CN101018974B - 具有反射板的led照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种发光装置(8)包括一个或多个发光芯片(10)，其设置在印刷电路板(12)上，并发射波长范围主要在大约400纳米到470纳米之间的光。一种印刷电路板包括：(i)电绝缘板(14)；(ii)导电印刷电路(20)；以及(iii)具有过孔(24)的电绝缘阻焊膜(22)，通过该过孔，一个或多个发光芯片与所述印刷电路电接触。阻焊膜(22)在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。

Description

具有反射板的LED照明系统
技术领域
本发明涉及照明技术。更具体地，本发明涉及高强度发光二极管封装件、部件、装置等，并且将对其进行详细描述。然而，本发明也会获得与诸如垂直腔面发射激光器结合的其他固态发光器的应用。
背景技术
高亮度发光封装件通常使用多个发光二极管芯片、表面发射激光芯片、有机发光器芯片等。为了机械支持芯片以及使芯片电互连，在一些发光封装件中，将发光芯片设置在印刷电路板上。印刷电路板还可支持并电合并分立的电子部件、专用集成电路(ASIC)、可编程微处理器等，用于提供输入功率调节，光输出控制，静电放电保护或其他功能。
不利地，印刷电路板由于部分地吸收光的碰撞而造成光损耗。印刷电路板一般包括最上面的环氧树脂阻焊层，该阻焊层具有光刻限定的开口，通过该开口发光芯片或其他电子部件与印刷电路的焊盘电接触。在对于电子应用的传统印刷电路板中，对于其光学特性阻焊层不是最优的，因此反射性不是很好。
对于高亮度发光封装件，有时使用具有工业效应的白色阻焊膜(solder mask)的印刷电路板。这些白色阻焊膜包含反射可见光的白色滑石或另一种白色材料。白色阻焊膜与传统的蓝色或绿色阻焊膜相比显著改善了可见光的反射率。
此外，白色阻焊膜对于一些高亮度发光封装件具有一定的缺点。首先，虽然白色阻焊膜看起来具有高反射性，但发明人测量了这种板的反射率并且发现反射率在可见光谱区内仅为大约80％以下。如果由发光封装件产生的可见光中的50％碰撞印刷电路板，由于印刷电路板的吸收，反射率与约10％以上的光损耗相对应。
此外，在蓝光、紫光、和紫外线光谱区内，白色阻焊膜的反射率降低。发明人发现对小于约410nm波长的白色焊接板的反射率成小到60％以下。在某些发光封装件中，发射蓝光、紫光、或紫外线的宽能带隙发光芯片与将发射光转换为白色或另一种所选取可见光的磷光体相结合。在这种封装件中，大量的蓝光、紫光、或紫外线通常从磷光体反射向印刷电路板。白色阻焊膜对蓝光、紫光、或紫外线波长的光相对较低的反射率降低了这些封装件的光输出效率。
用于实现蓝光、紫光、或紫外线的高反射率的方法在于使用金属反射体。然而，由于阻焊膜接触或非常接近印刷电路和电子部件导线，所以很难将一般导电的金属反射体结合到阻焊膜中。
本发明旨在提供克服上述限制和其他问题的改进装置和方法。
发明内容
根据一个方面，公开了一种发光装置。一个或多个发光芯片设置在印刷电路板上，并且发射波长范围主要在大约400纳米至大约470纳米之间的光。该印刷电路板包括：(i)电绝缘板；(ii)导电印刷电路；以及(iii)具有过孔的电绝缘阻焊膜，通过该过孔使一个或多个发光芯片与所述印刷电路电接触。阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。
根据另一方面，提供了一种用于制造发光装置的方法。电绝缘板被提供有设置在其上的导电印刷电路。电绝缘阻焊膜设置在电绝缘板上。阻焊膜具有接入印刷电路的过孔，并且在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。一个或多个发光芯片设置在绝缘阻焊膜上。一个或多个发光芯片通过阻焊膜中的过孔与印刷电路电接触，并且发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的光。
根据又一方面，公开了一种发光装置。一个或多个发光芯片设置在印刷电路板上，并且发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的光。该印刷电路板包括：(i)电绝缘板；(ii)导电印刷电路；以及(iii)具有过孔的电绝缘阻焊膜，通过该过孔，一个或多个发光芯片与该印刷电路电接触。阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。将磷光体配置成使其被一个或多个发光芯片照射，并且响应于照射，发射波长范围主要在470纳米以上的光。相对配置磷光体和印刷电路板，使得一个或多个发光芯片发射的波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的一些光从磷光体反射到印刷电路板的阻焊膜上。
基于阅读和理解本说明书，对于本领域的普通技术人员来说，本发明的许多优点和好处将变得显而易见。
附图说明
本发明可以在各种元件和元件的排列中、以及在各种工艺过程和工艺过程的排列中体现。附图仅仅用于示出优选实施例的目的，并不构成对本发明的限制。在附图中，层厚度、涂层厚度、以及其他尺寸没有按比例画出。
图1示出了发光封装件的透视图。在图1中，去除壳体的一个侧壁以展示发光封装件内部的部件。
图2示出了图1的封装件的印刷电路板和电子部件的透视图。
图3示出了图1的封装件的印刷电路板和电子部件的分解透视图。
图4和图5示出了从两个不同的有利位置看到的图1的封装件的一个发光芯片的透视图。
图6示出了适用在图1的封装件中的阻焊膜一部分的截面图。
图7示出了适用在图1的封装件中的另一阻焊膜一部分的截面图。
具体实施方式
参考图1至图3，发光封装件8包括多个设置在印刷电路板12上的发光芯片10。示出的印刷电路板12包括电绝缘板14，其在示出的实施例中包括导电金属芯16和由玻璃纤维树脂或另一种电绝缘材料制成的绝缘层18。在一些实施例中，省略了导电金属芯16，例如，电绝缘板可以是玻璃纤维树脂板而不具有金属芯。可选地，印刷电路板的导电印刷电路和电绝缘板包括多个电绝缘层和多个印刷电路层。导电印刷电路20(在图3中示出)设置在绝缘板14的绝缘层18上。阻焊膜22设置在绝缘板14上，并包括开口或过孔24(在图3中示出)，通过开口或过孔24，发光芯片10与印刷电路20电接触。可选地，一个或多个附加电子部件(例如，示例性的电子部件26)也设置在印刷电路板12上，并通过开口或过孔24与印刷电路20电接触。将导电层设置在绝缘层上，并且图样化导电层，以限定导电印刷电路。
在示出的实例中，电子部件26通过接触针30接收电功率，并且整流、转换、或以其它方式调节所接收的电功率，以产生提供给印刷电路20来操作发光芯片10的负载功率。可选地，电子部件26或另一个电子部件可以提供静电放电保护、可选切换(selectable switching)等。电子部件26可具体化为专用集成电路(ASIC)、可编程微控制器或微处理器等。可选或附加地，电子部件可通过诸如电阻器、电感器、电容器、运算放大器、数字逻辑门等的分立部件具体化，这些分立部件通过印刷电路相互连接，以执行功率调节、切换、调光功能等。
在示出的实施例中，印刷电路板12的电绝缘板14是包括平面导电金属芯16(例如，铝片、铜箔等)和绝缘层18的金属芯板。例如，绝缘层18可以是玻璃纤维树脂片或涂层，其使印刷电路20与金属芯16绝缘。可选地，印刷电路20通过形成在绝缘层18中的过孔(未示出)在所选点处电接触金属芯16，使得金属芯16起到印刷电路20接地板的作用。金属芯16还扩散和/或消散由发光芯片10和一个或多个电子部件26所产生的热量。
发光芯片10、一个或多个电子部件26、和印刷电路板12容纳在壳体36(在图1中示出)中。壳体36包括侧壁38、40和底部42，印刷电路12设置在底部上(在图1中省略了一个侧壁以展示发光封装件8的内部部件；相对于去除的侧壁设置另一个侧壁，并且在图1的透视图中是不可见的)。优选地，侧壁38、40具有反射内表面46。例如，侧壁38、40和底部42可以限定矩形金属盒，其除了提供反射内表面46外，还提供用于示例性金属芯印刷电路板12的散热器。壳体36的顶部48面向发光芯片10并且包括磷光板50。
在运行过程中，发光芯片10发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的蓝光、紫光或紫外光。所发射的蓝光、紫光、或紫外光照射磷光板50。响应于蓝光、紫光和紫外光的照射，设置在磷光板50上或散布在磷光板50中的磷光体发射波长范围主要大于470纳米的荧光或磷光。磷光板50对于荧光或磷光是透光的，使得发光封装件8由于荧光或磷光而输出光。
在一些实施例中，磷光体包含产生白色荧光或磷光的一种或多种成分。在其他实施例中，磷光体包含产生所选颜色或混合颜色的荧光或磷光的一种或多种成分。可选地，磷光板50对于由发光芯片10产生的蓝光、紫光、或紫外线照射也是透光的，所以发光封装件8的输出光是由磷光体输出的荧光或磷光以及由发光芯片10输出的直射光的组合光。例如，在一些实施例中，发光芯片10产生蓝色发射光，以及磷光体产生黄色光，从而在发光封装件8的输出中结合有混合的直射光和磷光体产生的光，以近似于白色光。侧壁38、40的反射内表面46将碰撞侧壁38、40的由发光芯片10产生的光反射向磷光板50，以改善光提取率。
在示出的实施例中，侧壁40包括电绝缘穿通开口52，通过该电绝缘穿通开口52，电子部件26的接触针30使电源与发光封装件8相连接。也可以使用其他功率输入配置，例如，母电源插座，硬接线电源电缆等。可选地，在发光封装件中包括电池(未示出)，从而不需要外部电源。
应该理解的是，壳体36只是一个实例。除矩形之外，壳体可具有其他形状，除磷化顶部之外或代替顶部，其还可以包括磷化侧壁，或者可以包括其他修改。在一些实施例中，壳体包括在发光芯片之上配置的磷化圆顶。发光封装件8还可以包括附加的或其他部件，例如，散热器、散热片、与磷光板50光结合的透镜或其他光学部件(用于将发光芯片的发射光汇聚在磷化窗(phosphorized window)或磷化区上)等。
继续参照图1至图3并且还参照图4和图5，每个发光芯片10都可以是发光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、发光二极管或激光器的单片阵列、有机发光芯片等。在示出的实施例中，每个发光芯片10均包括倒装接合至底层封装板(sub-mount)62的半导体芯片60。底层封装板62包括使半导体芯片60和背面的焊盘64电连接的电过孔。示出的发光芯片10仅是一个实例，在其他实施例中，发光芯片可直接接合到没有底层封装板的印刷电路板12，或者可接合到底层封装板但使用丝焊与印刷电路板电接触，或者可倒装接合到底层封装板的焊盘(底层封装板焊盘通过丝焊与印刷电路板12电连接)等。
在一些实施例中，发光芯片是基于III族氮化物的发光二极管或激光器，其发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的光。可以使用其他的蓝光、紫光、或紫外线发光芯片，其发射波长范围主要在大约400纳米和470纳米之间的光。在一些实施例中，通过焊接使发光芯片10与印刷电路板12电连接。阻焊膜22将焊料保持在过孔24的区域中。在其他实施例中，使用热超声焊接、热压焊接、或其他焊接技术。不管使用的是锡焊或另一种焊接技术，阻焊膜22都保护印刷电路20不受磨损或其他物理损伤。
为了使光提取率最大化，将印刷电路板12的阻焊膜22构造成在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。这样，由发光芯片10发射的直接碰撞阻焊膜22(或从侧壁38、40和/或磷光板50反射出来然后碰撞阻焊膜22)的蓝光、紫光、或紫外线基本上被反射向磷光板50，以产生荧光或磷光。在一些优选实施例中，将印刷电路板12的阻焊膜22构造成在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少约85％以上的反射率。在一些优选实施例中，将印刷电路板12的阻焊膜22构造成在大约400纳米和740纳米之间具有至少约85％以上的反射率，使得阻焊膜22还反射由面向印刷电路板12的照射磷光体产生的磷光或荧光。在一些优选实施例中，将印刷电路板12的阻焊膜22构造成在大约400纳米和基本跨越由磷光体发射的光的波长范围的上部波长(upper wavelength)(例如，对发射波长范围主要在500-650纳米的光的示例性磷光体，至少达到650纳米的上部波长)之间具有至少约85％以上的反射率。
参照图6，在一些实施例中，电绝缘阻焊膜22由感光电绝缘粘合材料70(例如，感光环氧树脂、感光聚酰亚胺等)的膜形成，在其中散布有反射填充材料72的颗粒。例如，反射填充材料72的颗粒可以是钛氧化物(例如，氧化钛：TiO2)、铝氧化物(例如，氧化铝：Al2O3)、高折射率玻璃等。选取粘合材料70中填充材料72的浓度以及平均颗粒大小、平均颗粒形状等，以为阻焊膜22提供足够的反射率。如果导电填充材料的浓度稀释成足以保持阻焊膜22基本的电绝缘特性，则可采用导电填充材料。在环氧树脂阻焊层中通过光刻形成接入印刷电路的过孔。在感光阻焊层中通过光刻形成接入印刷电路的过孔。
在一个实例中，粘合材料是负感光环氧树脂，如下构造阻焊膜22。将感光环氧树脂的成分与填充材料72结合，以生成液态感光环氧树脂原料，其被作为膜设置在电绝缘板14上。合适的沉积方法包括喷涂、幕涂等。根据环氧树脂的类型，可执行无模硫化(soft cure)，以部分硬化或固化感光环氧树脂膜。然而，对一些环氧树脂类型不采用无模硫化。在黄光照亮的光刻室或环境照明不使感光环氧树脂活化的其他环境中执行这些处理。
然后，通过阻挡过孔24区域内曝光的光掩模而光学暴露感光环氧树脂膜，来形成阻焊膜22的过孔24。使用只去除那些未曝光的感光环氧树脂膜区域的合适化学物质来显影光学暴露的感光环氧树脂膜，从而，去除未被曝光的过孔24的区域以打开过孔24。那些曝光区域是耐光的，并且不会被显影化学物质去除。根据感光环氧树脂的类型，可执行有模硫化(hard cure)来进一步凝固或硬化感光的环氧树脂膜。
在一些实施例中，填充物72的浓度足够低，使得混合填充材料72不能显著改变感光粘合材料70的感光特性。在其他实施例中，结合填充材料72降低了感光粘合材料70的感光性。在这些实施例中，可增加感光粘合材料70中光敏剂的量以消除填充材料72的影响，或者可增加曝光和/或显影时间以弥补降低的感光性。典型地，阻焊膜22的厚度在大约12微米和75微米之间。对于相对较厚的阻焊膜，通常可减少填充材料72的浓度，同时保持期望的反射率。填充材料(例如，TiO2或Al2O3)在至少400纳米以下(更典型地至少在约350纳米以下)显示出大于约85％到90％的反射率。因此，对于充分高浓度的填充材料72，在大约400纳米和大约470纳米之间的波长范围内，可将阻焊膜22的反射率增加到约60％或约85％以上(取决于填充物浓度、颗粒的反射率特性等)。
参考图7，在一些实施例中，电绝缘阻焊膜22由多层镜面反射片80形成。例如使用激光切割、机械打孔等将开口切入薄片80以限定过孔24，并将多层镜面反射片80粘合至或固定至电绝缘板14。反射片80包括层叠的反射绝缘层，其中，绝缘层包括具有不同折射率、不同双折射特性、或其他不同光学特性的介质材料的交替层。选择层的厚度和光学特性，以在大约400纳米和大约470纳米之间的波长范围内(优选地，在大约400纳米和大约740纳米之间的波长范围内)中提供高的叠层反射率。将接入印刷电路的过孔切入电绝缘多层镜面反射片中，以限定阻焊膜。
在一些实施例中，多层镜面反射片80是具有工业效应的反射片，例如，VM2000反射膜或VikuitiTM增强型镜面反射薄或(从3M，St.Paul，MN得到的)。由VM2000或VikuitiTM增强型镜面反射膜形成的阻焊膜已被发明人测量在400纳米和740纳米之间具有85％以上的反射率，同时对膜正面和背面都测到高反射率。相反地，测量传统的白色阻焊膜对可见光具有约80％的反射率，对波长在约430纳米以下的光具有约70％以下的反射率，对波长在大约410纳米以下的光具有60％以下的反射率。
发光封装件8通过磷光板50的波长转换产生可见光。在其他预期的实施例中，发光封装件是蓝光、紫光、或紫外光光源，其发射由发光芯片产生的波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的直射光。在这些实施例中，光学器件、侧壁、透镜、覆盖玻璃等一般会反射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的一些直射光或使其改变方向，以射向印刷电路板的阻焊膜。因此，本文中公开的在至少大约400纳米和大约470纳米之间具有高反射性的阻焊膜的优势在于这些不使用磷光体的蓝光、紫光、或紫外光光源。

Claims (22)

1.一种发光装置，包括：
一个或多个发光芯片，其发射波长范围主要在大约400
纳米和大约470纳米之间的光；以及
印刷电路板，其上设置有所述一个或多个发光芯片，所述印刷电路板包括：(i)电绝缘板，(ii)导电印刷电路，以及(iii)具有过孔的电绝缘阻焊膜，通过所述过孔，所述一个或多个发光芯片与所述印刷电路电接触，所述阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率。
2.根据权利要求1所述的发光装置，进一步包括：
壳体，其内部设置有所述一个或多个发光芯片和所述印刷电路板，所述壳体包括磷光体，将所述磷光体配置成被所述一个或多个发光芯片照射，并且响应于所述照射，发射波长范围在470纳米以上的光，所述磷光体和所述印刷电路板相对配置，使得由所述一个或多个发光芯片发射的波长范围主要在大约400纳米和470纳米之间的至少一部分光从所述磷光体反射到所述印刷电路板的所述阻焊膜上。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少约85％以上的反射率。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述阻焊膜在大约400纳米和大约740纳米之间具有至少约60％以上的反射率。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述阻焊膜在大约400纳米和大约740纳米之间具有至少约85％以上的反射率。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述阻焊膜包括：感光的电绝缘粘合材料；以及
填充材料，散布在所述粘合材料中，所述填充材料在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少约85％以上的反射率。
7.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述感光的电绝缘粘合材料是感光材料。
8.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述感光的电绝缘粘合材料是感光环氧树脂和感光聚酰亚胺之一。
9.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述填充材料是钛氧化物和铝氧化物之一。
10.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述填充材料是TiO2和Al2O3之一。
11.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述电绝缘阻焊膜包括：
多层镜面反射片。
12.根据权利要求11所述的发光装置，其中，所述多层镜面反射片包括：
层叠的反射绝缘层，由具有不同折射率、不同双折射特性的介电材料的交替层形成。
13.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述电绝缘板包括：金属层；以及
电绝缘层，设置在所述金属层的至少一侧上，所述印刷电路设置在所述电绝缘层上。
14.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述印刷电路板的所述导电印刷电路和所述电绝缘板包括多个电绝缘层和多个印刷电路层。
15.一种发光装置的制造方法，所述方法包括：
设置电绝缘板，其上设置有导电印刷电路；
在所述电绝缘板上设置电绝缘阻焊膜，所述阻焊膜具有接入所述印刷电路的过孔，所述阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率；以及
在所述绝缘阻焊膜上设置一个或多个发光芯片，所述一个或多个发光芯片通过所述阻焊膜中的所述过孔与所述印刷电路电接触，所述一个或多个发光芯片发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述设置电绝缘板包括：设置金属芯；
将绝缘层设置在所述金属芯上；
将导电层设置在所述绝缘层上；以及
图样化所述导电层，以限定所述导电印刷电路。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述设置电绝缘阻焊膜包括：
将感光环氧树脂的成分与反射填充材料结合，以生成环氧树脂原材料，所述反射填充材料在400纳米和470纳米之间具有至少约85％以上的反射率；
将所述环氧树脂原料设置在所述电绝缘板上，以限定环氧树脂阻焊层；以及
在环氧树脂阻焊层中通过光刻形成接入所述印刷电路的所述过孔。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述环氧树脂原料设置在所述电绝缘板上包括：通过喷涂和幕涂中的一种，设置所述环氧树脂原料。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述设置电绝缘阻焊膜包括：
在所述电绝缘板上形成感光阻焊层，所述感光阻焊层包括粘合剂和反射填充物，并在400纳米和470纳米之间具有至少约85％以上的反射率；以及
在所述感光阻焊层中通过光刻形成接入所述印刷电路的所述过孔。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述设置电绝缘阻焊膜包括：
将接入所述印刷电路的所述过孔切入电绝缘多层镜面反射片中，以限定所述阻焊膜；以及
将所述阻焊膜粘附至所述电绝缘板。
21.一种发光装置，包括：
一个或多个发光芯片，发射波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的光；
印刷电路板，其上设置有所述一个或多个发光芯片，所述印刷电路板包括：(i)电绝缘板，(ii)导电印刷电路，以及(iii)具有过孔的电绝缘阻焊膜，通过所述过孔，所述一个或多个发光芯片与所述印刷电路电接触，所述阻焊膜在大约400纳米和大约470纳米之间具有至少60％以上的反射率；以及
磷光体，将所述磷光体配置成使其被所述一个或多个发光芯片照射，并且响应于所述照射，发射波长范围在470纳米以上的光，相对配置所述磷光体和所述印刷电路板，使得由所述一个或多个发光芯片发射的波长范围主要在大约400纳米和大约470纳米之间的至少一部分光从所述磷光体反射到所述印刷电路板的所述阻焊膜上。
22.根据权利要求21所述的发光装置，其中，所述阻焊膜在大约400纳米和基本上跨越由所述磷光体发射的光的波长范围的上部波长之间具有至少85％以上的反射率。
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