CN102460738B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

一种发光装置包括可操作以产生第一波长范围的光的多个LED芯片(“横向”或“垂直”导通)及用于装纳所述芯片的封装。所述封装包括：导热衬底(铜)，所述LED芯片安装在所述导热衬底上；及覆盖物，其具有多个贯通孔，其中每一孔对应于所述LED芯片中的相应一者。所述孔经配置以使得当将所述覆盖物安装到所述衬底时，每一孔结合所述衬底界定其中装纳相应芯片的一凹部。每一凹部至少部分地填充有至少一种磷光体材料与一透明材料的混合物。在具有“横向”导通LED芯片的装置中，PCB安装在所述衬底上且包含经配置以使得每一芯片被直接安装到所述衬底的多个贯通孔。对于具有“垂直”导通LED芯片的装置，所述LED芯片安装在类金刚石碳膜上。

Description

发光装置
相关申请案交叉参考
此申请案主张陈淑华(Hwa SU)等人的于2010年5月17日提出申请、名称为“发光装置(Light Emitting Device)”的第12/781,194号美国申请案及陈淑华(Hwa SU)等人的于2009年5月20日提出申请、名称为“发光装置(Light Emitting Device)”的第61/180,065号美国临时申请案的优先权的权益，所述申请案的内容均以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及发光装置且更特别地说涉及此类装置的封装布置。特定来说，虽然非排他地，但本发明涉及包含一种或一种以上磷光体(光致发光)材料以产生所要发射产物色彩的发光装置。本发明的此外实施例涉及(但不限于)基于发光二极管(LED)具有高发射强度(即，大于500流明的光通量)的用于一般照明应用的白光产生装置。
背景技术
发白光LED(“白色LED”)在业内已为人所知且是相对较新的创新。直到研发出发射电磁光谱中蓝色/紫外线部分的光的LED，研发基于LED的白光源才变得实际。举例来说，如US 5,998,925中所教示，白色LED包含为光致发光材料的一种或一种以上磷光体材料，其吸收由LED发射的辐射的一部分并重新发射不同色彩(波长)的辐射。通常，LED芯片产生蓝色光且磷光体材料吸收一定百分比的蓝色光并重新发射黄色光或绿色与红色光的组合、绿色与黄色光的组合或黄色与红色光的组合。LED所产生蓝色光中未被磷光体材料吸收的部分与由所述磷光体材料发射的光组合提供在人眼看来在色彩上接近白色的光。
当前对使用高亮度白色LED作为常规白炽灯泡、卤素反光灯及荧光灯的高能效替代物有许多兴趣。大部分利用LED的照明装置包括其中多个LED替代常规光源组件的布置。此类现有发光装置(特定来说，既定用于一般照明的通常需要500流明或更大(即，通常为5W到10W的输入功率)的所发射光通量的发白光装置)的问题是热管理且特定来说充分耗散由此类装置产生的热。其它问题是磷光体材料随着时间的热降级，此可导致由所述装置发射的光的相关色彩温度(CCT)及/或光通量的显著改变。通常，经封装的装置安装在散热片或其它大热质量上以耗散热。然而，封装的热阻可使得难以通过通常由电绝缘材料(例如，高温聚合物或陶瓷)制作的封装充分地传送来自LED芯片(裸片)的热。
在周(Chou)等人的第US 2009/294780A1号共同未决美国专利申请公开案(于2009年12月3日公布)中揭示了白色LED封装的实例。在图1中展示此封装的示意性截面视图。发白光装置10包括基于蓝色(即，波长≈400到≈480nm)表面发光InGaN/GaN(氮化铟镓/氮化镓)的发光二极管(LED)芯片12的正方形阵列，所述芯片12被封装在高温封装14中，例如(举例来说)低温共烧陶瓷(LTCC)封装。封装14在顶部表面中具有圆形凹部(杯)16的正方形阵列，所述圆形凹部16中的每一者经配置以接纳相应LED芯片12。封装14进一步包括界定每一凹部16的底部上的电接触垫的导电迹线18的图案及导热安装垫20。安装垫20通过导热通孔24阵列与封装基底上的对应安装垫22热连接。封装14进一步包括位于封装基底上用于向装置提供电力的电连接器26、28。每一LED芯片12使用(举例来说)导热粘合剂或共晶焊接而安装到相应凹部16的安装垫20。LED芯片12的顶部表面上的电极触点通过接合线30电连接到凹部的底部上的对应电触点垫且每一凹部16完全填充有透明聚合物材料32(通常为聚硅氧)，所述透明聚合物材料装载有粉末状磷光体材料34以确保LED芯片12的暴露表面由磷光体/聚合物材料混合物覆盖。为增强装置的发射强度(光通量)，使凹部的壁倾斜，以使得每一凹部包括反射器。虽然此类装置封装在电及热两者上均表现良好(即，热阻通常为8到10℃/W)，但此些封装制作起来相对昂贵，此可限制所述封装具有成本效益的应用。
另一封装布置包括将LED芯片直接安装在金属芯印刷电路板(MCPCB)上且接着用磷光体囊封来囊封LED芯片。此配置通常称为板上芯片(COB)布置。如所已知，MCPCB包括分层结构，其包括导热基底(通常为铝)、不导电/导热电介质层及通常由铜制成的导电电路层。所述电介质层极薄，以使得其可将来自安装在电路层上的组件的热传导到基底。如李(Li)等人的名称为“具有磷光体波长转换的发光装置其及制造方法(Light emitting devices with phosphor wavelength conversion and methods of manufacturethereof)”(于2010年1月19日提出申请)的第12/689,449号共同未决美国专利申请案中所揭示，磷光体囊封可呈模制在LED芯片上的大致保形涂层的形式。另一选择为，如李(Li)等人的名称为“具有磷光体波长转换的发光装置(Light emitting devices withphosphor wavelength conversion)”(于2009年12月16日提出申请)的第12/639,688号共同未决美国专利申请案中所揭示，可将磷光体材料提供于安装在LED芯片上方以形成水分/气体密封外壳的透光半球形壳体的内表面上。还已知通过(例如)模制将磷光体材料并入形成在LED芯片上方的半球形透镜内。虽然MCPCB的热阻极佳且可低达1.5℃/W，但此类封装布置的成本(特定来说，将磷光体材料施加到个别LED芯片的成本)在竞争激烈的具有节省成本意识的一般照明部门中可为惊人的昂贵。此外，在此类封装布置的情形下，可难以制作具有一致的CCT的装置。
也已提出将LED芯片阵列安装在MCPCB上且接着用磷光体涂层囊封LED芯片的整个阵列，所述磷光体涂层含于安装到MCPCB(例如，以环绕LED阵列)的外围框架(例如，圆环形框架)内。虽然具有单个凹部的封装易于制作，但此类布置需要额外磷光体材料来填充邻近芯片之间的区域，且此磷光体材料对表面发光LED芯片的光产生贡献极小或没有贡献。据信额外磷光体材料可吸收光且减小装置的总光发射。最初的测试表明具有装纳若干个LED芯片的单个凹部的封装与其中相同数目个LED芯片分别装纳于相应腔内的封装(例如，70到80lm/W)相比具有较低光效率(例如，50到55lm/W)。此外，据信磷光体材料的热降级在其中单个凹部装纳多个LED芯片的装置中可能较高。
仍需要具有与MCPCB相当的热阻且使得能够容易地施加一种或一种以上磷光体材料的较不昂贵发光装置封装。
发明内容
提出本发明以致力于为发光装置的封装布置提供良好热特性，特定来说适于产生具有至少500流明的光通量的光的LED芯片的低热阻。
根据本发明，一种发光装置包括：多个LED芯片，其可操作以产生具有在第一波长范围中的主波长的光；及用于装纳所述芯片的封装，其中所述封装包括：导热衬底，所述LED芯片安装在所述导热衬底上；及覆盖物，其具有多个贯通孔，其中每一孔对应于所述LED芯片中的相应一者且其中所述孔经配置以使得当将所述覆盖物安装到所述衬底时，每一孔结合所述衬底界定其中装纳相应LED芯片的一凹部。有利地，所述封装具有小于～5℃/W且更优选地小于～2℃/W的热阻。
为了使所述装置产生具有选定的相关色彩温度(CCT)的所要色彩的光或白光，每一凹部可至少部分地填充有至少一种磷光体材料与一透光材料的混合物。所述至少一种磷光体材料经配置以吸收由所述LED芯片发射的光的至少一部分且发射具有在第二波长范围中的主波长的光。通常，所述装置的发射产物在色彩上呈现白色且包括第一波长范围与第二波长范围的光的组合。另一选择为，所述装置的发射产物可包括由所述至少一种磷光体材料产生的光。为每一LED芯片提供相应凹部提供与其中使用单个凹部来装纳LED芯片阵列的已知封装相比减小所需磷光体材料的数量的益处。此外，已发现与已知封装相比此类封装具有改进的亮度。通常，所述覆盖物为基本上平面且可通过使用柔性板片(例如，刮片、橡皮刷或类似物)将磷光体/聚合物混合物扫过(拖过)腔覆盖物的表面而便捷地填充凹部。此方法的益处是其消除将经测量数量的磷光体分散到每一凹部中的需要且借此减小成本。
在制作方面，可将所述覆盖物安装到所述衬底且接着将LED芯片安装到所述衬底于相应凹部内。另一选择为，可将LED芯片安装并电连接到所述衬底且接着将覆盖物安装到所述衬底。此构造使得LED芯片的安装及连接能够在基本上平面衬底上执行，从而允许使用板上芯片(COB)制作技术。
为最小化所述封装的热阻且最大化热耗散，所述衬底具有尽可能高的导热率且优选地约至少200Wm-1K-1。所述衬底优选地为金属，有利地铜或铜合金，但其可包括例如铝、铝合金、镁合金等其它金属或合金，或导热陶瓷(例如，碳化铝硅(AlSiC))或碳复合物。
有利地，所述覆盖物也由为良好热导体且具有至少150Wm-1K-1且优选地至少200Wm-1K-1的导热率的材料制成。由于覆盖物可提供对磷光体材料的散热从而减小所述磷光体材料的可能热降级。所述覆盖物优选地包括金属，有利地铜或铜合金，但其可包括例如铝、铝合金、镁合金等其它金属或合金或导热陶瓷(例如，碳化铝硅(AlSiC))或碳复合物。
在既定用于具有其中两个LED电极均位于同一面(通常为表面发光LED的发光表面)上的“横向”导通结构的LED芯片的一种布置中，所述装置进一步包括安装在所述衬底上的电路布置，其具有经配置以使得每一芯片被直接安装到所述衬底的多个贯通孔。在本说明书中，“直接安装”意指直接热连通地安装而不具有介入层且其包含将所述芯片焊接到所述衬底。使用(例如)接合线将每一LED芯片电连接到所述电路布置。所述电路布置优选地包括印刷电路板(PCB)，例如FR-4PCB。此封装布置的特定优点是每一LED芯片与高导热率衬底直接热连通地安装且与已知解决方案相比此提供极低热阻及经改进的对芯片的散热。另外，用以提供所述LED芯片的电连接的上覆于所述芯片上的电路层的使用确保与所述衬底的完全电隔离。此有益于既定用于一般照明中的装置，所述装置通常需要由110V或220V的高电压交流电源操作。
在用于具有其中LED电极位于芯片的相对面上的“垂直”导通结构的LED芯片的替代封装布置中，将所述LED芯片安装在所述衬底的表面上的电路布置上并电连接到所述电路布置。在此布置中，所述LED芯片并非直接安装到所述衬底。所述电路布置优选地包括电绝缘导热层，在所述电绝缘导热层的表面上具有电导体布置且每一LED芯片安装到一电导体。所述导热层优选地包括类金刚石碳(DLC)，也称为“非晶形碳”或“非晶形金刚石”。所述DLC优选地呈薄膜(通常厚度为5到50μm)形式且可使用(例如)化学气相沉积沉积在所述衬底上。
为聚焦或以其它方式引导光发射，所述装置可进一步包括上覆于所述凹部中的一者或一者以上之上的光学组件，通常为透镜。所述透镜可呈个别组件的形式或经集成呈阵列形式。
根据本发明另一方面，一种发光装置包括：导热衬底；多个LED芯片；安装在所述衬底上的电路布置，其中所述电路布置具有经配置以使得每一芯片可直接安装到所述衬底的多个贯通孔；具有多个贯通孔的覆盖物，其中每一孔对应于所述LED芯片中的相应一者且其中所述孔经配置以使得当将所述覆盖物安装到所述电路布置时，每一孔结合所述电路布置界定其中装纳相应LED芯片的一凹部；且其中每一凹部至少部分地填充有至少一种磷光体材料与一透光材料的混合物，所述至少一种磷光体材料经配置以吸收所述第一波长范围的光的至少一部分且发射具有在第二波长范围中的主波长的光。
根据本发明的其它方面，一种发光装置包括：导热衬底；多个LED芯片；电路布置，其包括电绝缘导热层，在所述电绝缘导热层的表面上具有电导体布置的，且其中每一LED芯片安装到一电导体；具有多个贯通孔的覆盖物，其中每一孔对应于所述LED芯片中的相应一者且其中所述孔经配置以使得当将所述覆盖物安装到所述电路布置时，每一孔结合所述电路布置界定其中装纳相应LED芯片的一凹部；且其中每一凹部至少部分地填充有至少一种磷光体材料与一透光材料的混合物，所述至少一种磷光体材料经配置以吸收所述第一波长范围的光的至少一部分且发射具有在第二波长范围中的主波长的光。
根据本发明的又一方面，其提供一种用于发光装置的封装，所述发光装置包括可操作以产生第一波长范围的光的多个LED芯片；所述封装包括：导热衬底，所述LED芯片可安装在所述导热衬底上；及具有多个贯通孔的覆盖物，其中每一孔对应于所述LED芯片中的相应一者且其中所述孔经配置以使得当将所述覆盖物安装到所述衬底时，每一孔结合所述衬底界定其中装纳相应芯片的一凹部。
优选地，本发明的封装具有小于5℃/W且更优选地小于2℃/W的热阻。
附图说明
为更好地理解本发明，现将参考附图仅通过举例方式来描述本发明实施例，在附图中：
图1是如先前所述的已知发白光装置的示意性截面视图；
图2a及图2b是a)“横向”及b)“垂直”导通的表面发光LED芯片结构的示意图；
图3是根据本发明第一实施例的使用“横向”导通LED的发光装置的示意性透视图；
图4是图3装置的图解说明其构造的部分分解透视图；
图5是图3发光装置的穿过线A-A的示意性截面图；
图6a及图6b展示根据本发明的发光装置的每一LED芯片的针对a)480mA及b)600mA的驱动电流的所测量表面温度；
图7是根据本发明第二实施例的使用“垂直”导通LED芯片的发光装置的示意性透视图；
图8是图6装置的图解说明其构造的部分分解透视图；且
图9是图6发光装置的穿过线A-A的示意性截面图。
具体实施方式
本发明实施例涉及用于包含一种或一种以上磷光体材料以产生具有选定CCT的所要色彩的光(通常为白光)的发光装置的封装布置。在本说明书中，使用相同的参考编号来表示相同的部分。
从封装的角度来看，LED芯片(裸片)可广泛地分类为横向电导通的那些LED芯片及垂直导通的那些LED芯片。图2a及图2b分别是“横向”及“垂直”导通的表面发光GaN(氮化镓)LED芯片结构的简化示意图。
如所已知，“横向”导通LED芯片50a按次序包括背部板52a、衬底54a(通常为蓝宝石)、n型GaN层56a及p型GaN层58a(图2a)。正(+)电极触点60a及负(-)电极触点62a分别提供于p型层58a及n型层56a的暴露表面上。通过将电力施加到正电极触点及负电极触点来操作LED芯片50a。如图2a中所展示，在电极触点之间沿大体横向方向发生“横向”LED芯片结构内的电导通64a。总之，在“横向”导通LED芯片中，正电极触点及负电极触点两者均位于芯片的同一面(通常为发光面)上。
类似地，“垂直”导通LED芯片50b按次序包括正电极平面60b、电导通衬底54b、p型GaN层58b及n型GaN层56b(图2b)。在“垂直”导通结构中，负电极62b触点提供于n型层56b的顶部表面上且在电极触点之间沿大体垂直方向发生电导通64b。因此，在“垂直”导通LED芯片中，正电极触点及负电极触点位于芯片的相对面上。
由于电极触点配置不同，基于“横向”及“垂直”导通LED芯片针对发光装置需要不同封装布置。
具有“横向”导通LED芯片的发光装置
现将参考图3、图4及图5描述根据本发明第一实施例的发光装置100，其中图3是所述装置的透视图，图4是展示所述装置的构造的分解透视图且图5是穿过图3的线A-A的示意性截面视图。为易于理解，在图3及图4中未展示磷光体材料。装置100经配置以产生选定CCT(举例来说，5500K)及光通量约为600流明(大约为12W输入功率)的白光。
装置100是分层(层压)构造且包括三个层：导电基底(衬底)102、电路层104、腔覆盖物106及透镜108阵列(注意，图3中省略透镜108)。所述装置进一步包括24个500mW的基于蓝色(即，主波长在≈400到≈480nm范围中)表面发光“横向”导通InGaN/GaN(氮化铟镓/氮化镓)的LED芯片50a，其布置为5个行乘以5个列的正方形阵列，其中中心位置110剩余以用于另一组件，例如热电偶(未展示)。虽然将装置100展示为包括正方形LED芯片50a阵列，但将了解，本发明的装置适用于其它LED芯片配置(例如，六边形紧密填装的)及其它数目的LED芯片，此取决于所需发射强度(光通量)。
导热基底102包括具有尽可能高的导热率(通常约至少200Wm-1K-1)的材料以最优化到基底的底面的热传导。通常，基底102可包括金属且优选地为其导热率为≈400Wm-1K-1的铜(Cu)。另一选择为，基底102可包括铜合金、铝(≈250Wm-1K-1)、阳极氧化铝、铝合金、镁合金或可能地导热陶瓷，例如(举例来说)碳化铝硅(AlSiC)(≈170到200Wm-1K-1)或碳复合物。每一LED芯片50a通过其基底板52a通过使用焊料膏(例如，锡或银焊料膏)或使用装载有金属的环氧树脂(例如，装载有银的环氧树脂)使用(例如)金-锡共晶焊接来进行焊接而直接安装在基底102上且与其良好地热连通。所属领域的技术人员将明了将LED芯片(裸片)52a附接到基底的其它方法。在本说明书中，“直接安装”意指直接热连通地安装而不具有介入层。
电路层104优选地包括印刷电路板(PCB)(例如，举例来说FR-4(阻燃剂-4)PCB)且包含圆形贯通孔112的正方形阵列，所述圆形贯通孔112经配置以使得每一贯通孔112对应于LED芯片50a中的对应一者。贯通孔112的大小经选择以使得当将电路层104安装到基底102时，每一贯通孔112结合基底102界定用于装纳相应LED芯片50a的一圆形凹部。如图4中最好地看到，电导体114图案提供于PCB 104的顶部表面上，所述电导体114界定用于将LED芯片50a电连接成所要电路配置的电路配置。对于所描述的实施例，电路层经配置以使得LED芯片50a在正(+)电连接垫116与负(-)电连接垫118之间电互连为四个并联的串联串，其中每一串包括六个串联连接的LED芯片。所述电连接垫也位于PCB 104的顶部表面上。此电路配置导致针对19.1到20.4V的装置驱动电压VF的跨越每一LED芯片的≈3.2到3.4V的正向压降。每一LED芯片50a上的正电极触点60a及负电极触点62a通过一个或一个以上接合线120电连接到PCB上的对应导体114(参见图5)。
腔覆盖物106形式上为大致平面且具有圆形贯通孔122的正方形阵列，所述圆形贯通孔122经配置以使得每一贯通孔122对应于LED芯片50a中的相应一者。通常，每一贯通孔122与电路层104中的对应贯通孔112同轴。贯通孔122的大小经选择以使得当将腔覆盖物106安装在电路层104上时，每一贯通孔122界定环绕相应LED芯片50a及接合线120的一浅圆形凹部(杯)。腔覆盖物106优选地包括具有尽可能高的导热率(通常约为至少150Wm-1K-1且优选地约至少200Wm-1K-1)的导热材料。所述覆盖物可以是电绝缘材料或是导电的，且可包括例如铜(Cu)、铜合金、铝、阳极氧化铝、铝合金、镁合金等金属、例如(举例来说)碳化铝硅(AlSiC)等导热陶瓷、碳复合物或高温聚合物材料。每一贯通孔122的壁可为倾斜的且可包含光反射表面，例如银、铝或铬的金属化层。将LED芯片50a安装到基底102且将其分别电连接到电路层104之后，将腔覆盖物106安装到PCB。另一选择为，可将所述覆盖物安装到衬底且接着将LED芯片安装在相应凹部中。
接着，用一种或一种以上磷光体材料与一透光(透明)材料124(通常为例如聚硅氧或环氧树脂的液体聚合物)的混合物填充每一凹部(杯)。透光聚合物材料的实例可包含信越化工公司(Shin-Etsu MicroSi，Inc)的柔性聚硅氧KJR-9022及GE的可热固化聚硅氧RTV615。由于腔覆盖物106基本上为平面，因此可通过使用柔性板片(例如，刮片、橡皮刷或类似物)将磷光体/聚合物混合物扫过(拖过)腔覆盖物的表面而便捷地填充凹部。此类方法的益处是其消除将经测量数量的磷光体分散到每一凹部中的需要且减小成本。另一选择为，可将经测量体积的磷光体/聚合物混合物分散到每一腔中。磷光体材料到聚合物材料的重量载量通常在每100份10到50份的范围中且取决于装置的目标发射色彩/CCT。有利地，透光聚合物经选择以使得其折射率n尽可能地接近LED芯片50a的折射率。举例来说，InGaN/GaN LED芯片的折射率为n≈2.4到2.5而高折射率聚硅氧具有n≈1.2到1.5的折射率。因此，实际上，聚合物材料通常具有n≥1.2的折射率。高折射率聚合物的使用可通过提供一定程度的折射率匹配而增加从LED芯片50a的光发射。接着可将相应透镜108安装在每一凹部122上以聚焦或以其它方式引导来自装置100的发射产物。透镜108由透光玻璃或聚合物材料(例如，聚硅氧或聚碳酸酯)制作且可呈个别透镜或透镜阵列的形式。
本发明封装布置的特定优点是由于每一LED芯片与高导热率基底直接热连通地安装，因此此产生具有低热阻的封装。另外，用以提供LED芯片的电连接的上覆于芯片上的电路层的使用确保与基底完全电隔离。此有益于既定用于一般照明的装置，所述装置通常需要由110V(例如，北美)或220V(例如，欧洲)的交流电源操作。另外，针对每一LED芯片具有相应凹部122提供与其中使用单个凹部来装纳LED芯片阵列的已知封装相比减小所需磷光体材料的数量的益处。此外，本发明者已发现与具有相同数量的磷光体材料及相同数目的LED芯片的已知封装相比，此类封装具有增加的亮度(光效率)。另外，当覆盖物是由良好热导体的材料制成时，此类覆盖物可提供对磷光体材料的散热且减小磷光体材料的可能热降级。此外，单独腔覆盖物106的使用使得LED芯片的安装及连接能够在基本上平面衬底上执行，从而允许使用板上芯片(COB)制作技术。另一选择为，可将覆盖物安装到衬底且接着将LED芯片安装到所述衬底于相应凹部内。
图6a及图6b是根据本发明具有“横向”导通LED芯片的600流明发光装置100的24个LED芯片50a中的每一者针对a)480mA及b)600mA的正向驱动电流IF的所测量温度(表面温度)。这些图中的数字是实际LED芯片表面温度。表1展示根据本发明的600流明发光装置针对480mA及600mA的正向驱动电流IF的热数据。所述热数据是在安装于60x60x38mm阳极氧化铝散热片(总表面积≈82,302mm2)上的装置100在静止空气外壳(尺寸600x600x600mm)内的情形下测量的。
在表1中，Tmin、Tmax及Tmean分别是最小、最大及平均LED芯片表面温度，a是LED芯片表面温度的标准偏差，TC是中心腔110的温度，AT是平均芯片温度Tmean之间的温度差且Ta是环境温度。表1指示所述封装的热阻RJC约为1.2到1.4℃/W。出于比较的目的，陶瓷(例如，LTCC)封装通常具有约为8到10℃/W的热阻且塑料封装具有约为15℃/W的热阻。因此，本发明的封装具有与其中LED芯片安装在MCPCB的表面上的COB布置相当的热阻。计算指示聚合物囊封的热阻约为240℃/W。
表1
表2及表3分别给出根据本发明的600流明发光装置在额定CCT为5500K及2700K的情形下的发射数据。针对具有及不具有透镜108的装置针对480mA及600mA的正向驱动电流IF给出数据。
表2
表3
具有“垂直”导通LED芯片的发光装置
现将参考图7、图8及图9描述根据本发明第二实施例的发光装置100，其中图7是所述装置的透视图，图8是展示所述装置的构造的分解透视图且图9是穿过图7的线A-A的示意性截面视图。装置100经配置以产生选定CCT及光通量约为1000流明(大约为21W输入功率)的白光。
与上文所述的装置一样，装置100包括三个层：导热基底102、电路层104、腔覆盖物106及透镜108阵列。基底102包括具有尽可能高的导热率(通常约为至少200Wm-1K-1)的材料(例如，金属)且优选地由铜制成。在此实施例中，电路层104包括沉积在基底102上的电绝缘、导热膜126，在所述电绝缘导热膜126上接着形成电导体114图案。优选地，导热膜126包括类金刚石碳(DLC)(也称为“非晶形碳”或“非晶形金刚石”)，如所已知，其是具有可与金属相媲美的导热率的电绝缘体。通常，DLC膜126具有约5到50μm数的厚度且使用(例如)CVD(化学气相沉积)沉积到基底102上。电导体114优选地包括沉积到DLC膜126上的铜层128。在所图解说明的实例中，所述装置包括16个1.3W的基于蓝色(即，波长≈400到480nm)表面发光“垂直”导通InGaN/GaN(氮化铟镓/氮化镓)的发光二极管(LED)芯片50b，其布置为四个行乘以四个列的正方形阵列。
每一LED芯片50a通过使用焊料膏(例如，锡或银焊料膏)或使用装载有金属的环氧树脂(例如，装载有银的环氧树脂)使用(例如)金-锡共晶焊接来进行焊接而借助其正电极平面60b安装在相应电导体114上且电连接到所述相应电导体114。如图7中最好地看到，电导体114的图案(所述导体在形式上为大体矩形)经配置以给每一LED芯片提供尽可能大的表面积以最大化通过膜126到基底102中的热耗散。在所展示的实例中，LED芯片50b在正(+)电连接垫116与负(-)电连接垫118之间互连为四个并联串，其中每一串包括四个串联连接的LED芯片。此类电路配置导致跨越每一LED芯片的针对约14.3到14.8V的装置驱动电压VF(即)的≈3.5到3.7V的正向压降。如图7及图8中所展示，每一LED芯片50b的负电极触点62b通过一个或一个以上接合线120电连接到对应导体114。
如在第一实施例中，平面腔覆盖物106具有圆形贯通孔122的正方形阵列，所述圆形贯通孔122经配置以使得每一贯通孔122对应于LED芯片50b中的相应一者。贯通孔122的大小经选择，以使得当将腔层106安装到电路层104时，每一贯通孔122界定环绕相应LED芯片50b的一圆形凹部(杯)。如所展示，每一贯通孔122的壁可为倾斜的且包含光反射表面，例如银、铝或铬的金属化层。倾斜角度可经选择以最大化光发射及产生所要发射图案且通常在与覆盖物的面成30°到60°的范围中。在将每一LED芯片50b安装到相应导体114且将其分别电连接到电路层104之后，将腔层106安装到电路层104。腔覆盖物106优选地包括具有尽可能高的导热率(通常约为至少150Wm-1K-1，且优选地约至少200Wm-1K-1)的导热材料。所述腔覆盖物可为电绝缘的或为导电材料且可包括例如铜(Cu)、铜合金、铝、阳极氧化铝、铝合金、镁合金等金属、例如(举例来说)碳化铝硅(AlSiC)等导热陶瓷或碳复合物或高温聚合物材料。
最后，可用一种或一种以上磷光体材料与一透光(透明)材料124(通常为聚合物，例如聚硅氧或环氧树脂)的混合物来灌注(填充)每一凹部122。至少一种磷光体材料到聚合物材料的重量载量通常在每100份10到50份的范围中且取决于所述装置的目标发射色彩/CCT。
如所展示，接着可将相应透镜108安装在每一凹部122上方以聚焦或以其它方式引导来自所述装置的发射产物。
表IV展示具有“垂直”导通LED芯片的根据本发明的1000流明发光装置在额定CCT为3000K下的所测量发射数据。针对具有及不具有透镜108的装置给出数据。
表4
在根据任一实施例(即，基于“横向”或“垂直”LED导通芯片的那些实施例)的本发明装置中，一旦LED芯片已安装并连接到电路层104，便优选地将腔覆盖物106附接到所述电路层。此可使装置的制作更容易，因为LED芯片正安装在大体平面衬底上，从而使得能够使用自动化板上芯片(COB)制作技术。另外，单独腔覆盖物实现简易透镜附接且与其中每一腔装纳若干LED芯片的已知装置相比也减小所需磷光体材料的数量。此外，导热的腔覆盖物的使用提供对磷光体材料的散热且减小磷光体材料的可能热降级。
本发明装置适用于呈粉末形式的任何磷光体材料，且可包括无机或有机磷光体，例如(举例来说)具有一般组成A3Si(O，D)5或A2Si(O，D)4的基于硅酸盐的磷光体，其中Si为硅，O为氧，A包括锶(Sr)、钡(Ba)、镁(Mg)或钙(Ca)，且D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基于硅酸盐的磷光体的实例揭示于第US 2007/0029526A1号共同未决美国专利申请公开案及美国专利US 7,311,858 B2、US 7,575,697 B2及US7,601,276 B2中，每一者的内容据此均以引用方式并入本文中。
如US 7,575,697B2中所教示，铕(Eu2+)活化的基于硅酸盐的绿色磷光体具有通式(Sr，A1)x(Si，A2)(O，A3)2+x:Eu2+，其中：A1为2+阳离子、1+与3+阳离子的组合中的至少一者，例如(举例来说)Mg、Ca、Ba、锌(Zn)、钠(Na)、锂(Li)、铋(Bi)、钇(Y)或铈(Ce)；A2为3+、4+或5+阳离子，例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、碳(C)、锗(Ge)、N或磷(P)；且A3为1-、2-或3-阴离子，例如(举例来说)F、Cl、溴(Br)、N或S。写出所述式以指示A1阳离子替代Sr；A2阳离子替代Si且A3阴离子替代氧。x值为介于1.5与2.5之间的整数或非整数。
US 7,311,858 B2揭示具有式A2SiO4:Eu2+D的基于硅酸盐的黄绿色磷光体，其中A为包括Sr、Ca、Ba、Mg、Zn或镉(Cd)的二价金属中的至少一者；且D为包括F、Cl、Br、碘(I)、P、S及N的掺杂物。掺杂物D可以介于约0.01到20摩尔百分比的范围内的量存在于磷光体中，且所述掺杂物中的至少一些替代氧阴离子以纳入磷光体的晶格内。磷光体可包括(Sr1-x-yBaxMy)SiO4:Eu2+D，其中M包括Ca、Mg、Zn或Cd，且其中0≤x≤1且0≤y≤1。
第7,601,276 B2号美国专利教示基于硅酸盐的两相磷光体，其具有与(M1)2SiO4的晶体结构大致相同的晶体结构的第一相；及与(M2)3SiO5的晶体结构大体相同的晶体结构的第二相，其中M1及M2各自包括Sr、Ba、Mg、Ca或Zn。至少一个相是由二价铕(Eu2+)活化，且所述相中的至少一者含有包括F、Cl、Br、S或N的掺杂物D。据信，所述掺杂物原子中的至少一些位于主体硅酸盐晶体的氧原子晶格位点上。
US 2007/0029526 A1揭示具有式(Sr1-xMx)yEuzSiO5的基于硅酸盐的橙色磷光体，其中M为包括Ba、Mg、Ca或Zn的二价金属中的至少一者；0＜x＜0.5；2.6＜y＜3.3且0.001＜z＜0.5。所述磷光体经配置以发射具有大于约565nm的峰值发射波长的可见光。
所述磷光体也可包括例如第US 2006/0158090 A1号共同未决美国专利申请公开案及美国专利US 7,390,437B2中所教示的基于铝酸盐的材料或如第US 2008/0111472 A1号共同未决美国申请公开案中所教示的硅酸铝磷光体，所述公开案中的每一者的内容据此均以引用方式并入本文中。
王(Wang)等人的US 2006/0158090 A1教示具有式M1-xEuxAlyO[1+3y/2]的基于铝酸盐的绿色磷光体，其中M为包括Ba、Sr、Ca、Mg、锰(Mn)、Zn、铜(Cu)、Cd、钐(Sm)或铥(Tm)的二价金属中的至少一者，且其中0.1＜x＜0.9且0.5≤y≤12。
US 7,390,437 B2揭示具有式(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]的基于铝酸盐的蓝色磷光体，其中M为Ba或Sr的二价金属中的至少一者。在一种组成中，磷光体经配置以吸收介于约280nm到420nm之间的波长中的辐射，并发射具有介于约420nm到560nm之间的波长的可见光，且0.05＜x＜0.5或0.2＜x＜0.5；3≤y≤12且0.8≤z≤1.2。磷光体可进一步掺杂有例如Cl、Br或I等卤素掺杂物H，且具有一般组成(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]:H。
刘(Liu)等人的US 2008/0111472 A1教示通式为(Sr1-x-yMxTy)3-mEum(Si1-zAlz)O5的具有混合二价及三价阳离子的硅酸铝橙红色磷光体，其中M为选自Ba、Mg或Ca的至少一种二价金属且其量介于0≤x≤0.4之间；T为选自Y、镧(La)、Ce、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、Sm、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、Tm、镱(Yt)、镥(Lu)、钍(Th)、镤(Pa)或铀(U)的三价金属，且其量介于0≤y≤0.4之间，且z及m在0≤z≤0.2及0.001≤m≤0.5的范围中。磷光体经配置以使得卤素驻存于硅酸盐晶体内的氧晶格位点上。
磷光体也可包括基于氮化物的红色磷光体材料，例如2009年11月19日公布的第US 2009/0283721 A1号及2009年12月7日提出申请、名称为“RGB (红色-绿色-蓝色)发光系统中的基于氮化物的发红色光的磷光体(Nitride-based red-emitting phosphors inRGB(red-green-blue)lighting systems)”的第12/632,550号共同未决美国专利申请公开案中所教示，所述公开案中的每一者的内容据此均以引用方式并入本文中。US2009/0283721 A1及12/632,550教示基于具有式MmMaMbD3wN[(2/3)m+z+a+(4/3)b-w]Zx的基于氮化物的红色磷光体，其中Mm为选自铍(Be)、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd或汞(Hg)的二价元素；Ma为选自B、Al、Ga、铟(In)、Y、硒(Se)、P、砷(As)、La、Sm、锑(Sb)或Bi的三价元素；Mb为选自C、Si、Ge、锡(Sn)、Ni、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)、铅(Pb)、钛(Ti)或锆(Zr)的四价元素；D为选自F、Cl、Br或I的卤素；Z为选自铕(Eu)、Ce、锰(Mn)、Tb或钐(Sm)的活化剂，且N为量为0.01≤m≤1.5、0.01≤a≤1.5、0.01≤b≤1.5、0.0001≤w≤0.6且0.0001≤z≤0.5的氮。磷光体经配置以发射具有大于640nm的发射峰值波长的可见光。
应了解，磷光体材料并不限于本文中所述的实例，且可包括包含有机或无机两种磷光体材料的任一磷光体材料，例如(举例来说)氮化物及/或硫酸盐磷光体材料、氧氮化物及含氧硫酸盐磷光体或石榴石材料(YAG)。
应进一步了解，本发明并不限于所描述的具体实施例且可做出在本发明的范围内的变化。举例来说，根据本发明的装置可包括其它LED芯片，例如基于碳化硅(SiC)、硒化锌(ZnSe)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝(AlN)或氮化铝镓(AlGaN)的发射蓝色光或U.V.光的LED芯片。
此外，根据第一实施例的封装也可用于封装“垂直”导通LED芯片，其中需要将每一LED芯片的电极平面以并联电路配置连接在一起。

Claims (22)

1.一种发光装置，其包括：
a)多个LED芯片，其可操作以产生具有在第一波长范围中的主波长的光；及
b)封装，其用于装纳所述LED芯片，
其中所述封装包括：
c)导热衬底，所述LED芯片热连通地安装在所述导热衬底上；及
d)覆盖物，其具有多个第一贯通孔，其中每一第一贯通孔对应于所述LED芯片中的相应一者，且其中所述第一贯通孔使得当将所述覆盖物安装到所述导热衬底时，每一第一贯通孔结合所述导热衬底界定其中装纳相应LED芯片的一凹部；
其中所述多个LED芯片形成多个行数及多个列数的阵列，所述行与所述列交错且在所述阵列的中心位置上未放置所述LED芯片。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述封装的热阻小于5℃/W。
3.根据权利要求2所述的发光装置，其中所述封装的热阻小于2℃/W。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述封装进一步包括至少部分地填充每一凹部的至少一种磷光体材料与一透光材料的混合物，其中所述至少一种磷光体材料用以吸收所述光的至少一部分且发射具有在第二波长范围中的主波长的光。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其中所述装置的发射产物包括所述第一波长范围与所述第二波长范围的光的组合。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其中所述发射产物为白光。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述导热衬底具有至少200Wm-1K-1的导热率。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其中所述导热衬底选自由以下各项组成的群组：铜、铜合金、铝、铝合金、镁合金、导热陶瓷、碳化铝硅及碳复合物。
9.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述覆盖物是导热的且导热率至少为150Wm-1K-1。
10.根据权利要求9所述的发光装置，其中所述覆盖物是导热的且导热率至少为200Wm-1K-1。
11.根据权利要求9所述的发光装置，其中所述覆盖物选自由以下各项组成的群组：铜、铜合金、铝、铝合金、镁合金、导热陶瓷、碳化铝硅及碳复合物。
12.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述发光装置进一步包括安装在所述导热衬底上的电路布置，其中所述电路布置包括使得每一LED芯片被直接安装到所述导热衬底的多个第二贯通孔。
13.根据权利要求12所述的发光装置，且其进一步包括将每一LED芯片电连接到所述电路布置。
14.根据权利要求12所述的发光装置，其中所述电路布置包括印刷电路板。
15.根据权利要求12所述的发光装置，其中所述LED芯片为“横向”导通芯片。
16.根据权利要求1所述的发光装置，且其进一步在所述导热衬底上包括电绝缘导热层，在所述电绝缘导热层的表面上具有电导体布置，且其中每一LED芯片安装到一电导体。
17.根据权利要求16所述的发光装置，其中所述电绝缘导热层包括类金刚石碳。
18.根据权利要求16所述的发光装置，其中所述LED芯片为“垂直”导通芯片。
19.根据权利要求1所述的发光装置，且其进一步包括上覆于至少一个凹部上的光学组件。
20.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述阵列为正方形阵列或六边形紧密填装阵列。
21.一种发光装置，其包括：
a)多个LED芯片，其可操作以产生具有在第一波长范围中的主波长的光；及
b)封装，其用于装纳所述LED芯片，
其中所述封装包括：
c)导热衬底，所述LED芯片直接热连通地安装在所述导热衬底上；及
d)电路布置，其安装在所述导热衬底上，其中所述电路布置具有使得每一LED芯片被直接热连通地安装到所述导热衬底的多个第二贯通孔；
e)覆盖物，其具有多个第一贯通孔，其中每一第一贯通孔对应于所述LED芯片中的相应一者，且其中所述第一贯通孔使得当将所述覆盖物安装到所述电路布置时，每一第一贯通孔结合所述电路布置界定其中装纳相应LED芯片的一凹部；且其中
所述多个LED芯片形成多个行数及多个列数的阵列，所述行与所述列交错且在所述阵列的中心位置上未放置所述LED芯片。
22.一种发光装置，其包括：
a)多个LED芯片，其可操作以产生具有在第一波长范围中的主波长的光；及
b)封装，其用于装纳所述LED芯片，
其中所述封装包括：
c)导热衬底；
d)电路布置，其安装在所述导热衬底上，其中所述电路布置包括电绝缘导热层，在所述电绝缘导热层的表面上具有电导体布置，且其中每一LED芯片安装到一电导体；
e)覆盖物，其具有多个第一贯通孔，其中每一第一贯通孔对应于所述LED芯片中的相应一者，且其中所述第一贯通孔使得当将所述覆盖物安装到所述电路布置时，每一第一贯通孔结合所述电路布置界定其中装纳相应LED芯片的一凹部；且其中
所述多个LED芯片形成多个行数及多个列数的阵列，所述行与所述列交错且在所述阵列的中心位置上未放置所述LED芯片。
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