CN117501814A - 具有缺口的发光二极管(led)器件 - Google Patents

Abstract

本文描述了发光二极管(LED)器件。一种LED器件包括衬底。衬底具有顶表面和与顶表面相反的底表面。底表面具有跨衬底的至少一部分纵向延伸的至少一个缺口。LED器件还包括在衬底的顶表面之上的半导体表面贴装器件(SMD)。

Description

具有缺口的发光二极管(LED)器件

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年4月16日提交的美国临时专利申请第63/175864号的权益，其内容在此通过引用并入本文。

背景技术

发光二极管(简称LED)因卓越的技术特性(诸如能效和寿命)越来越多地取代了旧技术光源。这对于在例如亮度、发光度和/或光束成形方面要求高的应用(例如，对于车辆前灯照明)也可以是如此。

发明内容

本文描述了发光二极管(LED)器件。一种LED器件包括衬底。衬底具有顶表面和与顶表面相反的底表面。底表面具有跨衬底的至少一部分纵向延伸的至少一个缺口(indentation)。LED器件还包括在衬底的顶表面之上的半导体表面贴装器件(SMD)。

附图说明

可以从以下描述中获得更详细的理解，以下描述通过示例的方式结合所附附图给出，其中：

图1为半导体模块中受损焊料连接的示例显微切片的示意图；

图2a为示例LED照明器件的截面图；

图2b为图2a的示例LED照明器件的电路板的透视图；

图3a为以全透视图的LED照明器件的一个示例的示意图；

图3b为以剖面透视图的LED照明器件的一个示例的示意图；

图4为图3b的剖视图的平面视图；

图5为图3a的示例LED器件从衬底的底侧观察的透视图；

图6为LED器件的另一个示例从衬底的底侧观察的平面视图；

图7以透视图示出了LED器件的又一个示例；

图8为一个示例车辆头灯系统的示意图；以及

图9为另一示例车辆头灯系统的示意图。

具体实施方式

下文将参考所附附图更全面地描述不同光照明系统和/或发光二极管实施方式的示例。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相组合，以实现另外的实施方式。因此，将被理解，所附附图中所示的示例仅为了说明的目的而提供，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。

将被理解，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所限制。这些术语可以用于区分一个元件与另一个元件。例如，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，而不脱离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”可以包括一个或多个相关联列出项目的任何和所有组合。

将被理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在”或“延伸到”另一个元件上时，它可以直接在或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在”或“直接延伸到”另一个元件上时，可能没有中间元件的存在。还将被理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件和/或经由一个或多个中间元件连接或耦合到另一个元件。相比之下，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，在该元件和另一个元件之间没有中间元件的存在。将被理解，除了图中描绘的任何取向之外，这些术语旨在涵盖元件的不同取向。

诸如“下面”、“上面”、“上边”、“下边”、“水平”或“垂直”的相对术语在本文可以用于描述一个元件、层或区域与图中所图示的另一个元件、层或区域的关系。将被理解，除了图中描绘的取向之外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。

尽管LED具有能效，但LED(并且尤其是高功率LED)仍可以生成相当多的热量，这可能需要冷却，诸如通过将LED热耦合至散热器，以保持LED结温低。对于其他半导体器件(并且尤其是高功率器件)可能也是如此。

在高功率SMD(诸如安装在散热器上的LED)的组件中，由于不同的热膨胀系数(CTE)和/或温度梯度(仅列举几个原因)，可能积累相当大的热应力，从而损害组件的可靠性。例如，对于放置在金属散热器上(诸如例如在绝缘金属衬底印刷电路板(IMS PCB)上)的所谓的陶瓷上管芯(DoC)LED封装，DoC和IMS之间的焊接连接可能出现裂纹，并且甚至可能断裂。这可能是例如由IMS的陶瓷和金属芯的很大不同的CTE引起的。这种热应力积累不仅适用于DoC封装，而且适用于在其寿命期间遇到温度或温度梯度变化(列举一些原因)的所有种类的半导体模块。这可以包括例如所谓的板上芯片(“CoB”)、芯片级封装(“CSP”)或晶片级封装(“WLP”)制造技术，这些制造技术在LED工业中可以用于例如矩阵系统中，其中随着技术的进步，矩阵中LED的数量增加并且LED之间的间距减小。

由于接通和关断SMD模块，由SMD模块经历的温度变化可能发生。然而，温度变化也可能由于环境条件的变化而发生。例如，因为SMD和衬底之间的焊料连接在被焊接时没有应力，所以当SMD模块接通时，温度从室温升高使温度向焊接温度移动，从而实际上降低了焊料连接中的热应力。当然，热应力的任何变化都可能在SMD模块的材料内产生微移动。因此，接通SMD模块可能不是不至关重要的，并且在关断SMD模块后的温度降低可能更严重地增加热应力。在SMD模块暴露于寒冷环境的情形下，可能使SMD模块低于室温。由于这离焊接温度更远，因此这可能更加加剧热应力。

这在机动车应用中可能特别突出，在机动车应用中，必须保证汽车部件在远低于冰点的温度下可操作，并且汽车前灯的环境温度在发动机开启和关闭时可能相对快速地变化。附加地，在冬季汽车停在室外并且发动机关闭的情形下，相对迅速地降低温度可能特别成问题。为了保证汽车的可靠性，机动车工业已经对机动车用SMD模块设置了非常苛刻的要求。关于由变化的环境条件引起的热应力，机动车电子模块必须通过剧烈的热冲击(“TMSK”)测试，其将模块暴露于如由电子工业的各种标准化团体定义的各种热循环。JEDEC的JESD22-A104是这种标准的一个示例，它规定了温度从低至-65℃跨越到高达200℃的各种苛刻热循环。

图1为在热冲击测试中受损的半导体模块中受损焊料连接33的示例显微切片的示意图。如图1中的示例中所示，在陶瓷基板4和IMS PCB 10之间的焊料连接33已经出现了裂纹8。在所示的示例中，陶瓷基板包括陶瓷封装44和金属化43，并且IMS PCB10包括金属芯11、绝缘层12和金属化13。

图2a为示例LED照明器件的截面图。在图2a中所示的示例中，电路组件1包括安装在IMS PCB 10上的电路部件20。电路部件20的接触焊盘23经由焊料互连33焊接到IMS PCB10的导电迹线13。IMS PCB 10包括金属芯11和电介质层12。

图2b为图2a的示例LED照明器件的电路板的透视图。在图2b中所示的示例中，IMSPCB 10包括金属芯11、接触焊盘12和铜层130，导电迹线13可以从该铜层130蚀刻。

在两个附图中的示例中，并且如WO2020078752A1(其在此以其全部内容通过引用并入本文)中所述，一个或多个正圆柱形的盲孔110可以设置在焊料互连33下方的金属芯11中，并穿过金属芯11的底表面11B形成。盲孔110的纵轴在图2a中标为110a。这可以减轻一些可能以其他方式导致裂纹的应力。

虽然这种直立圆柱盲孔可以提供进步，但本文所述的实施例提供了进一步的改进，其通过预见半导体模块的衬底的底表面中的纵向缺口，可以允许这种器件通过甚至最难的TMSK测试，该底表面与其上安装半导体模块的SMD的衬底的安装表面相反。缺口的纵向形状可以增加衬底的柔性，从而以有利于半导体模块的维护和可靠性的方式影响SMD到衬底的安装连接中的热应力的大小和分布。特别地，在典型的设置中，应力可能减小和/或更均匀地分布，并且可以避免焊料互连中的有害裂纹。

图3a为以全透视图的LED照明器件的一个示例的示意图。图3b是以沿着图3a中的线A-A截取的剖面透视图的LED照明器件的一个示例的示意图。在图3a和图3b中所示的示例中，纵向缺口形成为散热器10的底表面中的凹槽6。散热器10的底表面(未标记)可以与安装表面(未标记)相反，LED 2可以例如经由基板4结合到该安装表面上。凹槽可以被实现为两对平行的矩形凹槽，它们在四个LED 2的布置下方以直角彼此交叉。每个凹槽6可以在连接两个相邻LED 2的中点的线下方横过。这可以在图4中更好地看到。

图4为图3b的剖视图的平面视图。图4的截面图示出了具有深度d和宽度w的凹槽的矩形轮廓，并且示出了一对中的两个平行凹槽，其中它们的中线分开距离s。由于截面是沿着图3(a)的线A-A(其切穿凹槽6之一)选择的，因此在图4的平面视图中可看到这个凹槽6在半导体模块的整个延伸(extension)之上从左向右延伸。这些实体的合适尺寸可以是：宽度w在0.1mm和3mm之间，深度d在衬底/散热器10的厚度t的25％和95％之间，并且距离s在0.1mm和4mm之间，其中凹槽距离s可以相对于SMD(这里是LED布置)的大小具体选择。具体值可以是：1mm的宽度w；衬底厚度的80％的深度d，其通常达到例如对于具有铝芯的IMS为1mm并且对于具有铜芯的IMS为0.8mm；以及1.625mm的距离s。

图5为图3a的示例LED器件从衬底的底侧观察的透视图。在图5中所示的示例中，凹槽6被示出为两对交叉的凹槽6，每对交叉的凹槽都在散热器10的整个延伸之上延伸。两对交叉的凹槽6可以被认为在点9处或附近交叉。结果可以是具有矩形轮廓的一个或多个凹槽，其可以容易地制造，例如通过插入散热器10并相对于散热器10移动的切割工具。矩形凹槽轮廓(并且特别是凹槽壁与凹槽底部的直角)可以是切割工具的自然结果，但是也可以提供散热器10的特别高的柔性，以减轻对LED开关和对环境温度变化的热应力。形成成对的平行凹槽可以进一步增加这种柔性，例如通过允许散热器10可以围绕其变形的相邻变形轴来缓解热应力的积累。对于片状散热器10，使用交叉的平行凹槽对可以允许围绕片平面的两个笛卡尔轴的变形。在点9处交叉成对的平行凹槽可以在焊料连接附近产生最大的柔性，从而直接减轻焊料互连中的应力积累，点9可以在LED 2的布置的中点正下方。然而，在特定LED 2的正下方放置单个凹槽或纵向缺口可以为LED焊料连接中的热应力积累提供足够的缓解。

虽然单个凹槽可以置于LED正下方(诸如LED的焊料连接的中线正下方)，但是替代地，一对平行凹槽也可以置于LED下方中央。例如，平行凹槽之间中的中线可以放置在LED的焊料连接的中线正下方。对于成直线布置的几个LED，平行凹槽可以以同样的方式处于这种直线布置的中线下方中央。对于两个平行的LED行(LED的2×n矩阵)，可以选择三个平行的凹槽，其中LED行处于三个凹槽的外部对的中间(左LED行在左凹槽和中间凹槽的中间，并且右LED行在中间凹槽和右凹槽的中间)。在一些配置中，将LED定位在凹槽之间中的这种凹槽布置可以进一步缓解LED焊料连接中的热应力。

本领域普通技术人员将理解，图3-图5的实施例中的细节对于本公开不是强制性的。例如，凹槽轮廓不需要是矩形的，但是例如代替尖锐的直角，凹槽壁和底部之间的边缘可以是圆形的，这可能甚至更容易由切割工具制造。此外，凹槽可能不需要在散热器10的整个底表面之上延伸，因为关于焊料连接断裂的最关键区域可能只是LED 2正下方或焊料连接正下方的一小块区域。此外，缺口的形状不需要是直的通道，而是可以采取任何形式，只要该形状保持纵向即可(例如，其中纵向尺寸上的缺口延伸远大于横向尺寸上的缺口延伸)。也可以使用弯曲形状(如弧形或椭圆形)。这种缺口可以通过铣削预制作的散热器、进行一系列连接的钻孔、或者通过冲压或使用模制工艺来制造，以用合适的模具制造散热器或IMS的金属芯。

图6示出了所公开的半导体模块的另一实施例，如从衬底/散热器10的底侧观察的平面视图中看到的。类似于在图3-图5中，散热器底表面中的两对平行凹槽6在点9处以直角交叉，该点9在安装在散热器10的与底表面相反的安装表面上的LED 2的布置的中点正下方(LED 2在图6的视图中不可见)。然而，与在图3-图5中不同，交叉的成对凹槽6不在散热器10的整个底表面之上延伸，而是终止于由另外的(邻接的)凹槽6形成的宽度为b并且长度为l的矩形60的边上，并且以点9为中心，因此在LED布置的中点下方。这也可以描述为凹槽6的矩形60构成交叉的成对平行凹槽6的框架。框架尺寸可以是LED 2的布置的宽度的1.1倍和5倍之间的宽度b，以及LED 2的布置的长度的1.1倍和5倍之间的长度l，其中对于适用于2×2LED的布置的典型大小，具体值为b＝l＝20mm。

在这种框架结构中布置凹槽可能具有几个优点。例如，铣削或激光烧蚀工具可以被布置成制造这种框架配置，而与所使用的具体衬底的尺寸(特别是大小和形状)无关。框架矩形和位于内部的凹槽的尺寸可以根据放置在框架上方的安装侧上的SMD的尺寸和/或SMD的焊料互连的位置和大小来选择。在此基础上，不仅可以选择框架和框架内凹槽的形状和大小，而且可以选择内部凹槽的数量和布置图案。特别地，对于一些配置，仅预见框架本身可能就足够了，即框架内部没有任何凹槽。

使用框架可能产生足够的应力缓解，而与半导体模块的另外的细节(如衬底上的另外的电气部件和衬底的尺寸)无关。这对于使用独立于各种形式的半导体模块的特定细节的标准化工具和工艺来大规模制造衬底可能特别有用。

图7以透视图示出了所公开的半导体模块(这里以LED模块的形式)的又一个实施例。两个LED 2经由例如陶瓷基板4安装到金属散热器10的安装表面。在电气上，LED 2经由带状结合53连接到PCB 52，该PCB 52承载电连接器58，用于为LED 2供电的外部电连接。散热器10承载对准销54，该对准销54被固定到散热器10的机械接口55接触并且与光学部件(这里是反射器56)是一体的，该光学部件具有在LED模块的操作中接收来自LED 2的光的反射表面57。该模块可以容易地插入到对应的灯具中，以与另外的部件(例如车辆前灯)一起构成。

虽然前述内容已经集中于经由(例如由陶瓷制成的)基板放置在IMS PCB或金属散热器上的LED布置，但是本公开适用于一般的半导体模块，例如，利用高功率转换器和功率电阻器作为SMD，或将SMD直接结合到PCB而无需基板。特别是，使用CSP、CoB和WLP技术制造的LED模块(如例如矩阵灯)在这里明确提出。本公开可以为所有这些配置产生益处。同样，代替由金属制成的散热器，其他材料(如高导热塑料)也可以受益于本公开。

图8为一个示例车辆头灯系统800的示意图，该示例车辆头灯系统800可以结合本文所描述的实施例和示例中的一个或多个。图8中所示的示例车辆头灯系统800包括电力线802、数据总线804、输入滤波器和保护模块806、总线收发器808、传感器模块810、LED直流到直流(DC/DC)模块812、逻辑低压差(LDO)模块814、微控制器816、和主动式头灯818。

电力线802可以具有从车辆接收电力的输入，并且数据总线804可以具有输入/输出，通过该输入/输出可以在车辆和车辆头灯系统800之间交换数据。例如，车辆头灯系统800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，并且如果合期望，则可以向车辆中的其他位置发送反馈。传感器模块810可以通信地耦合到数据总线804，并且可以向车辆头灯系统800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、或周围环境光水平)、车辆状态(例如，已停放、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/定位有关。与通信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800中。在图8中，头灯控制器可以是微控制器，诸如微控制器(μc)816。微控制器816可以通信地耦合到数据总线804。

输入滤波器和保护模块806可以电耦合到电力线802，并且例如可以支持各种滤波器，以减少传导的发射并提供电力抗扰度(power immunity)。附加地，输入滤波器和保护模块806可以提供静电放电(ESD)保护、负载转储保护、交流发电机磁场衰减保护、和/或反极性保护。

LED DC/DC模块812可以在输入滤波器和保护模块806与主动式头灯818之间耦合，以接收滤波后的功率并提供驱动电流，从而为主动式头灯818中的LED阵列中的LED供电。LED DC/DC模块812可以具有在7伏和18伏之间的输入电压，其标称电压大约为13.2伏，并且输出电压可以略高(例如，0.3伏)于LED阵列的最大电压(例如，如由因素或局部校准以及由于负载、温度或其他因素引起的操作条件调整来确定)。

逻辑LDO模块814可以耦合至输入滤波器和保护模块806，以接收滤波后的功率。逻辑LDO模块814也可以耦合到微控制器816和主动式头灯818，以向微控制器816和/或主动式头灯818中的电子器件(诸如CMOS逻辑)提供电力。

总线收发器808可以例如具有通用异步收发器(UART)或串行外设接口(SPI)接口，并可以耦合到微控制器816。微控制器816可以基于或包括来自传感器模块810的数据来转换车辆输入。转换后的车辆输入可以包括可传输到主动式头灯818中的图像缓冲器的视频信号。此外，微控制器816可以在启动期间加载默认图像帧并测试开路/短路像素。在实施例中，SPI接口可以加载CMOS中的图像缓冲器。图像帧可以是全帧、差分或部分帧。微控制器816的其他特征可以包括CMOS状态的控制接口监控，包括管芯温度以及逻辑LDO输出。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，还可以控制其他头灯功能，诸如与侧标志灯或转向信号灯结合互补使用，和/或日间行车灯的激活。

图9为另一示例车辆头灯系统900的示意图。图9中示出的示例车辆头灯系统900包括应用平台902、两个LED照明系统906和908、以及次级光学器件910和912。

LED照明系统908可以发射光束914(图9中箭头914a和914b之间所示)。LED照明系统906可以发射光束916(图9中箭头916a和916b之间所示)。在图9中所示的实施例中，次级光学器件910邻近LED照明系统908，并且从LED照明系统908发射的光穿过次级光学器件910。类似地，次级光学器件912邻近LED照明系统906，并且从LED照明系统906发射的光穿过次级光学器件912。在替代实施例中，在车辆头灯系统中没有提供次级光学器件910/912。

在被包括的场合，次级光学器件910/912可以是或包括一个或多个光导。一个或多个光导可以是边缘照亮式的，或者可以具有限定光导内部边缘的内部开口。LED照明系统908和906可以插入一个或多个光导的内部开口中，使得它们将光注入一个或多个光导的内部边缘(内部开口光导)或外部边缘(边缘照亮式光导)。在实施例中，一个或多个光导可以以期望的方式——诸如例如，具有梯度、倒角分布、窄分布、宽分布、或角分布——对由LED照明系统908和906发射的光进行整形。

应用平台902可以经由线路904向LED照明系统906和/或908提供电力和/或数据，该线路904可以包括图8的电力线802和数据总线804中的一条或多条或一部分。一个或多个传感器(其可以是车辆头灯系统900中的传感器或其他附加传感器)可以在应用平台902的壳体内部或外部。替代地或另外，如图8的示例车辆头灯系统800中所示，每个LED照明系统908和906可以包括其自己的传感器模块、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900可以代表具有可操纵光束的机动车，其中可以选择性激活LED以提供可操纵光。例如，LED或发射器的阵列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906和908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，道路或行人交叉路口)的传感器(例如，类似于图8的传感器模块810中的传感器)。

已经详细描述了实施例，本领域技术人员将领会，给定本描述，可以对本文描述的实施例进行修改而不脱离本发明构思的精神。因此，意图是本发明的范围不限于图示的和描述的具体实施例。

Claims (18)

1.一种发光二极管(LED)器件，包括：

衬底，其包括顶表面和与所述顶表面相反的底表面，所述衬底的底表面包括跨所述衬底的至少一部分纵向延伸的至少一个缺口；和

在所述衬底的顶表面之上的半导体表面贴装器件(SMD)。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个缺口跨所述衬底的整个长度纵向延伸。

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个缺口至少在所述SMD下面延伸。

4.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个缺口是凹槽。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述至少一个缺口是一对两个分开的平行凹槽。

6.根据权利要求5所述的器件，其中所述两个分开的平行凹槽中的每一个都在所述SMD下方通过。

7.根据权利要求6所述的器件，其中所述衬底的底表面还包括至少一个其它缺口，所述至少一个其它缺口在垂直于所述两个分开的平行凹槽的方向上跨所述衬底的至少一部分纵向延伸。

8.根据权利要求7所述的器件，其中所述两个分开的平行凹槽和所述至少一个其它缺口在所述SMD下方交叉。

9.根据权利要求8所述的器件，其中所述两个分开的平行凹槽和所述至少一个其它缺口以直角在所述SMD下方交叉。

10.根据权利要求4所述的器件，其中所述凹槽的宽度在0.1mm和3mm之间，并且深度在所述衬底的厚度的25％和95％之间。

11.根据权利要求5所述的器件，其中所述两个分开的平行凹槽中的每一个的中心线分开的距离在0.1mm和4mm之间。

12.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个缺口包括至少一个凹槽，所述至少一个凹槽形成所述SMD下方居中的矩形。

13.根据权利要求10所述的器件，其中：

矩形的宽度在所述SMD的宽度的1.1倍和5倍之间，以及

矩形的长度在所述SMD的长度的1.1倍和5倍之间。

14.根据权利要求10所述的器件，其中：

所述至少一个缺口包括两对分开的平行凹槽，这两对分开的平行凹槽彼此垂直延伸并在所述SMD下方交叉，从而形成所述SMD下方居中的矩形。

15.根据权利要求1所述的器件，其中：

所述SMD包括在陶瓷基板上的一个或多个LED管芯，以及

所述衬底包括绝缘金属衬底或金属散热器中的至少一种。

16.一种LED模块，包括

衬底，其包括顶表面和与所述顶表面相反的底表面，所述衬底的底表面包括跨所述衬底的至少一部分纵向延伸的至少一个缺口；

在所述衬底的顶表面之上的半导体表面贴装器件(SMD)；和

电连接器，其被配置为向一个或多个LED管芯供电。

17.根据权利要求16所述的LED模块，还包括光学部件，所述光学部件被定位成在操作中接收从所述一个或多个LED管芯发射的光。

18.一种车辆前灯，包括：

灯具；以及

安装到所述灯具的发光二极管(LED)器件，所述LED器件包括：

衬底，其包括顶表面和与所述顶表面相反的底表面，所述衬底的底表面包括跨所述衬底的至少一部分纵向延伸的至少一个缺口，和

在所述衬底的顶表面之上的半导体表面贴装器件(SMD)。