CN102473822A - 具有散射颗粒区域的led封装 - Google Patents

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Abstract

一种LED封装(200)包括以LED发光分布发出LED光(L1-L3)的至少一个LED(202)。LED封装包括散射颗粒(211、213)的区域(210、212)，其中不同的区域主要以目标波长散射光或者主要散射处于目标波长范围内的光。区域位置和散射性质至少部分地以LED发光分布为基础。区域散射它们目标波长的LED光以改善LED发光分布的均匀性，从而使LED封装与LED发光分布相比发出更加均匀分布的光。通过确定用于散射的特定波长，减少了发光效率的损失。

Description

具有散射颗粒区域的LED封装
技术领域
本发明涉及发光器件(LED)封装，并且更具体地涉及具有散射颗粒的白色LED和多色LED封装。
背景技术
发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态器件，并且通常包括夹在相反掺杂的层之间的一个或多个有源半导体材料层。通常，线接合用于将偏置电压施加在掺杂层上，将空穴和电子注入有源层，它们在那里复合以产生光。光从有源层和LED的所有表面发出。一种典型的高效LED包括安装在LED封装上且由透明介质包封的LED芯片。有效提取来自LED的光是制造高效发光二极管的关注重点。
LED可以被制造为发射各种颜色的光。然而，常规LED无法从其有源层产生白光。已经可以通过用黄色荧光体、聚合物或染料围绕LED而将来自蓝色发光LED的光转换为白光，其中典型的荧光体是掺铈的钇铝石榴石(Ce:YAG)。[参见Nichia Corp.的白光LED，零件编号NSPW300BS，NSPW312BS等；另见授予Lowrey的美国专利US 5959316，“Multiple Encapsulation of Phosphor-LEDDevices”]。周围的荧光体材料将LED蓝光中的部分能量“向下转换(downconvert)”，这增大了光的波长，将光的颜色改变为黄色。部分蓝光穿过荧光体而不被改变，同时一部分光被向下转换为黄色。LED发出蓝色和黄色的光，它们组合以提供白光。在另一方案中，已经可以通过用多色荧光体或染料围绕LED而将来自紫色或紫外线发光LED的光转换为白光。
其中在LED上引入荧光体的一种常见类型的LED封装方法被称为“杯中水珠(glob in a cup)”法。LED芯片安放在杯形凹陷的底部，并且含荧光体的材料(例如分布在密封材料如硅树脂或环氧树脂中的荧光体颗粒)被注入和填充杯，包围并封装LED。然后将密封材料固化以使其围绕LED硬化。但是，这种封装可能会导致LED封装在相对于封装的不同视角下具有发光色温的显著变化。这种颜色变化可能是由多种因素造成的，包括光线能够行进穿过转换材料的不同路径长度。该问题在以下封装中可能会变得更加严重，其中含荧光体的基体材料在其中安放有LED的杯的“边缘”上方延伸，导致大部分的转换光线侧向发射到高视角中(例如，与光轴成90度角)。结果是由LED封装发射的白光变得不均匀，并且可能会带有不同颜色或强度的光带或光斑。
另一种用于封装或涂覆LED的方法包括将荧光体颗粒直接耦合到LED的表面上，这也被称作共形涂覆。电泳沉积、丝网印刷、旋涂可以被用于实现共形涂覆。这些方法可以导致根据视角的颜色均匀性的改善，这种改善的一个原因是转换光和未转换光的来源都同样接近于同一空间点。例如，覆盖有黄色转换材料的蓝色发光LED可以提供相当均匀的白光源，原因就在于转换材料和LED都接近于同一空间点。但是，颜色均匀性仍然会由于荧光体浓度或荧光体厚度变化以及路径长度的差异而受到影响。
发光分布的不一致也可以是LED的多个发射角的结果。图1a示出了已知发光器件或封装的截面。光源例如LED 102被设置在基板/衬底104上并且一层向下转换材料106覆盖LED 102。反射器108被设置在基板104上的LED 102周围，以使LED 102被装在由反射器108与基板104所限定的腔中，并且半球形的密封材料或透镜110被设置在光源102上。密封材料110可使用例如环氧粘合剂安装在光源102上，不过也可以使用其它的安装方法。光散射颗粒112被遍及密封材料110地设置。
要注意在本申请中是参照视角和发射角来进行说明。视角是观看LED或LED封装的角度并且在图1a中显示为示范性的θv。视角是从光轴量起的，光轴在此情况下贯穿半球形封装材料110的中心并且垂直于发光体102。零度的视角(0°)表示从密封材料外正对发光体102的点(也就是从位于光轴上的点)观看(或测量)来自密封材料的输出。视角随着器件相对于观看者倾斜而增加。90度(90°)的视角表示从垂直于光轴且与密封材料110的平坦边缘平齐的角度(也就是从侧面直接)测量输出。
发射角是从LED或LED封装发出光的角度并且在图1a中显示为θe。发射角度与视角共享相同的光轴并且它测量的是从光轴量起的光线在从LED发射后在密封材料110中最初传播的角度。从发光体102沿光轴最初传播的光线(例如光线R1)的发射角为0°。如图所示，光线θe是大约40度(40°)。发射角随着最初传播的方向偏离光轴而增大。两种角度之间的重要区别在于指定视角的输出分布受密封材料110内部的散射事件影响，而发射角则描述了从光源或LED最初发射的光在它能够与密封材料中的材料相互作用之前的方向。
图1a中示出的光线R1-R4模拟了从LED 102发出的示范性光子的路径。如图所示，R1被发射并穿过长度(l1)的向下转换材料106，其中光子有可能经历波长转换。要注意的是光子被向下转换(也就是被吸收和再发射)的概率随着光子穿过向下转换材料106行进的距离而增加。因此，穿过向下转换材料106行进了更大距离(l2)的R2具有更大的被向下转换的几率。由此可知，根据向下转换层的形状，在穿过向下转换层106时经历向下转换的光的百分比是来自源102的发射角的函数。
如果没有光散射颗粒，那么发射光谱就能展示出不均匀的发射图样，产生具有经常是人眼可识别的色温和强度差异的发射。这种非均匀性能够使发光器件对于某些应用是不期望的。在穿过向下转换材料106后，光进入密封材料110。分布遍及密封材料110的光散射颗粒112被设计用于将各个光子在它们被发射之前重定向，以使光子离开密封材料110的位置随机化。这具有改善空间色温均匀性的效果。例如，R1如图所示与光散射颗粒相撞，改变方向并且被发射。与如果不存在散射颗粒的情况相比，R1会在不同的位置离开密封材料110。R3经历了多次散射事件。R2和R4无阻碍地穿过密封材料。因此，通过使光子与它们的最初发射角不相关，光散射颗粒(在一定程度上)使发射出来的光子离开密封材料110的点随机化。
LED封装也可以设有多个LED并且通常同一封装内的LED可以发出不同的颜色。例如，可以组合使用红色、绿色和蓝色发光LED以构成白光封装(固态RGB)。其他的多芯片组合也很常见，例如每个单元包括一个红色芯片、一个蓝色芯片和两个绿色芯片的固态RGGB。荧光体转换层可以与这些多芯片器件结合使用，例如荧光体转换的RBG被用于高显色指数应用。另一种已知器件由荧光体转换的白色LED和固态红色芯片构成。荧光体转换的彩色芯片和固态芯片的其他组合在多芯片LED封装中也是已知的。散射颗粒也可以被用于多芯片LED封装中以有助于混合不同颜色的光。
但是，光散射颗粒也可能降低LED封装的发光效率。不同尺寸的散射颗粒通常遍布于透镜以散射多种不同波长的光甚至是部分不需要散射的光。这就可能会导致无需散射的光的不必要的反向散射和吸收，这样可能会造成无法接受的发光效率损失。
发明内容
本发明涉及具有散射颗粒的发光体封装，散射颗粒被加工为根据发光体的发光分布散射来自发光体的目标波长或波长范围的光线。散射颗粒被设置用于混合来自发光体的光以使发光体封装在以不同视角观看时提供更加均匀的光。本发明可以被用于LED封装中，并且能够将不同的散射颗粒设置在LED周围的不同区域内以散射用特定发射角从发光体发出的目标波长的光。该装置也可提供LED的光混合同时最小化由散射造成的发光效率损失。
根据本发明的LED封装的一个实施例包括以LED发光分布发出LED光的至少一个LED。LED封装还包括用于散射第一目标波长的多个第一散射颗粒以及用于散射不同于第一目标波长的第二目标波长的多个第二散射颗粒。第一和第二散射颗粒被设置在LED周围用于散射LED光以改善发光分布的均匀性同时最小化光损失。
根据本发明的发光体封装的另一个实施例包括以发光体发光分布发光的至少一个发光体。它还包括第一散射颗粒的第一区域和第二散射颗粒的第二区域。第一和第二区域被设置在至少一个发光体周围用于改善发光体封装与发光体发光分布的发光分布相比的发光均匀性。
根据本发明的LED封装的另一个实施例包括以LED发光分布发光的至少一个LED。它还包括用于散射第一目标波长范围的具有第一颗粒尺寸分布的多个第一散射颗粒，以及用于散射第二目标波长范围的具有第二尺寸分布的多个第二散射颗粒。多个第一和第二散射颗粒中的每一种都被设置在LED周围的相应区域内。
根据本发明的LED封装的又一个实施例包括以LED发光分布发光的至少一个LED。封装还包括第一和第二散射部件，其中第一散射部件散射第一目标波长的光且第二散射部件散射第二目标波长。第一和第二散射部件中的每一个都被设置在LED周围用于根据LED发光分布散射来自LED的光，以使LED封装发出的封装发光分布与LED发光分布相比具有改善的均匀性。
附图说明
图1a是现有技术中发光器件的截面图；
图2是根据本发明的LED封装的一个实施例的俯视图；
图3是图2中的LED封装沿截线3-3截取的截面图；
图4是示出了根据要散射的光的波长用于不同尺寸的散射颗粒的散射功率的曲线图；
图5是根据本发明的LED封装的另一个实施例的截面图；
图6是根据本发明的LED封装的又一个实施例的截面图；
图7是根据本发明的LED封装的另一个实施例的俯视图；
图8是图7中的LED封装沿截线7-7截取的截面图。
具体实施方式
本发明提供的发光体封装对单发光体封装和多发光体封装都表现出了改善的颜色发射均匀性和改善的空间颜色混合。实施例可以特别好地适用于将发光二极管(LED)用作其发光体的封装，其中很多封装都使用白色发光二极管(LED)或者使用发出白光组合的多色LED。LED封装可以包括以不同方式设置在LED周围的散射颗粒以根据LED的发光分布来散射目标波长或波长范围(“目标波长”)的光，从而使LED封装在不同视角提供更加均匀的光。
正如以下更加详细介绍的那样，对于具有发白光的LED(包括由黄色荧光体覆盖的蓝色LED)的LED封装来说，白光的相关色温(CCT)通常在法向发射角(定义为相对于垂直于芯片中心的直线成0度)附近较高并且越接近与法向的90度方向就越低。本发明的某些实施例在相应的颗粒区域内设有不同的散射颗粒以散射目标波长的光。对于根据本发明具有发白光的LED的封装来说，设计用于主要散射光的蓝色光子的散射颗粒区域被设置在0度的LED发射角处或附近。在某些实施例中，该蓝色散射区域能够覆盖偏离法线多达45度或者偏离法线更多的发射角范围。对于更接近90度的发射角，可以提供被设计用于主要散射光的黄色光子的散射颗粒。黄色散射颗粒也可以覆盖更接近90度的发射角范围，例如直到45-90度或更大的范围。
通过将散射颗粒区域加工为主要散射光中目标波长处的光子，封装在不同视角下的相关色温(CCT)就可以更加均匀，并且封装的发光效率与散射颗粒均匀分布在LED周围的常规封装相比即可得到改善。不同的散射颗粒区域被设置用于主要散射以特定发射角发出的特定目标波长的光(例如接近法向并且处于低发射角的蓝光和处于高发射角的黄光)。散射颗粒被设计用于散射其特定的目标波长，而其他的波长优选为无散射或最小散射地穿过。在常规的LED封装中，多种不同波长的光都会被散射颗粒影响，包括目标波长和非目标波长。通过允许非目标的光子穿过而不会被明显散射，根据本发明的LED封装的发光效率与常规的LED封装相比即可得到提高。
要散射目标光子或目标波长的光，每一个散射颗粒区域均可具有不同尺寸或类型的散射颗粒。在一个实施例中，各区域可以包含由相同材料制成的散射颗粒，但是尺寸则根据用于该区域的目标波长而有所不同。正如以下进一步介绍的那样，不同的区域还应该具有相对狭窄的颗粒尺寸分布，这就进一步允许颗粒主要散射目标波长。
颗粒与光在指定波长下或者在指定波长范围内相互作用的方式是颗粒尺寸和材料折射性质(由折射率表示)的共同结果。散射通过促使发出的光偏离其最初从光源发出所沿的路径而使发出的光随机化，提供改善的整个视角范围上的色温均匀性和颜色混合。类似地，散射颗粒可以被设置为有意地形成用于专门应用的非均匀色温分布。在本发明的上下文中，散射颗粒散射光通常有三种方式：反射、折射和衍射。
反射是在具有不同折射率的介质之间的界面处改变光的方向，以使光返回其所源自的介质中。当在一种介质中行进的光到达与具有不同折射率的另一种材料的界面时，光就会偏转或者反射回到该介质中。在散射颗粒的情况下，光可以根据几何形状而沿其来源方向或以一定角度偏转反射回去。为了散射最终要发出的光，前向散射或者略微侧向的散射是优选的，以使朝向吸收性材料向后散射(反向散射)的光量减少。
光还可以通过折射而被散射。折射是光由于相速(也就是波在介质中传播的速度)的改变而改变方向。在此背景下，折射会发生在光从一种介质行进至具有不同折射率的另一种介质时。在一个实施例中，光被射入密封材料介质中，在那里它与遍布在介质中的LSP相互作用。随着光进入LSP，它改变速度，导致方向的改变，散射。
光还可以通过衍射而被散射。衍射是光由于其波类特性而围绕物体或小孔的光的弯曲。在光经过物体例如LSP附近时，光围绕物体弯曲，随着它趋近物体而偏离其原始路径。对于大物体来说，弯曲效应几乎无法察觉。但是，随着物体的尺寸接近入射光的波长，该现象就会变得明显。在此背景下，当LSP的尺寸接近入射光波长的一半时，能够弯曲的光为实际击中物体的光的大约五倍。因此，借助尺寸合适的散射颗粒，颗粒周围的衍射面积即可被增大至颗粒直径的大约五倍。为了利用增大的衍射截面，应该针对具有特定波长范围或子范围的光而仔细选择散射颗粒的尺寸。
应该理解的是当一个元件例如层、区域或衬底被称为是在另一个元件“上”时，它可以直接在该另一个元件上或者也可能存在插入的元件。此外，相对术语例如“内”，“外”，“上”，“以上”，“低”，“下”和“以下”以及类似用语在本文中可以用来描述一层或另一区域的关系。应该理解的是这些术语是为了涵盖除了在附图中描绘的方向以外的所述器件的不同方向。
尽管本文中讨论的大部分器件是被设计为发出可见光谱内的辐射，但是某些器件也可以发出红外、紫外或其他范围内的辐射。术语“光”是为了方便而使用，并且除非另有明确说明，否则不应被解读为排除了可见光谱以外的范围或子范围内的放射。
尽管术语第一、第二等可以在本文中被用于描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅仅是用于将一个元件、部件、区域、层、部分或特征与另一个加以区分。因此，下文中讨论的第一元件、部件、区域、层、部分或特征也可以被称为第二元件、部件、区域、层、部分或特征而并不背离本发明的教导。
要注意的是术语“层”和“各层”在整个申请中是可互换使用的。本领域普通技术人员可以理解，单个“层”的材料实际上可包括该材料的几个个别的层。类似地，若干“层”的材料可在功能上被视为单个层。换句话说，术语“层”不表示均质的材料层。单个的“层”可以包含局限在子层中的不同散射材料浓度和组分。这些子层可在单个形成步骤或在多个步骤中形成。除非另有明确说明，否则在描述一个元件包括“一层”或“多层”材料时，并不是为了限制在权利要求中体现的本发明的保护范围。
本文中参照截面图来描述本发明的实施例，它们是本发明理想化实施例的示意性介绍。因此，由于例如制造技术和/或公差而造成的图示形状的变化是可以预期的。本发明的实施例不应被解读为受限于本文中图示的区域或颗粒的特定形状，而是应当包括由于例如制造所产生的形状偏差。例如，因为正常的制造公差，图示或描述为矩形的区域通常可以具有圆形或弧形的特征。因此，图中示出的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并不是为了说明区域或颗粒的精确形状并且也不是为了限制本发明的保护范围。而且，某些特征的尺寸并非一定是按比例的。作为示例，以下图中的散射颗粒的尺寸就不一定是按比例的，而是可以出于说明性的目的和便于理解而不合比例地示出。
图2和图3示出了根据本发明的发光体封装200的一个实施例。发光体202被设置在表面204上，表面204可以包括衬底、基板或印刷电路板(“衬底”)。在图示的实施例中，发光体202是LED，但是应该理解，也可以使用其他的发光体，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或其他类型的发光器件。
LED的操作是公知的，并且不同的LED制造方法也是公知的，因此在本文中仅予以简要介绍。LED中的各层可以利用已知工艺制造，其中一种合适的工艺是利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制造。LED中的各层可以包括夹在第一和第二相反掺杂的外延层之间的有源层/区域，所有的层都相继形成在生长基板上。LED可以被形成在晶片上并随后被切单以供安装在封装内。应该理解的是，生长基板可以保留作为最终切单的LED的一部分，或者生长基板也可以被完全或部分地移除。
还应该理解的是，LED中也可以包括有附加层和元件，包括但不限于缓冲层、成核层、接触和电流扩散层以及光提取层和元件。有源区域可以包括单量子阱(SQW)、多量子阱(MQW)、双异质结构或超晶格结构。有源区域和掺杂层可以由不同的材料系统制成，其中优选的材料系统是基于III族氮化物的材料系统。III族氮化物是指在氮和元素周期表III族元素通常是铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)之间形成的那些半导体化合物。该术语还涉及三元和四元化合物，例如氮化铝镓(AlGaN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)。在一个优选实施例中，掺杂层是氮化镓(GaN)且有源区域是InGaN。在可选实施例中，掺杂层可以是AlGaN、砷化铝镓(AlGaAs)或砷磷化铝镓铟(AlGaInAsP)。
生长基板可以由多种材料制成，例如蓝宝石、碳化硅、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，其中一种合适的基板是碳化硅的4H多型体，不过也可以使用其他的碳化硅多型体，包括3C、6H和15R多型体。碳化硅具有一些优点，例如与蓝宝石相比的与III族氮化物更紧密的晶格匹配，并且可得到更高品质的III族氮化物膜。碳化硅还具有非常高的热导率以使碳化硅上的III族氮化物器件的总输出功率不会受到基板散热的限制(对于某些形成在蓝宝石上的器件可能就有这种情况)。SiC基板可以从北卡罗来纳州Durham市的Cree Research有限公司购得，并且其生产方法已在科技文献以及第34861号、第4946547号和第5200022号美国专利中说明。
LED还可以在顶面上包括传导性电流扩散结构和线接合焊盘，两者均由导电材料制成并且可以利用已知方法进行沉积。可以被用于这些元件的部分材料包括Au，Cu，Ni，In，Al，Ag或其组合物以及导电氧化物和透明导电氧化物。电流扩散结构可以包括在LED上设置为栅格的导电指部，其中指部被间隔开以增强从焊盘扩散到LED顶面内的电流扩散。在工作时，电信号如下所述通过线接合加至焊盘，并且电信号经过电流扩散结构的指部和顶面扩散到LED中。电流扩散结构经常在顶面为p型的LED中使用，但是也可以被用于n型材料。
LED也可以被涂有一种或多种荧光体，其中荧光体吸收至少部分LED的光并且发射不同波长的光，以使LED自LED和荧光体发射出组合光。在根据本发明的一个实施例中，发白光的LED具有发出蓝色波长光谱内的光的LED和吸收部分蓝光并重新发出黄光的荧光体。LED发出蓝光和黄光组合的白光。在一个实施例中，荧光体包括可商业获得的YAG:Ce，不过利用基于(Gd，Y)3(Al，Ga)5O12:Ce系统的荧光体(例如Y3Al5O12:Ce(YAG))制成的转换颗粒即可实现全范围的宽广黄色光谱发射。其他能够被用于白色发光LED芯片的黄色荧光体包括：
Tb3-xRExO12:Ce(TAG)；RE＝Y，Gd，La，Lu；或
Sr2-x-yBaxCaySiO4:Eu。
LED也可以包括允许直接从有源区域发出不同颜色的层和材料。例如，红色发光LED可以包括允许直接从有源区域发出红光的LED结构和材料。可选地，红色发光LED可以包括由吸收LED光并发出红光的荧光体覆盖的发出蓝光或紫外光的LED。适用于这些结构的部分荧光体可以包括：
Lu2O3:Eu3+
(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4
Sr2Ce1-xEuxO4
Sr2-xEuxCeO4
SrTiO3:Pr3+，Ga3+
CaAlSiN3:Eu2+
Sr2Si5N8:Eu2+
可以利用多种不同方法对LED涂以荧光体，其中一种合适的方法在申请号为11/656,759和11/899,790、发明名称均为“WaferLevel Phosphor Coating Method and Devices Fabricated UtilizingMethod”的美国专利申请中进行了介绍，并且通过引用将这两篇文献都并入本文。可选地，LED可以利用其他的方法例如电泳沉积(EPD)进行涂覆，其中合适的EPD方法在申请号为11/473,089、发明名称为“Close Loop Electrophoretic Deposition of SemiconductorDevices”的美国专利申请中进行了介绍，并且也通过引用将该文献并入本文。应该理解，根据本发明的LED封装也可以具有多个不同颜色的LED，其中的一个或多个可以发射白光。
衬底204可以由多种不同的材料构成，其中优选的材料是电绝缘材料例如电介质元件，其中衬底位于LED阵列和部件背部之间。衬底204可以包括陶瓷材料，例如氧化铝、氮化铝、碳化硅或聚合材料，例如聚酰亚胺和聚酯等。在优选的实施例中，绝缘材料具有高热导率，例如利用氮化铝和碳化硅。在其他的实施例中，衬底204可以包括高反射性材料(例如反射性的陶瓷或金属层譬如银层)以增强部件的光提取。在其他的实施例中，衬底204可以包括印刷电路板(PCB)、氧化铝、蓝宝石或硅或任意其他合适的材料，例如可以从明尼苏达州Chanhassen市的Bergquist公司购得的T-Clad热包覆绝缘基板材料。对于PCB实施例，可以使用不同的PCB类型，例如标准FR-4 PCB、金属核心PCB或任意其他类型的印刷电路板。
线接合(未示出)可以被包括在衬底204上的导电迹线和LED 202之间以向LED 202施加电信号。电信号也可以通过管芯连接焊盘被施加至每一个LED。在另一些实施例中，LED可以在LED的一个侧面(底侧)上包括共面的电触点，其中大部分发光面都位于与电触点相对的LED侧面(上侧)上。这样的倒装芯片式LED可以通过将对应于一个电极(分别为阳极和阴极)的触点安装到管芯焊盘上而被安装在衬底204上。另一LED电极(分别为阴极和阳极)的触点可以被安装至导电迹线。可以包括可选的反射器(未示出)，其在LED周围被安装至衬底。在其他的实施例中，反射器可以被设置在不同位置并且可以有不同的形状。LED封装200未设有反射器。
密封材料或光学元件206例如透镜可以被包括在LED 202上。透镜206可以用多种不同的方法形成，例如模制或者在LED上注入可固化的透镜材料并随后将材料固化。透镜材料可以包括透明环氧树脂、硅树脂、玻璃、塑料或任意其他的透明介质。可选地，透镜206可以设有能够接合在适当位置的分立零件。透镜可以具有多种不同的形状并且可以包括用于增强光提取的部件。应该理解本发明的其他实施例也可以不设有透镜。用于透镜206的合适形状是具有弯曲表面和平坦表面的半球形。但是，也可以使用多种其他的透镜形状，例如扁平的形状或平凸形。
能够在根据本发明的LED封装实施例中使用的LED能够以不同的发射角发出一定波长光谱的光，以使得此时LED封装能够在不同的视角处表现为发出不同颜色的光。在一个这样的实施例中，LED202可以涂有转换材料208。光从LED 202的有源区域全向发出，并且根据其行进方向能够穿过不同数量的转换材料。这就可以导致光在不同视角的不同颜色。光线L1-L3模拟了一部分LED光如何能够从有源区域射出。L1表示以低发射角从LED的有源区域向上射出的LED光线，其中L1穿过LED 202顶面上的转换涂层208。以低发射角从有源区域向上射出的类似光线穿过类似数量的转换材料，由LED 202顶面上的转换涂层208的厚度表示。这些光线发出类似颜色的光，其通常是LED光和从转换材料重新发出的光的组合。
光线L2以较高的发射角从LED的有源区域发出，并且会因为该角度而在其穿过转换涂层208时遇到更多的转换材料。因此，与在L1上发光相比，更多的沿L2发出的LED光将会被转换材料转换。光线L3以更高的发射角从LED的有源区域发出，导致其穿过更大量的转换材料。这就提高了沿L3发出的光被转换的可能性。
对于具有包括黄色转换材料(例如以上列举的其中一种材料)的转换涂层的LED来说，以较高发射角发出的光线能够穿过更大量的转换材料。以较高发射角从封装发出的光与以较低发射角发出的光(例如光线L1)相比可以包括来自转换材料的更高的黄光成分。这就能够导致来自LED封装200的光在不同视角观看时表现出不同的颜色，其中高视角的光更偏黄色，而低视角的光则更偏蓝色。
在不同视角上的这种颜色差异可以通过设置散射颗粒以在光从封装发出时将其混合而进行补偿。如上所述，常规的LED封装使用均匀分布在LED周围的不同尺寸的散射颗粒。这就可能会导致在不同的角度散射不同波长的光，包括那些不想被散射的波长在内。这就经常会导致LED封装发光效率的明显下降。
根据本发明的LED封装设有包含散射颗粒的区域，从而散射以不同的发射角从LED发出的目标波长的光。对于LED封装200，散射颗粒层209被设置在透镜206上，并且包括覆盖LED 202低发射角范围的第一散射颗粒区域210和覆盖LED 202高发射角范围的第二散射颗粒区域212。通过“覆盖”这些发射角，不同的散射颗粒区域就被设置为使特定发射角范围的光穿过所需的散射颗粒区域。例如，从LED 202发出的特定低发射角范围内的光穿过第一散射颗粒区域210。从LED 202发出的特定高发射角范围内的光则穿过第二散射颗粒区域212。
在一个实施例中，第一区域可以被设置用于使LED以0到45度发射角发出的光穿过第一区域210，而以45到90度发射角发出的光则穿过第二区域212。应该理解第一和第二区域可以用多种不同方式设置从而使以不同发射角发出的光穿过所需区域。
散射颗粒层209可以利用多种不同的已知方法进行沉积，并且可以将散射颗粒包括在粘合剂中。散射颗粒层可以根据应用场合和使用的材料具有不同的散射颗粒浓度。用于散射颗粒浓度的适当范围是从0.01％到0.2％变化，但是应该理解浓度可以高于或低于该范围。在某些实施例中，浓度可以低达0.001％。也可以使用其他的浓度，但是，可能会由于吸收了较高浓度的散射颗粒而造成损失的增加。因此，选择散射颗粒浓度的目的是为了保持可接受的损失水平。
包含散射颗粒的第一和第二区域210、212被设计用于散射相应的目标波长或波长范围(“目标波长”)。每一个区域均可具有特定的散射颗粒尺寸和/或材料，以散射目标发射。应该理解，散射颗粒通常被设置为具有特定的尺寸分布(例如指定为D50)，并且根据本发明，为了更加有效地散射目标波长，每一个区域内的散射颗粒都应该被设置在狭窄的颗粒尺寸分布内。这就减少了目标波长以外的光的散射，从而有助于最大化LED封装的发光效率同时提供更加均匀的发光。
对于LED封装200，以低发射角发射的光可以如上所述包括更多的蓝光分量。因此，第一发射区域210可以包括第一散射颗粒211，其尺寸和制备材料被设计用于散射蓝色波长的光。类似地，以较高发射角从LED封装发射的光可以包括来自转换材料的更多的黄光分量。第二发射区域212可以包括第二散射颗粒213，其尺寸和制备材料被设计用于散射黄色波长的光。
第一和第二散射颗粒211、213可以包括多种不同的材料，包括：
硅胶；
氧化锌(ZnO)；
氧化钇(Y2O3)；
二氧化钛(TiO2)；
硫酸钡(BaSO4)；
氧化铝(Al2O3)；
熔融硅石(SiO2)；
发烟硅石(SiO2)；
氮化铝；
玻璃珠；
二氧化锆(ZrO2)；
碳化硅(SiC)；
氧化钽(TaO5)；
氮化硅(Si3N4)；
氧化铌(Nb2O5)；
氮化硼(BN)；或
荧光体颗粒(例如YAG:CE，BOSE)
也可以使用未列出的其他材料。可以使用各种材料组合或相同材料不同形式的组合来实现特定的散射效果。例如，在一个实施例中，第一散射颗粒211可以包括氧化铝而第一散射颗粒213可以包括二氧化钛。应该理解，每一个区域210、212还可以包括由不同材料制成的散射颗粒的混合物。
图4是示出了用于TiO2散射颗粒的相对光散射功率与散射颗粒尺寸的曲线图，TiO2散射颗粒可以从不同的来源商业地获得，例如可以从DuPont有限公司购得。对于蓝色波长的光，峰值散射功率由直径约0.15微米的散射颗粒提供。用于黄光的散射功率大致接近于用于绿色光的TiO2的散射功率，并且峰值散射功率由直径约0.25微米的散射颗粒提供。对于LED封装200来说，第一散射颗粒211可以包括直径约0.15微米的TiO2颗粒，而第二散射颗粒213可以包括直径约0.25微米的相同材料。
如上所述，第一和第二散射颗粒可以包括能够获得一定优点的不同材料。根据具体材料，散射分布除了颗粒尺寸之外还可以通过固有的材料性质加以区分。
如上所述，颗粒尺寸分布应该在每一个区域内尽可能狭窄，以最有效地散射目标波长，同时最小化其他波长的散射。在一个实施例中，尺寸分布应该是50％或更小，而在另一些实施例中应该是33％或更小。在一个实施例中，第一散射颗粒211的尺寸可以从0.10到0.20微米变化(也就是0.15微米±0.05微米)，并且第二散射颗粒213的尺寸可以从0.20到0.30微米变化(也就是0.25微米±0.05微米)。应该理解，可以使用其他更加狭窄或者不太狭窄的颗粒尺寸分布，并且在某些实施例中可能需要在不同的散射颗粒区域之间有很小的或者没有颗粒尺寸的重叠。
在LED封装200中，第一和第二区域210、212之间的过渡被示出为突然且截然不同的，以使得在第二区域212中没有第一散射颗粒211，并且在第一区域210中也没有第二散射颗粒213。但是应该理解的是，在其他的实施例中，区域间的过渡也可以是渐变的，其中在颗粒尺寸之间有一些重叠。
通过散射不同发射角的目标波长，LED封装的整体发光均匀性能够在封装内的一个或多个LED的发光分布上得到改善，同时最小化效率损失。也就是说，LED光的分布由于穿过在目标波长主要进行散射的散射颗粒而变得更加均匀。
对于LED封装200，散射颗粒被设置为透镜206上的层，但是应该理解散射颗粒也可以表现为多种不同的设置方式。图5示出了与以上所述并且在图2-3中示出的LED封装200相类似的另一实施例LED封装300。它包括LED 302、衬底304、透镜306和LED 302上的转换涂层308。类似于LED封装200，LED封装300也包括具有第一散射颗粒311的第一散射颗粒区域310和具有第二散射颗粒313的第二散射颗粒区域312。对于LED封装300来说，各区域并不是设置为一层，而是改为将散射颗粒区域包括在透镜306内。第一散射颗粒区域310大体上被设置在LED 302的顶部上并且覆盖以低发射角从LED 302发出的光。第二散射颗粒区域312被设置在LED 302的侧面上并且大体上覆盖以高发射角从LED发出的光。在一个实施例中，第一区域310可以被设置用于覆盖LED的大约在0到45度范围内的发射角，而第二区域312可以被设置用于覆盖大约在45到90度范围内的发射角。但是，应该理解的是区域310、312可以被设置用于覆盖不同的发射角。第一和第二散射颗粒311、313可以包括上述的尺寸和材料，并且在区域310、312之间可以有如上所述的突然或渐变的过渡。透镜内的散射颗粒区域可以在将透镜形成在LED上期间形成，或者将透镜例如通过注模而单独形成为具有不同的散射颗粒区域。
根据本发明的区域和散射颗粒也可以表现为远离LED封装并且特别是远离封装透镜。图6示出了根据本发明的另一个实施例LED封装400，该封装也包括LED 402、衬底404、透镜406和LED 402上的转换涂层408。在该实施例中，散射颗粒被设置在远离透镜406安装的远程散射颗粒盖帽410中。盖帽410可以用多种不同的方式安装并且可以被安装至LED封装400的不同部分或被安装至装有封装400的结构。
盖帽410包括具有第一散射颗粒413的第一散射颗粒区域412和具有第二散射颗粒415的第二散射颗粒区域414。类似于以上的实施例，第一散射颗粒区域412大体上被设置在LED 402的顶部上并且覆盖以低发射角从LED 402发出的光。第二散射颗粒区域414被设置在LED 402的侧面上并且大体上覆盖以高发射角从LED 402发出的光。在一个实施例中，第一区域412可以被设置用于覆盖LED的大约在0到45度范围内的发射角，而第二区域414可以被设置用于覆盖大约在45到90度范围内的发射角。但是，应该理解的是区域412、414可以被设置用于覆盖不同的发射角。第一和第二散射颗粒413、415可以包括上述的尺寸和材料。在第一和第二区域412、414之间可以有如上所述的突然或渐变的过渡。盖帽410也可以利用多种不同的已知方法例如注模而形成。盖帽410也可以利用已知的安装方法和结构被安装至LED封装。
应该理解的是，本发明也可以应用于具有多个发光体的LED封装。图7和图8示出了根据本发明的另一个实施例LED封装500，具有全部安装至衬底508的第一LED 502、第二LED 504和第三LED 506。LED 502、504、506能够发出不同颜色的光或者相同或类似颜色的光，并且可以由透镜510覆盖，透镜510可以用与以上所述相同的材料并通过相同的方法制成。散射颗粒层512可以被包括在透镜510上，其中层512具有多个散射颗粒区域514a-c用于在不同发射角处散射来自封装的目标波长。每一个区域内的散射颗粒也可以被设置在狭窄的颗粒尺寸分布内以散射目标波长，同时最小化其他波长的散射。
在一个实施例中，LED 502、504、506可以分别包括红色、绿色和蓝色发光LED，其中不同的区域514a-c具有散射颗粒以将目标定位于散射红色、绿色或蓝色波长的光。不同区域514a-c的尺寸和位置可以在很大程度上取决于LED 502、504、506的发光特性。一种可行的LED设置方式可以包括宽广频谱的绿色或黄色发光体以及蓝色发光体。如果实现了良好的颜色混合，那么这些发光体的波长范围可以组合以发出白光。另一种设置方式可以包括红色发光体和白色发光体。这样的组合可以被用于发出“暖”白光，其具有微红或橙的色调。其他的组合例如红-绿-蓝封装(RGB)或红-绿-绿-蓝(RGGB)封装也可以使用。各种其他颜色的发光体组合也是可行的。在某些应用中，希望选择的颜色组合可以被用于构建具有优异显色指数(“CRI”)的器件。具有良好CRI的光源对于场景中的颜色细节至关重要的照明场景来说是很有用的。
在其他的实施例中，LED封装可以包括若干LED的阵列。一种这样的布置可以包括由黄色转换材料覆盖的蓝色LED(也被称作蓝移黄色或BSY LED)，并且设有红色LED以使LED封装发出具有相对温暖色温的白光。在该实施例中，多个散射颗粒区域可以被设置在不同的发射角处以根据需要散射红色、蓝色或黄色的光。这样即可允许LED封装在不同的视角均可发射更加均匀的光或CCT。
应该理解具有多个LED的LED封装可以在透镜内设置散射颗粒区域。其他这样的LED封装可以被设置为将散射颗粒区域包括在装到透镜上或者远离透镜安装的盖帽中。另一些实施例可以不设置透镜，而将盖帽安装在LED上。在这种设置方式中，LED阵列可以包括LED封装的阵列或LED和LED封装的组合。
应该理解根据本发明的LED封装中的散射颗粒可以采用超出上述内容的多种不同形状，并且不必是圆形或其他的对称形状。还应该理解在很多实施例中，LED封装内LED的发光分布取决于LED上的转换涂层的形状和厚度。对于不同的形状和厚度，提供了不同的发光分布，这就相应地能够指示用于散射颗粒区域的不同形状和位置。
尽管已经参照本发明的某些优选结构详细介绍了本发明，但是其他的方案也是可行的。因此，本发明的实质和保护范围不应受限于以上介绍过的各种方案。

Claims (34)

1.一种发光二极管LED封装，包括：
以LED发光分布发出LED光的至少一个LED；以及
用于散射第一目标波长的多个第一散射颗粒和用于散射不同于所述第一目标波长的第二目标波长的多个第二散射颗粒，所述第一和第二散射颗粒被设置在所述LED周围用于散射所述LED光以改善所述LED发光分布的均匀性。
2.如权利要求1所述的LED封装，其中所述LED封装发出封装发光分布，所述第一和第二散射颗粒散射所述LED光，以使所述封装发光分布与所述LED发光分布相比在不同视角处具有改善的发光均匀性。
3.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒由相同的材料制成，所述第一散射颗粒具有第一尺寸，并且所述第二散射颗粒具有不同于所述第一尺寸的第二尺寸。
4.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒由不同的材料制成。
5.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒被设置在相应的第一和第二散射颗粒区域内。
6.如权利要求5所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒区域覆盖0度的发射角。
7.如权利要求5所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒区域覆盖0到45度发射角的至少一部分。
8.如权利要求5所述的LED封装，其中所述第二散射颗粒区域覆盖90度的发射角。
9.如权利要求5所述的LED封装，其中所述第二散射颗粒区域覆盖75度的发射角。
10.如权利要求5所述的LED封装，其中所述第二散射颗粒区域覆盖45到90度发射角的至少一部分。
11.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒散射光的蓝色波长并且所述第二散射颗粒散射光的黄色波长。
12.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒具有小于50％的尺寸分布。
13.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒具有小于33％的尺寸分布。
14.如权利要求1所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒由二氧化钛TiO2制成。
15.如权利要求14所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒的直径为0.15微米±0.05微米，并且所述第二散射颗粒的直径为0.25微米±0.05微米。
16.如权利要求1所述的LED封装，包括多个发光体。
17.如权利要求1所述的LED封装，其中所述封装发出白色光。
18.一种发光体封装，包括：
以发光体发光分布发光的至少一个发光体；以及
第一散射颗粒的第一区域和第二散射颗粒的第二区域，所述第一和第二区域被设置在所述至少一个发光体周围，用于改善与所述发光体发光分布相比的所述发光体封装的发光均匀性。
19.如权利要求18所述的发光体封装，其中所述第一和第二散射颗粒散射第一和第二目标波长，其中所述第一目标波长不同于所述第二目标波长。
20.如权利要求18所述的发光体封装，其中所述第一散射颗粒覆盖0到45度发射角的至少一部分，并且所述第二散射颗粒覆盖45到90度发射角的至少一部分。
21.如权利要求18所述的发光体封装，其中所述第一和第二散射颗粒均具有小于50％的尺寸分布。
22.如权利要求18所述的发光体封装，其中所述第一和第二散射颗粒具有小于33％的尺寸分布。
23.一种发光二极管LED封装，包括：
以LED发光分布发光的至少一个LED；和
多个第一散射颗粒，具有第一颗粒尺寸分布，用于散射第一目标波长范围，以及多个第二散射颗粒，具有第二尺寸分布，用于散射第二目标波长范围，所述第一和第二散射颗粒中的每一种都被设置在所述LED周围的相应区域内。
24.如权利要求23所述的LED封装，其中所述区域的尺寸和位置基于所述LED发光分布。
25.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒散射第一和第二目标波长，其中所述第一目标波长范围不同于所述第二目标波长范围。
26.如权利要求23所述的LED封装，其中所述LED封装以封装发光分布发光，所述第一和第二散射颗粒散射所述LED光，以使所述封装发光分布与所述LED发光分布相比在不同视角处具有改善的发光均匀性。
27.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒由相同的材料制成。
28.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒由不同的材料制成。
29.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒处于覆盖0到45度发射角的至少一部分的第一区域内。
30.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第二散射颗粒处于覆盖45到90度发射角的至少一部分的第二区域内。
31.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒均具有小于50％的尺寸分布。
32.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一和第二散射颗粒具有小于33％的尺寸分布。
33.如权利要求23所述的LED封装，其中所述第一散射颗粒的直径为0.15微米±0.05微米，并且所述第二散射颗粒的直径为0.25微米±0.05微米。
34.一种发光二极管LED封装，包括：
以LED发光分布发光的至少一个LED；以及
第一和第二散射部件，其中所述第一散射部件散射光的第一目标波长且所述第二散射部件散射第二目标波长，所述第一和第二散射部件中的每一个都被设置在所述LED周围，用于基于所述LED发光分布散射来自所述LED的光，以使所述LED封装发出的封装发光分布与所述LED发光分布相比具有改善的均匀性。
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