TWI504028B - 發光裝置 - Google Patents

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TWI504028B
TWI504028B TW099116190A TW99116190A TWI504028B TW I504028 B TWI504028 B TW I504028B TW 099116190 A TW099116190 A TW 099116190A TW 99116190 A TW99116190 A TW 99116190A TW I504028 B TWI504028 B TW I504028B
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light
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Hwa Su
Hsi Yan Chou
Chih Wei Huang
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Interlight Optotech Corp
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Description

發光裝置
本申請案主張2010年5月17日所申請之名為「Light emitting device」之美國申請案第12/781,194號及2009年5月20日申請之名為「Light emitting device」之美國申請案第61/180,065號之優先權之權利，其等之內容以引用之方式併入本文中。
本發明係關於發光裝置且更明確地說係關於此等裝置之封裝配置。尤其，雖然不是專有的，本發明係關於包含一或多個磷光體(光致發光)材料以產生一所欲之發散結果色彩之發光裝置。此外本發明之實施例涉及但不限於產生白光之裝置，本發明之實施例涉為基於發光二極體(LED)之用於具有一高發散強度(即，大於500流明之一光通量)之一般照明應用。
本技術中已知白發光二極體(「白LED」)且其等為一相對較近之創新。直到在電磁光譜之藍光/紫外線部分之LED發射被發展才使得發展基於LED之白光源變得實際。如例如美國專利第5,998,925號中所教示，白LED包含一或多個磷光體材料，也就是說光致發光材料，磷光體材料吸收由該LED發射之一部分輻射且重新發射一不同色彩(波長)之輻射。通常，該LED晶片產生藍光且該(等)磷光體材料吸收一個百分比之藍光且重新發射黃光或綠光及紅光之一組合、綠光及黃光之一組合或黃光及紅光之一組合。由該 LED產生且不由該磷光體材料吸收之藍光部分與該磷光體材料發射之光組合而提供光，該光對人眼呈現為接近白色。
當前非常關注使用高亮度白LED作為習知白熾燈泡、鹵素反射燈及螢光燈的能源有效替代。利用LED之大部分照明裝置包括複數個LED替代習知光源組件之配置。關於此等現存發光裝置，尤其意欲用於一般照明之通常需要500流明或更大之一發射光通量(即，通常5W至10W之一輸入功率)的白光發光裝置，白光發光裝置之一問題是熱管理，且尤其充分散逸由此等裝置產生之熱。一進一步之問題為該磷光體材料隨時間之熱降解，其可導致在該裝置發射之光的相關色彩溫度(CCT)及/或光通量上的一相當大變化。通常該封裝之裝置安裝於一散熱片或其他大熱質量上以散逸熱。然而，該封裝之熱阻抗可使其難以充分從該等LED晶片(晶粒)經過該封裝傳送熱，該封裝通常由一電絕緣材料加工，諸如一高溫聚合物或陶瓷。
一白LED封裝之一實例揭示於Chou等人之同在申請中之美國專利申請公開案第US 2009/294780A1號(2009年12月3日發佈)中。圖1中展示此一封裝之一示意截面圖。該白光發光裝置10包括一方形陣列之基於藍光(即，波長400奈米至480奈米)表面發射InGaN/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)之發光二極體(LED)晶片12，其封裝於一高溫封裝14中，諸如例如一低溫共燒陶瓷(LTCC)封裝。該封裝14在一上表面中具有一方形陣列之圓形凹部(杯)16，該等凹部(杯)16之 各者經組態以接收一各自之LED晶片12。該封裝14進一步包括定義每個凹部16之底部上之電接觸墊之導電軌道18的一圖案及一熱傳導安裝墊20。該安裝墊20藉由一陣列之熱傳導導通體24而與該封裝之基底上之一對應安裝墊22熱連接。該封裝14進一步包括該封裝之基底上之用於提供電力至該裝置之電連接器26、28。每個LED晶片12使用例如一熱傳導粘合劑或共晶焊接而安裝至一各自凹部16之該安裝墊20。在該LED晶片12之上表面上之電極接觸點藉由接合線30而電連接至該凹部之底部上之一對應電接觸墊上，且用一透明聚合物材料32完全填充每個凹部16，通常為一矽銅，其用一粉末狀之磷光體材料34負載以確保該LED晶片12之暴露的表面由該磷光體/聚合物材料之混合物蓋住。為增強該裝置之發散強度(光通量)，將該凹部之壁傾斜，使得每個凹部包括一反射鏡。雖然此一裝置封裝同時在電氣上及熱量上良好地執行(即，熱阻抗通常為8℃/W至10℃/W)，此等封裝的加工相對較昂貴，此可限制對於成本效益之應用。
另一封裝配置包括將該LED晶片直接安裝於一金屬芯印刷電路板(MCPCB)上且接著用一磷光體囊封將該LED晶片囊封。此一組態通常稱為一板上置晶片(COB)配置。如吾人所知，一MCPCB包括一分層結構，其包括一熱傳導基底，通常為鋁，一電非傳導/熱傳導介電層及通常由銅製成之電傳導電路層。該介電層非常薄，使得其等可將熱從安裝於該電路層上之組件傳導向該基底。如Li等人之名為 「Light emitting devices with phosphor wavelength conversion and methods of manufacture thereof」(於2010年1月19日申請)之同在申請中之美國專利申請案序號第12/689,449號中所揭示，該磷光體囊封可以一大體上保角之塗層的形式，該塗層成型於該LED晶片上。或者，如Li等人之名為「Light emitting devices with phosphor wavelength conversion」(於2009年12月16日申請)之同在申請中之美國專利申請案序號第12/639,688號中所揭示，該磷光體材料可提供於一光透射半球殼之一內表面上，該光透射半球殼安裝於該LED晶片之上以形成一濕度/氣體緊密外殼。將該磷光體材料合併至一半球透鏡內亦為已知的，該半球透鏡藉由例如模製而形成於該LED晶片之上。同時一MCPCB之熱阻抗相當好，且可為低至1.5℃/W，此一封裝配置之成本(尤其將磷光體材料施加至個別LED晶片之成本)在高度競爭的成本意識的一般照明領域可為過分昂貴的。此外用此一封裝配置可為難以生產具有一種一致CCT之裝置。
亦已提出將一陣列之LED晶片安裝於一MCPCB上且接著用一磷光體塗層將該整個陣列之LED晶片囊封，該磷光體塗層含於一週邊框架內(例如一圓形環狀框架)，該週邊框架內安裝至該MCPCB，諸如包圍該陣列之LED。雖然具有一單一凹部之一封裝易於加工，但此一配置需要額外磷光體材料以填充鄰近晶片之間之區域，且此磷光體材料對於一表面發射之LED晶片貢獻很少的光的產生或不貢獻光產 生。咸信該額外磷光體材料可吸收光且減少該等裝置之總體光發散。初始之測試建議對比於在一各自腔內容納相同數目之LED晶片之各者的一封裝的發光效率(例如70lm/W至80lm/W)，具有容納許多LED晶片之一單一凹部之一封裝具有一較低發光效率(例如50lm/W至55lm/W)。此外，咸信該磷光體材料之熱降解可能在一單一凹部容納多個LED晶片之一裝置中更高。
對於具有能與一MCPCB對比之一熱阻抗且容易應用一或多個磷光體材料的一較不昂貴之發光裝置封裝仍然存在一需求。
本發明努力提供用於具有良好熱特徵之一發光裝置之一封裝配置，尤其對於產生具有至少500流明之一光通量之光之LED晶片適宜的一低熱阻抗。
根據本發明，一發光裝置包括：複數個LED晶片，該複數個LED晶片可操作以產生具有在一第一波長範圍內之一主波長的光；及用於容納該等晶片之一封裝，其中該封裝包括：其上安裝LED晶片之一熱傳導基板；及具有複數個通孔的一蓋，其中每個孔對應於該等LED晶片之一各自一者，且其中該等孔經組態使得當該蓋安裝於該基板上時，每一孔與該基板協力定義一凹部，在該凹部中容納一各自LED晶片。有利地，該封裝具有小於5℃/W且更佳者小於2℃/W的一熱阻抗。
為使該裝置產生具有一選擇之相關色彩溫度(CCT)之一 所欲色彩之光或白光，可用至少一個磷光體材料及一光透射材料之一混合物至少部分地填充每個凹部。該至少一個磷光體材料經組態以吸收由該等LED晶片發射之至少一部分光，且發射具有在一第二波長範圍內之一主波長的光。通常，該裝置之發散結果呈現白色且包括該第一波長範圍及該第二波長範圍之光之一組合。或者，該裝置之發散結果可包括由該至少一個磷光體材料產生之光。對比於一單一凹部用於容納一陣列之LED晶片的已知封裝，對於每個LED晶片提供一各自之凹部提供減少所需磷光體材料之量的好處。此外，已發現此一封裝具有對比於已知封裝而言已改良之一亮度。通常，該蓋為基本上平面的且可使用一可撓性刀片(諸如一刮刀、刮漿板或類似物)藉由在該腔蓋之表面上拂掠(拖拽)該磷光體/聚合物之混合物而方便地填充該等凹部。此一方法之一好處在於其消除分配一測量之量的磷光體至每個凹部內的需要，且藉此減少成本。
依據加工，該蓋可安裝至該基板，且該等LED晶片接著安裝至該基板之一各自凹部內。或者該等LED晶片可被安裝且電連接至該基板且該蓋接著安裝至該基板。此一構造啟用於一基本平面之基板上實行該等LED晶片之安裝及連接，允許使用板上置晶片(COB)加工技術。
為最小化該封裝之熱阻抗且最大化熱的散逸，該基板具有儘可能高的一熱傳導率，且較佳地大約至少200Wm-1K-1。該基板較佳地為一金屬，有利地為銅或銅合金，儘管其可包括其他金屬或合金，諸如鋁、鋁合金、鎂合金，或熱傳 導陶瓷，諸如鋁矽碳化物(AlSiC)或碳合成物。
有利地，該蓋亦由一良好熱導體且具有一熱傳導率為至少150Wm-1K-1且較佳地為至少200Wm-1K-1的一材料製成。此一蓋可提供該磷光體材料的散熱且減少該磷光體材料之潛在熱降解。該蓋較佳地包括一金屬，有利地為銅或一銅合金，儘管其可包括其他金屬或合金，諸如鋁、鋁合金、鎂合金，或熱傳導陶瓷，諸如鋁矽碳化物(AlSiC)或碳合成物。
在意欲使該等LED晶片具有一「側向」傳導結構的一配置中，其中LED電極之兩者位於相同面上，通常為一表面發射LED之發光表面，該裝置進一步包括安裝於該基板上之一電路配置，該電路配置具有複數個通孔，該複數個通孔經組態使得每個晶片直接安裝至該基板。在此說明書中「直接安裝」意味著以直接熱傳達安裝而沒有居間層，且包含將該等晶片焊接至該基板。每個LED晶片使用例如接合線而電連接至該電路配置。該電路配置較佳地包括一印刷電路板(PCB)，諸如一FR-4 PCB。此封裝配置之一特殊優點為用一高熱傳導率之基板以直接熱傳達而安裝每個LED晶片，且對比於已知解決方案，此提供一非常低之熱阻抗及改良之晶片散熱。再者，使用上覆該等晶片之一電路層以提供該等LED晶片之電連接確保從該基板的完全電隔離。此對於意欲用於一般照明中之裝置係有利的，該等裝置通常要求從110V或220V之高電壓交流電供應操作。
在一替代之封裝配置中，對於具有一「垂直」傳導結構 之LED晶片，其中該等LED電極位於該晶片之相反面，該等LED晶片安裝於且電連接至該基板之表面上的一電路配置。在此配置中該等LED晶片不直接安裝於該基板。該電路配置較佳地包括一電絕緣熱傳導層，其在其之一表面上具有電導體之一配置，且每個LED晶片安裝至一電導體。該熱傳導率層較佳地包括類金剛石碳(DLC)，亦稱為「非晶碳」或「非晶金剛石」。該DLC係較佳地以一薄膜形式(通常厚度為5微米至50微米)且可使用例如化學汽相沈積而沈積於該基板上。
為聚焦或以別的方式引導光發散，該裝置可進一步包括一光學組件，通常為一透鏡，其上覆一或多個凹部。該等透鏡可以個別組件之形式或以一陣列之形式整合。
根據本發明之一另一態樣，一發光裝置包括：一熱傳導基板；複數個LED晶片；安裝於該基板上之一電路配置，其中該電路配置具有經組態使得每個晶片直接可安裝至該基板的複數個通孔；具有複數個通孔的一蓋，其中每個孔對應於該等LED晶片之一各自一者，且其中該等孔經組態使得當該蓋安裝於該電路配置時，每個孔與該電路配置協力定義一凹部，在該凹部中容納一各自之LED晶片；且其中用至少一個磷光體材料及一光透射材料之一混合物至少部分填充每個凹部，該至少一個磷光體材料經組態以吸收該第一波長範圍之至少一部分之光，且發射具有在一第二波長範圍內之一主波長的光。
根據本發明之一進一步態樣，一發光裝置包括：一熱傳 導基板；複數個LED晶片；一電路配置，其包括一電絕緣熱傳導層，該層在其之一表面上具有電導體之一配置，且其中每個LED晶片安裝至一電導體上；具有複數個通孔的一蓋，其中每個孔對應於該等LED晶片之一各自一者，且其中該等孔經組態使得當該蓋安裝於該電路配置時，每個孔與該電路配置協力定義一凹部，在該凹部中容納一各自之LED晶片；且其中用至少一個磷光體材料及一光透射材料之一混合物至少部分填充每個凹部，該至少一個磷光體材料經組態以吸收該第一波長範圍之至少一部分之光，且發射具有在一第二波長範圍內之一主波長的光。
根據本發明之又一進一步態樣，對於一發光裝置提供一封裝，該發光裝置包括複數個LED晶片，該複數個LED晶片可操作以產生一第一波長範圍之光；該封裝包括：一熱傳導基板，可於其上安裝該等LED晶片；及具有複數個通孔的一蓋，其中每個孔對應於該等LED晶片之一各自一者，且其中該等孔經組態使得當該蓋安裝於該基板時，每個孔與該基板協力定義一凹部，在該凹部中容納一各自之LED晶片。
本發明之封裝較佳地具有小於5℃/W且更佳地小於2℃/W的一熱阻抗。
為更好理解本發明，現在將僅藉由實例參考附圖而描述本發明之實施例。
本發明之實施例涉及包含一或多個磷光體材料以產生一 所欲色彩之光的發光裝置之封裝配置，通常該所欲色彩之光為具有一選擇之CCT的白光。在此說明書中相似之參考數字用於表示相似之部件。
從一封裝之角度來看，LED晶片(晶粒)可廣泛地分類成側向導電及垂直導電。圖2a及圖2b分別係「側向」及「垂直」傳導表面發射GaN(氮化鎵)LED晶片結構之簡化示意性代表圖。
如已知，一「側向」傳導LED晶片50a依次包括一背板52a、一基板54a(通常為藍寶石)、一n型GaN層56a及一p型GaN層58a(圖2a)。正(+)電極接觸點60a及負(-)電極接觸點62a分別提供於該等p型層58a及n型層56a之暴露之表面上。該LED晶片50a藉由施加電力至該正電極接觸點及該負電極接觸點而操作。如圖2a中所展示，在該等電極接觸點之間以一大體上側向的方向在一「側向」LED晶片結構內發生電傳導64a。總之在一「側向」傳導LED晶片中該等電極接觸點及該負電極接觸點兩者位於相同面上，通常為該晶片之發光面。
類似地，一「垂直」傳導LED晶片50b依次包括一正電極平面60b、一導電基板54b、一p型GaN層58b及一n型GaN層56b(圖2b)。在一「垂直」傳導結構中該負電極62b接觸點提供於該n型層56b之上表面且在該等電極接觸點之間以一大體上垂直之方向發生電傳導64b。因此在一「垂直」傳導LED晶片中該正電極接觸點及該負電極接觸點位於該晶片之相反面。
由於不同之電極接觸點組態，對於基於「側向」及「垂直」傳導LED晶片之發光裝置需要不同之封裝配置。
具有「側向」傳導LED晶片之發光裝置
現在將參考圖3、圖4及圖5描述根據本發明之一第一實施例之一發光裝置100，其中圖3係該裝置之一透視圖，圖4係展示該裝置之構造的一分解透視圖，且圖5係經過圖3之一線A至A的一示意性截面圖。為易於理解，在圖3及圖4中不展示磷光體材料。該裝置100經組態以產生一選擇之CCT(例如5500K)及大約600流明之一光通量(約12W輸入功率)之白光。
該裝置100係具有一分層(層壓)之構造且包括三層：一熱傳導基底(基板)102、一電路層104、一腔蓋106及一陣列之透鏡108(注意：該等透鏡108在圖3中省略)。該裝置進一步包括二十四個500mW之基於藍光(即，主波長在400奈米至480奈米的一範圍內)表面發射「側向」傳導InGaN/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)之LED晶片50a，該等LED晶片50a以一方形陣列配置，五列乘以五行，其中中心位置110留下，用於另一組件，諸如一熱電偶(未展示)。儘管該裝置100展示為包括一方形陣列之LED晶片50a，應瞭解本發明之裝置適用於其他LED晶片組態(例如六邊封閉包裝)及LED晶片之數目，取決於所需之發散強度(光通量)。
該熱傳導基底102包括具有儘可能高之一熱傳導率的一材料，通常大約至少200Wm-1K-1，以最佳化將熱傳導至該基底之下面。一般該基底102可包括一金屬且較佳地為 銅(Cu)，其熱傳導率為400Wm-1K-1。或者，該基底102可包括銅合金、鋁(250Wm-1K-1)、陽極氧化鋁、鋁的合金、鎂合金或可能為熱傳導陶瓷，諸如例如鋁矽碳化物(AlSiC)(170Wm-1K-1至200Wm-1K-1)或碳合成物。每個LED晶片50a藉由該基底102之基底板52a而直接安裝於該基底102且與該基底有良好熱傳達，該基底板52a藉由用例如一金錫共晶焊料而焊接，該焊接使用一焊料膏(例如一錫或銀焊料膏)或使用一負載金屬之環氧樹脂(諸如一負載銀之環氧樹脂)。將該等LED晶片(晶粒)52a附接至該基底之其他方式將對於熟習此項技術者而變得顯而易見。在此說明書中「直接安裝」意味著以直接熱傳達之安裝，沒有居間層。
該電路層104較佳地包括一印刷電路板(PCB)，諸如例如一FR-4(阻燃物-4)PCB且包含一方形陣列之圓形通孔112，該等通孔經組態使得每個通孔112對應於該等LED晶片50a之一各自一者。該等通孔112之尺寸經選擇使得當該電路層104安裝至該基底102時，每個通孔112與該基底102協力定義用於容納一各自之LED晶片50a的一圓形凹部。如最佳見於圖4中，電導體114之一圖案提供於該PCB 104之一上表面，該圖案定義以一所欲電路組態電連接該等LED晶片50a的一電路組態。對於已描述之此實施例，該電路層經組態使得該等LED晶片50a在正(+)電連接墊116與負(-)電連接墊118之間電互連成為四個平行串聯串，其中每一串包括六個串聯連接之LED晶片。該等電連接墊亦位於該 PCB 104之上表面。對於19.1V至20.4V的一裝置驅動電壓VF，此一電路組態導致跨每個LED晶片之3.2V至3.4V的一正向電壓降。在每個LED晶片50a上之正電極接觸點60a及負電極接觸點62a藉由一或多個接合線120(參見圖5)而電連接至該PCB上的一對應導體114。
該腔蓋106以大體上平面之形式，且具有一方形陣列之圓形通孔122，該等通孔經組態使得每個通孔122對應於該等LED晶片50a之一各自一者。一般而言，每個通孔122與該電路層104中之一對應通孔112共軸。該等通孔122之尺寸經選擇使得當該腔蓋106安裝於該電路層104上時，每個通孔122定義圍繞一各自之LED晶片50a及接合線120的一淺圓形凹部(杯)。該腔蓋106較佳地包括具有儘可能高之一熱傳導率的一熱傳導材料，通常大約至少150Wm-1K-1，且較佳地大約至少200Wm-1K-1。該蓋可為一電絕緣材料或導電材料，且可包括一金屬，諸如銅(Cu)、銅合金、鋁、陽極氧化鋁、鋁之合金、鎂合金，熱傳導陶瓷，例如鋁矽碳化物(AlSiC)、碳合成物或高溫聚合物材料。每個通孔122之壁可傾斜且可包含一光反射表面，諸如銀、鋁或鉻之一金屬化層。已將該等LED晶片50a安裝至該基底102，且已將各者電連接至該電路層104，則將該腔蓋106安裝至該PCB。或者，可將該蓋安裝至該基板且接著將該等LED晶片安裝至一各自之凹部中。
接著用一或多個磷光體材料及一光透射(透明)材料124之一混合物填充每個凹部(杯)，該光透射材料通常為一液 體聚合物，諸如一矽銅或一環氧樹脂。光透射聚合物材料之實例可包含Shin-Etsu MicroSi,Inc的可撓性矽銅KJR-9022及GE的熱可固化矽銅RTV615。因為該腔蓋106基本上為平面，可藉由在該腔蓋之表面上使用一可撓性刀片(諸如刮刀、刮漿板或類似物)而拂掠(拖拽)該磷光體/聚合物之混合物而方便地填充該等凹部。此一方法之一好處在於其消除分配一測量之量的磷光體至每個凹部內的需要且減少成本。或者磷光體/聚合物之混合物的一測量之量可分配至每個腔中。該磷光體材料對聚合物材料之重量負載通常在每100之10至50的部分之一範圍中，且取決於該裝置之目標發散色彩/CCT。有利地，該光透射聚合物經選擇使得其折射率n儘可能接近於該等LED晶片50a之折射率。例如，一InGaN/GaN LED晶片之折射率為n2.4至2.5，同時一高折射率之矽銅具有一折射率為n1.2至1.5。因此實際上該聚合物材料通常具有一折射率n1.2。一高折射率聚合物之使用可藉由提供折射率匹配之一程度而增加從該等LED晶片50a之光發散。一各自之透鏡108接著可安裝於每個凹部122之上以聚焦或以別的方式引導來自該裝置100之發散結果。該等透鏡108由一光透射玻璃或聚合物材料(諸如一矽銅或聚碳酸酯)加工，且可以個別透鏡或一陣列之透鏡之形式。
本發明之該封裝配置之一特定優點為因為以直接與一高熱傳導率基底熱傳達而安裝每個LED晶片，此導致具有一低熱阻抗的一封裝。再者，使用上覆該等晶片之一電路層 以提供該等LED晶片之電連接，確保從該基底完全電隔離。此對於意欲用於一般照明中之裝置係有利的，該等裝置通常要求從110V(例如北美)或220V(例如歐洲)之交流電供應操作。再者，對比於一單一凹部用於容納一陣列之LED晶片之已知封裝，對於每個LED晶片具有一各自之凹部122提供減少所需之磷光體材料之量的好處。此外，對比於具有相同量之磷光體材料及相同數目之LED晶片之已知封裝，發明人已發現此一封裝具有一增加之亮度(發光效率)。再者，當該蓋由一良好熱導體之一材料製成時，此一蓋可提供該磷光體材料之散熱且減少該磷光體材料之潛在熱降解。此外，一單獨腔蓋106之使用啟用在一基本上平面之基板上實行該等LED晶片之安裝及連接，允許使用板上置晶片(COB)加工技術。或者，該蓋可安裝至該基板且該等LED晶片接著安裝至該基板之一各自凹部內。
圖6a及圖6b係對於正向驅動電流IF為a)480mA以及b)600mA之根據本發明之具有「側向」傳導LED晶片的用於一600流明發光裝置100之該二十四個LED晶片50a之各者的經測量溫度(表面溫度)。在此等圖式中之數字係實際LED晶片之表面溫度。表1展示根據本發明之正向驅動電流IF為480mA及600mA的600流明之發光裝置之熱資料。用安裝於一靜止空氣外殼內(尺寸為600×600×600mm)之一60×60×38mm之陽極氧化鋁散熱片(總表面積82,302mm2)上之該裝置100而測量該等熱資料。
在表1中，Tmin、Tmax及Tmean分別為LED晶片表面溫度之 最小值、最大值及平均值，σ係LED晶片表面溫度之標準偏差，TC係中心腔110之溫度，△T係平均晶片溫度Tmean之間之溫度差，且Ta係周圍溫度。表1指示該封裝之熱阻抗RJC為大約1.2℃/W至1.4℃/W。為了對比，一陶瓷(例如LTCC)封裝通常具有大約8℃/W至10℃/W的一熱阻抗，且一塑膠封裝具有大約15℃/W的一熱阻抗。相應地，本發明之封裝具有可與一COB配置對比的一熱阻抗，在該COB配置中該等LED晶片安裝於一MCPCB之表面上。計算指示該聚合物囊封之熱阻抗為大約240℃/W。
表2及表3給出根據本發明之分別具有5500K及2700K之標稱CCT之600流明之發光裝置之發散資料。資料為對於具有或不具有透鏡108之正向驅動電流IF為480mA及600mA之裝置而給定。
具有「垂直」傳導LED晶片之發光裝置
現在將參考圖7、圖8及圖9描述根據本發明之一第二實施例之一發光裝置100，其中圖7係該裝置之一透視圖，圖8係展示該裝置之構造的一分解透視圖，且圖9係經過圖7之一線A至A的一示意性截面圖。該裝置100經組態以產生一選擇之CCT及大約1000流明之一光通量(約21W輸入功率)之白光。
與上文所描述之裝置一樣，該裝置100包括三層：一熱傳導基底102、一電路層104、一腔蓋106及一陣列之透鏡108。該基底102包括具有儘可能高之一熱傳導率之一材料(通常大約至少200Wm-1K-1)，諸如一金屬且較佳地由銅製成。在此實施例中該電路層104包括一電絕緣、熱傳導膜126(沈積於該基底102上)，接著在其上形成電導體114之一圖案。較佳地該熱傳導膜126包括一類金剛石碳(DLC)，亦已知為「非晶碳」或「非晶金剛石」，其已知為可具有可對比於一金屬之一熱傳導率之一電絕緣體。通常該DLC膜126為具有大約5微米至50微米之一厚度，且使用例如CVD(化學汽相沈積)而沈積於該基底102上。該等電導體114較佳地包括一層銅128(沈積於該DLC膜126上)。在繪示之該實例中，該裝置包括十六個1.3W之基於藍光(即，波長400奈米至480奈米)表面發射「垂直」傳導InGaN/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵)之發光二極體(LED)晶片50b，該等發光二極體(LED)晶片50b以一方形陣列配置，四列乘以四行。
每個LED晶片50b憑藉其正電極平面60b藉由用例如金錫共晶焊料焊接而安裝於且電連接至一各自之電導體114，該焊接使用一焊料膏(例如錫或銀焊料膏)或使用一負載金屬之環氧樹脂(諸如一負載銀之環氧樹脂)。如最佳見於圖7中，電導體114之該圖案經組態以給每個LED晶片提供儘可能大之一表面積以經過該膜126而最大化至該基底102中之熱散逸，該等導體一般以矩形的形式。在所展示之該實 例中該等LED晶片50b在正(+)電連接墊116及負(-)電連接墊118之間互連成四個平行串，其中每一串包括四個串聯連接之LED晶片。對於大約14.3V至14.8V的一裝置驅動電壓VF，此一電路組態導致跨每個LED晶片之3.5V至3.7V的一正向電壓降。如圖7及圖8中所展示，每個LED晶片50b之負電極接觸點62b藉由一或多個接合線120而電連接至一對應導體114。
如在該第一實施例中，該平面腔蓋106具有一方形陣列之圓形通孔122，該等圓形通孔122經組態使得每個通孔122對應於該等LED晶片50b之一各自一者。該等通孔122之尺寸經選擇使得當該腔層106安裝於該電路層104上時，每個通孔122定義圍繞一各自LED晶片50b的一圓形凹部(杯)。每個通孔122之壁可如所展示傾斜且包含一光反射表面，諸如銀、鋁或鉻的一金屬化層。傾斜之角度可經選擇以最大化光發散且給出一所欲之發散圖案，且通常為對該蓋之面的30°至60°之一範圍內。已將每個LED晶片50b安裝至一各自之導體114且將各者電連接至該電路層104，將該腔層106安裝至該電路層104。該腔蓋106較佳地包括具有儘可能高之一熱傳導率的一熱傳導材料，通常大約至少150Wm-1K-1，且較佳地大約至少200Wm-1K-1。該腔蓋可為一電絕緣或一導電材料且可包括一金屬，諸如銅(Cu)、銅合金、鋁、陽極氧化鋁、鋁之合金、鎂合金，熱傳導陶瓷，諸如例如鋁矽碳化物(AlSiC)或碳合成物或高溫聚合物材料。
最後每個凹部122可用一或多個磷光體材料及一光透射(透明)材料124之一混合物裝入(填充)，該光透射材料通常為一聚合物，諸如一矽銅或一環氧樹脂。該至少一個磷光體材料對聚合物材料之重量負載通常在每100之10至50重量份之一範圍中，且取決於該裝置之目標發散色彩/CCT。
如所示，一各自之透鏡108可接著安裝於每個凹部122之上以從該裝置聚焦或以別的方式引導該發散之結果。
表IV展示根據本發明之具有3000K之一標稱CCT之「垂直」傳導LED晶片之一1000流明之發光裝置之測量的發散資料。對於具有該等透鏡108及沒有該等透鏡108之裝置給出資料。
在本發明之裝置中，根據任一實施例(即基於「側向」或「垂直」LED傳導晶片之實施例)，一旦該等LED晶片已安裝且連接至該電路層，該腔蓋106較佳地附接至該電路層104。此可使該裝置之加工更容易，因為該等LED晶片安裝於一大體上平面之基板上，啟用使用自動之板上置晶片(COB)加工技術。再者，對比於每個腔容納許多LED晶 片之已知裝置，一單獨之腔蓋啟用容易之透鏡附接且亦減少所需之磷光體材料之量。此外，使用熱傳導之一腔蓋提供該磷光體材料之散熱，且減少該磷光體材料之潛在之熱降解。
本發明之裝置適宜於任意以一粉末形式之磷光體材料，且可包括一無機或有機磷光體，諸如例如一般之組合物A3Si(O,D)5或A2Si(O,D)4之基於矽酸鹽之磷光體，其中Si為矽、O為氧、A包括鍶(Sr)、鋇(Ba)、鎂(Mg)或鈣(Ca)，且D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基於矽酸鹽之磷光體之實例揭示於同在申請中之美國專利申請公開案第US 2007/0029526 A1號及美國專利第US 7,311,858 B2號、第US 7,575,697 B2號及第US 7,601,276 B2號，其等之各者之內容以引用之方式併入本文。
如US 7,575,697 B2中所教示，一銪(Eu2+)活化之基於矽酸鹽之綠磷光體具有一般化學式(Sr,A1)x(Si,A2)(O,A3)2+x：Eu2+其中：A1為一2+陽離子、1+及3+陽離子之一組合之至少一者，諸如例如Mg、Ca、Ba、鋅(Zn)、鈉(Na)、鋰(Li)、鉍(Bi)、釔(Y)或鈰(Ce)；A2係一3+、4+或5+陽離子，諸如例如硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、碳(C)、鍺(Ge)、N或磷(P)；且A3係一1-、2-或3-陰離子，諸如例如F、Cl、溴(Br)、N或S。寫該化學式以指示該A1陽離子替代Sr；該A2陽離子替代Si且該A3陰離子替代氧。x之值為介於1.5與2.5之間之一整數或非整數。
US 7,311,858 B2揭示一基於矽酸鹽之黃綠磷光體(具有 一化學式A2SiO4：Eu2+ D)，其中A為二價金屬(包括Sr、Ca、Ba、Mg、Zn或鎘(Cd))之至少一者；且D為一摻雜物，包括F、Cl、Br、碘(I)、P、S及N。該摻雜物D可以從約0.01莫爾至20莫爾百分比之範圍中之一量而存在於該磷光體中，且至少一些摻雜物替代氧陰離子以變得合併至該磷光體之晶格中。該磷光體可包括(Sr1-x-yBaxMy)SiO4：Eu2+D，其中M包括Ca、Mg、Zn或Cd且其中0x1且0y1。
美國專利第7,601,276 B2號教示一兩相之基於矽酸鹽之磷光體，其具有一大體上與(M1)2SiO4相同之晶體結構之一第一相；及具有一大體上與(M2)3SiO5相同之晶體結構之一第二相，其中M1及M2之各者包括Sr、Ba、Mg、Ca或Zn。至少一個相用二價銪(Eu2+)活化，且該等相之至少一者含有包括F、Cl、Br、S或N之一摻雜物D。咸信至少一些之該等摻雜物原子位於該基質矽酸鹽晶體之氧原子晶格部位。
US 2007/0029526 A1揭示一基於矽酸鹽之橙磷光體，其具有化學式(Sr1-xMx)yEuzSiO5，其中M為二價金屬(包括Ba、Mg、Ca或Zn)之至少一者；0<x<0.5；2.6<y<3.3；且0.001<z<0.5。該磷光體經組態以發射具有大於約565奈米之一峰值發散波長之可見光。
該磷光體亦可包括一基於鋁酸鹽之材料，諸如同在申請中之美國專利申請公開案第2006/0158090 A1號及美國專利第US 7,390,437 B2號中所教示，或一鋁矽酸鹽磷光體， 如同在申請中之美國專利申請公開案第US 2008/0111472 A1中所教示，其等之各者之內容在此以引用之方式併入本文。
Wang等人之US 2006/0158090 A1教示一基於鋁酸鹽之綠磷光體(化學式M1-xEuxAlyO[1+3y/2])，其中M為二價金屬(包括Ba、Sr、Ca、Mg、錳(Mn)、Zn、銅(Cu)、Cd、釤(Sm)或銩(Tm)之至少一者且其中0.1<x<0.9且0.5y12。
US 7,390,437 B2揭示一基於鋁酸鹽之藍磷光體，其具有化學式(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]，其中M為二價金屬Ba或Sr之至少一者。在一組合物中，該磷光體經組態以吸收以一波長範圍從約280奈米至420奈米之輻射，且發射具有一波長範圍從約420奈米至560奈米之可見光，且0.05<x<0.5或0.2<x<0.5；3y12且0.8z1.2。該磷光體可進一步用一鹵素摻雜物H摻雜，諸如Cl、Br或I且組合物通式為(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]：H。
Liu等人之US 2008/0111472 A1教示一鋁矽酸鹽橙紅磷光體，其具有混合之二價及三價陽離子，一般化學式為(Sr1-x-yMxTy)3-mEum(Si1-zAlz)O5，其中M為從Ba、Mg或Ca中選擇之至少一個二價金屬且為範圍從0x0.4之一量；T為從Y、鑭(La)、Ce、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、Sm、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、Tm、鐿(Yt)、鑥(Lu)、釷(Th)、鏷(Pa)或鈾(U)中選擇之三價金屬且為範圍從0y0.4之一量，且z及m在0z0.2及0.001m0.5之一範圍內。該磷光體經組態使得該鹵素殘留於該矽酸鹽晶 體內之氧晶格部位上。
該磷光體亦可包括一基於氮化物之紅磷光體材料，諸如同在申請中之發佈於2009年11月19日之美國專利申請公開案第US 2009/0283721 A1號及申請於2009年12月7日之名為「Nitride-based red-emitting phosphors in RGB(red-green-blue)lighting systems」之序號第12/632,550號之教示，其等之各者之內容在此以引用之方式併入本文中。US 2009/0283721 A1及12/632,550教示基於氮化物之紅磷光體，其具有化學式MmMaMbD3wN[(2/3)m+z+a+(4/3)b-w]Zx，其中Mm為從鈹(Be)、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd或汞(Hg)中選擇之二價元素；Ma係從B、Al、Ga、銦(In)、Y、硒(Se)、P、砷(As)、La、Sm、銻(Sb)或Bi中選擇之三價元素；Mb係從C、Si、Ge、錫(Sn)、Ni、鉿(Hf)、鉬(Mo)、鎢(W)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鈦(Ti)或鋯(Zr)中選擇之一四價元素；D為從F、Cl、Br或I中選擇之一鹵素；Z為從銪(Eu)、Ce、錳(Mn)、Tb或釤(Sm)中選擇之一催化劑，且N為以0.01m1.5、0.01a1.5、0.01b1.5、0.0001w0.6及0.0001z0.5之量之氮。該磷光體經組態以發射具有大於640奈米之一發散峰值波長之可見光。
應瞭解該磷光體材料不限於本文描述之實例，且可包括任意磷光體材料，包含有機或無機磷光體材料兩者，諸如氮化物及/或硫酸鹽磷光體材料、氧氮化物及氧硫酸磷光體或石榴石材料(YAG)。
應進一步瞭解本發明不限制於所描述之該等特定實施例 且可在本發明之範圍內作出變動。例如，根據本發明之裝置可包括其他LED晶片，諸如基於碳化矽(SiC)、硒化鋅(ZnSe)、銦鎵氮化物(InGaN)、氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(AlGaN)之發射藍光或U.V.光之LED晶片。
此外，根據該第一實施例之封裝亦可用於封裝「垂直」傳導LED晶片，其中需要每個LED晶片之電極平面以一平行電路之組態連接於一起。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧LED晶片
14‧‧‧封裝
16‧‧‧圓形凹部
18‧‧‧導電軌道
20‧‧‧熱傳導安裝墊
22‧‧‧安裝墊
24‧‧‧熱傳導導通體
26‧‧‧電連接器
28‧‧‧電連接器
30‧‧‧接合線
32‧‧‧透明聚合物材料
34‧‧‧粉末磷光體材料
50a‧‧‧「側向」傳導LED晶片
50b‧‧‧「垂直」傳導LED晶片
52a‧‧‧背板
54a‧‧‧基板
54b‧‧‧導電基板
56a‧‧‧n型GaN層
56b‧‧‧n型GaN層
58a‧‧‧p型GaN層
58b‧‧‧p型GaN層
60a‧‧‧正電極接觸點
60b‧‧‧正電極接觸點
62a‧‧‧負電極接觸點
62b‧‧‧負電極接觸點
64a‧‧‧電傳導
64b‧‧‧電傳導
100‧‧‧發光裝置
102‧‧‧基底
104‧‧‧電路層
106‧‧‧腔蓋
108‧‧‧透鏡
110‧‧‧中心位置
112‧‧‧通孔
114‧‧‧電導體
116‧‧‧電連接墊
118‧‧‧電連接墊
120‧‧‧接合線
122‧‧‧通孔
124‧‧‧光透射材料
126‧‧‧膜
128‧‧‧一層銅
圖1係如前文所描述之一已知白發光裝置之一示意截面圖；圖2a及圖2b係a)「側向」及b)「垂直」傳導表面發光LED晶片結構之示意性表示法；圖3係根據本發明之一第一實施例之使用「側向」傳導LED之一發光裝置之一示意性透視圖；圖4係繪示圖3之裝置之構造之一部分分解透視圖；圖5係圖3之發光裝置經過一線A至A的一示意截面表示法；圖6a及圖6b展示對於驅動電流為a)480mA及b)600mA之根據本發明之一發光裝置之每個LED晶片之經測量表面溫度；圖7係根據本發明之一第二實施例之使用「垂直」傳導LED晶片之一發光裝置之一示意性透視圖；圖8係繪示圖6之裝置之構造之一部分分解透視圖；及圖9係圖6之發光裝置經過一線A至A的一示意截面表示 法；
50b‧‧‧LED晶片
100‧‧‧發光裝置
102‧‧‧基底
104‧‧‧電路層
106‧‧‧腔蓋
108‧‧‧透鏡
112‧‧‧通孔
116‧‧‧電連接墊
118‧‧‧電連接墊
120‧‧‧接合線
122‧‧‧通孔
126‧‧‧膜
128‧‧‧一層銅

Claims (20)

  1. 一種發光裝置，其包括：a)複數個LED晶片，該複數個LED晶片可操作以產生具有在一第一波長範圍內之一主波長的第一光線；及b)一封裝，其用於容納該等LED晶片，其中該封裝包括：c)一熱傳導基板，該等LED晶片安裝在該熱傳導基板之上；及d)一蓋，其具有複數個第一通孔，其中每個第一通孔對應於該等LED晶片其中之一者，且該等第一通孔經組態使得當該蓋安裝於該熱傳導基板時，該每個第一通孔與該熱傳導基板協力定義一第一凹部，在該第一凹部中容納該等LED晶片其中之一者，其中該等LED晶片形成多個行數及多個列數的陣列，該等行與該等列交錯且在該陣列的中心位置上未放置該等LED晶片。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該封裝具有小於5℃/W之熱阻抗。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該封裝具有小於2℃/W之熱阻抗。
  4. 如請求項1之發光裝置，更包括一磷光體材料及一光透射材料之一混合物，其至少部分地填充至該些第一凹部，其中該磷光體材料經組態以吸收該第一光線之至少一部分，且發射具有在一第二波長範圍內之一主波長的第二光線。
  5. 如請求項4之發光裝置，其中該裝置之發散結果包括該第一光線及該第二光線的一組合。
  6. 如請求項5之發光裝置，其中該發散結果為白光。
  7. 如請求項1之發光裝置，其中該熱傳導基板具有至少200Wm-1K-1之熱傳導率。
  8. 如請求項7之發光裝置，其中該熱傳導基板係從由銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂合金、熱傳導陶瓷、鋁矽碳化物及碳合成物組成之群組中選擇。
  9. 如請求項1之發光裝置，其中該蓋具有至少150Wm-1K-1之熱傳導率。
  10. 如請求項1之發光裝置，其中該蓋具有至少200Wm-1K-1之熱傳導率。
  11. 如請求項1之發光裝置，其中該蓋係從由銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂合金、熱傳導陶瓷、鋁矽碳化物及碳合成物組成之群組中選擇。
  12. 如請求項1之發光裝置，更包括安裝於該熱傳導基板上之一電路配置，其中該電路配置包含複數個第二通孔，每個第二通孔與該熱傳導基板定義一第二凹部。
  13. 如請求項12之發光裝置，每個LED晶片電連接至該電路配置上。
  14. 如請求項12之發光裝置，其中該第二凹部容納至少一個該等LED晶片。
  15. 如請求項12之發光裝置，其中該電路配置包括一印刷電路板。
  16. 如請求項12之發光裝置，其中該等LED晶片包括側向傳導晶片。
  17. 如請求項1之發光裝置，更包括在該熱傳導基板上之一電絕緣熱傳導層，該電絕緣熱傳導層之一表面上配置一電導體，其中該些LED晶片安裝至該電導體。
  18. 如請求項17之發光裝置，其中該熱傳導層包括類金剛石碳。
  19. 如請求項17之發光裝置，其中該等LED晶片包括垂直傳導晶片。
  20. 如請求項1之發光裝置，更包括一光學組件覆蓋該第一凹部。
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