專利名稱：光源的制作方法
背景技術：
本發明涉及光源。具體地說，本發明涉及發光二極管(LED)組件形式的高能光源。
由硅片制成的發光二極管(LEDs)通常用于發光，從簡單的低能指示燈到高能LED交通燈束以及LED矩陣視頻顯示中都有不同的應用。一般地，發光二極管管芯組裝成密封組件，該組件含有在管芯和暴露在組件外表面的端子墊片之間的電連接件。由于組件的密封性能，這種組件可使二極管與外界電路進行簡單連接，保護管芯不受外界破壞。
最近，有趨勢使表面安裝組件LED組件更小，這就使LED以相對較高速度可靠地安裝到印制電路板基片上。通過使單個LED組件更小，就使在多個LED組件中的單位面積的LED管芯數量增加。而且，當LED安裝到電路板上時，組裝后的電路板厚度可以減少。
目前的表面安裝LED組件有各種結構。

圖1表示一種類型的表面安裝LED組件100，該組件包括安裝到電路板基片120上的LED管芯110，采用透明材料130對LED110進行密封。該組件包括一對用于將LED連接到外界電路上的導電連接件140、142，。在LED110底面的第一電極安裝并電連接到一對導電連接件的其中之一140上。非常細的導線144的一端然后“導線黏結”或焊接到LED110上表面上的第二電極上，而另一端與一對導電連接件的另一個142相連。
圖1中LED組件的缺點是不利于把熱從LED管芯110上散掉。電路板基片120和透明密封材料130一般由絕熱材料制成，而該絕熱材料把熱“陷”在LED管芯110內。例如，電路板材料FR4具有0.2-0.3瓦每米開氏度的導熱系數，同時密封材料Able-BoM826具有大約為2瓦每米開氏度的導熱系數。導熱連接件140、142具有較好的熱傳導性，其中銅制的導熱連接件具有400瓦每米開氏度的導熱系數。然而，從傳導連接件散熱的效率嚴格地由1)連接件的較小截面積以及2)連接件提供的熱路徑的相對較大距離來限定。
在如自動化和裝飾燈等許多應用領域中，對高亮度表面安裝LED組件的需求正在增加。可通過增大加在LED管芯上的電流或電壓來得到較高亮度。
圖1中的LED組件的不良散熱性能限制了組件在高壓以及隨之增加的高亮度下工作的能力。如不進行有效的散熱，則加在組件上的高壓就會迅速地升高管芯的溫度，這樣會導致光提取效率降低，甚至會對管芯產生永久的破壞。
發明概要根據本發明的第一方面，提供的光源包括具有相對的第一和第二表面的基片，該基片限定了在第一和第二表面之間延伸的孔腔；覆蓋著靠近第一表面的孔腔開口的平臺；安裝到孔腔內平臺上的發光二極管，以及把發光二極管密封到孔腔內的透明密封材料。
根據本發明的光源具有的優點是，安裝有發光二極管的平臺提供了直接通往光源外表面的非常有效的散熱路徑。隨之而來可使光源在較高電壓下驅動，這樣可使光源有提高的光強輸出。在不影響熱量從管芯經過平臺傳導的情況下，在基片上的孔腔可使基片由絕熱材料制成。最好的是，基片的第一表面形成光源的下表面，用于把光源表面安裝到電路板基片上。最優選的是，透明材料帶有用于將發光二極管發出的光會聚的會聚圓頂。
按照理想的做法，孔腔包括朝第二表面向外傾斜的側壁。例如，該側壁可以是類似反射器杯的圓錐形。該側壁在基片的第一表面和第二表面之間延伸，且側壁傾斜從而把從孔腔外的發光二極管發出的光經過第二表面附近的開口反射。
在優選實施例中，平臺在第一表面上面和基片側壁上面延伸。這樣的優點是，使平臺牢固地保持在基片上，于是避免輕易脫開。
相應地，平臺由例如金屬的導熱材料制成，用于將熱量從發光二極管中傳導出來，并這樣構成，使第一表面朝向安裝有發光二極管的孔腔，同時使相對的第二表面暴露在光源的外面。于是，從平臺的第一表面到平臺的第二表面就形成的熱路徑。最好的是，從平臺的第一表面到第二表面的距離可最小化，使熱路徑的長度最小，同時使散熱更有效。
根據本發明的光源還具有的優點是，通過把發光二極管安裝在基片的孔腔內，使組件的體積變小。
根據本發明的第二方面，制造光源的方法包括提供帶有相對的第一和第二表面的基片；把基片的第一表面鍍上金屬層；經過基片從第二表面向上到第一表面上的金屬層進行鉆孔，于是金屬層提供了覆蓋靠近第一表面孔腔開口的平臺；把發光二極管安裝到孔腔內的平臺上，以及用透明密封材料把發光二極管密封在孔腔內。
在優選實施例中，在鉆孔步驟后，平臺和孔腔的側壁鍍有另外的金屬層。
圖1為已知的表面安裝LED組件的剖面側視圖；圖2為示出了本發明的表面安裝LED組件的正面、平面和側面正交投影圖；圖3為在制造圖2中的表面安裝LED組件過程中采用的典型步驟流程圖；圖4到17為圖2中的表面安裝LED組件在制造過程不同階段的剖面側視圖；圖18為示出了圖17中表面安裝LED組件的頂部的平面圖；圖19為示出了圖17中表面安裝LED組件的底部的平面圖；圖20到22為圖6到10所示的制造過程中采用的紫外線掩膜的平面圖；圖23為帶有圓錐狀密封材料的圖2中表面安裝LED組件的可替代設計；圖24為示出了圖5中的表面安裝組件頂部的平面圖。
詳細說明參見圖2，圖2中簡略地表示出了LED組件200，該組件可通過回流焊接或可能的手工焊接而表面安裝到印制電路板上。
表面安裝LED組件200包括矩形平面基片210，該基片例如為環氧樹脂或玻璃疊片、聚酯或聚酰胺板、雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂板或熱固性聚亞苯基醚板。該基片的上表面212包括位于上表面中心的錐形截面凹坑220。凹坑220包括大致為圓形的底面222和彎曲側壁224，該側壁從底面朝上表面212上的圓形邊緣226同心向外傾斜。
LED組件200的發光元件由發光二極管(LED)的管芯230形成，該管芯安裝在基片210凹坑220的中心部位。如LED組件的正視圖中所示，兩條細金線240、242一端與LED管芯230電連接，以使電流經過LED管芯的半導體結點。金線240、242的另一端與基片210的上表面212上的相應端子電連接。
上表面212上的端子隨后通過一對可導電的通孔連接到基片210的下表面214上的一對導電墊片250、252上，在后面將要描述通孔的細節。暴露在基片的下表面上的該對導電墊片250、252帶有兩個大致平直的表面，該表面適合于把LED組件表面安裝到印制電路板上。
為了有效地從LED管芯230上散熱，LED組件在基片的下表面214上帶有散熱墊片270。墊片270通過基片210上的孔延伸到組件200的主體。墊片270有效地覆蓋住下表面214附近的孔的下開口，以形成凹坑220。墊片270實際上帶有凹坑的圓形底面222，并延伸成覆蓋孔傾面的覆蓋層以形成側壁224。
墊片270由金屬制成，最好由帶鎳的銅制成，并且墊片帶有平臺來支撐LED管芯230，同時把熱從LED管芯230上傳導到組件200暴露的下表面上。從LED管芯底面到墊片/平臺270的暴露表面的距離相對組件整個尺寸較小，同時用于傳熱的墊片/平臺270截面積與LED管芯230的安裝表面積同樣大。這樣，墊片/平臺270提供從管芯到組件外表面的有效傳熱路徑。另外，墊片270的暴露表面處于可焊接到印制電路板的熱沉上的理想位置上，在該熱沉上可表面安裝該組件。
透明或半透明密封材料260黏結到基片210的上表面212上，于是可把上表面212、金線240、242和LED管芯230上的端子密封。密封材料的形狀為形成一個覆蓋發光二極管的會聚橢圓圓頂。密封圓頂的橢圓形狀使表面安裝的LED組件更適合于如視頻象素顯示的應用。
圓形底面222和凹坑220的側壁224由墊片/平臺270而形成，該墊片/平臺270為LED管芯230提供了鍍銀的鎳表面。LED管芯230發出的光由圓形底面222的鍍銀表面和側壁224向上反射，由密封材料260來會聚。由在基片上的孔形成的凹坑220具有兩個功能，即，一是把從LED管芯230來的光反射，非常象標準反射杯；二是把熱從LED管芯230有效地散掉。而且，通過把LED管芯安裝到凹坑220上，組件200的高度可比如圖1中所示組件100的已知組件減少得多。
如圖2所示，在正視圖中的橢圓圓弧長軸半徑相對較大，于是就提供了大約120度的較寬視角。這種較寬視角在水平面內是很理想的，這在視頻顯示領域是公知的。相反，在側視圖中所示的橢圓圓弧的短軸半徑相對較小，于是提供了大約60度的較窄視角。這種較窄視角在豎直面內是理想的，這在視頻顯示領域中也是公知的。
圖2的LED組件200結構的替換在圖23中示出。該組件是近似為3.2mm長、2.8mm寬、2mm高的完全方形。把密封材料260的形狀改型成在發光二極管上的圓錐狀圓頂，在該圓錐底部，平面部分覆蓋在基片210的整個上表面上。
圖3為流程圖，該圖通過實例方式表示出了在圖2中示出的表面安裝LED組件制造過程中所采用的過程步驟300到350。
考慮到速度和效率，實際上，制造過程設計成一批制造多個表面安裝LED組件。制造過程開始時的材料為較大玻璃纖維疊片板，該板被分成同樣矩形單元的陣列或格子。這種板可以是帶有玻璃轉移相位180攝氏度的FR4型基片。這種板最好是具有40個單元寬、20個單元長的單元陣列，同時有近似70毫米乘70毫米乘0.5毫米的尺寸。
在板上的每個矩形單元形成了圖2中LED組件矩形基片的基礎。在鋸開步驟350把單個單元物理分開之前，相同過程步驟300、310、320、330和340用在每個矩形單元中。多個單元在較大板上的工藝過程可使對單元的操作更精確。在以下的描述中，將參照板上的單個矩形單元來解釋所述過程步驟。然而，可以理解的是，這些步驟適用于板上的所有單元。
板加工在制造過程中的第一步驟300包括為管芯附加步驟310制備板單元。板加工步驟300在圖4到14中依次示出。
參見圖4，首先通過標準電鍍技術把銅410A、410B鍍在裸露玻璃纖維板單元400的上下表面上。板單元400為0.36mm厚，每個銅鍍膜410A、410B為0.07mm厚，于是整個板厚為0.5mm。
在鍍銅的過程之后，如圖5所示，用兩個不同形狀的鉆頭430、450對板上的每個矩形單元400鉆孔。進一步參照圖24，利用第一圓柱形狀鉆頭430在矩形單元的相對兩側鉆兩個小孔420、425。這些通孔420、425在板的上下表面之間以及穿過銅鍍膜410A和410B而延伸。另外，通過帶有傾斜或削去端頭的第二圓柱鉆頭450對位于矩形單元中心的板的上表面進行鉆孔，形成圓錐形狀截面凹坑。鉆頭450鉆到0.45mm+/-0.02mm的深度，該深度足以確保將孔形成在板400上，但是不深到鉆透下面銅鍍膜410B上。在0.47mm的最大鉆削深度下，孔的下開口上還覆蓋有0.03mm銅鍍膜。在0.43mm的最小鉆削深度下，所有的0.07mm銅鍍膜保留覆蓋住孔440的下開口上，如圖5所示。
鉆頭把在鉆削區域的銅鍍膜410去除，留出了暴露在兩個通孔420、425和孔腔440上板的表面。隨后這些暴露區域被涂上石墨膜，于是該單元的整個表面是不導電的。
在涂上石墨涂層后，被鉆削后的單元產生一系列的光化學刻蝕過程，這些過程可選擇地把金屬層沉積在單元表面上的預定區域。在圖6中示出了第一光化學刻蝕過程。參見圖6，光化學刻蝕過程包括把光敏抗蝕劑制成的干膜600施加到單元的上下表面上。隨后，光掩膜610、612分別置于干膜600的上表面上和下表面下。除了限定沉積金屬層的不透明區域之外，分別在圖20和21中平面示出的光掩膜610、612一般是透明的。
在光掩膜到位后，單元上下暴露在紫外線(UV)的照射中。對應于光掩膜透明區域的干膜區域可選擇地通過暴露在紫外線光下而得到硬化。這些干膜的硬化區域形成了化學阻蝕膜，同時干膜的非暴露區域和非硬化區域在適當的刻蝕劑中溶解，該刻蝕劑例如為鉻酸溶液或氯化鐵。接著，如圖7所示，在化學刻蝕去除干膜后，在單元的上下表面上形成適當掩膜700。
圖8示出了用銅800然后用鎳810對單元進行電解鍍的結果。因為掩膜是電絕緣的，所以在掩膜區域上沒有鍍膜。相反，單元的余留部分是導電的(包括孔和凹坑)，于是除了掩膜區域外的任何地方均進行鍍膜。在此階段，墊片/平臺270穿過組件主體在凹坑底部形成。如圖8虛線所示，初始銅鍍膜410B和后來的銅鍍膜800在基片上孔腔的下開口結合成一體。
一旦完成了鍍膜的過程，就用適當的熱有機去除劑把硬化掩膜去掉，形成了圖9中示出的結構。
接著第二光化學刻蝕過程僅用在單元的上表面。在此前，由光敏抗蝕材料制成的干膜605加到單元的上表面上。圖22中平面示出的光掩膜614接著放在干膜上，同時單元的上表面暴露在紫外線光下。光掩膜僅使凹陷區域暴露在紫外線光下，于是干膜在凹坑上硬化，并保留定位，同時通過適當的刻蝕劑使不透光區域溶解掉。圖11示出了該光掩膜的情況。
為了在導電層上產生改進的連通性，在圖11中，閃金(flash gold)涂層820置于單元上。如圖12所示，閃金僅僅黏結到鍍鎳區域，鎳鍍膜提供了阻止銅和金層彼此反應的鈍化層。由于硬化的干膜掩蓋，凹坑區不接受金鍍膜。因此，凹坑能很好地保持鎳鍍膜具有較高的反射性。圖13示出了利用適當的熱有機去除劑去掉硬化掩膜區后的單元。
如圖14所示，利用適當的刻蝕化學制品，可容易去除掉暴露在單元400外面的不需要的銅層，而只剩下涂有鎳的凹坑和涂有金的接點。
在板加工步驟300的最后階段是把孔420、425用如耐焊劑的熱固聚合物720密封。這時該板就為管芯附加步驟準備好了。
管芯附加在制造過程中的下一個步驟310是在凹坑440內安裝LED管芯230。該管芯附加步驟的第一階段包括在凹坑的底面上或基部上分撒或點滴有少量的導電鍍銀環氧樹脂730。如圖15所示，下一個階段是把LED管芯230放到凹坑內鍍銀環氧樹脂上。管芯附加步驟的最后階段是，在烤箱內，在近似180攝氏度大約一個小時條件下，使鍍銀環氧樹脂與單元的其他部分一起固化。固化鍍銀環氧樹脂使管芯固定在凹坑內，提供了從管芯到墊片/平臺270的下面鍍鎳表面的良好導熱性。
導線黏結在本實施例中采用了導線黏結步驟320，從而使LED管芯半導體接點的兩側與單元板上端的兩個獨立端子電連接。這兩個端子由位于單元板相對兩端的鍍金層822、824形成。
對于兩根導線826中的每一根，導線黏結過程在金導線的一端和LED管芯上黏結墊片之間產生了球窩接頭828，而在該導線的另一端和單元板上鍍金端子之間產生了楔形接頭。在美國專利US4,600,138中描述了形成這種導線黏結的合適裝置和方法。在圖16中示出了最后形成的導線黏結的LED管芯。
傳遞模塑在傳遞模塑步驟330中完成多個單元的成批加工，在該步驟中，采用已知的傳遞模塑工藝在單元400的上表面對環氧樹脂密封劑進行模塑。模具比原來的玻璃纖維板具有相對較大的長度和寬度，該模具包括一陣列橢圓模具杯，以與板上一陣列單元對應(compliment)。模塑過程包括的第一步驟為，把模具夾持到板的上表面上，于是模具杯陣列位于與板上單元陣列對應的位置上。第二步驟為，在高溫和高壓條件下把模塑化合物“傳遞”到模具杯上。例如，模塑化合物可以是美國Dexter Hysol公司的MG18環氧樹脂，該環氧樹脂加熱到近似150攝氏度，并在1500千帕斯卡壓力下被傳送到模具內。
快速模塑固化在密封步驟后，單元陣列進行快速模塑固化步驟340，在該步驟中，單元在大約150攝氏度下，在烤箱內烤大約3小時。該固化步驟使密封環氧樹脂硬化，于是可抵御外沖擊和磨損。
固化的密封劑用來把從LED管芯射來的光聚集，同時也提供了避免水分以及其他材料接觸和破壞LED管芯30的阻擋層。固化密封單元在圖17中詳細地示出。在圖17中更詳細地示出了圖2中的許多特征，為了參照方便，相同標號用來表示相同的特征。
鋸切在最后的鋸切步驟中形成單個LED組件，在該步驟中，在板陣列上的單個單元被鋸開。最好是使用Disco Abrasive Systems Inc.，Mountain View，California的0.2毫米切割鋸來分離出單元。在圖17、18和19中示出了最后的表面安裝LED組件的細節。
可以理解的是，在不脫離附加權利要求書的范圍內，本發明可在具體描述以外的方式實施。例如，在凹坑內鍍鎳而為LED管芯呈現出鍍銀表面可以替代為鍍銀而形成鍍銀表面。
權利要求
1.一種光源包括具有相對的第一和第二表面的基片，該基片限定了在第一和第二表面之間延伸的孔腔，覆蓋著靠近第一表面的孔腔開口的平臺，安裝到孔腔內平臺上的發光二極管，以及把發光二極管密封到孔腔內的透明密封材料。
2.如權利要求2所述的光源，其中平臺在孔腔開口外的第一表面上延伸。
3.如權利要求1或2所述的光源，其中孔腔包括朝第二表面向外傾斜的側壁。
4.如權利要求3所述的光源，其中平臺在側壁上延伸。
5.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中平臺為發光二極管提供反射表面。
6.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中平臺包括朝向孔腔的第一表面和相對的第二表面；在該第一表面上安裝有發光二極管，而第二表面暴露在光源的外面。
7.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中平臺由導熱材料制成，用于把來自發光二極管的熱傳導出。
8.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中平臺由金屬制成。
9.如權利要求8所述的光源，其中金屬平臺壓在基片上。
10.如權利要求9所述的光源，其中金屬平臺包括不同金屬層。
11.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中基片由絕緣和絕熱材料制成。
12.如前述任何一項權利要求所述的光源，其中透明密封材料黏結到基片的第二表面上。
13.如權利要求12所述的光源，其中對透明密封材料模塑形成發光二極管上面的會聚圓頂。
14.如前述任何一項權利要求所述的光源，該光源還包括在第一和第二表面之間延伸的第一導電連接件，該第一連接件在第二表面上具有連接到發光二極管上的端子，以及在第一表面上帶有與外界電路連接的裸露墊片，以及在第一和第二表面之間延伸的第二導電連接件，該第二連接件在上表面上具有連接到發光二極管上的端子，以及在第一表面上帶有與外界電路連接的裸露墊片。
15.如權利要求14所述的光源，其中基片限定了第一和第二通孔，該通孔在上下表面之間延伸，第一和第二連接件的一部分分別穿過第一和第二通孔延伸。
16.制造光源的方法包括提供帶有相對第一和第二表面的基片，把基片的第一表面鍍上金屬層，經過基片從第二表面向上到第一表面上的金屬層進行鉆孔，于是金屬層提供了覆蓋靠近第一表面孔腔開口的平臺，把發光二極管安裝到孔腔內的平臺上，以及用透明密封材料把發光二極管密封在孔腔內。
全文摘要
本發明涉及適合于安裝到印制電路板上的光源。該光源包括中心孔腔的扁平基片。發光二極管安裝到覆蓋孔腔底部的金屬層上,并由透明密封材料進行密封。金屬層提供了用于把發光二極管產生的熱進行傳導的路徑。
文檔編號H05K3/00GK1383221SQ0211983
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月25日 優先權日2001年4月25日
發明者a/I 那它拉堅 約加南旦 桑達, 林上全 申請人:安捷倫科技有限公司