CN102349168B - 具有改进光输出的led模块 - Google Patents

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Abstract

一种LED模块包括印刷电路板或者SMD载体。印刷电路板或者SMD载体上设置有至少一个LED芯片。在LED芯片的顶部设置有，也就是施放或者安装有一个元件。在印刷电路板或者SMD载体的施放有球形顶的表面上，优选地在芯片侧壁上，覆盖与LED芯片连接的白色反射材料。另选地，所述元件部分地被所述反射材料覆盖。

Description

具有改进光输出的LED模块
芯片直接贴装(COB)技术中，封装后的LED的光输出受到了周围封装材料的光学特性的影响，特别是磷光体和LED芯片的反射率和位置。封装材料的重要性体现在：
a)高反射率
b)高光稳定性
c)高热稳定性
图1示出了磷光体转换(phosphor-converted)白光LED的典型光发射路径，其中在LED芯片的发光区域的顶部覆盖有荧光粉。LED的一种构造是将发射端布置在半球形的中央，使得光能够以最小的反射损耗从LED封装输出。少量的光被反射回芯片和PCB或者SMD封装的周围区域中，在这里被吸收或者反射。如果半球形球体顶端在尺寸上足够大，那么大约3％-5％(这取决于半球材料的反射系数)的光会被反射并损耗掉。因为荧光粉在各个方向发光，座椅大约一半的光不得不被LED芯片本身反射，芯片本身也会产生一些附加的损耗。虽然高反射率也是一个LED芯片本身需要具备的特性，但高反射率的主要功能是发出有效率的光，这可能意味着其反射率的降低。
如果不需要高光密度，那么磷光体也可以分布在半球形球体顶内部。这样做不会对光输出和光路有明显改进，但是能够容易控制色彩稳定性和色彩再现性，并且光密度不会太高，这意味着需要进行相对少的防眩工作。
由于发射的光有很大一部分会落到PCB或者SMD封装上，因此，PCB或者SMD封装的反射率对最终的光输出影响很大。因为在一些情况下，区域部分需要用金线连接到芯片上，根据设计规则需要设定距离以保持区域部分不和阻焊层(solder stopmask)连接，所以PCB板或者SMD封装的总体反射率会受到限制，或者仅能够使用低稳定性的材料。
本发明的目的是改进在LED芯片的顶部(比如，所谓的球形顶)设置有元件的LED模块的光输出。
该目的通过独立权利要求的技术特征来实现。从属权利要求进一步扩展了本发明的中心思想。
根据本发明，LED模块，比如以芯片直贴(COB)技术制成的LED模块或者SMD封装载体可以包括至少一个安装在板上或者载体上的LED芯片。在对LED芯片裸片键合后，在板或者载体上涂覆反射性的，优选为白色的涂层，至少覆盖上面将设置元件(比如球形顶或者半球形透镜)的整个区域。此外，白色涂层可以覆盖LED芯片本身的一部分，比如侧壁的一部分。如果LED芯片没有横向发光，则所述涂层优选为具有75％到90％的芯片厚度，否则为了达到对具有侧向发光的LED芯片的反射率的改进，需要设置最小的高度。为了达到最佳的光反射效率，反射性的白色涂层优选与芯片的一部分相接触甚至交叠。基本上透明的球形顶可以设置在LED芯片的顶部和板或者载体的围绕LED芯片的区域上。板或者载体的设置有球形顶的表面被白色反射材料覆盖。虽然通过透明球形顶能够提升光输出，但是基本上漫射的填充有色变换材料(如由BOSE或者YAG或者氮化物制成磷光体)的球形顶会因为光将从磷光体向各个方向出射而在光输出方面产生更大影响。
根据本发明，能够使用高反射率的材料，所述高反射率材料被沉积在色转换元件底部与之紧密相连。这种高反射率材料总体的量根据能够达到的期望光波长和/或色温做调整。此外可以用更低的体积密度的反射材料来沉积反射材料，比如硅基体中的反射颗粒，使之在总体上具有更大的量，以便克服剂量上的不准确性。因为这种材料和基板紧密相连并且不包含磷光体粒子，所以硅树脂能够在没有热退化风险的情况下被使用。
一般情况下，用于LED的磷光体是磷光体转换LED领域的技术人员所公知的。
此外，散射材料可以存在于球形顶内或者(预成型的)半球形透镜内。
注意，被应用为球形顶的涂层对于LED封装领域的技术人员来说是公知的。
在无横向发光的芯片的情况下，反射材料可以是厚度在5微米到250微米的层，优选为20微米到200微米的层，更优选为100微米到150微米的层。
反射材料可以是具有顶部表面的层，其中在LED芯片位于板或者载体的顶部的情况下从LED芯片的侧面观察时，所述顶部表面低于LED芯片的顶部表面。
由于芯片高度根据时间会发生变化，因此反射材料可以是厚度为LED芯片厚度的75％到90％的层。
另外，LED芯片的一个或者多个侧壁，优选为垂直侧壁，涂覆了一种材料，所述材料被设置为对入射到LED芯片上的光进行反射。
可以在球形顶内和/或在LED芯片顶部表面上设置色转换材料。
反射材料可以被设计为至少对LED芯片和色转换材料(如果有的话)所发射的光谱进行反射。
LED模块可以发射基本上为白色的光，所述白色的光是LED芯片的光谱和色转换的发射光谱的混合。另外或者另选地，LED模块也可以发射可视光谱外的光。相应地，将设置依赖波长的反射特性。
本发明还提出了一种借助于(尤其对于COB技术)将反射率稳定至一个更好的可控值来改进LED模块的色坐标公差的技术，所述LED模块包括印刷电路板或者SMD载体。
当本领域技术人员结合附图阅读以下本发明实施方式部分的详细描述后，就能够明确本发明进一步的优点、特征和目的。
图1示出了代表现有技术的具有磷光体层的芯片封装；
图2示出了代表现有技术的具有分布式磷光体层的芯片封装；
图3示出了根据本发明优选实施方式的具有白色涂层的芯片封装；
图4示出了具有用于限定白色涂层的外部形状的额外屏障(dam)的LED芯片封装；
图5示出了涂覆在具有带横向发光的LED芯片的LED芯片封装上的白色涂层；
图6示出了涂覆在具有带侧发光的LED芯片的SMD封装上的白色涂层；
图7示出了DE 202007008258 U1中可知的可以应用本发明的改型LED模块；
图8示出了对图5和6的实施方式的进一步改进；
图9示出了根据本发明另选实施方式的对球形顶的一部分涂覆了涂层的LED芯片封装；
图10示出了对设置在LED芯片上方的预成型的元件涂覆了涂层的LED芯片封装；
图11示出了对设置在LED芯片上方的预成型元件的一部分涂覆了额外的涂层的LED芯片封装；
图12示出了对LED芯片侧面和设置在LED芯片上方的预成型元件的一部分涂覆了涂层的LED芯片封装；
图13示出了一种对壳体侧面附图了涂层的LED芯片封装，该壳体包括LED芯片和位于LED芯片上方的预成型元件。
为了克服图2中示出的一些问题，可以在载体或者板上的安装了LED芯片并且围绕LED芯片的区域上涂覆反射涂层。反射涂层可以覆盖所有具有有限反射率的部分，尤其是被球形顶覆盖的那部分。
在同一个球形顶(球形顶仅仅是设置在LED芯片顶部并包含有磷光体的元件的例子)内可以设置多个一个LED芯片。因此，“球形顶”仅表示一种设置在一个或者更多个LED芯片的顶部上的元件。
一个或者更多个这种LED可以发射具有蓝色光谱的光，这种光将会部分地被磷光体下转换。
另外，一个或者更多个LED可发射基本上不被磷光体下转换的光谱。也就是这种情况，比如，至少一个发射红光的LED芯片被设计为对蓝光进行下转换的磷光体所覆盖。
一个实施方式包括位于光学元件下的一个或者更多个LED芯片，所述光学元件包括一个或者更多个磷光体以便转换至少一个LED芯片的光谱，使得LED模块发射混合光谱，例如可以是白光，特别是暖白光。
这样的设置能够被用于改型的LED模块，也就是具有电连接的LED模块(类似于电灯泡或者卤素灯)。这种改型的模块出现在以引用方式并入本文的DE202007008258 U1的公开文本中。特别是参照DE 202007008258 U1中的图1，该图作为本说明书的图7被并入。图7中示出的板4和LED 7可以是根据本发明的相应部分。
球形顶可以是一个施放(dispensed)的球形顶或者是一个预成型的基本上为半球形的透镜元件。
另外，LED芯片的侧壁也可以被涂覆，由于这些侧壁通常是基于硅(一种已知的低反射率半导体材料)制成的。采用这种设计，能减少对反射率的约束，从而得到更好的光输出。
另外，能够实现相对于图1中所示的封装保持更低色坐标公差的优势。
PCB顶部通常使用的阻焊层典型地具有低于90％的反射率，有些低至仅60％。另外，在一些生产中采用热处理的情况下，反射率是可变的。由于对蓝光的显著吸收，金质焊盘的反射率甚至更糟。这一点可以通过采用银质的焊盘加以克服，但是金的移动速度(migration speed)远远小于银，这将导致更低的可靠性。为了最大化输出，必须寻求一种高反射率，这可以通过反射率涂层来实现。
可以通过标准的施放技术来涂覆反射材料层(白色涂层)，厚度为5微米到250微米，优选为20到200微米，更优选为100到150微米。
可以采用粘结剂或者胶水将LED芯片贴附在它的支撑结构上。这些材料在LED芯片侧壁上具有不希望出现的向上移动的趋势。本发明的白色涂层优选地具有足够的厚度，以确保白色涂层实际在上位于任何向上移动的粘结剂或者胶水之上与LED芯片连接。鉴于此，选择白色涂层的厚度要超过预期的向上移动的高度。
从板或者载体的表面上测得的厚度优选地大约占LED芯片厚度的75％到90％。因此，反射材料层的顶部表面将会变低，但是基本上平行于LED芯片的顶部表面(光发射面)。改进后的光输出在整个白色LED(比如一般的白色)可视范围内为15％的量级。
用于反射材料的硅基质中的典型染料是不导电材料，比如TiO2、BaSO3、ZrO2、BaTiO3。本发明还公开了一种生产这种包含白色涂层的LED的方法。
反射材料层，参见图3，可具有倾斜侧壁，也就是非垂直的侧壁。
球形顶可以表现为半圆形。
色转换材料可以设置在，比如球形顶和/或LED芯片的硅树脂基质上(比较图1)。
图4示出了具有用于限定白色涂层的外部形状的额外屏障结构的LED芯片封装。所述屏障结构优选地在涂覆白色涂层之前形成。所述屏障结构优选地由诸如硅基材料的材料制成，因此是由不同于白色涂层的材料的材料制成的。
图5示出了采用具有侧发光(侧发光＝当采用透明基板比如蓝宝石或者SiC时芯片侧壁发光)的LED芯片的COB封装实施方式。在这种情况下，白色涂层的厚度优选为小于LED芯片厚度的50％，更优选小于25％，最优选小于10％。
图5的实施方式可以进一步改进，如图8所示，在支承体上放置LED芯片，从俯视角度观察，支承体的轮廓在至少一个维度上等于或者小于LED芯片的轮廓。因此，白色涂层能够随意流动并且位于LED芯片的底面下方。所述支承体的厚度大于白色涂层的厚度。
另选地，支承体的围绕LED芯片的区域可以比如通过刻蚀而凹陷。尽管白色涂层与LED芯片的侧壁接触，但这些技术特征确保白色涂层基本上不覆盖LED芯片的侧发光表面。
图6示出了SMD封装的一个实例，该SMD封装具有侧发光的LED芯片。另外，白色涂层的厚度优选小于LED芯片厚度的50％，更优选小于25％，最优选小于10％。
图6的LED芯片安装在LED封装载体上，LED封装载体又焊接在比如PCB上。
根据本发明的另一些实施方式，参见图9到13，优选为白色材料的反射层可以涂覆在至少一个LED芯片的顶部上的(光学)元件的表面上。
设置在LED芯片顶部上的所述元件优选可以为半圆形球形顶6，如在第一实施方式中所述或者参见图9，所述球形顶例如是沉积在基板5的顶部、LED芯片4及其裸片(未示出)上方的树脂。另选地，并根据如图10到13的另一些实施方式，设置在LED芯片顶部上的元件可以是预成型或者预先制造的、设置在LED芯片上，优选设置在LED芯片的裸片上的光学元件7。预成型的元件7优选是透镜并且可以为例如半圆形(未示出)或者矩形，就像图12中设置在LED芯片4顶部的平行六面体元件。
如上所述，设置在LED芯片顶部上的元件优选地包括像磷光体这样的色转换材料或者波长转换材料，用于改变并且优选地下转换由LED芯片4发出的光的光谱。因此，包括基本上发出蓝光的蓝色LED的LED模块能够基于色转换而发出白光。
在设置在至少一个LED芯片的顶部上的光学元件表面上涂覆反射材料层能够提升LED模块的反射率。
这些实施方式的另一个优点在于LED模块发出的光的光谱是可控的。
更进一步来讲，可以改善在单独(白色)LED模块或者灯中的色温再现性。
图9示出了对图3-8的实施方式的进一步改进。反射材料层8位于基板5和球形顶6之间。另外的反射材料层1部分地覆盖了球形顶6。球形顶6的相应部分3因此被另外的反射材料1覆盖，相应部分9没有被所述另外的反射材料1覆盖。
LED芯片4发出的被球形顶6的部分3中的所述另外的反射材料1反射的光将被磷光体进一步下转换。由于这种反射，被转换的蓝色光被反射回色转换元件，在那里至少一部分蓝色光被转换成具有更低波长的光，比如黄光。因此，整体的色转换温度下降了。
图10示出了另一个实施方式，其包括位于LED芯片4顶部的预成型元件7。所述LED模块包括设置在基板5上的蓝色LED裸片4，所述LED芯片或者裸片4上方设置有色转换元件7。优选的高反射材料1设置在基板5上，部分地覆盖色转换元件7。
图10和11例示了如何控制由LED模块发出的光的波长，以及如何改进单独LED模块或者灯的色温再现性。
调整反射层1的数量和/或高度能够调整期望的光波长和/或色温。这点通过如下操作来实现：设置引起波长调节或者色温改变色转换元件7，所述色温优选的稍高于期望的色温；并且如前所述，在所述蓝色LED上添加所述色转换元件7。
第一个可选步骤包括测量LED模块的所产生的光波长和/或色温。然后，可以在色转换元件7的周围沉积优选的高反射材料1，比如硅树脂或者其他透明基质中的反射颗粒，参见图10。
在测量了光波长和/或整体色温后，判定是否需要对波长进行进一步的下转换。只要波长和/或色温不在期望范围内，就可以将额外的反射材料10一步步地添加到色转换元件并没有被反射材料覆盖的周围区域，参见图11。
对于整体光波长和/或色温的测量可以重复若干次，并且可以步步地添加额外的反射材料，直到得到期望值或者期望值范围为止。
反射材料可以包括嵌入在硅树脂基质中的高反射颗粒，所述硅树脂基质在热作用下容易退化。在优选实施方式中，为了克服沉积少量材料时的不足，反射颗粒的体积分数被选择为非常小。
反射材料1、10通过施放、喷射或墨水喷射印刷被沉积在色转换元件7的周围。另选地，高反射率材料不是通过施放或者喷射来沉积的，而是由预先制成的高反射率元件构成，所述高反射元件集成在反射器的顶面。尽管在包括施放或者喷射颗粒的实施方式中，发出的光的波长仅能够在一个方向上被调节，也就是说仅能增大，或者仅是减小，但是这种预先制成的元件的优点在于，反射材料能够被移除或者移动，这样就能够覆盖更多或者更少的光转换元件。因此能够增大或者减小期望的波长或者色温，使得调节操作变得更加简单。
所述的调节方法能够在改善长时间工作中单独LED的再现性或者控制色温。可以在色转换元件7中使用的磷光体在长时间的工作过程中的确具有轻微的退化倾向。LED灯的发射波长和/或色温能够被诸如探测单元(未示出)控制，然后被调节到一个期望值或者期望的范围。期望光波长和/或色温的长时间的稳定性可以通过如上的方式得到保证。当必须在LED阵列寿命期限内更换LED灯阵列内部的LED灯时，也可以用到所述方法。应用本方法能够保证更换的安装在阵列内部的新LED灯与期望的替换的LED灯或者LED灯周围的光波长和/或色温相吻合。这通过如上所述的调节步骤就可以实现。
根据图12的实施方式，LED模块包括设置在基板5上的LED裸片4和位于LED裸片4顶部的色转换元件7。发射的光的一部分被色转换元件7(如色转换材料片)转换，所述色转换元件设置在从LED裸片4发出的光的方向上。为了获得期望的光波长和/或色温，测量发光装置的实际色温，并且在色转换元件7的底部沉积足够量的反射材料1。
在此实施方式中，基板5和LED裸片4以及色转换元件7的下部都被反射材料1覆盖。更具体来讲，色转换元件7的没有覆盖裸片的下表面也被反射材料覆盖。另外或者另选地，色转换元件7的下侧被反射材料1涂覆。
图13示出了另一实施方式，LED模块包括色转换材料7，所述转换材料沉积在壳体10内部，并且环绕在第一波长区域发光的LED裸片4。壳体10由透明材料比如硅树脂或者玻璃制成。再次测量发光装置的色温。然后将足够量的反射材料1沉积在壳体10的外部，覆盖壳体10的底部。

Claims (20)

1.一种LED模块，该LED模块包括：
板或者载体（5）；以及
直接安装或者间接安装在所述板或者载体（5）上的至少一个LED芯片（4），
其中，在所述LED芯片（4）的顶部设置有光学元件（6，7），并且其中，所述LED模块还包括反射层（1），所述反射层覆盖了所述板或者载体（5）的上面设置了所述光学元件（6，7）的表面，即，所述板或者载体（5）的围绕所述LED芯片（4）的区域，并接触所述LED芯片（4）的至少一个侧壁。
2.根据权利要求1所述的LED模块，其中，所述反射层（1）还部分地覆盖所述元件（6，7）。
3.根据权利要求1或2所述的LED模块，
其中，所述反射材料是这样的层，该层的厚度介于5微米和250微米之间。
4.根据权利要求3所述的LED模块，
其中，所述反射材料是这样的层，该层的厚度介于20到200微米之间。
5.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述反射材料是这样的层，在所述LED芯片位于所述板或者载体的顶部的情况下从侧面观察所述LED模块时，该层的顶面低于所述LED芯片的顶面。
6.根据权利要求5所述的LED模块，
其中，所述反射材料是这样的层，该层的厚度介于所述LED芯片的厚度的75%至90%之间。
7.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述LED芯片的横向侧壁上也涂覆了一种材料，这种材料被设置为对发射到所述LED芯片上的光进行反射。
8.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述光学元件（6、7）内和/或所述LED芯片的顶面上存在色转换材料。
9.根据权利要求8所述的LED模块，
其中，所述反射材料至少反射由所述LED芯片所发出的光谱，并且还至少反射由所述光学元件（6、7）中的色转换材料所发出的光谱。
10.根据权利要求8或9所述的LED模块，
其中，所述LED模块发射白色的光，该白色的光是所述LED芯片的光谱和色转换材料的发射光谱的混合。
11.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述反射材料是不导电材料。
12.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，在同一光学元件（6，7）下面设置有多个LED芯片。
13.根据权利要求12所述的LED模块，
其中，至少一个LED芯片发射蓝光的光谱，该光谱被荧光体部分地进行下转换，并且至少另外一个LED芯片发射红色的光谱，该光谱不受所述荧光体的影响。
14.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述光学元件被预成型（7）或者被施放为球形顶（6）。
15.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述反射材料（1）涂覆在围绕所述LED芯片（4）和/或所述光学元件（6、7）的壳体（10）上。
16.一种改进的LED灯，该LED灯包括至少一个根据以上任一项权利要求所述的LED模块。
17.一种改进LED模块的色坐标公差的方法，所述LED模块包括板或者载体（5）和直接或者间接地安装在所述板或者载体（5）上的至少一个LED芯片（4），
其中，在所述LED芯片（4）的顶部，以及所述板或者载体的围绕所述LED芯片的区域上设置有透明的元件（6，7），
该方法的特征在于包括以下步骤：
用白色反射材料覆盖所述板或者载体（5）的上面设置有所述元件（6，7）的表面和所述LED芯片（4）的至少一个侧壁。
18.一种调整由LED模块发出的光的光谱的方法，所述光谱是波长或者色温，所述LED模块包括印刷电路板或者SMD载体（5）以及直接地或者间接地安装在所述板或者载体（5）上的至少一个LED芯片（4），其中，所述LED芯片（4）的顶部上设置有元件（6，7），
该方法包括以下步骤：
用白色反射材料覆盖所述板或者载体（5）的设置有所述元件（6，7）的表面并覆盖所述LED芯片（4）的至少一个侧壁。
19.根据权利要求18所述的方法，
其中，首先测量由所述LED模块发出的光的色温上的波长，并且仅在测得的色温上的波长不在期望范围内的情况下才进行所述用白色反射材料覆盖的步骤。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：还用所述反射材料部分地覆盖所述元件（6，7）。
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