CN100442551C - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光装置10，其包括氮化铝共烧基板11和布置在该共烧基板正面上的发光器件12，其中布置有所述发光器件12的所述氮化铝基板11的正面是镜面抛光的，以至于其表面粗糙度为0.3微米Ra或更小，并且所述发光装置10还包括汽相沉积金属膜14和导通孔15，所述汽相沉积金属膜14围绕着发光器件12布置在氮化铝基板11的正面上并且其对发光器件12发出的光的反射率为90%或更高。所述导通孔15从布置有发光器件12的正面穿过氮化铝基板11通到基板的背面，从而允许从背面导通至发光器件12。所述构造可以降低发光装置的尺寸，并提供具有优异散热性能，允许更大电流通过，而且在高发光效率下亮度显著增加的发光装置。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及包括发光器件(例如布置在绝缘基板表面上的发光二极管(LEDs))的发光装置。更具体地说，本发明涉及尺寸可以降低、散热性能优异、允许更大电流通过，并且在高发光效率下亮度显著增加的发光装置。
背景技术
发光二极管(下文中也称作LED芯片)是在施加电压时用作光源并且作为两种半导体之间接触表面(pn-结)附近电子和空穴复合的结果而发光的发光器件(发光元件)。这些发光器件尺寸小并且电能到光的转化效率高，因此被广泛地用作家用电器、光操作开关和LED指示器(LED显示器)。
与使用灯丝的电灯泡不同，发光二极管是半导体器件，因而不会爆裂、初始驱动性能优异，并且即使在扰动和/或重复开/关操作下也具有优异的耐用性。因此，发光二极管也被用作指示器的背光或者典型的用于汽车仪表板的显示器。特别地，因为它们可以发出色饱和度高的明亮颜色的光而不受阳光的影响，所以发光二极管的使用将会扩展至，例如布置在户外的显示器、交通用途的显示器和交通信号灯等。
作为载有(bearing)发光器件(举例来说如LED芯片)的传统发光装置，建议了图4所示的发光装置(例如参见专利文献(日本待审专利申请公开第10-21500l号))。该发光装置l包括陶瓷封装3、作为发光器件的LED芯片、第一金属层6、第二金属层7和树脂模8。陶瓷封装3包括导电布线(conductive interconnection)2并且具有凹孔(concaveopening)。LED芯片5借助凹孔中的连接线4与导电布线2电连接。第一金属层6和第二金属层7布置在凹孔的侧壁上。树脂模8密封凹孔。
该专利文献提到根据传统的发光器件，布置在凹孔中的第一金属层6用于增加与陶瓷封装3的附着力，另外第二金属层7用来反射从LED芯片5发出的光，因此可以降低光的损失并且可以增加显示器的典型对比度。
但是，因为具有LED芯片的陶瓷封装由主要包含氧化铝(Al2O3)并且热导率低的陶瓷材料组成，并且用来密封LED芯片的模树脂也具有低的热导率，所以传统的发光装置具有散热性能非常不良的致命缺点。LED芯片可能由于施加高电压和/或大电流时产生的热量而破裂。因此，因为可以施加到LED芯片上的最高电压低并且供应的电流局限于几十毫安，所以传统的发光装置具有低的亮度。
因为只需要低的亮度，所以使用LED芯片的传统发光装置已经在实践中使用，而即使在上述电流量下也没有明显的问题。但是随着最近LED发光装置特殊用途的扩展，技术上需要实现在更高功率下通过可以增加至约几安培的电流并因而亮度增加的结构。
另外，在如图4所示的传统发光装置中，通过引线接合工艺电连接LED芯片和导电布线，以至于引线升高的部分在装置的厚度方向中突起，并且不利地需要大的用于连接引线边缘的电极区。因此，导致包括布线结构的LED封装尺寸变大的问题。
此外，当在如图4所示的凹孔中安装LED芯片，从而避免引线在装置厚度方向中突起的不利影响时，从LED芯片中发出的光被凹孔的内壁吸收，从而增加了光损失，因而发光效率降低。因此，根据现有技术，在凹孔的内壁上布置反射光的金属层，从而降低了光的吸收损失。但是，在具有弯曲内壁的凹孔中均匀地形成这种反射金属层是非常困难的，并且发射的光被内壁部分吸收，导致光损失。另外，还发现凹孔的内壁自身具有抑制光传播或透射的结构，并因而导致亮度降低的问题。
已经实现了本发明来解决传统的问题，并且本发明的目的是提供一种尺寸可以降低、散热性能优异、允许更大电流通过，并且在高发光效率下亮度显著增加的发光装置。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种发光装置，其包括氮化铝共烧基板和布置在该共烧基板正面上的发光器件，其中布置有所述发光器件的所述氮化铝基板的正面是镜面抛光的，以至于其表面粗糙度为0.3微米Ra或更小，并且所述发光装置还包括汽相沉积金属膜和导通孔(via hole)，所述汽相沉积金属膜围绕所述发光器件布置在氮化铝基板的正面上并且其对发光器件发出的光的反射率为90％或更高，并且所述导通孔从其上布置有发光器件的氮化铝基板的正面贯通至该基板的背面，从而允许从背面导通至发光器件。
在所述发光装置中，所述汽相沉积金属膜优选包含铝(Al)或银(Ag)。发光装置优选包含LED芯片作为发光器件并且还包含至少一个安装并固定在氮化铝基板上的周边组件。所述周边组件选自抑制反向电流的二极管、电阻和热敏电阻。
在所述发光装置中，更优选具有并安装有发光器件的氮化铝基板的表面粗糙度为0.1微米Ra或更小。
所述发光装置中的发光器件优选通过倒装芯片技术(flip chiptechnique)安装在所述氮化铝基板上。
具体地说，根据本发明的发光装置使用具有高热导率的氮化铝(AlN)共烧基板作为陶瓷基板(LED封装)来安装LED芯片。特别地，通过使用具有高热导率的氮化铝基板，发光装置的散热性能显著提高并且临界电流量增加，从而允许大的电流通过，并因而亮度显著增加。
因为载有发光器件的陶瓷基板(AlN基板)的表面是镜面抛光的，所以抛光的表面的反射率增加，并且从发光器件接合面发出的光可以被有效地向基板的正面反射。因此，大大增加了发光强度(亮度)。按照日本工业标准(JIS B 0601)中规定的算术平均粗糙度(Ra)，设置镜面抛光表面的表面粗糙度为0.3微米Ra或更小。如果使表面粗糙至具有表面粗糙度超过0.3微米Ra，趋向于发生抛光表面上发射光的不规则反射和/或吸收，并且发光强度趋向于降低。因此，设置镜面抛光表面的表面粗糙度为0.3微米Ra或更小。通过设置表面粗糙度为0.1微米Ra或更小，可以进一步增加发射光的反射率。
另外，通过在发光器件周围的氮化铝基板的正面上布置对发光器件发射光的反射率为90％以上的汽相沉积金属膜，从发光器件背面发出的光可以被汽相沉积金属膜有效地反射，并且导向基板的正面，从而进一步增加了向基板正面的发光强度(亮度)。反射率为90％或更高的汽相沉积金属膜优选包含铝(Al)或银(Ag)。典型地通过化学汽相沉积(CVD)方法或者溅射方法形成约1至5微米厚汽相沉积金属膜。作为反射光发光强度与入射光发光强度的比例给出上面的反射率。
因为布置有从载有发光器件的氮化铝基板的正面贯穿至基板背面的导通孔，从而允许从基板背面导通至发光器件，所以允许电流通过导通孔从氮化铝基板的背面通到基板正面上的发光器件。这种结构不需要通过引线接合工艺在基板的正面上连接布线、简化了布线结构、避免了引线在发光装置的厚度方向上突起，因而可以降低发光装置的厚度和尺寸。
另外，通过使发光装置包含LED芯片作为发光器件并且还包含布置在氮化铝基板上的选自抑制反向电流的二极管、电阻和热敏电阻的至少一个周边组件，可以增加基板正面上的组件封装密度并进一步降低发光装置的尺寸。
因为在发光装置中布置有导通孔，从而从载有发光器件的氮化铝基片的正面贯通至其背面，因而允许从基片背面导通至发光器件，所以可以通过倒装芯片装配技术将发光器件安装到氮化铝基板上。具体地说，可以根据面朝下系统(face down system)进行互连(布线)，其中在例如LED芯片的发光器件的连接端上形成例如焊块的金属块，并且借助导通孔和布置在布线导体端部上的连接盘(land)，将焊块连接至布置在基板背面上的通电布线(energizing interconnection)。根据面朝下系统的布线结构，可以在发光器件表面的任意位置上引出电极。这种结构允许以最短的距离连接发光器件和布线导体，甚至在增加电极数量时也能抑制作为发光器件的LED芯片尺寸的增大，并且能够在非常薄的厚度内安装LED芯片。
在所述发光装置中，优选在布置有汽相沉积金属膜区域以外的氮化铝基板的暴露表面上布置白色保护膜(white resist film)。
汽相沉积金属膜起着有效地反射从发光器件发出的光的作用，并且还起着给发光器件通电的导电层的作用。因此，在发光器件正下方的导电层痕迹(trace)间不可避免地存在没有汽相沉积金属膜的间隙，从而划分成正和负导电层。通常，布置有汽相沉积金属膜的区域面积小于氮化铝基板的表面积。这种结构不可避免地在氮化铝基板周围产生没有布置汽相沉积金属膜的区域，即暴露出氮化铝基板的区域。当允许发光器件在所述条件下发光时，发射的光通过氮化铝基板以增加的比例从没有布置汽相沉积金属膜的区域和/或间隙消散到基板背面上，并且降低了向正面发射的光的强度。因为氮化铝基板的透明度随着其纯度的增加而增加，所以当氮化铝基板的纯度增加，以至于其热导率增加时，这种趋势变得更明显。
但是，通过在布置有汽相沉积金属膜区域以外的氮化铝基板的暴露的正面上布置白色保护膜，可以有效地阻止从发光器件发射的光通过氮化铝基板消散，并且可以增加亮度。为了增加发射光的反射率，保护膜的颜色必须是白色的。
发光装置的保护膜优选包含阻焊油墨(solder resist ink)并且通过丝网印刷形成。阻焊油墨是被施用到例如印刷布线板的特定区域上的热稳定覆盖件，并且用作覆盖材料，以阻止焊剂沉积到需要形成焊块等的区域以外的区域上。因此，通过从阻焊油墨形成保护膜，可以有效地阻止由于连接倒装芯片的焊块的扩展而引起导电层痕迹间的短路。另外，通过丝网印刷可以高效地形成包含阻焊油墨的保护膜。
附图说明
图1是表示根据本发明的发光装置实施方案的剖视图。
图2是图1所示发光装置的平面图。
图3是表示根据实施例1及比较实施例1和2的发光装置中，电流和发光强度之间关系的图。
图4是表示传统的发光装置结构实例的剖视图。
图5A和5B分别是具有保护膜的发光装置结构一个实例的平面图和剖视图。
图6A和6B分别是不具有保护膜的发光装置的结构实例的平面图和剖视图。
图7是表示图5和6中所示发光装置的电流和发光强度之间关系的图。
具体实施方式
接下来，参照附图将更详细地解释并阐述根据本发明的发光装置的实施方案。
[实施例1至24和比较实施例1至11]
制备多个厚度和热导率如表1所示的氮化铝(AlN)基板、环氧树脂基板和氧化铝(Al2O3)基板作为实施例和比较实施例的基板。通过共烧生产用于实施例的氮化铝(AlN)基板和用于比较实施例的氧化铝(Al2O3)基板，所述基板在厚度方向上具有贯穿基板的导通孔，并且在基板背面上的导通孔端部上形成有连接盘。所述连接盘用作连接组件引线的接线端导体。
接下来，使其上待安装LED芯片作为发光器件的氮化铝(AlN)基板和氧化铝(Al2O3)基板的正面接受镜面抛光，从而使其具有如表1所示的0.1至0.3微米Ra的表面粗糙度。采用化学汽相沉积(CVD)方法在用作发光器件的LED芯片周围的基板正面上沉积厚度如表1所示的包含银(Ag)或铝(Al)的金属沉积膜。
另一方面，在比较实施例1中，使用环氧树脂基板，并且不形成汽相沉积金属膜。在比较实施例2和3中，在待安装芯片的区域周围，在热导率低的氧化铝(Al2O3)基板的正面上形成包含Ag或Al的汽相沉积金属膜。除了轻微抛光基板表面以在烧结后除去残留在基板正面上的沉积物，从而使得待安装LED芯片的表面具有大于本发明中规定水平的表面粗糙度外，采用与实施例1相同的步骤生产根据比较实施例4至11的发光装置。
在各种基板的正面上安装具有相同规格的蓝色LED芯片，通电接线端(energizing terminal)与基板背面(背后)上的连接盘连接，并且连接布线以便通过导通孔给LED芯片通电。最后，安装黄色发光体(YAG)以覆盖所安装的LED芯片。由此，生产出发射白光的根据本实施例和比较实施例的发光装置。
如图1和2所示，每个根据实施例如此制备的发光装置在结构上包括具有高热导率的氮化铝(AlN)基板11、安装在AlN基板11正面上的蓝色LED芯片12、覆盖LED芯片12表面的黄色发光体13、布置在AlN基板11正面上的汽相沉积金属膜14、在厚度方向上贯穿基板的导通孔15以及布置在基板背面上的导通孔15端部上的连接盘16。通电接线端与AlN基板11背面(背后)上的连接盘16连接，并且连接布线以便通过导通孔15给LED芯片12通电。
至于根据实施例和比较实施例制备的发光装置，各个基板的规格(材料类型、厚度和热导率)、安装有LED芯片的一面的表面粗糙度和汽相沉积金属膜的规格(类型、厚度和光学反射率)都表示在表1中。另外，通过逐渐增加向每个LED芯片上施加的电流量，确定在LED芯片稳定发光且不会破裂的范围内的最大电流量。测定各个发光装置的最大发光强度。结果表示在表1中。设定使用氧化铝(Al2O3)基板的根据比较实施例2的发光装置的发光强度为100％(标准值)，以相对值表示发光强度。
表1
Figure C20048002827000101
从表1中所示的结果明显可见，根据实施例的发光装置具有改进的散热性能，因而具有显著增加的临界电流(最大可通过的电流，或者可施加的最大电流量)并且发光强度剧烈增加，其中每个发光装置使用具有高热导率的氮化铝(AlN)基板11，使用具有镜面抛光的表面作为安装LED芯片的表面，并且在AlN基板11的表面上包含特定的汽相沉积金属膜。
相比而言，上面的结果再次证实使用具有低热导率的环氧树脂或氧化铝(Al2O3)基板的比较实施例1至3的发光装置由于其不良的散热性能而在可以供应给装置的功率方面收到限制，具有较低的临界电流并且难以提高发光强度。在使用AlN基板但安装LED芯片的表面具有过大表面粗糙度的根据比较实施例4的发光装置中，尽管可以向这些装置提供大的电流，但是在芯片接合面处光的不规则反射和吸收增加，因而发射光被AlN基板吸收的比例增加。因此，这些装置的发光强度降低。
图3是表示根据实施例1及比较实施例1和2的发光装置中电流和发光强度关系的图。与使用树脂基板或氧化铝(Al2O3)基板的根据比较实施例1和2的发光装置相比，使用氮化铝(AlN)基板11作为LED芯片12的安装基板的根据实施例1的发光装置的临界电流显著增加并且亮度剧烈增加。
根据各个实施例的发光装置10使用具有高热导率的氮化铝(AlN)共烧基板11作为安装蓝色LED芯片12的基板(LED封装)。因此，发光装置10的散热性能显著增加，以至于临界电流(可施加的最大电流量)增加，因而允许大的电流通过，并且亮度显著增加。
因为安装LED芯片作为发光器件的氮化铝(AlN)基板11的表面是镜面抛光的，所以抛光表面的反射率增加，并且可以有效地向基板的正面反射从LED芯片12的接合面发出的光。因此，可以大大地增加发光强度(亮度)。
因为导通孔15被布置成从载有LED芯片12的氮化铝基板11的正面贯穿至基板背面，从而允许从背面通到LED芯片12，所以允许电流通过导通孔15从氮化铝基板11的背面流至正面上的LED芯片12。这种结构不需要通过引线接合工艺在基板11的正面上连接布线，简化了布线结构，避免了引线在发光装置的厚度方向上的突起，因而可以降低发光装置10的厚度和尺寸。
因为导通孔15被布置成从氮化铝基板11正面贯穿至其背面，从而允许从背面导通至LED芯片12，所以根据面朝下系统可以通过倒装芯片装配技术互连LED芯片12。根据面朝下系统的布线结构可以在LED芯片12表面的任意位置上引出电极。这就允许以最短的距离连接LED芯片12和布线导体，甚至在增加电极数量时也能抑制作为发光器件的LED芯片尺寸增加，并且能够在非常薄的厚度内安装LED芯片。
接下来，将说明发光装置的一个实施方案，其中对暴露出氮化铝基板表面的部分，例如载有汽相沉积金属膜的区域以外的导电层痕迹(布线图案)之间的部分，布置有白色保护膜。
[实施例25]
如图5A和5B所示，通过向在实施例1中制备的发光装置中作为导电层的汽相沉积金属膜14和14之间的间隙(痕迹间的间隙)17中涂敷、丝网印刷白色阻焊油墨，形成白色保护膜18。然后，借助倒装芯片焊块19在汽相沉积金属膜14上安装并固定LED芯片12作为发光器件，从而生产出根据实施例25的发光装置。
[比较实施例12]
如图6A和6B所示，除了在汽相沉积金属膜14和14之间的间隙17中不形成白色保护膜外，重复实施例25的步骤。然后，借助倒装芯片焊块19在汽相沉积金属膜14上安装并固定LED芯片12作为发光器件，从而生产出根据比较实施例12的发光装置。
在逐渐增加通过电流的同时，确定根据实施例25和比较实施例12制备的发光装置的亮度随着时间的变化。结果表示在图7中。
如图7所示的结果清晰地证实，在汽相沉积金属膜14和14之间的间隙17中形成有白色保护膜18的实施例25的发光装置中，由于白色保护膜18的反射和掩蔽(屏蔽)作用，有效地阻止了光向AlN基板背面的消散，并且在额定电流范围内所述发光装置的发光强度增加，比比较实施例12的发光强度高出约28％至32％。
作为对照，如图6B中的箭头所示，因为从LED芯片12发出的光从间隙17向AlN基板的背面消散，所以没有白色保护膜的根据比较实施例12的发光装置具有较低的亮度。
工业应用性
因为根据上述构造的发光装置使用具有高热导率的氮化铝(AlN)共烧基板作为安装LED芯片的基板(LED封装)，所以发光装置的散热性能显著增加并且临界电流增加，从而允许大的电流通过，并且亮度显著增加。
因为载有发光器件的基板的表面是镜面抛光的，所以抛光表面的反射率增加，并且可以有效地向基板的正面反射从发光器件接合面发出的光。因此，可以大大地增加发光强度(亮度)。
另外，因为围绕着发光器件布置在氮化铝基板的表面上布置有反射率对于发光器件发出的光为90％或更高的汽相沉积金属膜，所以可以增加光的反射强度。
因为导通孔被布置成从具有发光器件的氮化铝基板的正面贯通至其背面，从而允许从背面通到发光器件上，所以允许电流通过所述导通孔从氮化铝基板的背面流至基板正面上的发光器件。这种结构不需要通过引线接合工艺在基板的正面上连接布线，简化了布线结构，避免了引线在发光装置的厚度方向上突起，因而可以降低发光装置的厚度和尺寸。
因为导通孔被布置成从氮化铝基板正面贯穿至其背面，从而允许从背面导通至发光器件，所以根据面朝下系统可以通过倒装芯片装配技术在氮化铝基板上安装发光器件。根据面朝下系统的布线结构可以在发光器件表面的任意位置上引出电极。这种结构允许以最短的距离连接发光器件和布线导体，即便提供增加数量的电极，也能抑制作为发光器件的LED芯片尺寸的增加，从而能够在非常薄的厚度内安装LED芯片。
通过在布置有汽相沉积金属膜区域以外的氮化铝基板的暴露表面上(例如导电层痕迹之间的区域上)布置白色保护膜，可以进一步增加光学反射强度。

Claims (6)

1.一种发光装置，其包括氮化铝共烧基板和布置在该共烧基板正面上的发光器件，
其中其上布置有所述发光器件的所述氮化铝基板的正面被镜面抛光，以至于其表面粗糙度Ra为0.3微米或更小，并且
其中所述发光装置还包括汽相沉积金属膜和导通孔，所述汽相沉积金属膜包含铝或银，其厚度为1～5微米，并布置在氮化铝基板的正面上，且所述发光器件位于该汽相沉积金属膜上，并且所述汽相沉积金属膜对所述发光器件发出的光的反射率为90％或更高，所述导通孔从其上布置有所述发光器件的氮化铝基板的正面贯通至该基板的背面，从而允许从背面导通至发光器件。
2.权利要求1的发光装置，其中在所述氮化铝基板上，除了载有LED芯片作为发光器件以外，还载有至少一个周边组件，该周边组件选自抑制反向电流的二极管、电阻和热敏电阻。
3.权利要求1的发光装置，其中所述载有发光器件的氮化铝基板的表面粗糙度Ra为0.1微米或更小。
4.权利要求1的发光装置，其中通过倒装芯片装配技术在氮化铝基板上安装所述发光器件。
5.权利要求1的发光装置，其中在形成有所述汽相沉积金属膜的区域以外的氮化铝基板正面的暴露部位上涂覆有白色保护膜。
6.权利要求5的发光装置，其中所述保护膜包含阻焊油墨并且通过丝网印刷方法来形成。
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