Led裝置的製作方法
2023-06-21 04:59:06 2
專利名稱：Led裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一個LED裝置，其具有至少一個LED晶片，其中在發光體的發光表面上裝置正面觸點金屬噴塗，在與發光體的與發光表面相對的面上裝置背面觸點金屬噴塗。
如此的LED裝置例如公開於電子工業(electronic industrie)1-1991，由Cuno,H.H.；Heider,A.所著的LED顯示，一個多面顯示單元。對此說明了LED部分，其中一個具有正面觸點金屬噴塗和背面觸點金屬噴塗的LED晶片以他的背面固定在一個第一電子連接部件上。正面觸點金屬噴塗配備接觸導線，其使正面觸點金屬噴塗與一個第二電子連接部件接通。
此外公開了開始已提到的LED裝置，其中多個LED晶片按照預先規定的光柵以其背面觸點金屬噴塗固定在扁坯的線路板上，其使背面觸點金屬噴塗按行或者按列互相電連接。正面觸點金屬噴塗形成為結合墊(Bondpads)，並藉助焊接導線按列或者按行互相電連接。為了預防機械損害，在LED晶片的上方大部分裝置了透明的塑料板，其與扁坯一起安裝在塑料外殼內。
在所謂智能LED顯示裝置上，其例如在商業上標記為「智能顯示」並且現在按照上面已說明的原理構造，行和列連接到電子控制電路上，該控制電路是如此給LED晶片提供電流或者電流脈衝的(脈衝編碼調製)，即按預先規定的圖案發光。該控制電路例如可以安裝在扁坯的背面或者也可以安裝在外部。例如為了電話號碼顯示和工作狀態顯示把這樣的智能LED晶片裝配在行動電話中，因為他是自發光的，因此不需要象例如在LED顯示上所必需的附加照明。
上面說明的已公開的LED裝置是藉助於傳統的焊接技術和線路焊接技術產生的。正面觸點金屬噴塗形成為結合墊，並且因此蓋住LED晶片的發光表面的一部分。對此發光表面同結合墊表面的比例沒有變得太小，因此LED晶片的光輸出也沒有變得太小，在現今存在的傳統焊接技術的情況下，在平面圖中LED晶片的截面不允許低於0.2×0.2mm2。
這個LED裝置的費用、重量和尺寸主要取決於LED晶片的大小。同樣，亮點密度(每面積單位的發光二極體的數目)主要取決於單個LED晶片的大小和他們彼此間的距離，並且因此上面已說明的LED顯示的圖象質量也主要取決於單個LED晶片的大小和他們彼此的距離。因此LED晶片的物理尺寸的減小是特別值得追求的。
為了不同時降低LED晶片的光輸出，晶片表面縮減到例如0.15×0.15mm2將需要結合墊表面的明顯的減小。可是在使用傳統的焊接技術的情況下，這將導致很大的技術問題。
所以本發明基於這個任務，產生一個LED裝置，在其上面縮小了LED晶片的大小。同時這個LED裝置應當具有較小的物理尺寸和較小的重量，可以低成本地生產，並且保留高的機械穩定性和熱穩定性。
通過具有權利要求1的特徵的LED裝置解決了該任務。適合本發明的有益的改進是從屬權利要求的目標。
根據本發明預先規定，LED晶片裝置在第一和第二線路板支架之間，該第一線路板是透光的，並且具有至少一個接通正面觸點金屬噴塗的第一導電體，該第二線路板具有一個接通背面觸點金屬噴塗的導電體。
根據本發明的裝置不僅可以在具有多個LED晶片的裝置上使用，而且可以在具有單個LED晶片的裝置上使用。
由於在適合本發明的裝置上，LED晶片的正面觸點金屬噴塗不須要配備焊接導線，首先有利地形成了比到目前為止明顯小的正面觸點金屬噴塗，其次一個為生產而使用的導線聯接器的定位公差對於LED晶片的大小、特別是在第一線路板支架上可以定位的LED晶片和第一導電體的準確度來說不再是十分重要的參數。此外與傳統的焊接導線的線徑相比，第一導電體的截面也明顯地減小。由於這個原因對於適合本發明的LED裝置來說減小LED晶片的尺寸是可能的，並且因此提高了LED顯示的亮點密度。此外在適合本發明的LED裝置上，與傳統使用的LED晶片相比改善了LED晶片的光輸出。
適合本發明的LED裝置有以下優點，可以使用例如具有0.15×0.15mm2、0.12×0.12mm2或者更小尺寸的LED晶片。因此可以有利地明顯降低了LED裝置的材料費用和其重量。再者與傳統的LED裝置相比可以有利地降低了適合本發明的LED裝置的電流消耗，因為大部分的LED晶片光輸出與電流密度超比例地增長。
在本發明的優選改進中可以預先規定，每個LED晶片的正面觸點金屬噴塗具有多個互相以一定距離裝置的觸點金屬噴塗帶。因此進一步減小由正面觸點金屬噴塗所覆蓋的晶片上表面(發光表面)是可能的，因此提高了LED晶片的光輸出。
此外如果觸點金屬噴塗帶和分配給LED晶片第一導電體相交叉，這是有益的。因此能夠提高LED晶片、第一導電體和第一線路板支架的允許的定位公差。
在本發明的進一步改進中，可以預先規定，每個第一導電體具有多個在第一線路板支架上互相以一定距離鍍的線路板金屬噴塗帶。因此再次有利地縮小了在第一線路板支架上金屬噴塗所覆蓋的區域。
為了改善在線路板金屬噴塗帶和正面觸點金屬噴塗之間的金屬噴塗可靠性，在本發明的優選改進中，在接觸區域內為了正面觸點金屬噴塗，線路板金屬噴塗帶例如以橫隔板的形式表明加寬。
為了儘可能防止在LED裝置的內部的反射損耗，可以有利地用光耦合介質填滿在LED晶片的發光表面和第一線路板支架之間的自由間隙，或者填滿在第一和第二線路板支架之間的全部自由間隙，避免在LED裝置中的內反射。
在本發明的一個特別優選的改進上，在第一和第二線路板支架之間裝置了多個LED晶片。在第一線路板支架上預先規定多個第一導電體，其中每一個都接通至少一個LED晶片的正面觸點金屬噴塗。同樣在第二線路板支架上預先規定多個第二導電體，其中每一個都接通至少一個LED晶片的背面觸點金屬噴塗。
適合本發明的LED裝置的最後提到的結構形式的有益改進在於，在第二線路板支架上裝置LED晶片，該線路板支架包括多個在截面例如矩形支架梁中隔開的已裝備的第二導電體例如金屬噴塗。每一個支架梁涉及一組LED晶片。通過使用這些互相分離的支架梁，在安裝具有不同熱膨脹係數的材料的情況下，對於第一和第二線路板支架來說可以獲得在指示裝置內部的機械應力的降低。理想方式是在分開的支架梁上鍍或者形成每個第二導電體。因為在LED裝置中安裝的材料的不同熱膨脹係數在溫度變化的情況下眾所周知地可能引起LED裝置中的機械應力，這例如可能導致LED晶片的損害。
一個唯一的單項電絕緣板代替支架梁可以作為第二線路板支架使用，在該絕緣體上鍍或者形成第二導電體。
為了禁止上述的機械應力成為可能，在適合本發明的裝置的另一優選實施例中，由具有相似的熱膨脹係數的材料產生第一和第二線路板支架。
本發明的另外的有益改進在於，第二導電體或者在背面觸點金屬噴塗和第二導電體之間的粘結劑是可塑或者是靈活可變形地形成。通過可以相應地壓緊第二導電體或者在背面觸點金屬噴塗和第二導電體之間的粘結劑，因此彌補了晶片尺寸的公差和/或第一和/或第二導電體的不平度。
為了完成相同的目的，可以設想二個線路板支架之一或二個線路板支架以有利的方式形成為可伸縮的薄膜(例如由塑料形成)，該薄膜配備有線路板。
理所當然能夠使全部的專業人員在本發明範圍內對上述改進進行合理組合。
在這種情況下為了完整性還將提及，一般情況下LED晶片的正面和背面認為是晶片的觀察面或者安裝面。
結合
圖1至7，從下面的三個實施例的說明中得出本發明的其它優點、特徵和實用性。圖示圖1本發明的第一實施例側面圖的示意圖說明，圖2a本發明的第二實施例平面圖的示意圖說明，圖2b穿過第二實施例沿著在圖2a中所畫的線A-A的截面的示意圖說明，圖2c穿過第二實施例沿著在圖2a中所畫的線B-B的截面的示意圖說明，圖3a一個在第二實施例中使用的LED晶片的示意圖說明，圖3b一個在第二實施例中使用的LED晶片的平面圖的示意圖說明，圖4適合本發明的LED裝置的第三實施例的示意剖面圖，圖5一個適合本發明的LED裝置的示意剖面圖，在該裝置上，在LED晶片和第一線路板支架之間裝置一個光耦合介質，圖6一個適合本發明的LED裝置的示意剖面圖，在該裝置上，在第一和第二線路板支架之間填滿光耦合介質，圖7一個適合本發明的LED裝置的示意剖面圖，在該裝置上，第二線路板支架具有導電路徑。
在圖1的LED裝置1上，LED晶片2具有一個作為發光體的半導體物質5、一個在半導體物質5的發光表面上鍍的正面觸點金屬噴塗8和一個在半導體物質5的與發光表面相對的面鍍的背面觸點金屬噴塗6。半導體物質5例如包括由Ⅲ/Ⅴ層半導體材料或者由其它適合於生產LED晶片的材料組合形成的一個傳統的發光層序列(對此和對用於正面觸點金屬噴塗8與背面觸點金屬噴塗6的材料，參見具有附屬說明部分的圖2a和圖2b)。
在一個LED晶片2的發光表面的下面一般可以理解為半導體物質5的這樣一個側面，通過他大部分的光從半導體物質5射出。
在LED晶片2的正面的上方裝置一個具有第一導電體16的透光的第一線路板支架15。第一線路板支架15例如是一個由玻璃、塑料、半導體材料(例如λ＞400nm的SiC、λ＞550nm的GaP、λ＞900nm的GaAs等)或者一個其它適合的透光材料製造的平板，作為第一導電體例如使用一個由金、鋁、鋁合金或者其它適合的導電材料形成的、藉助蒸發或噴濺鍍的塗層。
第一導電體16例如藉助於金屬焊劑(例如PbSn焊劑)或者藉助於導電粘接物質和正面觸點金屬噴塗8連接。為了焊接例如可以使用雷射焊接方法，在本方法中雷射束穿過第一線路板支架15到達焊點。
在LED晶片2的背面存在一個第二線路板支架31，其例如包括玻璃、玻璃陶瓷、塑料、半導體材料或者金屬。對於第二線路板支架31來說，在使用絕緣材料的情況下，在第二線路板支架上以由金、鋁和/或其它適合的導電材料組成的塗層的形式形成第二導電體13。在由半導體材料形成第二線路板支架31的情況下，第二導電體13可能形成為高摻雜區域。第二導電體13或者第二線路板支架31例如藉助於由金屬焊劑、粘接物質形成的粘結劑14與背面觸點金屬噴塗6電連接。
為了可以彌補不同LED晶片的尺寸公差和/或線路板支架15、31的不平度，粘結劑14、第二導電體13、對於線路板支架和/或第二線路板支架31可以可塑或者靈活可變形地形成。此外線路板支架15、31例如可以由可伸縮的塑料薄膜材料製造。
在這個在圖2a至圖2c中說明的適合本發明的LED裝置1的第二實施例上，按行3和列4裝置LED晶片2。LED晶片各自具有一個半導體物質5、一個背面觸點金屬噴塗6和一個包括金屬噴塗帶7的正面觸點金屬噴塗8。
半導體物質5-參見圖3a和圖3b-例如由一個n型導電的GaP襯底9、一個在該襯底上方裝置的n型導電GaAsP塗層10和一個在GaAsP塗層10的上方裝置的p型導電GaAsP塗層11構成。可是它也可以具有全部的適合於發光二極體生產的材料組合或者層序列。例如由GaxSlx-1As(0≤x≤1),(GaxAlx-1In)P,GaxInx-1AsyP1-y(0≤x≤1；0≤y≤1),GaxAlx-1N(O≤x≤1),GaxInx-1N(0≤x≤1),ZnSe和/或SiC形成的發光二極體已公開。
例如藉助於蒸發或者噴濺產生觸點金屬噴塗帶7。在第二實施例中這涉及p型金屬噴塗，例如其總是由一個在p型導電GaAsP塗層11上面鍍的Ti塗層23、一個在Ti塗層23上方裝置的Pt塗層24和一個在Pt塗層24上方裝置的AuSn塗層25構成。金屬的種類和正面觸點金屬噴塗8的層序列自然取決與所使用的半導體物質的各自的材料組合。理所當然專業人員可以使用各種半導體材料作為適合的已知金屬噴塗。
背面觸點金屬噴塗6例如同樣具有包括一個AuGe塗層26(99:1)、一個Ni塗層27和一個Au塗層28的三層結構。這裡使用金屬的種類特取決與半導體物質5的材料組合。
在LED晶片的2下面存在多個支架梁12，在其正面例如總是以金屬噴塗層32的形式鍍上第二導電體13。藉助於導電的粘結劑14，例如金屬焊劑或者導電的粘接物質，每一個LED晶片與所屬的第二導電體13連接。如此裝置支架梁12，各支架梁12的第二導電體13把屬於行3的各LED晶片2的背面觸點金屬噴塗6互相電連接。
支架梁12例如可以由塑料、玻璃陶瓷、玻璃、半導體材料、環氧樹脂、酚醛塑料膠紙板或者由其它適合的材料製造。第二導電體13例如包括銅、鋁、鋁合金或者包括其它適合的金屬材料，並且例如藉助與蒸發或噴濺鍍在支架梁上。同樣可以設想，對於支架梁來說在其上面使用導電的材料，比如象銅或者例如象矽的半導體材料。假如導電的支架梁12不需要金屬噴塗層32，並且假如半導體材料可以代替金屬噴塗層32形成支架梁12，支架梁12的正面是高參雜的，並且因此具有足夠的電傳導能力。
在LED晶片2的上面存在一個透光的線路板支架15，其例如包括玻璃、塑料、半導體材料或者包括其它適合的材料。線路板支架15具有多個互相併行分布線路板，其中每一個線路板再次包括三個互相併行分布線路板金屬噴塗帶17，並且構成第一導電體16。如此裝置線路板，屬於列的LED晶片2的正面觸點金屬噴塗8彼此電連接。
線路板金屬噴塗帶17例如再次包括銅、鋁、鋁合金或者包括其它適合的材料，並且例如藉助於蒸發或者噴濺鍍在線路板支架上。線路板金屬噴塗帶17的數目是任意的，並且不局限於三個。假如線路板支架15由半導體材料例如象矽構成，第一導電體16在線路板支架15中可以形成為高摻雜帶。
在每一列下面的結尾處，在線路板支架15和陽極接線板20之間總是存在一個所謂的跳線(Jumper)晶片18，例如矽晶片，其使第一導電體16與一個存在於陽極接線板20上的陽極接線金屬噴塗19電連接。因此包括行3和列4的LED陣列的全部接口裝置在一個平面內，這對另外的生產過程比如在電子控制電路上的接口產生有益的作用。
為了完整起見，每個正面觸點金屬噴塗8的觸點金屬噴塗帶7的數目和每個第一導電體16的線路板金屬噴塗帶的數目是任意的，並且不局限於三個。
在圖4這說明的適合本發明的LED裝置的第三實施例與第一實施例的主要不同僅僅在於，使用一個唯一的電絕緣板21來代替支架梁12。在該電絕緣板21上，其例如包括玻璃、玻璃陶瓷、半導體材料，包括塑料(例如熱塑性塑料)或者包括其它適合的材料，鍍上-例如藉助於蒸發或者噴濺產生的金屬噴塗層-第二導電體13，其根據第二實施例使屬於行的各LED晶片的背面觸點金屬噴塗6互相電連接。同樣在該板21上鍍上陽極接線金屬噴塗19，其通過跳線晶片18與第一導電體電連接。按照根據圖3的第三實施例的LED裝置的剩餘組成部分與按照根據圖2的第二實施例的組成部分相符，並且設有相同的參考標記。
如果由半導體材料比如矽形成的板21可以代替金屬噴塗層和/或陽極接線金屬噴塗19，在板21中將形成高摻雜區域，其構成第二導電體13或者陽極接線。
在第三實施例上，重要的意義是對於板21和對於第一線路板支架15來說儘可能使用具有相似的熱膨脹係數的材料。板21和線路板支架15的很不同的熱膨脹在溫度變化的情況下自然將導致LED裝置中的顯著的機械應力，顯然該應力可能削弱LED裝置的功能特性和防老化能力。
為了可以提高LED裝置1的光輸出耦合，正如在圖5和圖6這所指出的，在每一個LED晶片2的發光表面和線路板支架15之間裝置一個耦合介質22，或者用耦合介質22填滿在支架梁12/板21和線路板支架之間空隙。
可以考慮LED晶片不是按行3和列4裝置，而是裝置為對角的、環狀的或者以其它的方式方法裝置，並且劃分成第一和第二組，互相錯接。
在使用板21作為第二導電體13的第二線路板支架31的情況下，在板21的背面上裝置LED裝置1的電子控制電路29(圖4)。
另外可以考慮，背面觸點金屬噴塗6和/或第二導電體13藉助於導電路徑(Vias)30(參見圖7)穿過板21與電子控制電路29連接。
另外板21能夠形成為稱為多層覆金屬板的扁坯，因此可能減小了板21的線路板裝置所必需的平面。
為了在第二或第三實施例中彌補LED晶片尺寸的公差和/或第一和/或第二線路板支架15或者31的不平度，可以以有益的方式可塑或靈活可變形地形成第一線路板支架15、第二線路板支架、第一導電體16、第二導電體13和/或粘結劑14，因此可以彌補公差，並且保證第一導電體16與正面觸點金屬噴塗8之間和第二導電體13與背面觸點金屬噴塗6之間的可靠連接。因此第一線路板支架15和/或第二線路板支架31例如形成具有導電結構、主要包括塑料的薄膜。
顯然適合本發明的LED裝置不僅僅局限與使用半導體LED晶片，而且同樣例如可以在使用聚合(Polymer)LED晶片的情況下利用該裝置。
參考標記表1．LED裝置2．LED晶片3．指示器4．列5．半導體物質6．背面觸點金屬噴塗7．觸點金屬噴塗帶8．正面觸點金屬噴塗9．n型導電GaP襯底10．n型導電GaAsP塗層11．p型導電GaAsP塗層12．支架梁13．第二導電體14．粘結劑15．第一線路板支架
16．第一導電體17．線路板金屬噴塗帶18．跳線晶片19．陽極接線金屬噴塗20．陽極接線板21．板22．耦合介質23．Ti塗層24．Pt塗層25．AuSn塗層26．AuGe塗層27．Ni塗層28．Au塗層29．控制電路30．路徑(Via)31．第二線路板支架32．金屬噴塗層
權利要求
1．具有至少一個LED晶片(2)的LED裝置(1)，在該裝置上，在發光體(5)的發光表面上設置一個正面觸點金屬噴塗(8)，在該發光體(5)的與發光表面相對的面上裝置一個背面觸點金屬噴塗(6)，其特徵在於，在第一線路板支架(15)和第二線路板支架(31)之間裝置LED晶片(2)，第一線路板支架(15)是透光的，並且具有至少一個第一導電體(16)，該導電體接通正面觸點金屬噴塗(8)，第二線路板支架(31)具有至少一個第二導電體(13)，該導電體接通背面觸點金屬噴塗(6)。
2．按照權利要求1的LED裝置(1)，其特徵在於，正面觸點金屬噴塗(8)具有多個互相以一定的距離設置的觸點金屬噴塗帶(7)。
3．按照權利要求1或2的LED裝置(1)，其特徵在於，第一導電體(16)具有多個以一定的距離設在第一線路板支架(15)上或者形成的線路板(17)。
4．按照權利要求3的LED裝置(1)，其特徵在於，正面觸點金屬噴塗(8)的觸點金屬噴塗帶(7)總是與附屬於正面觸點金屬噴塗(8)的第一導電體(16)的線路板(17)相交叉。
5．按照權利要求1至4之一的LED裝置，其特徵在於，用光耦合介質(22)填滿在LED晶片(2)的發光表面和第一線路板支架(15)之間的自由間隙。
6．按照權利要求1至5之一的LED裝置(1)，其特徵在於，a)在第一線路板支架(15)和第二線路板支架(31)之間裝置多個LED晶片(2)，b)在第一線路板支架(15)上含有多個第一導電體(16)，其接通至少一個LED晶片(2)的每一個正面觸點金屬噴塗(8)，和c)在第二線路板支架(31)上含有多個第二導電體(13)，其接通至少一個LED晶片(2)的每一個背面觸點金屬噴塗(8)。
7．按照權利要求6的LED裝置(1)，其特徵在於，以行(3)和列(4)設置LED晶片(2)，每一列(4)的晶片(2)的正面觸點金屬噴塗(8)總是藉助於一個第一導電體(16)互相電連接，每一行(3)的晶片(2)的背面觸點金屬噴塗(6)總是藉助於第二導電體(13)互相電連接。
8．按照權利要求6或7的LED裝置(1)，其特徵在於，第二線路板支架(31)具有多個互相具有一定間距的、並排裝置的支架梁(12)，在該支架梁上設置作為第二導電體(13)的金屬噴塗層(32)，或者該層至少部分包括導電材料。
9．按照權利要求8的LED裝置(1)，其特徵在於，每一個第二導電體(13)設在隔開的支架梁(12)上，或者形成為隔開的支架梁(12)。
10．按照權利要求6或7的LED裝置(1)，其特徵在於，第二線路板支架(31)具有一個電絕緣板(21)，在該板上設置所有的第二導電體(13)。
11．按照權利要求1至10之一的LED裝置(1)，其特徵在於，第一線路板支架(15)和第二線路板支架(31)包括具有相似的熱膨脹係數的材料。
12．按照權利要求1至11之一的LED裝置(1)，其特徵在於，第一線路板支架(15)由可伸縮的材料製造。
13．按照權利要求1至12之一的LED裝置(1)，其特徵在於，第二線路板支架(31)由可伸縮的材料製造。
14．按照權利要求1至13之一的LED裝置(1)，其特徵在於，至少一個第二導電體(13)可伸縮和/或塑性可變形地形成。
15．按照權利要求1至14之一的LED裝置(1)，其特徵在於，至少一個第二導電體(13)藉助於可伸縮或塑性可變形的導電粘結劑(14)與附屬的背面觸點金屬噴塗(6)連接。
全文摘要
具有至少一個LED晶片(2)的LED裝置(1),在該裝置上,在發光體(5)的發光表面上裝置一個正面觸點金屬噴塗(8),在該發光體(5)的與發光表面相對的面上裝置一個背面觸點金屬噴塗(6),在第一線路板支架(15)和第二線路板支架(31)之間裝置LED晶片(2),對此,第一線路板支架(15)是透光的,並且具有至少一個第一導電體(16),該導電體接通正面觸點金屬噴塗(8),第二線路板支架(31)具有至少一個第二導電體(13),該導電體接通背面觸點金屬噴塗(6)。適合本發明的LED裝置(1)有這個特別的優點以及其它優點,與傳統LED裝置中的晶片尺寸相比,縮小了該LED晶片的尺寸,並且因此可以提高亮點密度。
文檔編號H01L25/075GK1214800SQ97193285
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月31日 優先權日1996年1月31日
發明者W·格拉曼, W·思佩斯, G·韋特爾, H·布倫納 申請人:西門子公司