具有低熱阻的發光二極體燈的製作方法
2023-04-26 12:52:01
專利名稱：具有低熱阻的發光二極體燈的製作方法
技術領域：
本申請涉及發光二極體(LED)燈的技術領域，尤其是，LED燈的封裝。
背景技術：
傳熱管理為發光二極體(LED)燈的設計師所關心，希望增加效率，從而與同樣數量的發光輸出的傳統白熾和螢光照明相比，推動LED更具成本競爭性。當LED燈被強電流驅動，由於從半導體活化層的p-n結到周圍環境的不良熱傳導，會產生高的裝置溫度。這樣的高溫可以損害該半導體，並且導致例如加速老化、LED晶片從引線框分離和連接線斷裂這樣的退化。除上述問題之外，LED的光學性質也會隨著溫度變化。例如，LED的光輸出一般隨著結區溫度的增加而減小。另外，由於半導體的帶隙能量的變化，發射波長隨溫度而變。在現有技術中，散熱的主路徑(熱路徑)是從p-n結到引線框，然後通過熱傳導穿過引線端部。在引線端部，熱傳導、對流和輻射都用於將熱導出安裝在印刷電路板上的LED。 還有熱傳導的第二路徑，是從半導體晶片的表面到塑料外殼的表面。這種設計的問題是，大多數引線框位於作為熱絕緣體的塑料外殼的內部，並且將熱量傳導出該裝置的主要熱路徑被引線的尺寸限制。即使設計增加引線的尺寸或數目以促進熱傳導，但是仍然具有散熱的固有瓶頸，因為引線仍然夾在熱絕緣的塑料外殼中間。因此，需要一種改進散熱的封裝LED燈的技術。
發明內容
本發明的一個實施例提供了一種發光二極體(LED)結構。該結構主要包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層，一個電連接至活化層上的接合焊盤的第二金屬板，和一個通過金屬連接層可導電的並可導熱的連接至該金屬基底的第一金屬板，其中該第一和第二金屬板通過該外殼的底部露出並且提供到該發光二極體結構的外部電連接。本申請的另一個實施例提供了一個不同的LED結構。該結構主要包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層，一個電連接至活化層上的接合焊盤且通過該外殼的底部露出的第二金屬板，和一個具有上下層的第一金屬板，其中該第一金屬板的上層通過第一金屬連接層可導電並可導熱地連接至該金屬基底，並且封入該外殼中，而且，其中該第一金屬板的下層通過該外殼的底部露出。本申請的另一個實施例提供了一個不同於前面兩個實施例的LED結構。該結構主要包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層，一個電連接至活化層上的接合焊盤的第二金屬板，和一個通過第一金屬連接層可導電並可導熱地連接至該金屬基底的第一金屬板，其中該第一和第二金屬板位於該外殼的內部底面，並且橫向延伸穿過該外殼從而為該發光二極體結構提供外部電連接。
圖1是依照本發明的一個實施例的低熱阻LED燈的截面略圖；圖2是依照本發明的一個實施例的低熱阻LED燈的截面略圖；以及圖3是依照本發明的一個實施例的低熱阻LED燈的截面略圖。
具體實施例方式本發明的實施例提供了一個改進的具有比傳統LED燈更低熱阻的熱傳導路徑。對某些實施例來說，提供了一種表面可安裝的發光二極體結構，其包括沉積在直接連接至金屬板的金屬基底上的活化層，通過將其放在該發光二極體結構的底部，該金屬板基本露出以得到低熱阻。該金屬板然後可以焊接至一個包括散熱器的印刷電路板(PCB)。對本發明的某些實施例來說，該金屬板通過多個熱傳導層可導熱並可導電地連接至包括在該結構中的大散熱器。圖1是依照本發明的第一實施例的、具有低熱阻的發光二極體(LED)燈的截面略圖。該略圖示出了一個可以由AlInGaN或AlInGaP組成的LED半導體活化層110。為了產生二極體的電性能特徵，活化層110的一側用目標雜質摻雜以產生ρ摻雜側(未示出)，而 η摻雜側(也未示出)產生在活化層110的另一側。沉積在由銅、銅合金或複合金屬合金組成的金屬基底120上，該活化層110可以表示多片。該活化層110的ρ摻雜側可以緊密連接至金屬基底120，以迅速將熱傳導離開活化層110。夾在金屬基底120和用於外部連接的第一金屬板141之間的是可以由例如Au-Sn、 Ag-Sn或Sn合金的金屬焊錫組成的金屬連接層130。金屬連接層130將活化層110和金屬基底120可導熱地並可導電地連接至第一金屬板141。第二金屬板142通過由導電材料如金製成的結合線150電連接至活化層110上的接合焊盤。對某些實施例來說，第一金屬板 141可以做的儘可能的大(在LED燈封裝的尺寸範圍內)，從而努力允許更大的熱傳導，在此情況中，一般會大於第二金屬板142。活化層110、金屬基底120和金屬連接層130位於直接安裝在第一金屬板141的頂上的LED燈的底部，其導致較現有技術更低的熱阻和更好的散熱能力。該LED燈可以封入由例如矽樹脂或環氧樹脂的絕緣材料組成的外殼160中，從而引導發射光。兩個金屬板141、 142，且尤其是第一金屬板141，可以延伸出外殼160，從而將熱更好的傳導至安裝表面。圖2是依照本發明的另一個實施例的、具有低熱阻的發光二極體(LED)燈的截面略圖。不像前面的實施例，這個實施例包括一個散熱器290和與其連接的熱傳導路徑。 該略圖示出了一個沉積在由銅、銅合金或複合金屬合金組成的金屬基底220上的、可以由 AlInGaN或Al^iGaP組成的LED半導體活化層210。該活化層210可以表示多片。夾在金屬基底220和用於外部連接的第一金屬板241之間的是可以由例如Au-Sn、Ag-Sn或Sn合金的金屬焊錫組成的金屬連接層230。金屬連接層230將活化層210和金屬基底220可導熱並可導熱地連接至第一金屬板Ml。第二金屬板242通過由導電材料如金製成的結合線250 電連接至活化層210上的接合焊盤。對某些實施例來說，第一金屬板Ml的表面積可以做的儘可能的大(在LED燈封裝的尺寸範圍內)，從而努力允許更大的熱傳導，並且，在此情況中，一般會大於第二金屬板242的表面積。這些金屬板241、242的厚度通常是1 μ m-20 μ m。活化層210、金屬基底220、金屬連接層230、結合線250和金屬板M1J42的上層可以封入由例如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)的陶瓷絕緣材料組成的外殼260中，從而也用來引導發射的光。活化層210、金屬基底220和金屬連接層230可以直接位於第一金屬板 241的頂上，並且位於外殼沈0的內部底面，其導致較現有技術更低的熱阻和更好的散熱能力。金屬通孔245、246可以穿過陶瓷外殼沈0，並且將金屬板M1J42的上層連接至在外殼260下方的金屬板247、248的下層。一個也由Au_Sn、Ag-Sn或Sn合金組成的附加金屬連接層271 (27 位於金屬板的下層和第一傳導層第二傳導層M4)之間， 從而將它們熱連接且電連接。傳導層243、244可以是金屬或包括附加電路的印刷電路板， 並且這些是本申請的第二實施例的外部連接所在的地方。直接在傳導層243、244下方可以存在一個介質層觀0。由提供電絕緣的陽極化鋁組成，該介質層280在傳導層243、244和就位於介質層280下的散熱器290之間提供充分的熱傳導。圖3是依照本發明的另一個實施例的、具有低熱阻的發光二極體(LED)燈的截面略圖。類似於前面的實施例，這個實施例也包括一個散熱器390和與其連接的熱傳導路徑。 該略圖示出了一個沉積在由銅、銅合金或複合金屬合金組成的金屬基底320上的、可以由 AlInGaN或AlInGaP組成的LED半導體活化層310。該活化層310可以表示多片。夾在金屬基底320和用於外部連接的第一金屬板341之間的是可以由例如Au-Sn、Ag-Sn或Sn合金的金屬焊錫組成的金屬連接層330。金屬連接層330將活化層310和金屬基底320可導熱並可導電地連接至第一金屬板341。第二金屬板342通過由導電材料如金製成的結合線 350電連接至活化層310上的接合焊盤。對某些實施例來說，第一金屬板341的表面積可以做的儘可能的大(在LED燈封裝的尺寸範圍內)，從而努力允許更大的熱傳導，並且，在此情況中，一般會大於第二金屬板342的表面積。本發明的這個實施例的外部連接可以形成在金屬板341、342上，並且這些金屬板；341、；342的厚度通常是1 μ m-20 μ m。活化層310、金屬基底320、金屬連接層330、結合線350和金屬板341、342的部分可以封入由例如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)的陶瓷絕緣材料組成的外殼360中，從而也用作引導發射的光。活化層310、金屬基底320和金屬連接層330可以直接位於第一金屬板 341的頂上，並且位於外殼360的內部底面，其導致較現有技術更低的熱阻和更好的散熱能力。直接位於外殼360下方的可以是一個由Ag漿料、Au漿料或其它類型的合適的金屬漿料組成的上導熱層371。也由Au-Sn、Ag-Sn或Sn合金組成的第二金屬連接層331，可以位於上導熱層371和下導熱層372之間。下導熱層372由Ag漿料、Au漿料或其它類型的合適的金屬漿料組成。直接在下導熱層372下方存在一個介質層380。由提供電絕緣的陽極化鋁組成，該介質層380在下導熱層372和就位於介質層380下的散熱器390之間提供充分的熱傳導。雖然本發明在這裡具體地圖示和描述為一個表面可安裝的發光二極體燈結構，然而並不意味著局限於所示細節，因為其中可以在不脫離本發明的精神和權利要求的同等範圍內做出各種修改和結構變化。
權利要求
1.一種發光二極體結構，包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層；一個電連接至活化層上的接合焊盤的第二金屬板；以及一個通過金屬連接層可導電並且可導熱地連接至所述金屬基底的第一金屬板，其中所述第一和第二金屬板通過所述的外殼的底部露出並且提供到所述發光二極體結構的外部電連接。
2.權利要求1的發光二極體結構，其中所述屬基底包括銅、銅合金或複合金屬合金中的至少一種。
3.權利要求1的發光二極體結構，其中所述金屬連接層包括Au-SruAg-Sn或Sn合金中的至少一種。
4.權利要求1的發光二極體結構，其中所述第一金屬板大於所述第二金屬板。
5.權利要求1的發光二極體結構，其中所述第一金屬板和所述第二金屬板橫向延伸超過所述外殼。
6.權利要求1的發光二極體結構，其中所述的外殼是圓柱形的。
7.一種發光二極體結構，包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層；一個電連接至活化層上的接合焊盤的第二金屬板；以及一個通過第一金屬連接層可導電並且可導熱地連接至所述的金屬基底的第一金屬板， 其中第一和第二金屬板位於所述的外殼的內部底面，並且橫向延伸穿過所述的外殼從而為所述的發光二極體結構提供外部電連接。
8.權利要求7的發光二極體結構，進一步包括一個位於所述的外殼的底面下方的上導熱層；一個位於所述上導熱層和下導熱層之間的第二金屬連接層；以及一個夾在下導熱層和散熱器之間的用於熱傳導的介質層，其中所述的散熱器在所述的發光二極體結構的底部露出。
9.權利要求7的發光二極體結構，其中所述的外殼包括氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3) 中的至少一種。
10.權利要求8的發光二極體結構，其中所述的第一和第二金屬連接層包括Au-Sn、 Ag-Sn或Sn合金中的至少一種。
11.權利要求8的發光二極體結構，其中所述的上和下導熱層包括銀(Ag)漿料或金 (Au)漿料中的至少一種。
12.權利要求8的發光二極體結構，其中所述的介質層由陽極化鋁組成。
13.一種發光二極體結構，包括一個沉積在封入外殼中的金屬基底上的發光二極體半導體活化層，其中所述的活化層的P摻雜側緊密連接至所述的金屬基底；一個電連接至活化層上的接合焊盤的第二金屬板；以及一個通過金屬連接層可導電並且可導熱地連接至所述的金屬基底的第一金屬板，其中第一和第二金屬板通過所述的外殼的底部露出並且提供到所述的發光二極體結構的外部電連接。
14.權利要求13的發光二極體結構，其中所述的金屬基底包括銅、銅合金或複合金屬合金中的至少一種。
15.權利要求13的發光二極體結構，其中所述的金屬連接層包括Au-SruAg-Sn或Sn合金中的至少一種。
16.權利要求13的發光二極體結構，其中所述的第一金屬板大於所述的第二金屬板。
17.權利要求13的發光二極體結構，其中所述的第一金屬板和所述的第二金屬板橫向延伸超過所述外殼。
全文摘要
提供了一種具有改進的熱傳導路徑的、較傳統LED燈具有低熱阻的發光二極體(LED)結構。對某些實施例來說，提供了一種表面可安裝的發光二極體結構，其包括沉積在直接連接至金屬板的金屬基底上的活化層，通過將其放在該發光二極體結構的底部，該金屬板基本露出以得到低熱阻。該金屬板然後可以焊接至一個包括散熱器的印刷電路板(PCB)。對本發明的某些實施例來說，該金屬板通過多個熱傳導層可導熱並可導電地連接至包括在該結構中的大散熱器。
文檔編號H01L33/62GK102544313SQ20111042543
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者顏睿康 申請人:旭明光電股份有限公司