CN101611502A - 具有透镜的led器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了具有透镜的LED器件和制造所述器件的方法。所述LED器件使用包括多个透镜部件的光学层制成。相对于所述LED管芯设置所述光学层，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。然后可通过所述透镜部件制造透镜并且移除多余的光学层从而得到所述器件。

Description

具有透镜的LED器件及其制造方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请No.60/889627(提交于2007年2月13日)和61/013789(提交于2007年12月14日)的优先权。
技术领域
本公开涉及发光二极管(LED)器件，其中LED管芯光学耦合到透镜。
背景技术
可采用多种构造来制造LED器件，这些构造中的多种构造均采用一条或两条导电金属线，该导电金属线将半导体或LED管芯连接至基底基部处的电极。处理这些器件时应小心，因为线材与电极和/或LED管芯之间的接合点会容易受损。LED管芯通常采用用于保护管芯和引线键合免受物理损坏的透明材料或封装剂进行封装。
LED器件通常通过例如亮度和发射分布的性能特性来表征。通过正确选择透明材料，封装剂便可用于通过增加从LED管芯提取的光量来提高LED器件的亮度。提高亮度的另一个方法是，将具有弯曲外表面的透镜附连到LED管芯，使得两者光学耦合。对透镜外表面的形状的修改对于制造具有改善的发射分布的LED器件(例如，具有准直发射分布或侧发射分布的LED器件)很有用。
因此，需要快速、高效、低成本的新方法来制造具有设计用于提高效率的透镜和/或具有有计划的发射分布的LED器件。
发明内容
本文所公开的内容为LED器件以及制造该装置的方法。在一个方面，本文所公开的内容为LED组件，该LED组件包括：设置在基底上的多个LED管芯以及具有多个穿孔的可移除保护层，该可移除保护层被设置在基底上并与多个LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准。LED组件还可包括设置在LED管芯上的光学结合组合物。LED组件还可包括具有多个透镜部件的光学层，该光学层与光学结合组合物接触，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
在另一方面，本文所公开的内容为LED组件，该LED组件包括：具有多个反射杯的基底、设置在至少一个反射杯中的至少一个LED管芯、设置在至少一个LED管芯上的光学结合组合物以及具有多个透镜部件的光学层，光学层与光学结合组合物接触，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
在另一方面，本文所公开的内容为制造LED组件的方法，该方法包括：提供设置在基底上的多个LED管芯；提供具有多个穿孔的可移除保护层；将可移除保护层设置在基底上并使其与多个LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准；将可聚合组合物设置在该至少一个LED管芯上；以及施加光化学辐射和/或加热以使可聚合组合物聚合。该方法还可包括：提供具有多个透镜部件的光学层，以及使可聚合组合物与光学层接触，使得该至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
在另一方面，本文所公开的内容为制造LED组件的方法，该方法包括：提供设置在基底上多个LED管芯；提供具有多个穿孔的可移除保护层；将可移除保护层设置在基底上并使其与LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准；以及将光学结合组合物设置在该至少一个LED管芯上。该方法还可包括：提供具有多个透镜部件的光学层；以及使光学结合组合物与光学层接触，使得该至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
在另一方面，本文所公开的内容为制造LED组件的方法，该方法包括：提供具有多个反射杯的基底，至少一个反射杯至少包括一个LED管芯；将可聚合组合物设置在该至少一个LED管芯上；提供具有多个透镜部件的光学层，使可聚合组合物与光学层接触，使得该至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件；以及施加光化学辐射和/或加热以使可聚合组合物聚合。
在另一方面，本文所公开的内容为制造LED组件的方法，该方法包括：提供具有多个反射杯的基底，至少一个反射杯至少包括一个LED管芯；将光学结合组合物设置在该至少一个LED管芯上；提供具有多个透镜部件的光学层，使光学结合组合物与光学层接触，使得该至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
以下具体实施方式中描述了本发明的这些方面和其他方面。上述发明内容决不应理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受本文所阐述的权利要求书的限定。
附图说明
结合以下对下面附图的详细说明可以更加完全地理解本发明。
图1-3为已知LED器件的横截面透视示意图。
图4为示例性LED阵列的俯视透视示意图。
图5为示例性可移除保护层的俯视透视示意图。
图6为包括LED阵列和可移除保护层的示例性LED组件的横截面透视示意图。
图7为包括LED阵列、可移除保护层和光学结合组合物的示例性LED组件的横截面透视示意图。
图8a和8b为示例性LED阵列的横截面透视示意图，在该示例性LED阵列中，具有引线键合的LED管芯由与光学结合组合物分开的材料封装。
图9a和9b分别为包括透镜部件的示例性光学层的俯视透视示意图和横截面透视示意图。
图10a-10e为具有不同模式的示例性光学层的横截面透视示意图。
图11为由LED组件制造LED器件的示意性工艺流程图。
图12为示例性LED阵列的横截面透视示意图。
图13为示例性LED组件的横截面透视示意图，该示例性LED组件包括LED阵列和具有透镜部件的光学层。
图14a和14b为具有透镜的两个示例性LED器件的横截面透视示意图。
图15a为示例性LED组件的横截面透视示意图，该示例性LED组件包括具有透镜部件的光学层。
图15b为具有透镜的示例性LED器件阵列的横截面透视示意图。
图16为示例性LED阵列的横截面透视示意图。
图17a为示例性LED组件的横截面透视示意图，该示例性LED组件包括LED阵列和具有透镜部件的光学层。
图17b为具有透镜的示例性LED器件阵列的横截面透视示意图。
图18a为示例性LED组件的横截面透视示意图，该示例性LED组件包括具有透镜部件的光学层。
图18b为具有透镜的示例性LED器件阵列的横截面透视示意图。
图19a为示例性LED组件的横截面透视示意图，该示例性LED组件包括具有透镜部件的光学层。
图19b为具有透镜的示例性LED器件阵列的横截面透视示意图。
图20a、20b和21为示例性LED组件的横截面透视示意图，每个组件包括具有透镜部件的光学层。
具体实施方式
本申请要求美国临时专利申请No.60/889627(提交于2007年2月13日)和61/013789(提交于2007年12月14日)的优先权，这些专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文中。
可采用多种构造来制造LED器件，这些构造中的多种构造均采用一条或两条导电金属线，该导电金属线将半导体管芯连接至LED封装基部中的电极。LED封装为一种子组件，包括：其上可以安装LED管芯的表面、一端具有可连接至LED管芯的电极并且另一端具有外部电源源输入连接点的电引线、以及一端具有可连接至LED管芯的电极并且另一端具有外部电源漏输入连接点的补充电引线。封装可任选地包括这样的反射杯：该反射杯为用于引导LED发出的光使其离开该子组件的表面。
图1为代表性表面安装LED器件10的示意图，其具有一条连接到LED管芯11的引线键合13。LED管芯连接到电极12a和12b，这两个电极被设置在反射杯16内的支承件14上。LED管芯由封装剂15封装。虽然封装剂的表面17是平坦的，但在实施过程中，实际的LED器件通常具有轻微的负凹凸或弯曲，即意味着封装剂的表面为凹面。这种负凹凸通常出现于市售的表面安装LED器件中，可能是使用热固化封装组合物(例如，可热固化环氧树脂或硅树脂)所引起的。负凹凸的形成通常是由于封装组合物从用于固化的高温冷却至室温时发生收缩所致。用于固化可热固化树脂的温度通常远远高于LED器件使用期间封装剂将经历的温度。负凹凸是不期望的，因为它会导致LED管芯发出的光的循环增加，从而会降低效率和输出光。例如，支承件、电极、LED管芯和封装剂通常包含可以吸收LED管芯生成的光中一小部分(尤其是蓝光和紫外光)的材料。
为了提高LED在亮度以及对LED管芯发出的光的空间辐射图案的控制方面的性能，通常制造LED器件时使其具有例如图2中所示透镜的光学元件。图2为表面安装LED器件20的示意图，其具有一条连接到LED管芯21的引线键合23。LED管芯连接到电极22a和22b，这两个电极被设置在反射杯26内的支承件24上。透镜27连接到封装剂25的表面。LED器件(例如LED器件20)的制造方法通常为：采用拾取和放置操作将透镜一次一个地布置在封装剂的表面上。
图3示出了具有透镜的LED器件的另一个实例。图3为表面安装LED器件30的示意图，其具有一条连接到LED管芯31的引线键合32。LED管芯连接到设置在基本上平坦的支承件35上的电极(未示出)。LED器件30的构造方法通常为：在LED管芯和引线键合的周围设置软质有机硅凝胶33，然后用适形硬质外壳或透镜34(在例如注塑成型等独立过程中形成)将其包覆。可以将外壳的形状制成用于形成LED器件所需的光发射分布。LED器件(例如LED器件30)的制造方法通常为：如上所述采用拾取和放置操作布置透镜。
本文公开了制造具有透镜的LED器件的高效、低成本的方法。如本文所用，LED器件是指具有设置在基底上或反射杯中的可选引线键合的LED管芯，LED管芯通过设置在LED管芯和透镜之间的光学结合组合物(如下文所述)光学耦合到透镜。使用具有设置在基底上或反射杯中的多个LED管芯的LED组件来制造LED器件。透镜被设置成具有多个透镜部件的光学层的形式。光学层设置在基底上，使得至少一个透镜部件光学耦合到至少一个LED管芯。光学结合组合物设置在LED管芯和光学层之间。然后可以将光学层打孔，使得至少一个透镜由透镜部件形成。然后可使用具有大致与LED管芯对准的穿孔的下伏可移除保护层来移除多余的光学层。该方法可作为大规模并行处理进行，该并行处理可以消除制造过程中对拾取和放置预成型透镜的需求，从而缩短制造循环时间并降低总体LED成本。
对于本文所述实施例而言，术语“多个”用于表示LED管芯的数量、可移除保护层中穿孔的数量、光学层中透镜部件的数量等。一般来讲，多个意味着至少两个。LED组件可以包含安装在基底上的2个至数百万个的LED管芯，例如安装在基底上的2个至1,000,000个、2个至5000个、或2个至500个LED管芯。保护层可以具有与LED管芯数量相同的穿孔，或者也可具有更多或更少的穿孔。同样，光学层可以具有与LED管芯和/或穿孔数量相同的透镜部件，或者也可具有更多或更少的透镜部件。仅出于举例说明的目的，下文所述的实施例在基底上具有4×7的LED管芯阵列，保护层中的穿孔和光学层中的透镜部件具有相同布局。LED管芯、穿孔和透镜部件可以布置成图案或阵列，或者可以随机布置。另外，下文所述的实施例具有半球形状的透镜部件，但可以使用任何类型的透镜形状，例如下文所述的形状。
本发明的实施例可以按照图4中所示的LED组件进行描述。LED组件40包括设置在基底43上的多个LED管芯41。LED管芯可以通过电极44和引线键合42安装在基底上。这类组件有时称为芯片直接贴装阵列。
设置在基底上的LED管芯是指LED管芯、基底、以及例如引线键合和电极的任何电触点。LED管芯是LED的最基本形式，即由半导体晶片加工工序制成的独立组件或薄片的形式。元件或芯片可以包括适于施加电源以给器件提供能量的电触点。独立的层以及组件或薄片的其他功能元件通常形成为晶片规模，成品晶片最终被切割成单个元件以产生多个LED管芯。可用的LED管芯可以发出可见光、紫外光或红外光，具体取决于半导体层的组成和结构。也可以使用单色和荧光体LED(其中通过磷质荧光体将蓝光或紫外光转变为其他颜色)。LED管芯可以在基底上以任何构造布置。它们可以布置成阵列形式(例如，图4中所示的阵列)，或者它们可以随机布置。LED管芯可以在基底上以群组布置，并且群组中的每个LED管芯可以发出相同或不同颜色的光。例如，LED管芯可以被布置用于(例如)通过混合群组中的红色、绿色和蓝色LED管芯，或群组中的蓝色和黄色LED管芯来发出白光。也可使用具有多达数千个LED管芯的群组。LED管芯可以具有附接到其上的光学元件，例如能够从管芯提取光的提取器。
如本文所用，基底是指LED组件中大致共面并位于LED管芯之间且被布置为与下文所述可移除保护层接触的一个或多个表面。基底可以包括电路板，例如，FR-4型印刷电路板、金属芯印刷电路板、在诸如聚酰亚胺和液晶聚酯之类的膜基材料上制备的柔性电路，或由诸如氧化铝和氮化铝之类的陶瓷材料制备的电路板。基底可以包括硅上电路板。基底也可以包括多个反射杯，其中至少一个反射杯至少包括一个LED管芯。此实施例将在下文描述。
图5示出了示例性可移除保护层50的俯视透视示意图，该示例性可移除保护层包括具有多个穿孔52的薄材料层51。可移除保护层被设置在基底上，使得穿孔大致与LED管芯对准。LED管芯不必在穿孔中保持居中(从上方观察时)，并且LED管芯在穿孔中的布置可以不同。在一些实施例中，可移除保护层不与LED管芯接触。在一些实施例中，可移除保护层与LED管芯对准，使得从上方观察组件时，LED管芯不被包覆。图6示出了图5所示可移除保护层的横截面透视示意图，该可移除保护层设置在图4所示LED阵列的基底上。穿孔和基底形成井60，LED管芯、引线键合和电极位于该井中。
可移除保护层可以具有任何可用的厚度，例如，从约10μm至约5mm。对于如图6所示的芯片直接贴装构造，可移除保护层可以至少具有与LED管芯、引线键合和电极的累积高度相同的厚度，例如，从约100μm至约5mm。对于图12和16所示的实施例，可移除保护层的厚度可为从约10μm至约5mm。
可移除保护层可以包括多种材料。优选的材料为在需要时可以与基底形成密封的材料。密封有助于防止光学结合组合物从井中渗漏。优选的材料也为在需要时可以从基底移除的材料；这可能发生在可移除保护层和基底接触的数秒之后或数月之后。用于可移除保护层的优选的材料可能还需要长时间经受高达大约120℃的温度。在下文所述的光学结合组合物为要求通过加热进行固化的可聚合组合物的情况下，可能需要这种热稳定性。适合用作可移除保护层的材料的实例包括金属(例如铝)、陶瓷和聚合物。
可移除保护层可以还包括压敏粘合剂(PSA)。PSA在所需时间长度后可重新定位于基底上。所使用的特定PSA不必与这样的点形成粘附：在不损坏基底的情况下无法从基底移除PSA的点。合适的PSA包括由可自由基聚合的单体形成的(甲基)丙烯酸酯基PSA，其中可自由基聚合的单体选自包括(甲基)丙烯酸酯、乙烯基单体以及它们的混合物的组。如本文所用，(甲基)丙烯酸酯是指丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。(甲基)丙烯酸酯的实例包括其中烷基具有1到20个碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯，例如，丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯和月桂基甲基丙烯酸酯；诸如甲基丙烯酸苄酯之类的(甲基)丙烯酸的芳族酯；以及诸如羟乙基丙烯酸酯之类的(甲基)丙烯酸的羟烷基酯。乙烯基单体的实例包括诸如乙酸乙烯酯之类的乙烯基酯、苯乙烯及其衍生物、乙烯基卤化物、丙酸乙烯酯以及它们的混合物。适用于制备(甲基)丙烯酸酯基PSA的单体的其他实例在美国专利2004/202879A1(Xia等人)中有所描述，该专利还描述了聚合这些单体的方法。如果需要，可以如Xia等人所述使PSA交联。
在一些实施例中，PSA由(甲基)丙烯酸酯嵌段共聚物形成，如美国专利7,255,920 B2(Everaerts等人)中所述。一般来讲，这些(甲基)丙烯酸酯嵌段共聚物包括：至少两个A嵌段聚合物单元，其为包含烷基甲基丙烯酸酯、芳烷基甲基丙烯酸酯、芳基甲基丙烯酸酯或其组合的第一单体组合物的反应产物，每个A嵌段的玻璃化转变温度为至少50℃，甲基丙烯酸酯嵌段共聚物包含质量百分比20％至50％的A嵌段；以及至少一个B嵌段聚合物单元，其为包含(甲基)丙烯酸烷基酯、(甲基)丙烯酸杂烷基酯、乙烯基酯或其组合的第二单体组合物的反应产物，B嵌段的玻璃化转变温度不高于20℃，(甲基)丙烯酸酯嵌段共聚物包含质量百分比为50％至80％的B嵌段；其中A嵌段聚合物单元以B嵌段聚合物单元基质中平均粒度小于约150nm的纳米级物质形式存在。
在一些实施例中，PSA为有机硅基PSA。有机硅基PSA的实例为包含高分子量的硅橡胶胶料和硅酸盐MQ树脂的有机硅基PSA，MQ树脂通常以相对于固体按重量计占50％至60％的水平存在。有机硅基PSA的其他实例在美国专利5,169,727(Boardman)中有所描述。一般来讲，这些PSA为光致固化型，并且由包含以下物质的可流动混合物的组合物形成：(a)具有三有机硅氧烷和SiO4/2单元的苯溶树脂共聚物、(b)以双有机烯基硅氧烷为端块的聚二有机硅氧烷、(c)以双有机氢基硅氧烷为端块的聚二有机硅氧烷、(d)选自具有1至15个硅原子的有机硅化合物的有机硅交联剂，以及(e)含量足以使该组合物的固化生效的硅氢化反应催化剂。有机硅PSA还可以包含氢化硅烷化抑制剂、光敏剂、填充剂等。
可用的PSA可以被设置为涂覆在背衬上的层，以形成带材。该带材可以与基底接触，使得PSA层位于基底和背衬之间。如果使用背衬，则其可以包括无孔材料。热稳定带材的实例包括具有含氟聚合物背衬、某些聚烯烃背衬以及包括聚酯、芳族聚酰胺、聚酰亚胺、高温乙烯基和尼龙的背衬的热稳定带材。具有优选热稳定性的一种示例性带材为可得自3M公司的聚烯烃带材2850L 600MMX100M(polyolefin tape2850L 600MMX100M)。
在一些实施例中，可移除保护层还包括反射层或吸收层。当在基底上设置时，反射层或吸收层设置在可移除保护层和基底之间。在LED器件的阵列要如同在背光源或泛光灯中一样用作发光单元的情况下，可以使用反射层。反射层的实例包括诸如银和铝之类的金属反射器，以及诸如可得自3M公司的VikuitiTM ESR膜(VikuitiTM ESR film)之类的聚合物反射器。在用于装饰应用中或在需要锐利对比度时，可以在LED器件中使用吸收层。吸收层的实例包括黑色或彩色油漆、膜或涂层。在一些实施例中，可能有利的是包括设置在反射层或吸收层上与可移除保护层相对的粘合剂层。粘合剂层接触上面设置了可移除保护层的基底。可以使用的合适的粘合剂包括上述的任何PSA。
可移除保护层的穿孔可以为所需的任何形状和尺寸。在图5中，穿孔被示出为二维的圆，这些穿孔全部具有相同的直径，该直径稍大于图4所示电极的直径。然而，如果需要，穿孔可以具有不同于电极的形状。穿孔的数量和布置是否与LED管芯的数量和布置匹配也是可选的。例如，可以使用穿孔数量多于LED管芯数量的可移除保护层。穿孔的形状还可以如下文所述取决于在光学层中制造的穿孔的形状。一般来讲，如下文所述，可移除保护层中每个穿孔的形状和尺寸被设计为使得在将保护层移除后，所形成的对应透镜为LED器件赋予合适的光学特性。形状和尺寸的其他实例在下文中针对其他实施例有所描述。
可以在涂覆光学结合组合物之前的任意时间将可移除保护层涂覆到基底。可以在安装LED管芯和引线键合之前将可移除保护层涂覆到基底。可以在涂敷到基底之前在可移除保护层中预切割该层的穿孔。预切割穿孔时，需要使穿孔与基底上的LED管芯位置对准的机构。这可以通过以下方法实现：使用调准夹具，并将可移除保护层预切割为LED组件周边的形状从而实现物理对准。对于量较大的应用，可以预切割可移除保护层并将其设置为连续的带材卷筒，在制造过程中可以从该卷筒进行涂覆。也可以使用机器视觉来协助可移除保护层在基底上的布置。将可移除保护层涂覆到基底，使得带材中的穿孔与LED管芯和电极位置对准的另一种可选方法为，在安装管芯和引线键合以及在该层中切割穿孔之前涂覆可移除保护层。切割可以通过吻切、旋转切割或激光切割技术进行。还可以预期的是，可移除保护层可以在受控的滴涂或涂布操作中被涂覆为在固化或干燥后变为可移除保护层的可固化液体或溶剂浇铸薄膜。
如图6所示的井60可以由光学结合组合物填充，使得该组合物占据井的一定空间，并且在涂覆光学层后能与其接触。如果需要，可以稍微过量填充井，使得光学结合组合物薄层71可以在可移除保护层上方形成，从而得到图7所示的LED组件70。在该实例中，光学结合组合物直接接触LED管芯，从这个意义上讲，它也是封装剂。在一些实施例中，井可以稍微过量填充，但不完全形成层。可以通过注射式滴涂、喷射或其他涂布技术涂覆光学结合组合物。
光学结合组合物不会减损LED器件的光学功能，从这个意义上讲，其适用于光学结合。因此，具体光学结合组合物的选择可以取决于LED器件的应用和/或类型。一般来讲，光学结合组合物结合到光学层。理想的是，结合不会由于诸如光学结合组合物缺乏光和/或热稳定性之类的因素而随时间推移减弱。
光学结合组合物可以包含环氧树脂、丙烯酸酯树脂和通常用作封装剂的其他材料。在一些实施例中，可聚合组合物可以用作光学结合组合物。在这种情况下，光学层可以在可聚合组合物聚合之前接触可聚合组合物，然而，也可以在可聚合组合物聚合或至少部分地聚合之后涂覆光学层。光学结合组合物可以具有光和热稳定性。在一些实施例中，光学结合组合物包含此类含硅的树脂：其可以为传统的热固化有机硅材料或美国专利7,192,795 B2(Boardman等人)中所述紫外光固化的有机硅氧烷的产物。在一些实施例中，光学结合组合物包含聚有机硅氧烷。光学结合组合物可以包含散射粒子、高折射率纳米粒子和/或荧光体。
在一些实施例中，光学结合组合物包含PSA，例如上述的任何PSA。PSA的正确选择可以由要使用LED器件的应用来确定。PSA应被选择为其可以粘附到光学层。理想的是，PSA不随时间推移而损失粘附力，并且在使用条件下稳定。理想的PSA不会由于缺乏光和/或热稳定性所导致的附着力降低或PSA材料自身降解而减损光学制品的光学功能。
如上所述，光学结合组合物设置在LED管芯和引线键合的上方(从俯视透视图观察)。光学结合组合物可以直接接触管芯和引线键合，也可以不直接接触管芯和引线键合。光学结合组合物直接接触管芯和引线键合时，可以被称为封装剂。在一些实施例中，如图8a所示，LED管芯和引线键合可以用设置在LED管芯和光学结合组合物71之间的封装剂80封装。封装剂和光学结合组合物可以彼此不同，或者它们可以相同。可用的封装剂的实例包括环氧树脂、丙烯酸酯树脂和诸如硅树脂之类的含硅的树脂。在一些实施例中，封装剂可以为包覆或部分包覆LED管芯和引线键合的物质。图8b示出了包覆LED管芯和引线键合的透镜81。
包括多个透镜部件的光学层用于提供能够光学耦合到LED管芯的各个透镜。图9a和9b分别示出了包括多个透镜部件91的示例性光学层90的俯视透视示意图和横截面透视示意图。光学层与光学结合组合物接触，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。在图9a和9b所示实例中，光学层被设计为使得每个透镜部件均能与LED管芯对准。可以采用其他构造，例如，可以采用透镜部件数量比LED管芯数量多的构造。在一些实施例中，可能有利的是提供这种形式的光学层：该形式提供光学层与LED管芯的对齐，使得光学层能够通过有效的方式以足够的对准进行连接。
可以多种形式提供包括多个透镜部件的光学层。在图9a和9b中，包括多个透镜部件的光学层被提供为连续的独立层，其部件之间具有相对平坦的部分。在这种情况下，可精确切割光学层的外部周边，使得边缘与LED封装阵列的外边缘重合，从而使透镜部件与LED管芯物理对齐。也可使用调准夹具来对准光学层和LED封装阵列的边缘，从而实现对齐。另一种形式如图10a所示，其中包括多个透镜部件的光学层在透镜部件上方设有覆盖膜100。该覆盖膜可为保护性隔离衬片或可为用于使光学层成形的刚性的热成形或模制的膜。如上所述，可精确切割该覆盖膜以提供可用于物理对准LED封装阵列的外边缘。另一种形式如图10b所示，其中包括多个透镜部件的光学层设有用于制造光学层的模具101。另一种形式如图10c所示，其包含设置在图10b的光学层和模具之间的脱模薄膜或模具衬套102。为清晰起见，图10d以分解图的形式示出了本构造的三种元件。另一种形式如图10e所示，其中模具103被设计用于充当调准夹具，使得LED管芯可以对准透镜部件。也可通过采用光学框标的机器视觉或使用设计到光学层和/或LED封装基底中的机械框标或导标使透镜部件与LED管芯对齐。
光学层可由任意的光学透明材料构成。光学透明材料可为无色的。这类材料的实例包括丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、环烯烃聚合物(例如可得自Zeon公司的Zeonex)和硅树脂。可通过注塑成型热塑性材料或通过注塑成型或压缩模制热固性或光固化材料的方法来制造光学层。由热固性和光固化材料制成的光学层也可通过浇铸以及固化模制与复制的方法进行制备。优选的材料为含硅的树脂。含硅的树脂的实例包括例如美国专利7,192,795 B2(Boardman等人)中所述的可通过紫外光或加热方法固化的聚有机硅氧烷。最优选的是低折射率的有机硅树脂，例如甲基硅酮(折射率约为1.41)，因为它们有极佳的光和热稳定性。光学层也可包括性质(例如折射率、硬度、弹性模量等)各异的多个不同材料层。透镜部件(以及由其制成的透镜)构成了最终LED器件的外部。就这一点而言，可能理想的是用坚硬、坚韧和/或机械稳固的材料来制备光学层，这样的材料可提供表面保护和/或缓解当前许多商用材料普遍存在的粉尘吸附问题。
在一些实施例中，光学结合组合物和光学层可以具有不同的性质。例如，在坚硬、坚韧材料用作光学层的情况中，如果光学结合组合物为封装剂，可能有利的是使用含有机硅氧烷的凝胶或软弹性体作为光学结合组合物，使得几乎没有压力施加到管芯和引线键合上。对于其他实例而言，光学结合组合物的折射率可能等于或大于光学层的折射率。光学结合组合物可以由多个具有不同折射率的层构成，其中与LED管芯接触的光学结合组合物层的折射率大于光学结合组合物后续层的折射率，与LED管芯的距离越大，层的折射率就越小。在这种情况下的光学层的折射率小于光学结合组合物各层的折射率，从而形成材料中的折射率梯度。
一般来讲，光学层包括两个主表面，其中一个基本平坦，而另一个具有透镜部件。透镜部件(以及由其制成的透镜)可具有用于折射光线的任何形状，当其光学耦合到LED管芯并且启用管芯时可形成有用的发射分布。例如，透镜部件可以各自包括正透镜或负透镜，如美国专利2006/0092636(Thompson等人)中所述。透镜部件可以形成非朗伯光分布。在一些实施例中，透镜部件可具有如图所示的半球状形状。光学层可具有彼此各不相同的透镜部件，例如某些透镜部件可为半球状，而某些部件可以成形为具有多种较小的部件。
透镜部件可以成形为在启用LED管芯时生成侧发射图案。例如，具有透镜的LED器件可具有中心轴，使得进入器件的光被反射和折射，并最终沿着基本垂直于中心轴的方向射出；美国专利6,679,621 B2和6,598,998 B2中对这些类型侧发射透镜的形状和器件的实例有所描述。在另一个实例中，具有透镜的LED器件可具有大致平坦的表面和平滑的曲面，该曲面限定延伸至器件内并具有形成尖顶的等角螺旋形的涡旋形状；美国专利6,473,554 B1中描述了这类轮廓的一个实例，详见图15、16和16A。
透镜部件可以包括具有小于透镜部件基部尺寸、但比可见光波长大得多的特征尺寸的宏观结构。也就是说，每个宏观结构的尺寸可以在10m至1mm的范围内。每个宏观结构之间的间隔或周期也可以在10μm至1mm的范围内。宏观结构的实例包括从横截面看形状类似于正弦波、三角波、方波、矫正正弦波、锯齿波、摆线(更通常的是短幅摆线)、或波浪形的表面。实际上，宏观结构可以无规布置或周期性布置。宏观结构的周期性可以是一维或二维的。具有一维周期性的表面只沿着其表面的一个主要方向具有重复结构。在一个具体实例中，表面可以包含与可得自3M公司的VikuitiTM增亮薄膜(VikuitiTMBrightness Enhancement Film)的结构类似的结构。
具有二维周期性的表面沿着宏观结构的平面内的两个垂直方向中的任一个具有重复结构。具有二维周期性宏观结构的实例包括二维正弦曲线、圆锥阵列、棱镜阵列(诸如立体角)和小透镜阵列。也可将透镜部件成形为菲涅耳透镜，每个菲涅耳透镜具有大致圆形的对称结构，该结构被设计用于复制任何正透镜或负透镜的光学特性，而其占据的体积比立体透镜小得多。一般来讲，宏观结构的尺寸无需在整个表面上保持一致。例如，它们向着透镜部件的边缘可以越来越大或者越来越小，或者它们还可以改变形状。透镜部件可以包括本文所述形状的任意组合。
透镜部件可成形为具有特征尺度在尺寸上接近可见光波长的微结构。也就是说，每个微观结构的尺度可以是100nm至小于10μm。光与微结构化的表面相互作用时容易发生衍射。因此，微结构化表面的设计需要特别注意光的类波性质。微观结构的实例是一维和二维衍射光栅；一维、二维或三维光子晶体；二元光学元件；“蛾眼”抗反射涂层；具有一维或二维周期性的线性棱镜；以及微透镜。微观结构的尺寸无需在整个表面上保持一致。例如，它们向着透镜部件的边缘可以越来越大或者越来越小，或者它们还可以改变形状。透镜部件可以包括本文所述形状的任意组合。
透镜部件可以具有随机设置的凸起和凹陷或成形为具有全部三种尺寸尺度的结构。每个透镜部件都具有一定的曲率半径，这些曲率半径可为正、负或无穷大。可向透镜部件添加宏观结构或微观结构，以进一步增大输出光或优化给定应用的角分布。透镜部件甚至可以在宏观结构上结合微观结构。
透镜基部的形状和尺寸是LED器件设计(即其所需的光学性能、成本等)的一部分。一般来讲，对于单独的LED器件而言，透镜基部必须包覆作为该器件一部分的所有LED管芯。通常，透镜基部的尺寸比单个LED管芯的尺寸或包括管芯之间间距的尺寸(如果有不止一个管芯)大至少10％。对于具有单个LED管芯的LED器件，透镜基部的尺寸可以为约0.5至约10mm，或为约1至约5mm。对于每个器件具有三个LED管芯的LED器件，透镜基部的尺寸可以为约1至约30mm。透镜基部的形状和尺寸对于由光学层生成的所有透镜而言可以相同，或者形状和尺寸可以不同。例如，对于如图11所示的结合芯片直接贴装构造使用的光学层，所有透镜部件的形状和尺寸均相同。
光学结合组合物与光学层接触，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。一般来讲，这意味着光学层的相对扁平侧面与光学结合组合物接触。图11示出了从LED组件110开始的制备LED器件的示意性工艺流程图，其中图9a和9b的光学层设置在图7所示的LED组件上。
在将光学层结合到光学结合组合物之后，透镜部件形成至少一个透镜并且透镜与光学层的剩余部分分离。在一些实施例中，透镜的形成方式为将其从光学层中部分切离以形成透镜轮廓，从而可在不久以后将其完全分离。在一些实施例中，透镜的形成方式为将其完全分离或对光学层打孔以形成透镜。在这两类实施例中，透镜最终都与作为被打孔的光学层而被移除的光学层分离。可通过冲模切割、吻切、激光切割或旋转切割来进行切割。可通过冲模切割、激光切割或旋转切割来进行单个步骤的打孔。在一些实施例中，光学层中的穿孔尺寸和形状涵盖了所需透镜的尺寸和形状。
图11示出了从透镜部件形成为透镜的过程，其中光学结合组合物形成了层。在此实例中，始终制造穿过光学层的穿孔111以形成透镜112和打孔的光学层113。另外在此实例中，始终制造穿过光学结合组合物层的穿孔以形成光学结合区段114和打孔的光学结合组合物层115。对于不存在光学结合组合物层的实施例而言，打孔过程将仅涉及对光学层打孔。对于可移除保护层上某些区域有光学结合组合物而某些区域没有的实施例，打孔将涉及在需要的地方对光学结合组合物打孔。
在打孔之后，可将可移除保护层从基底上移除，如图11所示。设置在可移除保护层上的所有光学结合组合物和打孔的光学层也会被移除。在形成了不完整的光学结合组合物层的情况下，可移除保护层上的所有多余的光学结合组合物将随打孔的光学层一起移除。在可移除保护层上没有光学结合组合物的情况下，仅移除打孔的光学层。
在一些实施例中，可移除保护层中的穿孔形状与光学层中的穿孔形状相同。在一些实施例中，如图11所示，形状的尺寸可以相同并且彼此大致对准。一般来讲，可移除保护层和光学层中的穿孔可采用任意的形状和尺寸组合，前提条件是可以完全移除设置在可移除保护层上的光学结合组合物和打孔的光学层，而不会对留在LED器件上的透镜产生不利影响。在一些实施例中，可移除保护层中的穿孔大于光学层中的穿孔。
在将可移除保护层和光学结合组合物以及打孔的光学层完全移除之后，基底上留下了多个LED器件116。可任选的是，LED器件可以彼此分离以形成单独的LED器件117。如本文所用，LED器件是指设置在基底上的LED管芯，LED管芯通过设置在LED管芯和透镜之间的光学结合组合物光学耦合到透镜。可通过锯切、激光切割或其他切割技术分离各个LED器件。
某些LED组件具有基底，使得围绕每个LED管芯或LED管芯群组形成反射杯或反射井。图12为示例性LED阵列120的横截面透视示意图，其中具有引线键合122的LED管芯121设置在基底124的反射杯123中。对于具有单个LED管芯的反射杯或反射井，杯直径的范围可以为约0.5至约10mm，或为约1至约5mm。对于具有三个LED管芯的反射杯或反射井，杯直径的范围可以为约1至约30mm。
对于图12中所示的实施例，可以用光学结合组合物填充或稍微过量填充反射杯。然后可以将光学层设置在其上可能有或可能没有光学结合组合物的基底上。图13为LED组件130的横截面透视示意图，其中反射杯未过量填充光学结合组合物131，并且光学层132设置在基底124上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。在一些实施例中，如果需要分离LED器件，则可分离它们以得到如图14a所示的单独的LED器件。在一些实施例中，如果需要分离LED器件，则可围绕透镜部件对光学层打孔(例如通过吻切)，然后移除基底上多余的光学结合组合物和打孔的光学层。接着可以分离LED器件以得到如图14b所示的单独的LED器件。在使用光学结合组合物过量填充反射杯的情况下，可在基底的顶面上采用脱模剂以有利于移除任何多余的光学结合组合物和打孔的光学层。
在一些实施例中，在反射杯过量填充光学结合组合物的情况下，可以使用可移除保护层。图15a为LED组件150的横截面透视示意图，其中过量填充反射杯，使得光学结合组合物形成层。具有多个透镜部件的光学层设置于其上。可移除保护层151在过量填充反射杯之前设置在基底124上。穿孔152表明了可对光学层和光学结合组合物打孔以形成单独透镜的位置。图15b为打孔并移除了可移除保护层、多余的光学结合组合物和打孔的光学层之后的LED器件的横截面透视示意图。在一些实施例中，可移除保护层可与LED阵列120和光学结合组合物一起使用，但光学结合组合物不会形成层。
某些LED阵列具有安装到引线框架上的反射杯，该框架上至少一个具有引线键合的LED管芯设置在至少一个杯的内部。图16为示例性LED组件160的横截面透视示意图，其中具有引线键合162的LED管芯161设置在安装到引线框架164上的反射杯163中。基底165包括反射杯，具体是反射杯的顶面。
对于图16中所示的实施例，可以用光学结合组合物填充或稍微过量填充反射杯。然后可以将光学层设置在其上可能有或可能没有光学结合组合物的基底上。图17a为LED组件170的横截面透视示意图，其中反射杯未过量填充光学结合组合物171，并且光学层172设置在基底165上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。例如通过吻切，可围绕透镜部件对光学层打孔，如穿孔173所示。图17b为移除多余的打孔的光学层后LED器件的横截面透视示意图。
对于图17a中所示的实施例，凹槽174形成在光学层、反射杯和引线框架之间。因此，可能需要光学层足够强效以包覆透镜部件之间的凹槽而不影响透镜部件与LED管芯的光学耦合。如果需要，光学层可被设计为具有能够填充凹槽的凸起。作为另外一种选择，可以使用可移除保护层填充凹槽。图18a为一个实施例的横截面透视示意图，其中结合使用了可移除保护层和图16中的LED组件。在图18a中，可移除保护层180填充凹槽，使得可移除保护层顶面与基底181(即反射杯的顶面)大致共平面。在这种情况下，可移除保护层为基底的一部分。光学结合组合物182填充或稍微过量填充反射杯，并且具有多个透镜部件的光学层设置于其上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。可围绕透镜部件对光学层打孔，如穿孔184所示。图18b为移除了可移除保护层和打孔的光学层183后的LED器件的横截面透视示意图。对于图18a中所示的LED组件，光学结合组合物可在基底上形成层。
图19a为另一个实施例的横截面透视示意图，其中结合使用了可移除保护层和图16中的LED组件。图19a中，可移除保护层190设置在基底191上，使得反射杯的顶面被包覆。在这种情况下，可移除保护层为基底。光学结合组合物192填充或稍微过量填充反射杯，并且具有多个透镜部件的光学层设置于其上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。可围绕透镜部件对光学层打孔，如穿孔194所示。图19b为移除了可移除保护层和打孔的光学层193后的LED器件的横截面透视示意图。
对于图19a中所示的实施例，凹槽195形成在可移除保护层、反射杯和引线框架之间。因此，可能需要可移除保护层足够强效以包覆透镜部件之间的凹槽而不影响透镜部件与LED管芯的光学耦合。如果需要，可移除保护层可被设计为具有能够填充凹槽的凸起。作为另外一种选择，可以使用填料层填充凹槽。填料层可以包含橡胶或可用作可移除保护层的任何材料。
对于图18a和19a中所示的实施例，光学结合组合物可在基底上形成层。图20a和20b为其他实施例的横截面透视示意图，其中光学结合组合物分别在图18a和19a的LED组件中形成层。在图20a中，可移除保护层200被设置为使得反射杯和可移除保护层的顶面大致共平面。光学结合组合物202过量填充反射杯从而形成层。具有多个透镜部件的光学层设置于其上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。可围绕透镜部件对光学层打孔，如穿孔203所示。图20b中，可移除保护层205设置在基底206上，使得反射杯的顶面被包覆。光学结合组合物207过量填充反射杯从而形成层。具有多个透镜部件的光学层设置于其上。如上所述，光学结合组合物结合到光学层。可围绕透镜部件对光学层打孔，如穿孔208所示。
图21为其他实施例的横截面透视示意图，其中包括多个透镜部件的光学层相对于LED管芯的位置为非移变。在图21中，可移除保护层210填充凹槽，使得可移除保护层顶面与基底211(即反射杯的顶面)大致共平面。在这种情况下，可移除保护层为基底的一部分。光学结合组合物212填充反射杯。光学层213包括多个透镜部件，使得该层可以相对于LED管芯的位置布置在任何位置或几乎任何位置，从而使至少一个LED管芯光学耦合到其上方的透镜部件。一般来讲，要获得非移变的光学层，透镜部件必须具有如上所述的微观结构或宏观结构尺度。一般来讲，对于非移变的光学层，透镜部件必须小于LED管芯宽度的较小尺寸。
本发明讨论的示例性实施例以及本发明中提及的可能的变型和修改形式对于本领域内的技术人员将显而易见，并没有脱离本发明的范围，并且应当理解，本发明并不局限于本文所阐述的示例性实施例。因此，本发明仅受下面提供的权利要求书的限制。

Claims (38)

1.一种LED组件，包括：
多个LED管芯，所述多个LED管芯设置在基底上，以及
可移除保护层，所述可移除保护层具有多个穿孔，所述可移除保护层设置在所述基底上并与所述多个LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准。
2.根据权利要求1所述的LED组件，其中所述基底包括电路板。
3.根据权利要求1所述的LED组件，其中所述基底包括多个反射杯，其中至少一个反射杯包括至少一个LED管芯。
4.根据权利要求1所述的LED组件，其中所述可移除保护层包括压敏粘合剂。
5.根据权利要求1所述的LED组件，还包括设置在所述LED管芯上的光学结合组合物。
6.根据权利要求5所述的LED组件，其中所述光学结合组合物形成层。
7.根据权利要求5所述的LED组件，其中所述光学结合组合物包含含硅的树脂。
8.根据权利要求7所述的LED组件，其中所述含硅的树脂包括聚有机硅氧烷。
9.根据权利要求5所述的LED组件，其中所述光学结合组合物包含压敏粘合剂。
10.根据权利要求5所述的LED组件，其中所述光学结合组合物为封装剂。
11.根据权利要求5所述的LED组件，还包括设置在所述LED管芯和所述光学结合组合物之间的封装剂。
12.根据权利要求5所述的LED组件，还包括具有多个透镜部件的光学层，所述光学层接触所述光学结合组合物，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
13.根据权利要求12所述的LED组件，其中所述光学层包含含硅的树脂。
14.根据权利要求13所述的LED组件，其中所述含硅的树脂包括聚有机硅氧烷。
15.根据权利要求12所述的LED组件，其中所述透镜部件形成非朗伯光分布。
16.根据权利要求12所述的LED组件，其中所述透镜部件包括半球状透镜。
17.根据权利要求12所述的LED组件，其中所述透镜部件包括菲涅耳透镜。
18.根据权利要求1所述的LED组件，还包括设置在所述可移除保护层和所述基底之间的反射层或吸收层。
19.根据权利要求18所述的LED组件，还包括设置在所述基底和所述反射层或吸收层之间的粘合剂层。
20.一种LED组件，包括：
基底，所述基底包括多个反射杯；
至少一个LED管芯，所述至少一个LED管芯设置在至少一个反射杯中；
光学结合组合物，所述光学结合组合物设置在所述至少一个LED管芯上；以及
光学层，所述光学层包括多个透镜部件，所述光学层接触所述光学结合组合物，使得所述至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
21.一种制造LED组件的方法，所述方法包括：
提供设置在基底上的多个LED管芯；
提供具有多个穿孔的可移除保护层；
将所述可移除保护层设置在所述基底上，并使其与所述多个LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准；
将可聚合组合物设置在所述至少一个LED管芯上；以及
施加光化学辐射和/或热以聚合所述可聚合组合物。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
提供包括多个透镜部件的光学层，以及
使所述可聚合组合物与所述光学层接触，使得所述至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括切割所述光学层以形成切割光学层，其中切割过程包括形成包覆所述至少一个透镜部件的透镜的轮廓。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括从所述基底分离所述切割光学层和所述可移除保护层。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括隔离至少一个LED器件，所述至少一个LED器件包括所述至少一个LED管芯和所述透镜。
26.根据权利要求22所述的方法，还包括对所述光学层打孔以形成穿孔的光学层和包覆所述至少一个透镜部件的透镜。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括从所述基底分离所述穿孔的光学层和所述可移除保护层。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括隔离至少一个LED器件，所述至少一个LED器件包括所述至少一个LED管芯和所述透镜。
29.一种制造LED组件的方法，所述方法包括：
提供设置在基底上的多个LED管芯；
提供具有多个穿孔的可移除保护层；
将所述可移除保护层设置在所述基底上，并且使其与所述LED管芯位于同侧，使得至少一个穿孔与至少一个LED管芯对准；以及
将光学结合组合物设置在所述至少一个LED管芯上。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：
设置包括多个透镜部件的光学层，以及
使所述光学结合组合物与所述光学层接触，使得至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括切割所述光学层以形成切割光学层，其中切割过程包括形成包覆所述至少一个透镜部件的透镜的轮廓。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括从所述基底分离所述切割光学层和所述可移除保护层。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括隔离至少一个LED器件，所述至少一个LED器件包括所述至少一个LED管芯和所述透镜。
34.根据权利要求30所述的方法，还包括对所述光学层打孔以形成穿孔的光学层和包覆所述至少一个透镜部件的透镜。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括从所述基底分离所述穿孔的光学层和所述可移除保护层。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括隔离至少一个LED器件，所述至少一个LED器件包括所述至少一个LED管芯和所述透镜。
37.一种制造LED组件的方法，所述方法包括：
提供包括多个反射杯的基底，至少一个反射杯包括至少一个LED管芯；
将可聚合组合物设置在所述至少一个LED管芯上；
提供包括多个透镜部件的光学层；
使所述可聚合组合物与所述光学层接触，使得所述至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件；以及
施加光化学辐射和/或热以聚合所述可聚合组合物。
38.一种制造LED组件的方法，所述方法包括：
提供包括多个反射杯的基底，至少一个反射杯包括至少一个LED管芯；
将光学结合组合物设置在所述至少一个LED管芯上；
提供包括多个透镜部件的光学层；
使所述光学结合组合物与所述光学层接触，使得所述至少一个LED管芯光学耦合到至少一个透镜部件。
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