用于具有近间距LED芯片的倒装芯片LED的封装的制作方法

本发明总体涉及用于包含发光二极管(lightemittingdiode，led)的照明装置的封装，尤其涉及用于具有近间距led芯片的倒装芯片led(flip-chipled)的封装。

背景技术：

光学扩展量量化光束的尺寸和角度扩展。在光源的情况下，通过将该光源的面积与所发射光束的立体角相乘来计算光学扩展量。光学扩展量遵守如下守恒原理：给定特定光源，在不引起光损失的情况下无法减小光学扩展量。

在一些情景中，诸如舞台照明，特别期望低光学扩展量，因为具有低光学扩展量的照明装置提供对舞台的特定部分的照明的更多控制。低光学扩展量结合控制各个照明装置的颜色和亮度的能力可让作品设计者实现预期效果，诸如聚光照明舞台集合的特定演员或部分，以不同颜色照亮不同区域等等。

基于led的照明技术提供节能且可定制的剧场照明的前景。如在本文中所使用的led(或“led芯片”)指的是发光二极管，即响应于电流而发光的半导体器件。led通常发射窄带光，该窄带光具有取决于led的具体构造的中心频率。目前，在商业上可购得处于跨越从红色到紫色的可见光光谱的各种波长的led；在商业上也可购得红外led和紫外led。led芯片通常被制造成包括发光面(其可以被认为是“顶”表面)和至少两个金属接合焊盘，这至少两个金属接合焊盘通常置于led芯片的顶表面和/或底表面上。在一些情况下，led的一些或全部发光面可以涂覆有波长偏移材料(例如荧光剂)，该波长偏移材料使由led发射的一些光偏移到更长波长。例如，可以通过将黄色荧光剂材料施加到蓝色led芯片或通过提供有组合波长的光的其它过程来得到“白色”led。

在应用中，led通常被封装到称为“发射器”的结构中。如在本文中所使用的，“发射器”指的是包括led(一个或多个)和附加结构的结构，这些附加结构提供对该led(一个或多个)的机械和电气支撑以及从该led(一个或多个)散发的热传递。例如，发射器通常包括基板(例如陶瓷基板)，该基板可以有图案化的电接触件。可以将led(一个或多个)安装在基板上且接合到一些电接触件；其它电传导件可以用于将发射器连接到电流源以驱动该led(一个或多个)。发射器还可以包括置于led(一个或多个)之上的盖，以保护该led(一个或多个)免受元件影响同时允许光泄漏。该盖可以为光学透明的且可以包含波长偏移元件、聚焦或散焦元件(例如提供透镜行为的凹凸表面)、漫射元件等。发射器通常提供暴露的电接触件，这些电接触件可以连接到外部电源以将操作电流传送到led(一个或多个)。

现有的发射器通常对于剧场照明和期望低光学扩展量的其它情景来说不是最佳的。例如，为了产生用在剧场情景中的足够明亮的光，通常要求光源包括大量的led，并且热性能和电性能的要求可能限制发射器中的led的密度。对于给定亮度，对led的密度的限制转化为关于光源面积的下限，这可能非预期地增大光学扩展量。因此，期望具有减小的光学扩展量的基于led的照明装置。

技术实现要素：

减小基于led的照明装置的光学扩展量需要关注多个考虑因素。例如，为了操作，发射器中的每个led电连接到电流源。在用于剧场照明的发射器的情况下，可能期望在发射器中包括多种不同颜色(例如红色、绿色、蓝色和可能的其它颜色(诸如琥珀色、蓝绿色和/或白色)的组合)的led，其中，每种颜色的led独立地接收电流，从而允许通过将不同电流供应给led的不同子集来控制输出光的颜色。但是将不同电流供应给不同led需要将电流通路分给不同led；简单地串联(或并联)连接全部led将不允许颜色控制。另外，为了利用表面积小的光源产生强光，需要使用具有高操作电流的led。这类led产生巨大量的热量，该热量必须被传递出去以便防止对led的损坏。

本发明的某些实施方式提供用于基于led的照明装置的发射器，这些发射器解决这些挑战和其它挑战。例如，本文中所描述的发射器包含“倒装芯片”led，其中，所有电接触件设置于芯片的底表面(在主要发光表面的对面)上。在其它优势中，倒装芯片led的使用消除了在相邻led之间留下空间以容纳用于引线接合的接合焊盘的需求。在一些实施方式中，发射器具有作为基底的多层高温共烧陶瓷(hightemperaturecofiredceramic，htcc)基板，该基板具有形成在各层之间的金属迹线(或通路)和穿过各层以连接不同层中的迹线的通孔，从而提供与各个led的电连接。通路可以被布置成使得可以独立地将电流供应到led的不同子集或组。(应理解，一“组”led可以包括任何数量的led，包括仅一个led。)htcc基板的顶层被制造为在顶表面处具有暴露的通孔。然后将金属焊盘印制到顶表面上的暴露的通孔上，以及例如使用焊料将倒装芯片led接合到金属焊盘。受限于焊盘印制和led放置过程的精度，相邻led之间的间距可能很小，例如为20μm。在一些实施方式中，处于发射器内的led阵列的外围的一些或全部led可以为倒装芯片led或引线接合led，而在“中央”位置上的led(完全被其它led包围)为倒装芯片led。在其它实施方式中，发射器内的全部led为倒装芯片led。

在一个制作用于发射器的基板的过程中，制造多层htcc基板，该多层htcc基板具有形成在各层之间的金属迹线和穿过各层而形成的通孔。在制造和冷却之后，抛光并清洁基板的顶表面。在该阶段，顶表面具有暴露的通孔。例如使用用于将金属图案印制到半导体器件上的技术，将图案化金属层印制到该顶表面上。该图案化金属层包括用于倒装芯片led的接合焊盘。在一些实施方式中，上部结构可以例如通过将适当塑形的一层或多层htcc或其它材料接合到基板的顶表面而形成或附接在基板的顶表面之上。在印制图案化金属层(且形成上部结构(如果适用))之后，可以施加焊料预制件，以及可以将led放置在该焊料预制件之上。可以使用回流工艺熔化焊料，从而将led接合到基板并建立期望的电连接。可以例如通过将盖密封到上部结构而在led之上施加盖。

以下详细描述连同附图一起提供对所请求保护的发明的本质和优势的进一步理解。

附图说明

图1为在剧场照明中常规使用的一种发射器的简化俯视图。

图2a和图2b示出根据本发明的实施方式的发射器的简化俯视图。

图2c示出在本发明的一些实施方式中可使用的代表性倒装芯片led的仰视图。

图3示出根据本发明的实施方式的发射器的简化侧面横截面视图。

图4示出根据本发明的另一实施方式的发射器的简化俯视图。

图5为根据本发明的实施方式的用于制造发射器的过程的流程图。

具体实施方式

图1为剧场照明中常规使用的一种发射器100的简化俯视图。发射器100包括基板102。基板102可以为多层结构，例如低温共烧陶瓷(lowtemperaturecofiredceramic，ltcc)结构，其中，内部金属迹线提供在中央金属焊盘104和外围金属焊盘106中的各个金属焊盘之间的连接。led108a-p安装在基板102上。各个led108a-p可以是常规设计且可以包括底表面接合焊盘(未示出)和顶表面接合焊盘110。每个顶表面接合焊盘110通过引线接合件112接合到中央金属焊盘104之一；下表面接合焊盘接合到基板102的顶表面上的相应焊盘(未示出)。

发射器100示出了在传统发射器中伴随减小光学扩展量而出现的一些困难。例如，一种减小光学扩展量的方式是通过减小光源的尺寸。原则上，这可以通过更紧密地封装led108a-p来进行。然而，如图1所示，需要空间来容纳引线接合焊盘104，而这造成了led之间的间隙。另外，在led108a-p上的顶表面接合焊盘110增加了发射器的发光区域的表面积而对发射的光没有贡献。总的说来，发光区域之间的间隙可能很大，例如为150μm或以上。将期望提高使用发射器区域的效率。

图2a和图2b示出了根据本发明的实施方式的发射器200的简化俯视图。图2a示出包括led208a-p的发射器；图2b示出去除了led208a-p的发射器200。发射器200包括基板202。基板202可以为具有内部金属迹线的多层结构，所述内部金属迹线提供中央金属焊盘204、205(在图2b中所示)与外围金属焊盘206之间的连接。下文描述基板202的示例。

在本示例中，led208a-p为“倒装芯片”led。代替在顶表面上具有一个接合焊盘且在底表面上具有一个接合焊盘(像图1的led108a-p)，led208a-p在底表面上具有两个接合焊盘(且在顶表面上无接合焊盘)。图2c示出在本发明的一些实施方式中可使用的具有接合焊盘210、接合焊盘211的代表性倒装芯片led208的仰视图。尽管示出了两个接合焊盘，但是一些倒装芯片led可以具有不同数量的接合焊盘，并且本发明不限于任何特定数量或布置的led接合焊盘。

如图2b所示，基板202为各个led208a-p提供第一金属焊盘204和第二金属焊盘205。可以将第一金属焊盘204接合到led208的接合焊盘210(在图2c中所示)且可以将第二金属焊盘205接合到接合焊盘211。图2a示出了具有led208a-p的基板202，其中，led208a-p接合到相应的第一金属焊盘204和第二金属焊盘205。可以看出，与图1的传统发射器相比，减小了各发光区域之间的空间。例如，在一个实施方式中，led208a-p均可以为1mmx1mm的方形芯片，并且相邻的led208之间的间隙可以很小，例如为10μm或20μm等。可以用其它led尺寸和间距替代。

基板202提供与led208的电连接以及将热量从led208散发传递的热传导。图3示出根据本发明的实施方式的发射器200的简化侧面横截面视图。基板202包括基底302和上部结构304。

基底302形成为一系列的陶瓷材料(例如氧化铝或氮化铝(aln))的层303-306，该陶瓷材料提供电绝缘和高热传导。层303-306具有可被优化以控制热膨胀和热应力的不同厚度。例如，层303-305可以均为0.15毫米(mm)，且层306可以为0.10mm。也可以使用其它尺寸。第一金属焊盘204、第二金属焊盘205和外围金属焊盘206形成在层306的顶表面上。可以例如使用焊料309将led208接合到第一金属焊盘204和第二金属焊盘205。可以使用金属线和通孔将第一金属焊盘204和第二金属焊盘205均连接到外围金属焊盘206中的一者或多者，这些金属线设置于陶瓷层303-306之间，这些通孔穿过陶瓷层303-306中的一者或多者。作为示例，图3示出了层间金属线310、金属线312、金属线314和通孔316、通孔318、通孔320。金属线310、金属线312、金属线314和通孔316、通孔318、通孔320提供第一金属焊盘204、第二金属焊盘205和外围金属焊盘206之间的电连接。(应该理解，金属线(诸如金属线312)不必须是直线。例如，在图3中所示的横截面视图中，金属线312可以弯向页面中且可以借助未示出的通孔连接到也未示出的外围金属焊盘。)可以通过金属线和通孔的适当组合来提供电连接的任何配置。在一些实施方式中，电连接被布置成使得可以将电力单独地供应给不同led208或不同led208组；因此，led或led组被称为“独立可寻址的”。在一些实施方式中，将金属板322设置于底层303的底表面上以进一步促进热传递。金属板322可以为圆形的且尽可能地大。在一些实施方式中，可以将散热器直接附接到金属板322。金属板322可以与基板202上存在的各种电通路和焊盘电隔离。

上部结构304也可以由陶瓷材料和/或其它材料(例如铝或其它金属)形成。在所示示例中，上部结构304限定凹槽340，led208设置于该凹槽340中。凹槽340可以具有截锥体的形状，该截锥体具有例如相对于纵向轴线向内倾斜大约20°角度的圆形侧壁311。凹槽340的侧壁311可以涂覆有反射材料(例如银)以增加装置的光输出。

发射器200也可以包括盖330。盖330可以由光学透明材料(诸如塑料或玻璃)制成，且可以被密封到上部结构304以保护led208免受元件影响。在一些实施方式中，盖330可以包括颜色混合元件，诸如分散式微珠、微透镜等。盖330也可以例如通过包括一个或多个曲面(未示出)来提供波束成形。

发射器200为示例性的，并且变型和修改是可行的。可以按需改变led的数量和类型。在一些实施方式中，led可以为能够在高达例如3a或6a的电流下操作的高电流led。并且可以使用不同颜色或类型的led的组合。例如，一些实施方式可以包括4个红色led、4个绿色led、4个蓝色led和4个琥珀色led，并且这些led可以互相连接以提供4个独立可寻址的组，每种颜色为一组。可以将不同颜色的led散置在基板202的表面上，以提供更好的颜色均匀性和颜色混合。可以通过调整供应给不同独立可寻址的组的相关电流来修改输出光的颜色；例如，可以通过将电流供应给所有组来产生白光；可以通过专门地或主要地将电流供应给红色组来产生红光，等等。

由通孔和层间金属线形成的电通路的特定配置也可以根据独立可寻址的led组的期望布置而改变。在一些实施方式中，独立可寻址的led组可以包括仅一个led；在其它实施方式中，一些或全部led组可以包括(例如使用通孔和层间金属线)串联和/或并联连接的两个或更多个led以及独立可寻址的其它led或led组。可以支持连接成任何数量的led组的任何数量的led。

另外，不要求所有的led都为倒装芯片类型。作为示例，图4示出根据本发明的另一实施方式的发射器400的简化俯视图。发射器400包括基板402，该基板402可以大体上类似于上文所描述的基板202。基板402支撑倒装芯片led404a-d(类似于图2c中所示的led208)和引线接合led406a-l(类似于图1中所示的led)的组合。在本实施方式中，引线接合led406a-l被用在led阵列中的“外围”位置(即，可将引线接合焊盘408紧挨着led放置而不影响led之间的间距的位置)上。倒装芯片led404a-d被用在“中央”位置(即，无法将引线接合焊盘邻近led放置而不影响led之间的间距的位置)上。就引线接合led比倒装芯片led更便宜来说，在一些或全部外围位置上使用引线接合led可以降低制造成本。另外，在一些情况下，引线接合led可以在比给定尺寸的倒装芯片led更高的亮度下操作，因此，在一些或全部外围位置上使用引线接合led可以增加光输出。

如上所述，为了针对给定数量和布置的led减小光学扩展量，期望尽可能地减小led之间的间距。倒装芯片led的使用(至少在基板上的中央位置使用倒装芯片led)允许通过消除在led之间放置接合焊盘的需求来减小间距。注意，倒装芯片led还可以减小表面区域的非发光部分，因为倒装芯片led不具有顶侧接合焊盘。因此，具有给定发光表面积的发射器可以有能力提供比使用引线接合led可提供的光更亮的光。

然而，使用近间隔的倒装芯片led呈现出对于基板(诸如基板202(或基板402))的制造的挑战。例如，随着基板上的led的密度增大，每单位面积产生的热量增加。基板202(或基板402)需要能够将该热量传递出去而不变形。先前已观察到(例如参看2013年2月26日发布的美国专利no.8,394,097)，相对于常用的低温共烧陶瓷(ltcc)基板，由高温共烧陶瓷(htcc)制造的基板提供了增强的热性能。

用于htcc基板的现有制造过程限制了金属结构(通孔、迹线和金属焊盘)可以对准的精度。这对近间距的倒装芯片led(例如20μm的间距)造成了挑战，因为在基板202上的第一金属焊盘204、第二金属焊盘205与led208的接合焊盘210、接合焊盘211之间的即使很小的错位可导致短路或其它电气故障。另外，简单地减小第一金属焊盘204和第二金属焊盘205的尺寸可能不是期望的，因为较大的金属焊盘可以有助于将热量散布在基板202的更大区域上以促进散热，这对于在高电流下操作的led特别有益。

因此，本发明的一些实施方式提供了制造过程，该制造过程改善了htcc基板的顶表面上的金属焊盘(诸如金属焊盘204、金属焊盘205)在位置上的精度。图5为用于制造根据本发明的实施方式的发射器的过程的流程图500。过程500可以用于制造发射器，诸如发射器200(或发射器400)。

在框502，制造具有通孔和通路的多层htcc基板基底(例如在图3中所示的基底302)。在2013年2月26日发布的美国专利no.8,394,097中描述了制造过程的示例，该美国专利的公开内容通过引用并入在本文中。在本实施方式中的该用于htcc基板基底的制造过程包括：制造并共烧htcc基板基底的层和通孔，但是不包括制造基底302的顶表面上的金属焊盘。因此，在框502之后的产品可以为具有在顶表面处暴露的通孔的多层htcc基板基底(例如基底302)。

在框504，将多层htcc基板基底冷却到例如室温。在框506，例如使用用于机械地抛光并清洁陶瓷表面的传统技术，对多层htcc基板基底的顶表面进行抛光并清洁。该抛光和清洁提供具有暴露的通孔的均匀且平坦的顶表面。

在框508，将金属焊盘(例如在图2b中所示的金属焊盘204、金属焊盘205、金属焊盘206)印制到htcc基板基底的顶表面上。可以使用用于将金属焊盘印制到半导体器件或低温共烧陶瓷(ltcc)器件上的技术(例如在室温或接近室温下掩模并淀积金属)。不需要精确地控制由金属焊盘占用的区域内的通孔的暴露端的位置，只要该位置为该区域内的使得该金属焊盘电连接到通孔的位置即可。

在框510，可以在htcc基板基底的顶表面之上添加上部结构(例如图3的上部结构304)。例如，上部结构304可以使用htcc制造过程来形成且接合到顶表面。上部结构304也可以由其它材料制造。

在框512，可以将焊料预制件施加到led将与之接合的金属焊盘。在框514，可以将led放置在焊料预制件上，以及在框516，可以使焊料回流以将led接合到金属焊盘；可以将重物放置在led的顶部以促进回流。在一些实施方式中，焊料预制件用于将焊盘接合在led的底表面上；对于任何引线接合led，可以在单独的处理步骤中进行引线接合。

在框518，可以将透明盖放置在led之上(例如，如图3所示)且适当地(例如使用光学透明粘合剂)密封该透明盖。

应当理解，过程500为示例性的，并且变型和修改是可行的。按顺序描述的框或动作可以并行进行，且可以在逻辑允许的范围内改变动作顺序。例如，可以在放置和/或接合led之前或之后添加上部结构，或若需要，则可以省略上部结构。

尽管已关于具体实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，多种修改是可行的。例如，可以按需改变led的数量及其电连接。因此，在各种实施方式中，各个led可以为其自身独立可寻址的组、或多个led可以连接在一起(串联和/或并联)以形成独立可寻址的组。可以提供包含任何数量的led的任何数量的独立可寻址的led组。从led散发的热传递由基板自身提供，而与电连接无关。

可以使用任何数量和类型(一种或多种)的led，包括但不限于传统的红色、绿色、蓝色、琥珀色、白色、红外和紫外led。另外，不同类型的led可以在同一基板上共存。波长偏移材料(例如含荧光剂的材料)可以被施加到一些或全部led的表面、被包含到凹槽和/或盖中、或完全被省略。根据led的数量和发射器的期望的几何结构，led的物理布置可以为如上所示的网格或其它布置。为了提供led的近间距(且从而提供小的整体源尺寸)，处于(如上文所限定的)中央位置的任何led可以为倒装芯片led，而处于(如上文所限定的)外围位置的任何led可以为倒装芯片led或引线接合led。

在一些实施方式中，发射器也可以包含本文中未示出的其它部件。例如，发射器可以包含各种传感器，包括光传感器、运动传感器、占用传感器、温度传感器等。由这类传感器提供的信号可以用于调整led的操作。作为另一示例，发射器可以包含一个或多个集成电路形式的驱动器和/或控制电路，该驱动器和/或控制电路可以设置于led的外围以避免增加有源光源的面积。

发射器或基板的形状因数也可以与本文所示的示例不同。发射器或基板可以比提供的示例更大或更小且可以按各种形状来制造，各种形状包括正方形(如所示)、圆形、矩形、六边形、星形等。也可以改变基板或基板层的厚度，以及可以修改、用不同上部结构(例如主要地或完全地金属结构)替换、或完全省略陶瓷上部结构。发射器可以按需覆盖有平坦的盖(如上所示)、弯曲的盖、细长的盖(诸如颜色混合杆)、或任何其它盖。除了保护led免受元件影响以外，盖可以提供颜色混合和/或波束成形效应。

可以将本文中所描述的这种发射器并入照明装置中，该照明装置包括舞台照明装置，诸如聚光灯。这类照明装置可以包括如上所述的发射器且也可以包括控制和/或驱动电路，该控制和/或驱动电路用于将电流供应给独立可寻址的led或led组以产生期望的光颜色。照明装置也可以包括次级光学元件，诸如用于使从发射器发出的光准直和/或颜色混合的全内反射(totalinternalreflection，tir)透镜、可允许对波束的宽度和/或散布进行可变控制的波束成形光学器件等等。

另外，舞台照明仅仅为本文中所描述的这种发射器的用途的一个示例。在期望led的精确定位、个体可寻址性、和/或在高电流密度下的操作的任何场景中，可以使用这类发射器。

因此，尽管已关于具体实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明旨在覆盖所附权利要求的范围内的所有修改和等同物。