CN100583469C - 发光装置 - Google Patents

Abstract

一种发光装置，包括：发光二极管芯片；其上安装发光二极管芯片的传热板；设置在发光二极管芯片与传热板之间的子安装部件；堆叠在传热板上并形成有通孔的绝缘基板，通孔用于暴露子安装部件；用于密封所述发光二极管芯片的密封部件；以及叠放在密封部件上的透镜。子安装部件包括在发光二极管芯片的接合部分周围的反射膜，该反射膜反射从发光二极管芯片的侧面辐射的光。子安装部件的厚度设置成使反射膜的表面与传热板的距离大于与绝缘基板的距离。

Description

发光装置

技术领域

本发明涉及利用LED(发光二极管)芯片的发光装置。

背景技术

日本未审查的专利申请公开第2001-85748号(在下文称作专利文件1)和日本未审查的专利申请公开第2001-148514号(在下文称作专利文件2)提出了一种发光装置，该发光装置包括LED芯片；安装LED芯片的电路板；包围电路板表面上的LED芯片的金属框架(例如，由铝制成)；封装部件(例如，由诸如环氧树脂和硅树脂的透明树脂制成)，其填充在框架内以封装LED芯片和连接到LED芯片的接合线。专利文件1和2中所公开的框架的形状设置成具有开口区域，离电路板越远，该开口区域就越大，并且该框架被抛光成具有内镜面(mirror interior face)，该内镜面起反射器的作用，用于反射从LED芯片发射的光。然而发现，由于从LED芯片的侧面所辐射的光被电路板吸收，或通过框架与电路板之间的接合部泄漏，光不能令人满意地从以上发光装置中有效地取出。

发明内容

本发明针对以上问题而做出，其目的是提供一种发光装置，该发光装置能够改善它的光输出。

根据本发明的发光装置包括：LED芯片；导热板，其由导热材料制成，以便在其上安装LED芯片；配置成平板形状的子安装部件，其尺度设置成大于LED芯片且小于导热板；堆叠在导热部件上的电介质基板；封装部件，由透明且具有弹性的材料制成以便封装LED芯片；以及叠放在封装部件上的透镜。子安装部件设置在LED芯片和导热板之间，以减轻由于LED芯片和导热板之间的线性热膨胀系数差而施加到LED芯片上的应力。而且，电介质基板在与导热板相对的表面上设置有一对引线图案，用于分别与LED芯片的电极电连接。此外，电介质基板形成有通孔，子安装部件通过该通孔暴露。子安装部件包括设置在LED芯片的结的周围的反射膜，以便反射从LED芯片侧壁发射的光，并且选择子安装部件具有这样的厚度：使得反射膜的表面与导热板的距离大于与电介质基板的距离。

因为本发明的发光装置被配置成包括带有反射膜的子安装部件，该子安装部件具有这样的厚度：使得反射膜的表面与导热板的距离大于与电介质基板的距离，所以能够防止电介质基板的表面或侧壁对从LED芯片侧壁发射的光的吸收，从而改善了光取出效率，随之相应地改善了光输出。

一般而言，颜色转换部件设置在电介质基板的表面上，以便转换从LED芯片或金属框架辐射的光的颜色，该金属框架反射LED芯片的光。通过选择这样的厚度：使得反射膜的表面与导热板的距离大于与电介质基板的距离，即使以上颜色转换部件设置在电介质基板的表面上，也能够防止光通过以上颜色转换部件与电介质基板之间的接合部泄漏。

因此，能够改善光取出效率，也能够降低颜色深浅不匀(colorshading)。

优选地，LED芯片和子安装部件都各自配置成具有正方形平面形状，而LED芯片以这样一种方式设置在子安装部件中央：使LED芯片的平边分别与子安装部件的对应对角线交叉。

在这种情况下，反射膜能够有效地向子安装部件反射从LED芯片的每一个侧壁辐射的光。优选地，发光装置进一步包括设置在电介质基板表面的框架，以便包围子安装部件和所述LED芯片，并且，封装部件由填充在框架内的透明材料限定。框架由透明材料模制而成。

框架可以配置成确定封装部件的尺寸。此外，与框架由金属材料制成的常规情况相比，由透明材料模制而成的框架能够减小框架与封装部件之间的线性热膨胀系数差，以便抑制在热循环测试期间在低温条件下产生空隙。而且，框架自身能够减小光反射损耗，从而改善了光输出效率。

优选地，LED芯片在其一个表面上形成有电极之一，而在另一个表面上形成有另一个电极。所述电极中与子安装部件相邻的电极通过子安装部件上的导体图案连接到一个接合线，而远离子安装部件的另一个电极连接到沿着LED芯片的对角线之一延伸的接合线。

在这种情况下，接合线很少有机会阻挡从LED芯片的侧壁辐射的光，因此，能够减小由于存在接合线而引起的光取出效率的降低。

发光装置优选地配置成进一步包括穹顶形颜色转换部件，其设置在电介质基板上以便覆盖透镜。颜色转换部件是由与荧光材料混合的透明材料模制而成的模制部件，该荧光材料被从LED芯片发射并通过封装部件的光激发而辐射颜色与LED芯片的颜色不同的光。此外，颜色转换部件设置成在所述颜色转换部件与透镜的光发射面之间形成空气层。

颜色转换部件的提供使得能够辐射与LED芯片的颜色不同的颜色。而且，颜色转换部件设置成在颜色转换部件与透镜的光发射面之间形成空气层。当颜色转换部件受到外力时，空气层能够抑制颜色转换部件通过透镜和封装部件将应力传到LED芯片。此外，能够减小被引导并通过透镜的光的量，即从LED芯片辐射而通过透镜和封装部件入射到颜色转换部件并且被颜色转换部件中的荧光粒子散射的光的部分。因此，能够改善整个装置的光取出效率。此外，能够保护LED芯片不受外部环境中的湿汽的影响。因为不需要使颜色转换部件与透镜紧密接触，能够减小由于与颜色转换部件有关的尺寸精度或定位精度而引起的产出的下降。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的发光装置的横断面视图；

图2是以上装置的局部切开的分解透视图；

图3是说明以上装置的主要部分的平面图；

图4是以上装置中所使用的子安装部件的透视图；

图5A是以上装置的主要部分的示意图；

图5B是以上装置的主要部分的示意图；

图6是以上装置的另一种配置的横断面；以及

图7是以上装置的进一步的配置的横断面。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本发明进行详细说明。

如图1和2所示，根据本实施例的发光装置1包括：LED芯片10；电路板20，由热传导性材料制成以便在其上安装LED芯片10；框架40，包围在电路板20的表面上的LED芯片10；封装部件50，其具有弹性且由半透明材料(透明树脂)制成，该材料填充在框架40内以便封装LED芯片10及连接到LED芯片10的接合线14；叠放在封装部件50上的透镜60；以及穹顶形颜色改变部件70，其为模制部件，由混以荧光材料的透明材料模制而成，并设置在电路板20上以便覆盖透镜60。本实施例的发光装置1适于用作例如照明设备的光源，通过由例如绿片(green sheet)制成的电介质层90安装在设备的金属本体100(例如，由诸如铝或铜的高热传导率金属制成)上。由于被安装在设备的金属本体100上，从LED芯片10到金属本体100的热阻可以变小，从而改善散热能力。此外，因为能够限制LED芯片的结处的温升，所以能够增加输入功率，从而增加输出功率。就此而言应该指出的是，当发光装置1用于照明设备时，多个发光装置1可以安装在设备的金属本体100上，发光装置以串联或并联的方式相互连接，以便获得想要的输出光功率。

电路板20包括金属板21以及由玻璃环氧物板制成并叠放在金属板21上的电介质基板22。电介质基板22在其与金属板21相对的表面上设置有一对引线图案，用于分别与LED芯片10的电极(未示出)电连接，并且，电介质基板形成有通孔24，在下文要提到的子安装部件30通过该通孔暴露。尽管在本实施例中，金属板21由铜(Cu)制成，它也可以由具有较高热传导率的另一种金属如铝(Al)制成。此外，在本实施例中，金属板21由热传导性材料制成，以便将其自身限定为其上安装LED芯片10的导热板。金属板21借助于由电介质粘合剂片膜制成的粘合剂部件25固定到电介质基板22。代替粘合剂部件25，同样可以在电介质基板22上提供与金属板21相邻的耦合金属层，以便借助于该耦合金属层将电介质基板22固定到金属板21。

每一个引线图案23借助于由Ni层和Au层组成的叠层而实现，并由其位于框架40内的部分限定内引线部分23a，并且由其未被颜色变换部件70覆盖的部分限定外引线部分23b。每一个引线图案23不限于Ni层和Au层的叠层，也可以通过Cu层、Ni层和Ag层的叠层实现。

LED芯片10是基于辐射蓝光的GaN的蓝LED芯片，并配置成具有正方形平面形状。LED芯片10包括作为外延基板的导电基板，其为n型SiC基板，晶格常数和晶体结构接近于GaN的程度比接近于蓝宝石的程度大，且具有导电性。在导电基板11的主表面还形成有发光部件12，其由基于GaN的半导体材料制成，并通过外延生长(例如，MOVPE处理)获得，以便具有例如双异质结构的层压结构。阴极电极(n型电极)(未示出)在导电基板11的背侧形成为阴极侧电极。阳极电极(p型电极)(未示出)在发光部件12的表面(导电基板11的主表面的最前面的表面)形成为阳极侧电极。简言之，LED芯片10在其一个表面上具有阳极电极，而在反面具有阴极电极。

应该指出的是，尽管本实施例的阴极电极和阳极电极均是由Ni层和Au层组成的叠层组成的，然而，阴极电极和阳极电极并不限于特定材料，而可以由显示出好的欧姆特性的材料(例如Al)制成。此外，本实施例示出，LED芯片10安装在金属板21上，其中LED芯片10的发光部件12与金属板21隔开的距离比与导电基板11隔开的距离更远。然而，同样可以这样将LED芯片10安装在金属板21上：使发光部件12距离金属板比距离导电板11更近。尽管从光取出效率的角度看，将发光部件12与金属板21隔开是理想的，但将发光部件12与金属板21靠近设置并不增加光取出损耗，原因是，在本实施例中，导电基板11和发光部件12具有相同级别的折射率。

LED芯片10通过通孔24内的子安装部件30安装在金属板21上。子安装部件30的形状设置成矩形板(在本实例中是正方形平面板)，其尺度设置成大于LED芯片10且小于金属板21，并且减轻由于LED芯片10和金属板21之间的线性膨胀系数差而施加到LED芯片10上的应力。此外，除了减轻上述应力之外，子安装部件30还具有热传导功能，在比LED芯片10的芯片尺寸更宽的区域上，将LED芯片10产生的热传导到金属板21。LED芯片10产生的热通过子安装部件30传导到金属板21，而不经过电介质基板22。

就此而言应该指出的是，尽管因为AlN同时具有较高的热传导率和绝缘性能而采用AlN作为子安装部件30的材料，但子安装部件30的材料并不限于AlN，也可以选择其具有与由6H-SiC制成的导电基板11的线性膨胀系数接近的线性膨胀系数以及较高的热传导率，例如复合SiC、Si等等。

如图4所示，子安装部件30包括导电图案31，该导电图案31连接到LED芯片10表面上的上述阴极电极，并且还包括反射来自LED芯片10侧面的辐射光的反射膜32(例如Ni膜和Ag膜、Al膜等的叠层)。简言之，子安装部件30包括反射膜32，其被设置在LED芯片10的接合部周围以反射来自LED芯片10侧面的辐射光。此外，选择子安装部件30具有这样的厚度：使得反射膜32的表面与金属板21(导热板)的距离大于与电介质基板22的距离。

通过除了在子安装部件30上设置反射膜32之外，还以上述方式选择子安装部件30的厚度，能够防止子安装部件30的表面和电介质基板22的侧壁对来自LED芯片10侧壁的辐射光的吸收，并且还能防止经由颜色变换部件70与电介质基板22之间的接合部的泄漏，从而改善了光取出效率。而且，通过防止来自LED芯片10侧壁的辐射光经由颜色变换部件70与电介质基板22之间的上述接合部的泄漏，能够降低颜色深浅不匀。

LED芯片10具有阴极电极，该阴极电极通过导电图案31并且通过接合线14(例如，细金导线、细铝导线)电连接到引线图案23之一；并且具有阳极电极，该阳极电极通过接合线14电连接到另一个引线图案23。

LED芯片10以这样一种方式设置在子安装部件30中央：使得LED芯片10的平边与子安装部件30的对应对角线交叉。在本实施例中，LED芯片10的中心轴线与子安装部件30的中心轴线沿着其厚度方向基本上对准，而LED芯片10的每一个平边与对角线中的对应对角线以大约45°的角度相交。以这样一种设置，能够在反射膜32处有效地反射来自LED芯片10的每一个侧壁的辐射光。LED芯片10以这样一种方式设置在子安装部件30中央：使得LED芯片10的平边与子安装部件30的对应对角线交叉。

在本实施例中，LED芯片10的中心轴线与子安装部件30的中心轴线沿着其厚度方向基本上对准，而LED芯片10的每一个平边与对角线中的对应对角线以大约45°的角度相交。以这样一种设置，能够在反射膜32处有效地反射来自LED芯片10的每一个侧壁的辐射光。

如图3所示，本实施例的发光装置这样配置：使得电耦连到LED芯片10的每一个接合线14沿着LED芯片10的对角线的方向延伸，以便减小阻挡来自LED芯片10的每侧的辐射光的机会。因此，通过提供接合线14，能够抑制光取出效率的降低。

尽管LED芯片10和子安装部件30可以利用诸如SnPb、AuSn、SnAgCu的焊料或银膏接合，它们优选地通过使用诸如AuSn、SnAgCu的无铅焊料接合。

硅树脂作为透明材料用于封装部件50。然而，封装部件可以由丙烯酸类树脂制成，而不用硅树脂。

框架40由透明树脂模制成为圆筒形状。框架40设置在电介质基板22上，以包围LED芯片10和子安装部件30。本实施例示出，框架40由硅树脂制成，即具有与封装部件50的线性热膨胀系数几乎相等的线性热膨胀系数的透明材料。当将丙烯酸类树脂用于封装部件50而不用硅树脂时，理想的是使用丙烯酸类树脂来模制框架40。本实施例指出，封装部件50由填充在框架内并且在框架40被粘合到电路板20之后热固化的透明材料限定。

由于提供了框架40，封装部件50的尺寸可以由框架40确定。此外，与框架由金属材料制成的常规情况相比，由透明材料模制而成的框架40能够减小框架40与封装部件50之间的线性热膨胀系数差，从而抑制了在热循环测试期间在低温条件下产生空隙。而且，框架40能够减小光反射损耗，从而改善了光输出效率。

透镜60配置为双凸透镜，该双凸透镜具有与封装50相对的凸光入射表面60a以及凸光发射表面60b。透镜60由硅树脂模制而成，具有与封装50相同的折射率。透镜60不限于硅树脂模件，而可以由丙烯酸类树脂模制而成。透镜的光发射表面60b向外凸出，以便使得到达光入射表面60a的光在光发射表面60b与空气层80之间的界面处不会发生全内反射。此外，将透镜60设置成使其光轴与发光部件12的中心线对准，该中心线穿过LED芯片10沿着其厚度方向延伸。

颜色转换部件70由例如硅树脂的透明材料与粒子性黄荧光材料的混合物模制而成，粒子性黄荧光材料被从LED芯片10发射并通过封装50的蓝光激发而辐射宽的黄白光(broad yellowish white light)。从LED芯片10侧壁发射的光经由封装50和空气层80到达颜色转换部件70，激发颜色转换部件70的荧光材料，或者经过颜色转换部件70而不与荧光材料碰撞。本实施例的发光装置1可以给出白光，该白光是从LED芯片10所发射的蓝光与从黄荧光材料所发射的光的组合。

颜色转换部件70的内表面70a的形状设置为与透镜60的光发射表面60b一致，从而光发射表面60b的整个表面上，得到均匀的光发射表面60b与颜色转换部件70的内表面70a之间的法向距离。此外，颜色转换部件70的形状设置成沿法向具有均匀的厚度。

借助于由例如粘合剂(例如硅树脂、环氧树脂)所提供的接合(未示出)，在颜色转换部件70的开口的周边上，将颜色转换部件70固定在电介质基板22上，以便得到限定在颜色转换部件70与透镜60的光发射表面60b及框架40之间的空气层80。当颜色转换部件70因受到外力而变形时，空气层80的存在减小了透镜60与颜色转换部件70之间接触的可能性。因此，可以防止将由于外力而在颜色转换部件70处产生的应力传到LED芯片10以及接合线14，从而减少了LED芯片10的发光性能的降低以及接合线14的断裂，从而得到改善的可靠性。此外，由于在颜色转换部件70与透镜60之间提供了空气层80，能够保护LED芯片10不受外部环境中的湿汽的影响。此外，因为不需要使颜色转换部件70与透镜60及框架40紧密接触，能够减小由于与颜色转换部件70有关的尺寸精度或定位精度而造成的产出的下降。因为颜色转换部件70是最后组装的，简单地通过选择颜色转换部件70就能够减小颜色偏差，其中针对来自LED芯片10的光的波长来调整荧光材料与透明材料的混合比例。

而且，由于在颜色转换部件70与透镜60之间提供了空气层80，能够减小从颜色转换部件70漫射回到透镜60中的光的量，即从LED芯片10发射而经由封装部件50和透镜60入射到颜色转换部件70后被颜色转换部件70中的黄荧光粒子散射的光的部分。因此，能够改善整个装置的光取出效率。

下面参照图5A和图5B来进行说明，其中颜色转换部件70的光轴与LED芯片的光轴对准，使得从LED芯片10辐射的蓝光从颜色转换部件70沿其光轴的中心点P、在每个方向上均匀地散射。对于在点P散射的光，颜色转换部件70分别在颜色转换部件70的内侧和外侧产生扩展角为2θa的逸出圆锥体(escape cone)ECa和扩展角为2θb的逸出圆锥体ECb。如图5A所示，当全内反射角φa和φb为40°时，扩展角被表示为2θa＝60°，2θb＝98°，而如图5B所示，当全内反射角φa和φb为50°时，2θa＝76°，2θb＝134°，其中全内反射角φa是在颜色转换部件70与空气层之间的界面处定义的，而全内反射角φb是在颜色转换部件70与空气即颜色转换部件70外的介质之间的界面处定义的。

在点P散射并且通过颜色转换部件内侧的逸出圆锥体ECa而引导的蓝光具有最大发射效率η，表示为η＝(1/4n²)×100(％)，其中n是形成颜色转换部件70的透明材料的折射率。因此，当如上所述使用n＝1.4的硅树脂时，

换句话说，当颜色转换部件70和透镜60之间设置空气层80时，在点P散射的蓝光中的仅13％反射回透镜60，而在没有空气层80时，反射多达大约50％的蓝光。因此，可以改善光提取效率，并且可以抑制由于蓝光而造成的封装部件50的劣化。理想的是，使用厚度增加的颜色转换部件70来减少通过逸出圆锥体ECa而引导的蓝光。

用于颜色转换部件70的透明材料不限于硅树脂，还可以包括例如丙烯酸类树脂、环氧树脂、玻璃。此外，混合到用于颜色转换部件70的透明材料中的荧光材料不限于黄荧光材料，可以替换为产生白光的红荧光材料和绿荧光材料的混合物。

以上实施例示出使用SiC基板作为承载LED芯片10的导电基板11，其中LED芯片10是发蓝光的蓝LED芯片，然而，作为替换，基板11可以由GaN基板制成。与使用电介质蓝宝石基板相比，使用SiC和GaN基板时，外延基板具有较高的热传导率，从而减小了热阻。LED芯片10可以配置成发射红光或绿光，而不是蓝光。LED芯片10的发光部件12的材料不限于基于GaN的半导体复合材料，还可以包括基于GaAs的半导体复合材料，或者基于GaP的半导体复合材料。

此外，导电基板11不限于SiC基板，还可以从与发光部件12的材料相适应的GaAs基板、GaP基板等中选择。

如以上所讨论的，本实施例的发光装置1配置成包括子安装部件30上的反射膜32，并且如此选择子安装部件的厚度，使得反射膜32的表面距离金属板(热传导性板)21比距离电介质基板22的表面远。利用该配置，可以防止从LED芯片10的侧壁发射的光被子安装部件30的表面或电介质基板的侧壁吸收，还可以防止该光经由颜色转换部件70与电介质基板22之间的接合部泄漏，从而提高了光输出效率。由于输出效率提高，光输出也得到提高。应注意，尽管本实施例示出了发光装置1具有由透明树脂制成的框架40，但框架是可以省略的，如图6所示。

此外，本实施例的发光装置1可以使用由常规金属制成的框架40′，而不是由透明树脂制成的框架40。在此情况下，子安装部件30的厚度也如此选择，使得反射膜32的表面距离金属板(热传导性板)21比距离电介质基板22远。因此，能够制造这样一种发光装置，其能够防止从LED芯片10的侧壁辐射的光被电介质基板32的侧壁吸收，并且防止光经由金属框架40′与电介质基板22之间的接合部泄漏，从而提高了光提取效率，随之相应地提高了光输出。

如以上所讨论的，显然可以在本发明的技术思想的范围内设想各种不同的实施例，因此，本发明不应被限制到特定的实施例，而应当由权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种发光装置，包括：

发光二极管芯片；

导热板，所述导热板由导热材料制成，以便在所述导热板上安装所述发光二极管芯片；

平板式子安装部件，其尺度设置成大于所述发光二极管芯片且小于所述导热板，所述子安装部件设置在所述发光二极管芯片与所述导热板之间，以便减轻由于所述发光二极管芯片与所述导热板之间的线性热膨胀系数差而作用在所述发光二极管芯片上的应力；

堆叠在所述导热板上的电介质基板，所述电介质基板在与所述导热板相对的表面上设置有一对引线图案，用于分别与所述发光二极管芯片的电极电连接，所述电介质基板形成有通孔，所述子安装部件通过所述通孔暴露；

封装部件，所述封装部件由透明且具有弹性的材料制成，以便封装所述发光二极管芯片；

叠放在封装部件上的透镜；

其中，

所述子安装部件包括反射膜，所述反射膜设置在所述发光二极管芯片的接合部周围，以便反射从所述发光二极管芯片的侧面发射的光；以及

选择所述子安装部件具有这样的厚度，使得所述反射膜的表面与所述导热板的距离大于与所述电介质基板的距离。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其中，

所述发光二极管芯片和所述子安装部件都各自配置成具有正方形平面形状，所述发光二极管芯片以这样一种方式设置在所述子安装部件中央，使得所述发光二极管芯片的平边分别与所述子安装部件的对应对角线交叉。

3.根据权利要求1所述的发光装置，进一步包括：

设置在所述电介质基板的表面上以便包围所述子安装部件和所述发光二极管芯片的框架，所述封装部件由填充在所述框架内的透明材料限定，并且，所述框架由透明树脂模制而成。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其中，

所述发光二极管芯片在其一个表面上形成有一个电极，在另一个表面上形成有另一个电极，所述电极中靠近所述子安装部件的电极通过所述子安装部件上的导体图案连接到一个接合线，而远离所述子安装部件的另一个电极连接到另一个接合线，所述另一个接合线沿着所述发光二极管芯片的对角线之一延伸。

5.根据权利要求1所述的发光装置，进一步包括：

穹顶形颜色转换部件，其设置在所述电介质基板上以便覆盖所述透镜，所述颜色转换部件是由与荧光材料混合的透明材料模制而成的模制部件，所述荧光材料被从所述发光二极管芯片发射并通过所述封装部件的光激发而辐射颜色与所述发光二极管芯片的颜色不同的光，所述颜色转换部件设置成在所述颜色转换部件与所述透镜的光发射面之间形成空气层。

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