CN102456820B - 用于安装发光元件的基板、发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

将包围各发光元件周边的框体设置在基板的一个表面上。通过玻璃印刷在基板上形成具有开孔的玻璃膜以形成框体。

Description

用于安装发光元件的基板、发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光器件和用于安装发光元件的基板，具体地涉及多个LED(发光二极管)元件安装在基板上的高通量(高输出)发光器件，并且涉及用于发光器件的基板。
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。
专利文献1(JP-A2004-241509)公开了一种LED光源，该LED光源包括在印刷基板上安装的多个LED元件、具有对应于LED元件设置的多个开孔并且下表面经过粘接剂接合到印刷基板的反射板，以及填充到各开孔中的密封树脂。还应注意反射板由铝组成，并且通过冲压加工制造。
发明内容
在如专利文件1中所示使用粘接剂将反射板固定到印刷基板中，粘接剂从反射板的下表面渗出并且侵入开孔，对光输出带来负面影响。渗出的粘接剂还附着至接合引线，并且存在因封装树脂和粘接剂的热膨胀系数之间的差引起的应力将造成接合引线断裂的问题。反射板利用冲压加工模制，因此反射板的设计的修改，具体地说，修改开孔的形状或者大小，和其它修改要求创建新冲模，并且导致成本。因此，很难灵活设计或者制造产品的变形形式。
通过将上述要点考虑在内而完善的本发明的一个目的是提供一种可灵活地设计或者制造产品的变形形式的用于安装发光元件的基板、发光器件以及其制造方法；具体地说，是提供一种在基板上具有多个LED元件并且具有包围各LED元件周边的框体的发光器件，其中能够在基板上形成框体而不使用粘接剂。
本发明的用于安装发光元件的基板是这样一种用于安装发光元件的基板，即在该基板的一个表面上具有框体，其中，所述框体由具有开口且在光投射方向上层叠的多个玻璃膜的层叠体组成，并且邻近所述基板的所述玻璃膜中的开口的面积小于最上方玻璃膜中的开口的面积。
本发明的制造用于安装发光元件的基板的方法包括通过印刷提供玻璃膜的步骤。
本发明提供了一种发光器件，该发光器件具有用于安装发光元件的基板，其中该发光器件具有在对应于框体的开孔的位置安装在基板上的发光元件。
本发明的制造发光器件的方法包括以下步骤：形成框体，该框体用于包围安装在基板的一个表面上的多个发光元件中的各发光元件；以及在形成所述框体之后在基板上的各发光元件安装区域中安装发光元件；其中形成框体的步骤包括多次进行玻璃印刷，以及向所述基板设置具有多个开口的多个层叠玻璃膜的步骤。
由于在本发明的用于安装发光元件的基板和发光器件中将框体设置在基板上而不使用粘接剂，所以能够消除由于粘接剂渗出引起的光输出和可靠性的负面影响。可通过玻璃印刷形成本实施方式中的框体，因此能够灵活地设计或者制造产品的变形形式。
附图说明
图1A是示出根据本发明的实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件的结构的平面图，图1B是仰视图；
图2是沿着图1A的线2-2所截取的截面图；
图3是示出根据本发明的实施方式的用于安装发光元件的基板上的导体布线的结构的平面图；
图4是根据本发明的实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件的等效电路图；
图5A到图5E是示出根据本发明的实施方式使用用于安装发光元件的基板制造半导体发光器件的方法的图；
图6是示出根据本发明的另一个实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件的封装形式的截面图；以及
图7是示出根据本发明的另一实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体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是本发明的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件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半导体发光器件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。包含光散射颗粒使得能够增加光投射方向上的光量以及提高发光效率。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的周边的光反射框(框体)。具体地说，开孔14a对应于各LED元件13而设置。反射器14可通过例如丝网印刷和烧制而形成。
反射器14被直接接合到元件安装基板11的元件安装表面而不使用粘接剂。反射器14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°，并且在此情况下各开孔14a具有“研钵形状”。换句话说，开孔14a的直径(或者面积)沿着光投射方向增加。反射器14形成光反射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光反射框反射，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，从半导体发光器件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”)可以是当半导体发光器件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16可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，并且可以例如是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。选择背面玻璃16的玻璃材料，使得背面玻璃16相对于元件安装基板11的热膨胀系数的幅度相关对应于反射器14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。通过使背面玻璃16覆盖元件安装基板11的区域大于反射器覆盖元件安装基板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并且不在馈线端子12a、12b上形成反射器14，而在元件安装基板11的大致整个背面上形成背面玻璃16。因此，背面玻璃16覆盖元件安装基板11的区域大于反射器14覆盖元件安装基板11的区域。
另外，背面玻璃16的表面(邻近封装基板的表面)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描述根据本发明的实施方式的制造用于安装发光元件的基板和使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件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。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、A12O3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。例如，在单次印刷和烧制中形成厚度40μm的玻璃膜。通过多次印刷和烧制层叠多个玻璃膜，以形成厚度约420μm的反射器14。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。具体地在构成框体的玻璃膜中，与基板邻近的玻璃膜(最下方玻璃膜)的开孔的面积可以小于最上方玻璃膜的开孔的面积。换句话说，在构成框体的玻璃膜中，下层的玻璃膜的开孔的大小可小于上层的玻璃膜的开孔的大小。在此“上层”是在多个玻璃膜中的任意层上方(在前向光投射方向上)形成的层，而“下层”是在任意层下方(在后向光投射方向上)形成的层。适当地改变多个玻璃膜的开孔的大小使得能够形成其中开孔14a的侧壁具有研钵形倾斜、由玻璃膜组成的倾斜反射器14。当重复印刷和烧制时，开孔14a的侧壁可以设定为约45°，从而层叠主体的高度的增加量对应于开孔的直径的增加量(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上产生光滑平坦表明。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)。通过上述步骤完成用于安装发光元件的基板。
以下步骤是用于制造使用通过上述步骤制造的发光元件安装基板的发光器件的步骤。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)。
通过上述步骤完成半导体发光器件10。
图6是示出使用本实施方式的用于安装发光元件的基板的半导体发光器件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上封装半导体发光器件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与半导体发光器件10相邻。布线基板34可以具有开孔，该开孔允许封装基板30上的半导体发光器件10的安装区域露出。在布线基板34的表面上形成用于向半导体发光器件10供电的导体布线36。向半导体发光器件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半导体发光器件10压靠封装基板30的偏置力。可由此向半导体发光器件10供电，并且确保半导体发光器件10和封装基板30之间的接合。
从以上描述明显可见的是，在根据本实施方式的制造用于安装发光元件的基板的方法中，因为通过多次执行玻璃印刷来形成反射器14，所以可以容易地控制反射器14的厚度和反光框架的形状。例如，可通过减少或者增多进行印刷/烧制的次数来控制反射器14的厚度。可通过仅修改网格掩模来修改反光框架的形状和大小。因此能够灵活设计或者制造产品的变形形式。
在根据本实施方式的制造用于安装发光元件的基板的方法中，可在元件安装基板11上形成反射器14，而不使用粘接剂，使得能够防止光输出和可靠性被过量施加的粘接剂负面影响。
根据本实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件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使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件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使用用于安装半导体元件的基板的半导体发光器件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元件的高通量半导体发光器件中，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用于安装发光元件的基板。图7是根据本发明的第二实施方式的使用用于安装发光元件的基板的半导体发光器件20从发光表面看去的平面图。
半导体发光器件20具有与上述半导体发光期间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。
半导体发光器件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。这两种类型的光从半导体发光器件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2010-232452是本申请的基础，在此通过引用并入。

Claims (10)

1.一种用于安装发光元件的基板，在该基板的一个表面上设置有框体，其中：
所述框体由具有开孔且在光投射方向上层叠的多个玻璃膜的层叠体组成，所述框体直接接合到所述基板的所述一个表面；并且
邻近所述基板的玻璃膜中的开孔的面积小于最上方的玻璃膜中的开孔的面积。
2.根据权利要求1所述的用于安装发光元件的基板，其中，所述玻璃膜包括光散射颗粒。
3.根据权利要求1所述的用于安装发光元件的基板，其中，在所述基板的另一个表面上还设置有玻璃膜。
4.根据权利要求3所述的用于安装发光元件的基板，其中，设置到所述基板的所述另一个表面的玻璃膜的厚度小于所述框体的厚度。
5.一种制造根据权利要求1所述的用于安装发光元件的基板的方法，该方法包括通过印刷设置所述玻璃膜的步骤。
6.一种具有根据权利要求1所述的用于安装发光元件的基板的发光器件，所述发光器件具有安装在所述基板上、与所述框体的开孔对应的位置处的发光元件。
7.一种制造发光器件的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
形成框体，该框体用于包围在基板的一个表面上的多个发光元件安装区域中的各个发光元件安装区域；和
在形成所述框体之后在所述基板上的各个发光元件安装区域中安装发光元件；
其中，该形成框体的步骤包括以下步骤：多次执行玻璃印刷，并且向所述基板设置具有多个开孔的多个层叠玻璃膜。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，所述多个玻璃膜的开孔具有相互不同的大小，并且上层玻璃膜的开孔的大小大于下层玻璃膜的开孔的大小。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其中，所述形成框体的步骤包括以下步骤：顺序地使用具有对应于开孔的相互不同大小的遮挡部分的多个掩模来印刷各玻璃膜；和在印刷上层玻璃膜之前烧制下层玻璃膜。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其中，所述多个玻璃膜包括光散射颗粒。
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