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CN100452448C - 发光二极管及其制造方法和发光二极管设备 - Google Patents

发光二极管及其制造方法和发光二极管设备 Download PDF

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CN100452448C
CN100452448C CNB2004100078002A CN200410007800A CN100452448C CN 100452448 C CN100452448 C CN 100452448C CN B2004100078002 A CNB2004100078002 A CN B2004100078002A CN 200410007800 A CN200410007800 A CN 200410007800A CN 100452448 C CN100452448 C CN 100452448C
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conductive pattern
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Abstract

发光二极管具有由导热材料制成的基座、由绝缘材料制成并固定到基座顶面的布线盘。将导电图形固定到布线盘，并将发光二极管元件固定到基座裸露的装配区。将发光二极管元件电气地连接到导电图形。

Description

发光二极管及其制造方法和发光二极管设备
技术领域
本发明涉及一种包含发光二极管元件的高亮度发光二极管(LED)，以及用于制造该LED的方法，更具体地是涉及到改进其散热性能的LED。
背景技术
由于具备长寿命和小尺寸，化合物半导体的LED元件被广泛使用。此外，已经生产出发射蓝光的GaN半导体LED元件，并且包含这种LED元件的LED在彩色显示设备中以及便携式电话和机动显示器的小型彩色背光系统，并且该LED的使用领域也扩大到作为具备高亮度和高功率的照明设备。
近年来，由于LED的高生产率和小型化，生产了各种表面装配型LED。然而，当这种LED在高亮度和大功率下工作时，存在散热问题。即，如果增强驱动电流以提高亮度，电能损失就与驱动电流的增强成比例增加，并且大多数电能被转换成热量，由此增加造成高温的LED的热量。LED的发光效率(电流-光转换效率)随着LED的温度增大而降低。此外，LED元件的寿命变短，并且由于在高温下覆盖LED元件的树脂的颜色改变使其透明度降低。
为了解决这些问题，已经提出了各种散热装置。作为装置之一，提出了一种LED，其中一对由导热金属制成的导电部件被固定到绝缘部件，并将LED元件装配在导电部件上。日本专利申请公开11-307820公开了这种LED。
图16是一个显示常规LED的立体图。
LED1包括一对由具备高热导率的金属制成的导电部件2a和2b、由树脂制成的用于绝缘导电部件2a和2b并组合这些部件的绝缘部件3。绝缘部件3具有具备细长圆形开口3a。各个导电部件2a、2b的一部分裸露在开口中。固定LED元件4以裸露部分导电部件2a、2b，以便LED元件4电气上和热上连接到导电部件2a、2b。用透明密封部件5封装LED元件4。
将LED1装配到印刷基底6上，而导电部件2a和2b通过焊剂连接到一对导电图形6a和6b。
当从图形6a和6b经过导电部件2a和2b将驱动电流施加到LED元件4时，LED元件4就发射光线。通过导电部件2a和2b将在LED元件4中由能量损失产生的热量传送到印刷基底6，使得如果基底由具备高导热率的材料制成的印刷基底6可以有效地散发热量。
另一个常规散热装置公开在日本专利申请公开2002-252373中。在该装置中，用于装配LED元件的基座和作为端电极的引线框由同样的材料制成，基座和引线框位于同一平面上，并且将基座直接装配到基底上。
图17是显示常规LED的剖视图。LED10包括由同样导电材料制成的基座11和一对引线框12a和12b，并通过焊剂17将它们牢固地装配到印刷基底16上，以便于基座11和引线框12a、12b位于同一平面，并将其彼此热组合。将LED元件13装配在基座11的底部，由此与基座11热组合。
通过引线14a和14b将LED元件13的正电极和负电极电气上连接到引线框12a、12b。透明树脂15封装住LED元件13、引线框12a、12b以及导线14a、14b。
当从印刷基底16经过引线框12a和12b将驱动电流施加给LED元件13时，LED元件13就发光。通过基座11将在LED元件13中由能量损失产生的热量传送到印刷基底16，如果由具备高导热率地材料制成基底，以便有效地从印刷基底16散发热量。
作为另一个装置，建议由导电图形在印刷基底16中形成通孔，并将散热部件安置在印刷基底的底面上，以便可以将热量传送到散热部件。
在如图16所示的元件中，如果印刷基底6由具备高导热率的材料制成，诸如金属芯基底，散热效果就很理想。
然而，印刷基底6通常由诸如具备低导热率的环氧树脂的便宜材料制成。即，环氧树脂的热传导率是作为金属芯基底材料的几百分之一。因此，不能将热量充分地传送到印刷基底，从而提高LED元件的温度，其品质则降低。
但是，由于较高的造价而无法使用金属芯。此外，一个问题是由于难以在金属芯的两侧布线，不可能高密度的装配。另外，由于金属芯是导电材料，必须通过在基底上提供一层绝缘层来绝缘金属芯的表面。但是，绝缘层降低了热传导率从而降低散热效果。
如图17的LED10还具有与图16的元件同样的问题。由于基座11直接粘附到印刷基底16，从基座到印刷基底16的热传导率必须很有效。然而，如果基底16是由环氧树脂制成，散热效果则不理想。此外，如果在基座11和固定到印刷基底16的底面的散热部件之间提供导电通孔，它们之间的热连接就不是很有效，从而不能实现很好的散热改善。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具备优良散热特性的LED。
本发明另一个目的是提供一种使用用于装配高亮度LED的印刷基底的高亮度LED，其基底的材料不受限制。
根据本发明，所提供的LED包括：由导热材料制成的基座并具备在其表面形成的散热面，至少一个由绝缘材料制成的固定到基座顶面的布线盘，用于在基座的表面上形成裸露装配区的裸露装置，形成在布线盘上的导电图形，固定到基座的装配区的发光芯片，以及用于电气连接发光芯片到导电图形的装置。
裸露装置是一个形成在布线盘内的通孔，而连接装置包括多个引线。
提供封装部件用于保护发光芯片。
在基座的散热面上提供散热片用于增强散热效果。
还提供了发光设备。
发光设备包括：由导热材料制成的具备平板状的基座并在其表面形成散热面，至少一个由绝缘材料制成的固定到基座顶面的布线盘，固定到基座表面上装配区的发光信心芯片，用于在基座的表面上形成裸露装配区的裸露装置，固定到布线盘上的导电图形，固定到基座装配区的发光芯片，用于将发光芯片电气连接到导电图形的连接装置，在其底面提供的具备导电图形的印刷基底，并将该印刷基底固定到位于布线盘上的导电图形以便电气连接两组导电图形。
印刷基底具有用于发射从发光芯片发射的光线的孔，并将散热部件固定到基座的底面。
另一个发光设备包括：由导热材料制成并具有平板形状的基座，并在其表面形成散热面；至少由绝缘材料制成的固定到基座顶面的布线盘；用于在基座表面上形成裸露的装配区的裸露装置；固定到布线盘的导电图形，固定到基座装配区的发光芯片；用于将发光芯片电气连接到导电图形的连接装置；从基座侧壁伸出的热管；以及固定到热管末端的散热部件。
又一个发光设备具有多个LED，各个LED包括：由导热材料制成的具有平板形状的基座，并在其表面形成散热面；至少由绝缘材料制成的固定到基座顶面的布线盘；用于在基座表面上形成裸露的装配区的裸露装置；固定到布线盘的导电图形固定到基座装配区的发光芯片，用于将发光芯片电气连接到导电图形的连接装置，其中，发光设备具有由可塑材料制成的散热部件，以及在散热部件表面提供的LED。
本发明还提供了一种制造LED的方法，该方法包括以下步骤：预置具有多个分区的布线盘集合体；以及预制具有与布线盘集合体相同尺寸的基座集合体；在布线盘集合体的各个分区形成装配孔；以及在各个分区上提供多个导电图形，将布线盘集合体和基座集合体互相固定；将发光芯片装配到布线盘集合体的装配孔，通过导线电气地连接发光芯片和导电图形，利用封装部件封装发光芯片和导线；以及切割LED的集合体。
依照附图，根据下述详细说明，本发明的这些及其他目的和特征将变得更加明显。
附图说明
图1是依照本发明第一实施例的高亮度LED的立体图；
图2是沿图1的II-II线的剖视图；
图3是依照本发明第二实施例的高亮度LED的立体图；
图4是依照本发明第三实施例的高亮度LED的立体图；
图5是依照本发明第四实施例的高亮度LED的立体图；
图6是沿图5的VI-VI线的剖视图；
图7是依照本发明第五实施例的高亮度LED的剖视图；
图8是显示本发明第六实施例的立体图；
图9是显示本发明第七实施例的侧视图；
图10是显示布线盘集合体和基座集合体的立体图；
图11是显示布线盘集合体的和基座集合体的组合步骤的立体图；
图12是显示LED元件装配步骤的立体图；
图13是显示导线焊接步骤的立体图；
图14是显示封装步骤的立体图；
图15是显示切割步骤的立体图；
图16是显示传统LED的立体图；
图17是显示传统LED的剖视图；
具体实施方式
图1是依照本发明第一实施例的高亮度LED的立体图，图2是沿图1的II-II线的剖视图。
高亮度LED20包括：具有长方体并由具备高导热率的铜合金的金属芯材料制成的基座21，以及通过粘合剂22a固定到与散热面21a底面相对的基座顶面的布线盘22。布线盘是半固化片并具有绝缘性能。
一对导电图形23和24通过铜箔形成在布线盘22上。导电图形23和24在各自转角处具有终端部分23a、23b、24a和24b作为连接面。与基座21的散热面21a相对安置终端部分23a、23b、24a和24b，并插入布线盘22和基座21。
具有圆形状的装配开口形成在布线盘22内以裸露基座21顶面的装配区21c。将作为发光芯片的LED元件25装配到装配区21c上并通过具备导热性的银膏25a将其固定到该区。由此，通过银膏25a将LED元件25热连接到基座21。
通过四个引线26a、26b、26c和26d将一对正电极和一对负电极(未示出)电气连接到导电图形23、24。为了得到高亮度LED，较大的驱动电流是必要的。为此，最好通过两个导线分别将强电流施加到LED元件的正电极和负电极。用封装部件将LED元件25、导线26a-26b和部分布线盘22密封起来以保护这些部件。
当驱动电流被施加到导电图形23和24时，通过导线26a-26d将电压施加给LED元件25。从而驱动LED元件25消耗电能以产生能量。部分能量变成光线透过封装部件27放射出来，而大部分能量变成热量从LED元件放射而出。通过银膏25a将LED元件的热量传导到具备优良导热性的基座21。从而将热量有效地传送到的基座21。
如果将具备大热容的散热部件粘附到基座21底面的散热面21a，基座21的热量就被转移到散热部件，由此实现有效的散热。
在该实施例中，虽然提供了一个LED元件，但基座21被做成细长板，可以在基座上装配多个LED元件。并且，可以将多个布线盘22固定到基座21的顶面以便形成装配区21c。
图3是依照本发明第二实施例的高亮度LED的立体图。
用与图1和2中同样的标号表示与第一实施例相同的部分。
高亮度LED30具有具备长方体并由具备高导热率的铜合金的金属芯材料制成的基座31。通过粘合剂将布线盘22固定到基座31的顶面。由于布线盘22、LED元件25和封装部件27与第一实施例的相同，以下省略其说明。
在基座31的底面上形成多个平行散热片31a以增大散热面积。
当驱动电流被施加到的LED元件25时，就驱动LED元件25消耗电能以产生能量。部分能量变成光线透过封装部件27放射而出，而大部分能量变成热量从LED元件放射而出。LED元件的热量被有效地传导到基座31。由于在基座31的底面上提供了多个散热片31a，热量被有效地散发以冷却LED元件25。如果提供一个冷却风扇来冷却LED元件25，就可以更有效地实现散热。可以在基座31的侧壁形成这些散热片。
图4是依照本发明第三实施例的高亮度LED的立体图。
用与图1和2中同样的标号表示与第一实施例相同的部分，并省略其说明。
高亮度LED40具有具备长方体并由具备高导热率的铜合金的金属芯材料制成的基座41。
在基座41的一个侧面形成了与基座底面平行的多个散热圆孔41a。孔41a最好是贯通的。如果将导热材料插入该孔，就可以提高散热效果。
图5是依照本发明第四实施例的高亮度LED的立体图，而图6是沿图5的VI-VI线的剖视图。
用与图1和2中同样的标号表示与第一实施例相同的部分，并省略其部分说明。
高亮度LED50具有具备长方体并由具备高导热率的铜合金的金属芯材料制成的基座51。
在基座51的转角处形成圆柱形突起物51a。在突起物上提供终末部51b作为端电极。布线盘22由于突起物51a而凹陷。终端部分51b的高度大于终端部分23a、23b的高度。
LED元件52具有在其顶面上的正电极52a和在底面上的负电极52b。正电极52a通过导线26a连接到终端部分23a而负电极52b通过基座51电气地连接到突起物51a的终端部分51b。
当从终端部分23a和51b将驱动电流施加到LED元件52时，驱动LED元件52消耗电能以产生能量。部分能量变成光，而大部分能量变成热量从LED元件放射而出。将LED元件的热量有效地传导到基座51以冷却LED元件52。
依照第四实施例，将基座51用作引导部件。因此，可以使用在顶面和底面上具有电极的LED元件。
图7是依照本发明第五实施例的高亮度LED的立体图。
用与图1和2中同样的标号表示与第一实施例相同的部分。
发光设备60包括：第四实施例的高亮度LED20，作为基底的印刷基底61，以及具备导热性的导热部件。
印刷基底61具有在其底面的铜箔导电图形和圆形通孔61b。封装部件27从孔61b伸出并将从LED元件25发射的光线作为放射光63而放射出。利用焊剂61c将导电图形61a电气和机械地连接到终端部分23a、23b、24a和24b。将散热部件62固定到基座21的以热连接到散热面21a。
当通过导电图形61a将驱动电流施加给终端部分23a、23b、24a和24b以将驱动电流供给LED元件25时，驱动LED元件25发光。透过封装部件27将光线作为放射光63放射来。从LED元件散发的热量被传导到基座21和散热部件62。
依照第五实施例，通过基座21将从LED元件散发的热量有效地传导到散热部件62以将热量散发到空气。从而将LED元件中的热量增加控制在最小限度。因此，可以提供一种经受得起强电流驱动以发射高亮度光线的发光设备。此外，依靠散热效果，可以防止由高热引起的LED元件中接头的退化和由高热引起的封装部件27的变色而带来的亮度降低，由此得到具备高可靠性和长寿命的发光设备。
远离基座21的散热面21a来安置连接到终端部分23a、23b、23c和23d的印刷基底61。因此，印刷基底61没有必要具有散热作用，由此，没有必要利用诸如金属芯的具备高导热率的昂贵材料来制作它。从而，可以自由选择诸如玻璃环氧树脂的便宜材料。
为了增强散热部件62的散热效果，最好增大部件的面积或者在部件的表面形成多个突起物。虽然在第五实施例中使用了第一实施例的LED20，但是也可以使用任何另一个实施例的元件。在使用第二实施例的情况下，由于基座31具备较高的散热效果，就没有必要使用散热部件62。
图8是显示本发明第六实施例的立体图。用同样的标号表示与图4显示的第三实施例相同的部分。发光设备70包括：第三实施例的高亮度LED40，一对作为热传导部件的热管71和由具备导热性材料制成的散热盘72。在热管71中，充满具有导热性的液体。
各个热管71的末端插入到基座41的散热孔41a，热管71的另一端固定到散热盘72以便基座41热连接到散热盘72。
当驱动电压施加到LED元件25时，驱动LED元件25发射光线。光线被当作放射光放射而出。通过热管71将从LED元件放射出的热量有效地传导到基座41和散热盘72。
依照第六实施例，将LED元件25装配到具备导热性的基座41上以便热连接，基座41热连接到热管71，热管热连接到散热盘72。散热盘72有效地将传导的热量散发到空气中。从而，可以将LED元件中的热量升高控制在最小限度。因此，可以提供一种经受得强电流驱动以发射高亮度光线的发光设备。
由于可以用热管71彼此隔离热辐射元件40和散热盘72，可以提供在系统中容易组装的热辐射装置。
按照第五实施例，印刷基底(未示出)没有必要具备散热作用，从而没有必要利用诸如金属芯的具备高导热率的昂贵材料来制造基底。
为了增强散热盘72的散热效果，最好改变盘的形状，并可以增加热管71的数量。可以通过具备导热性的粘合剂来连接基座41和热管71。
图9是显示本发明第七实施例的立体图。用同样的标号表示与第一实施例相同的部分。发光设备80包括：多个第一实施例的高亮度LED20，柔性印刷基底81和弓形散热部件82。
柔性印刷基底81具有插入LED20的封装部件27的三个通孔81a、81b和81c。通过焊剂83将印刷基底81的导电图形连接到LED20的终端部分。散热部件82具有三个凹座82a、82b和82c，LED20的基座21插入并固定到各个凹座内以使它们热连接。
当通过印刷基底81将驱动电流施加给高亮度LED20时，LED元件25就发射光线84a、84b和84c。通过基座21将从LED元件25排放的热量传导到散热部件82以便将热量散发。
根据本发明的第七实施例，将一些LED元件25装配到散热部件上以便于热连接。散热部件82有效地将传送的热量散发到空气。由此将LED元件中的热量升高控制在最小限度。因此，可以提供一种经受得强电流驱动以发射高亮度光线的发光设备。
如第五实施例，印刷基底81没有必要具有散热作用，从而没有必要利用诸如金属芯的具备高导热率的昂贵材料来制造它。
在发光设备80中，提供了多个高亮度LED20。因此，例如当安置了红色、黄色和绿色的高亮度LED时，就可以提供用于发射各种颜色光线的发光设备。
由于将高亮度LED20装配到可塑散热部件82上，可以通过将散热部件82弯曲成凸起形状从而聚集或散射所放射的光，如图9所示。
以下，依照图10-15说明同时制造多个高度LED的方法。
图10是显示布线盘集合体90和基座集合体91的立体图。布线盘集合体90由一种绝缘材料制成并具有四个分区。在各个分区中，通过铜蚀刻(etchingof copper)形成导电图形90(91)a并形成了装配孔90b。基座集合体91由具备导热率的金属芯制成。
图11是显示布线盘集合体90和基座集合体91的组合步骤的立体图。通过粘合剂将布线集合体90固定到基座集合体91的表面以形成结合布线盘的基座集合体92。
图12是显示LED元件装配步骤的立体图。将LED元件93装配到结合布线盘的基座集合体92上的装配孔90b的裸露部分，并通过银膏将其固定。
图13是显示导线焊接步骤的立体图。通过四个导线将LED元件93的电极连接到导电图形90a。
图14是显示封装步骤的立体图。通过透明树脂的封装部件95对各个分区中的LED元件93和导线94进行封装。由此，各个LED被固定在结合布线盘的基座集合体92上。
如图16所示，以分区之间的边界对结合布线盘的基座集合体92进行分割以便得到一个单体LED96。
由此，根据本发明，可以以很低的成本同时制造大量LED。
如果封装部件27中包含光散射剂(agent)、荧光物质或光束衰减剂，就可以提供一种在发射光的方向和波长方面不相同的各种高亮度LED和设备。
依照本发明，将LED元件装配在具备高导热率的基座上。因此，可以有效地将LED中产生的热量传导给基座，以便可以提供具备优良散热效果的高亮度LED。
虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但应理解为，本说明书是描述本发明而并非限制由后附的权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种发光二极管包括：
由导热且导电的材料制成的基座(21)，该基座具备上表面、下表面、以及延伸在上表面和下表面之间的周侧面；
至少一个由绝缘材料制成的并固定到基座顶面的布线盘(22)，其中绝缘材料包含设置在布线盘上的至少一个开口；
形成在布线盘上的导电图形(23、24)；
固定到在所述开口中露出的基座的上表面的至少一个发光二极管元件(25)；以及
用于将发光二极管元件电气连接到导电图形的连接装置(26)，
其特征在于，基座是由具有平坦上表面的基本平坦的板制成的，并且发光二极管元件被安装在布线盘的开口中露出的基座的平坦的上表面上。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，连接装置包括多个导线。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括用于保护发光二极管元件的封装部件。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括设置在基座上的散热片。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括设置在基座的侧面上的散热孔(41a)。
6.一种发光二极管包括：
由导热且导电的材料制成的基座(21)，该基座具备上表面、下表面、以及延伸在上表面和下表面之间的周侧面；
至少一个由绝缘材料制成的并固定到基座顶面的布线盘(22)，其中绝缘材料包含设置在布线盘上的至少一个开口；
形成在布线盘上的导电图形(23、24)；
固定到在所述开口中露出的基座的上表面的至少一个发光二极管元件(25)；以及
用于将发光二极管元件电气连接到导电图形的连接装置(26)，
其特征在于，具备导电图形的印刷基底(61)被固定到位于布线盘(22)上的导电图形(23、24)以便电气连接发光二极管和印刷基底，其中导电图形设置在印刷基底的底面。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，印刷基底具有一个用于从发光二极管放射光线的孔(61b)。
8.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，还包括一个固定到基座的下表面的发射部件(62)。
9.一种发光二极管包括：
由导热且导电的材料制成的基座(21)，该基座具备上表面、下表面、以及延伸在上表面和下表面之间的周侧面；
至少一个由绝缘材料制成的并固定到基座顶面的布线盘(22)，其中绝缘材料包含设置在布线盘上的至少一个开口；
形成在布线盘上的导电图形(23、24)；
固定到在所述开口中露出的基座的上表面的至少一个发光二极管元件(25)；以及
用于将发光二极管元件电气连接到导电图形的连接装置(26)，
其特征在于，热管(71)从基座周侧面伸出的；以及
散热部件(72)被固定到热管的末端。
10.一种具有多个发光二极管的发光二极管设备，各个发光二极管包括：
由导热且导电的材料制成的基座(21)，该基座具备上表面、下表面、以及延伸在上表面和下表面之间的周侧面；
至少一个由绝缘材料制成的并固定到基座顶面的布线盘(22)，其中绝缘材料包含设置在布线盘上的至少一个开口；
形成在布线盘上的导电图形(23、24)；
固定到在所述开口中露出的基座的上表面的至少一个发光二极管元件(25)；以及
用于将发光二极管元件电气连接到导电图形的连接装置(26)，
其特征在于，发光二极管设备具有由柔性材料制成的散热部件，并且发光器件被支撑在散热部件表面。
11.一种用于制造发光二极管的方法，包括以下步骤：
制备具有多个布线盘分区的布线盘集合体(90)，以及制备具有与布线盘集合体相同的周轮廓的基座集合体(90)；
在各个布线盘集合体的各个分区形成一个装配孔(90b)，以及在各个分区上设置多个导电图形(90a)；
将布线盘集合体固定到基座集合体；
将至少一个发光二极管元件(93)装配到在每个分区的装配孔中露出的基底集合体上；
通过导线将发光二极管元件和每个分区上的导电图形电气连接；
利用封装部件(95)封装发光二极管元件和每个分区上的导线；以及
切割发光二极管的集合体以制成多个发光二极管。
12.一种发光二极管，包括：
具有导电属性的基座；
由绝缘材料制成的布线盘，其具有至少一个孔并且被固定到基座的上表面；
设置在布线盘上的至少一个导电图形；
包含阳极和阴极的至少一个发光二极管元件，发光二极管元件被固定到布线盘的孔中的基座上；
导线，用于将发光二极管的阳极和阴极之一连接到设置在布线盘上的导电图形，而发光二极管的阳极和阴极中的另一个被电连接到基座；
所述基座在其上表面上具有至少一个突起物。
13.如权利要求12所述的发光二极管，其特征在于，所述突起物是一个终端部分。
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