CN102456782B - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光器件，该发光器件包括：基板，该基板具有导体布线，多个发光元件安装在该基板的一个表面上并电连接至所述导体布线；第一玻璃膜，其被设置到所述基板的一个表面，并被构造为具有多个孔，所述孔形成包围各发光元件的周边的反光框，热固化树脂被填充到所述孔中并用于将发光元件埋入；以及第二玻璃膜，其被设置到所述基板的另一表面。当所述第一玻璃膜的热膨胀系数大于所述基板的热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的热膨胀系数大于所述基板的热膨胀系数，而当所述第一玻璃膜的热膨胀系数小于所述基板的热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的热膨胀系数小于所述基板的热膨胀系数。

Description

发光器件
技术领域
本发明涉及发光器件，具体地讲，涉及一种在基板上安装有多个LED(发光二极管)元件的高通量(高功率)发光器件。
背景技术
随着最近对环境保护的认识增加，在各种照明器件中使用安装了LED元件的高通量(高输出)发光器件，来代替白炽灯灯泡和荧光灯。
高通量发光器件的示例包括安装了相对大的大小和高功率的LED元件的发光器件，和通过安装多个相对小的大小和小功率的LED元件可获得高输出的发光器件。后者通常在耗散热源和电流、发光效率和单位元件表面面积成本方面更有利。
在专利文献1(JP-A2006-324134)中公开了一种平面发光器件，该平面发光器件通过以阵列形式在封装基板(即，发光器件安装基板)上排列具有单个LED元件的LED封装件来构造。
在专利文献2(JP-A2010-129923)中公开了一种照明装置，该照明装置包括：安装在元件安装基板上的多个LED元件；框形反射器，该框形反射器被设置为包围元件安装基板上的所有LED元件；以及含荧光体树脂层，该含荧光体树脂层被填充在所述反射器内以包封LED元件。
发明内容
在安装有单个LED的LED封装件成阵列排列在封装基板(即，发光器件安装基板)上的结构中，例如在专利文献1中所示的结构中，相邻LED元件之间的距离必然增大。因此，出现了这样的问题：在使用发射相互不同的发光颜色的各种LED元件或者具有不同波长转换特性的各种荧光体来混合发光颜色的情况下，颜色混合性质变差。
在多个LED元件安装在元件安装基板上并且整个LED元件被含荧光体树脂一体地覆盖的结构中，例如在专利文献2中所示的结构中，各LED元件之间的含荧光体树脂对光输出具有负面影响。具体地讲，在相对于发光表面的垂直方向上的光传输与相对于发光表面倾斜的方向上的光传输之间，含荧光体树脂层内的光程差增大，很容易出现发光颜色的颜色不规则。例如，在使用蓝光LED和接收蓝光然后发射黄光的荧光体来获得白光的情况下，在相对于发光表面倾斜的方向上穿过含荧光体树脂层以辐射到外部的光变得白中泛黄。此外，LED元件之间的含荧光体树脂会吸收光，导致发光效率降低。因此，在多个LED元件被含荧光体树脂层整个一体地覆盖的结构中，难以获得所需的光输出。
在反射器或其他结构被安装在元件安装基板上的情况下，会由于元件安装基板与该元件安装基板上的结构之间的热膨胀系数差异导致元件安装基板翘曲。在元件安装基板经由(例如)硅脂安装在封装基板上的情况下，当元件安装基板上出现翘曲时，元件安装基板与封装基板(或散热板)之间的接合性质变差。结果，散热性质降低，并且由于LED元件的结温增大而导致发光效率降低。LED元件的使用寿命也缩短。此外，当元件安装基板上出现翘曲时，散热性质变得不均匀，存在LED元件之间将出现亮度不规则的忧虑。当元件安装基板的表面积增大时，这一元件安装基板翘曲问题变得更为突出。
通过考虑上述问题而完善的本发明的目的在于，在多个发光器件安装在元件安装基板上的发光器件中将多种发光颜色混合在一起的情况下，实现良好的颜色混合性质。本发明的另一目的在于，在使用荧光体或另一波长转换材料的情况下，解决发光颜色的颜色不规则问题并改善发光效率。本发明的另一目的在于提供一种发光器件，其能够最小化或消除由于元件安装基板与形成在其表面上的结构(反射器等)的热膨胀系数差异而导致的元件安装基板翘曲。
本发明的发光器件包括：基板，该基板具有导体布线，多个发光元件安装在该基板的一个表面上并电连接至所述导体布线；第一玻璃膜，其被设置到所述基板的一个表面，并被构造为具有多个孔，所述孔围形成包围各发光元件的周边的反光框；以及第二玻璃膜，其被设置到所述基板的另一表面；其中当所述第一玻璃膜的热膨胀系数大于所述基板的热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的热膨胀系数大于所述基板的热膨胀系数，当所述第一玻璃膜的热膨胀系数小于所述基板的热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的热膨胀系数小于所述基板的热膨胀系数。
根据本发明的发光器件，在多种发光颜色被混合在一起的情况下，可实现良好的颜色混合性质。另外，在使用荧光体或其他波长转换材料的情况下，可解决发光颜色的颜色不规则问题，并且可改善发光效率。此外，可最小化或消除由元件安装基板与形成在其表面上的结构(反射器等)之间的热膨胀系数差异引起的元件安装基板的翘曲。由此可改善元件安装基板与封装基板(即，发光器件安装基板)之间的接合性质，并且可确保良好的散热性质。
附图说明
图1A是示出根据本发明实施方式的发光器件的结构的平面图，图1B为仰视图；
图2是沿图1A的线2-2所截取的截面图；
图3是根据本发明实施方式的发光器件中的元件安装基板上的导体布线的结构的平面图；
图4是根据本发明实施方式的发光器件的等效电路图；
图5A至图5E是示出根据本发明实施方式的发光器件的制造方法的图；
图6是示出根据本发明实施方式的发光器件的封装状态的截面图；以及
图7是示出根据本发明实施方式的发光器件的结构的平面图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施方式，但是本发明不限于此。在以下引用的附图中，对大致相同或者等同的部件和部分提供相同附图标记。
[实施方式1]
图1A是本发明第一实施方式的发光器件10的从发光表面看去的平面图，图1B是从背面看去的仰视图。
可使用矩形氧化铝陶瓷基板作为元件安装基板11。在元件安装基板11的元件安装表面上形成有导体布线12和两个连接到导体布线12的馈线端子12a和12b。馈线端子12a和12b分别对应于阳极端子和阴极端子，并且布置在元件安装基板11的元件安装表面的两端。元件安装基板11具有用于在元件安装表面上安装多个LED元件13的元件安装区域。
所述多个LED元件13按行和列安装在元件安装基板11上。可使用例如热固性树脂粘接剂等将各LED元件13固定在元件安装基板11上，并且可通过接合引线17将各LED元件13电连接到导体布线12。图3是示出元件安装基板11上的导体布线12的布线图案的平面图。图4是示出布线图案实现的发光器件10的电路结构的等效电路图。在两个3×8矩阵连接被并排设置的状态中48个LED元件13可通过导体布线12彼此连接。各LED元件13是小或者中功率发光元件，即，例如边长1.0mm或者更小，并且可使用包含GaN型半导体层的蓝光LED元件。
反射器(第一玻璃膜)14可由在例如硼硅酸盐玻璃或者其它玻璃材料中包含氧化钛(TiO2)、硫酸钡(BaSO4)等作为光散射颗粒的物质形成。反射器14具有多个开孔14a，这些开孔14a用于形成包围各LED元件13的周边的反光框。具体地说，开孔14a对应于各LED元件13而设置。反射器14通过例如丝网印刷和烧制而形成，并且被直接接合到元件安装基板11的元件安装表面。形成反射器14的玻璃膜在光投射方向上的厚度可被设定为例如约420μm，并且可制造得比LED元件13在光投射方向上的厚度更大。具体地说，反射器14的上表面定位得比LED元件13的上表面更高。馈线端子12a、12b上方的区域未被形成反射器14的玻璃膜覆盖，它被露出。
反射器14的开孔14a的侧壁倾斜，从而壁与元件安装表面的角度是约45°，并且各开孔14a具有“研钵形状”。换句话说，开孔14a的直径沿着光投射方向增加。反射器14形成反光框并且限定光发射区域。具体地说，从LED元件13发射并且向侧部传播的光被反光框反射，并且在光投射方向上指向前方。相邻的开孔14a之间的距离W1(即，相邻的LED元件13之间的距离)可被设定为例如2.8mm。
密封树脂15被填充到反射器14的各开孔14a中，并且被形成为使得LED元件13和接合引线17被埋置在开孔14a中的封装树脂15中。光透射硅树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂等可用作封装树脂15。通过将作为活化剂的Ce(铈)引入YAG(钇铝石榴石:Y3AL5012)而获得的YAG:CE荧光体例如可散布在密封树脂15中。荧光体吸收例如从LED元件13发射的具有约460nm的亮度峰值的蓝光，并且将蓝光转换为具有约560nm的亮度峰值的黄光。在此情况下，通过混合由荧光体转换的黄光和透射过密封树脂15而未进行波长转换的蓝光，从发光器件10的发光表面发射白光。
与元件安装基板11的元件安装表面相对侧的表面(在下文称为“背面”)可以是当发光器件10封装在封装基板(即，发光器件安装基板)或者散热板上时的封装表面。在此情况下，导体布线和馈线端子不设置在元件安装基板11的背面上。背面玻璃(第二玻璃膜)16设置在元件安装基板11的背面上，在背面的大致整个区域上延伸。优选地使用具有与形成反射器14的玻璃材料相同的热膨胀系数的玻璃材料作为背面玻璃16，并且具有与形成反射器14的玻璃材料相同的成分的玻璃材料是更优选的。背面玻璃16的厚度可以小于形成反射器14的玻璃的厚度，并且例如可是150μm。
背面玻璃16具有抑制元件安装基板11的翘曲的效果。具体地说，元件安装基板11由氧化铝陶瓷制成并且具有与形成设置到元件安装表面的反射器14的玻璃膜的热膨胀系数不同的热膨胀系数。当在具有相互不同的热膨胀系数的材料被接合的状态中施加热时，在这些材料上引发翘曲，因为具有更低热膨胀系数的材料不能遵循具有更高热膨胀系数的其它材料的热膨胀。反射器14的热膨胀系数比元件安装基板11的热膨胀系数更高，因此可引发翘曲，从而在不形成背面玻璃16的情况下元件安装表面外凸弯曲。当在通过接合到封装基板或者散热板来使用元件安装基板11的情况下在元件安装基板11上引发翘曲时，因为元件安装基板11和封装基板或者散热板之间的接合属性劣化，所以散热属性恶化。散热属性的恶化是发光效率降低和LED元件之间亮度不规则的主要原因，并且还是LED元件13的使用寿命缩短的主要原因。如在本实施方式中，在元件安装基板11的背面上还形成了具有与形成反射器14的玻璃膜相同级别的热膨胀系数的背面玻璃16，由此在元件安装基板11的两个表面上产生引发翘曲的应力。结果，应力被消除，并且可减小或者防止元件安装基板11的翘曲。调整第二玻璃膜的组分、厚度以及表明面积，使得形成背面玻璃16的第二玻璃膜相对于元件安装基板11的热膨胀系数的幅度相关对应于形成反射器14的第一玻璃膜相对于元件安装基板11的热膨胀系数的幅度相关，以消除应力。当反射器14的热膨胀系数比元件安装基板11的热膨胀系数高时，使用热膨胀系数比元件安装基板11高的玻璃材料作为背面玻璃16，而当反射器14的热膨胀系数比元件安装基板11的热膨胀系数低时，使用热膨胀系数比元件安装基板11低的玻璃材料作为背面玻璃16。
背面玻璃16被设置到封装表面，并且因为需要确保良好的散热属性，优选地背面玻璃16尽量薄，并且仍能够防止元件安装基板翘曲。具体地说，优选的是40到200μm，更优选的是50到190μm。在本实施方式中，通过使第二玻璃膜覆盖元件安装基板11的区域大于第一玻璃膜覆盖元件安装基板11的区域，可减小背面玻璃16的厚度。在本实施方式中，反射器14具有多个开孔14a并且馈线端子12a、12b未被形成反射器14的第一玻璃膜覆盖，而在元件安装基板11的大致整个背面上形成了形成背面玻璃16的第二玻璃膜。因此，第二玻璃膜覆盖元件安装基板11的区域大于第一玻璃膜覆盖元件安装基板11的区域。
另外，背面玻璃16的表面优选的是平坦的，并且表面粗糙度优选地是10μm或者更小。在背面玻璃16和封装基板或者散热板之间夹着诸如硅滑脂、散热片等的接合材料32，以将元件安装基板11接合到封装基板或者散热板的情况下，防止了在接合材料32和背面玻璃16之间形成缝隙，提高了背面玻璃16和封装基板或者散热板之间的接合属性，并且通过保持背面玻璃16平坦获得了良好的散热属性。背面玻璃16可通过例如进行多次烧制而制成平坦表面。
下面将参照图5A到图5E描述根据本发明实施方式的制造发光器件10的方法。
首先，制备将用作元件安装基板11的基础材料的烧制氧化铝陶瓷基板。在烧制之前，按照需要可对氧化铝陶瓷基板进行穿孔等。接着制备导电膏，其为用于形成导体布线12和馈线端子12a、12b的材料。通过在有机介质(载体)中散布用作形成导体的主要成分的金属粉末和按照需要添加的各种添加剂(无机粘合剂、玻璃粉、填充料等)生产导电膏。通过丝网印刷或者其它常用方法，将导电膏印刷到氧化铝陶瓷基板的表面上。接着，通过在适当温度烧制，在氧化铝陶瓷基板上形成具有规定布线图案的导体布线12、和馈线端子12a、12b，以获得元件安装基板11(图5A)。
接着，在元件安装基板11的元件安装表面上形成反射器14。制备作为用于反射器14的材料的玻璃膏。通过在有机介质(载体)中散布主要成分是SIO2、B2O3、Al2O3等的玻璃粉末和氧化钛(TiO2)、硫酸钡(BaSO4)或者其它光散射颗粒来生产玻璃膏。通过丝网印刷将玻璃膏印刷和涂覆在元件安装基板11的元件安装表面上。在丝网印刷期间，可以使用具有与反射器14的开孔14a对应的多个圆形遮挡部分的网格掩模。接着在适当温度烧制玻璃膏。可通过交替印刷和烧制直至达到期望厚度为止，获得形成反射器14的玻璃膜。在多次印刷期间，使用多种网格掩模。这些网格掩模在遮挡部分的直径彼此不同。随着印刷次数增加，使用具有更大遮挡部分的网格掩模。换句话说，可以递进层叠玻璃膜，使得开孔14a的直径向着光投射方向增大。由此可以形成开孔14a的侧壁具有研钵形倾斜的反射器14。反射器14由厚度420μm的玻璃膜形成(图5B)。
接着，在元件安装基板11的背面上形成背面玻璃16。可以通过丝网印刷和烧制具有与反射器14相同成分的玻璃膏形成背面玻璃16。印刷和烧制可以进行多次，直至背面玻璃16具有期望厚度(例如，150μm)为止。重复烧制可以在背面玻璃16上产生光滑平坦表面。可以形成背面玻璃16，以使其在元件安装基板11的大致整个背面上延伸(图5C)。。
利用分配法用热固性树脂粘接剂涂覆在反射器14的开孔14a中露出的元件安装基板11的元件安装区域。接着使用芯片安装器将LED元件13安装在粘接剂上。各开孔14a中容纳一个LED元件13。接着进行热处理以使粘接剂固化。接着通过接合引线将各LED元件13的电极和导体布线12连接(图5D)。
将由散布有荧光体的硅树脂组成的封装树脂15填充到反射器14的各开孔14a中以埋置LED元件13和接合引线17。接着进行热处理以使封装树脂15固化。通过将作为活化剂的Ce引入YAG而获得的YAG:Ce荧光体例如可用作荧光体。封装树脂15可以是环氧树脂或者聚氨酯树脂(图5E)。
通过上述步骤完成发光器件10。
图6是示出发光器件10的封装实施方式的截面图。例如在构成照明器件的封装基板(即，发光器件安装基板)30上封装发光器件10。在此，封装基板(或者散热板)包括完全用于散热的基板，无论是否存在或者不存在电路图案。封装衬底30可由例如具有良好的导热性的Al组成，并且被设计为使得从LED元件13产生的热向封装基板30扩散。可在背面玻璃16和封装基板30之间设置诸如散热片、硅滑脂等的接合材料32或者具有良好导热性的其它材料。由此确保封装基板30和元件安装基板11之间的可接合性，从而提高散热属性。
在封装基板30上设置由玻璃环氧树脂等组成的布线基板34，使该布线基板34与发光器件10相邻。布线基板34可以具有开孔，该开孔允许封装基板30上的发光器件10的安装区域露出。在布线基板34的表面上形成用于向发光器件10供电的导体布线36。向发光器件10延伸的一对连接器38连接到导体布线36。连接器38的远端与馈线端子12a、12b接触，并且形成弹性接触，该弹性接触施加用于使发光器件10压靠封装基板30的偏置力。可由此向发光器件10供电，并且确保发光器件10和封装基板30之间的接合。
从以上描述明显可见的是，根据本实施方式的发光器件10具有这样的结构，其中多个LED元件13安装在元件安装基板11上，由此允许相比于其中具有单个LED元件的各LED封装在基板上排列的结构，减小相邻的LED元件之间的距离。由此能够在多个照明颜色被混合的情况下提高颜色混合属性。
形成根据本实施方式的发光器件10的反光框架，接着利用与各LED元件13对应设置的反射器14的开孔14a限定发光区域。由此能够减小LED元件13和反射器14之间的距离。因此，在相对于发光表面的竖直方向上透射的光和在相对于发光表面倾斜方向上透射的光之间，封装树脂15内的光程差减小，使得能够抑制照明颜色中的颜色不规则性和光吸收。
在根据本实施方式的发光器件10中，由具有与形成反射器14的玻璃材料相同成分的玻璃材料组成的背面玻璃16被设置到元件安装基板11的背面。因此，能够减小或者消除由于反射器14和元件安装基板11之间的热膨胀系数差而在元件安装基板11上引发的翘曲。在元件安装基板的面积相对较大并且安装有多个LED元件的高通量发光器件中，该效果更明显。减小或者消除元件安装基板11的翘曲，使得能够改善元件安装基板11和封装基板30之间的接合属性，以及改善散热属性。不仅由此改善了LED元件的发光效率，而且解决了LED元件的使用寿命减小的问题。确保元件安装基板11的整个表面上散热均匀，因此可防止LED元件之间的亮度不规则性。改善散热使得LED元件之间的距离进一步减小，这有助于进一步增强颜色混合属性。形成背面玻璃16的玻璃膜与诸如硅滑脂的接合材料32比形成元件安装基板11的氧化铝陶瓷具有更好的亲和性。具体地说，通过将背面玻璃16设置到根据本实施方式的用于安装发光元件的基板，因为两个不同原因可改善元件安装基板11和封装基板30之间的接合属性，即，解决了元件安装基板11的翘曲，以及改进了背面玻璃16和接合材料32之间的亲和性。
[实施方式2]
下面参照附图描述根据本发明的第二实施方式的发光器件。图7是根据本发明的第二实施方式的发光器件20从发光表面看去的平面图。
发光器件20具有与上述根据第一实施方式的发光器件10相同的基本配置，并且包括具有导体布线12的元件安装基板11、安装在元件安装基板11的元件安装表面上的多个LED元件13、具有用于形成包围各LED元件13周边的发光框架的多个开孔14a的反射器14、填充到各开孔14a中的含荧光体封装树脂15a和15b、以及在元件安装基板11的大致整个背面上延伸的背面玻璃16。
发光器件20被配置以使用具有相互不同的波长转换特性的两种类型的含荧光体封装树脂15a和15b来产生具有相互不同照明颜色的两种类型的光。这两种类型的光从发光器件20的发光表面发射以混合。
反射器14具有对应于LED元件13的排列状态、按5行乘6列排列的多个开孔14a。开孔14a形成包围各发光元件的周边的反光框架，并且限定发光区域。包含荧光体且具有相互不同波长转换特性的这两种类型的封装树脂15a和15b被填充到开孔14a中，以形成预定阵列。荧光体的Y3Al5O12基料(matrix)中的一部分Y被Gb、Tb等代替，并且一部分Al被Ga等代替，以改变基料结构并且由此允许亮度峰值偏移到更长波长或者更短波长。例如，以在行方向和列方向上跳过交替开孔的方式将针对日光颜色设计的第一封装树脂15a(图7的阴影线示出)填充到开孔14a中。将针对暖白色设计的第二封装树脂15b填充到剩余开孔14a中。具体地说，第一封装树脂15a和第二封装树脂15b被排列为形成交错图案。这种排列使得能够提高照明颜色的混合属性。
导体布线12形成两个电路系统，以使得可针对各照明颜色调整光量。具体地说，埋置在第一封装树脂15a中的LED元件和埋置在第二封装树脂15b中的LED元件可经过导体布线12被单独供电。馈线端子12a、12b对应于第一系统的阳极端子和阴极端子，并且馈线端子12c、12d对应于第二系统的阳极端子和阴极端子。该电路配置使得能够在日光颜色和暖白色之间调整照明颜色。可在元件安装基板11的背面上形成导体布线12。在此情况下，背面上的导体布线经过通孔等连接到元件安装表面的导体布线。
在以上描述的实施方式中，使用接合引线连接LED元件和导体布线，但是还可以使用倒装晶片连接。LED元件也不限于蓝光LED，并且可以使用任何照明颜色的LED。可适当地修改反射器开孔的形状、大小和排列。另外，可以在单个反射器开孔中容纳多个LED元件。在此情况下，单个开孔中容纳的LED元件的照明颜色可以相互不同。可以适当选择荧光体的波长转换特性以获得期望的照明颜色，并且还可以使用无荧光体封装树脂。形成反射器和背面玻璃的玻璃膜可以是不同于硼硅酸盐玻璃的玻璃材料。
以上参照优选实施方式描述了本发明。应理解本领域技术人员可想到各种变化和修改。这些变化和修改的全部示例被认为包括在所附的权利要求中。
日本专利申请2010-232429是本申请的基础，在此通过引用并入。

Claims (11)

1.一种发光器件，该发光器件包括：
安装在具有热膨胀系数的基板的一个表面上的多个发光元件；
第一玻璃膜，该第一玻璃膜具有多个孔，所述孔形成包围所述多个发光元件中的各发光元件的反光框，其中，所述第一玻璃膜具有与所述基板的所述热膨胀系数不同的热膨胀系数；以及
第二玻璃膜，该第二玻璃膜被设置到所述基板的另一表面；
其中，当所述第一玻璃膜的所述热膨胀系数大于所述基板的所述热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的所述热膨胀系数大于所述基板的所述热膨胀系数，而当所述第一玻璃膜的所述热膨胀系数小于所述基板的所述热膨胀系数时，所述第二玻璃膜的所述热膨胀系数小于所述基板的所述热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一玻璃膜和所述第二玻璃膜由具有相同热膨胀系数的玻璃材料形成。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一玻璃膜和所述第二玻璃膜由相同的玻璃材料形成。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第二玻璃膜覆盖所述基板的面积大于所述第一玻璃膜覆盖所述基板的面积。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第二玻璃膜形成在所述基板的所述另一表面的整个区域上。
6.根据权利要求1所述的发光器件，该发光器件在所述基板的安装有所述发光元件的表面上具有馈电端子。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第二玻璃膜的厚度小于所述第一玻璃膜的厚度。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一玻璃膜包括光散射颗粒。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中，含荧光体树脂被填充到所述孔中。
10.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述基板由氧化铝陶瓷形成。
11.根据权利要求1所述的发光器件，该发光器件还包括经由接合材料接合到所述第二玻璃膜的封装基板。
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