技术领域
背景技术
[0002]
半导体发光设备正在越来越多地用在各种各样的应用中。在特定示例中，使用若干发光
二极管发射光的照明器正在越来越多地用于照明应用以取代诸如
白炽灯泡或
荧光灯之类的技术。通过在衬底上安装多个
发光二极管，可以实现多种多样的不同光输出。
[0003] 现代发光设备中发光二极管的光输出典型地受到
温度相关行为的限制。关于光输出的一种约束由发光二极管的半导体材料的热电行为提供，例如温度和
电流下降。为了产生白色光，经常使用合适的
磷光体并且该
磷光体可以在高温下淬火。因此，磷光体的温度需要保持低于使用中的发光二极管的这样的温度。然而，典型地，磷光体邻近发光二极管且与发光二极管
接触地
定位，并且因此随着发光二极管升温，磷光体也升温。
[0004] 发光设备经常被要求在不替换的情况下长时间段工作。在某些情况下，发光设备位于
访问困难的
位置。即使在访问相对简单的情况下，仍然存在对合理的寿命的需要。发光二极管的长期可靠性经常与操作条件的温度直接相关，高温导致减少的寿命。
[0005] 出于所有这些原因，来自发光设备封装的热量的提取是必需的。
[0006] 在常规照明器中，发光二极管可以被
焊接到衬底，并且发光二极管中生成的热量通
过热传导经过电接触件传递到衬底。然而，仍然存在对发光二极管的改进的
热管理的需要。
发明内容
[0008] 根据依照本发明的一个方面的示例，提供一种包括发光设备芯片的发光设备，该发光设备芯片包括：绝缘衬底；
处于绝缘衬底上的发光半导体层，该发光半导体层包括发光区域；以及
到发光半导体层的电接触件；以及
具有多个接触垫和至少一个
散热区域的板；
其中该发光设备芯片被安装成电接触件连接到板上的接触垫并且金属
传热元件与发光设备芯片的
侧壁和板的散热区域二者接触。
[0009] 通过在芯片的侧面与板之间直接连接金属传热元件，改进了散热。这不包括在到
发光层的电接触件与板上的接触垫之间的热传递。因而，存在允许改进的散热以及因此针对任意给定的操作条件发光设备的温度减小的附加的传热路径。
[0010] 以此方式，减小了发光设备上的热负荷，这可能具有增加发光设备的寿命和/或优化光输出的效果。
[0011] 该布置还是高度可制造的，因为容易使用用于板上的芯片的表面安装的常规装备实现邻近芯片的元件的提供。
[0012] 发光设备芯片可以进一步包括处于绝缘衬底的侧壁上的侧壁金属
镀层（metallisation），该侧壁金属镀层与发光区域
电隔离；金属传热元件与侧壁金属镀层接触。侧壁金属镀层提供热量的良好传递并且还提供金属传热元件可以附连到的表面。
[0013] 金属传热元件可以包括
焊料。可以使用用于表面安装芯片的常规装置在板上的芯片的侧面上引入焊料。
[0014] 用于金属传热元件的焊料的使用允许使用典型地用于将表面安装芯片焊接到板的装备制造。这样的装备是广泛可用的。因此，此材料的使用允许成本有效的制造。
[0015] 可替换地，金属传热元件可以包括处于发光设备芯片周围的金属
框架，其与侧壁金属镀层接触。这样的金属镀层框架可以提供用于从使用中的发光设备去除热量的合适的附加热路径。
[0016] 发光设备芯片可以被
倒装芯片安装在板上，其中电接触件连接到板上的接触垫。
[0017] 磷光体可以背对板提供。侧壁金属镀层可以遍布磷光体的侧壁以及绝缘衬底。以此方式，散热可以得到改进，因为热量可以通过磷光体传递。
[0018] 所述板可以在板的散热区域上具有至少一个电隔离的散热垫，其中金属镀层
覆盖侧壁金属镀层和所述至少一个散热垫。在金属传热元件是焊料的情况下，所述垫可以限定焊料要被应用到的板的区域，例如在当焊料被
熔化时焊料通过表面张
力被包含在垫上的情况下。这确保了焊料传热元件正确地定位在板上且远离用于电气地驱动发光设备的垫。
[0019] 每个散热区域可以包括多个包含金属的通孔。以此方式，可以增强散热，因为通孔可以提供（deliver）热量远离传热元件的增强的热传导。
[0020] 所述板可以具有金属
内核和绝缘表面。金属内核可以提供热传递。
[0022] 发光设备可以是照明器。
[0023] 在本发明的一个方面中，提供一种具有多个发光设备芯片的照明器，每个发光设备芯片包括：绝缘衬底；处于绝缘衬底上的发光半导体层；到发光层的电接触件；以及处于绝缘衬底的侧壁上的侧壁金属镀层，所述侧壁金属镀层未被电气连接；其中发光设备芯片被安装成电接触件连接到板上的接触垫并且发光设备芯片的侧面上的金属传热元件与侧壁金属镀层和板的散热区域二者接触。
[0024] 本发明的另外一个方面涉及一种将发光设备芯片键合到板，其中发光设备芯片包括：绝缘衬底；处于绝缘衬底上的发光半导体层；在发光层的第一主表面上到发光层的电接触件；以及处于绝缘衬底的侧壁上的侧壁金属镀层；该方法包括：将发光设备芯片倒装芯片键合到板，其中第一主表面面向板并且第一主表面上的电接触件连接到板上的对应的接触垫；以及
将侧壁金属镀层焊接到板的散热区域。
[0025] 通过以此方式使用焊接过程，在不显著增加装配的成本和复杂度的情况下，制造具有改进的
热处理的改进的发光设备是简单的。
[0026] 焊接侧壁金属镀层的步骤可以与在单个加热操作中或在单独的步骤中与倒装芯片键合的步骤同时发生。在后者的情况下，倒装芯片键合的步骤可以使用第一焊料，并且焊接侧壁金属镀层的步骤使用第二焊料，第二焊料具有比第一焊料更低的熔点。
[0027] 所述板可以具有至少一个隔离的散热垫，并且焊接侧壁金属镀层的步骤可以包括引入焊料并提供热量以熔化焊料以便覆盖侧壁金属镀层和隔离的散热垫并且在侧壁金属镀层与隔离的散热垫之间延伸。以此方式，一个或多个隔离的散热垫限定焊料的区域，并且因此确保焊料元素的正确形式。
[0028] 在又一个另外的方面中，提供一种将发光设备芯片键合到板的方法，其中发光设备芯片包括：绝缘衬底；处于绝缘衬底上的发光半导体层；在发光层的第一主表面上到发光层的电接触件；以及处于绝缘衬底的侧壁上的侧壁金属镀层；该方法包括：将发光设备芯片倒装芯片键合到板，其中第一主表面面向板并且第一主表面上的电接触件连接到板上的对应的接触垫；以及
在发光设备芯片周围提供金属框架且在金属框架与板之间以及在金属框架与侧壁金属镀层之间提供焊料；以及
回流焊料以将金属框架固定到板。
[0029] 回流和倒装芯片键合步骤可以使用单个加热操作或可替换地可以是相继的。
[0030] 所述方法可以进一步包括将多个所述发光设备芯片倒装芯片键合到所述板以制造照明器。
附图说明
[0031] 现在将参照附图详细描述本发明的示例，在附图中：图1示出根据本发明的发光设备的第一
实施例；
图2示出如图1中图示的板上安装的单个发光设备芯片的透视图；
图3示出板上安装的一行发光设备芯片的透视图；
图4示出根据本发明的发光设备的第二实施例；
图5示出根据本发明的发光设备的第三实施例；
图6图示了具有多个发光设备芯片的照明器；以及
图7图示了使用本发明的实施例的温度降低。
具体实施方式
[0032] 本发明提供一种制造发光设备的方法以及所得的设备。
[0033] 根据一个示例的发光设备芯片2具有蓝宝石衬底4和在蓝宝石衬底4的一个面上的发光半导体层6。发光半导体层6是蓝宝石衬底4上的
外延层。电接触件8被提供在直接连接到发光半导体层的发光设备芯片的第一主表面上。发光半导体层6包括一般可以被称为发光区域9的发光二极管，并且可以具有若干n型和p型掺杂子层以在电流流过时发光，该电流从电接触件8引入。发光二极管9与发光半导体层6的边缘电隔离。
[0034] 发光设备芯片2安装在板10上，该板具有多个接触垫12和至少一个散热区域14。散热垫28被提供在每一个散热区域14上。发光设备芯片被安装成电接触件8直接连接到接触垫12，在取向上被称为倒装芯片安装，其中第一主表面面向板10。
[0035] 磷光体16被提供在第二主表面上，该第二主表面是发光设备芯片的与第一主表面相对的表面，该侧面背对板。磷光体16的材料被选择以提供期望的
光谱。例如，一种成分的磷光体可以用来提供暖光并且另一种成分的磷光体可以用来提供匹配日光的光谱。本领域技术人员能够取决于发光设备的期望输出特性选择合适的磷光体材料。
[0036] 高反射性侧壁形式的侧壁金属镀层20被提供在发光设备芯片的四个侧面的每一个和磷光体上。侧壁金属镀层20为跨发光半导体层6、蓝宝石衬底4和磷光体16的侧壁延伸的薄金属膜。侧壁金属镀层不是真实的电接触件并且与发光半导体层6的发光区域9电隔离。它具有反射光的功能，使得否则将穿过衬底4或磷光体16的侧壁的光从发光设备发射。侧壁金属镀层20是多层，其具有处于发光设备芯片和磷光体的侧壁上的用于提供良好的反射属性的
铝层以及例如镍/金的上部可焊接层。
[0037] 侧壁金属镀层20借助于焊料的金属传热元件22连接到相应的散热区域14，该金属传热元件在侧壁金属镀层20与处于散热区域14的上侧的散热垫28之间延伸。如图2所图示，金属传热元件22被提供在发光设备芯片2的每一个侧壁上。
[0038] 金属连接提供附加的热路径并且允许改进的热管理。
[0039] 注意到，尽管图1和2图示了安装在板10上的单个发光设备芯片2，但是在实际的实现方式中可能存在安装在板上的多个发光设备芯片，例如在照明器中典型地需要若干发光设备芯片。
[0040] 使用现有的表面安装技术制造发光设备是简单的。
[0041] 在蓝宝石衬底4上具有发光层6的发光设备芯片2具有应用在蓝宝石衬底的第二主表面上的磷光体16，该表面将是上表面。使用锌酸盐过程通过铝和随后的镍/金的PVD将侧壁金属镀层20沉积在包括蓝宝石衬底4和磷光体16的芯片2的整个侧壁之上。铝提供反射层以将光向回反射到磷光体中，并且镍/金提供处于顶部上的可焊接层。在可替换的布置中，可以使用用于这些层中的任一层或所有层的气相沉积。
[0042] 随后，芯片2是被倒装芯片安装在板10上，其中电接触件8与接触垫12接触。这可以利用常规表面安装装备来完成。可以使用诸如AuSn之类的合适的第一焊料。可替换地，可以使用诸如Au-Au热超声键合之类的非焊接方法来附连倒装
芯片组件。
[0043] 随后，第二焊料22被分配以将侧壁金属镀层20连接到散热区域14。第二焊料特别地可以是与第一焊料相比更低熔点的焊料—在所描述的特定实施例中使用
银铜焊料（SAC）。该焊料然后被加热以熔化焊料。这在常规的表面安装装备中是可能的。焊料将侧壁金属镀层20和散热垫28弄湿。因而，侧壁金属镀层20和散热垫20的范围用来限定充当传热元件的焊料22的形状。
[0044] 焊料然后被冷却至图1中图示的形式。
[0045] 相应地，该方法使用表面安装设备的制造中已知的两个过程--倒装芯片安装过程用来形成电连接，以及随后正常地用于分配焊料材料并且因此这里用于形成到侧壁的电连接的过程用来形成焊料的传热元件22。这意味着所述过程可以通过现有的制造装备来实施。
[0046] 所提供的附加热路径降低了使用中的发光设备的温度。热量不仅仅通过电接触件8和接触垫12而且通过绝缘衬底4、焊料的传热元件22传递，并且然后传递至板10上。而且，另外的热传递从磷光体16、传热元件22和板10发生。以此方式，针对任何给定的应用到发光层6的电流和
电压的发光设备的温度可以被最小化，这进而可以增加用于恒定的光输出的芯片的寿命，或者可替换地允许附加的光输出。
[0047] 可替换的过程流使用组合的倒装芯片装配过程和焊料圆
角（fillet）形成。
[0048] 在其过程中，焊料被丝网印刷到接触垫12和散热垫28二者上的板14上。注意到，由于存在对散热垫上的焊料的可观数量的需要，这通过
套印实现。在此上下文中，套印是指将焊料不仅沉积在散热垫28上而且围绕散热垫沉积在板的空白区之上。随后，当焊料被回流时，焊料优选地将散热垫28弄湿并且拉回到该区，在散热垫上创建比没有套印的情况更大量的焊料。
[0049] 随后，发光设备芯片2位于正确的位置。回流焊接操作然后发生，将芯片2键合到接触垫12，形成电连接并且还改造散热垫28上的焊料以形成传热元件22。
[0050] 在图3中图示的可替换地布置中，多个发光设备芯片2被布置在纵向延伸的行中。纵向延伸的焊料行32被提供，接触设备芯片的横向侧壁。以此方式，可以实现板上的芯片的较高
密度。在此情况下，侧壁金属镀层20仅被提供在设备芯片2的相对的横向侧壁上。
[0051] 在图1和2的布置中，散热区域14简单地为没有电接触件的板10的部分--散热垫限定要被焊料弄湿但不被电连接的区。
[0052] 在可替换的布置中，板的散热区域可以针对改进的热传递进行适应性调节。
[0053] 在一个布置中，板10是具有带有绝缘表面的金属内核的绝缘金属衬底。该金属内核允许良好的热传导。
[0054] 在可替换布置中，参照图4，散热区域14包括多个热通孔24，填充有金属通过板的通孔。热通孔24与
散热器26热接触。
[0055] 注意到，在此布置中，缺少图1的布置中图示的散热垫28。然而，在另外的可替换方案中，散热垫28可以另外被提供在图4的布置中。
[0056] 在此实施例中，侧壁金属镀层20被示出为未遍布在发光层6。然而，作为可替换方案，侧壁金属镀层20可以遍布发光层6，此层包含与如1的示例中的发光层6的边缘隔离的发光二极管。
[0057] 注意到，如图4图示的散热器26可以可选地也被提供在图1中图示的衬底的背面上。
[0058] 在另外的布置中，参照图5，侧壁金属镀层20与散热垫28之间的金属传热元件的形式为环绕与
金属化侧壁20接触的芯片的金属框架30。金属框架30提供附加的热传导路径。金属框架30可以被焊接到侧壁金属镀层20以及板10的散热区域14。
[0059] 金属框架具有与芯片2近似相同的高度，即金属框架的高度处于包括磷光体16、绝缘衬底4和半导体发光层6的芯片2的组合高度的50%和150%之间。优选地，该高度处于芯片2的组合高度的80%和120%之间。金属框架优选地是矩形，以匹配具有环绕芯片2的四个分支的矩形芯片。金属框架的每一个分支的宽度与金属框架的高度具有相同量级，优选地介于金属框架的高度的50%和300%之间。
[0060] 金属框架30优选地可以具有铜，铝作为可替换方案。可焊接层34被提供在金属框架之上，例如Ni/Au、Sn或任何可焊接金属。
[0061] 存在可以用来制造具有金属框架30的设备的若干方法。
[0062] 在第一途径中，使用第一较高熔
点焊料将金属框架30预先附连在芯片2和磷光体16周围。随后，通过将第二较低熔点焊料丝网印刷到板上、散热垫28和接触垫12二者上、将芯片2和金属框架30与在散热垫28上方的框架30和在接触垫12上方的电接触件8对准并且随后通过加热焊料实施回流过程，来将作为单元的芯片2和金属框架30表面安装到板14。
锡/银/铜焊料适合作为第二较低熔点焊料。
[0063] 在第二途径中，如上文，焊料
沉积物通过丝网印刷形成在板14上。芯片2被放置在板14上的正确位置上并且金属框架30被放置在芯片2周围。焊料被预先应用在芯片2的金属化侧壁20的上层上。然后，回流过程被实施以熔化焊料，以便形成图5中所图示的布置。
[0064] 在第三途径中，首先使用第一较高熔点焊料将芯片2表面安装到板14上，以将电接触件8焊接到接触垫12上。然后，第二较低熔点焊料被应用在散热垫28和在散热垫上芯片2周围放置的金属框架30上。回流过程然后被实施以熔化第二较低熔点焊料，以便形成图5中图示的布置。
[0065] 本领域技术人员将认识到可以对这些方法进行另外的
变形。
[0066] 上述示例描述了蓝宝石衬底的使用。然而，其他衬底材料是本领域技术人员已知的并且可以被使用。
[0067] 用于将发光设备芯片安装到板的上述布置具有在如图6图示的照明器中的特定应用，图6示出安装到包含在
外壳40内的板10的多个发光设备芯片2，其共同构成照明器42。照明设备芯片2被安装到板10，如上所讨论。通过为要被从发光设备芯片2提取的热量提供附加的热路径，可以增强照明器42的长期可靠性和光输出。
[0068] 热模拟以侧面传热元件22的热导率k（以W/mK为单位）的若干不同值在4.5W LED上实施。图7示出在三种情况下磷光体、接合和互连的温度（以该顺序从左到右），第一没有任何侧面接触，第二具有如图1的实施例中那样的焊料侧面接触，且第三具有如图5的实施例中那样的金属框架。
[0069] 将会看到，通过在侧壁处提供显著的热导率（第二和第三组温度），用于芯片的接合的操作温度可以减少8℃。因而，所测量的实施例提供操作条件方面的显著改进。
[0070] 芯片的侧壁上的金属可以被改变。例如，取代或除了Al层之外，可以使用Ag层作为反射层。Sn层可以被提供在NiAu层的顶部上以进一步改进可
焊接性。如果需要，也可以使用其他可焊接组合。
[0071] 芯片和磷光体可以按要求改变。尽管上面的实施例描述了蓝宝石衬底4的使用，但是如果需要，也可以使用诸如绝缘半导体之类的其他衬底材料。
[0072] 在许多所公开的实施例中，侧壁金属镀层覆盖芯片的整个侧表面，包括绝缘衬底4、半导体层6和磷光体16。这导致更容易的制造。在此情况下，电接触件8与侧壁间隔开以确保电气分隔。在可替换的布置中，侧壁金属镀层20可以被
图案化以覆盖磷光体16以及绝缘衬底4的部分，但是与半导体层间隔开，以改进侧壁金属镀层与半导体层6中的发光设备的电隔离。
[0073] 在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解并实现所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的
从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
