CN1849712A - 用于半导体发光器件的固体金属块安装衬底和用于制造它的氧化方法 - Google Patents

用于半导体发光器件的固体金属块安装衬底和用于制造它的氧化方法 Download PDF

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CN1849712A CN200480025701.5A CN200480025701A CN1849712A CN 1849712 A CN1849712 A CN 1849712A CN 200480025701 A CN200480025701 A CN 200480025701A CN 1849712 A CN1849712 A CN 1849712A
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Abstract

一种用于半导体发光器件的安装衬底，包括：在其表面中具有配置成用于在其中安装半导体发光器件的空腔的固体金属块。在空腔中提供绝缘涂层，在空腔中的绝缘涂层上提供配置成用于连接到半导体发光器件的第一和第二间隔开的导电迹线。通过提供在其表面包含配置成用于在其中安装半导体发光器件的空腔的固体铝块来制造该安装衬底。氧化该固体铝块以在其上形成氧化铝涂层。在空腔中的氧化铝涂层上制造第一和第二间隔开的导电迹线。

Description

用于半导体发光器件的 固体金属块安装衬底和用于制造它的氧化方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法，更具体地涉及用于半导体发光器件的封装和封装方法。
背景技术
半导体发光器件，例如发光二极管(LED)或者激光二极管被广泛地用于许多应用。如本领域的技术人员所熟知的，半导体发光器件包含一个或多个半导体层，配置成一旦对其激励则发射相干和/或非相干光。通常封装半导体发光器件以提供外部的电连接、散热器、透镜或者波导、环境保护和/或其他的功能也是已知的。
例如，已知为半导体发光器件提供两片式封装，其中半导体发光器件安装在包括氧化铝、氮化铝和/或其他材料的衬底上，其包括其上的导电迹线，以为半导体发光器件提供外部连接。例如使用粘合剂将包含镀银的铜的第二衬底围绕半导体发光器件安装在第一衬底上。透镜位于半导体发光器件上方的第二衬底上。具有如上所述的两片式封装的发光二极管在2003-05-27申请的、申请序号为No.10/446,532、标题为Power Surface Mount LightEmitting Die Package中描述，该申请转让给本发明的受让人，其整个内容以参考的形式并入本文。
令人遗憾地，这些衬底昂贵，有时比半导体发光器件本身更昂贵。而且，制造工艺也昂贵、费时和/或由于其中的步骤的数目而易出现故障。
发明内容
本发明的一些实施例提供一种用于半导体发光器件的安装衬底，该衬底包括在其表面中包含配置成用于在其中安装半导体发光器件的空腔的固体金属块。在其他的实施例中，在固体金属块的表面上提供绝缘涂层。在其他的实施例中，绝缘涂层位于空腔中，在空腔中的绝缘涂层上提供第一和第二间隔开的导电迹线，该导电迹线配置成用于连接半导体发光器件。
在一些实施例中，第一和第二间隔开的导电迹线从空腔延伸到第一表面上，围绕金属块至少一侧并延伸到金属块的第二相对表面上。在其他的实施例中，固体金属块中包含从该金属块的第一表面延伸到第二表面的第一和第二通孔。各个通孔包含从第一表面延伸到第二表面的相应的导电通路。间隔开的导电迹线中相应的一个电连接到导电通路的相应的一个。
在一些实施例中，固体金属块是固体铝块，绝缘涂层包括氧化铝。如下面所述可通过氧化该铝形成绝缘涂层。在这些实施例中，相应的第一和第二通孔也包含其上的包括氧化铝的绝缘涂层，以便其中的第一和第二导电通孔与铝块绝缘。
根据本发明实施例的安装衬底可以与安装在空腔中并连接到第一和第二间隔开的导电迹线的半导体发光器件结合。可提供延伸跨过空腔的透镜。在一些实施例中，在半导体发光器件和透镜之间提供密封剂。在其他的实施例中，在衬底上提供配置成保持横跨空腔的透镜的透镜保持器。
本发明的其他实施例通过提供在其表面中包括配置成用于在其中安装半导体发光器件的空腔的固体铝块来制造用于半导体发光器件的安装衬底。氧化该固体铝块以在其上形成氧化铝涂层。在空腔中的氧化铝涂层上制造第一和第二间隔开的导电迹线，并且将其配置成连接半导体发光器件。
在一些实施例中，铝块还包括穿过其延伸的第一和第二通孔。当氧化该第二铝块时氧化了第一和第二通孔，从而在第一和第二通孔中形成氧化铝涂层。在涂有氧化铝的相应的第一和第二通孔中制造第一和第二导电通路。在其他的实施例中，当制造第一和第二间隔开的导电迹线时，将这些迹线制造成从空腔延伸到第一表面、围绕金属块至少一侧并延伸到与第一表面相对的金属块的第二表面上。
在一些实施例中，半导体发光器件安装在空腔中并连接到第一和第二间隔开的导电迹线。在一些实施例中，横跨空腔安装透镜，在一些实施例中，在半导体发光器件和透镜之间提供密封剂。
附图说明
图1A-1H是根据本发明不同实施例的用于半导体发光器件的安装衬底的侧视截面图。
图2是制造根据本发明不同实施例的用于半导体发光器件的安装衬底可执行的步骤的流程图。
图3A和3B是根据本发明的实施例用于半导体发光器件的安装衬底的顶部和底部透视图。
图4是根据本发明实施例的封装的半导体发光器件的分解透视图。
图5是根据本发明实施例的封装的半导体发光器件的组合透视图。
具体实施方式
现在在下文参照附图更充分地描述本发明，附图中显示了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形成体现并不应当认为是限于在此提出的实施例。相反地，提供这些实施例以便彻底并完整地公开，并将本发明的范围全面地传达给本领域的技术人员。在各图中，为了清楚夸大了层和区的尺寸和相对尺寸。全文中相同的数字表示相似的元件。
将理解的是当将例如层、区域或者衬底的元件称为“在另一个元件上”时，其可以是直接在该另一个元件上或者也可以存在插入元件。将理解的是如果元件的一部分，比如导电线的表面，被称为“外部”，则它比该元件的其他部分更接近器件的外侧。此外，相对术语，例如“在...之下”，在此可以用于描述相对于如附图中示出的衬底或者基层，一个层或者区域与另一个层或者区域的关系。将理解的是这些术语旨在包含除附图中描述的取向之外的器件的不同取向。最后，术语“直接地”意思指没有插入元件。
图1A-1H是根据本发明不同的实施例用于半导体发光器件的安装衬底的侧视截面图。参照图1A，根据本发明的一些实施例用于半导体发光器件的安装衬底包括在其第一表面100a中包含配置成用于在其中安装半导体发光器件空腔110的固体金属块100。在一些实施例中，固体金属块100包括固体铝块。可以通过机械加工、铸造、刻蚀和/或其他的传统方法形成空腔110。空腔110的大小与形状可以构造成改善或者最优化由安装在空腔110中的半导体发光器件发射的光的数量和/或方向。例如，可以提供倾斜的侧壁110a和或半椭圆的横断面。在一些实施例中，金属块100可以是大约6mm×大约9mm且厚大约2mm的矩形固体铝金属块，空腔110大约1.2mm深、具有直径为大约2.5mm的圆形底面、以及任何简单或者复杂的形状的侧壁110a，以获得理想的辐射图。然而，块100可以具有其他的多边形/或者椭球体形状。
图1B示出了根据本发明其他实施例的安装衬底。如图1B所示，在固体金属块100的表面上提供绝缘涂层。绝缘涂层120可以提供在如图1B所示的固体金属块的整个暴露表面上，或者仅仅在固体金属块的部分暴露表面上。在一些实施例中，如下面所述，绝缘涂层120包括例如通过阳极氧化固体铝块100形成的氧化铝(Al2O3)的薄层。在其他的实施例中，涂层120足够厚以提供绝缘体，但是足够薄以使贯穿其的导热路径最小化。
现在参照图1C，在空腔110中的绝缘涂层120上提供第一和第二间隔开的导电迹线130a、130b。第一和第二间隔开的导电迹线130a、130b构造成连接半导体发光器件。如图1C所示，在一些实施例中，第一和第二间隔开的导电迹线130a和130b可以从空腔110延伸到固体金属块100的第一表面100a上。当仅仅在固体金属块100的一部分上提供绝缘涂层120时，它可以提供在第一和第二间隔开的迹线130a和130b与固体金属块100之间，从而使第一和第二金属迹线130a和130b与固体金属块100绝缘。
图1D说明本发明的其他实施例，其中第一和第二间隔开的导电迹线130a′、130b′从空腔110延伸到第一表面100a，至少围绕金属块的一侧100c，并延伸在与第一表面100a相对的金属块的第二表面100b上。因而，可提供背侧接触。
在本发明的一些实施例中，第一和第二间隔开的导电迹线130a、130b和/或130a′、130b′包含金属，在一些实施例中包含例如银的反射金属。在其他的实施例中，如图1E所示，可以在空腔110中间隔开的导电迹线130a′、130b′上提供分离的反射层132a、132b。在这些实施例中，导电迹线130a′、130b′可包含铜，且反射迹线132a、132b可包含银。
在本发明的其他实施例中，如图1F中所示，可以通过提供第一和第二通孔140a和140b来提供背侧接触，可以通过机械加工、刻蚀和/或其他的传统方法在固体金属块100中形成第一和第二通孔140a和140b。而且，如图1F所示，绝缘涂层120延伸到通孔140a和140b中。第一和第二导电通路142a、142b提供在第一和第二通孔140a、140b中，并通过通孔140a、140b中的绝缘涂层120与固体金属块100绝缘。
在图1F中，通孔140a和140b以及导电通路142a和142b从空腔110延伸到第二表面100b。通孔140a、140b可以垂直和/或倾斜于第一和第二表面100a、100b。第一和第二间隔开的导电迹线130a′、130b′可提供在空腔110中，并电连接到相应的第一和第二导电通路142a、142b。在第二表面100b上，也可以提供电连接到相应的第一和第二导电通路142a、142b的第三和第四间隔开的导电迹线130c、130d。在一些实施例中可提供焊料掩模层144以隔离第二表面100b上的第三和第四导电迹线130c、130d，从而简化电路板组件。焊料掩模层144为本领域的技术人员所熟知，在这里不必另外描述。
在图1F的实施例中，第一和第二通孔140a、140b和第一和第二导电通路142a、142b从空腔110延伸到第二表面100b。在图1G的实施例中，第一和第二通孔140a′、140b′和第一和第二导电通路142a′、142b′从空腔110外侧的第一表面100a延伸到第二表面100b。通孔140a′、140b′垂直和/或倾斜于第一和第二表面100a、100b。第一和第二间隔开的导电迹线130a″、130b″从空腔110延伸到第一表面100a上的相应的第一和第二导电通路142a′、142b′。第三和第四迹线130c′、130d′提供在第二表面100b上，电连接到相应的第一和第二导电通路142a′、142b′。
图1H示出结合图1D描述的本发明的实施例，其还包含安装在空腔中并连接到第一和第二间隔开的导电迹线130a′、130b′的半导体发光器件150。而且，图1H示出在另外的实施例中，透镜170横跨空腔。在另外的实施例中，在半导体发光器件150和透镜170之间提供密封剂160。密封剂160可包含透明的环氧树脂并可增强从半导体发光器件150到透镜170的光学耦合。在其他的实施例中，在固体金属块100上提供透镜保持器180以保持跨越空腔110的透镜170。
在同时申请的Negley(代理人案卷号No.5308-310)等的US专利申请序列号No.＿＿＿、标题为Transmissive Optical Elements Including TransparentPlastic Shell Having a Phosphor Dispersed Therein，and Methods of FabricatingSame中描述了用于本发明的不同实施例中的发光器件150、密封剂160和透镜170的实施例，该申请转让给本申请的受让人，其整个内容以参考的形式并入本文。
本领域的技术人员应当理解，尽管图1F-1H的实施例作为分开的实施例说明，但图1A-1H的各个元件可以一起使用以提供元件的各种组合和/或子组合。因而，例如，反射层132a、132b可以用于所示的任何实施例，半导体发光器件150、透镜170、密封剂160和/或透镜保持器180可以用于所示的任何实施例。因此，本发明不应局限于图1A-1H显示的分开的实施例。
图2是制造根据本发明的不同实施例的半导体发光器件可执行的步骤的流程图。参照图2，如块210所示，提供在其表面内包含例如空腔110的空腔的固体铝块(例如图1A-1H的铝块100)，所述空腔构造成用于在其中安装半导体发光器件。如上面所述，可以通过机械加工、铸造、刻蚀和/或其他的传统方法提供空腔。而且，在其它实施例中，固体铝块也可包含贯穿其延伸的第一和第二间隔开的通孔，例如通孔140a、140b和/或140a′、140b′，且可以通过机械加工、刻蚀和/或另外的传统方法制造通孔。
再次参照图2，在框220处，氧化固体铝块以在其上形成氧化铝涂层。在一些实施例中，氧化固体铝块的整个暴露表面。而且，当提供通孔时，也可以氧化通孔的内表面。在另外的实施例中，例如通过在不希望被氧化的那些部分上提供掩蔽层来仅仅氧化部分铝块。铝的氧化对本领域的技术人员来说是熟知的，并可以例如使用阳极氧化工艺和/或其它氧化工艺执行，以在铝上提供Al2O3薄层。
仍参照图2，在框230处，如上所述，取决于构造，在第一表面上的空腔中、在侧面上和/或在第二表面上制造第一和第二间隔开的导电迹线，例如迹线130a、130b和/或130a′、130b′。而且，在一些实施例中，可以在通孔中制造导电通路，例如通路142a、142b和/或142a′、142b′。可以在导电迹线之前、和导电迹线同时和/或在导电迹线之后制造导电通路。众所周知在氧化成具有氧化铝的铝核心上制造导电迹线来提供具有铝核心的类似电路板的结构，因此在这里不需要详细描写。
最后，在框240中，执行其他的操作以在衬底上安装半导体器件、透镜、密封剂和/或保持器。
图3A和3B分别是根据本发明实施例的安装衬底的顶部和底部透视图，其可对应于图1D的截面图。图3A和3B示出了固体金属块100、卷绕固体金属块的第一和第二间隔开的导电迹线130a′、130b′、和安装在空腔110中的半导体发光器件150。绝缘涂层120可以是透明的，没有示出。在这些和/或任何其他的实施例中，可以在第一和/或第二间隔开的导电迹线上提供第二绝缘层和/或焊料掩模。
图4示出了可对应于图1H的本发明的其他的实施例的分解透视图。如图4所示，固体金属块100包含在其中的空腔110、和在其上的多个间隔开的导电迹线。在图4中，显示了第一导电迹线130a。然而，除了单个第二导电迹线，可提供多个第二导电迹线330a′、330b′和330c′以连接安装在空腔110中的多个半导体发光器件150′，来提供例如用于白光源的红色、绿色和蓝色半导体发光器件。示出了密封剂160和透镜保持器180。透镜保持器180的其他结构可以提供用于在固体金属块100上安装透镜170的脊和/或其他的常规安装装置。也应当理解可以在透镜保持器180中使用环氧树脂或者其他的粘合剂。在本发明的一些实施例中透镜保持器180也可以提供额外的顶部散热性能。图5示出了图4的组合封装。
因此，本发明的一些实施例使用铝的固体块作为用于半导体发光器件的安装衬底。铝具有用作高效散热器的充分的导热性。另外，材料的成本和制造成本较低。而且，由于可以精确地控制阳极氧化的厚度，所以生长高质量绝缘氧化物的能力允许形成期望的导电迹线，而对热阻率没有严重的影响。也可以有选择地图案化该绝缘层，这允许给衬底增加另外的电镀金属，例如仅仅在空腔侧壁上镀银，用于增加光学性能。
由于可以减少用于封装的元件的总数，所以在衬底内形成光学腔而不是分离的反射杯的能力，可以降低装配成本。另外，反射镜(空腔)位置相对于衬底固定的事实还可以降低装配的复杂性。本发明的实施例对于大功率半导体发光器件，例如大功率LED和/或激光二极管特别有用。
在附图和说明书中，已经公开了本发明实施例，尽管使用了专用名词，但它们一般用于说明的目的并不是限制目的，本发明的范围在下面的权利要求中阐述。

Claims (28)

1.一种用于半导体发光器件的安装衬底，包括：
固体金属块，在其表面中包含空腔，该空腔配置成用于在其中安装半导体发光器件。
2.根据权利要求1的安装衬底，还包括在固体金属块的表面上的绝缘涂层。
3.根据权利要求2的安装衬底，其中绝缘涂层位于空腔中，该安装衬底还包括在空腔中的绝缘涂层上的第一和第二间隔开的导电迹线，所述导电迹线配置成用于连接到半导体发光器件。
4.根据权利要求3的安装衬底，其中该表面是第一表面，其中第一和第二间隔开的导电迹线从空腔延伸到第一表面、至少围绕金属块的一侧并延伸到与第一表面相对的金属块的第二表面上。
5.根据权利要求3的安装衬底，其中在空腔中的绝缘涂层上的第一和第二间隔开的导电迹线包含反射材料。
6.根据权利要求3的安装衬底，其中该表面是第一表面，其中固体金属块包含在其中从第一表面延伸到与第一表面相对的该固体金属块的第二表面的第一和第二通孔，相应的第一和第二通孔包含在其中从第一表面延伸到第二表面的相应的第一和第二导电通路，其中间隔开的导电迹线中的相应的一个电连接到导电通路中的相应的一个。
7.根据权利要求6的安装衬底，其中第一和第二通孔从空腔延伸到第二表面。
8.根据权利要求2的安装衬底，其中固体金属块是固体铝块，其中绝缘涂层包括氧化铝。
9.根据权利要求8的安装衬底，其中该表面是第一表面，其中固体铝块包含在其中从第一表面延伸到与第一表面相对的该固体铝块的第二表面的第一和第二通孔，相应的第一和第二通孔包含在其上的包括氧化铝的绝缘涂层和在其中从第一表面延伸到第二表面的相应的第一和第二导电通路，其中间隔开的导电迹线中的相应的一个电连接到导电通路中的相应的一个。
10.根据权利要求6的安装衬底，还包括在该固体金属块的第二表面上的第三和第四间隔开的导电迹线，它们中相应的一个连接到所述导电通路中的相应的一个。
11.根据权利要求3的安装衬底，与半导体发光器件相结合，该半导体发光器件安装在空腔中并连接到第一和第二间隔开的导电迹线。
12.根据权利要求11的安装衬底，进一步与延伸跨过空腔的透镜相结合。
13.根据权利要求12的安装衬底，进一步与在半导体发光器件和透镜之间的密封剂相结合。
14.根据权利要求12的安装衬底，进一步与在固体金属块上的配置成保持透镜跨过空腔的透镜保持器相结合。
15.一种发光器件，包括：
固体铝块，在其表面中包含空腔并且在其表面上、包括在空腔上包含氧化铝涂层；
在空腔中的氧化铝涂层上的第一和第二间隔开的导电迹线；
半导体发光器件，安装在空腔中并连接到第一和第二间隔开的导电迹线；
延伸跨过空腔的透镜；以及
在半导体发光器件和透镜之间的密封剂。
16.根据权利要求15的发光器件，其中该表面是第一表面，其中第一和第二间隔开的导电迹线从空腔延伸到该第一表面、至少围绕该固体铝块的一侧并延伸到与第一表面相对的该固体铝块的第二表面上。
17.根据权利要求15的发光器件，其中在空腔中的氧化铝涂层上的第一和第二间隔开的导电迹线包含反射材料。
18.根据权利要求15的发光器件，其中该表面是第一表面，其中固体铝块包含从第一表面延伸到与第一表面相对的该固体铝的第二表面的第一和第二通孔，相应的第一和第二通孔包含在其上的氧化铝涂层和在其中从第一表面延伸到第二表面的相应的第一和第二导电通路，其中间隔开的导电迹线中的相应的一个电连接到导电通路中的相应的一个。
19.根据权利要求18的发光器件，其中第一和第二通孔从空腔延伸到第二表面。
20.根据权利要求18的发光器件，还包括在固体铝块第二表面上的第三和第四间隔开的导电迹线，它们中相应的一个连接到导电通路的相应的一个。
21.一种用于半导体发光器件的安装衬底的制造方法，包括：
提供固体铝块，该固体铝块在其表面中包含配置成用于在其中安装半导体发光器件的空腔；
氧化该固体铝块以在其上形成氧化铝涂层；以及
在空腔中的氧化铝涂层上制造配置成与半导体发光器件连接的第一和第二间隔开的导电迹线。
22.根据权利要求21的方法，
其中所述提供包括提供在其表面中包含配置成在其中安装半导体发光器件的空腔的固体铝块和在其中提供从第一表面延伸到与第一表面相对的该固体铝块第二表面的第一和第二通孔；
其中所述氧化包括氧化该固体铝块以在其上并在第一和第二通孔中形成氧化铝涂层；
该方法还包括在涂有氧化铝并从第一表面延伸到第二表面的相应的第一和第二通孔中制造相应的第一和第二导电通路。
23.根据权利要求21的方法，其中该表面是第一表面，其中所述制造包括制造第一和第二间隔开的导电迹线，所述第一和第二间隔开的导电迹线从空腔延伸到第一表面、至少围绕该固体铝块的一侧并延伸到与第一表面相对的该固体铝块的第二表面上。
24.根据权利要求22的方法，还包括在空腔中的氧化铝涂层上的第一和第二间隔开的导电迹线上制造反射涂层。
25.根据权利要求22的方法，还包括在固体铝块的第二表面上制造第三和第四间隔开的导电迹线，使得第二表面上的第三和第四间隔开的导电迹线中的相应的一个连接到第一和第二导电通路中的相应的一个。
26.根据权利要求21的方法，还包括在空腔中安装半导体发光器件，并连接到第一和第二间隔开的导电迹线。
27.根据权利要求26的方法，还包括横跨空腔安装透镜。
28.根据权利要求27的方法，其中安装透镜包括在半导体发光器件和透镜之间用密封剂横过空腔安装透镜。
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