CN1211859C - Led装置 - Google Patents

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Abstract

具有至少一个LED芯片(2)的LED装置(1)，在该装置上，在发光体(5)的发光表面上装置一个正面触点金属喷涂(8)，在该发光体(5)的与发光表面相对的面上装置一个背面触点金属喷涂(6)，在第一线路板支架(15)和第二线路板支架(31)之间装置LED芯片(2)，对此，第一线路板支架(15)是透光的，并且具有至少一个第一导电体(16)，该导电体接通正面触点金属喷涂(8)，第二线路板支架(31)具有至少一个第二导电体(13)，该导电体接通背面触点金属喷涂(6)。适合本发明的LED装置(1)有这个特别的优点以及其它优点，与传统LED装置中的芯片尺寸相比，缩小了该LED芯片的尺寸，并且因此可以提高亮点密度。

Description

LED装置
本发明涉及一个LED装置，其具有至少一个LED芯片，其中在发光体的发光表面上装置正面触点金属喷涂，在与发光体的与发光表面相对的面上装置背面触点金属喷涂。
如此的LED装置例如公开于电子工业(electronic industrie)1-1991，由Cuno，H.H.；Heider，A.所著的LED显示，一个多面显示单元。对此说明了LED部分，其中一个具有正面触点金属喷涂和背面触点金属喷涂的LED芯片以他的背面固定在一个第一电子连接部件上。正面触点金属喷涂配备接触导线，其使正面触点金属喷涂与一个第二电子连接部件接通。
此外公开了开始已提到的LED装置，其中多个LED芯片按照预先规定的光栅以其背面触点金属喷涂固定在扁坯的线路板上，其使背面触点金属喷涂按行或者按列互相电连接。正面触点金属喷涂形成为结合垫(Bondpads)，并借助焊接导线按列或者按行互相电连接。为了预防机械损害，在LED芯片的上方大部分装置了透明的塑料板，其与扁坯一起安装在塑料外壳内。
在所谓智能LED显示装置上，其例如在商业上标记为“智能显示”并且现在按照上面已说明的原理构造，行和列连接到电子控制电路上，该控制电路是如此给LED芯片提供电流或者电流脉冲的(脉冲编码调制)，即按预先规定的图案发光。该控制电路例如可以安装在扁坯的背面或者也可以安装在外部。例如为了电话号码显示和工作状态显示把这样的智能LED芯片装配在移动电话中，因为他是自发光的，因此不需要象例如在LED显示上所必需的附加照明。
上面说明的已公开的LED装置是借助于传统的焊接技术和线路焊接技术产生的。正面触点金属喷涂形成为结合垫，并且因此盖住LED芯片的发光表面的一部分。对此发光表面同结合垫表面的比例没有变得太小，因此LED芯片的光输出也没有变得太小，在现今存在的传统焊接技术的情况下，在平面图中LED芯片的截面不允许低于0.2×0.2mm2。
这个LED装置的费用、重量和尺寸主要取决于LED芯片的大小。同样，亮点密度(每面积单位的发光二极管的数目)主要取决于单个LED芯片的大小和他们彼此间的距离，并且因此上面已说明的LED显示的图象质量也主要取决于单个LED芯片的大小和他们彼此的距离。因此LED芯片的物理尺寸的减小是特别值得追求的。
为了不同时降低LED芯片的光输出，芯片表面缩减到例如0.15×0.15mm2将需要结合垫表面的明显的减小。可是在使用传统的焊接技术的情况下，这将导致很大的技术问题。
所以本发明基于这个任务，产生一个LED装置，在其上面缩小了LED芯片的大小。同时这个LED装置应当具有较小的物理尺寸和较小的重量，可以低成本地生产，并且保留高的机械稳定性和热稳定性。
通过具有权利要求1的特征的LED装置解决了该任务。适合本发明的有益的改进是从属权利要求的目标。
根据本发明预先规定，LED芯片装置在第一和第二线路板支架之间，该第一线路板是透光的，并且具有至少一个接通正面触点金属喷涂的第一导电体，该第二线路板具有一个接通背面触点金属喷涂的导电体。
根据本发明的装置不仅可以在具有多个LED芯片的装置上使用，而且可以在具有单个LED芯片的装置上使用。
由于在适合本发明的装置上，LED芯片的正面触点金属喷涂不须要配备焊接导线，首先有利地形成了比到目前为止明显小的正面触点金属喷涂，其次一个为生产而使用的导线联接器的定位公差对于LED芯片的大小、特别是在第一线路板支架上可以定位的LED芯片和第一导电体的准确度来说不再是十分重要的参数。此外与传统的焊接导线的线径相比，第一导电体的截面也明显地减小。由于这个原因对于适合本发明的LED装置来说减小LED芯片的尺寸是可能的，并且因此提高了LED显示的亮点密度。此外在适合本发明的LED装置上，与传统使用的LED芯片相比改善了LED芯片的光输出。
适合本发明的LED装置有以下优点，可以使用例如具有0.15×0.15mm2、0.12×0.12mm2或者更小尺寸的LED芯片。因此可以有利地明显降低了LED装置的材料费用和其重量。再者与传统的LED装置相比可以有利地降低了适合本发明的LED装置的电流消耗，因为大部分的LED芯片光输出与电流密度超比例地增长。
在本发明的优选改进中可以预先规定，每个LED芯片的正面触点金属喷涂具有多个互相以一定距离装置的触点金属喷涂带。因此进一步减小由正面触点金属喷涂所覆盖的芯片上表面(发光表面)是可能的，因此提高了LED芯片的光输出。
此外如果触点金属喷涂带和分配给LED芯片第一导电体相交叉，这是有益的。因此能够提高LED芯片、第一导电体和第一线路板支架的允许的定位公差。
在本发明的进一步改进中，可以预先规定，每个第一导电体具有多个在第一线路板支架上互相以一定距离镀的线路板金属喷涂带。因此再次有利地缩小了在第一线路板支架上金属喷涂所覆盖的区域。
为了改善在线路板金属喷涂带和正面触点金属喷涂之间的金属喷涂可靠性，在本发明的优选改进中，在接触区域内为了正面触点金属喷涂，线路板金属喷涂带例如以横隔板的形式表明加宽。
为了尽可能防止在LED装置的内部的反射损耗，可以有利地用光耦合介质填满在LED芯片的发光表面和第一线路板支架之间的自由间隙，或者填满在第一和第二线路板支架之间的全部自由间隙，避免在LED装置中的内反射。
在本发明的一个特别优选的改进上，在第一和第二线路板支架之间装置了多个LED芯片。在第一线路板支架上预先规定多个第一导电体，其中每一个都接通至少一个LED芯片的正面触点金属喷涂。同样在第二线路板支架上预先规定多个第二导电体，其中每一个都接通至少一个LED芯片的背面触点金属喷涂。
适合本发明的LED装置的最后提到的结构形式的有益改进在于，在第二线路板支架上装置LED芯片，该线路板支架包括多个在截面例如矩形支架梁中隔开的已装备的第二导电体例如金属喷涂。每一个支架梁涉及一组LED芯片。通过使用这些互相分离的支架梁，在安装具有不同热膨胀系数的材料的情况下，对于第一和第二线路板支架来说可以获得在指示装置内部的机械应力的降低。理想方式是在分开的支架梁上镀或者形成每个第二导电体。因为在LED装置中安装的材料的不同热膨胀系数在温度变化的情况下众所周知地可能引起LED装置中的机械应力，这例如可能导致LED芯片的损害。
一个唯一的单项电绝缘板代替支架梁可以作为第二线路板支架使用，在该绝缘体上镀或者形成第二导电体。
为了禁止上述的机械应力成为可能，在适合本发明的装置的另一优选实施例中，由具有相似的热膨胀系数的材料产生第一和第二线路板支架。
本发明的另外的有益改进在于，第二导电体或者在背面触点金属喷涂和第二导电体之间的粘结剂是可塑或者是灵活可变形地形成。通过可以相应地压紧第二导电体或者在背面触点金属喷涂和第二导电体之间的粘结剂，因此弥补了芯片尺寸的公差和/或第一和/或第二导电体的不平度。
为了完成相同的目的，可以设想二个线路板支架之一或二个线路板支架以有利的方式形成为可伸缩的薄膜(例如由塑料形成)，该薄膜配备有线路板。
理所当然能够使全部的专业人员在本发明范围内对上述改进进行合理组合。
在这种情况下为了完整性还将提及，一般情况下LED芯片的正面和背面认为是芯片的观察面或者安装面。
结合图1至7，从下面的三个实施例的说明中得出本发明的其它优点、特征和实用性。图示：
图1本发明的第一实施例侧面图的示意图说明，
图2a本发明的第二实施例平面图的示意图说明，
图2b穿过第二实施例沿着在图2a中所画的线A-A的截面的示意图说明，
图2c穿过第二实施例沿着在图2a中所画的线B-B的截面的示意图说明，
图3a一个在第二实施例中使用的LED芯片的示意图说明，
图3b一个在第二实施例中使用的LED芯片的平面图的示意图说明，
图4适合本发明的LED装置的第三实施例的示意剖面图，
图5一个适合本发明的LED装置的示意剖面图，在该装置上，在LED芯片和第一线路板支架之间装置一个光耦合介质，
图6一个适合本发明的LED装置的示意剖面图，在该装置上，在第一和第二线路板支架之间填满先耦合介质，
图7一个适合本发明的LED装置的示意剖面图，在该装置上，第二线路板支架具有导电路径。
在图1的LED装置1上，LED芯片2具有一个作为发光体的半导体物质5、一个在半导体物质5的发光表面上镀的正面触点金属喷涂8和一个在半导体物质5的与发光表面相对的面镀的背面触点金属喷涂6。半导体物质5例如包括由III/V层半导体材料或者由其它适合于生产LED芯片的材料组合形成的一个传统的发光层序列(对此和对用于正面触点金属喷涂8与背面触点金属喷涂6的材料，参见具有附属说明部分的图2a和图2b)。
在一个LED芯片2的发光表面的下面一般可以理解为半导体物质5的这样一个侧面，通过他大部分的光从半导体物质5射出。
在LED芯片2的正面的上方装置一个具有第一导电体16的透光的第一线路板支架15。第一线路板支架15例如是一个由玻璃、塑料、半导体材料(例如λ＞400nm的SiC、λ＞550nm的GaP、λ＞900nm的GaAs等)或者一个其它适合的透光材料制造的平板，作为第一导电体例如使用一个由金、铝、铝合金或者其它适合的导电材料形成的、借助蒸发或喷溅镀的涂层。
第一导电体16例如借助于金属焊剂(例如PbSn焊剂)或者借助于导电粘接物质和正面触点金属喷涂8连接。为了焊接例如可以使用激光焊接方法，在本方法中激光束穿过第一线路板支架15到达焊点。
在LED芯片2的背面存在一个第二线路板支架31，其例如包括玻璃、玻璃陶瓷、塑料、半导体材料或者金属。对于第二线路板支架31来说，在使用绝缘材料的情况下，在第二线路板支架上以由金、铝和/或其它适合的导电材料组成的涂层的形式形成第二导电体13。在由半导体材料形成第二线路板支架31的情况下，第二导电体13可能形成为高掺杂区域。第二导电体13或者第二线路板支架31例如借助于由金属焊剂、粘接物质形成的粘结剂14与背面触点金属喷涂6电连接。
为了可以弥补不同LED芯片的尺寸公差和/或线路板支架15、31的不平度，粘结剂14、第二导电体13、对于线路板支架和/或第二线路板支架31可以可塑或者灵活可变形地形成。此外线路板支架15、31例如可以由可伸缩的塑料薄膜材料制造。
在这个在图2a至图2c中说明的适合本发明的LED装置1的第二实施例上，按行3和列4装置LED芯片2。LED芯片各自具有一个半导体物质5、一个背面触点金属喷涂6和一个包括金属喷涂带7的正面触点金属喷涂8。
半导体物质5-参见图3a和图3b-例如由一个n型导电的GaP衬底9、一个在该衬底上方装置的n型导电GaAsP涂层10和一个在GaAsP涂层10的上方装置的p型导电GaAsP涂层11构成。可是它也可以具有全部的适合于发光二极管生产的材料组合或者层序列。例如由GaxSlx-1As(0≤x≤1)，(GaxAlx-1In)P，GaxInx-1AsyP1-y(0≤x≤1；0≤y≤1)，GaxAlx-1N(0≤x≤1)，GaxInx-1N(0≤x≤1)，Znse和/或SiC形成的发光二极管已公开。
例如借助于蒸发或者喷溅产生触点金属喷涂带7。在第二实施例中这涉及p型金属喷涂，例如其总是由一个在p型导电GaAsP涂层11上面镀的Ti涂层23、一个在Ti涂层23上方装置的Pt涂层24和一个在Pt涂层24上方装置的AuSn涂层25构成。金属的种类和正面触点金属喷涂8的层序列自然取决与所使用的半导体物质的各自的材料组合。理所当然专业人员可以使用各种半导体材料作为适合的已知金属喷涂。
背面触点金属喷涂6例如同样具有包括一个AuGe涂层26(99∶1)、一个Ni涂层27和一个Au涂层28的三层结构。这里使用金属的种类特取决与半导体物质5的材料组合。
在LED芯片的2下面存在多个支架梁12，在其正面例如总是以金属喷涂层32的形式镀上第二导电体13。借助于导电的粘结剂14，例如金属焊剂或者导电的粘接物质，每一个LED芯片与所属的第二导电体13连接。如此装置支架梁12，各支架梁12的第二导电体13把属于行3的各LED芯片2的背面触点金属喷涂6互相电连接。
支架梁12例如可以由塑料、玻璃陶瓷、玻璃、半导体材料、环氧树脂、酚醛塑料胶纸板或者由其它适合的材料制造。第二导电体13例如包括铜、铝、铝合金或者包括其它适合的金属材料，并且例如借助与蒸发或喷溅镀在支架梁上。同样可以设想，对于支架梁来说在其上面使用导电的材料，比如象铜或者例如象硅的半导体材料。假如导电的支架梁12不需要金属喷涂层32，并且假如半导体材料可以代替金属喷涂层32形成支架梁12，支架梁12的正面是高参杂的，并且因此具有足够的电传导能力。
在LED芯片2的上面存在一个透光的线路板支架15，其例如包括玻璃、塑料、半导体材料或者包括其它适合的材料。线路板支架15具有多个互相并行分布线路板，其中每一个线路板再次包括三个互相并行分布线路板金属喷涂带17，并且构成第一导电体16。如此装置线路板，属于列的LED芯片2的正面触点金属喷涂8彼此电连接。
线路板金属喷涂带17例如再次包括铜、铝、铝合金或者包括其它适合的材料，并且例如借助于蒸发或者喷溅镀在线路板支架上。线路板金属喷涂带17的数目是任意的，并且不局限于三个。假如线路板支架15由半导体材料例如象硅构成，第一导电体16在线路板支架15中可以形成为高掺杂带。
在每一列下面的结尾处，在线路板支架15和阳极接线板20之间总是存在一个所谓的跳线(Jumper)芯片18，例如硅芯片，其使第一导电体16与一个存在于阳极接线板20上的阳极接线金属喷涂19电连接。因此包括行3和列4的LED阵列的全部接口装置在一个平面内，这对另外的生产过程比如在电子控制电路上的接口产生有益的作用。
为了完整起见，每个正面触点金属喷涂8的触点金属喷涂带7的数目和每个第一导电体16的线路板金属喷涂带的数目是任意的，并且不局限于三个。
在图4这说明的适合本发明的LED装置的第三实施例与第一实施例的主要不同仅仅在于，使用一个唯一的电绝缘板21来代替支架梁12。在该电绝缘板21上，其例如包括玻璃、玻璃陶瓷、半导体材料，包括塑料(例如热塑性塑料)或者包括其它适合的材料，镀上—例如借助于蒸发或者喷溅产生的金属喷涂层—第二导电体13，其根据第二实施例使属于行的各LED芯片的背面触点金属喷涂6互相电连接。同样在该板21上镀上阳极接线金属喷涂19，其通过跳线芯片18与第一导电体电连接。按照根据图3的第三实施例的LED装置的剩余组成部分与按照根据图2的第二实施例的组成部分相符，并且设有相同的参考标记。
如果由半导体材料比如硅形成的板21可以代替金属喷涂层和/或阳极接线金属喷涂19，在板21中将形成高掺杂区域，其构成第二导电体13或者阳极接线。
在第三实施例上，重要的意义是对于板21和对于第一线路板支架15来说尽可能使用具有相似的热膨胀系数的材料。板21和线路板支架15的很不同的热膨胀在温度变化的情况下自然将导致LED装置中的显著的机械应力，显然该应力可能削弱LED装置的功能特性和防老化能力。
为了可以提高LED装置1的光输出耦合，正如在图5和图6这所指出的，在每一个LED芯片2的发光表面和线路板支架15之间装置一个耦合介质22，或者用耦合介质22填满在支架梁12/板21和线路板支架之间空隙。
可以考虑LED芯片不是按行3和列4装置，而是装置为对角的、环状的或者以其它的方式方法装置，并且划分成第一和第二组，互相错接。
在使用板21作为第二导电体13的第二线路板支架31的情况下，在板21的背面上装置LED装置1的电子控制电路29(图4)。
另外可以考虑，背面触点金属喷涂6和/或第二导电体13借助于导电路径(Vias)30(参见图7)穿过板21与电子控制电路29连接。
另外板21能够形成为称为多层覆金属板的扁坯，因此可能减小了板21的线路板装置所必需的平面。
为了在第二或第三实施例中弥补LED芯片尺寸的公差和/或第一和/或第二线路板支架15或者31的不平度，可以以有益的方式可塑或灵活可变形地形成第一线路板支架15、第二线路板支架、第一导电体16、第二导电体13和/或粘结剂14，因此可以弥补公差，并且保证第一导电体16与正面触点金属喷涂8之间和第二导电体13与背面触点金属喷涂6之间的可靠连接。因此第一线路板支架15和/或第二线路板支架31例如形成具有导电结构、主要包括塑料的薄膜。
显然适合本发明的LED装置不仅仅局限与使用半导体LED芯片，而且同样例如可以在使用聚合(Polymer)LED芯片的情况下利用该装置。
参考标记表
1.LED装置
2.LED芯片
3.指示器
4.列
5.半导体物质
6.背面触点金属喷涂
7.触点金属喷涂带
8.正面触点金属喷涂
9.n型导电GaP衬底
10.n型导电GaAsP涂层
11.p型导电GaAsP涂层
12.支架梁
13.第二导电体
14.粘结剂
15.第一线路板支架
16.第一导电体
17.线路板金属喷涂带
18.跳线芯片
19.阳极接线金属喷涂
20.阳极接线板
21.板
22.耦合介质
23.Ti涂层
24.Pt涂层
25.AuSn涂层
26.AuGe涂层
27.Ni涂层
28.Au涂层
29.控制电路
30.路径(Via)
31.第二线路板支架
32.金属喷涂层

Claims (16)

1.具有至少一个LED芯片(2)的LED装置(1)，在该装置上，
-在发光体(5)的发光表面上设置一个正面触点金属喷涂(8)，在该发光体(5)的与发光表面相对的面上布置一个背面触点金属喷涂(6)，
-在第一线路板支架(15)和第二线路板支架(31)之间布置LED芯片(2)，
-第一线路板支架(15)是透光的，并且具有至少一个第一导电体(16)，该导电体接触正面触点金属喷涂(8)，
-第二线路板支架(31)具有至少一个第二导电体(13)，该导电体接触背面触点金属喷涂(6)，
其特征在于，
正面触点金属喷涂(8)具有多个互相以一定的距离设置的触点金属喷涂带(7)。
2.按照权利要求1的LED装置(1)，其特征在于，第一导电体(16)具有多个以一定的距离设在第一线路板支架(15)上或者形成的线路板(17)。
3.具有至少一个LED(2)芯片的LED装置(1)，其中；
-在发光体(5)的发光表面布置有正面触点金属喷涂(8)，以及在与发光体(5)的发光表面相对的一面上布置有背面触点金属喷涂(6)；
-在第一线路板支架(15)和第二线路板支架(31)之间布置有LED芯片(2)；
-第一线路板支架(15)是透光的，并且具有至少一个与正面触点金属喷涂(8)接触的第一电导体(16)，
-第二线路板支架(31)至少具备有一个与背面金属喷涂(6)接触的第二导电体(13)，
其特征在于，
第一导电体(16)具有在第一线路板支架(15)上相互之间以一段距离设置或形成的多个线路板(17)。
4.按照权利要求2的LED装置(1)，其特征在于，正面触点金属喷涂(8)的触点金属喷涂带(7)总是与附属于正面触点金属喷涂(8)的第一导电体(16)的线路板(17)相交叉。
5.按照权利要求1至4之一的LED装置，其特征在于，用光耦合介质(22)填满在LED芯片(2)的发光表面和第一线路板支架(15)之间的自由间隙。
6.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，
a)在第一线路板支架(15)和第二线路板支架(31)之间装置多个LED芯片(2)，
b)在第一线路板支架(15)上含有多个第一导电体(16)，其中的每一个接触至少一个LED芯片(2)的正面触点金属喷涂(8)，和
c)在第二线路板支架(31)上含有多个第二导电体(13)，其中的每一个接触至少一个LED芯片(2)的背面触点金属喷涂(8)。
7.按照权利要求6的LED装置(1)，其特征在于，以行(3)和列(4)设置LED芯片(2)，每一列(4)的LED芯片(2)的正面触点金属喷涂(8)总是借助于一个第一导电体(16)互相电连接，每一行(3)的LED芯片(2)的背面触点金属喷涂(6)总是借助于第二导电体(13)互相电连接。
8.按照权利要求6的LED装置(1)，其特征在于，第二线路板支架(31)具有多个互相具有一定间距的、并排装置的支架梁(12)，在该支架梁上设置作为第二导电体(13)的金属喷涂层(32)，或者该层至少部分包括导电材料。
9.按照权利要求7的LED装置(1)，其特征在于，第二线路板支架(31)具有多个互相具有一定间距的、并排装置的支架梁(12)，在该支架梁上设置作为第二导电体(13)的金属喷涂层(32)，或者该层至少部分包括导电材料。
10.按照权利要求8的LED装置(1)，其特征在于，每一个第二导电体(13)设在隔开的支架梁(12)上，或者形成为隔开的支架梁(12)。
11.按照权利要求6的LED装置(1)，其特征在于，第二线路板支架(31)具有一个电绝缘板(21)，在该板上设置所有的第二导电体(13)。
12.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，第一线路板支架(15)和第二线路板支架(31)包括具有相似的热膨胀系数的材料。
13.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，第一线路板支架(15)由弹性的材料制造。
14.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，第二线路板支架(31)由弹性的材料制造。
15.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，至少一个第二导电体(13)弹性和/或塑性可变形地形成。
16.按照权利要求1至4之一的LED装置(1)，其特征在于，至少一个第二导电体(13)借助于弹性或塑性可变形的导电粘结剂(14)与附属的背面触点金属喷涂(6)连接。
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