專利名稱：具有整體散熱裝置的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電子封裝領(lǐng)域，尤其涉及到形成一條與器件封裝形成整體的熱傳導(dǎo)路徑。
發(fā)光二極管目前被大量的制造。一般來說，它們在結(jié)構(gòu)與形狀上已經(jīng)非常標(biāo)準(zhǔn)化了。因此，光學(xué)工程師們喜歡散裝購買它們并且由這些標(biāo)準(zhǔn)封裝件形成器件與系統(tǒng)。然而，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相關(guān)的限制卻阻礙了LED在一些高性能裝置中的使用。例如，在高亮度應(yīng)用中，一些LED被組合在一起以產(chǎn)生亮光。但這是一個較差的方案，而且在某些系統(tǒng)中是沒有用的。一個較佳的方案可以是以一個高電流驅(qū)動LED產(chǎn)生更多的光。然而，這又是不可能的，因為標(biāo)準(zhǔn)LED封裝封聚了熱量，在施加太大的電流時會造成自毀。一個LED封裝一般由一個完全圍繞半導(dǎo)體的硬的聚碳酸酯材料構(gòu)成。當(dāng)封聚的熱量過多時，該聚碳酸酯材料會膨脹，并容易破裂。而且，熱量往往也會造成半導(dǎo)體中的結(jié)斷開。熱量是發(fā)光二極管最大的敵人。
因此，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員已經(jīng)嘗試將熱量從LED中導(dǎo)出以提高它們的性能。具體來說，已經(jīng)引入了散熱裝置將熱量從二極管中傳遞出去。這些散熱裝置有時提供有與標(biāo)準(zhǔn)LED封裝相匹配的熱聯(lián)結(jié)器。例如，聚碳酸酯材料可以緊密接觸散熱裝置。然而，盡管這些裝置可以在一定程度上實現(xiàn)它們的目的，但它們?nèi)匀皇怯邢拗频?，因為普通的LED封裝的設(shè)計并沒有考慮到要與散熱機(jī)構(gòu)共同工作。
盡管在材料科學(xué)方面已經(jīng)做了相當(dāng)大的努力來改善使用于LED中的半導(dǎo)體二極管結(jié)的性能，但是這些改進(jìn)的進(jìn)展很慢，事倍功半。二極管結(jié)的化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)在時間上變化很慢。最近最顯著的進(jìn)展是，高亮度藍(lán)色芯片正在變得更加容易獲得。生產(chǎn)發(fā)射藍(lán)色光的二極管是比較困難的，因為藍(lán)光包括了較高能量光子，其在普通的帶隙結(jié)不容易產(chǎn)生。被允許的能量帶之間的“間隙”必須要相當(dāng)大才能形成一個高能量藍(lán)色光子。為了形成一個大的間隙，要在半導(dǎo)體的生長與摻雜過程中使用特殊的材料和摻雜物。盡管這些材料會產(chǎn)生藍(lán)光，但它們的實現(xiàn)效能比用來產(chǎn)生其他顏色的材料要低。大部分的輸入電能被轉(zhuǎn)換成熱量而不是藍(lán)色光。這就是隨著熱量的散失而浪費(fèi)的問題。人們希望能有盡可能高的量子效率來減少這種損失。
改進(jìn)結(jié)區(qū)的量子效率并非從二極管實現(xiàn)高輸出的唯一方式。當(dāng)浪費(fèi)并不重要時，可以簡單的增加電流以產(chǎn)生一個更大的光輸出流量。然而，這種方式遺留有熱聚集問題。在二極管結(jié)產(chǎn)生的熱量往往過量并損壞二極管與封裝組件。LEDs一般被包封在一個硬的碳聚酸酯材料中，當(dāng)由于熱而變得易碎時，這種材料容易破裂。
二極管產(chǎn)生的光大概會與強(qiáng)制通過二極管結(jié)的電流量成比例。當(dāng)施加的電流增加時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生更多的光。這是一個事實，但卻存在一個非常現(xiàn)實的限制。隨著電流的增加，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的熱量也增加了。當(dāng)熱量變得過量時，容易損壞二極管。當(dāng)熱量損壞了半導(dǎo)體的物理結(jié)構(gòu)時，二極管會自毀并停止工作。因此，普通二極管額定為可以正常工作在大約20毫安處。超過20毫安它們也可以繼續(xù)產(chǎn)生較多的光輸出，但會有損壽命。在被施加一個超過20毫安的相當(dāng)大的電流后，器件會損壞并造成永久的毀壞。器件受損的一個首要原因就在于結(jié)區(qū)的熱量。如果可以將熱量從結(jié)區(qū)排出，并且排出熱量的速度快于產(chǎn)生熱量的速度，那么對結(jié)的損害就不會發(fā)生。這樣，就可以無限的增加電流，只要因此產(chǎn)生的相應(yīng)的熱量可以從結(jié)區(qū)排出，且排出熱量的速度快于產(chǎn)生熱量的速度。
一個普通的LED包括由兩個電導(dǎo)體形成的金屬導(dǎo)線，也就是一個陽極導(dǎo)線和一個陰極導(dǎo)線，以提供與半導(dǎo)體材料的電接觸。裝配一套組件，并使用聚碳酸酯粘結(jié)材料來將元件密封在一起，其中該聚碳酸酯材料將二極管包封起來，電極在其他元件之間。一般來說，金屬導(dǎo)線在整個結(jié)構(gòu)中也提供了機(jī)械與光學(xué)效力。由于金屬導(dǎo)線是堅硬而結(jié)實的，因此，經(jīng)由它們從聚碳酸酯外殼的底部突出的電導(dǎo)線，LED一般會被安裝到例如電路板中，而該聚碳酸酯外殼的頂面一般還包括一個透鏡。
兩個電極提供了到半導(dǎo)體器件的電路徑，該器件最好被置于一個鏡面或反射錐面元件內(nèi)。該反射體一般形成金屬導(dǎo)線。從第一電極到二極管的頂面可以連接一根細(xì)金屬絲。這種組件與配置被置于一個在聚合或其他固化處理前的液態(tài)聚碳酸酯鑄模中。外殼可以由非常硬的塑料形成，其頂部表面有一個透鏡。當(dāng)迫使電流通過電極時，光就從結(jié)區(qū)產(chǎn)生了，并從錐形反射體反射傳到在塑料外殼中的透鏡。一些產(chǎn)生于二極管中的熱量下傳到電導(dǎo)線，因為該電導(dǎo)線是金屬并且是很好的熱導(dǎo)體。盡管一些熱量經(jīng)由細(xì)金屬絲傳到對面的導(dǎo)線，但由于金屬絲的直徑一般都很小，所以限制了熱路徑。一些熱量也經(jīng)由聚碳酸酯外殼而傳到周圍空氣中。但這也是非常有限的，因為聚碳酸酯材料不能有效的傳導(dǎo)熱量。當(dāng)電流被增加以產(chǎn)生更多的光時，器件從結(jié)區(qū)排出熱量的速度不足以使其工作溫度保持在損毀門限以下。因此器件會過熱而毀壞。改進(jìn)的散熱裝置應(yīng)可以從器件排出更大量的熱量，并因此實現(xiàn)更高的電流與更亮的器件。
發(fā)明人Flannagan在美國專利4394600中提出一種發(fā)光二極管的矩陣裝置，包括一個具有有益的熱屬性的公共熱載面。相似地，Temple等人提交的他們的美國專利4905075，提出了一種考慮到熱因素而形成的半導(dǎo)體封裝。Itoh等人在美國專利5113232中提出了具有熱傳導(dǎo)元件的LED陣列，美國專利5311060也提出了一種與半導(dǎo)體封裝相結(jié)合的散熱裝置。
Hochstein在美國專利5785418號與6045240號中提供了一種具有特殊熱結(jié)構(gòu)的LED陣列。Sheridan等人提出了一種包括一個與電子器件有關(guān)的散熱和隔熱區(qū)的襯墊。在題目為“Laser Diode Packagewith Heat Sink”與“Process for Manufacturing a Laser Diode Havinga Heat Sink”的公開文獻(xiàn)中，Marshall等人使用了一種設(shè)計精良的半導(dǎo)體封裝裝置改善了熱問題。另外，相同發(fā)明人包括了美國專利5985684，作為一個獨立發(fā)明。Stephens等人在美國專利5913108與6310900中提出了相似的特殊裝置。這些，以及其他的發(fā)明人，都認(rèn)識到排出半導(dǎo)體器件中的熱量對于改善性能的好處。
盡管本領(lǐng)域的系統(tǒng)與發(fā)明都為實現(xiàn)特定的目標(biāo)與任務(wù)而設(shè)計，其中一些也取得了非凡的成績，但是這些發(fā)明有一些限制，阻礙了以現(xiàn)在可能的新方式使用它們。使用本領(lǐng)域的這些發(fā)明，沒有也不能實現(xiàn)本發(fā)明的好處與目標(biāo)。
現(xiàn)在，Abromov，Vladimir；Agafonov，Dimitry；Shishov，Alexander；與Scherbakov，Nikolai提出了發(fā)光二極管的發(fā)明，該發(fā)光二極管包括具有從關(guān)鍵區(qū)域排出熱量的特殊裝置的器件。這些器件的首要功能是提供高強(qiáng)度的輸出，同時保護(hù)壽命。對比于現(xiàn)有技術(shù)的方法與器件，當(dāng)這些系統(tǒng)以高電流驅(qū)動時，并不會遭受那些與過熱相關(guān)聯(lián)的常見問題。當(dāng)考慮到器件的與具有集成的熱傳導(dǎo)路徑的封裝有關(guān)的特殊結(jié)構(gòu)時，這些發(fā)明與本領(lǐng)域的那些發(fā)明之間存在著根本的差別。更加特別的，一個高熱量傳導(dǎo)元件，“熱導(dǎo)體”被集成為LED封裝設(shè)計的一部分。該熱導(dǎo)體被設(shè)置為提供與半導(dǎo)體芯片直接的良好的熱連接；在某些情況下既提供電接觸又提供熱接觸。該熱導(dǎo)體還以這樣的方式形成，即從半導(dǎo)體排出的熱量被進(jìn)一步傳到一個散熱系統(tǒng)。熱導(dǎo)體被設(shè)計為與整個半導(dǎo)體封裝及其組件共同工作。例如，一個熱導(dǎo)體也可以作為一個電導(dǎo)體工作。一個熱導(dǎo)體也可以被設(shè)計為一個光學(xué)反射元件。
這些發(fā)明的首要目的是提供具有改進(jìn)封裝的發(fā)光二極管。
這些發(fā)明的目的之一是提供具有改進(jìn)封裝的發(fā)光二極管，用于高電流高亮度工作。進(jìn)一步的目的是提供一個從半導(dǎo)體二極管結(jié)區(qū)引出的熱傳導(dǎo)路徑。
參考優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述與附圖可以得到比較好的理解。實施例提供了實現(xiàn)這些發(fā)明的具體方式，但并不排除所有其他可能的方式。因此，可能存在一些沒有作為實例提供于此，但其并沒有偏離權(quán)利要求提出的精神與范圍的實施例。應(yīng)當(dāng)意識到可能尚存有大量可供選擇的實施樣式。
參考如下的說明、附加的權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些與其他特點、方面與優(yōu)點會更好理解

圖1為一個第一樣式的橫截面圖；圖2為圖1的增加了細(xì)節(jié)的放大圖；圖3為另一個樣式的類似的截面圖；圖4以截面描述了一個設(shè)置有特殊熱導(dǎo)體的LED封裝；圖5顯示了一個熱導(dǎo)體的樣式，具有一個形成于其中的光元件；圖6顯示了一個具有一個特殊終端的熱導(dǎo)體。
根據(jù)這些發(fā)明中的每一個優(yōu)選實施例，都提供了具有一個集成熱傳導(dǎo)路徑的高電流高亮度發(fā)光二極管。應(yīng)當(dāng)注意，被描述的每一個實施例都包括獨特的裝置，一個優(yōu)選實施例中的這些裝置是與其他優(yōu)選實施例中的裝置不同的。
出于說明的需要，一個LED有時包括一個發(fā)光半導(dǎo)體二極管以及配置該二極管于其中的封裝。一個“支撐封裝”可能包括電子元件、光學(xué)元件、熱學(xué)元件以及其他元件。因此，一個用以產(chǎn)生光源的半導(dǎo)體芯片的封裝是作為整個器件(有時稱作一個“LED”)的一部分來考慮的。
因此，一個LED更加準(zhǔn)確的說是由兩個主要系統(tǒng)組成的器件。LED包括一個半導(dǎo)體二極管元件與一個共同工作的封裝系統(tǒng)。“二極管”是一類特殊的半導(dǎo)體器件，兩類材料配置形成一個特殊的具有發(fā)光屬性的結(jié)區(qū)。“封裝”包括電導(dǎo)線，安裝支撐，光學(xué)透鏡以及熱導(dǎo)體。盡管LED縮寫只代表“二極管”，但在這里出于說明的需要，“LED”確實希望包括封裝。在這些發(fā)明的器件中，提供了裝置來從二極管結(jié)區(qū)以期望的速度排出熱量。盡管這樣的裝置可以多種方式提供，但應(yīng)注意，某些特點只有首先在此教導(dǎo)的配置中才具備。
這些發(fā)明的優(yōu)選樣式具有一個熱導(dǎo)體元件，與器件封裝相整合。具體來說，一個具有旋轉(zhuǎn)對稱或軸對稱的元件形成了一個平臺，在該平臺上一個或多個半導(dǎo)體可以被置于緊密的熱接觸中。進(jìn)一步的，該熱導(dǎo)體與一個基座元件集成在一起，該基座元件支撐了其他系統(tǒng)元件，包括例如外殼與電導(dǎo)線。圖1描述了包括有熱導(dǎo)體的這些發(fā)明的LED中的一些主要組件。一個硬塑料外殼元件1可以被模鑄成一個在上表面具有一個透鏡的特定形狀。一個基座部件2形成支撐，外殼和其他元件連接在其上面。具體的，隨著外殼被置于基座部件上，外殼可以被緊緊的壓在基座上以在基座與外殼內(nèi)表面之間形成一個封閉的腔。通過鉆通孔洞的方式，基座可以進(jìn)一步支撐電導(dǎo)體或“導(dǎo)線”3的通道。
有時這些基底中的孔洞被稱為“通孔”。為了防止從導(dǎo)線到可以是金屬的基座之間的電傳導(dǎo)，沿著基座中的孔洞填充了一種特殊的絕緣體材料。該絕緣體4可以由例如玻璃、陶瓷或橡膠材料形成。組成封裝的一個重要元件包括一個熱導(dǎo)體5。該熱導(dǎo)體緊密地并熱性地與半導(dǎo)體芯片6直接相連，由此容易促使熱量從二極管結(jié)傳遞到該熱導(dǎo)體中。熱量可以被排向熱導(dǎo)體的另一端，在那里其可以消散。如圖所示，該半導(dǎo)體可以對稱地置于一個以圓錐部分7的形狀形成于基座中的凹部內(nèi)。芯片發(fā)出的光從該半導(dǎo)體出發(fā)，入射到可以被拋光的圓錐表面上。然后光被向上反射入外殼元件并遠(yuǎn)離了熱導(dǎo)體。該熱導(dǎo)體也可以提供與該半導(dǎo)體底側(cè)的電接觸。該導(dǎo)電性可延及基座部件。由于一些優(yōu)選形式包括由電傳導(dǎo)材料，例如鋼，制成的基座，因此與該半導(dǎo)體底側(cè)的電接觸可以繼續(xù)通過熱導(dǎo)體，進(jìn)一步通過基座，并最終進(jìn)入公共電導(dǎo)線8。外殼元件包括一個裙邊部9，其被配置用于準(zhǔn)確的結(jié)合基座。外殼裙邊可以提供調(diào)準(zhǔn)功能與機(jī)械握持裝置。
在某些優(yōu)選形式中，一種柔軟的凝膠材料填充于外殼與基座之間的腔室中。正如上述，聚碳酸酯材料受熱容易破裂，因此，通過在外殼與基座之間置入凝膠體，一個柔韌的緩沖物阻止了由于剛性部件的不均勻膨脹引起的損害。該凝膠體進(jìn)一步提升了熱導(dǎo)體的功能，由于其提供了更完整的熱通路，從該半導(dǎo)體芯片的頂部與側(cè)部到基座，并直接到該熱導(dǎo)體。
圖2是圖1的放大圖，進(jìn)一步說明了作為封裝的一部分的關(guān)于凝膠體部件的細(xì)節(jié)。由于凝膠體也是具有相當(dāng)高的熱傳導(dǎo)率的材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用于其他LED封裝中的空氣與聚碳酸酯材料，因此半導(dǎo)體的頂部和側(cè)部熱耦接于所述熱導(dǎo)體。這種配置在半導(dǎo)體25與熱導(dǎo)體24之間提供了最大化的耦接。參考附圖，與圖1所示相同的基座具有電導(dǎo)線22，從該處穿過基座，并經(jīng)由一根金屬線聯(lián)接提供了與半導(dǎo)體頂面的接觸。
塑料外殼23僅顯示了其底面，說明形成于外殼與基座之間的腔室。凝膠體26被塞入或涂抹于這個腔室內(nèi)。
該凝膠體可以在將外殼設(shè)置到基座上之前涂抹，這樣有助于確保凝膠體在凝膠體與其他元件之間形成好的可靠的接觸。外殼往往將柔軟的凝膠體壓入微小的裂縫和空位27中，具體在半導(dǎo)體側(cè)面與圓錐部反射體之間，并且在外殼連接于基座時要施加壓力。在這種配置中，半導(dǎo)體完美地被具有高熱傳導(dǎo)率的材料包圍，并且一個清楚的熱路徑，也就是通過該熱導(dǎo)體，發(fā)揮作用將熱量從半導(dǎo)體排出。
盡管大多數(shù)重要的元件都在圖1與圖2中很好的被說明，但這些LED器件中一些可供選擇的次要元件的細(xì)節(jié)在一些實施樣式中是重要的。例如，LEDs一般有一個反射元件來將基本在一個水平面中發(fā)射的光轉(zhuǎn)向器件的頂部。在普通的LEDs中，該反射體在任一個電連接件內(nèi)形成一個圓錐部分。在這些發(fā)明中不需要也不期望將一個圓錐部反射體在電導(dǎo)體導(dǎo)線內(nèi)形成。相反，一個反射體可以在基座部件內(nèi)形成，就像前面的實施例中那樣，或替換為在熱導(dǎo)體內(nèi)形成，或在外殼元件內(nèi)形成。
圖3是這些發(fā)明的另一個優(yōu)選樣式的截面圖，具有一個作為器件封裝的整體部分而形成的熱導(dǎo)體元件。該樣式在一些方面與前述樣式形成對照。首先，這個器件使用了多個半導(dǎo)體元件。如此，這些器件在半導(dǎo)體—熱導(dǎo)體連接處耗費(fèi)了更大的占位面積(footprint)。相比于單芯片的情況而言，容納多個芯片所需要的空間更大。這樣，反射體之間的連接就必須不同。如果反射體較大，并被進(jìn)一步置于遠(yuǎn)離芯片的位置，那么反射體就要被改進(jìn)。因此，這個實施樣式中的第二個差別就是將反射體構(gòu)建于外殼元件的下表面。為了適應(yīng)每一個芯片的獨立驅(qū)動，相應(yīng)的多個電導(dǎo)線被引導(dǎo)穿過基座元件。參考附圖，透光外殼31包括反射體表面32。這個表面可以由構(gòu)成外殼的塑料材料形成，并被利用反射材料例如鉻的薄膜而金屬化。該熱導(dǎo)體33支撐了一個平臺，在該平臺上可以焊接全部的多個芯片。當(dāng)前示出的是三個芯片，但是，不失一般性的，任何數(shù)量的芯片都可以被置于此。應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎注意到，關(guān)于熱導(dǎo)體的高度與包含反射體的外殼下表面的位置之間的關(guān)系。必須參考外殼的下表面的特點而合適的放置芯片，以使其合適的工作來有效地將光耦合為受約束的輸出光束?；?4可以通過與前述實施例相似的方式形成，并且容易地支持多個通孔，每個通孔都用于每個電導(dǎo)體?？梢詾槊總€半導(dǎo)體配置一根金屬線連接，形成與其中一根電導(dǎo)線的電連通。盡管半導(dǎo)體36沒有表現(xiàn)出一個連接，但是截面圖無法支持那些從該紙面延伸出去的對象，因此應(yīng)當(dāng)意識到?jīng)]有明確顯示的該金屬線連接的存在。如果該基座通過該金屬熱導(dǎo)體提供了一個公共電連接，則每一根金屬導(dǎo)線38都通過絕緣體37與該基座隔離。最后，該外殼的頂部表面39包括一個以表面起伏圖案成型的透鏡。其有時被通稱為菲涅耳(Fresnel)型透鏡。如同前述實施例中的使用，這個實施樣式也受益于在外殼的下表面與基座/熱導(dǎo)體之間添加凝膠材料。在這個樣例中，該熱導(dǎo)體與凝膠體有更多的接觸，但功能與作用是相同或相似的。由于該外殼的下表面的形狀相當(dāng)復(fù)雜，所以凝膠材料在這里是最優(yōu)的使用，因其在壓力下自我成型為任何復(fù)雜的形狀。
圖4還說明了另一個實施樣式。這個變化的樣式延伸了具有復(fù)雜曲線形下側(cè)的外殼41的原理。該LED封裝包括一個鋼材料基座42和一個銅材料熱導(dǎo)體43。電導(dǎo)線44穿過填充有絕緣材料45的通孔，提供一個到半導(dǎo)體頂面的金屬線連接。從半導(dǎo)體發(fā)出的光入射到透鏡46上，該透鏡46是形成外殼下表面的光學(xué)元件的一部分。在基座和外殼之間的空間47內(nèi)可填充凝膠體，或留有空氣緩沖物。曲線形表面48形成一個拋物線部分的反射體。使用拋物線形狀是期望將光耦合成高度準(zhǔn)直的光束。光線軌跡圖49顯示了掠過透鏡的光射向反射體，在反射體上其與傳播向外殼頂面的光再次匯聚。盡管該實施例顯示了一個拋物線形狀，但其僅是為了說明一種可能的形狀。一個圓錐部分也相似地提供合乎要求的功能。
圖5闡述了另一個重要的實施例。在該例中，一個圓錐部分的反射體直接由熱導(dǎo)體元件以一個凹部形成，由此，該凹部也有一個平坦部分或“底面”來容納半導(dǎo)體芯片于其中。一個半導(dǎo)體二極管可以被置于凹部的底面，而圓錐部分的壁經(jīng)過拋光或涂覆形成反射。通過這種方法，半導(dǎo)體與熱導(dǎo)體形成了一個強(qiáng)力熱耦接，同時通過反射體的方式耦合到外殼元件的頂部。來自二極管的光在朝向封裝頂部的方向上被反射；而遠(yuǎn)離熱導(dǎo)體，同時，熱量被從半導(dǎo)體向下排出。參照圖5將更全面地理解該布置。提供了一個基座51作為一個基礎(chǔ)。此外，外殼元件52在基座外圍與基座耦接。該耦接可以包括一個機(jī)械壓力裝配或/和粘合。熱導(dǎo)體53形成有一個凹部54，該凹部54的一部分是圓錐部形狀，并具有一個底面。一個半導(dǎo)體置于該熱導(dǎo)體的凹部內(nèi)的底面上，與此緊密熱接觸。金屬線提供從導(dǎo)線到半導(dǎo)體芯片頂面的電接觸。從二極管結(jié)發(fā)出的光入射到反射體上，并朝向在外殼頂面的透鏡方向而射出。在二極管內(nèi)產(chǎn)生的熱量被快速地從結(jié)排出并進(jìn)入到形成熱導(dǎo)體的大塊材料中。然后熱被傳輸?shù)綗釋?dǎo)體的末端55。按照設(shè)計考慮，該端可以與一個較大的散熱系統(tǒng)相接觸。在此進(jìn)一步說明了外殼的一些實施樣式的一個重要方面。由于期望在透鏡與反射體/芯片之間提供準(zhǔn)確對準(zhǔn)，因此外殼和基座元件可以整合一個分度裝置56，以確保這些元件的對稱軸是共線的。進(jìn)一步的，特殊的裙邊57可以為基座與外殼提供機(jī)械互鎖，這樣就不容易發(fā)生移動了。仔細(xì)研究附圖可以發(fā)現(xiàn)，該裙邊的底沿并沒有向下延伸至與熱導(dǎo)體末端相齊的距離，正如附圖中用虛線和“D”表示的那樣。用這種方式，熱導(dǎo)體可以很好的暴露在外面并可以容易的與根據(jù)本設(shè)計而配置的散熱裝置耦接。在這些實施樣式中，熱導(dǎo)體與一個外部散熱裝置相耦接是非常重要的。一個獨立的LED封裝可以被插入一個適當(dāng)?shù)谋辉O(shè)計的容座中，這樣，LED封裝的熱導(dǎo)體部分就可以接觸一個散熱裝置。
在熱導(dǎo)體與散熱裝置之間可以形成良好的熱接觸，散熱裝置是整個系統(tǒng)設(shè)計的一部分。使用這種方式，可以為那些要求最高性能的應(yīng)用提供一個大的排熱。另一個也是與校準(zhǔn)有關(guān)的重要的特點是粘合劑的設(shè)置?？紤]在水平面58中的縫隙和垂直面59中的縫隙。本領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)為在水平面上的外殼和基座之間置入的膠水無法涂抹的足夠均勻以獲得良好的對準(zhǔn)；膠水往往容易集結(jié)在一個或另一個點上，造成與垂直方向的偏斜，并引起輸出不能很好的對中。如果粘合劑被置于縫隙59中，而不是基座與外殼的水平面之間，那么與所述分度裝置一起，獲得良好的對準(zhǔn)。
在一些實施樣式中，器件在沒有外部排熱裝置的情況下工作，而又希望其高亮度運(yùn)行，這就有必要在熱導(dǎo)體的遠(yuǎn)離芯片的末端形成一個傳熱機(jī)構(gòu)。在一個依靠空氣流動來冷卻它們的對流系統(tǒng)中，傳熱機(jī)構(gòu)可以包括一個冷卻片，與該熱導(dǎo)體整體構(gòu)設(shè)。熱導(dǎo)體制成LED封裝的一部分，并在半導(dǎo)體芯片與周圍空氣之間形成良好的熱耦接。如圖6所示，基座元件61和具有形成于其上的透鏡的外殼元件62，在壓到一起時形成一個腔室63，凝膠材料以與前述實施例相似的方式填充入該腔室中。然而，在該實施例中，一個熱導(dǎo)體64被配置為提供一個高通量的熱路徑，從位于第一末端的半導(dǎo)體65到它的具有冷卻片裝置66的對面末端。熱量有效地從二極管結(jié)排向冷卻片，然后傳遞到周圍大氣中。電導(dǎo)線67可以按普通方式與基座配合，同時保持在冷卻片裝置的旁邊。
這些熱導(dǎo)體的一些優(yōu)選實施樣式包括由銅或銅合金制成的器件。銅是非常好的具有很高的熱傳導(dǎo)率的材料。它不貴并且容易加工。它的壽命和電屬性在任何方面都可以與構(gòu)成良好LED封裝設(shè)計所必需的屬性相合作。
因此它是優(yōu)選的材料，而應(yīng)注意的是，那些相似的高傳導(dǎo)率材料也是適用的。
現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，不管多么高的電流，多么高的亮度，LED都可以通過形成一個熱量管理裝置來實現(xiàn)高性能。盡管本發(fā)明已經(jīng)以清楚簡明的語言描述了相當(dāng)多的細(xì)節(jié)，并且提供了一些優(yōu)選的實施樣式，其中包括本發(fā)明所預(yù)見的最佳模式，但其他樣式也是可能的。因此，本發(fā)明的精神與范圍不應(yīng)當(dāng)被這些包含于此的優(yōu)選樣式的描述所限制，而應(yīng)以所附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.光源，包括至少一個發(fā)光半導(dǎo)體二極管和支撐封裝，所述的支撐封裝包括基座部件，外殼部件，熱導(dǎo)體和雙極電導(dǎo)線，所述基座部件包括由剛性材料形成的基板，可用于在其上接納所述外殼，進(jìn)一步可用于提供至少一個電導(dǎo)線從中穿過的通道；所述外殼部件包括透光材料，可用于與所述基座耦接；所述熱導(dǎo)體部署在所述基座上，與所述半導(dǎo)體二極管熱接觸，由此，在所述二極管產(chǎn)生的熱被從半導(dǎo)體芯片排出；并且所述雙極電導(dǎo)線被配置用于提供與所述半導(dǎo)體二極管的電接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的光源，所述外殼部件與所述基座緊密安裝形成，由此在基座與外殼之間形成封閉的腔室。
3.如權(quán)利要求2所述的光源，透光軟凝膠體被填入基座與外殼之間的腔室，由此通過柔韌的凝膠體容納熱膨脹，使其不被傳遞到硬的外殼。
4.如權(quán)利要求1所述的光源，所述基座和熱導(dǎo)體由單塊材料整體形成。
5.如權(quán)利要求4所述的光源，所述基座由銅或銅合金材料形成。
6.如權(quán)利要求1所述的光源，所述基座由銅或銅合金材料形成。
7.如權(quán)利要求1所述的光源，外殼包括具有軸對稱的透鏡，該透鏡軸線對準(zhǔn)該半導(dǎo)體，由此，從該半導(dǎo)體發(fā)出的光被有效地耦合為光束。
8.如權(quán)利要求1所述的光源，所述熱導(dǎo)體具有一個頂面，該半導(dǎo)體被焊接于該頂面來提供熱和電接觸，所述熱導(dǎo)體進(jìn)一步被固定于所述基座。
9.如權(quán)利要求8所述的光源，一個大體上呈圓錐形的反射體形成于基座中，該半導(dǎo)體被部署于該圓錐形反射體內(nèi)，這樣，從該半導(dǎo)體發(fā)出的光被反射離開該熱導(dǎo)體，并射向該外殼的頂面，所述基座由導(dǎo)電材料制成，至少一個電導(dǎo)線通過一個絕緣體通孔耦接在基座中。
10.如權(quán)利要求9所述的光源，所述的熱導(dǎo)體柱狀對稱并焊接于該基座，所述半導(dǎo)體被焊接于熱導(dǎo)體的第一末端，半導(dǎo)體的頂部被金屬線連接至陰極導(dǎo)線，陽極導(dǎo)線與基座和熱導(dǎo)體電連接，熱導(dǎo)體有一個第二末端，可用于通過散熱裝置接收熱量。
11.如權(quán)利要求1所述的光源，所述光源包括多個置于熱導(dǎo)體頂部的半導(dǎo)體二極管，通過在基座中的通孔設(shè)置的多根相應(yīng)的電導(dǎo)線；一個圓錐部反射體，其由該外殼的下表面形成。
12.如權(quán)利要求11所述的光源，所述熱導(dǎo)體也可用于運(yùn)載電流，并用作每個半導(dǎo)體二極管的公共接地的電導(dǎo)線。
13.如權(quán)利要求11所述的光源，外殼頂部為菲涅耳表面起伏透鏡。
14.如權(quán)利要求1所述的光源，所述外殼具有復(fù)雜的曲線形下側(cè)，以形成拋物線部反射體與折射透鏡。
15.如權(quán)利要求1所述的光源，所述熱導(dǎo)體內(nèi)形成有反射體，其中所述半導(dǎo)體被空間性地耦接于所述反射體，這樣，從半導(dǎo)體發(fā)出的光在遠(yuǎn)離該熱導(dǎo)體的方向上被反射，并射向該外殼中的透鏡。
16.如權(quán)利要求15所述的光源，所述外殼與所述基座進(jìn)一步包括補(bǔ)充性分度裝置，用于將透鏡與基座和上面設(shè)置有二極管的熱導(dǎo)體相調(diào)準(zhǔn)，使得二極管和外殼中的透鏡之間對準(zhǔn)，進(jìn)一步的，所述反射體是圓錐形或拋物線形的。
17.如權(quán)利要求7所述的光源，所述外殼通過粘合劑固定于所述基座，所述粘合劑只位于形成柱面的接縫中，使得該外殼與基座之間的正交水平的平坦徑向表面平齊，在那之間沒有粘合劑，確保透鏡相對于軸線準(zhǔn)確校直。
18.如權(quán)利要求1所述的光源，所述外殼包括底部裙邊部，所述熱導(dǎo)體略微延伸超過該外殼裙邊，如此，當(dāng)光源被安裝入系統(tǒng)時，該熱導(dǎo)體的末端被暴露出來，使其容易與散熱裝置相接觸。
19.如權(quán)利要求1所述的光源，熱導(dǎo)體終結(jié)于一個傳熱機(jī)構(gòu)，該傳熱機(jī)構(gòu)與該熱導(dǎo)體整體構(gòu)建。
20.如權(quán)利要求19所述的光源，所述由鋼材料制成的基座具有用于容納熱導(dǎo)體的機(jī)械裝置，為這兩者之間提供一個可靠的機(jī)械安裝。
21.如權(quán)利要求19所述的光源，所述傳熱機(jī)構(gòu)為冷卻片裝置。
全文摘要
發(fā)光二極管被配置有一個具有整體散熱裝置的封裝。一種具有高熱傳導(dǎo)率的材料被耦接于一個半導(dǎo)體芯片，提供一條將熱從容易感到過熱的芯片中排出的路徑。在某些樣式中，散熱裝置也提供一個第二末端，其進(jìn)一步便于將熱量從器件封裝中排出。該高傳導(dǎo)率路徑與其他LED封裝元件整體形成并共同工作，為LED功能提供額外的支持。
文檔編號H01L33/60GK1906773SQ200480040713
公開日2007年1月31日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者弗拉基米爾·阿布拉莫夫, 德米特里·阿加福諾夫, 尼古拉·舍巴科夫, 亞歷山大·希紹夫 申請人:Acol技術(shù)公司