用于互连发光半导体的覆盖式电路结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于互连发光半导体的覆盖式电路结构。公开了用于封装发光半导体(LES)的系统和方法。提供LES装置，其包括散热器和LES芯片阵列，该LES芯片阵列安装在散热器上并且电连接到散热器上，其中，各个LES芯片包括连接垫和发光区域，发光区域构造成响应于接收的电功率而从其中发射光。LES装置还包括柔性互连结构，其定位在各个LES芯片上并且电连接到各个LES芯片上，以提供LES芯片阵列的受控操作，其中，柔性互连结构进一步包括：柔性介电膜，其构造成与散热器的形状相一致；以及金属互连结构，其形成在柔性介电膜上，并且延伸通过形成在柔性介电膜中的通路，以便电连接到LES芯片的连接垫上。
【专利说明】用于互连发光半导体的覆盖式电路结构
【技术领域】
[0001]本发明的实施例大体涉及用于封装发光半导体装置的结构和方法，并且更具体地，涉及用于互连发光半导体装置的柔性覆盖式电路结构。
【背景技术】
[0002]功率半导体装置是用作诸如例如切换模式电源的功率电子电路中的开关或整流器的半导体装置。大多数功率半导体装置仅在整流模式中使用(即，它们是或者打开或者闭合的)，并且因此针对这个而被优化。一个这种装置是半导体发光装置，其中，主要实例是发光二极管(LED)。LED是封装成响应于施加的电压或电流而发光的半导体芯片。这些LED使用在诸如汽车、显示器、安保/应急和定向区域照明的许多商业应用中。LED可利用发射可见光、紫外光或红外光的任何材料制造。目前，LED典型地装配到绝缘金属衬底上。绝缘金属衬底(MS)包括被介电材料薄层(例如，环氧树脂基层)和铜层覆盖的金属基板(例如，铝基板)，其中，接着，基板附接到散热器上以提供冷却。接着，LED芯片/晶粒(die)的一个面典型地焊接或以银粘合剂的方式附接到MS铜上，并且另一个端子/面丝焊到IMS上。备选地，LED芯片可以以第一级封装来封装，接着，其可焊接到MS上。在该第一级封装中，LED芯片的一个面焊接或以银晶粒的方式附接到衬底(金属化陶瓷或聚合物)上的垫上，另一个端子/面经由丝焊附接到同一衬底上的另一个垫上。该第一级封装可任选地包括散热块。
[0003]然而，认识到，将LED阵列装配在MS上和将LED芯片/晶粒丝焊到MS上的现有方法存在若干缺点。例如，已知LED可制造成用于具有弯曲表面或形状的各种产品中，该各种产品包括照明产品，诸如圆形灯泡、探照灯、圆柱形闪光灯等。在这种产品中，可能难以将LED芯片/晶粒丝焊到MS的弯曲表面上。作为另一个实例，认识到，MS的形成因素将LED阵列的应用或实施限制于仅用作定向光源，而可能合乎需要的是LED阵列以更复杂形状(诸如普通白炽灯照明中典型的形状)应用或者实施。作为又一个实例，认识到，IMS中的介电材料层可添加不必要的热阻，其可不利地影响LED阵列的性能和/或效率。
[0004]因此，合乎需要的是，提供一种半导体发光装置封装，其没有与安装在标准MS上相关联的约束和缺点。进一步合乎需要的是，这种半导体发光装置封装能够适于多个复杂形状并且与该多个复杂形状相一致，并且消除与丝焊相关联的限制。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例通过提供用于连接发光半导体芯片阵列的柔性互连结构而克服上述缺点。
[0006]根据本发明的一个方面，一种发光半导体(LES)装置包括散热器和LES芯片阵列，LES芯片阵列安装在散热器上并且电连接到该散热器上，各个LES芯片包括前表面和后表面，其中，前表面包括发光区域，其构造成响应于接收的电功率而从其中发射光，并且其中，前表面和后表面中的至少一个在其上包括连接垫。LES装置还包括柔性互连结构，其定位在各个LES芯片上并且电连接到各个LES芯片上，以提供LES芯片阵列的受控操作，其中，柔性互连结构进一步包括:柔性介电膜，其构造成与散热器的形状相一致；以及金属互连结构，其形成在柔性介电膜上，其中，金属互连结构延伸通过形成为通过柔性介电膜的通路，以便电连接到LES芯片的连接垫上。
[0007]根据本发明的另一方面，一种多向照明装置包括具有弯曲轮廓的散热器和发光半导体(LES)芯片阵列，发光半导体(LES)芯片阵列固定到散热器上以便电连接到该散热器上，其中，LES芯片阵列布置成以便具有与散热器的轮廓大致相匹配的弯曲轮廓，并且其中，各个LES芯片包括前表面，其包括连接垫和发光区域，该发光区域构造成响应于接收的电功率而从其中发射光。多向照明装置还包括柔性互连结构，其定位在LES芯片阵列上，并且电连接到LES芯片中的各个上，其中，柔性互连结构进一步包括:柔性介电膜，其构造成与LES芯片阵列的弯曲轮廓相一致；以及金属互连结构，其形成在柔性介电膜上，金属互连结构延伸通过形成为通过柔性介电膜的通路，以便电连接到LES芯片的连接垫上。
[0008]根据本发明的又一个方面，一种形成发光半导体(LES)装置的方法包括:提供形成LES阵列的多个LES芯片；以及使柔性介电膜连接到LES阵列中的多个LES芯片中的各个上，其中，柔性介电膜构造成弯曲，以便大致与LES阵列的轮廓相一致。该方法还包括在柔性介电膜上形成金属互连结构以电连接多个LES芯片，其中，金属互连结构延伸通过柔性介电膜中的通路，以便电连接到LES芯片的接触垫上。该方法进一步包括将多个LES芯片固定到散热器上，使得多个LES芯片电连接到散热器上，并且使得LES阵列具有与散热器的轮廓相匹配的轮廓。
[0009]根据结合附图提供的本发明的优选实施例的下列详细描述，这些和其他的优点和特征将更容易理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]附图示出目前设想用于实施本发明的实施例。
[0011]在附图中:
[0012]图1是根据本发明的实施例的发光半导体(LES)装置的截面图，该LES装置包括LES芯片阵列和定位在圆柱形散热器周围的柔性互连结构。
[0013]图2是根据本发明的实施例的图1的LES装置的一部分在径向向内看时的平面图。
[0014]图3是根据本发明的实施例的图1的LES装置的一部分的另一个平面图。
[0015]图4是根据本发明的实施例的图1的LES装置的LES芯片和柔性互连结构的示意截面图。
[0016]图5是根据本发明的另一个实施例的图1的LES装置的LES芯片和柔性互连结构的示意截面图。
[0017]图6是根据本发明的另一个实施例的LES装置的LES芯片和柔性互连结构的示意截面图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的实施例提供具有柔性互连结构的发光半导体(LES)装置。柔性互连结构提供呈各种复杂形状的LES芯片阵列的布置，其中，构造成围绕这种复杂形状而相一致的柔性互连结构还将为LES芯片提供坚固的互连。柔性互连结构消除对LES装置中的传统绝缘金属衬底(MS)和丝焊的需要。根据本发明的实施例，LES装置可结合发光二极管(LED)芯片或其他合适的非二极管型发光半导体芯片，并且所有这种实施例被认为在本发明的范围内。
[0019]参考图1，示出根据本发明的实施例的发光半导体(LES)装置10。LES装置10包括LES芯片或晶粒12阵列，其以特定的型式和形状布置，以提供待由LES装置10产生的期望照明覆盖区。根据本发明的示范实施例，LES芯片12呈发光二极管(LED)芯片的形式，但是认识到LES芯片12还可呈其他合适的非二极管型发光半导体芯片的形式。LES芯片12阵列可以以圆柱形方式布置(如图1所示)，以提供多向照明装置，或者可以以任何其他期望的方式/型式布置。根据图1中示出的实施例，LES装置10呈多向照明装置的形式，该多向照明装置提供在360度区域或范围上的照明(即，LES芯片12定位/布置成在360度区域上发光)，使得LES装置10与例如白炽灯泡型照明装置相似地构建/构造。然而，认识到，LES芯片12阵列可按照诸如可在圆形灯泡、探照灯或圆柱形闪光灯中发现的许多布置设置。如图1所示，LES芯片12阵列绕着散热器14定位，并且经由例如焊料或银环氧树脂层16固定到散热器14上。散热器14可由铝或另一种合适材料形成，以通过将在LES装置10的操作期间产生的热从LES芯片12阵列吸走而为LES芯片12阵列提供冷却。散热器14还可包括翅片或通道，空气或液体可穿过翅片或通道以增强冷却。
[0020]除了充当冷却机构，散热器14还取决于LES装置10的构造而形成LES装置的阴极或阳极的部分，并且由此起到用于LES芯片12的阳极或阴极连接件的作用。就是说，当LES芯片12直接附接到散热器14上(经由焊料/银环氧树脂层16)而不在其之间包括介电层(例如，绝缘金属衬底)(诸如在图1的现有技术装置中)时，散热器14可起到阴极或阳极连接件的作用。
[0021]在LES装置10中还包括柔性互连结构18，柔性互连结构18起作用以提供LES芯片12阵列的受控操作。柔性互连结构18形成在LES装置10的向外面向表面上，即在LES芯片12的前表面20上，光在LES装置的操作期间从LES芯片12的前表面20发射。柔性互连结构18大体与LES芯片12阵列的布置的形状/型式相一致。因此，如在图1中看到的，例如，柔性互连结构18具有大体圆形/圆柱形的轮廓，其与安装在圆柱形地成形的散热器14上的LES芯片12阵列的轮廓相匹配。
[0022]在图2-4中提供柔性互连结构18的更详细视图。如图2-4所示，柔性互连结构18包括多个金属互连件22 (即，铜迹线(copper trace)),其形成到柔性膜24上,并且在型式上进行了设置。根据本发明的实施例，柔性膜24由介电材料组成，并且可由诸如聚酰亚胺、环氧树脂、聚对二甲苯、硅酮等的材料形成。根据一个实施例，柔性膜24呈预成形层压片或膜的形式，该预成形层压片或膜由如下材料形成:Kapton?、Ultem?、聚四氟乙烯(PTFE)、upilex?、聚砜材料(例如，Udel?、Radel?)或另一种聚合物膜，诸如液晶聚合物(LCP)或聚酰亚胺材料。因此，在本发明的一个实施例中，柔性膜24可形成/设置成具有粘合性能，以便直接粘附到阵列中的各个LES芯片12上。然而，认识到:可选地，可在柔性介电膜24和LES芯片12阵列之间包括单独的粘合层(未示出)以将构件粘附在一起。
[0023]如图4所示，柔性膜24选择性地在型式上设置成在其中形成多个通路26。通路26形成在与形成在LES芯片12上的连接垫(即，接触垫)28对应的位置处，以便暴露连接垫28，可通过连接垫28形成到LES芯片12的电连接。根据本发明的一个实施例，通路26经由激光消融或激光钻孔工艺形成为通过柔性膜24，该激光消融或激光钻孔工艺在柔性膜24施加到LES芯片12上之后执行。备选地，通路/开口 26可经由激光消融或激光钻孔工艺预先形成在柔性膜24中，该激光消融或激光钻孔工艺在柔性膜24施加到LES芯片12上之前执行。根据本发明的附加实施例，还认识到，通路26可经由其他方法形成，该其他方法包括等离子蚀刻、光界定(photo-definition)或机械钻孔工艺。
[0024]如在图4中进一步示出的，柔性互连结构18的金属互连件22沿着柔性膜24的顶表面形成，并且还形成在通路26中的各个内，以向下延伸通过该通路26中的各个到LES芯片12上的连接垫28。因此，金属互连件22形成到连接垫28的直接金属连接和电连接。根据一个实施例，经由这样形成金属互连件22:诸如通过溅射或电镀工艺施加金属层/材料，并且接着使施加的金属材料在型式上设置成具有期望形状的金属互连件22。根据一个实施例，通过经由溅射工艺施加钛粘附层和铜种层，随后通过将附加的铜电镀在其上以增大金属互连件22的厚度和形成铜迹线，而形成金属互连件22。
[0025]如图2-4所示，根据本发明的一个实施例，金属互连件22和柔性膜24均形成为和在型式上设置为还在其中包括多个开口 30。开口 30在与LES芯片12相邻的区域中形成在柔性互连结构18中，其中，开口 30形成窗口，LES芯片12的前表面20上的起作用区域32 (即，发光区域)通过该窗口暴露。根据本发明的实施例，窗口 /开口 30可保持敞开或者填充有密封剂(例如，硅酮)以保护起作用区域32。因此，从LES芯片12的起作用区域32发射的光被允许穿过柔性互连结构18的窗口 30而没有来自柔性膜24或金属互连件22的任何干扰。根据本发明的实施例，金属互连件22形成为包括涂覆在其外表面上的反射材料(例如，铝等)膜34。涂覆膜34构造成在关注的波长区域中具有高光谱反射率，以便在LES装置10中将反射增加到最大和减少光损耗。因此，LES装置10的光学性能可通过在金属互连件22上包括反射膜34而提高。
[0026]根据本发明的另一个实施例，并且如图5所示，柔性互连结构18的柔性膜24以连续层的形式设置而没有在其中形成任何开口(诸如开口 30)。在这种实施例中，柔性膜24由允许光穿过其中(即，高光学透射性)的透明介电材料形成。形成透明柔性膜24的材料应当进一步进行选择，以与周围介质(即，空气或硅酮密封剂)的光学性能相匹配，以便将在其与周围介质的交接部处的反射减到最小。更特别地，透明柔性膜24构造成使得膜内的全内反射(TIR)被避免，其中，入射角低于临界角以便避免TIR。
[0027]因此，从LES芯片12的起作用区域32发射的光被允许穿过柔性互连结构18的柔性膜24而没有来自柔性膜24的任何干扰。根据本发明的实施例，透明柔性膜24可具有粘合性能，以便直接粘附到阵列中的各个LES芯片12上。然而，认识到，备选地，可在透明柔性膜24和LES芯片12阵列之间包括单独的透明粘合层(未示出)以将构件粘附在一起，其中，粘合剂具有与透明膜的光学性能密切地相匹配的光学性能。当柔性膜24可因此形成为连续介电材料层时，认识到，金属互连件22形成为和在型式上设置成在与LES芯片12的起作用区域32相邻的区域中形成窗口 /开口，使得金属互连件22不干扰从起作用区域32发射的光。
[0028]现在参考图6，示出LES装置10的附加实施例，其中，LES芯片12包括在其后侧/后表面上而不是在前表面上的接触垫28。在这种实施例中，柔性互连结构18沿着LES芯片12阵列的后表面形成，并且定位在LES芯片12和散热器14之间。柔性互连结构18包括形成到柔性膜24上且在型式上进行了设置的金属互连件22，其中，互连件延伸通过形成在膜24中的通路26，以便延伸通过通路26到LES芯片12上的连接垫28。在图6的实施例中，金属互连件22用作与散热器14的电互连件，并且还用作在LES芯片12和散热器14之间的“热扩散器”(即，热再分布层)。如图6所示，为了提供双层POL互连结构18，将诸如第二柔性介电膜层或焊接掩膜的附加层36添加到互连结构18上。硅密封剂38定位在LES芯片12的发光表面上以对其提供保护。
[0029]有利地，将柔性互连结构18结合在LES装置10中允许使LES芯片12阵列以各种复杂形状布置。就是说，柔性互连结构18可围绕复杂形状(诸如例如普通白炽灯照明中典型的形状)而相一致，其中，柔性互连结构18还为LES芯片12提供坚固的互连。柔性互连结构18还消除对LES装置中的传统丝焊和绝缘金属衬底(MS)的需要，由此在LES阵列12和LES驱动器电子设备之间提供低电阻和低电感的互连件。在消除MS的情况下，当LES芯片12直接安装到散热器14上而在其之间不存在介电层时，LES装置10中的热阻减小，因此提供具有改进的热性能和较高流明输出的LES装置10。
[0030]因此，根据本发明的一个实施例，一种发光半导体(LES)装置包括散热器和LES芯片阵列，LES芯片阵列安装在散热器上并且电连接到该散热器上，各个LES芯片包括前表面和后表面，其中，前表面包括发光区域，其构造成响应于接收的电功率而从其中发射光，并且其中，前表面和后表面中的至少一个在其上包括连接垫。LES装置还包括柔性互连结构，其定位在各个LES芯片上并且电连接到各个LES芯片上，以提供LES芯片阵列的受控操作，其中，柔性互连结构进一步包括:柔性介电膜，其构造成与散热器的形状相一致；以及金属互连结构，其形成在柔性介电膜上，其中，金属互连结构延伸通过形成为通过柔性介电膜的通路，以便电连接到LES芯片的连接垫上。
[0031]根据本发明的另一个实施例，一种多向照明装置包括具有弯曲轮廓的散热器和发光半导体(LES)芯片阵列，发光半导体(LES)芯片阵列固定到散热器上以便电连接到该散热器上，其中，LES芯片阵列布置成具有与散热器的轮廓大致相匹配的弯曲轮廓，并且其中，各个LES芯片包括前表面，其包括连接垫和发光区域，该发光区域构造成响应于接收的电功率而从其中发射光。多向照明装置还包括柔性互连结构，其定位在LES芯片阵列上，并且电连接到LES芯片中的各个，其中，柔性互连结构进一步包括:柔性介电膜，其构造成与LES芯片阵列的弯曲轮廓相一致；以及金属互连结构，其形成在柔性介电膜上，金属互连结构延伸通过形成为通过柔性介电膜的通路，以便电连接到LES芯片的连接垫。
[0032]根据本发明的又一个实施例，一种形成发光半导体(LES)装置的方法包括:提供形成LES阵列的多个LES芯片；以及使柔性介电膜连接到LES阵列中的多个LES芯片中的各个上，其中，柔性介电膜构造成弯曲，以便大致与LES阵列的轮廓相一致。该方法还包括在柔性介电膜上形成金属互连结构以电连接多个LES芯片，其中，金属互连结构延伸通过柔性介电膜中的通路，以便电连接到LES芯片的接触垫上。该方法进一步包括将多个LES芯片固定到散热器上，使得多个LES芯片电连接到散热器上，并且使得LES阵列具有与散热器的轮廓相匹配的轮廓。
[0033]虽然仅结合有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受前述描述的限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1.一种发光半导体(LES)装置(10)，包括: 散热器(14)； 成阵列的LES芯片(12)，其安装在所述散热器(14)上并且电连接到所述散热器(14)上，各个LES芯片(12)包括前表面和后表面，其中，所述前表面包括发光区域(32)，其构造成响应于接收的电功率而从其中发射光，并且其中，所述前表面和所述后表面中的至少一个在其上包括连接垫(28);以及 柔性互连结构(18)，其定位在各个LES芯片(12)上并且电连接到各个LES芯片(12)上，以提供所述成阵列的LES芯片(12)的受控操作，所述柔性互连结构(18)包括: 柔性介电膜(24)，其构造成与所述散热器(14)的形状相一致；以及 金属互连结构(22)，其形成在所述柔性介电膜(24)上，所述金属互连结构(22)延伸通过形成为通过所述柔性介电膜(24)的通路(26)，以便电连接到所述LES芯片(12)的连接垫(28)上。
2.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述散热器(14)构建成具有弯曲表面和平坦表面中的一个，并且其中，所述成阵列的LES芯片(12)的布置遵从所述散热器(14)的表面。
3.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述散热器(14)构建成具有圆形形状，使得安装在其上的所述成阵列的LES芯片(12)定位成在360度区域上发射光。
4.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述金属互连结构(22)在型式上设置成在其中包括与各个相应LES芯片的发光区域(32)的位置对应的开口(30)。
5.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述散热器(14)构造成在所述LES装置(10)中起到阳极连接件或阴极连接件的作用。
6.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述柔性介电膜(24)包括形成在其中的、与各个相应LES芯片的发光区域(32)的位置对应的多个开口(30)。
7.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述柔性介电膜(24)包括透明膜，其构造成允许从各个相应LES芯片的发光区域(32)发射的光穿过其中。
8.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述连接垫(28)形成在所述LES芯片(12)的前表面上，并且其中，所述柔性互连结构(18)定位在所述LES芯片(12)的前表面上。
9.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述连接垫(28)形成在所述LES芯片(12)的后表面上，并且其中，所述柔性互连结构(18)定位在所述LES芯片(12)的后表面上，其中，所述金属互连结构(22)电连接所述LES芯片(12)和所述散热器(14)，并且包括在所述LES芯片(12)和所述散热器(14)之间的热扩散器。
10.根据权利要求1所述的LES装置(10)，其特征在于，所述金属互连结构(22)包括涂覆在其外表面上的反射膜(34)，所述反射膜(34)构造成增大所述金属互连结构(22)的光谱反射率，以便在所述LES装置(10)中将反射增加到最大和减少光损耗。
【文档编号】H01L33/48GK103715330SQ201210478561
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】A·V·高达, D·P·坎宁安, S·S·乔罕 申请人:通用电气公司