以称为遮光密封剂。
图3为合并了图2B的LED照明系统250的应用系统300的截面示图。应用系统300可以包括在第一表面301上具有多个金属焊盘（未示出）的电路板224。金属焊盘可以位于与LED照明系统250的相应金属焊盘218和220的位置对应的位置。电路板224还可以包括金属嵌体226，该金属嵌体226可以包括定位成与LED照明系统250的金属焊盘218对应的金属焊盘。LED照明系统250的金属焊盘218和220可以焊接到电路板224上相应的金属焊盘。焊料层222示出为衬底208的第二表面211和电路板224的第一表面301之间的均匀层。然而，在实施例中，焊料222将仅位于相应的金属焊盘之间和/或稍微延伸超过金属焊盘或者不完全覆盖金属焊盘。LED照明系统250的金属嵌体210的放置紧邻于电路板224并与其热耦合，并且特别紧邻于电路板224中的金属嵌体226（如果包括的话）并与其热耦合，可以实现经由LED阵列202、硅背板204和金属嵌体210的第二或底部表面203、207和211的、从杂化器件200到电路板224的良好热传递。衬底224的第一表面301在本文中也可以称为顶部表面，但也可以是底部表面、侧表面等，这取决于应用系统300的方位。
此外，金属焊盘220与电路板224上相应的金属焊盘之间的电耦合可以实现无源组件216、硅背板204和电路板224之间的电耦合。电路板224可以是在特定应用中使用的更大系统的一部分，诸如车辆照明或闪光应用（下面参照图7和图8描述了示例车辆照明系统）。除了散热器230之外，电路板224可以包括更大系统所需的其他电路元件。
在实施例中，金属嵌体226可以以参照LED照明系统250的金属嵌体210在上面提到的任何方式位于电路板224中。此外，电路板224可以热耦合到散热器230，用于进一步散热。电路板224的第二表面303可以经由热界面材料（TIM）228附接到散热器230的第一表面305。第二表面303在本文中也可以称为底部表面，并且第一表面305在本文中可以称为顶部表面，尽管它们每个都可以是底部表面、顶部表面、侧表面等，这取决于应用系统300的方位。
图4为示出图2B的LED照明系统250的顶部表面400的顶视图。该顶视图示出了LED阵列202的第一或顶部表面，硅背板204的第一或顶部表面205的未被LED阵列202覆盖的部分，覆盖导电连接器212的密封剂214，无源组件216，将导电连接器212电耦合到无源组件216中的相应无源组件的金属镀膜232，以及衬底208的第一或顶部表面213的未被硅背板204、密封剂214、金属镀膜232和无源组件216覆盖的部分。虽然图4中未示出，但是导电连接器212可以电耦合到衬底208的第一表面213上的金属焊盘，并且金属镀膜232可以是被图案化或蚀刻以在金属焊盘（未示出）和无源组件216之间形成电连接的金属层。
如图4所示，LED照明系统250具有长度l1和宽度w1。在实施例中，长度l1可以是大约30 mm并且宽度w1可以是大约22 mm。硅背板204可以具有长度l2和宽度w2 （为清楚起见未标出）。在实施例中，长度l2可以是大约15.5 mm，并且宽度w2可以是大约6.5 mm。LED阵列202可以具有长度l3和宽度w3。在实施例中，长度l3可以是大约11 mm，并且宽度w3可以是大约4.4mm。
给定这些示例尺寸，LED阵列封装可以被设置成具有相对较大的表面积（在上述示例中为660 mm2），其中相对大量的表面积未被LED阵列占据（在上述示例中，其表面积大约为100 mm2）。因此，这种设计为LED阵列封装上的无源电子组件的附接提供了充足的空间。
如上所述，硅背板可以包括从一个或多个源接收电力以向硅背板的各个部分供电的电路、从一个或多个源接收图像输入以经由LED阵列显示图像的电路、用于硅背板和外部控制器（例如，车辆头灯控制、通用照明控制等）之间的通信的电路、用于产生信号（诸如脉宽调制（PWM）信号）以基于例如接收到的图像输入和从外部源接收到的通信来控制阵列中的单独的LED或发射器的操作的电路、以及用于基于产生的信号单独驱动阵列中的LED或发射器的多个LED驱动器。为了通信，硅背板可能具有大量数字接口，并且因此可能需要大量（例如，一百个或更多个）物理连接输入/输出（I/O）引脚，用于连接到衬底208上的无源组件或者连接到诸如控制板的外部电路板。在一些实施例中，外部板或器件可以是车辆头灯，其可以通信地耦合到汽车中的各种控制模块以接收控制信号。
此外，硅背板可能需要多个外部电源（例如，两个或更多）来为杂化器件供电。在实施例中，杂化器件可以包括对应于两个或更多个电源（诸如数字电源、模拟电源和LED电源）的I/O引脚的组合。每个外部电源可能需要一个或多个放置成紧邻于相应的I/O引脚的无源组件 （例如，在至少一个I/O引脚的10 mm内）。在实施例中，这种无源组件可以包括至少一个单独的去耦电容器，并且有时包括五个或更多个去耦电容器。此外，硅背板可能需要电阻器来精确地设置LED电流，需要其他的非去耦电容器和/或晶体来设置通用异步接收器-发送器（UART）的频率。许多或所有这些无源组件应尽可能靠近硅背板引脚放置（例如，在至少一个I/O引脚的10 mm内）。例如，用于设置UART的频率的晶体可能具有很高的频率，其可能对噪声敏感。此外，这些无源组件中的每一个都可能需要电耦合到硅背板。这可能使得衬底208上的空间具有挑战性。
在实施例中，需要放置成紧邻于硅背板的I/O引脚的无源组件可以安装在封装衬底208的顶部表面上。在实施例中，支持硅背板的所有无源组件可以安装在封装衬底208上，而在其他实施例中，一些无源组件（例如，可以与硅背板的I/O引脚间隔更远的那些）可以安装在单独的电路板（诸如控制板）上。如上所述，硅背板204可以使用导电连接器212（诸如带状导线或柔性电路）以在硅背板204和衬底208之间建立潜在的许多电连接。这节省了衬底208上的空间，该空间可用于无源组件本身以及用于其他路由，如下面更详细描述的。此外，对于微型LED，可能需要大电流（诸如17安培）。如此大电流的路由可能需要大的迹线。为了容纳路由并且为无源组件节省封装衬底上的空间，下面描述一种多层板结构，每一层具有不同的功能。例如，这可以实现大迹线的使用以路由大电流以及在单独的层上的模拟地和数字地的适当分离。
图5A、5B、5C和5D为示出无源组件、金属镀膜和其他元件的示例布局的另一个示例LED照明系统的顶视图500A、500B、500C和500D。图5D图示了无源组件216以及一些表面金属镀膜和穿板连接（例如，通孔）的示例布局。
在图5D中所图示的示例中，27个无源组件216a-216zz安装在衬底208的第一表面213上。然而，本领域的普通技术人员将理解，在不偏离本文描述的实施例的情况下，更多或更少的无源组件216可以安装在衬底上。如上所述，例如，支持硅背板的所有无源组件可以放置在衬底208的第一表面213上，或者支持硅背板的一些无源组件可以放置在衬底208的第一表面213上而其他无源组件可以安装在单独的电路板（诸如控制板）上。例如，无源组件可以包括如上所述的电容器（去耦或非去耦）、电阻器和/或晶体，或者未具体提到的任何其他类型的无源组件。在衬底208的中心区域中，LED阵列202被图示为安装在硅背板204上。
为清楚起见，图5D中未示出导电连接器212。然而，图示了导电连接器212被焊接到或以其他方式电耦合到的引脚506。换句话说，引脚506可以电耦合到硅背板204的相应的I/O引脚（未示出）。虽然硅背板的I/O引脚没有在图5D中示出，但是它们可以对应于图2A-2C中的位置，例如，导电连接器212附接到硅背板204的顶部表面的位置。如图5D所示，引脚506可以经由金属镀膜252被路由到无源组件216a-216zz，并且也可以经由金属镀膜502被路由到其他组件或层。无源组件216a-216zz中的至少一些应该紧邻于硅背板204的I/O引脚（未示出）。例如，无源组件216a-216zz可以在硅背板204的至少一个I/O引脚的10 mm内。
在图5D中，一个金属镀膜502被标记并电耦合至通孔504，并且一个金属镀膜232被标记并电耦合至一个无源组件216zz。在下面的图6A、6B、6C和6D中，示出了示例四层电路板结构的四层中的每一层中的通孔504的路由。用于从三个示例电源接收电力的引脚506的组合的示例位置也在图5D中被标记，并且包括例如数字电源位置或组合508、LED电源位置或组合510、和模拟电源位置或组合512、以及相应的无源组件或无源组件的组合（例如，无源组件216y、216z、216zz、216a、216b、216c、216d、216e、216f、216g和216h，尽管更多或更少的这些无源组件可以用于各种电源）。引脚506的组合可以对应于硅背板上相应的I/O引脚的组合（未示出）。
图5A、5B和5C示出了可用于路由的附加的表面金属镀膜。图5A图示了正电源迹线520，包括相应的金属焊盘。图5B图示了数字地的接地迹线530（位于单独的层上）。图5C图示了模拟地540，其与位于单独的层上的数字地分离。虽然在图5A、5B、5C和5D中示出了特定的布局，但是本领域普通技术人员将认识到，与本文描述的实施例一致的不同布局是可能的。
图6A、6B和6C为示例四层电路板的最顶层或第一层、第二层和第三层的顶视图600A、600B和600C。图6D是示例四层电路板的最底层或第四层的底视图600D。
图6A为示例四层电路板的最顶层或第一层的顶视图600A。顶层或第一层可以类似于图5A、5B、5C和5D示出的衬底208的第一表面213。特别地，图6A图示了LED阵列202、硅背板204和各种表面路由。在图6A中还标记了穿板连接（例如，通孔）504，以示出图6A、6B、6C和6D中的穿板连接504之间的对应关系。
图6B为示例四层电路板的第二层的顶视图600B。如上所述，多层电路板中的每一层可以起到不同的功能。在实施例中，图6B中所图示的第二层可以用于控制信号路由并且可以包括可以执行该功能的迹线550。还标记了穿板连接504。如图6B中所图示，金属嵌体210的一部分可以延伸穿过图6B中所图示的示例第二层。
图6C为示例四层电路板的第三层的顶视图600C。在实施例中，第三层可以包括数字地平面560，如上所述，其可以与最顶层或第一层上的模拟地540分离。数字地平面560可以用作硅背板的数字块的接地连接以及EMC屏蔽。这可以避免模拟和数字电路之间的接地弹跳（ground bouncing），否则其可能导致电磁兼容性（EMC）问题和电路故障。还标记了穿板连接504。如图6C中所图示，金属嵌体210的一部分可以延伸穿过图6C中所图示的示例第二层。
图6D为示例四层电路板的最底层或第四层的底视图600D。最底层或第四层可以表示图2B的衬底208的第二表面215。图6D还示出了金属嵌体210的第二表面211。金属焊盘218可以附接到金属嵌体210的该表面（图6D中未示出）。图6D图示了金属迹线570，其可以包括图2B的实施例的金属触点220。这些可以通过穿板连接504或潜在的其他通孔电耦合到无源组件216以及最顶层或第一层上的潜在的其他迹线或组件。
虽然图6A-6D具体示出了四层电路板，但该四层电路板可以实施为具有少于或多于四层的多层电路板，这取决于例如要包括的外部电源、数字接口、无源组件或潜在的其他特征的数量。
图7是可以合并图2B的LED照明系统250的示例车辆头灯系统700的示意图。图7中所图示的示例车辆头灯系统700包括电力线702、数据总线704、输入滤波器与保护模块706、总线收发器708、传感器模块710、LED直流到直流（DC/DC）模块712、逻辑低压差（LDO）模块714、微控制器716和主动式头灯718。在实施例中，主动式头灯718可以包括LED照明系统（诸如图2B的LED照明系统250）。
电力线702可以具有从车辆接收电力的输入端，并且数据总线704可以具有输入端/输出端，通过这些输入端/输出端，可以在车辆和车辆头灯系统700之间交换数据。例如，车辆头灯系统700可以从车辆中的其他位置接收指令，诸如打开转向信号或打开头灯的指令，并且如果需要，可以向车辆中的其他位置发送反馈。传感器模块710可以通信地耦合到数据总线704，并且可以向车辆头灯系统700或车辆中的其他位置提供附加数据，该附加数据例如与环境条件（例如，一天中的时间、雨、雾、或环境光水平）、车辆状态（例如，停放、运动中、运动速度、或运动方向）、以及其他物体（例如，车辆或行人）的存在/位置相关。与（通信地耦合到车辆数据总线的）任何车辆控制器分离的头灯控制器也可以被包括在车辆头灯系统700中。在图7中，头灯控制器可以是微控制器，诸如微控制器（μc）716。微控制器716可以通信地耦合到数据总线704。
输入滤波器与保护模块706可以电耦合到电力线702，并且可以例如支持各种滤波器以减少传导发射并且提供电力抗扰性。此外，输入滤波器与保护模块706可以提供静电放电（ESD）保护、负载突降保护、交流发电机磁场衰减保护和/或反极性保护。
LED DC/DC模块712可以耦合在滤波器与保护模块706和主动式头灯718之间，以接收经滤波的电力，并且提供驱动电流来向主动式头灯718中的LED阵列中的LED供电。LEDDC/DC模块712可以具有7和18伏之间的输入电压，其中标称电压大约为13.2伏，并且输出电压可以略高于（例如，0.3伏）LED阵列的最大电压（例如，该最大电压由工厂或本地校准以及因负载、温度或其他因素而进行的操作条件调节而被确定）。
逻辑LDO模块714可以耦合到输入滤波器与保护模块706，以接收经滤波的电力。逻辑LDO模块714也可以耦合到微控制器716 和主动式头灯718，以向微控制器714 和/或主动式头灯718中的硅背板（例如，CMOS逻辑）提供电力。
总线收发器708可以具有例如通用异步收发器（UART）或串行外设接口（SPI）接口，并且可以耦合到微控制器716。微控制器716可以对基于或包括来自传感器模块710的数据的车辆输入进行转换。经转换的车辆输入可以包括视频信号，该视频信号可传递到主动式头灯模块718中的图像缓冲器。此外，微控制器716可以在启动期间加载默认图像帧和用于开路/短路的像素的测试。在实施例中，SPI接口可以在CMOS中加载图像缓冲器。图像帧可以是全帧、差分或部分帧。微控制器716的其他特征可以包括对CMOS状态以及逻辑LDO输出的控制接口监控，该CMOS状态包括管芯温度。在实施例中，可以动态控制LED DC/DC输出以最小化净空（headroom）。除了提供图像帧数据之外，其他头灯功能——诸如连同边灯（sidemarker）或转向信号灯的互补使用和/或日间行车灯的激活——也可以被控制。
图8为另一个示例车辆头灯系统800的示意图。图8中所图示的示例车辆头灯系统800包括应用平台802、两个LED照明系统806和808、以及光学器件810和812。两个LED照明系统806和808可以是LED照明系统（诸如图2B的LED照明系统250），或者可以包括LED照明系统250加上图7的车辆头灯系统700中的其他模块中的一些或所有。在后一实施例中，LED照明系统806和808可以是车辆头灯子系统。
LED照明系统808可以发射光束814（在图8中的箭头814a和814b之间示出）。LED照明系统806可以发射光束816（在图8中的箭头816a和816b之间示出）。在图8所示的实施例中，次级光学器件810邻近LED照明系统808，并且从LED照明系统808发射的光穿过次级光学器件810。类似地，次级光学器件812邻近LED照明系统806 ，并且从LED照明系统806发射的光穿过次级光学器件812。在替代实施例中，在车辆头灯系统中没有设置次级光学器件810/812。
在包括次级光学器件810/812的场合，次级光学器件810/812可以是一个或多个光导或包括一个或多个光导。该一个或多个光导可以是边缘照明的，或者可以具有限定光导的内部边缘的内部开口。LED照明系统808和806（或者车辆头灯子系统的主动式头灯）可以被嵌入该一个或多个光导的内部开口中，使得它们将光注入该一个或多个光导的内部边缘（内部开口光导）或外部边缘（边缘照明光导）。在实施例中，该一个或多个光导可以以期望的方式（诸如例如，以梯度、倒角分布、窄分布、宽分布或角分布）对LED照明系统808和806所发射的光进行整形。
应用平台802可以经由线路804向LED照明系统806和/或808提供电力和/或数据，线路804可以包括图7的电力线702和数据总线704中的一个或多个或一部分。一个或多个传感器（其可以是示例车辆头灯系统700中的传感器或其他附加传感器）可以在应用平台802的外壳的内部或外部。替代地或附加地，如图7的示例车辆头灯系统700所示，每个LED照明系统808和806可以包括其自身的传感器模块、连接和控制模块、电源模块和/或LED阵列。
在实施例中，车辆头灯系统800可以表示具有可操控光束的汽车，其中LED可以被选择性地激活以提供可操控的光。例如，LED阵列（例如，LED阵列102）可以用于限定或投射形状或图案，或者仅照亮道路的选定部分。在示例实施例中，LED照明系统806和808内的红外相机或检测器像素可以是识别场景中需要光照的部分（例如，道路或人行横道）的传感器（例如，类似于图7的传感器模块710中的传感器）。
图9是制造LED照明系统（诸如图2B的LED照明系统250）的示例方法900的流程图。
在图9的示例方法900中，导热嵌体可以嵌入第一衬底中（902）。在实施例中，这可以通过将导热嵌体放置在第一衬底的开口中来实现。在一些实施例中，导热嵌体可以使用粘合剂粘附到衬底的暴露的内侧表面，或者可以是压力装配。在一些实施例中，衬底可以围绕导热嵌体被模制。无源组件可以表面安装（surface mount）在第一衬底上（904）。在实施例中，无源组件可以例如通过焊接安装在第一衬底的第一或顶部表面上的多个金属触点中的至少一些金属触点上。在实施例中，当导热嵌体被嵌入时，通孔和其他表面金属镀膜可能已经形成在第一衬底上，或者可以在之后形成。
LED阵列，诸如微型LED阵列，可以附接到硅背板的第一或顶部表面（906）。在实施例中，LED阵列可以包括连接器阵列，诸如铜柱凸块，并且它们可以通过焊接、回流或其他方法单独耦合到硅背板中的驱动器。导热材料可以被分配在第一衬底上（908）。在实施例中，导热材料可以分配在至少一个金属焊盘上，该金属焊盘附接到导热嵌体或者是导热嵌体的一部分。在其他实施例中，导热材料可以直接分配在至少导热嵌体上。在一些实施例中，导热材料可以覆盖第一衬底的整个第一或顶部表面。在实施例中，导热材料可以是银。附接有LED阵列的背板可以管芯附接（die attach）到第一衬底（910），例如通过将其放置在导热材料上并允许其固化。
背板可以焊线附接（wirebond attach）到第一衬底（912）。例如，这可以使用带状导线、柔性电路或其他连接器，并且将背板上的金属触点、焊盘或引脚焊接或以其他方式电耦合到第一衬底的第一或顶部表面上的金属触点、焊盘或引脚来完成。诸如上面详细描述的密封剂材料可以分配在焊线（例如，带状导线、柔性电路或其他导电连接器）上或模制在焊线周围（914）。在实施例中，这可能导致焊线被密封剂材料完全覆盖。
第一衬底可以表面安装在第二衬底上（916）。在实施例中，第一衬底的第二或底部表面上的金属焊盘或触点可以焊接或以其他方式电耦合到第二衬底的第一或顶部表面上的金属焊盘或触点。此外，在一些实施例中，嵌入第二衬底中的导热嵌体可以热耦合到嵌入第一衬底中的导热嵌体，例如通过将两个导热嵌体上的焊盘或两个导热嵌体的一部分焊接在一起，或者直接将导热嵌体焊接在一起。第二衬底可以附接到散热器的第一或顶部表面（918），例如，使用热界面材料（TIM）。
已经详细描述了实施例，本领域技术人员将领会，给定本说明书，在不脱离本发明构思的精神的情况下，可以对本文描述的实施例进行修改。因此，并不旨在将本发明的范围限于所图示和描述的具体实施例。

Claims (20)

1.一种器件，包括：
杂化器件，具有顶部表面和底部表面；
封装衬底，包括在所述封装衬底的开口中的金属嵌体和多个导电通孔，所述金属嵌体热耦合到所述杂化器件的底部表面；
在所述封装衬底的底部表面上的多个导电触点，每个导电触点电耦合到所述多个导电通孔中的一个；以及
多个导电连接器，电耦合在所述杂化器件的顶部表面和所述封装衬底的顶部表面之间，所述多个导电连接器的每一个通过所述导电通孔中的相应的一个电耦合到所述封装衬底的底部表面上的所述多个导电触点中的相应的一个。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述杂化器件包括硅背板和所述硅背板上的单片阵列，所述单片阵列包括多个发光区段。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述硅背板包括多个驱动器，所述多个驱动器中的一个被电耦合以向所述多个发光区段中的一个或子集提供驱动电流。
4. 根据权利要求2所述的器件，其中所述多个发光区段包括至少20000个间隔为20 µm或更小的发光区段。
5.根据权利要求1所述的器件，进一步包括在所述金属嵌体的顶部表面和所述杂化器件的底部表面之间的导热金属材料层。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属嵌体包括嵌入所述封装衬底中的铜材料的单一主体。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述封装衬底的底部表面上的所述多个导电触点是与外部控制板的接口。
8.根据权利要求1所述的器件，进一步包括覆盖所述多个导电连接器的遮光密封剂。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述遮光密封剂是具有碳填料的硅树脂或环氧树脂中的一种。
10.根据权利要求1所述的器件，进一步包括在所述封装衬底的顶部表面上的至少一个金属镀膜层，所述至少一个金属镀膜层电耦合在所述多个导电连接器和所述多个导电通孔之间。
11. 一种器件，包括：
控制板，具有顶部表面、底部表面、所述顶部表面上的多个第一导电触点和所述顶部表面中的开口中的第一金属嵌体；以及
发光器件封装，包括在封装衬底的顶部表面上的杂化器件、在所述封装衬底的底部表面上的多个导电触点和嵌入所述顶部表面中的第二金属嵌体，
发光封装的底部表面布置在所述控制板的顶部表面上，其中所述控制板的顶部表面上的第一导电触点电耦合到所述发光器件封装的底部表面上的第二导电触点。
12. 根据权利要求11所述的器件，其中所述封装衬底进一步包括：
多个金属连接器，电耦合在所述杂化器件的顶部表面和所述发光封装的顶部表面之间；以及
多个导电通孔，所述多个导电通孔中的每一个电耦合在所述多个金属连接器中的相应的一个和所述封装衬底的底部表面上的所述多个第二导电触点中的相应的一个之间。
13.根据权利要求12所述的器件，其中所述多个导电连接器是导线、带状导线和柔性电路中的一种。
14.根据权利要求12所述的器件，进一步包括覆盖所述多个导电连接器的遮光密封剂。
15.根据权利要求14所述的器件，其中所述遮光密封剂是具有碳填料的硅树脂或环氧树脂中的一种。
16.根据权利要求11所述的器件，其中所述杂化器件包括硅背板和所述硅背板上的单片阵列，所述单片阵列包括多个发光区段。
17.根据权利要求16所述的器件，其中所述硅背板包括多个驱动器，所述多个驱动器中的一个被电耦合以向所述多个发光区段中的一个或子集提供驱动电流。
18. 根据权利要求16所述的器件，其中所述多个发光区段包括至少20000个间隔为20µm或更小的发光区段。
19.根据权利要求11所述的器件，进一步包括在所述金属嵌体的顶部表面和所述杂化器件的底部表面之间的导热金属材料层。
20.根据权利要求11所述的器件，其中所述金属嵌体包括嵌入所述封装衬底中的铜材料的单一主体。
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