CN101095244A - 具有非结合的光学元件的led封装 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用LED管芯的光源，该LED管芯具有至少一个发光表面。设置光学元件，以便通过控制发射光的角度分布来从LED管芯中有效地提取出光。该光学元件与LED管芯的发光表面光学耦合，但是，该光学元件与LED管芯的发光表面机械分离。该光学元件包括输入表面、输出表面和至少一个中间表面，其中，输入表面与发光表面光学耦合，输出表面的表面面积大于输入表面的表面面积。

Description

具有非结合的光学元件的LED封装
技术领域
本发明涉及光源。更具体地说，本发明涉及这样一种光源：其中，使用光学元件提取从发光二极管(LED)发出的光。
背景技术
LED具有固有的潜力，能够提供与传统光源相竞争的亮度、输出和工作寿命。不幸的是，LED在具有高折射率的半导体材料中产生光，从而难以有效地从LED提取光，而基本上不会降低亮度或增加LED的视在发光区域。因为半导体和空气之间存在大的折射率失配，所以半导体-空气界面的出射锥的角度相对比较小。在半导体中产生的光大量被全内反射而不会从半导体射出，从而降低了亮度。
以前从LED管芯提取光的方法使用各种形状的环氧树脂或硅密封剂，例如，在LED管芯上的圆顶形结构，或者在围绕LED管芯成形的反射杯中形成的圆顶形结构。密封剂通常具有比空气高的折射率，这减少在半导体-密封剂界面上的全内反射，从而提高了提取效率。然而，即使用密封剂，在半导体管芯(典型的折射率n为2.5或更高)和环氧树脂密封剂(典型的n为1.5)之间也仍存在折射率失配的问题。
图1示出用于提高LED的光提取效率的另一方法(美国专利申请公开No.US2002/0030194A1)(Camras等人)。该方法使用与LED管芯4结合的透明光学元件2，该透明光学元件2的折射率大于约1.8。该方法的缺点是，当光学元件2与LED管芯4结合时，在工作期间随着该结合系统变热，每个元件膨胀，从而该结合系统会承受应力。
LED必须在相对较低的结温下工作，该结温通常不超过125℃至150℃。这限制了最大的电流，相应地，限制了LED的输出。由于在给定电流下差的热控制导致LED管芯变得比所需的情况更热，所以差的热控制还会缩短LED寿命。提高从LED管芯中的热提取可以提高驱动电流，从而提供更高的光强度和更长的寿命。从LED管芯提取或驱散热的已知方法包括通过LED管芯的底部(通常，与主发光表面相对的一侧)提取热。其它的方法包括向LED封装添加散热流体冷却剂，例如，如美国专利No.6,480,389(Shie等人)所述。
发明内容
虽然已经做出了这些进步，但是LED仍具有变得更亮的潜力。获得允许从LED管芯有效地提取光并保持高亮度和高发光输出的LED封装是有益的。本申请公开一种光源，该光源利用具有至少一个发光表面的LED管芯和光学元件，其中的光学元件与LED管芯的发光表面机械分离。该光学元件具有输入表面、输出表面和至少一个中间表面，其中，输入表面与发光表面光学耦合，输出表面的表面面积大于输入表面的表面面积。
本发明的以上概述并不意味着描述了本发明的每一个示例性实施例或者每一种实施方式。附图和以下的详细说明更具体地举例说明了示例性实施例。
附图说明
从下面结合附图对本发明的各种实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。附图应当是示例性实例，而不应当是限制性的。附图中的各个元件的尺寸是近似的，可能不是按比例绘制的。
图1是现有技术系统的与发光二极管结合的光学准直仪的示意图。
图2是示出在一个实施例中的光学元件和LED管芯构造的示意侧视图。
图2a是图2所示的示意侧视图的一部分的特写图。
图3a至图3c是光学元件的示例性形状的示意图。
图4a至图4e是光学元件的另外的示例性形状的示意图。
图5a是用于一些实施例中的光学元件的示意剖视图。
图5b是用于一些实施例中的夹具的横截面侧视图。
图5c是用于一些实施例中的安装在电路板上的LED管芯的横截面侧视图。
图6a是图5a所示的光学元件的俯视图。
图6b是图5b所示的夹具的俯视图。
图7是根据一些实施例组装的LED封装的剖视图。
具体实施方式
如下面更详细地描述的那样，本发明提供一种具有光学元件的光源，该光源通过改变由LED管芯发出的光的角度分布而从LED管芯有效地提取出光。该光学元件与LED管芯的发光表面光学耦合，以有效地提取光。
在一些实施例中，光学元件还与LED管芯热耦合，以允许从LED管芯中除去热。为了进一步从光学元件中提取热，添加了热耦合的吸热器夹具。
在其它实施例中，LED管芯与光学元件光学耦合，而在LED管芯和光学元件之间不用任何粘合剂或其它粘结剂。这使得光学元件和LED管芯在工作期间被加热而膨胀时可以独立地移动。没有粘结或机械分离消除了在可能存在于用粘合剂或其它粘结剂粘结的系统中的光学元件和LED管芯上的应力。
图2示出在本发明系统的一个实施例中的光学元件20和LED管芯10的构造的示意侧视图。光学元件20是透明的，优选具有相对较高的折射率。适用于光学元件中的材料包括，但不限于，高折射率玻璃(例如，可得自美国纽约州Elmsford市Schott North America公司的商品名为LASF35的型号为LASF35的Schott玻璃)和陶瓷(例如，蓝宝石、氧化锌、氧化锆、金刚石和碳化硅)。蓝宝石、氧化锌、金刚石和碳化硅是尤其有用的，因为这些材料还具有相对较高的导热率(0.2W/cm K至5.0W/cm K)。
在一个实施例中，光学元件20形成为如图2所示的锥形的形式。锥形的光学元件20可以具有很多形式，包括，但不限于，如3a、图3b和图3c所示的那些形式。光学元件可以呈其它形状的形式，例如，图4a至图4e所示的那些形状、以及未示出的其它形状。图2所示的锥形光学元件20是光学元件的特别有益的形状。在图2中，锥形光学元件20具有大于输入表面120的输出表面130。锥形形状包括图3a所示的截顶的倒棱锥(TIP)、图3b所示的截顶圆锥、具有图3c所示的抛物面侧壁的形状及其组合，锥形形状提供使光准直的额外好处，在本文中称为光学准直仪。使用光学准直仪从LED管芯中提取出光是尤其有益的，因为光学准直仪提供对发射光的角度分布的控制。对于本领域的技术人员来说，光学准直仪的其它形状将显而易见。例如，图3a所示的TIP形状可以被改变成具有与图3c所示的侧壁相似的曲面侧壁。其它的变化形式也是可以的。另外，如下面所述，光学准直仪也可以被成形为使得光学元件20改变发射光的方向。当这种光学元件由诸如上面提及的那些材料之类的高折射率材料制成时，它会由于其高折射率而增加从LED管芯中提取的光，并且由于其形状而使光准直，从而改变光的角度发射。本领域技术人员将会理解，当准直不重要或不需要的时候，可以使用其它形状的光学元件20。
为了简单起见，大致示出LED管芯10，但是，LED管芯10可以包括本领域所知的传统设计特征。例如，LED管芯10可以包括不同的p掺杂半导体层和n掺杂半导体层、缓冲层、基底层和覆盖层。示出了简单的矩形LED管芯布置，但是，其它已知的构造也是可以的，例如，形成截顶的倒棱锥LED管芯形状的倾斜的侧表面。为了简单起见，也没有示出与LED管芯10连接的电触点，但是，如已知的那样，可以在管芯的任何表面上设置电触点。在示例性实施例中，LED管芯具有两个触点，这两个触点都设置在底表面上，如图5c所示。这种LED管芯设计称为“倒装芯片”。本发明不限制光学元件的形状或者LED管芯的形状，而是仅仅提供示例性实例。
图2所示的光学元件20具有输入表面120、输出表面130和置于输入表面120和输出表面130之间的至少一个中间侧表面140。如果光学元件形成TIP的形式，如图3a所示，则这种光学元件203a包括四个中间侧表面140a。如果光学元件是旋转对称的，则它具有单个侧表面。例如，如果光学元件20成形为图3b所示的倒圆锥，或者成形为具有图3c所示的抛物面侧壁，则这种光学元件203b或203c分别具有单个侧表面140b或140c。可以使用其它的形状变化形式。图3a至图3c中所示的每个光学元件包括输入表面120a至120c和输出表面130a至130c。输入表面和输出表面的形状和横截面可以不同。示例性形状示出为输入表面120a至120c和输出表面130a至130c。图3a示出正方形横截面，而图3b和图3c示出输出表面的圆形横截面。其它横截面形状也是可以的，例如，具有正方形输入表面和矩形输出表面的光学元件。在图3a至图3c所示的实例中，输出表面示出为平坦的，并且与输入表面平行。其它布置也是可以的，例如，输出表面相对于输入表面成一定的角度。图4a至图4c示出附加的实施例，其中，输出表面的形状是弯曲的，以控制发射光的角度。
在图4a所示的一个实施例中，光学元件204a具有弯曲的输出表面180a。光学元件204a由单个结构制成，例如，从单块材料中切割而成。
在图4b所示的另一个实施例中，示出具有弯曲的输出表面180b的光学元件204b。光学元件204b通过将具有平坦的输出表面182的锥形元件22与具有平坦的输入表面184和弯曲的输出表面180b的透镜元件24连接而制成。锥形元件22和透镜元件24可以由相同的材料或者具有相似光学性质的两种或多种不同材料制成，在一些实施例中，可以由具有相似热性质的两种或多种不同材料制成，这取决于设计考虑因素。输入表面184使用传统的方式粘接或连接到输出表面182上。图4b示出具有与锥形元件22的输出表面182相同的横截面尺寸的透镜元件24。
图4c示出光学元件204c的另一实例，该光学元件204c包括其横截面大于锥形元件22的透镜元件24。例如，透镜元件24的直径可以是锥形元件22的输出表面182的直径的两倍。在图4c中，假想线示出锥形元件22与透镜元件24连接的部分。在图4c中，输入表面184的位于输出表面182的横截面区域外的部分示出为表面180d。图3a至图3c和图4a至图4c所示的形状是示例性的，应该这样理解，也可以使用这些形状的其它变化形式。优选地，锥形元件22的折射率等于或高于透镜元件24的折射率。在共同提交的共同拥有的名称为“HIGHBRIGHTNESS LED PACKAGE WITH COMPOUND OPTICALELEMENT(S)”的美国专利申请No.10/977225(代理机构文件编号为No.60218US002)中可以找到关于复合光学元件的其它描述。
图4d至图4e示出本发明系统的附加实施例。在图4d中，光学元件204d是楔形的形状，其输出表面180d与输入表面120d垂直。示出两个中间表面190d，第一中间表面与输出表面180d平行，第二中间表面限定有倾斜度的平面，以连接第一中间表面190d和输出表面180d的相对边缘。在该实施例中，由LED管芯10在主发光表面100处发射的光被光学元件204d在第二中间表面190d处改变约90度的方向，如光线210所示。楔形输出元件的俯视图可以是矩形、梯形、饼形、半圆形或其任何组合。
在图4e所示的另一实施例中，光学元件204e是“蝙蝠翼”结构，其相对的输出表面180e和中间表面190额形成“V”形的形状。蝙蝠翼结构可以具有各种横截面形状，包括，但不限于，正方形、矩形或圆形横截面。这种蝙蝠翼结构的一个例子可以被认为是图4d的楔形形状，该楔形形状围绕法线200旋转，形成图4e所示的蝙蝠翼状。如果横截面是圆形，则输出表面180e形成圆柱形的形状。由发光表面100按以法线200为中心的随机图案发射的光被相对于法线200改变90度的方向，从而形成围绕由输出表面180e限定的圆柱的环。这种蝙蝠翼结构在其输入表面呈现朗伯光分布，并且将该分布变为以法线为中心的环形光分布。注意，在诸如上述蝙蝠翼状的形状中，称为中间表面190e的表面可以物理地设置在光学元件的顶面部分上，而不是如前述实施例中那样设置在侧面部分上。如在前述实施例中所述的那样，输出表面可以由单一一种材料制成，或者例如如在图4e中所示，由在假想线192处连接几种材料制成。这些实施例尤其适合用作液晶显示(LCD)面板中的背光源，在LCD面板中，亮度均匀性可能是重要的。无论由单一一种材料或在假想线192处连接的两种材料制成，可以针对具体应用优化输入表面120e和由假想线192限定的表面之间的距离、以及带小面的中间表面190e的角度。
在一些实施例中，光学元件和LED管芯紧密地设置在一起，以允许光学耦合，而不用使用附加的光学材料。图2示出位于LED管芯10的发光表面100和光学元件20的输入表面120之间的间隙150。通常，间隙150是空气间隙，并且，通常非常小，以促进受抑全内反射。优选地，间隙150的厚度小于光在空气中的波长。在使用多个波长的光的LED中，间隙150优选至多是最长波长的值。间隙150的合适厚度的一个例子小于200埃。间隙150的合适厚度的另一个例子小于50埃。另外，优选的是，间隙150在发光表面100和输入表面120之间的整个接触区域上基本上是均匀的，并且发光表面100和输入表面120的粗糙度小于20nm，优选小于5nm。在这种构造中，从LED管芯10向出射圆锥外反射或者以通常在LED管芯-空气界面处被全内反射的角度发射的光将被透射入光学元件20中。为了促进光学耦合，输入表面120的表面可以形成为与发光表面100匹配的形状。例如，如果LED管芯10的发光表面100是平坦的，如图2所示，则光学元件20的输入表面120也可以是平坦的。输入表面120的尺寸可以小于、等于、或者大于LED管芯的发光表面100。输入表面120可以具有与LED管芯10相同或不同的横截面形状。例如，LED管芯可以具有正方形发光表面，而光学元件具有圆形输入表面。其它的变化形式对本领域技术人员来说是显而易见的。
在本发明系统的一些实施例中，光学元件与LED管芯光学耦合，而没有结合。这允许LED管芯和光学元件二者机械分离，从而允许它们中的每一个独立地移动。例如，光学元件可以相对于LED管芯横向地移动。在另一实施例中，随着在工作期间每个部件都变热，光学元件和LED管芯二者都自由地膨胀。在这种机械分离的系统中，由于膨胀产生的大部分应力(剪切力或垂直力)都不会从一个部件传递到另一部件。换句话说，一个部件的运动不会机械地影响其它部件。这种构造在下述情况中尤其理想：发光材料易碎；LED管芯和光学元件之间的膨胀系数失配；以及LED被重复地开关。
具有机械分离的光学元件的LED封装的一个实例是这样一种系统，其中，光学元件20通过间隙150与LED管芯10光学接触，如图2所示。如上所述，在这种实例中，间隙150可以是空气间隙，其足够小以促进受抑全内反射。
具有机械分离或非结合的光学元件的LED封装的另一个实例是这样一种系统，其中，光学元件20通过薄的导光层60与LED管芯10光学耦合，如图2a所示。图2a是图2所示的示意侧视图的一部分的特写图，但是在间隙150中设置有薄的导光层60。适用于导光层60的材料的例子包括折射率匹配的油、以及具有相似的光学性质的其它液体或凝胶。可任选地，导光层60也是导热的。可以用折射率匹配油或者其它相似的液体或凝胶的薄层来增强向光学元件20中提取光。优选地，液体或凝胶的折射率大于LED管芯10的折射率，但是小于光学元件20的折射率。这种薄导光层的厚度可以大于空气间隙的尺寸。在该实施例中，LED管芯10不必光学地靠近光学元件20，因为导光层60起到将LED管芯10与光学元件20光学耦合的作用。通过采用的材料的折射率来确定导光层60的尺寸。优选地，优化薄的导光层60的尺寸和制造材料，以促进在LED管芯-导光层界面处的受抑全内反射，从而将更多的光从LED管芯提取到光学元件中。优选地，导光层60的厚度在光在该材料中的波长的数量级上。
折射率匹配油或相似的液体或凝胶具有附加的好处，即，更高的导热率，这帮助从LED管芯10提取热和光到光学元件20中。在一些实施例中，薄的导光层60也是导热的。
图5至图7示出本发明系统的另一实施例。在图5至图7所示的示例性实施例中，光学元件具有在图3a中更详细地示出的TIP形状。图5a示出光学元件20的示意横截面侧视图。将低折射率涂层70添加到每个侧表面140上，以促进全内反射。低折射率涂层70的折射率远远低于LED管芯10的折射率和光学元件20的折射率。优选地，低折射率涂层的折射率小于约1.5，更优选地小于1.4。可任选地，可以使用传统方法给光学元件20涂布反射材料，例如，金属层或干涉反射片或者其组合。
图5b示出可以添加到图2所示的系统中的夹具30的示意侧视图。当按图7所示的方式组装时，夹具30起到将光学元件20保持在合适的位置上的作用，该光学元件20直接设置在LED管芯10上方，并且与LED管芯10对准。夹具30可以由塑料、金属或其它合适的材料制成。参照图5b，夹具30具有空心开口34，该开口成形为接收光学元件20。空心开口34由侧表面142限定，该侧表面142成形为与光学元件20的侧表面140的形状一致。夹具30还具有切去部分36，其由表面144限定，并且成形为接收LED管芯10和可任选地允许在LED管芯10的任何侧或所有侧上存在额外的空间。图5b还示出基准32，该基准将夹具30和图5c所示的电路板40上的基准42对准，从而使得光学元件20直接设置在LED管芯10上方。图5c示出电路板40和LED管芯10的示例性构造的横截面侧视图。在该实例中，LED管芯10是倒装芯片，接触引线12与顶部发光表面100相对。应该理解，LED管芯10的侧表面也可以发射光。可任选的附加空间，即切去部分36，可以填充空气，以促进在LED管芯10的侧表面上的全内反射，从而光可以被回收利用，并且具有从LED管芯10透射到光学元件20的另一机会。
将图5a、图5b和图5c所示的元件按照下面所述的方法组装在一起，以形成图7所示的系统。光学元件20涂有低折射率涂层70，如图5a所示。在一些实施例中，夹具30是金属，通过将实心金属块加工成图5b所示的形状而制成。光学元件20插入到夹具30的空心开口34中。形成开口34的侧面142优选使用低熔点焊料焊接到光学元件20的侧面140上。然后，夹具30和光学元件20设置在电路板40上方，如图5c所示，使基准32和42相对应，从而光学元件20可以居中地直接位于LED管芯10上方。接下来，将这些零件在焊料接触点38和48上焊接在一起。图7示出组合图5a、图5b和图5c的元件的组装的系统。夹具30和光学元件20的俯视图分别示于图6a和图6b中。
在另一实施例中，夹具30还起到吸热器的作用。在该实施例中，夹具30可以由高导热率和高热扩散率的材料(例如，铜)制成，并且不必一定是光学透明的。该实施例中的夹具30还从光学元件20中除去热，以允许LED在更高的驱动电流下工作，从而产生更高的亮度。对于用于光学元件20的材料的典型热扩散率是：燧石玻璃-0.004cm2/s；蓝宝石-0.11cm2uu/s；碳化硅-1.6cm2/s以上。铜的典型热扩散率是1.2cm2/s。
可任选地，可以添加另一吸热器50，如图7所示。吸热器50通过LED管芯的底部(通常是与主发光表面相对的一侧)从LED管芯10中提取热。
在使用夹具30作为吸热器的实施例中，光学元件20不必一定与LED管芯10光学接近，并且可以结合或不结合。例如，光学元件20可以使用无机薄膜、可熔化的玻璃粉或者其它粘结剂结合到LED管芯10上。优选地，使用具有高导热率和相似的折射率的粘结剂来使传热和光传输最大化。或者，光学元件20可以使用夹具30保持在LED管芯10上的合适位置上，而使用导热层(例如如上所述的折射率匹配流体、凝胶或具有合适的导热率的粘合剂)来实现光学元件20和LED管芯10之间的光学耦合和热耦合。合适的折射率匹配油的典型的导热率为约0.01W/cm K。
在夹具30不用作吸热器的实施例中，光学元件20使用夹具30保持在LED管芯10上方，而通过间隙150或者通过导光层60来实现光学耦合。
本文所公开的光学元件可以通过传统的方法或者使用下述共同提交和共同拥有的美国专利申请中所公开的精密研磨技术来制造：名称为“PROCESS FOR MANUFACTURING OPTICAL ANDSEMICONDUCTOR ELEMENTS”的美国专利申请No.10/977239(代理机构文件编号为No.60203US002)和名称为“PROCESS FORMANUFACTURING A LIGHT EMITTING ARRAY”的美国专利申请No.10/977240(代理机构文件编号为No.60204US002)。
本发明容易进行各种各样的修改并且可以具有各种可选的形式。在附图中以示例的方式示出并且详细地描述了本发明的细节。但是，应该理解，本发明不局限于所描述的具体实施例。相反，本发明覆盖落入由附属权利要求限定的本发明的实质和范围内的各种修改、等同形式和替代形式。

Claims (29)

1.一种光源，包括：
LED管芯，其具有至少一个发光表面；
光学元件，其包括输入表面、输出表面和至少一个中间表面，所述输入表面与所述至少一个发光表面光学耦合，并且与所述至少一个发光表面机械分离；所述输出表面大于所述输入表面。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件是光学准直仪。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件形成为锥形的形状。
4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件形成为蝙蝠翼的形状。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件的所述输入表面接触所述LED管芯的所述发光表面。
6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件的折射率在所述发光表面的折射率的25％以内。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件的折射率至少为1.8。
8.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学元件的折射率至少为2.0。
9.根据权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个中间表面是高反射的。
10.根据权利要求9所述的光源，其中，所述光学元件包括在所述至少一个中间表面上的反射金属涂层。
11.根据权利要求9所述的光源，其中，所述光学元件包括在所述至少一个中间表面上的低折射率涂层。
12.根据权利要求1所述的光源，该光源还包括置于所述输入表面和所述发光表面之间的薄的导光层。
13.根据权利要求12所述的光源，其中，所述薄的导光层包括液体。
14.根据权利要求12所述的光源，其中，所述薄的导光层也是导热的。
15.根据权利要求14所述的光源，该光源还包括与所述光学元件的所述至少一个中间表面热耦合的吸热器。
16.一种光源，包括：
LED管芯，其具有主发光表面；
透明光学元件，其包括输入表面、输出表面以及至少一个侧表面，所述输入表面与所述主发光表面贴近但没有结合地光学耦合，所述输出表面大于所述输入表面，所述至少一个侧表面置于所述输入表面和所述输出表面之间。
17.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件是光学准直仪。
18.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件形成为锥形的形状。
19.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件的所述输入表面接触所述LED管芯的发光表面。
20.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件的折射率在所述发光表面的折射率的25％以内。
21.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件的折射率至少为1.8。
22.根据权利要求16所述的光源，其中，所述光学元件的折射率至少为2.0。
23.根据权利要求16所述的光源，其中，所述至少一个侧表面是高反射的。
24.根据权利要求23所述的光源，其中，所述光学元件包括在所述至少一个侧表面上的反射金属涂层。
25.根据权利要求23所述的光源，其中，所述光学元件包括在所述至少一个侧表面上的低折射率涂层。
26.根据权利要求16所述的光源，该光源还包括置于所述输入表面和所述发光表面之间的薄的导光层。
27.根据权利要求26所述的光源，其中，所述薄的导光层包括液体。
28.根据权利要求27所述的光源，其中，所述薄的导光层也是导热的。
29.根据权利要求28所述的光源，该光源还包括与所述透明光学元件的所述至少一个侧表面热耦合的吸热器。
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