专利名称：安装在基板上的半导体发光器件和包括空腔和盖板的封装及其封装方法
安装在基板上的半导体发光器件和 包括空腔和盖板的封装及其封装方法发明领域本发明涉及半导体发光器件及其制造方法，更尤其涉及半导体发光 器件的封装和封装方法。
背景技术：
半导体发光器件，例如发光二极管(LED)或者激光二极管广泛地使 用于很多应用中.如本领域技术人员所公知的，半导体发光器件包括一 个或者多个半导体层，它们被配置成当对其加电时发射出相干光和/或不 相干光。还已知的是，通常将半导体发光器件封装，以提供外部电连接、 散热器、透镜或者波导、环境保护和/或其它功能.例如，已知的是，为半导体发光器件提供两片封装，其中将半导体 发光器件安装在包括氣化铝、氮化铝和/或其它材料的14l上，其包括在 其上的电轨迹，以便为半导体发光器件提供外部连接.例如使用胶，闺 绕半导体发光器件，将可能包括镀银的铜的第二基板安装在第一基板 上，可以将透镜放置在半导体发光器件之上的笫二基板上面.在Loh的 申请序列号US2004/0041222A1中描述了如上所述的具有两片封装的发 光二极管，标题为Power surface mount light emitting die package， 2004年3月4日公布，转让给本申请的受让人，其公开的内容在此全部 引作参考，如同在这里全部陈述一样。发明内容本发明的一些实施例提供了半导体发光器件的安装基板，其包括具 有第一和第二相对金属表面的固体金属块.第一金属表面包括在其中的 空腔，其配制成在其中安装至少一个半导体发光器件和将由安装在其中 的至少 一个半导体发光器件发射的光从空腔反射出去，安装基板还包括具有贯穿延伸的孔径的盖子。设置该盖子以匹配地固定到和笫 一金属表 面相邻的固体金属块，使得该孔径和空腔对准。在一些实施例中，第二金属表面包括其中的多个散热片。在一些实施例中，反射涂层设置在空腔中和孔径中。在其它实施例 中，笫一导电轨迹设置在第一金属表面上，第二导电金属轨迹设置在空
腔中，将它们设置成连接到安装在空腔中的至少 一个半导体发光器件. 在一个实施例中，孔径包括在其中的凹槽，将其设置成露出第一表面上 的第一导电轨迹。仍然在另一个实施例中，在第一金属表面上设置绝缘 层，在绝缘层上设置导电层，将导电层构图以提供在空腔中的反射涂层、 和第一和第二导电轨迹。固体金属块可以是具有氧化铝绝缘层的固体铝 块。在其它实施例中，固体金属块是具有陶瓷绝缘层的固体钢块.仍然在本发明的其它实施例中，第一金属表面包括其中的基座，并 且空腔在基座中.仍然在其它的实施例中，固体金属块包括其中的通孔， 其从第一表面延伸到第二表面.通孔包括其中的导电孔，其电连接到第 一或者第二导电轨迹.在本发明的一些实施例中，半导体发光器件安装在空腔中。在其它 的实施例中，透镜跨过空腔延伸.仍然在其它的实施例中，当空腔在基 座中时，透镜跨过基座并跨过空腔延伸.仍然在其它的实施例中，在其 中包括光学元件的柔性膜设置在第一金属表面上，其中光学元件跨过空 腔延伸或者跨过基座并跨过空腔延伸.因此，可以提供半导体发光器件 封装。还可以根据本发明的多个元件提供鳞光体.在一些实施例中，在透 镜或者光学元件的内和/或外表面上设置包括磷光体的涂层.在其它实施 例中，透镜或者光学元件包括分散在其中的磷光体.仍然在其它的实施 例中，在半导体发光器件本身上设置磷光体涂层.还可以提供这些实施 例的组合.还可以在电连接到第一和第二轨迹的固体金属块上设置集成电路。 集成电路可以是发光器件驱动集成电路.可以在空腔和孔径中设置光耦M介.而且，在一些实施例中，覆 盖板包括其中的至少一个新月形控制区，将其设置成控制空腔中的光耦 合媒介的新月形物.本发明的其它实施例提供了用于半导体发光器件阵列的安装基板. 在这些实施例中，第一金属表面包括其中的多个空腔，将其中的每一个 设置成在其中安装至少一个半导体发光器件，并将由安装在其中的至少 一个半导体发光器件发射的光从各个空腔反射出去.第二金属表面可以包括多个散热片。根据上述的任何一个实施例，还可以设置反射涂层、 导电轨迹、绝缘层、基座、通孔、透镜、柔性膜、光学元件、磷光体、 集成电路和/或光耦合媒介，以提供半导体发光器件封装.而且，空腔可 以均匀地和/或不均匀地间隔彼此设置在笫 一表面中，还设置有其中包括 多个贯穿延伸的孔径的盖子，设置该盖子以匹配地固定到和第 一金属表 面相邻的固体金属块，使得各个孔径和各个空腔对准.根据上迷的任何 一个实施例，还可以设置凹槽和/或新月形控制区.根据本发明的一些实施例可以封装半导体发光器件，通过在其第一 表面中制造包括一个或者多个空腔的固体金属块、在第一表面上形成绝 缘层、在其中的至少一个空腔中形成导电层并安装半导体发光器件.将 盖子匹配地固定到和笫 一金属表面相邻的固体金属块上.该盖子包括多 个穿过其延伸的孔径，使得各个孔径和各个空腔对准.可以根据上面所 述的任何一个实施例提供基座、通孔、透镜、柔性膜、光学元件、鳞光 体、集成电路、光耦M介、凹槽和/或新月形控制区.
图H-1H是根据本发明的多个实施例用于半导体发光器件的安装 基板的側视截面困，图2是根据本发明的多个实施例用于制造半导体发光器件的安装基 板的步骤的流程图.图3A和3B是根据本发明的多个实施例半导体发光器件的顶视图和 底视图。图4是根据本发明的多个实施例封装的半导体发光器件的分解透视图.图5是根据本发明的多个实施例封装的半导体发光器件的组装透视图.图6A-6H另一根据本发明的多个实施例的可以和半导体发光器件一 起4吏用的透光学元件的橫截面图.图7是根据本发明的其它实施例的半导体发光器件封装的横截面图。图8是根据本发明的实施例可以用于制成光学元件的模制设备的示 意图.图9和10是根据本发明的多个实施例可以执行封装半导体发光器件 的步骤的流程图。图11A和11B、 12A和12B、 13A和13B是根据本发明的多个实施例 在中间制造步骤中半导体发光器件封装的横截面图。图14是根据本发明的多个实施例半导体发光器件封装及其制造方法 的分解截面图。图15 - 25是根据本发明的多个实施例半导体发光器件封装的横截 面图。图26是根据本发明的多个实施例半导体发光器件封装的透视图. 图27是根据本发明的多个实施例的封装的半导体发光器件的側视截 面图.图28是图27的透视图.图29是根据本发明的其它实施例封装的半导体发光器件的側视截面图。图3 0是根据本发明的多个实施例可以执行封装半导体发光器件的步 骤的流程图，图31是根据本发明的多个实施例安装半导体发光器件的基板的側视 截面图。图32是根据本发明的多个实施例封装的半导体发光器件的側视截面图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施 例。然而，该发明不应当解释为局限到这里所述的实施例.相反，提供 这些实施例，使得该公开将变得更详细和完整，并向本领域技术人员全 面地传送了本发明的范围.在图中，为了清楚起见放大了层和区域的厚 度。全文中相同的数字指代相同的元件。如这里所使用的术语"和/或" 包括相关列表项的一种或者多种的任何一个以及所有组合，并可以缩写 为"/"。这里使用的技术术语仅仅是描述特殊实施例的目的，并不意味着对 本发明的限定.如这里使用的，单数形式"一"、"一个"和"该一个" 意味着也包括多种形式，除非上下文另外清楚地表明.另外将理解的是， 当用在说明书中时，术语"包括"和/或"包含"指明所述特征、区域、 步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或者多个其它特征、 区域、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或者添加.将理解的是，当称元件例如层或者区域在另一个元件"上面"或者
在"其上"延伸时，它可以直接在其它元件的上面或者在其上延伸，或 者还可以存在插入元件。相反，当称元件"直接在另一个元件之上"或 者直接"延伸到另一个元件之上"时，没有插入元件存在.还将可以理 解的是，当称元件"连接到"或者"耦合到"另一个元件时，它可以直 接连接或者耦合到另一个元件或者可以存在插入元件。相反，当称元件 "直接连接到"或者"直接耦合到"另一个元件时，没有插入元件存在.将理解的是，尽管这里可以使用术语笫一、第二等等描述不同的元 件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或 部分不受这些术语的限制.只是使用这些术语区分一个元件、部件、区 域、层或部分和另一个区域、层或者部分.因此，在不超出本发明的教 导的范围时，下面讨论的第一个元件、部件、区域、层或者部分也可以 叫做第二元件、部件、区域、层或者部分.另外，在这里可以使用相对术语，例如"下面"、"底部"或者"水 平，，，以及"上面"、"顶部"或者"垂直"描述如图中所示的一个元 件相对于另一元件的关系.将可以理解的是，相对术语意味着除了图中 所描述的方向之外还包括器件的不同方向，例如，如果将困中的器件翻 转，那么可以将描述为在其它元件"下"側的元件定位在其它元件的 "上"側.因此，根据困的特殊方向，典型术语"下"可以包舍"下" 和"上"的方向.类似地，如果将其中一个图中的器件翻转，那么可以 将描述为"下"或者"下面"的元件定位在其它元件"上面".因此， 典型术语"下"或者"下面"可以包含上和下的方向.这里参考示意性描述本发明的理想实施例的横截面图描述本发明的 实施例.同样，例如，可以预期到由于制造技术和/或误差导致的多种图 形状'因此，本发明的实施例不应当解释为局限于这里所图解的区域的 特殊形状，而是包括例如由于制造导致的形状偏离.例如，困解或者描 述成平面的区域通常可以具有粗糙的和/或非线性的特征.而且，困解的锐角通常可以成为圆形.因此，图中所图解的区域实质上是示意性的， 它们的形状不意味着图解区域的精确性状并且不意味着限制本发明的范围。除非另外限定，这里所使用的术语(包括技术和科技术语)具有和 本发明所属普通技术员通常理解的相同含义.还将理解的是，例如在平 常使用的字典中定义的那些术语应当解释为具有和相关领域的上下文中它们的含义相一致的含义，并且不以理想的或者非常正式的含义解释， 除非在这里清楚地定义。图1A - 1H是根据本发明的多个实施例用于半导体发光器件的安装 基板的侧视截面图。参考图1A，据本发明的多个实施例用于半导体发光 器件的安装基板包括在其第 一金属表面100a中具有空腔110的固体金属 块IOO，其配置成在其中安装半导体发光器件，并将安装在其中的至少一 个半导体发光器件发生的光从空腔110反射出去。在一些实施例中，固 体金属块IOO是固体铝块或者固体钢块.空腔110可以通过机#工、 压印加工、刻蚀和/或其它常规技术形成的.可以配置空腔110的尺寸和 形状，以增强或者优化将来自安装在空腔110中的半导体发光器件的光 从空腔110反射出去的数量和/或方向，例如，可以提供倾斜的側壁110a 和/或半椭圃形的横截面剖面，以便于将由安装在其中的至少一个半导体 发光器件发生的光从空腔IIO反射出去.还可以在空腔側壁和/或地板上 提供附加的反射层，这将在下面描述.仍然参考图1A,固体金属块100的第二金属表面100b包括在其间 的多个散热片190.为了理想的散热可以改变散热片190的数量、间隔 和/或几何形状，这是本领域技术人员公知的.而且，散热片没必要均匀 地间隔开，没必要时直的，横截面没必要是矩形的，并可以使用本领域 公知的技术以一维伸长阵列和/或二维阵列散热片柱设置，每个散热片本 身可以包括在其上的一个或者多个突起叶片.在一些实施例中，金属块 IOO可以是大约6mmx大约9咖并且大约2咖厚的铝或者钢矩形固体金属 块，空腔110可以是大约1.2咖深，具有直径大约为2. 5mm的圃形平面， 具有任何简单或者复杂形状的側壁110a,获得了所需的辐射图案.然而， 块100可以具有其它的多边形和/或椭圃形状.而且，在一些实施例中， 可以提供散热片190的阵列，其中散热片具有2咖的宽度、5mm的节距 和9mm的深度.然而，可以提供很多其它结构的散热片190.例如，可 以在Web at aavid.com上找到很多散热片设计外形.图1B示出了根据本发明的其它实施例的安装基板。如图1B所示， 在固体金属块100的表面上提供电绝缘涂层120。可以在固体金属块的 整个露出表面上提供绝缘涂层120，包括散热片190，或者不包括图1B 所示的散热片190，或者只是在固体金属块的露出表面的很小一部分上. 在一些实施例中，这将在下面描述，绝缘涂层120包括氧化铝(ALOO
薄层，例如其可以通过在固体金属块100是铝的实施例中阳极氧化固体 金属块100来形成。在其它实施例中，绝缘涂层120包括在固体钢块100 上的陶瓷涂层。在一些实施例中，涂层120足够厚以提供电绝缘体，但 是保持足够薄以至于不能够不适当地增加可经过的导热路径.可以使用由IRC Advanced Film Division of TT Electronics, Corpus Christi, Texas销售的，名称为AnothermT"的基板提供包括氧 化铝的绝缘涂层120的铝固体金属块100,例如它们在小册子中描述了 标题为"Thick Film Application Specific Capabilities and Insulated Aluminum Substrates" ， 2002，它们都可以在Web at irctt.com上找到，而且，可以使用由Heatron有限公司，Leavenworth, Kansas销售的，名称为ELP0R 的基板提供具有陶瓷的绝缘涂层120的钢 的固体金属块100，例如它们在小册子中描述了标题为"Metal CorePCBs for LED Light Englines"，它们都可以在Web at heatron. com上找 到，可以根据这里描述的任何实施例在这些固体金属块中提供空腔110 和散热片190.具有绝缘涂层120的其它固体金属块100可以在其第一 金属表面100a中设置有至少一个空腔110，并在本发明的其它实施例中 在第二金属表面100b中设置多个散热片190.现在参考图1C,第一和第二间隔分开的导电轨迹130a、 130b设置 在空腔110中的绝缘涂层120上.将笫一和第二间隔分开的导电轨迹 130a、 130b配置成连接到安装在空腔110中的半导体发光器件.如图1C 所示，在一些实施例中，第一和第二间隔分开的导电私逆130a、 130b可 以从空腔110延伸到固体金属块100的笫一表面100a上.当仅仅在固 体金属块100的一部分上提供绝缘涂层120时，它可以设置在第一和笫 二间隔分开的导电轨迹130a、 130b与固体金属块100之间，由此使得第 一和笫二间隔分开的导电轨迹130a、 130b与固体金属块100绝缘.图1D示出了本发明的其它实施例，其中第一和第二间隔分开的导电 轨迹130a，、 130b，从空腔IIO延伸到围绕金属块的至少一側100c的笫一 表面100a并且延伸到和笫一表面100a相对的固体金属块的笫二表面 100b。因此，可以提供背面的接触。在本发明的一些实施例中，第一和第二间隔分开的导电轨迹130a、 130b和/或130a，、 130b，包括金属，并且在一些实施例中，包括反射金 属例如银。因此，在本发明的一些实施例中，在绝缘层120提供导电层，
构图该导电层以提供在空腔110中的反射涂层、和第一和笫二导电轨迹 130a、 130b，设置该第一和第二导电轨迹130a、 130b以连接到安装在 空腔110中的至少一个半导体发光器件.在其它实施例中，如在图1E中所示的，可以在第一和第二间隔分开 的导电轨迹130a，、 130b，和/或空腔110中提供一个或者多个分开的反射 层132a、 132b.在这些实施例中，导电轨迹130a，、 130b，可以包括铜， 并且反射层132a、 132b可以包括银.相反，在图1C和/或1D的实施例 中，导电轨迹可以包括银以提供集成反射器，在又一个其它的实施例中，不需要提供分开的反射层.而是，包括 侧壁110a的空腔110的表面可以提供足够的反射率.因此，几何地配置 空腔110，以将由安装在其中的至少一个半导体发光器件发射的光反射出 去，例如通过在空腔110的倾斜側壁110a和/或地板上提供倾斜側壁 110a、反射倾斜側壁110a和/或反射涂层132a和/或132b， ^吏得空腔的 尺寸和/或側壁几何形状起到将由安装在空腔110中的至少一个半导体发 光器件发射的光从空腔IIO反射出去的作用.通过在空腔IIO中附加反 射涂层132a和/或132b可以提供或者增强反射.在本发明的又一个其它实施例中，如图1F所示的，可以通过第一和 /或第二通孔140a和/或140b提供背面接触，这些通孔可以通过机# 工、刻蚀和/或其它常规技术形成，而且，如图1F所示，绝缘涂层120 延伸到通孔140a和140b中。第一和笫二导电孔142a、 142b提供在第一 和第二通孔140a、 140b中，并通过通孔140a、 140b中的绝缘涂层120 和固体金属块IOO绝缘.在图1F中，通孔140a、 140b和导电孔142a和142b从空腔110延 伸到第二表面100b中，通孔140a、 140b可以垂直于和/或倾斜于第一和 第二表面100a、 100b,笫一和笫二间隔分开的导电轨迹130a，、 130b，可 以被提供在空腔IIO中，并电连接到相应的第一和第二导电孔142a、 142b'在第二个表面100b上，还可以提供电连接到相应的第一和第二导 电孔142a、 142b的第三和第四间隔分开的导电轨迹130c、 130d.在一 些实施例中可以提供焊料掩模层，以隔离第二表面100b上的笫三和笫四 导电轨迹130c、 130d，从而便于电路板组装，焊料掩模层是本领域技术 人员公知的，不需要在这里描述。如图1F所示，可以在固体金属块IOO 的中心和/或边缘，也就是空腔110的附近和/或偏移处提供散热片190。
在图1F的实施例中，第一和第二通孔140a、 140b和第一和第二导 电孔142a、 142b从空腔IIO延伸到第二表面100b.在图1G的实施例中， 第一和第二通孔140a，、 140b，和第一和第二导电孔142a，、 142b，从空腔 IIO外面的第一表面100a延伸到第二表面100b。通孔140a，、 140b，可以 垂直于和/或倾斜于第一和笫二表面100a、 100b.第一和第二间隔分开 的导电轨迹130a"、 130b"从空腔IIO延伸到第一表面100a上的相应第 一和笫二导电孔142a，、 142b，.在笫二表面100b上提供电连接到各自笫 一和第二导电孔142a，、 142b，的第三和第四轨迹130c，、 130d，.如图1G 所示，可以在固体金属块100的中心和/或边缘，也就是空腔110的附近 和/或偏移处提供散热片190.图1H示出了结合困1D描述的本发明的实施例，其进一步包括安装 在空腔中并连接到第一和第二间隔分开的电轨迹130a，、 130b，的半导体 发光器件150。而且，图1H示出了在其它实施例中，透镜170横跨空腔 延伸。在又一个其它的实施例中，在半导体发光器件150和透镜170之 间提供密封剂160,密封剂160可以包括纯的环氣树脂并可以增强从半 导体发光器件150到透镜170的光耦合.密封刑160在这里还被称作光 耦合媒介.在一些实施例中，在固体金属块100上提供透镜保持器180, 以保持透镜170跨越空腔110.在其它实施例中，可以不使用透镜保持 器180.半导体发光器件150可以包括发光二极管、激光二极管和/或可能包 括一个或者多个半导体层的其它器件，其可以包括硅、碳化硅、氮化镓 和/或其它半导体材料，基板，其可以包括蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓 或者其它微电子基板，和一个或者多个接触层，其可以包括金属和/或其 它导电层.半导体发光器件的设计和制造是本领域技术人员公知的.例如，发光器件150可以是氮化镓基的LED或者在碳化硅基板上制 造的激光器，例如由Durham, North Carolina的Cree有限公司制造和 出售的那些器件，例如，本发明可适用于和在美国专利号6201262， 6187606， 6120600， 5912477， 5739554, 5631190， 5604135， 5523589， 5416342， 5393993, 5338944， 5210051， 5027168, 5027168， 4966862 和/或4918497中描述的LED和/或激光器一起使用，其公开的内容在这 里引作参考，如同完全在这里陈述。其它适当的LED和/或激光器在公开 的美国专利y^开号US2003/0006418Al中7〉开，其标题为"Crow/ 瓜
5^rwc&rw"，
公开日期为2003年1月9日，并还在公开的美国专利
发明者D·B·斯拉特, G·H·内格利 申请人:克里公司