CN114883473A - 发光装置及发光设备 - Google Patents

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Abstract

一种具有有限的发光面积的发光装置，包括支架（310）、安装于支架（310）上的LED芯片（320）及挡光层（330），挡光层（330）填充凹槽内非发光区域，并覆盖LED芯片（320）的部分表面，发光装置的发光面积小于或者等于LED芯片（320）的尺寸，形成明显的单点光源（Point Light Source），且没有光晕问题。

Description

发光装置及发光设备
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体为一种具有有限的发光面积的发光装置及采用该发光装置的发光设备。
背景技术
发光二极管被广泛地用于固态照明光源。相较于传统的白炽灯泡和荧光灯，发光二极管具有耗电量低以及寿命长等优点，因此发光二极管已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
图1显示了一种发光装置100。该发光装置采用EMC支架110搭配正装LED芯片120，然后覆盖荧光胶130形成。由于正装LED芯片发光角大，荧光粉涂布覆盖整个碗杯，经常发生碗杯受短波辐射出现发黄现象；另外因该方案出光角较大，光线在各角度上强度分散，电视背光使用时搭配的全反射式透镜设计复杂，易因二次光学处理不充分导致眩光等问题。
图2显示了另一种发光装置100。该发光装置采用EMC支架200搭配垂直LED芯片220，仅在LED芯片的发光区形成波长转换层230，在LED芯片的外周形成白胶240。在该发光装置中，由于发光面低于碗杯口，导致发光面低于杯口，LED芯片发射的光线在杯口发生反光现象，从而在杯口出现光晕，如图3所示。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有有限的发光面积的发光装置，该发光装置包括支架及安装于支架上的LED芯片，该发光装置的发光面积小于或者等于所述LED芯片的尺寸，形成明显的单点光源（Point Light Source），且没有光晕问题。
于是，本发明的发光装置，包括：支架，具有相对的第一表面和第二表面，设置有始起所述第一表面并沿厚度方向延伸的凹槽，所述凹槽内具有用于安装LED芯片的安装表面，及第一焊线区和第二焊线区，所述第一焊线区和第二焊线区彼此电性隔离；LED芯片，设置在所述安装表面上，其发光角度为135°以下，包含基板及形成于所述基板之上的半导体外延叠层、第一电极及第二电极，其中第一电极电连接到第一焊线区，第二电极电连接至第二焊线区；挡光层，填充所述凹槽内非发光区域，并覆盖所述LED芯片的部分表面；并且，所述LED芯片的顶表面、所述支架的第一表面和所述挡光层的顶表面三者之间的高度差为10μm以下，所述发光装置的发光面积小于或者等于所述LED芯片的顶表面的面积。
具体的，所述LED芯片半导体外延叠层发射的光线主要从顶表面射出，因此LED芯片的顶表面即为LED芯片的出光面，其可以为用于保护所述LED芯片的绝缘保护层表面或者用于进行波长转换的波长转换层表面，例如荧光膜表面。
在上述发光装置中，LED芯片的出光面所在位置接近支架的杯口高度，其高度差不超过10μm，挡光材料层填充碗杯内所有非发光区域，避免因杯口反射形成眩光，从而在支架的杯口内形成具有有限出光面积的光源，其发光面积类似于所述LED芯片的发光面积，不受支架的凹槽尺寸影响。
较佳的，所述发光装置的发光面积为所述凹槽的顶部横截面积的20%以下，形成明显的单点光源。进一步的，优选发光中心与所述发光装置的几何中心重合，可以简化二次光学的处理，例如应用于背光照明时可以缩小透镜尺寸，且有效避免形成眩光。
所述LED芯片的出光角度优选为135°以下，在该出角范围内可以具有较强的轴向光，LED芯片的侧壁出光量很少，一方面可以有效缓解短波光对碗杯的损伤，另一方面可以仅外延叠层的顶表面覆盖波长转换层，简化了波长转换层形成的工艺。进一步的，所述LED芯片优选能够承受大于2A/mm2的电流密度，如此可以于有限的发光区域注入一高电流密度的电流以提高发光效率。
所述LED芯片的第一电极和第二电极可以设置在芯片的同一侧或者相对侧。在一些实施例中，该LED芯片的第一电极和第二电极优选设置于同一侧，并位于半导体叠层的外周边，一方面可以减少第一电极和/或第二电极设置在外延叠层的上方而造成对辐射的遮挡，另一方面，半导体外延叠层产生的热量可以通过基板快速导出，搭配支架可以达到热电分离。
在一些实施例中，所述LED芯片还包括设置于所述半导体外延叠层之上的波长转换层。优选地，该波长转换层具有足够的厚度，使得挡光层的上表面与该波长转换层的上表面齐平，同时可以完全覆盖用于连接LED芯片的电极与支架的焊线区的金属引线。在一个具体的实施样态中，该波长转换层的厚度可以为所述波长转换层的厚度为50~150μm，在该厚度范围内的波长转换层一方面可以足够将半导体外延叠层发射的光线转换为目标波长，另一方面不会因为过厚而产生散热问题。
在一些实施例中，所述波长转换层为仅局部覆盖所述半导体外延叠层，所述挡光层覆盖未被所述波长转换层覆盖的半导体外延叠层的表面，从而形成具有特定形状的发光区域，例如圆形，从而方便搭配特殊需求的光学应用。
所述挡光层填充所述凹槽结构，并覆盖LED芯片的侧表面，其顶表面优选不低于所述LED芯片的出光面，如此可以使得LED芯片出光面射出的光线不会在挡光层的上表面进行反射，形成强的轴向光从而获得明显的点光源。该挡光层可以为具有着色剂的封装胶材，该着色剂可以为白色或者黑色等。在一些实施例中，该发光装置可以用于背光照明或者投影照明等，此时该挡光层优选采用反射性材料层，例如可以采用反光胶（例如白胶），如此在获得高集中的轴向光源的同时，不会降低发光效率。在一些实施例，该发光装置可以应用于RGB显示，此时该挡光层可以采用吸光性材料层，例如可以为采用含碳胶材，这样有利于提升显示对比度。
本发明同时提供另一种发光装置，包括：支架，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表内具有用于安装发光二极管芯片的安装表面，及第一焊线区和第二焊线区，所述第一焊线区和第二焊线区彼此电性隔离；LED芯片设置在所述安装表面上，其发光角度为135°以下，包含基板及形成于所述基板之上的半导体外延叠层、第一电极及第二电极，其中第一电极电连接到第一焊线区，第二电极电连接至第二焊线区；挡光层，位于所述基板的第一表面之上，围绕所述LED芯片进行设置，并覆盖所述LED芯片的侧表面，其上表面不低于所述LED芯片的出光面；并且，所述发光装置的发光面积为所述发光装置的表面的面积的20%以下。
有益效果：本发明所述发光装置可以应用于背光照明、投影照明、车用照明等应用，可以提供有限发光面积的高亮度光源，且有效解决因高功率带来的散热问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是一个侧面剖视图，说明一个习知的发光装置的结构。
图2是一个侧面剖视图，说明一个习知的发光装置的结构。
图3是一个实物照片图，显示图2所述的发光装置点亮的效果图。
图4是一个侧面剖视图，说明本发明实例1的发光装置。
图5是一个侧面剖视图，说明本发明实施例1的发光装置的LED芯片结构。
图6是一个俯视图，说明本发明实施例1的发光装置。
图7是一个实物照片图，显示本发明实施例1发光装置点亮的效果图。
图8是一个侧面剖视图，说明本发明实例2的发光装置。
图9是一个俯视图，说明本发明实施例2的发光装置。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的发光装置进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在以下的说明内容中，类似或相同的组件将以相同的编号来表示。
图4显示了根据本发明实施的一种发光装置。该发光装置包括：支架310、LED芯片320、挡光层330。具体的，支架210包含底部311和侧壁部312，形成凹槽结构，即为碗杯结构，其中底部311的上表面设置有第一焊线区311A、第二焊线区311B和芯片安装区域311C，三者之间彼此电性隔离。LED芯片320安装于支架的安装区311C上，且出光面朝上，其p、n电极通过引线341、342分别连接至支架310的第一焊线区311A和第二焊线区311B。挡光层330填充凹槽内非发光区域，并覆盖LED芯片的部分表面。其中，LED芯片的顶表面S320接近凹槽的开口处，挡光层330基本填平该凹槽结构，即支架的上表面S310、LED芯片的顶表面S320和挡光层的顶表面S330之间的高度差优选为10μm以下，如此可以使得三个表面S310、S320和S330基本位于同一水平面。
图5显示了用于图3所示发光装置的一种LED芯片320的结构，该LED芯片从上到下依次包含：波长转换层3280、外延叠层3210、第一电极3221、第二电极3222、电连接层3240和基板3230。该LED芯片的外延叠层由基板3230支撑，没有生长衬底。在此，“没有生长衬底”表示必要时为了生长而使用的生长衬底被从外延叠层去除或者至少被大大薄化。
具体的，外延叠层3210包含第一半导体层3211、有源层3212和第二半导体层3213，该第一半导体层3211和第二半导体层3213可分别为p型半导体层和n型半导体层。例如，该第一半导体层和第二半导体层可由通过化学式AlxInyGa(1-x-y)N(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表达的氮化物半导体形成，但是不限于此，也可以使用基于GaAs的半导体或者基于GaP的AlGaInP半导体材料。有源层3212可具有基于氮化物的多量子阱结构（MQW），诸如InGaN/GaN、GaN/AlGaN等，但是不限于此，也可以使用其它半导体，诸如Galas/AlGaAs、InGaP/GaP，GaP/AlGaP等。
电连接层3240形成在外延叠层之邻近基板的一侧表面之上，在竖直方向上多层设置，并通过绝缘层3260进行电性隔离。具体的，基板3230与外延叠层3210之间从下到上依次设有第三电连接层3244、绝缘层3260、第一导电导3241和第二电连接层3242，第一电连接层3241通过第三电连接层连接第一半导体层3211和第一电极3221，第二电连接层连接第二半导体层3233和第二电极3222，第三电连接层3243具有朝向外延叠层的第一延伸部3244和第二延伸部3245，第一延伸部3244贯穿了第二半导体层3221、有源层3222，与第一半导体层3211形成电性连接，第二延伸部3245与第一电连接层3241形成电性连接。优选地，第一电连接层3241和第二电连接层3242具有相同的厚度、材料，采用图形化在同一步骤中形成，如此可以具有相有的高度，方便后续制作具有相同高度的第一电极和第二电极。
在一个具体的实施例中，第一电连接层3241与第一电极3221接触的部分、第二电连接层3242与第二电极3222接触的部分为性能较为稳定的Ti、Pt、Au、Cr、TiW合金等材料，位于发光区域下方的第一电连接层3241包含依次对发光区域出光进行反射的高反射性金属材料（例如Ag、Al等）、用于防止前述材料扩散的稳定金属材料（例如Ti、Pt、Au、Cr或TiW等）。第三电连接层3243包含了朝向出光面延伸并与第一半导体层3211连接的延伸部3244，其材料优选包括Al、Cr或者Ag等反射材料。进一步的，该第三电连接层3243与基板3230接触的一侧可以包含结合层，用于结合基板。更佳的，该结合层为金属材料，可以同时作为散热层，从而快速将堆积在第一半导体层的热量引出至基板3230。另一方面，基板3230与外延叠层的整面接触，保证了物理结构的完整性。较佳的，该第三电连接层3243包含了多个朝向出光面延伸的延伸部3244，该多个延伸部3244优选均匀分布，如此具有更佳的电流扩展性和散热特性，适用于大电流密度下的应用。第三电连接层3243与第一半导体层3211的总接触面积优选大于第一半导体层3211面积的1.5%。可以根据需求设计第三电连接层3243与第一半导体层3211的接触面积，例如可以选择2.3%~2.8%、2.8%~4%、或者4%~6%。在一些实施例中，增加第三电连接层3243和第一半导体层3211的直接接触面积，可以解决高功率产品的散热问题，例如大尺寸芯片或者高压芯片等。在一些实施例中，该延伸部3244的直径为15μm以上。尽管保证第三电连接层3243与第一半导体层3211的总接触面积，可以提高散热特性，但如果延伸部3244直径较小的情况下，较细的延伸部3244具有超过线性比例的热阻，因此在一些实施例中，延伸部3244的直径设计为32μm~40μm，其散热效果更佳。作为一种较佳实施方式，当延伸部3244的直径为34μm~36μm时，延伸部3244的数量设置为20~25个。为了降低第二电连接层3242与第二半导体层3213之间的电阻，可以在第二电连接层3242和第二半导体层3213之间增加透明电流扩展层3250。
第一电极3221、第二电极3222位于外延叠层3210的外侧，即第一电极3221、第二电极3222在基板3230表面上的投影位于外延叠层3210的区域外。该第一电极和第二电极通过电连接层3240从外延叠层3210的下表面引出，朝向外延叠层的上表面，从而适于从正侧电接触发光二极管芯片的本体。优选的，第一电极和第二电极的上表面位于同一高度。
基板3230用于支撑外延叠层3210，其厚度优选为50μm以上、200μm以下。在一些实施例，该基板2230的厚度可以为50~100μm，例如90μm；在一些实施例，该基板3230的厚度也可以为100~150μm，例如120μm，或者130μm；在一些实施例中，该基板3230的厚度还可以为150~200μm，例如180μm。在一些实施例中，基板3230可以采用具有良好的散热性材料，例如Si基板、Cu基板或者陶瓷基板，此时电连接层3240分别与散热基板3230和第一半导体层3211连接，构成良好的导热通道，将热量从第一类型半导体层引向散热基板。由于有源层的激发辐射经由第一半导体层射出，热量容易在第一半导体层3211堆积，电连接层3240将热量很好地从第二半导体层引出至散热基板。
在本实施例中，首先，LED芯片的第三电连接层3243与第一半导体层3211的总接触面积大于第一半导体层3211面积的1.5%，增加第三电连接层3243和第一半导体层3211的直接接触面积，同时LED芯片的第一电极3221和第二电极3222位于半导体外延叠层外侧，分别通过引线341和342连接到支架的第一焊线区311A和第二焊线区311B，LED芯片安装于支架的安装区311C，LED芯片产生的热量通过电连接层、基板3230、支架的芯片安装区311C快速导出，实现热、电分离，为高电流密度驱动提供良好基础，特别适用于大于2A/mm2的大电流密度的应用，例如在4A/mm2甚至5A/mm2的高电流密度下，LED芯片产生的热量可以快速从前述导热通道导出，解决了在有限的发光区域注入一高电流密度的电流所带来的散热问题。
波长转换层3280设置于外延叠层3210的表面之上，顶表面即为LED芯片的出光面S320。波长转换层3280吸收从外延叠层3210发射的第一光并至少发射具有与第一峰值波长不同的第二峰值波长的第二光，有源层3212受激发的出光波长范围为350~445nm或者445~480nm。波长转换层3280可以为荧光膜、荧光胶或者荧光陶瓷中的一种或其中任意组合，波长转换层3280主要为荧光膜、荧光胶，则波长转换层3280的厚度范围为50~150~1，波长转换层3280主要为荧光陶瓷时，则波长转换层3280的厚度范围为100~300为m。在一个具体的实施例中，该波长转换层3280为一荧光膜，采用贴膜的方式形成在第一半导体层3211的表面上，其厚度为90~120μm，如此使得挡光层330的上表面与该波长转换层的上表面齐平，同时可以完全覆盖用于连接LED芯片的电极与支架的焊线区的金属引线。
在本实施例，LED芯片320优选采用不透明的散热基板3230，同时在外延叠层与基板之间设置的电连接层优选包括反射层，大幅减小了出光侧壁的面积，其发光角为150°以下，更佳的发光角为小于或者等于135°，例如135~110°，保证了LED芯片发射的光线主要从波长转换层3280的顶表面S320射出，因此可以仅在外延叠层的顶表面覆盖波长转换层，降低了侧壁覆盖带来的问题。
挡光层330填充凹槽内非发光区域，并覆盖LED芯片的侧壁，且顶表面S330优选不低于LED芯片的出光面S320，使得LED芯片出光面射出的光线不会在挡光层的上表面进行反射或者射向支架的侧面，形成强的轴向光。该挡光层330可以为具有着色剂的封装胶材，该着色剂可以为白色或者黑色等。在一些实施例中，该发光装置可以用于背光照明或者投影照明等，此时该挡光层330优选采用反射性材料层，例如可以采用反光胶（例如白胶），如此在获得高集中的轴向光源的同时，不会降低发光效率。在一些实施例，该发光装置可以应用于RGB显示，此时该挡光层330可以采用吸光性材料层，例如可以为采用含碳胶材，这样有利于提升显示对比度。
图6显示了图4所示的发光装置的俯视图，其中中间区域为发光区域，其优选位于该发光装置的几何中心，支架的凹槽内除了发光区域，其余被挡光层330覆盖。图7显示了该发光装置点亮时形成的光源，从图中可以看出，该发光装置形成一个明显的点光源，其面积基本与所述LED芯片的顶表面积等大。优选地，该发光区域的面积为所述凹槽的顶部横截面积的20%以下，更佳为15以下%，如此可以获得较小的光斑，易以进行二次光学处理。在本实施例中，首先LED芯片320配合支架结构能够实现电、热分离，且电连接层通过均匀分布的多个导电连接部连接至第一半导体层，能够在有限的发光区域注入一高电流密度（例如3~5A/mm2）的电流，从而获得一高亮度的小光斑，该光斑不受支架凹槽的尺寸影响，基本与LED芯片的出光面积等大或者更小。
图8和图9显示了另一种发光装置。与图4所示发光装置不同的是，本实施例中波长转换层330仅形成在外延叠层的部分表面上，其形状可能为圆形、环形或者其他形状，具体可以需求设置，从而方便搭配特殊需求的光学应用，挡光层330覆盖未被所述波长转换层覆盖的半导体外延叠层的表面，从而形成具有特定形状的发光区域。在本实施例所述发光装置中，支架上表面的芯片安装区与第二焊线区没有电性隔离，因此较适用于2~4A/mm2的驱动电流密度，如果驱动电流密度需要达到4~5/mm2以上，则优选参考图4所述的支架结构，采用电、热分离的结构。
作为图8所示实施例的一个变形，所述LED芯片的第一电极和第二电极可以位于LED芯片的相对侧。具体的，所述基板3230采用导电基板，第一电极3221可以通过第三电连接层连接至基板3230的背面，可以减少金属引线。
尽管上述实施例所述LED芯片设置有波长转换层330。在另一些实施例中，该波长转换层也可以由绝缘保护层替代，该绝缘保护层由透光性材料构成。
在上述实施例中，所述支架310为碗杯结构，在另一些实施例中，也可以采用平板结构的支架，此时优选在支架的外周边形成一围坝结构，然后该围坝与LED芯片之间形成挡光层，所述围坝的材料可以和挡光层的材料相同，也可以为与挡光层的材料不同。
综上所述，本发明发光装置首先采用小角度的LED芯片（出光角优选为135°以下），具有较强的轴向光，同时在LED芯片的外周边形成挡光层，且该挡光层的上表面不低于所述LED芯片的出光面，使得该发光装置的发光面积不大于所述LED芯片的出光面积。进一步的，控制LED出光面积不超过该发光装置的面积的20%，从而形成单个明显的点光源，简化二次光学的处理。为提升该点光源的功率，可从芯片的背侧（与出光面相反的一侧）形成一系列的电连接部，并协同电连接层、基板形成快速散热通道，为高电流密度驱动提供良好基础。进一步的，可以结合支架实现电热分离，形成超高光亮的单个点光源。
当将上述实施例所述的发光装置可以应用于背光照明时，由于该发光装置的发光面积不超过LED芯片的发光面，形成近似LED芯片的发光面的光源，可以缩小透镜尺寸从而缩短混光距离（即腔距OD）至15mm以下。在一个具体的实施例中，一个背光发光设备采用前述发光装置，其腔距OD为10mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种发光装置，其特征在于：包括：
支架，具有相对的第一表面和第二表面，设置有始起所述第一表面并沿厚度方向延伸的凹槽，所述凹槽内具有用于安装LED芯片的芯片安装区，及第一焊线区和第二焊线区，所述芯片安装区、第一焊线区和第二焊线区彼此电性隔离；
LED芯片，设置在所述芯片安装区的表面上，包含基板、依次形成于所述基板之上的反射层和半导体外延叠层、及位于所述半导体外延叠层的外侧的第一电极及第二电极，其中第一电极电连接到第一焊线区，第二电极电连接至第二焊线区；
挡光层，填充所述凹槽内非发光区域，并覆盖所述LED芯片的侧表面。
2.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述LED芯片的顶表面接近所述凹槽的开口处。
3.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述挡光层基本填平该凹槽结构。
4.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述LED芯片的顶表面、所述支架的第一表面和所述挡光层的顶表面基本位于同一平面。
5.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述发光装置的发光面积小于或者等于所述LED芯片的顶表面的面积。
6.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述发光装置的发光面积为所述发光装置横截面之面积的20%以下。
7.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述LED芯片还包括一位于所述半导体外延叠层之上的波长转换层，所述波长转换层的厚度为50~150μm。
8.根据权利要求7所述的一种发光装置，其特征在于：所述波长转换层为仅局部覆盖所述半导体外延叠层，所述挡光层覆盖未被所述波长转换层覆盖的半导体外延叠层的表面。
9.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述挡光层为反光层或者吸光层。
10.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述挡光层的上表面不低于所述LED芯片的出光面。
11.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述发光装置的驱动电流密度大于2A/mm2。
12.一种发光设备，包括至少一个根据上述权利要求1~11中任一项所述的发光装置。
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