CN102738357B - 具有微结构透镜的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种具有微结构透镜的发光二极管(LED)包括：LED管芯和微结构透镜。微结构透镜包括：凸透镜部；至少一个同心脊状结构，围绕凸透镜部；和下部，位于凸透镜部和至少一个同心脊状结构的下方。将下部配置为设置在LED管芯上方。自LED管芯的边缘至微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自LED管芯的边缘至微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。

Description

具有微结构透镜的发光二极管
技术领域
本发明大体上涉及发光二极管(LED)，更具体地来说，涉及具有微结构透镜的LED。
背景技术
对于最初的LED透镜设计来说，光提取效率和空间色移特性是重要因素。最初的LED透镜将影响二次光学设计和后端产品应用。传统的圆顶透镜可以改善光提取性能，但是由于在不同方向上的不同光学路径长度，该透镜具有不期望的空间色移。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，根据本发明的一个方面，提供了一种具有微结构透镜的发光二极管(LED)，包括：LED管芯；以及微结构透镜，包括：凸透镜部；至少一个同心脊状结构，围绕所述凸透镜部；以及下部，位于所述凸透镜部和所述至少一个同心脊状结构的下方；其中，所述下部被配置为设置在所述LED管芯上方，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自所述LED管芯的所述边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
该LED进一步包括：设置在所述LED管芯上的荧光体涂层。
该LED进一步包括：设置在基板上并且位于所述LED管芯的下方的反射层；以及设置在所述反射层上方的焊料层，其中，所述反射层包括银(Ag)。
在该LED中，所述微结构透镜包括硅(Si)；或者所述至少一个同心脊状结构具有与所述凸透镜部相同的高度；或者所述至少一个同心脊状结构具有与所述凸透镜部相比更低的高度。
在该LED中，更接近所述微结构透镜的中心的所述至少一个同心脊状结构的第一同心脊状具有比所述至少一个同心脊状结构的第二同心脊状结构更高的高度；或者所述至少一个同心脊状具有圆形；或者所述至少一个同心脊状具有椭圆形。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有微结构透镜的发光二极管(LED)的方法，包括：将发光二极管(LED)管芯设置在基板上；以及在所述LED上模制所述微结构透镜，所述微结构透镜具有至少一个同心脊状物，其中，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
该方法进一步包括：在所述基板上形成反射层；以及在所述反射层上形成焊料层。
该方法进一步包括：将所述LED管芯结合至所述基板；或者将所述LED管芯引线接合；或者在所述LED管芯上形成荧光体涂层；或者在模制以后，蚀刻所述微结构透镜。
根据本发明的又一方面，提供了一种具有微结构透镜的发光二极管(LED)，包括：基板，具有反射层；LED管芯，被设置在所述反射层上；荧光体涂层，被设置在所述LED管芯的上方；以及微结构透镜，包括：凸透镜部；至少一个同心脊状结构，围绕所述凸透镜部；以及下部，位于所述凸透镜部和所述至少一个同心脊状结构的下方；其中，所述下部被配置为设置在所述LED管芯的上方，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
该LED进一步包括：设置在所述反射层上方的焊料层。
附图说明
现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1为示出具有根据某些实施例的具有微结构透镜的示例性LED的示意图；
图2A为示出用于根据某些实施例的LED的示例性微结构透镜的侧视图的示意图；
图2B为示出用于在图2A中的LED的示例性微结构透镜的俯视图的示意图；
图2C为示出用于在图2A中的LED的示例性微结构透镜的立体图的示意图；
图3A为示出用于根据某些实施例的LED的另一示例性微结构透镜的侧视图的示意图；
图3B为示出用于在图3A中的LED的示例性微结构透镜的俯视图的示意图；
图3C为示出用于在图3A中的LED的示例性微结构透镜的立体图的示意图；
图4A为示出用于根据某些实施例的LED的又一示例性微结构透镜的侧视图的示意图；
图4B为示出用于在图4A中的LED的示例性微结构透镜的俯视图的示意图；
图4C为示出用于在图4A中的LED的示例性微结构透镜的立体图的示意图；
图5为示出根据某些实施例的各种LED的Y/B比的曲线图；以及
图6为用于根据某些实施例制造图1中的具有微结构透镜的示例性LED的方法的流程图。
具体实施方式
下面，详细讨论各种实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
图1为示出根据某些实施例具有微结构透镜的示例性LED的示意图。LED组件100包括：基板102和LED管芯108。在基板102(例如硅(Si))上形成反射层104，例如银(Ag)。例如，通过使用焊料层106接合来将LED管芯108安装在基板102上。LED管芯108的尺寸根据应用变化，例如，300μm-2000μm。对于低功率应用来说，LED管芯108可以具有300μm-600μm的尺寸；而对于高功率应用来说，LED管芯108可以具有约1000μm或以上的尺寸。
在LED管芯108的上方沉积荧光体涂层110，从而形成来自LED组件100的期望光颜色。例如，通过LED管芯108所发出的光的颜色可以为蓝色，例如，该管芯由InGaN所制成，并且可以将黄荧光体材料(例如，掺铈钇铝石榴石(Ce3+:YAG))用于形成白光。此外，根据具体材料和荧光体涂层110的厚度，例如，30μm-60μm，可以改变光颜色。荧光体涂层110可以使用本领域公知的各种材料。在某些实施例中，荧光体颗粒尺寸可以变化，例如，6μm-30μm。荧光体材料可以通过控制荧光体的分布，例如，喷涂，在LED管芯108上形成共形涂层。
微结构透镜114包括：顶部微结构116和下部122，在基板102和LED管芯108的上方模制该微结构透镜，该微结构透镜同时还形成透镜基底层112。微结构透镜114的尺寸根据应用变化，并且其直径可以为LED管芯108的尺寸的约2.5倍。例如，微结构透镜114和透镜基底层112可以包括硅(Si)。除了凸透镜部118以外，微结构116至少包括：一个同心脊状结构120。微结构116可以具有与菲涅尔透镜(Fresnellens)结构类似的结构，但不仅限于该结构。下文中，在图2A-4A中示出了不同结构。在通过微结构116替换圆顶透镜的顶部的情况下，例如，将下部122成形作为圆顶透镜的一部分，来提高光提取效率。
通常，通过使用在中心具有LED的圆顶形(半球形或半球体)外壳来减少在LED透镜的表面处的反射，从而使得出射光线垂直照到表面上，这样使得反射角最小化。基板102上的反射层104提高了LED效率。外壳材料的折射率还可以与LED(半导体)的折射率匹配，从而最小化背反射。还可以添加防反射涂层。
将微结构透镜114设计为使在LED管芯108和透镜表面之间的光程长度(OPL)尽可能相同，因此，改善了空间颜色的一致性，但是仍具有来自LED组件100的高光提取效率。例如，自LED管芯108的边缘至微结构透镜114的顶部中心(或者凸透镜部118)的第一长度OPL1和自LED管芯108的边缘至微结构透镜114的侧面的第二长度OPL2基本上相同。
相比之下，传统圆顶透镜具有半球体结构和从半球体的中心至圆顶透镜的顶部和侧面的相同半径。因为LED管芯108的尺寸，所以自LED管芯108的边缘至圆顶透镜的顶部和侧面的OPL基本上不同。例如，传统圆顶透镜的直径可以为LED管芯108的长度的约2.5倍。假设LED管芯108(位于半球体圆顶透镜的中心处)的长度为约300μm，圆顶透镜的直径可以为约750μm，并且OPL的偏差可能大于100μm。由于OPL的较大偏差，对于传统圆顶透镜，将导致很大额外色移，例如，位于白光LED的边缘处的黄色环。
在微结构透镜114的一个示例性设计中，首先，使用光学设计软件来设计圆顶型透镜。透镜形状为半球体，从而提高了LED组件100的光提取效率。然后，可以通过使用微结构116来降低圆顶透镜的高度。可以将光学设计软件用于最优化透镜结构性能(例如，高光提取效率和改善的颜色均匀性)。
为了制造LED组件100，提供了基板(例如，Si)102，并且在基板102上形成反射层104。例如，使用焊料层106将裸LED管芯108结合在基板102上，其中，将该焊料层设置在反射层104的上方。形成共形荧光体涂层110。荧光体涂层110具有相对较小的颗粒尺寸，例如，6μm-30μm，在某些实施例中，形成薄荧光体层，例如，30μm-60μm。
为了制造微结构透镜114，使用透镜模制工具模制透镜形状。透镜模制工艺是本领域公知的。如果没有适当精确地限定微结构透镜114的元件，例如，脊状结构120，则在模制以后，可以使用干/湿蚀刻工艺获得更好的限定结构。在某些实施例中，脊状结构120具有约3μm-5μm的高度/深度。
图2A为示出用于根据某些实施例的LED的示例性微结构透镜114的侧视图的示意图。微结构透镜114具有在图2A的顶部的三个同心脊状结构120和凸透镜部118。与菲涅尔透镜结构类似地，三个同心脊状结构120具有尖峰。如上所述，如果在模制透镜以后，没有适当精确地限定微结构透镜114的元件，例如，脊状结构120，则可以使用干/湿蚀刻工艺，从而获得更好的限定结构。图2B为示出用于在图2A中的LED的示例性微结构透镜114的俯视图的示意图。图2C为示出用于在图2A中的LED的示例性微结构透镜114的立体图的示意图。
图3A为示出用于根据某些实施例的LED的另一示例性微结构透镜114的侧视图的示意图。与图2A中的示例性微结构透镜相比较，同心脊状结构120的顶部没有削尖，而是在图3A中使该顶部呈曲线。同心脊状结构120的高度彼此相同，但是凸透镜部118的顶部高于脊状结构120的顶部。基于性能(仿真或实验的)、和制造容易度等，对于不同实施方式和应用选择不同透镜设计。图3B为示出用于在3A中的LED的示例性微结构透镜114的俯视图的示意图。图3C为示出用于在图3A中的LED的示例性微结构透镜114的立体图的示意图。
图4A为示出用于根据某些实施例的LED的又一示例性微结构透镜114的侧视图的示意图。同心脊状结构120的顶部为圆形，而不是三角形，并且在图4A中，同心脊状结构120的高度彼此不同。当同心脊状结构120越接近微结构透镜114的中心时，该同心脊状结构的直径和高度增加。凸透镜部118的顶部高于脊状结构120的顶部。图4B为示出用于在图4A中的LED的示例性微结构透镜114的俯视图的示意图。图4C为示出用于在图4A中的LED的示例性微结构透镜114的立体图的示意图。
图5为示出根据某些实施例的各种LED的黄色/蓝色(Y/B)比的曲线图。没有任何透镜的LED的Y/B比曲线502示出了在中心处(小视角)的非常小的值(蓝色显著)，并且任何侧边缘增大(黄色显著)(任何一侧具有大视角)。Y/B比从约0.13至约0.75变化。具有传统透镜的LED的Y/B比曲线504示出了类似趋势，并且Y/B比从约0.23至约0.58变化。与这两个曲线相比较，具有示例性微结构透镜114的LED的Y/B比曲线506示出了改善的颜色分布的均匀性。在该实例中，Y/B比从约0.38至约0.53变化。
图6为用于制造根据某些实施例具有在图1中的微结构透镜的示例性LED的方法的流程图。在步骤602处，提供了位于基板上的发光二极管(LED)管芯。在步骤604中，在LED管芯的上方模制具有至少一个同心脊状物的微结构透镜。自LED管芯的边缘至微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自LED管芯的边缘至微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
在各种实施例中，在基板上形成反射层。在反射层上形成焊料层。将LED管芯结合至基板。将LED管芯引线接合。在LED管芯上形成荧光体涂层。在模制以后，蚀刻微结构透镜。
根据某些实施例，具有微结构透镜的发光二极管(LED)包括：LED管芯和微结构透镜。微结构透镜包括：凸透镜部；至少一个同心脊状结构，围绕凸透镜部；以及下部，位于凸透镜部和至少一个同心脊状结构的下方。将下部配置为设置在LED管芯的上方。自LED管芯的边缘至微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自LED管芯的边缘至微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
根据某些实施例，制造具有微结构透镜的发光二极管(LED)的方法包括：将发光二极管(LED)设置在基板上。在LED管芯的上方模制微结构透镜，该微结构透镜具有至少一个同心脊状物。自LED管芯的边缘至微结构透镜的顶部中心的第一光程长度基本上与自LED管芯的边缘至微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
本领域的技术人员应该理解，可以具有本发明的多个实施例的变化。尽管已经详细地描述了实施例及其部件，但应该理解，可以在不背离实施例的主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明的实施例，现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。
以上方法实施例示出了示例性步骤，但并不一定要按照所示顺序实施。根据本发明实施例的主旨和范围，可以对步骤做适当的增加，替换，改变顺序和/或删除。结合了不同权利要求和/或不同实施例的实施例仍然在本发明的范围之内，并且在审阅本发明之后，对于本领域普通技术人员而言也是显而易见的。

Claims (20)

1.一种具有微结构透镜的发光二极管(LED)，包括：
LED管芯；以及
微结构透镜，包括：
凸透镜部；
至少一个同心脊状结构，围绕所述凸透镜部；以及
下部，位于所述凸透镜部和所述至少一个同心脊状结构的下方；
其中，所述下部被配置为设置在所述LED管芯上方，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度与自所述LED管芯的所述边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
2.根据权利要求1所述的LED，进一步包括：设置在所述LED管芯上的荧光体涂层。
3.根据权利要求1所述的LED，进一步包括：设置在基板上并且位于所述LED管芯的下方的反射层。
4.根据权利要求3所述的LED，其中，所述反射层包括银(Ag)。
5.根据权利要求3所述的LED，进一步包括：设置在所述反射层上方的焊料层。
6.根据权利要求1所述的LED，其中，所述微结构透镜包括硅(Si)。
7.根据权利要求1所述的LED，其中，所述至少一个同心脊状结构具有与所述凸透镜部相同的高度。
8.根据权利要求1所述的LED，其中，所述至少一个同心脊状结构具有与所述凸透镜部相比更低的高度。
9.根据权利要求1所述的LED，其中，更接近所述微结构透镜的中心的所述至少一个同心脊状结构的第一同心脊状具有比所述至少一个同心脊状结构的第二同心脊状结构更高的高度。
10.根据权利要求1所述的LED，其中，所述至少一个同心脊状具有圆形。
11.根据权利要求1所述的LED，其中，所述至少一个同心脊状具有椭圆形。
12.一种制造具有微结构透镜的发光二极管(LED)的方法，包括：
将发光二极管(LED)管芯设置在基板上；以及
在所述LED上模制所述微结构透镜，所述微结构透镜具有至少一个同心脊状物，其中，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度与自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：在所述基板上形成反射层。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：在所述反射层上形成焊料层。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：将所述LED管芯结合至所述基板。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：将所述LED管芯引线接合。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：在所述LED管芯上形成荧光体涂层。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：在模制以后，蚀刻所述微结构透镜。
19.一种具有微结构透镜的发光二极管(LED)，包括：
基板，具有反射层；
LED管芯，被设置在所述反射层上；
荧光体涂层，被设置在所述LED管芯的上方；以及
微结构透镜，包括：
凸透镜部；
至少一个同心脊状结构，围绕所述凸透镜部；以及
下部，位于所述凸透镜部和所述至少一个同心脊状结构的下方；
其中，所述下部被配置为设置在所述LED管芯的上方，自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的顶部中心的第一光程长度与自所述LED管芯的边缘至所述微结构透镜的侧面的第二光程长度相同。
20.根据权利要求19所述的LED，进一步包括：设置在所述反射层上方的焊料层。
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