CN102057508B - 带有球冠状颜色转换层的发光二极管模块 - Google Patents

Abstract

LED模块具有至少一个发出第一光谱的单色光的LED芯片(4)、其上安装该LED芯片的平板(2)、单独或与该平板一体地构成且完全包围该LED芯片的反光壁(9)和施加在LED芯片上的分配层(11)。分配层呈球冠状如此延伸超过反光壁，即满足以下公式：0.1*b≤h≤0.5*b，其中，h是球冠状分配层的高出值，是从反光壁的最顶点到球冠顶点测定的，b是由反光壁构成的凹面的直径，是作为该壁的中心轴线的间距测定的。

Description

带有球冠状颜色转换层的发光二极管模块

技术领域

本发明总体涉及LED模块(即其中LED芯片(LED芯)安置在载体(一般是平板)上的模块)领域。此外，为了机械保护例如接合引线并且也为了影响由LED芯片发出的光的光学性能而作了这样的公开：在这种LED模块中通过已知技术(例如模板技术)在LED芯片上施加(分配)一个透光层。

背景技术

关于LED芯片在平板上的安置，存在各种不同技术。在所谓的板上芯片封装(COB)技术中，通常将发光LED芯片直接安放到印刷电路板上并随后用透明的分配材料封装。在表面贴装技术(SMT)中，通常用反光材料包围芯片，用于减少会因散射作用而损失掉的光量。

以下，包围LED芯片的材料整体(反光壁、平板等)被称为封装件。封装件的任务是，除了通过借助反光面(陶瓷、金属等)预先校准光线发出方向来提高效率外，尤其保证LED芯片的供电(例如通过经过封装件的通孔金属化结构“通孔”或接合引线)和保证LED芯片有效对环境散热。

作为透明的分配材料，例如公知有硅树脂和环氧树脂。透明的分配材料可包含波长转换物质(也称为荧光材料)、用于更好地混匀转换光谱和原由LED芯片发出的光谱的散射颗粒以及用于调整流变参数如粘度、储能模量和损耗模量的添加剂。

未固化的分配材料与选择加入的荧光材料(磷光材料)、稠度添加剂等的混合物以下也被称为膏料。

在COB领域中通常采用很粘稠的膏料用于分配，即膏料具有高于50Pa*s的粘度并具有超过100且优选是500-1000的储能模量，以保证分配层的几乎半球形的表面形状以及机械稳固性和形状稳定性。

对于结构很紧凑的且其中或许并排有多个孔穴来密密麻麻容纳LED芯片于硅晶片上的封装件，这样很粘稠的膏料的分配因可能有的空气夹杂而带来问题。空气夹杂的危险可以通过降低粘度以及还通过提高分配过程中的剪切力来降低。可是在此情况下，硅树脂融汇到两个或更多个并列孔穴之间的危险提高。

EP1786045A2公开了通过分配工艺将一个分配层施加在安置于平板凹面中的LED芯片上。

US2006/0199293A1中公开了在LED芯片上分配具有2000-3000cP(2-3Pa*s)粘度的环氧树脂。

发明内容

根据本发明，该任务将通过独立权利要求的特征来完成。从属权利要求非常有利地改进了本发明的中心构想。

根据第一方面，本发明提出一种LED模块，它具有：

-至少一个LED芯片，其发出第一光谱的单色光，

-平板，该LED芯片被安装在该平板上，

-一个单独地或与平板一体地构成的且完全包围LED芯片的反光壁，以及

-施加在LED芯片上的分配层。

在此，分配层呈球冠状如此延伸超过反光壁，即满足以下公式：

0.1×b1≤h1≤0.5×b1

其中，h1是球冠状分配层的高出值，是从反光壁的最顶点到球冠顶点测定的，b1是由反光壁构成的凹面的直径，是作为反光壁中心轴线的间距测定的。

高出很多的球冠有以下优点：

-改善光耦合输出效果，

-改善通过不同角度射出的光的颜色均匀性，

-提高在晶片、模块或印刷电路板上的封装密度，

-降低分配体积。

分配层例如是含有荧光材料颗粒的颜色转换层，荧光材料颗粒将LED芯片的第一光谱部分地转换为第二光谱的光，其中，该LED模块发出第一和第二光谱的混合光。

该分配层可以具有散射颗粒。

该分配层可以具有增稠物质如硅酸。

优选满足公式0.15×b1≤h1≤0.3×b1或者0.2×b1≤h1≤0.25×b1。

优选h1大于200μm，优选大于250μm，尤其优选大于300μm。

该平板例如可以基于硅制成。

例如正方形或长方形的LED模块的外边缘可具有2mm至3mm的范围内的长度。

球冠最大直径b2例如可以比该壁的中心轴线的间距b1小最多10％，优选是小5％。

优选LED芯片离反光壁的间距最大为0.5mm。该间距最佳地位于0.1mm至0.2mm的范围内。

反光壁可以竖直定向。

此外，反光壁可构成一个框架，该框架围绕该至少一个LED芯片。

根据另一个方面，本发明提出一种LED模块，它具有：

-至少一个LED芯片，它发出第一光谱的单色光，

-平板，该LED芯片安装在该平板上，

-单独地或与该平板一体地构成的且完全包围LED芯片的反光壁，以及

-安置在LED芯片上的分配层。

在这里，从LED芯片至反光壁的间距最大为0.5mm，优选在0.1mm至0.2mm的范围内。

该分配层是含有荧光材料颗粒的颜色转换层，该荧光材料颗粒将LED芯片的第一光谱部分地转换为第二光谱的光，其中，该LED模块发出第一和第二光谱的混合光。

该分配层具有散射颗粒。

该分配层具有增稠物质如硅酸。

优选地，该分配层在远离平板的一侧具有平面的、凹形或凸形的表面。

此外，由LED芯片、分配层和反光壁构成的组件被由透镜构成的光学镜组包围。

反光壁优选竖直取向。

此外，反光壁构成一个框架，该框架包围该至少一个LED芯片。

本发明还涉及一种LED模块组件，它具有多个与同一平板相连接的上述类型的LED模块。在这里，分配层与反光壁重叠，其中，彼此相邻的分配层未延伸会合并且在一个共同的反光壁上被相互分隔开。

分配层例如能以大于50PaS的粘度且优选是60至80PaS的粘度施加。

分配层能够以大于10巴、优选小于15巴至20巴的压力来施加。较高的压力是有利的，因为高压暂时改善了分配时的流动性能。

分配层的储能模量可以在施加时介于500-1000，优选是500-1000。

附图说明

现在，将参照附图来详细说明本发明的其它优点、特征和性能，其中：

图1示出了本发明LED模块的第一实施例的侧向剖开构造，

图2示出了本发明LED模块的第二实施例，

图3a至图3c是说明根据三个不同实施方式的要用于颜色转换的颜色转换材料的几何尺寸的示意图，

图4示出了本发明LED模块的第三实施例，

图5a和图5b示出了本发明LED模块的第四实施例，

图6表示LED模块按照本发明的布置形式的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的LED模块1具有例如晶片状的平板2，它例如可以基于硅制成。在平板2的顶侧3上设有一个LED芯片4。但是，也可以使用更多的LED芯片到LED模块中。也可以想到采用OLED。

在平板2的顶侧上可以施加SiC₂层。

在所示的例子中，存在所谓的面朝上配置形式，即，在LED芯片4顶侧上的电极5、5′借助接合引线6、6′与在平板2顶侧上的金属化焊盘7、7′电连接。从金属化焊盘7、7′起，例如由金、铝或银构成的通孔金属化结构(通孔)8、8′延伸到平板2的背面，用于借此使LED芯片4的电极5、5′与平板2的背面相连。

设有反光壁9，它沿侧向以规定间距围绕LED芯片4，该反光壁同样可以由硅制造。该反光壁9可以与平板2一体地构成(例如通过蚀刻)，或者作为独立构件被安置到平板2上。通过这种方式，反光壁9可以构成一个框架，该框架包围该至少一个LED芯片4。

优选地，至少该反光壁9的内壁10以角度α倾斜。优选地，该内壁10也是反光构成的，例如通过抛光该表面或者通过施加例如金属层。反光壁例如可以具有由聚四氟乙烯构成的反光器件。每个反光壁9的顶侧13优选是平的。

在LED芯片4上施加有分配层11。该分配层11填充由反光壁9限定的空间，就是说，该分配层部分地在LED芯片4的侧旁且部分地在芯片4的上方。但此外，分配层11以高出值h₁呈球冠状延伸超过反光壁9的最高点。反光壁9的该最高点在图1中如此布置，即，它位于在平板2顶侧上方的高度h₂。确切地说，高度h₁表示球冠状分配层的顶点12高出反光壁9的最高点的高出值。

球冠底边的宽度(即在反光壁9顶侧上的球冠直径)在图1中用b₂表示。

b₃表示反光壁9的倾斜内侧10的最高点的宽度(即圆形时的直径)。

用b₂表示优选为圆形的反光壁9的直径，确切地说，是在中心线上在内侧测量的直径，该中心线将反光壁9的顶侧13一分为二。在图1所示的反光壁9的对称设计中，就是说，此时反光壁具有总以角度α倾斜的壁10或14，宽度b₁对应于圆形反光壁9的、在反光壁的竖直对称轴线上测定的直径。

优选地，如此选择直径b₂即球冠11底边的直径，即它最多比直径b₁小10％，优选小5％或更小。这意味着球冠在图2的视图所示的多个根据图1的LED模块的布置形式中近似邻接，但没有延伸会合。

球冠状分配层与优选是平面的反光壁的顶侧13重叠。

根据本发明，现在已查明，在分配层的高出值增大时，就是说当球冠状分配层非常隆凸地形成时，可加强光的耦合输出效果，在这里，根据本发明，该效果在以下情况下越高：

-光波长越高，即例如对于红色LED，在表面形状相同且分配层组成相同时，光发出效率增益大于例如针对蓝色或绿色LED的光发出效率增益，

-比例h1/b1越大，

-分配基材所含的荧光材料越少，即在芯片相同且芯片功率相同时，对于透明的单色LED(即没有转换用荧光材料)，效率增益高于经过相应颜色转换的LED。

当例如如此选择比例h1/b1时，即满足以下公式：

0.15×b1≤h1≤0.25×b1

根据本发明测定，关于光发出的效率增益如下：

红色LED：30-40％

蓝色LED：20-30％

白色LED：6.500k)12-17％

通过凸形分配层的透镜作用(曲率越大，该作用越大)，还将改变辐射特性，即其随着高出值增大而缩窄，这种改变对于单色LED来说比经过颜色转换的LED更显著。这种差异源于荧光材料的散射效果。

根据本发明，将如此获得具有高隆凸性的分配层，即一方面混合了增稠物质例如硅树脂基材。该增稠物质例如可以是涂覆或未涂覆的硅酸。另一方面，在分配过程中，在使用分配针并在高分配压力的情况下产生很高的剪切力，由此可以实现高度粘稠的膏料的暂时流动。

现在，本发明已经查明，高凸度也对白光LED的颜色均匀性产生积极效果。在这里，均匀性是指当在极图中看时色温在很大程度上经过不同的辐射角度改变。在本发明中，光经过在分配层边缘上的极其凸起的层的行程基本上等于在分配层中央的行程。

要指出的是，反光壁9在俯视图中看不一定是圆形或椭圆形的，而是也可以设计成正方形或长方形。

在下表中，用于制造或设计LED模块的标准值与根据本发明的示例值进行比较：

参数	现有技术	实施例
				b1	2.50	2.50	mm
h1	100-200	＞200	μm
				粘度	10-30	60-80	Pa*s
储能模量	30-100	500-1200
				分配压力	4	30	巴

图2所示的且带有附图标记1的LED模块表示本发明LED模块的另一个实施例。在这里，主要区别在于分配层11即颜色转换材料可具有平的顶面。即，作为附加光学镜组，将一个透镜20设置在反光壁9上。

此外，LED模块首先还具有至少一个优选发蓝光的LED芯片4，它设置在平板2即基底上，平板2具有隔离层22以及带有印制导线23的导电层，其中，接合引线6从该印制导线延伸至芯片表面，以便导电接通LED芯片4。注意，基底2也可以按照其它方式构成。尤其是，可以采取允许LED芯片4有效散热的特殊措施。

为了将由LED芯片4发出的光转换为白色混合光，设有颜色转换材料11，它包围LED芯片4并含有颜色转换颗粒尤其是荧光材料，其将光的至少一部分转换为其它波长的光。根据本发明，LED芯片4和颜色转换材料11被反光壁9包围，反光壁9例如可以由金属反光件构成，或者它可以漫反射地构成，对此，它例如由聚四氟乙烯或硫酸钡构成。与已知的发光二极管布置形式不同，反光壁9已经有一段小于0.5mm距离地围绕LED芯片4安置，它优选离LED芯片4的侧表面有0.1mm-0.2mm的距离。

壁9通过这种方式重新构成一个包围LED芯片的框架。现在可以想到，一个这样的框架还具有第二区域。该第二区域可以用作对接合引线6的特别保护。这意味着与接合引线电接触的印制导线23的区域被第二框架区域包围并因而得到保护。此外，对此有利的是，在接合引线在LED模块制造时已与印制导线电接通后，第二框架区域中填充有物质例如硅树脂。

通过优选竖直取向的反光壁9，由LED芯片4侧向发射出的光又被转向，对此首先将发光面大小限制到反光器9的上开口。而且，从LED芯片4侧射出的光在周围的颜色转换材料11中被部分地转换，或者说在初次穿过荧光颗粒时未被吸收和转换的那部分光在反光壁9上被反射，随后又返回，直到该光具有白色光谱分布并在颜色转换材料11的顶侧发出。

包括LED芯片4、颜色转换材料11和反光器9的组件最终还被一个光学镜组包围，该光学镜组由一个透镜20构成，该透镜包围该组件。如此构成透镜20，即它只在其上侧区域具有弯曲表面，用于以期望的方式投射在颜色转换材料11的顶侧散射的光。而透镜的下方圆柱形部分没有光学作用，这是因为借助反光器9限制发光区导致在此区域内本来就没有光发出。因此，反光器9允许采用非常简单紧凑构成的透镜，它不管怎样完全投射由LED芯片发出的且或许通过颜色转换材料11被转换的光。而在本发明LED模块中不存在侧向出射的、不具有期望的颜色混合效果且进而不能被利用的光。

图3a再次示出了本发明LED模块1的特定尺寸，该图示出了本发明LED模块的第三实施例的一部分。如可从该图中看到，LED芯片4的侧面和反光器9之间的间距用x表示，而LED芯片4顶面至颜色转换材料11顶面的间距用h表示。如上所述，LED芯片和反光器9之间的间距x根据本发明被选择为很小，最大为0.5mm，优选只等于0.1mm-0.2mm。而颜色转换层7的厚度等于至少0.05mm，并且优选如此选择，即，hmin＝0.05mm+x适用于最小厚度。一般不存在颜色转换层厚度h的上限，这是因为该厚度越大，混合光的产生越被优化。如上所述，LED芯片4所发出的光的转换概率与透过颜色转换材料11的光的行程成正比，因而为了获得均匀的光发出而应力求尽量大的厚度。但从加工技术角度考虑，优选选择3mm的厚度h的上限，这是因为总体看还希望获得尽量紧凑而扁平的LED模块结构。

在图3a的布置形式中，与图2所示的LED模块的第二实施例的区别在于，现在不再通过接合引线来实现LED芯片4的电接通。取而代之的是，芯片4在所示的实施方式中面朝下，就是说是倒装的。在此情况下，导通借助所谓的焊球24来实现，该焊球直接产生包含印制导线23的层与芯片4顶面的导通。这也通常被称为倒装封装技术。将LED芯片4安置在基底2上尤其也在可获得的光强度方面带来优势，这是因为在该安装技术中可以获得改善的光发出。这尤其归功于不需要接合引线并进而获得无阴影的辐射面。

不过，代替采用印制导线，也可以想到实现通孔金属化结构。为此，焊球24与例如由金、银或铝构成的通孔金属化结构(通孔)电连接。这用于使LED芯片4的电极与平板2的背面相连。

图4示出了发光二极管组件的完整布置形式，在这里，反光器9连同颜色转换材料11和LED芯片4又被透镜组20包围。

图3b和图3c表示颜色转换材料11的其它实施例，该颜色转换材料被反光壁9包围。如图3b所示，反光壁9也可以具有凹形表面。也可以想到凸形表面，如图3c所示。此外，LED模块在此分别具有两个LED芯片4。但是，也可以采用更多或更少的LED芯片。

在根据图2的本发明的上述实施例中，颜色转换材料11和反光器9直接被由透镜20构成的光学镜组包围。图5a和图5b现在表示本发明LED模块1的另一个实施例，在这里，采用一个所谓的辅助透镜21，它离颜色转换材料11的表面有一定距离地设置。LED模块1首先又具有与根据图4的实施例一样的构件，在此，相同的零部件带有相同的附图标记。但此外，现在是在带有印制导线23的导电层的表面上布置垫块25，辅助透镜21设置在垫块顶侧。例如可以由另一个隔离层构成的垫块25的厚度是如此选定，即，辅助透镜21通过小的气隙26与颜色转换材料11分隔。这样，能非常有效地投射从颜色转换材料11的顶侧发出的光。

通过颜色转换材料11的顶面射出的光现在通过气隙26被耦合输入辅助透镜21。在从颜色转换材料11射出时，光因为荧光材料的散射和从荧光材料到空气的折射率变化而呈朗伯分布，即光出射在所有方向上看基本是相同的。对于辅助透镜21的折射率n＝1.5的情况，这种分布又在入射辅助透镜21时根据透镜折射率而集束到例如为±41.8°的区域。在图5b中示出该效应。当从透镜21出射时，光线随后必须例如对于40°透镜最多以21.8°被转向，这可以不太费事地做到且尤其没有严重损失地进行。

因此，包括通过反射器被侧向限制的颜色转换材料的所示结构提供以下可能，光(除了菲涅尔反射外)投射几乎达到100％。为此，与现有技术相比，在期望的目标区内的可用光部分可以明显增加。同时，获得有效的颜色混合，由此保证也能借助一个透镜或其它的传统光学镜组来有效均匀地投射白色混合光。

如图6所示，根据本发明，能够以行列形式或阵列形式即一维或两维地并排邻接布置LED模块，以构成一个LED模块组件。该LED模块组件具有一个共同的平板2，相邻的分配层(12，12′)能重叠于一个共同的反光壁，但未会合。如图1所示，在两个相邻的球冠状分配层之间有间距a，该间距小于上方的平坦反光壁13的宽度。如果采用一个附加光学镜组，如图2所示，则优选地每个独立LED模块被这样一个光学镜组覆盖。但也可以想到，多个LED模块被一个共同的光学镜组覆盖。如果光学镜组起到扩散器作用，则这些LED模块所发出的光能混合。

本发明尤其涉及包含LED芯片的COB模块和SMT模块。尤其对于根据图1的实施例，此时有以下优点：

通过在分配过程中的高粘度和高储能模量，可以获得硅树脂封装表面的增强弯凸曲率(比例h1/b1增大)。这样，一方面将改善光的耦合输出效率，这是因为总反射效率和光导效率被减弱。另一方面，可以在分配层的规定高度(h1，参见图1)时减小分配体积并提高封装密度(因为硅树脂在分配和固化过程中不怎么流动，甚至不流动)。

如果是COB，则可以增加印刷电路板上的芯片密度。

在SMT的情况下，例如在硅平板的情况下，多个独立孔穴密密麻麻排列在一个Si晶片上，在Si晶片上(8″晶片时)有多达数千的孔穴。在分配膏料的相应流变学的情况下，一方面，在封装密度恒定时可以增大高度h₁，另一方面，在h₁已预定的情况下增大封装密度。

在颜色均匀性方面也有优点。通常，在COB中或SMT时的矮凸形硅树脂封装的情况下，光子从LED芯片沿光轴到达硅树脂表面的平均行程比别处短，在这里，人离开光轴越远，平均行程就越长。通过提高比例h₁/b₁(见图1)，平均行程的最大差被减小，即，在经过颜色转换的白色LED中，在LED通电时，表面给人的颜色印象是均匀一致的。

附图标记列表

1LED模块；2平板/基底；3平板顶侧；4LED芯片；5电极；6接合引线；7金属化焊盘；8通孔金属化结构；9反光壁；10反光壁内侧；11分配层/颜色转换物质；12球冠状分配层的顶点；13反光壁顶侧；14壁；20透镜；21辅助透镜；22隔离层；23印制导线；24焊球；25垫块；26气隙。

Claims (27)

1.一种LED模块，所述LED模块具有：

-至少一个LED芯片(4)，其发出第一光谱的单色光，

-平板(2)，所述LED芯片安装在所述平板上，

-单独地或与所述平板一体地构成的且完全包围所述LED芯片的反光壁(9)，以及

-施加在所述LED芯片上的分配层(11)，

其特征在于，所述分配层呈球冠状地如此延伸超过所述反光壁，即，满足以下公式：

0.1×b1≤h1≤0.5×b1

其中，如此定义h1，即，所述分配层以高出值h1延伸超过由所述反光壁限定的空间，b1是由所述反光壁构成的孔穴的直径，是测出的顶侧(13)的中心轴线的间距。

2.根据权利要求1的LED模块，其中所述分配层是含有荧光材料颗粒的颜色转换层，所述荧光材料颗粒将所述LED芯片的第一光谱部分地转换为第二光谱的光，其中所述LED模块发出第一光谱和第二光谱的混合光。

3.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述分配层具有散射颗粒。

4.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述分配层具有增稠物质。

5.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述分配层具有硅酸。

6.根据权利要求1或2的LED模块，其中满足以下公式：

0.15×b1≤h1≤0.3×b1。

7.根据权利要求1或2的LED模块，其中h1大于200μm，并且该孔穴的边长为2-3mm。

8.根据权利要求1或2的LED模块，其中h1大于250μm，并且该孔穴的边长为2-3mm。

9.根据权利要求1或2的LED模块，其中h1大于300μm，并且该孔穴的边长为2-3mm。

10.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述平板基于硅制成。

11.根据权利要求1或2的LED模块，所述LED模块外边缘具有在2mm-3mm的范围内的长度。

12.根据权利要求1或2的LED模块，其中从所述LED芯片(4)到所述反光壁(9)的间距(x)最大为0.5mm。

13.根据权利要求1或2的LED模块，其中从所述LED芯片(4)到所述反光壁(9)的间距(x)在0.1mm至0.2mm的范围内。

14.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述反光壁竖直取向。

15.根据权利要求1或2的LED模块，其中所述反光壁构成一个围绕所述至少一个LED芯片的框架。

16.一种LED模块，所述LED模块具有：

-至少一个LED芯片(4)，它发出第一光谱的单色光，

-平板(2)，所述LED芯片安装在所述平板上，

-单独或与所述平板一体地构成且完全包围所述LED芯片的反光壁(9)，以及

-安置在所述LED芯片上的分配层(11)，

其特征在于，从所述LED芯片(4)至所述反光壁(9)的间距(x)最大为0.5mm。

17.根据权利要求16的LED模块，其中从所述LED芯片(4)至所述反光壁(9)的间距(x)在0.1mm至0.2mm的范围内。

18.根据权利要求16的LED模块，其中所述分配层是含有荧光材料颗粒的颜色转换层，所述荧光材料颗粒将所述LED芯片的第一光谱部分地转换为第二光谱的光，其中所述LED模块发出第一光谱和第二光谱的混合光。

19.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述分配层具有散射颗粒。

20.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述分配层具有增稠物质。

21.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述分配层具有硅酸。

22.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述分配层在远离所述平板的一侧具有平的、凹形或凸形的表面。

23.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中由所述LED芯片(4)、所述分配层(11)和所述反光壁(9)构成的组件被由透镜(20)构成的光学镜组包围。

24.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述反光壁竖直取向。

25.根据权利要求16至18之一的LED模块，其中所述反光壁构成一个包围该至少一个LED芯片的框架。

26.一种LED模块组件，具有多个与同一平板连接的根据权利要求1至19之一的LED模块，其中彼此相邻的分配层未延伸汇合而被一个共同的反光壁相互分隔开。

27.根据权利要求26的LED模块组件，其中所述分配层与所述反光壁重叠并且在一个共同的反光壁上相互分隔开。

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