[发明专利]用于恶劣环境的发光二极管

说明书

本申请是2009年10月13日提交的申请号为“200880011958.3”、发明名称为“用于恶劣化境的发光二极管”的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及发光二极管。具体而言，本发明涉及一种用于恶劣环境的发光二极管。

背景技术

发光二极管，或者LED，是在向LED的阳极和阴极端子之间施加正向偏置时发射特定频谱的非相干光的半导体器件。通过掺杂具有各种杂质的半导体材料以形成p-n结的方式来形成LED，所述p-n结在电流从该结的p侧(阳极)流向该结的n侧(阴极)时发射光子。由LED发射的光的颜色或者波长取决于形成该二极管p-n结的材料。例如，由砷化铝镓(AlGaAs)构成的LED辐射红外线和红光，由磷化铝镓(AlGaP)构成的LED辐射绿光，由氮化镓(GaN)构成的LED辐射绿光和蓝光，并且由氮化铟镓(InGaN)构成的LED辐射近紫外、蓝绿和蓝光，等等。

通常，通过在n型衬底上沉积p型层来形成LED。将耦合到p型层的阳极焊盘安装到LED芯片的顶表面，并且将耦合到n型衬底的阴极焊盘也安装到LED芯片的顶表面上。LED也可以形成在诸如蓝宝石(AL₂O₃)的透明衬底上。例如，在蓝宝石上GaN的LED中，首先在蓝宝石衬底的上表面上形成至少一个n型层，并且然后在该上表面上形成包括p型层的一个或多个附加层以生成p-n结。可以使用许多公知的工艺来形成这些层，例如以金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子沉积等。在该蓝宝石衬底的底表面上形成反射的金属层以将向下发射的光反射回并且通过该上表面。

图1示出了安装到印刷电路板10的现有技术LED管芯1，即，“板上芯片”设计。在蓝宝石衬底3的顶表面上形成p-n结2，并且在蓝宝石衬底3的底表面上形成反射的金属层4。在LED管芯1的顶表面上，将引线7，8(分别地)键合到阳极和阴极焊盘5、6，并且(分别地)键合到印刷电路板10上的相应阳极和阴极焊盘11、12。诸如热压，热超声，超声等的引线键合是用于将引线7、8(分别地)附着到LED焊盘5、11和印刷电路板焊盘6、12的标准方法。金属层4将从p-n结2向下发射的光向上反射，理想地通过LED管芯1的顶表面。结果，尽管由p-n结2发射的一些光会漏出蓝宝石衬底3的侧面，但是大多数光从LED管芯1的顶表面发射。图2示出了安装到印刷电路板10的LED管芯1的正视图，表示(分别地)键合到LED焊盘5、6的引线7、8。

已经在体内的非密封传感器中使用LED，并且在这些应用中，印刷电路板10通常是陶瓷(铝)的或者陶瓷合成物，而LED衬底3通常是蓝宝石、硅或者其他类似材料。尽管对于水或者水蒸汽来说，通常是不能透过这些材料，但是必须保护引线7和8，LED焊盘5和6以及印刷电路板焊盘11和12不受人体恶劣环境的影响。结果，这些组件通常被装入聚合物材料中，不幸的是，该聚合物材料易于被水或者水蒸汽渗透。随着时间的过去，该不期望的水渗透不仅影响聚合物的属性，而且也通过各种机制助长了LED的过早失效，所述机制包括例如介电常数劣化，氧化，电短路，形成空隙空间，衬底上金焊盘的分层等等。

图3示出了在安装到印刷电路板并且其电连接已经被装入聚合物材料中的现有技术LED管芯上水渗透的影响。尽管印刷电路板10有效地阻挡了水从底部渗透到LED管芯1的电连接中，但是如图3所示，水会从其它方向进入到聚合物材料15中。为了强调水渗透问题，图3中在尺寸上夸大了聚合物材料15。

尽管已经知道可以将LED以反向方式安装到印刷电路板，即“倒装芯片”取向，但是这些现有技术本身不能克服当在恶劣环境中使用LED时产生的水渗透问题。然而，与板上芯片设计的标准相比较，由于倒装芯片LED从该LED的下表面发射的光，即从与印刷电路板最接近的表面发射的光，通常被散射，即，没有被反射回LED中而是通过该上表面发射，所以倒装芯片LED发射更少的光。结果，现有技术的倒装芯片LED不仅不能解决水渗透到体内的非密封传感器的问题，而且与标准的板上芯片设计相比发射更少的光。

发明内容