CN101088172B - 具有颜色转换材料的发光二极管排布 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管排布(1)，其具有排布在基底(3)上的发光二极管芯片(2)，和包围所述发光二极管芯片(2)的颜色转换材料(7)，所述颜色转换材料被设置以将由所述发光二极管芯片(2)所发出的光的至少一部分转换为其他波长的光，所述颜色转换材料(7)被反射体(8)侧向包围，所述发光二极管芯片(2)到所述反射体(8)的侧向距离(x)为最多0.5mm。

Description

具有颜色转换材料的发光二极管排布
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的发光二极管排布，所述排布具有由颜色转换材料所包围的发光二极管芯片，所述颜色转换材料用于将由所述发光二极管芯片所发出的光的至少一部分转换为其他波长的光。
背景技术
发光二极管领域，特别是所谓的“白光LED”领域，形成了本发明的背景。由于半导体发光元件通常发出特定波长的光，因此，尚未实现直接提供白光的半导体元件的产品。作为替代方案，半导体元件被设置而使其发射单一波长的光，例如，绿色、红色或蓝色的光。不过，为了可以形成白光，由现有技术公知的是，通过颜色转换而将蓝光LED的光转换为白光混合物。而后，通常被嵌置在基体中的荧光体围绕被称为LED模的半导体元件而排布。所述蓝光现在通过所述荧光体而被吸收在所述LED模的周围，并随后被转换为波长更长的光。荧光体的这种波长较长的光与发光二极管芯片的未被转换的蓝光相结合，于是产生白光混合物。
不过，用于对围绕着所述LED模的颜色转换材料进行排布的从现有技术公知的各种形式，通常具有缺陷，即，从包围着所述LED芯片的颜色转换材料所形成的光并非均匀的白色，而是根据空间方向而具有不同的颜色，并且/或者在荧光层的表面处具有不同的着色。对发射的光进行准直和成像，例如采用透镜辅助，导致了颜色不均匀性的加剧。
这些不均匀性的原因在于，颜色被转换的组分的增加正比于光通过荧光体/基体围绕物的路径。由于事实上通常被设置为立方体或长方体的发光二极管芯片同等处理沿着所有方向的光，因此，很难实现光的均匀转换。然而，现在致力于从不均匀发光区域实现均匀白光的成像光学系统而言，这导致了明显的缺点。由此，采用传统的光学系统，白光LED通常具有不均匀的白光发射，其中，白光发射的成像在中央为蓝色而在边缘为黄色。
在由现有技术公知的各种排布中，试图将由发光二极管芯片发出的光尽可能均匀地转换为白光混合物。如图5-7中示出了两种公知的结构，它们将在下文中得到简要论述。
图5和6中的第一种已知的发光二极管排布100首先具有排布在基底102上的发光二极管芯片101。基底102例如由热导绝缘层103组成，在热导绝缘层103上侧设置有具有电导体路径104的电导层，在电导体路径104上接着排布有LED模101。通过引导至发光二极管芯片101上侧的接线105，所述LED模实现了从电导体路径104至LED模侧部的电接触。
为了对由发光二极管芯片101发出的光进行颜色转换，上述结构被半球形的封闭物所包围，所述封闭物被完全填充以颜色转换材料106。采用这种排布，意在通过穿过所述半球形封闭物的光线的长度大致均匀的路径，来获得均匀的表面颜色。由于所述封闭物相对于空气折射率n＝1的折射率跃变为n≈1.4-1.6，对应于图6的例示，光的形成提供了未经转换的蓝光和通过颜色转换材料106的荧光体而进行颜色转换的经颜色转换的光的本地均衡。据此，所形成的光混合物在其颜色方面被均匀化。
不过，公知的结构要求，发光二极管芯片101本质上能够大致被认为是一个点，因此所述封闭物实际上必然大于发光二极管芯片101所处的发光区域。由此带来的缺点是，对于这种系统的成像而言，需要很大的透镜，这是因为，为了进行有效的光导向，发光表面相对透镜而言也应大致看作一个点。对于颜色转换而言，所述半球的可用的最小尺寸相应地大致为发光二极管芯片101的边沿长度的3至4倍，而同时透镜的尺寸应大致为发光表面的10至20倍。
图6显示了用于白光LED的完整排布，其中，使用了包括球状转换器几何形状和透镜107的排布。由于为了进行光成像，仅仅可以使用有限的发射角度范围，因此，在半球转换器的情况下，由于发射光的特性，预期有较大的侧向光损失，即，特定部分的光不能通过透镜107成像。
不过，如果不使用被设置为半球形式的光转换材料并且代之以具有恒定厚度的涂层，则所提供的排布如图7中所示。
首先，公知的发光二极管120的这种第二变例，仍包括排布在基底122上的发光二极管芯片121，基底122包括绝缘层123和具有电导体路径124的层。如同在第一公知排布的情况那样，在此，仍通过引导至发光二极管芯片121的上侧接线125来实现接触。
现在排布颜色转换材料126，而使其完全覆盖发光二极管芯片121的表面，并均匀地具有固定厚度。然后，射出颜色转换材料126的光线仍被透镜127准直。
如果选择的涂层过薄，则LED芯片121的电极结构仍然可见，以小的发射角度(例如小于10°)的成像导致了入射光场中的非均匀成像。如果颜色转换材料126的层非常薄，则电极结构还可导致颜色不均匀。举例而言，如果芯片121的较大面积并不发光，就是这种情况。
与此相反，如果所述层具有较大的层厚度，则存在着所述层的边沿发射为另一颜色的风险。不过，于是至少所述电极结构将不再可见，而还可避免由于不发光的电极结构较大而导致的颜色的不均匀性。
采用这种公知排布，由侧部区域发出的光线因而仅可部分地用于成像。随着层厚度的增大，越来越多的光线发射通过所述侧部区域，由此，可使用的光的配额进一步减少。因此，这种已知的结构还具有与如下方面相关的缺点，即，可实现的均匀白光发射和通过光学系统对其成像的可能性。
对于发光二极管排布而言，在图5-7中所示的各公知结构之间，存在许多中间情况的几何结构，不过，这些结构并未实现，这是因为，实际上，仅有图6所示的发光二极管排布的结构高度具有可接受的尺寸。
产生白光而不使用颜色转换材料的可能性，在WO02/50472A1中进行了描述。该公开描述了一种发光二极管排布，其中，不同颜色的多个发光二极管芯片被排布在漏斗形反射器的基底侧上。通过所述不同颜色发光二极管芯片的排布以及反射体的特定结构，实现了将各发光二极管芯片的光整体混合为白光。不过，这种公知结构与图5-7中所示的解决方案相比是非常复杂的，因为在图5-7所示的解决方案中可分别使用单独的发光二极管芯片。
发明内容
本发明相应地基于如下目的，即，对于实现发光二极管排布而指出一种可能性，其中，通过用于形成光混合的颜色转换材料转换由发光二极管芯片发射的光，而且，其中避免了所描述的现有技术相关的缺点。具体地，提供一种发射白光的表面，其能够通过传统的光学系统被均匀地成像而没有颜色偏差。
上述目的通过具有权利要求1所述特征的发光二极管排布来实现。本发明的进一步的有利展开，则基于各从属权利要求。
因此，提出一种发光二极管排布，其具有：排布在一基底上的发光二极管芯片，和包围所述发光二极管芯片的颜色转换材料，所述材料被设置以将由所述发光二极管芯片所发出的光的至少一部分转换为其他波长的光。根据本发明，所述颜色转换材料被反射体侧向包围，从所述发光二极管芯片到所述反射体的距离最多为0.5mm。优选地，在所述发光二极管芯片与所述反射体之间的距离仅在0.1mm至0.2mm之间的范围内。
因此，根据本发明，为了避免公知技术中的颜色的不均匀性，所述颜色转换材料被优选地为竖直排布的反射体侧向连结。虽然已知的是，通过反射体或反射元件来包围LED芯片，不过，在公知的情况中，在发光二极管芯片与反射体之间的距离显著大于根据本发明所提供的距离。对此的原因在于，在现有技术中，反射元件被专门提供以准直由已处于特定方向的发光二极管芯片所发射的光。不过，根据本发明的反射体的主要目的在于，优化穿过所述颜色转换材料的光的路径，以实现混合光的均匀发射。
因此，首先光的侧向发射通过反射体而被排除，这些光仅能部分地被使用以被折射透镜而成像。另一方面，反射体的使用允许用于颜色转换材料的较大层的厚度超过发光二极管芯片的厚度。因此，这种较大层的厚度导致光的更好的颜色混合，使得发光二极管芯片的可能的电极结构不再经颜色转换材料而可见。另一优点还在于，通过反射体，将被成像的区域的尺寸被保持为尽可能地小，据此，可能使用的光学系统的结构尺寸，特别是透镜的结构尺寸，也保持在限度之内。
完全覆盖所述发光二极管芯片的上侧的颜色转换材料的厚度，优选地为至少0.05mm，从而其特别地提供的厚度比在发光二极管芯片与反射体之间的距离至少大0.05mm。
如上所述，优选地提供光学系统用于准直由发光二极管芯片发射的光。一方面，此光学系统可为包围所述发光二极管芯片和颜色转换材料的透镜。不过另一方面，此光学系统也可将使用的透镜放置在从发射光的方向来看在发光二极管芯片的前方。根据特定的优选示例性实施例，可提供的是，所述透镜被设置为与颜色转换材料的表面隔开，特别是隔开以气隙。如在下文中所进行的更详细的阐释，据此特定的结构，实现了特别好的光混合，以及采用该混合而导致的颜色均匀的光发射。
包围所述颜色转换材料以覆盖其全部高度的反射体，优选地可一方面由金属制成；不过，还应想到的是，形成漫反射的反射体，可以使用例如聚四氟乙烯或其他适合的材料来制成所述反射体。
附图说明
本发明将在下文中参照附图而进行更详细的说明。其中显示：
图1是根据本发明的发光二极管排布的第一示例性实施例；
图2是说明用于颜色转换的颜色转换材料的几何尺寸的示意图；
图3是根据本发明的发光二极管排布的第二示例性实施例；
图4a和图4b是根据本发明的发光二极管排布的第三示例性实施例；和
图5-7是根据现有技术的发光二极管排布。
具体实施方式
首先，如图1中所示并提供以附图标记1的发光二极管排布，具有发光二极管芯片2，其优选地发射蓝光，并排布在基底3上，基底3具有绝缘层4以及带有电导体路径5的电导层，以便通过从这些电导体路径引导至所述芯片上侧的接线，使电导体路径5接触发光二极管芯片2。应注意的是，基底3也可以采用其他方式构建。特别地，可采用特定的措施，从而可以使发光二极管芯片2有效散热。
为了将由发光二极管芯片2发射的光转换为白光混合物，提供颜色转换材料7，其包围发光二极管芯片2并具有颜色转换颗粒，所述颗粒特别地为荧光体，其将所述光的至少一部分转换为其他波长的光。根据本发明，发光二极管芯片2和颜色转换材料7被反射壁8所包围，反射壁8例如可由金属反射体形成，或被构建以进行漫反射并为实现此目的而例如由聚四氟乙烯或例如硫酸钡形成。不同于已知的发光二极管排布，反射壁8已被采用而包围发光二极管芯片2，与其的距离小于0.5mm；优选的是，与发光二极管芯片2的侧面相距大约0.1mm至0.2mm。
通过优选为竖直取向的反射壁8，由发光二极管芯片2侧向发出的光被再次转向，因而，发光区域的尺寸首先受限于反射体8的上开口的尺寸。进一步，从发光二极管芯片2侧向发出的光在包围的颜色转换材料7中被部分地转换，或者，在经过所述荧光颗粒的第一路径上未被吸收或转换的组分在反射壁8处被反射并在随后返回，直到此光也具有白色光谱分布，并射出颜色转换材料7的上侧。
由LED芯片2、颜色转换材料7、和反射体8组成的排布，最终被光学系统所包围，该光学系统由封闭所述排布的透镜9形成。透镜9被设置而使其仅在其上部区域中具有弯曲的表面，从而以所希望的方式而对在颜色转换材料7上侧射出的光进行成像。不过，所述透镜的较低的圆柱形区域不具有任何光学功能，这是因为，由于反射体8帮助对发光区域进行定界，从而在任何情况下都没有光从这些区域中射出。因此，反射体8允许所使用的透镜可被构造得非常简单和紧凑，却又能够对由发光二极管芯片发出的光进行完全成像，并且如果适宜，则通过颜色转换材料7转换所述光。不过，采用根据本发明的发光二极管排布，就不会出现侧向发出的具有不希望的颜色混合因而不能使用的光。
根据本发明的发光二极管排布1的具体尺寸，在图2中再次变得清楚，图2显示了根据本发明的发光二极管排布的第二示例性实施例的一部分。由此图示中可看出，在发光二极管芯片2的侧面与反射体8之间的距离被表示为x，而相对照地，发光二极管芯片2的上表面到颜色转换材料7的上表面的距离被表示为h。如上所述，在所述发光二极管芯片与所述反射体之间的距离x，根据本发明而被选择为较小，数量上为最多0.5mm，优选在0.1mm至0.2mm之间。不过，颜色转换层7的高度h数量上为至少0.05mm，并且优选地被选择为，对于最小高度而言，其适用于hmin＝0.05mm+x。颜色转换层的高度h的上限理论上并不增加，这是因为，高度越大，形成的光混合就越被优化。如开始之时已经提到过的，从发光二极管芯片2发出的光被转换的概率，正比于所述光通过颜色转换材料7的路径的长度，由此原因，为了实现均匀的光发射，应争取尽可能大的厚度。不过，出于生产技术上的原因，对于厚度h而言，上限应该选择为3mm，因为还要争取使发光二极管排布的整体配置尽可能紧凑和一致。
在图2中的排布中，相比于图1中所示的发光二极管排布的第一示例性实施例，其不同在于，现在发光二极管芯片2的电接触不再通过连结接线而生效。作为替代方案，在所示的结构中，芯片2“面朝下”；也就是说，其被倒置。在这种情况下，为实现所述接触而采用了所谓的隆起10，其直接形成了具有电导体路径5的层到芯片2的表面的接触。这种发光二极管芯片2在基底3上的通常称为倒装晶片技术的排布，还带来了与可实现的光强度相关的其他优点，这是因为，采用这种装配技术，可获得更高的光输出。这可以部分地被解释为，由于不需要接线就获得了投影自由发射表面。图3示出了发光二极管排布的完整排布，其中，透镜结构9于是包围反射体8，顺次地，反射体8包围颜色转换材料7，颜色转换材料7包围发光二极管芯片2。
在上述的根据本发明的两个示例性实施例中，颜色转换材料7和反射体8被形成透镜9的光学系统直接封闭。图4a和4b现在显示了根据本发明的发光二极管排布1的第三示例性实施例，其中，使用所谓的附加透镜11，其被排布为与颜色转换材料7的表面相距一定距离。首先，发光二极管排布1仍具有如图3中的示例性实施例所示的相同的元件，相同的元件被提供以相同的附图标记。不过，现在，在具有电导体路径5的电导层的表面上，另外地排布有隔离件12，隔离件12的上侧排布有附加透镜11。例如可由另一绝缘层形成的隔离件12，其高度被选择而使得，附加透镜11与颜色转换材料7隔开一小气隙13。据此，可以使来自颜色转换材料7上侧的光进行特别有效的成像。
也就是说，通过颜色转换材料7的上表面发出的光，现在通过气隙13而耦合进入附加透镜11。一旦所述光从颜色转换剂7发出，由于受到荧光材料以及从荧光基体材料到空气的折射率跃变的控制，所述光遵从朗伯(Lamber)分布，即，在所有方向上光发射大致等大。因此，这种分布当其进入附加透镜11中时，被准直至一定范围，例如，±41.8°，该范围对应于所述透镜的折射率，在范围为±41.8°的情况下，附加透镜11的折射率为n＝1.5。这种效果如图4b中所示。所述光线一旦射出透镜11，则然后必然被转向，例如对于40°的透镜而言最多转向21.8°，这不需很大的花费就能够实现，而且尤其在执行过程中损失不会很大。
因此，在所图示的结构中，颜色转换材料在侧向受到反射体的界定，因此这种结构可以使除菲涅耳反射以外的光达到几乎100％的光成像。据此，相比于现有技术，所用的光组件可大致在所希望的目标范围内进行增加。同时，获得了更有效的颜色混合，据此确保了，同样是通过透镜或其他传统的光学系统，混合白光也能够以有效的方式而被均匀地成像。

Claims (15)

1.一种发光二极管排布，包括：
排布在一基底上的发光二极管芯片，和覆盖所述发光二极管芯片顶部并侧向包围所述发光二极管芯片的颜色转换材料，所述颜色转换材料的构成将由所述发光二极管芯片所发出的光的至少一部分转换为其他波长的光，
其特征在于，
侧向包围所述发光二极管芯片的所述颜色转换材料被一反射体包围，所述发光二极管芯片到所述反射体的横向距离在0.1mm至0.5mm之间；
其中所述反射体(8)进行漫反射。
2.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
从所述发光二极管芯片(2)到所述反射体(8)的距离(x)在0.1mm至0.2mm之间的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述反射体(8)遍及所述颜色转换材料(7)的整个高度而将其包围。
4.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述反射体(8)竖直定向。
5.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
覆盖所述发光二极管芯片(2)上侧的颜色转换材料(7)的厚度(h)至少为0.05mm。
6.根据权利要求5所述的发光二极管排布，其特征在于，
覆盖所述发光二极管芯片(2)上侧的颜色转换材料(7)的厚度(h)，比在所述发光二极管芯片(2)与所述反射体(8)之间的距离(x)至少大0.05mm。
7.根据权利要求5或6所述的发光二极管排布，其特征在于，
覆盖所述发光二极管芯片(2)上侧的颜色转换材料(7)的厚度(h)最多为3mm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
光学系统，用于准直由所述发光二极管芯片(2)发出的光。
9.根据权利要求8所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述光学系统由透镜(9)形成，所述透镜(9)包围所述发光二极管芯片(2)和所述颜色转换材料(7)。
10.根据权利要求8所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述光学系统由透镜(11)形成，所述透镜(11)沿着发光方向来看被设置在所述发光二极管芯片(2)的前方。
11.根据权利要求10所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述透镜(11)被排布为与所述颜色转换材料(7)的表面隔开。
12.根据权利要求11所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述透镜(11)与所述颜色转换材料(7)的表面隔开一气隙。
13.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述反射体(8)由金属制成。
14.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述反射体(8)由硫酸钡形成。
15.根据权利要求1所述的发光二极管排布，其特征在于，
所述反射体由聚四氟乙烯制成。
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