TW201042780A - Compact molded LED module - Google Patents

Description

201042780 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於—種封裝發光二極體（LED)以形成微小模 、且之方法且特疋δ之係關於一種使用極少零件之LED槿 組之製造技術。 & 【先前技術】 ~因於閃光模組之小尺寸及低電壓LED電源供應，某些 數位相機（諸如併入蜂巢式電話中者）使用LED閃光。此等 模組通常大體上尺寸為約5x5毫米且高度為3毫米之長方 形。該等尺寸係制f前模組設計在操作i可實現的最小 尺寸。 該等模組通常係藉由以下步驟形成：模製塑料外殼，然 後將金屬引線卡扣至該等外殼上，然後將模製透鏡卡扣至 該等外殼的頂部，接著對各外殼提供安裴於尺寸過大的陶 瓷子基板上的LED晶粒，然後將一外殼置於該LED晶粒及 子基板上方的中間位置，接著將該外殼引線焊接至該子基 板的頂部墊片上，其中該焊接亦將該LED/子基板固定至該 外殼以完成該模組。製程係以個別單元進行，因此存在諸 多處置及製程步驟。此一模組具有極緊密的容限，且歸因 於於個別零件的數目，而使模組製作成本相對高昂。 需要一種LED模組的新穎設計，其容許模組更小且具有 車乂少的令件。亦需要一種可以較寬鬆的容限製造，且較之 先前技術模組可更廉價及更快製造的LED模組設計。 【發明内容】 146270.doc 201042780 本發明之目的係提供一種在先前技術上改良的led模組 及製造該LED模組的方法。 在一實施例中，使用連接之引線框架之金屬薄片作為 LED電極與一印刷電路板（LED模組將最終安裝於其上）之 間的電介面。將扁平引線框架陣列置於一模具中，該模具 ' 亦界定各引線框架上方所形成之反射槽。然後藉由該模具 模製塑膠以填充該引線框架陣列之空隙，並形成呈單式零 〇 件（Unitary Part)之槽。接著將囊封的LED直接接合至曝露 於引線框架頂表面且在該等反射槽内的引線框架墊片。該 薄片通常將包含數百個用於LED的引線框架。此類陣列規 模處理比處置個別引線框架及分別模製的槽更加簡單且快 速。然後切割該薄片（如藉由沿切割線斷裂）以分離出個別 LED模組。利用此技術可同時形成數百或數千個模 組。 在另一實施例中，將一引線框架及透鏡支撐框架之薄片 〇 模製為—單式零件。然後將預形成的集光透鏡貼附在各支 撐框架上，且接著切割該薄片以分離出LED模組。 在另實施例中，將LED接合至一模製引線框架之薄片 上然後將具有整體支撐框架之集光透鏡貼附在各[ED 上，且接著切割該薄片以分離出LED模組。 亦描述各種結構及製造細節。由於製造係基於陣列規 模口此處置、疋位、及其他處理進行地更快且精確度更 高。在既定實例中，不含LED的模組係一或兩個零件。由 於不要求任何精確匹配的安裝，因此製造容限係寬鬆的。 146270.doc 201042780 此外，可製造比先前技術模組更小的LED模組，例如其佔 據面積為2.5x3毫米或更少，且高度為2.5毫米或更少。 【實施方式】 各圖中相同或相當的元件係 圖1及2中繪示且於圖3之流程圖中概述一種形成小型 LED模組之第一實施例之製程。 建立用於收納（例如）由經衝壓或蝕刻的銅形成的連接之 引線框架之薄金屬片（例如〇.5毫米）之一模具。該等引線框 架係針對LED模組而定製，其在與LED子基板之相應墊片 對準的位置具有金屬墊片。在另—實施例中，不需要子基 板，且將LED晶粒電極接合至引線框架墊片。用於led的 各引線框架需要至少一陽極墊片及一陰極墊片。該等金屬 墊片係藉由之後在切割製程中經切割之周邊部分而固持在 該鋼引線框架内的位置，因此該等墊片最終係相互電絕 緣。在用於該模組之該等引線框架内，所有用於將該模植 連接至-印刷電路板之塾片係位於該模組之底表面上。 已熟知金屬引線框每，B , 在見、心此項技術者的技術範圍 内可將-引線框架圖案化’以滿^發明模組的要求。 中，該模具具有界定槽1〇之空腔。該等槽可係約2 宅米 '此係因為LED係極小且極薄。咖的邊長可小於工 毛米6熟知利用軟化或液體模製材料之模製製程。 在圖3之步驟11中，脸a 將金屬引線框架薄片置於該模具 中’並用軟化或液體勘趿+古 ' 飞液體塑膠填入該模具中以形成槽… 入該引線框架薄片之处险 ^ ^ I '、 之工隙。塑膠可係DUp〇nt製造之 146270.doc 201042780

Zytel™ ’或任何適於模遛沾▲ 〜 的向溫塑膠。高溫塑膠在文中係 疋義為可經受標準的無錯^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 系知枓回焊組裝製程、且無足 以損壞LED模組之操作鉼帝& - _ ”乍所需的機械及光學完整性之變形或 才貝壞的任何化合物。可力脸3丨& 二、， J在將引線框架薄片置於該模具中之 月il ’首先利用軟化塑膠埴 膠具入5亥杈具’或可在將該薄>{置於 該模具中之後使該塑膠射出模製。接著固化該塑膠，並將 該結構自該模具中移出。該模製結構之整體高度可係小於

3毫米儘g圖1僅展不兩個位於其等所關聯的引線框架上 方之槽i_ β亥薄片包含二維陣列之槽及引線框架，其通常 會有超過-千個槽及引線框架，從而獲得高產率。 展示引線框架塾片12及14延伸於模製引線框架16之頂表 面及底表面之間。圖1之模製引線框架及槽形成單式零 件，以使其可容易作為一單元藉由習知自動定位設備處 置。 如果形成槽10之模製塑膠的反射性足夠強（如漫射白 色），則槽壁不需要反射塗層。若需要反射塗層，則可遮 罩该等引線框架墊片’且可將反射塗層丨5沈積於該等槽壁 上。已熟知喷塗及真空沈積的反射塗層。 在步驟18中，將習知LED形成並安裝於子基板上。圖2 所示之LED晶粒20可係一經yag磷光體（發黃綠光）或紅綠 色填光體塗佈之GaN發藍光晶粒。自磷光體洩漏的藍光與 該磷光體發射的光組合而形成白光。已熟知白光LED。該 LED晶粒20係形成為在底部具有兩個電極之覆晶。該led 晶粒20係接合至一子基板晶圓之相應墊片，且諸多其他 146270.doc 201042780 LED晶粒係接合至同一子基板晶圓之相應墊片。該晶圓可 係具有延伸於该子基板晶圓頂表面及底表面之間的電極24 之陶瓷。已熟知用於LED之子基板。亦可將ESD保護晶片 26女裝於g亥子基板晶圓上’以用於各led晶粒2〇之ESD保 «蔓°亥等LED晶粒及ESD保遵晶片係經（例如）碎酿| 28封 裝。然後切割該晶圓以分離該等LED/子基板。在圖2中， 一單一子基板係識別為子基板30。 該LED晶粒20及子基板30之總厚度可為約}毫米或更 少。 在步驟32中，將該等子基板墊片超音波溶接至各槽内 之引線框架16之相應墊片上。若需要，該等引線框架墊片 可具有一金、鎳、或其他適宜材料之層體，以促進熔接或 焊接。已熟知該塗佈及熔接技術。 在步驟34中，沿（例如）圖2中的線36切割引線框架薄 片，以分離個別LED模組38。該引線框架薄片可包含預形 成的切口或微穿孔，其界定待沿其分離該等引線框架之網 格。切割可藉由該等引線框架沿該等切口或微穿孔之簡單 斷裂而進行。 為六邊形。不包含LED之模組38僅為一單— 由於形成LED模組38之製程係在陣列規模±進行，因此 :製程係相對容易'快速、廉價及高效率。由於囊裝劑保 …亥LED晶粒，因此不需要透鏡’且發射的光束可依仙 的形狀而塑开)。環狀槽將形成大體上呈環狀的％束。長方 ^槽將形成大體上為長方形的光束。在—實施例中^槽 模製件 14627〇.d〇c 201042780 在一實施例中，各模 •5x3毫米， 各模組38的佔據面積為約2 且高度係小於3毫米。 且圖9之流程圖概述該製造 圖4至圖8展示另一實施例， 製程。

引線框架44及支撐框架42形成為單式零件，以用於之後的 陣列規模處理。 在步驟46中，光侷限透鏡48(圖5)係由例如高折射率矽 酮模製得到。用於透鏡48之模製材料係受限制，因為儘管 該LED模組之製造製程及其在消費性產品中的組裝會產生 高光強度及熱，但該材料必須保持大體上透明。然而，用 於引線框架44及支撐框架42之模製材料可係各種較為廉 〇 價、機械剛性較強、不一定係透明的高溫材料（如Zytel™)， 所以通爷不為相對昂貴的石夕酮。透鏡4 8在模製後可以相互 連接的方式形成，且可沿預定的斷裂線斷裂以分離透鏡 48 °此可在將該等透鏡48貼附至支撐框架42上之前藉由一 - 定位機械完成，以簡化處置。 圖ό係透鏡4 8的更詳細圖示。透鏡4 8之發光側係如圖所 示模製成具有對光塑形及/或改良光輸出耦合（減少全内反 射）之光學特徵。透鏡48係如圖所示具有棱鏡50之小同心 環之圖案，以形成使對圖案塑形之菲涅耳（Fresnel)透鏡。對 146270.doc 201042780 於其他設計（例如對於一般照明），發光表面可隨機經粗糙 化以輸出寬的均勻光束。透鏡48具有一凸緣52，以用於貼 附至支撐框架42之頂部（例如藉由黏合）。在一實施例中， 可形成具有相互連接的凸片、凹口、或失片之支撐框架42 及透鏡48，以使該等零件可卡扣在一起。 為收集來自LED的光並將光導引出透鏡48，可將—反射 塗層54沈積於透鏡48上。此可在透鏡48連接在一起時進行 以簡化處置。在一實施例中，該塗層係呈鏡面，以使光朝 透鏡48之輸出表面方向反射。箭頭55表示反射材料係沈積 於除光進入表面以外的透鏡48之外表面上。在另一實施例 中，如果足夠的反射係藉由全内反射（TIR)而實現，則無 需反射塗層。 在圖9之步驟60中，與關於圖2之論述相同，將led晶粒 20安裝在一子基板晶圓上，且切割該晶圓以分離。 在步驟62中，如圖7所示，藉由（例如）超音波熔接將子 基板30之底部墊片接合至引線框架44之相應墊片上。該接 合係在陣列規模上進行，以使處理更有效率。 在步驟64中，如圖8所示，透鏡48係藉由（例如）膠水或 其他構件貼附在支撐框架42上。在一實施例中，透鏡料係 經個別地處置及定位。在另—實施例中，透鏡48係連接在 -起並共同位於支撐框架42之上，其中透鏡48將藉由(例 如）鋸切或斷裂在引線框架44分開的同時分開。

—由於透鏡48在LED晶粒20上方的垂直高度係由模具決 定，且橫向定位並非關鍵，因此定位容限係較寬鬆。LED 146270.doc 201042780 晶粒囊裝劑與透鏡48之間的空隙可係至少〇. 1毫米。實際 上’所有LED晶粒20發射的光將以报少的反射經柄合至透 鏡48中’此係因為透鏡48的輸入表面係與LED晶粒2 0之頂 表面平行並接近，且LED晶粒20係定位於透鏡48之空腔65 内’以捕集整個180。角範圍内的光。該空腔65可使該模組 ' 極淺，因為透鏡48之外部可低於LED晶粒20之表面，且該 透鏡不與該LED接觸。 0 在步驟66中’切割引線框架44以形成個別LED模組68。 在一實施例中，各模組68的佔據面積為約2.5x3毫米， 且高度係小於3毫米。 圖10至圖14展示另一實施例中，且圖15之流程圖概述該 製造製程。 在圖15之步驟70中，將類似於參照圖論述之引線框 架薄片之銅引線框架薄片置於一模具中或另外處理，以利 用塑膠填充該引線框架中的空隙。與其他實施例一樣，此 〇 可增加引線框架72(圖10)之剛性並密封該模組的底部。未 連同引線框架72 —起模製支撐框架或槽。 在v驟74中，與圖3之步驟18 —樣，將led晶粒20安裝 於子基板30上。 在步驟76中，如圖11所示，將子基板30之墊片超音波熔 接至引線框架墊片12及14上。 *在步驟78令’將矽酮透鏡8〇(圖12)與透鏡支撐框架82模 製成為單式零件。在模製過程後，可將所有透鏡/框架連 接在起（在凸緣84處），以使其等可以一單一處置貼附至 146270.doc 201042780 引線框架72上，或可個別地處理該等透鏡/框架。 圖13更詳細地展示透鏡80及支撐框架82。透鏡80可與圖 6所示之透鏡48相同。 在步驟86中’如圖14所示，將支撐框架82貼附至引線框 木72上，以使透鏡80位於各LED晶粒20之上方。可使用膠 水或其他構件。 在步驟8 8中’切割引線框架72以形成個別LED模組92。 在一實施例中，各模組92之佔據面積為約2.5x3毫米， 且高度係小於3毫米。 圖16係任何上述模組之一俯視圖，其展示LED/子基板％ 位於中間，集光透鏡或反射槽98位於該LED/子基板％的周 圍，且該模組的外周邊100係由切割後模製引線框架的外 周邊界定。依據對光圖案的要求，透鏡及/或槽可呈長方 形、橢圓形、六邊形或其他適宜形狀。 在所有實施例中，並非必需有子基板，因為覆晶LED晶 粒電極可直接接合至引線框架頂部墊片。可利用金層塗佈 該銅引線框架觸點區域，以使該等LED電極可超音波焊接 至該引線框架。由於該LED晶粒可薄於25〇微米，因此所 形成之模組的高度可明顯小於3毫米，例如甚至為15毫米 至2.5毫米。在所有實施例中，可將LED晶粒或子基板焊接 至引線框架’而非利用超音波炼接。如文中所使用，術語 LED包括裸露的LED晶粒或安裝於-子基板上的LED晶 粒。 圖17係任何模組之一仰視圖，其展示待連接至—印刷電 146270.doc 201042780 路板之引線框架的陽極及陰極墊片1〇2及1〇4。可使用任何 圖案之墊片。墊片102及104恰好係各圖中所示的上部塾片 12及14之相對面。 該等LED模組可歸相制缺、f要小尺寸的一般照 明、或其他任何應用。可使用任何類型之咖以製造任何 圖案及顏色的光。 文中所述之模組僅由少數零件形成，且功能件係共同經 ◎ 模製以形成供陣列規模處理之單式零件，因此某些或所有 處理係同時在數百個LED模組上進行，以增加加工速度、 降低成本、簡化操作 '增加一致性、及實現其他優點。在 所述之各個模組中，不要求精確的定位步驟以實現嚴格的 效能規格。 雖然已詳細描述本發明，但熟悉此項技術者應瞭解：可 在不脫離文中所述之本發明概念的精神下，對本發明進行 修飾。因此，不希望將本發明之範圍限於所闡釋及描述的 ❹ 特定實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係具有反射槽之模製引線框架薄片之一部分的橫斷 面圖。 * 圖2係具有子基板之led之橫斷面圖，該子基板係接合 至圖1槽内之引線框架上的墊片。 圖3係描述用於形成圖2結構之步驟之流程圖。 圖4係具有透鏡支撐框架之模製引線框架薄片之一部分 的橫斷面圖。 146270.doc •13· 201042780 圖5係待貼附至圖4支撐框架之集光透鏡的橫斷面圖。 圖6係圖5中透鏡的更詳細圖示。 圖7係具有子基板之LED之橫斷面圖，該子基板係接合 至圖4支撐框架内之引線框架上的墊片。 圖8係貼附至圖7支撐框架之圖5集光透鏡的橫斷面圖。 圖9係描述用於形成圖8結構的步驟之流程圖。 圖10係模製引線框架薄片之一部分的橫斷面圖。 圖11係具有接合至圖10引線框架上之墊片的子基板之 LED的橫斷面圊。 圖12係集光透鏡及透鏡支撐框架之橫斷面圖，其中各透 鏡及支撐框架係呈待貼附至圖丨丨引線框架的單—結構。 圖13係圖12中透鏡及支撐框架的更詳細圖示。 圖14係一貼附至用於各lED之圖η引線框架之圖12單一 集光透鏡及支撐框架的橫斷面圖。 圖15係描述用於形成圊14結構的步驟之流程圖。 圖16係任何上述模組之俯視圖之一實例，其展示位於中 間的LED，位於該LED周圍的集光透鏡或反射槽，及該模 組的外周邊。依據對光圖案的要求，該透鏡或槽可呈環 狀、長方形、六邊形或其他適宜形狀。 圖17係任何模組之仰視圖之一實例，其展示待連接至一 印刷電路板之引線框架的塾片。 【主要元件符號說明】 10 槽 頂部金屬觸點 12 146270.doc 201042780

14 頂部金屬觸點 15 杯狀物 16 引線框架 20 LED 24 電極 26 ESD保護晶片 28 砂綱 30 子基板 36 切割線 38 LED模組 42 支撐框架 44 引線框架 48 透鏡 50 出口表面 52 凸緣 54 反射塗層 65 空腔 68 LED模組 72 引線框架 80 透鏡 82 支撐框架 84 凸緣 92 LED模組 96 LED/子基板 146270.doc -15- 201042780 98 集光透鏡/反射槽 100 LED模組之外周邊 102 底部金屬觸點 104 底部金屬觸點 146270.doc - 16-

Claims (1)

1. 201042780 七、申請專利範圍： 1 · 一種形成一發光二極體（LED)模組（68、92)之方法，其包 括： 提供一連接之引線框架（44、72)陣列，該等5丨線框架 具有一頂表面及一底表面，該等引線框架具有用於電連 接至LED(2〇、30)之頂部金屬觸點（12、14); 模製用於支撐透鏡（48、80)之支撐框架（42、82); 模製透鏡（48、80); ❹ 將LED(20、3 0)附接至該等引線框架之該等頂部金屬 觸點上； 將該等透鏡貼附於該等LED上，以使該等透鏡藉由該 等支撐框架支撐於該等LED上；及 切割該等引線框架以製造個別Lro模組（68、92)，各 模組包含一單一引線框架 '一單一透鏡、及一單一支撐 框架’該支撐框架形成各模組之外壁，且該引線框架形 Q 成各模組之底表面，且該底表面具有底部金屬觸點 (102、1〇4)。 2.如請求項1之方法，其進一步包含： •沿連接之引線框架（44)陣列之周圍模製一第一材料， 且同時模製該第一材料以於該等引線框架上方形成支撐 框架（42) ’以形成包含一模製引線框架（4句陣列及一模 製支撑框架（42)陣列的單式零件，各支撐框架係與一不 同的引線框架相關聯； 其中模製該等透鏡（48)包含與該等支撐框架分開模製 146270.doc 201042780 該等透鏡，該等透鏡係利用不同於該第一材料之一第二 材料模製；且 其中將該等透鏡貼附於該等LED(2〇、3〇)上包含將該 等透鏡貼附於該等支撐框架之上。 3·如請求項2之方法，其中該第二材料包含透明矽酮。 4. 如請求項2之方法，其中該等支撐框架（42、82)之高度係 小於3毫米。 5. 如凊求項2之方法，其中各透鏡（48)具有一凸緣，其 中將該等透鏡貼附於該等LED(2〇、3〇)上包含將各透鏡 之凸緣貼附至支撐框架（4 2 )之頂部。 6. 如咕求項1之方法，其中在切割後各引線框架（44、之 底表面界定各模組的佔據面積。 7. 如請求項1之方法，其中該等透鏡（48、80)之各者具有一 空腔（65)，且將透鏡（48、80)貼附於LED(20、30)之上包 含：貼附該等透鏡，以使來自該等LED的光進入該空 腔。 8. 如明求項1之方法，其進一步包含在透鏡（48、8〇)之外表 面之—部分上沈積一反射塗層（54),其使光向上反射並 通過該等透鏡之一出口表面（50)。 9·如請求項1之方法，其中模製用於支撐透鏡（8〇)之該等支 撐框架（82)及模製該等透鏡包含：利用同一材料共同模 製该等支撐框架及透鏡，以使在切割後各支撐框架及其 相關聯的透鏡為一單式零件， 其中將該等透鏡（80)貼附於該等LEd(20、30)上包含： 146270.doc 201042780 將各支撐框架（82)貼附至該連接之引線框架陣列中之一 引線框架（72)上。 10. —種發光二極體（LED)模組（68、92)，其包含： 具有一頂表面及一底表面之一模製引線框架（44、 72)，該引線框架具有用於電連接至一 LED(20 ' 30)之頂 ’部金屬觸點（12、14); 用於支撐透鏡之一模製支撐框架（42、82); ^ 一模製透鏡（48、80); 〇 其中該支撐框架（42)係連同該引線框架（44)一起經模 製’以形成一由相同材料模製之單式零件，或支撐框架 (82)係與透鏡（8〇)—起經模製，以形成相同材料之一單 式零件；及 一 LED(20、30)，其附接至該引線框架之該等頂部金 屬觸點； 其中將該透鏡貼附於該LED之上，以使該透鏡藉由該 〇 支撐框架支撐於該led上，以使該整個LED模組（不包含 該LED)由兩個模製件形成。 11. 如請求項10之LED模組，其中該LED(20、30)包含安裝 於一子基板（30)上之一LED晶粒（2〇) ’其中將該子基板上 •的觸點電連接至該引線框架（44、72)之該等金屬觸點 (12 、 14)。 12. 如請求項1〇之LED模組，其中該支撐框架（42)係連同該 引線框架（44)—起經模製，以形成相同材料模製之一單 式零件。 146270.doc 201042780 13. 如請求項1〇iLED模組，其中該支撐框架（82)係連同該 透鏡（80)一起經模製，以形成相同材料之—單式零件。 14. 如請求項1〇iLED模組，其中該透鏡（48、8〇)包含一空 腔（65)，且將該透鏡貼附於該lED(2()、3〇)上，以使來自 該等LED的光進入該空腔，該透鏡包含位於該透鏡之外 表面上的一反射塗層（54)。 15. —種形成—發光二極體（LED)模組（38)之方法，其包括： 提供一連接之引線框架（16)陣列，該等引線框架具有 一頂表面及一底表面，該等引線框架具有用於與 LED(2〇、30)電連接之頂部金屬觸點（12、丨4); 沿該連接之引線框架陣列之周圍模製一第一材料，且 同時模製該第一材料以於該等引線框架的上方形成用於 圍繞各LED之杯狀物（15)，各杯狀物係與一不同的引線 框架相關聯； 將LED附接至各杯狀物内之該等引線框架之頂部金屬 觸點；及 切割該等引線框架以製造個別LED模組（38)，各模組 包含連同該杯狀物共同經模製的一單一引線框架、及— 單一 LED，且不含透鏡，且該引線框架形成各模組之底 表面’且該底表面具有底部金屬觸點（1〇2、1〇4)。 146270.doc