发光二极管发光板的方法和装置的制作方法

专利名称：发光二极管发光板的方法和装置的制作方法
技术领域：
本申请通常涉及照明产品，特别是涉及带有发光二极管(发光二极管)的发光板。
背景技术：
多年以来，发光二极管(LED)被用于相对低能的指示灯、数字显示器等等。但是，近年来，单个发光二极管的亮度和能量已经有了很大提高，可用于1瓦和5瓦的装置。
虽然体积小，发光二极管与传统照明产品相比，却有很高的效能和平均寿命。例如，一个典型的白炽灯泡的效能为10-12流明每瓦，并持续大约1000到2000小时；一个普通的荧光灯灯管的效能为40-80流明每瓦，并持续10000到20000小时；一个典型的卤素灯泡的效能为20流明每瓦，并持续2000到3000小时。相反，红橙发光二极管可以发出55流明每瓦，平均寿命为100000小时。
尽管发光二极管的效能有了很大提高且能显著的节能，现有的系统仍然无法利用发光二极管的理想的特性，并生产出能替代在商用和消费领域中所使用的标准照明产品。这主要是由于现有发光板的内在限制。
例如，商用高能发光二极管装置产生大量的热，大约为50W/cm2。为了获得可靠性和更长的使用寿命，将发光二极管的温度保持得很低是非常重要的。现有的公知系统无法将多个发光二极管紧凑的装配起来，同时还要保持必要的传热性能。
类似的，最好是通过一些涂层来保护发光二极管模具，但是无法使用标准的半导体钝化来可靠地保护一排多个发光二极管模具，因为温度剧增(特别是在大型组件中)导致的热应力就会引起剪切线粘结、破裂的模具粘结以及其它可靠性问题。
而且，混合多个彩色发光二极管产生白光的尝试也不理想，这是因为即使发光二极管装置非常靠近地组装在一起(仍然是受到热传输原因的限制)，由这种系统产生的光也不能很好地混合，其结果为产生不均匀的各个颜色的斑点而不是白光的均匀投影。类似的，目前生产的合成半导体发光二极管颜色还不能有效地产生某一波长(例如，575nm的黄光)。将有效的红色和绿色发光二极管混合在一起是一个比较好的方法。
因此，需要一种能克服现有技术的这些和其它局限的发光二极管发光板装置。

发明内容
一般来说，本发明提供一种新型的、板上多芯片(MCOB)的发光板，该发光板包括高导热性基底、数个机械连接到基底上的发光二极管半导体装置、固定在基底上且环绕上述发光二极管装置至少一部分的外围堤(outer dike)，和位于发光二极管装置上且被外围堤所限制的大致透明的聚合物密封剂(例如，光学等级的硅树脂)。
根据本发明的一个实施例，高导热性基底包括金属包覆的印刷电路板(PCB)。
根据本发明的各种实施例，发光二极管装置的电连接结构是串联、并联、或它们的组合。
根据本发明的另一个实施例，发光板包括固定在基底上的反射器(例如，是大致锥形的反射器)以形成外围堤。
根据本发明的另一个实施例，光学部件(例如，透镜、滤光片等)光学连接到位于发光二极管装置的聚合物密封剂上。
这样，本发明提供一种广泛适用于照明装置的高效发光二极管发光板。
附图简述可以参考结合附图的详细说明来获得本发明的更完整的理解，其中在所有附图中相同的参考标记表示相同的元件，以及

图1是根据本发明一个实施例的一种发光板的等比例视图，该发光板具有多个并联和串联构成的表面连接的发光二极管芯片；图2是根据本发明另一个实施例的一种发光板的俯视图，该发光板具有多个并联和串联构成的引线接合的发光二极管芯片；其中每个发光二极管芯片包括两个结合片；图3是根据本发明另一个实施例的一种发光板的俯视图，该发光板具有多个并联的引线接合的发光二极管芯片；
图4是根据本发明另一个实施例的一种发光板的俯视图，该发光板具有多个并联和串联构成的引线接合的发光二极管芯片；其中每个发光二极管芯片包括一个结合片；图5是示例的发光板的等比例局部视图，该发光板包括一个在金属包覆、高导热性的PCB基底上的发光二极管电路管芯；图6是包括内围堤和外围堤的发光板的等比例视图；图7A和7B分别是发光板的俯视图和侧视图，该发光板包括填充有密封剂材料的外围堤和内围堤；图8是包括反射器和内围堤的发光板的等比例视图；图9A和9B分别是图8中的发光板的俯视图和侧视图；图10A和10B分别是带有示例的透镜的发光板的俯视图和侧视图；图11是表示不同温度白光的光谱的曲线图。
具体实施例方式
下文的说明仅是对本发明示例性实施例的描述，并不以任何方式来限定本发明的范围、用途或结构。相反，下文的描述是为了实现本发明的不同实施例提供方便的描述。显而易见，在不脱离本发明范围的情况下，这些实施例中描述的元件的功能和排列可做出多种变化。
概述一般来说，根据本发明的发光二极管发光板包括高导热性基底(例如，金属包覆的PCB)、多个机械地连接到该基底上的多个发光二极管(发光二极管)半导体装置、固定在该基底上并环绕该发光二极管装置的至少一部分(最好为全部)的外围堤，以及设置在多个发光二极管装置上并由外围堤限制的基本透明的聚合体密封剂(例如，光学等级的硅树脂)。在一个实施例中，该发光板包括固定在基底上的反射器(例如，大致锥形反射器)，以形成外围堤并帮助引导及聚焦光和/或混合来自两个或多个不同颜色的发光二极管装置的光。在其它实施例中，如下文进一步描述的，一个或多个光学元件如滤光片、透镜等被固定在密封剂涂层上。
发光二极管的连接性参照表示了本发明所采用的示范性电布局(electrical topology)的图1，发光板100包括多个连接到高导热性基底(或简称为“基底”)102上的发光二极管装置104(在本实施例中，表面连接的发光二极管芯片)。在本实施例中，基底102包括与多个发光二极管装置104电连接或机械连接的导电迹线图形(conductive trace pattern)106。
迹线图形106根据应用被构造成与AC或DC电源相连。例如，在所示的实施例中，提供DC V+接线端108和V0接线端110。在某些情况下，这些接线端一般被称为“输入端”。
发光二极管装置104通过任何适当的方式相互电连接起来。如图1所示，例如，发光二极管装置104可以为电路以使多个单独装置的组串联相连，其中这些组本身相对于输入端并联。在所示的实施例中，七个平行列本身与横跨接线端108和110并联，且每列都包括五个串联的发光二极管装置。或者，参见图3，多个发光二极管装置104(在本实施例中，49个引线接合的芯片)与接线端110和108串联。
通常，尽管上述所示的实施例，本发明包括任何数目的发光二极管装置，这些发光二极管装置可以采用任何适合的电布局(串联、并联或它们的结合)和任何合适的几何形状。例如，该发光二极管装置可定位为直线图形(例如，正方形或矩形阵列)、圆形或曲线图案、任意或随机图案，或它们的任意组合图案中。另外，发光二极管装置可设置在多个区域中，其中每个区域具有不同的图案和不同数量的装置。
用于装置中的发光二极管装置104的数量可根据多个设计变量选择，包括例如电源的特性(AC转换为DC、有效DC电压、有效功率等)、该发光二极管装置自身的特性(例如正向电压(Vf)、额定功率等)、所需的配色(下文描述)、基底102的特性(例如，导热性、几何形状等)、以及用途特性和外部热状态的特性。
在一个实施例中，这些发光二极管装置串联或并联联接以使发光二极管装置的全部联合正电压与电输入匹配。例如，在美国和加拿大的家庭应用中，120VAC在输入至发光二极管之前必须由电源转换器整流为162V DC。一般来说，根据各个发光二极管的Vf，可以串联40到80只发光二极管装置，以接受162V整流过的DC输入。众所周知，典型的红色和琥珀色的发光二极管装置的额定Vf约为1.8到2.5V，绿色和蓝色的发光二极管的额定Vf约为3.0至4.5V。为了应用更低的电压，例如12V DC或24V DC MR-16，以便获得所需的光输出并与输入电压匹配，就必须将发光二极管芯片串联或并联。在美国和加拿大之外，大多数国家家用电源为220V或230V，这样就需要使用80到160个发光二极管芯片串联起来以与整流后的DC相匹配。
通过使联合正电压和输入电源的电压相匹配，可简化给发光板提供的电源，这样就不用将大体积、复杂的电压升高或降低的整流器、或是将切换电源与系统联接；简单、有效的AC转换为DC的整流电路就足够了。这就使得发光板被结合到结构紧凑的组件中—例如，插入标准灯泡插座中的灯泡组件。
发光二极管装置任何合适的发光二极管装置104可以用来与本发明联接，这些装置包括单个的管芯、芯片级封装、传统封装、表面连接装置(SMD)、或是任何其它现在已知的或是未来发展的发光二极管装置。在结合图1介绍的实施例中，例如，发光二极管装置104包括表面连接装置，该表面连接装置具有直接安装到迹线图形106的表面上的电触点，例如，“倒装晶片(flip-chip)”或是焊料突起的管芯上。
或者，参照附图2，该发光二极管装置可包括联接(通过焊接联接、环氧接合剂等)到各自PCB衬垫206上的发光二极管芯片204，其中每个管芯204具有至少两个结合片，用于经过引线接合互连器202而提供电联接。或者，中间的PCB衬垫208可用于方便单独管芯之间的引线接合。该实施例示出了七个管芯串联形成的七组平行的管芯；然而，如上所述，本发明不限于此，可包括任何数目的管芯串联联接、并联联接或是混合联接。
图5表示了图2中所示的单个发光二极管装置的等比例局部剖视图。如图所示，基底102包括其上覆盖有高导热性、电绝缘材料502的高导热性底座504。单个PCB迹线208和206置于层502上，并且发光二极管管芯204接合至PCB迹线206上。引线接合(未示出)用于将管芯204和邻近的管芯相互联接(例如，利用中间迹线208)。
图4还表示了本发明的另一个实施例。根据这种设计，单个发光二极管电路管芯204被连接(经过焊料接合或是其它导电联接)到PCB衬垫206上。然后单个引线接合互连器202用于将PCB衬垫206联接至邻近管芯的接合区域上。也就是说，每个发光二极管管芯204都包括一个单个连接片，该管芯的背面用作第二电触点。
发光二极管装置104用一种或多种适当的半导体材料制造，例如，包括GaAsP、GaP、AlGaAs AlGaInP、GaInN等。选定的该发光二极管装置104的尺寸可使用不同的设计参数来确定。在一个实施例中，发光二极管装置104是厚约100微米、300×300平方微米的管芯。本领域的技术人员可以认识到本发明并不限于此。
公知的是，各个发光二极管装置具有对应于特定波长(或频率)的特定颜色。本发明的一方面涉及使用不同颜色的多个发光二极管产生发射光的所需颜色的能力。通常，安装在基底上的一组发光二极管装置包括x只红色发光二极管、y只绿色发光二极管和Z只蓝色发光二极管，其中选定x∶y∶z比例以获得特定相关色温(CCT)的白光。
通常，任意数量的发光二极管颜色可以按任意所需的比例使用。典型的白炽灯泡产生具有2700K CCT的光(暖白光)，荧光灯泡产生约5000KCCT的光。这样，典型地需更多的红色和黄色发光二极管以获得2700K的光，而对于5000K的光则需更多的蓝色发光二极管.为了获得高彩色再现指数(CRI)(ColorRendering Index)，光源必须发射具有几乎覆盖可见光全部范围(380nm至770nm波长)的光谱的白光，以使在混合中出现暗红，淡红，琥珀色、淡绿、暗绿、淡蓝和深蓝颜色。
为了达到这些目的，本发明允许在发光板中使用具有不同波长的发光二极管装置。在一个实施例中，例如，为了获得3200K的光，R(620nm)∶Y(590nm)∶G(525nm)∶B(465nm)的混合比例(相对于发光二极管的数目)为6∶2∶5∶1。根据另一实施例，R∶Y∶G∶B的混合比例为7∶3∶7∶2，用于获得3900K的光。在另一实施例中，10∶3∶10∶4的比例用于获得5000K的光.上述三个实施例中的每个的光谱在图11中表示。
可以理解的是，列举的混合比例由芯片的亮度以及它们的波长决定。因此，本发明不局限于可用于形成所需光输出的发光二极管种类的数量。
除了白光之外，本发明还可利用类似的颜色混合技术产生特定颜色的光。即，虽然经常可利用多个单色发光二极管产生所需的颜色，但在某些情况下也可利用两种或多种颜色的发光二极管组合形成复合颜色。
更具体的说，由于发光二极管化合物半导体的材料特性，某些波长的功效是不需要的。例如，没有传统的化合物半导体材料可有效发射575nm的黄光。该波长，575nm，位于A1GaInP和CaInN半导体之间的性能谷值。然而，通过混合由这两种材料制造的发光二极管装置，可产生具有所需功效的黄光。
基底基底102包括能给发光二极管装置104够提供机械支撑任意结构，该结构同时提供所需的热特性—即，通过帮助消散由发光二极管装置104产生的全部或部分热量。在这一点上，基底102优选地为高导热基底。
此处所使用的术语“高导热性基底”是指其有效导热率大于1W/°K-m、最好大于约3W/°K-m的基底。因此该基底102的几何形状和材料可根据其应用变化。在一个实施例中，基底102包括一金属包覆的PCB，例如，ThermagonT-Lam或是Bergquist热包覆基底。可利用传统的FR-4PCB工艺制造这些金属包覆PCB，并因此相对节约了成本。其它适合的基底包括各种混合陶瓷基底和搪瓷金属基底。另外，通过在基底上应用白色掩模以及使迹线电路镀银，可加强光从基底的反射。
密封剂层优选地，基本上透明的聚合物密封剂设置在发光二极管装置上，然后适当地固化以提供保护层。在优选实施例中，该密封剂包括光学等级的硅树脂。可选择该密封剂的特性以获得其它的光学特性，例如，通过滤除由发光二极管装置产生的光来进行选择。与此同时，该保护密封剂层足够柔软以抵挡组件承受的热漂移(thermal excursion)，而不使管芯、引线和其它元件老化。
图6、7A和图7B表示本发明一实施例的不同视图，其中覆盖发光二极管装置的密封剂适于由围堤结构限定。更具体的说，图6的发光板100包括外围堤602，其环绕发光二极管管芯204的至少一部分。在优选实施例中，围堤602通常为环绕整个发光二极管管芯204的阵列的、大致为矩形、正方形、六边形、圆形、八边形或是椭圆结构。外围堤602适于利用粘合剂或是其它适当的连接方法连接到基底102上。由于光学的原因优选地为圆形围堤。
如图所示，密封剂材料最好沉积在发光二极管管芯204上，以使其填满由外围堤602形成的空间。也就是说，参照图7B所示的横截面(截面A-A)，密封剂材料606填充到外围堤602的顶面上。另外，外围堤602最好由基本上透明的材料制成，例如，透明塑料(例如，聚碳酸酯)材料。其透明度允许围绕发光板边缘的光发射出来。
在可选择的实施例中，一个第二、内围堤604位于发光二极管管芯204的中心附近。内围堤604的作用是限制密封剂，并最好为透明材料。内围堤604的出现允许通过电路板中心进行连接。
反射环根据另一实施例，发光板包括基本环绕发光二极管装置的反射环，其有助于聚焦和/或引导由系统产生的光。
参照附图8，一个示例性的反射器802以所有的发光二极管管芯204都位于反射器底座上的方式合适地连接到发光板的基底102上。在所示的实施例中，反射器802通常为圆锥形。然而，可以理解的是，反射器802可为抛物面形、角形或具有任何其它所需的形状和尺寸。如图所示，反射器802通过限制密封剂起到外围堤的作用。
为了使反射器802能引导和聚焦发光二极管管芯204产生的光，反射器802的质地和材料最好具有高反射率。在这一个点上，反射器802最好通常具有大致平滑的、抛光的、镜面状的内表面。
在要采用基本上为白光(或其它特定颜色)并且用两个或多个颜色的发光二极管组合产生该颜色的应用中，最好反射器802的内表面起到散射由发光二极管装置产生的光的作用，从而提供最佳的混色，即使发光板的效率或聚焦会因此而稍微地降低(由于光散射)。因此，在使用两个或多个颜色发光二极管的应用中，该反射器802的内表面最好通过适当的工艺并以适当的比例处理过。例如，该反射器802可为小刻面的、喷砂处理的、化学粗糙化的、或其它处理以提供所需散射率。另外，质地或小刻面可为任意的、有规律的、随机的或是它们的结合。
其它光学元件根据本发明的另一实施例，一个或多个光学元件设置在密封剂的表面上，以相对于由发光二极管装置发射的光提供所需的光学效应。这些光学元件本身可为硬质玻璃或是塑料，由于密封剂层作为保护表面，所以元件不引起对发光二极管装置的损坏。适当的光学元件包括，例如，各种透镜(凹透镜、凸透镜、平面透镜、“泡状(bubble)”透镜、菲涅尔透镜等等)以及各种滤光片(偏振滤光片、彩色滤光片等)。
图10A，10B和10C示出根据本发明的一个实施例的发光板的俯视图、剖面图和等比例视图，其中发光板带有“泡状”透镜。更多的泡状透镜102包括与密封剂606连接的平面侧和泡状侧，泡状侧包括多个凸起区域1004。在所示的实施例中，泡状透镜102包括4×4这种泡状的网格。本发明认真考虑了这种透镜特征的任何数目和尺寸。
结论简言之，本发明提供一种新型的、高效的板上多芯片发光二极管发光板，该发光板能够用于任何现在已知的或未来发展的可以想象的照明应用中。例如，这样的发光板可用于采用能安装到标准家用装置上的灯泡(标准螺旋灯泡，荧光灯、卤素灯等)的装置上、汽车用品(尾灯、头灯、闪光信号灯等等)上，便携照明装置和交通控制装置(交通信号等)中。另外，所请求保护的发光板可用于特定颜色颜色或颜色范围的装置中，包括任意所需色温的白光。本申请的内容不是为了限定其中可使用本发明的应用的范围。
本发明其它的优点和结构上的细节从附图中显而易见，本领域的技术人员会很好的理解。上面已根据特定的示例性实施例描述了本发明。然而，在不背离本发明的范围下可对示例性实施例作出许多改变、结合和变形。
权利要求
1.一种发光板，包括高导热性基底；数个机械连接到所述基底上的发光二极管装置，上述发光二极管装置相互电连接在具有第一和第二接线端的电路中，所述第一和第二接线端用于接收输入电压；固定在所述基底上且环绕上述发光二极管装置至少一部分的外围堤；位于上述多个发光二极管装置上且被所述外围堤所限制的大致透明的聚合物密封剂。
2.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述发光二极管装置串联电连接起来。
3.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述发光二极管装置并联电连接起来。
4.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述发光二极管装置分成不同的串联的发光二极管装置组，这些装置组并联起来。
5.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于高导热性的基底包括金属包覆的印刷电路板。
6.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述密封剂包括光学等级的硅树脂。
7.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述密封剂大致在上述围堤的顶面上流动，上述围堤是大致透明的。
8.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于还包括一个大致位于上述基底中间的内围堤。
9.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述基底连接到反射环上。
10.根据权利要求9所述的发光板，其特征在于上述反射环的一部分是作为上述外围堤。
11.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于还包括一个在上述聚合密封剂上的光学部件。
12.根据权利要求11所述的发光板，其特征在于上述光学部件包括透镜。
13.根据权利要求12所述的发光板，其特征在于上述透镜是从凹面透镜、凸起透镜或平面透镜中选择的。
14.根据权利要求11所述的发光板，其特征在于上述光学部件包括滤光片。
15.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述多个发光二极管装置包括要选择单个特定颜色发光二极管的比例以便获得带有所需特定相关色温(CCT)的白光。
16.根据权利要求15所述的发光板，其特征在于上述CCT是位于大约2000K至10000K之间。
17.根据权利要求1所述的发光板，其特征在于上述多个发光二极管装置包括要选择单个特定颜色发光二极管的比例以便获得特定的颜色。
18.根据权利要求9所述的发光板，其特征在于上述反射环包括反射电镀和混合光线的结构。
19.一种发光二极管发光板，包括带有金属包覆的印刷电路板的基底；数个机械连接到所述基底上的发光二极管半导体装置，上述发光二极管装置相互电连接在具有第一和第二接线端的电路中，所述第一和第二接线端用来接收输入电压；固定在所述基底上且环绕上述发光二极管装置至少一部分的反射环；位于上述多个发光二极管装置上且被反射环所限制的大致透明的聚合物密封剂。
20.根据权利要求19所述的发光板，其特征在于上述多个发光二极管装置包括具有第一颜色的第一发光二极管和具有第二颜色的第二发光二极管，上述反射环带有表面结构，表面结构分散由上述第一和第二发光二极管所产生的光线，以便将上述第一颜色和第二颜色的光线进行混合。
全文摘要
一种发光二极管发光板，包括高导热性基底(例如，一个金属包覆的PCB)，数个机械连接到基底上的发光二极管半导体装置，固定在基底上且环绕上述发光二极管装置至少一部分的外围堤，位于上述多个发光二极管装置上且被所述外围堤限制的大致透明的聚合物密封剂(例如，光学等级的硅树脂)。在一个实施例中，发光板包括一个固定在基底上的反射器(例如，一个大致锥形的反射器)来形成外围堤。在另一个实施例中，光学部件(例如，透镜、滤光片等)光学连接到位于发光二极管装置上的聚合物密封剂上。
文档编号F21V7/00GK1860327SQ200480028568
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月1日
发明者周德九, D·纳尔逊, T·库拉加 申请人:恩纳特隆公司