CN103180976B - 具有成角度的或竖直的led的发射器封装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及LED封装和使用LED封装的LED显示器，其中，封装内的LED芯片以唯一的定向布置，以提供期望的封装或显示器FFP。根据本发明的一个LED封装包括反射杯和安装在反射杯内的LED芯片。反射杯具有第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线，其中，LED芯片在反射杯内旋转，使得LED芯片不与所述第一轴线对准。一些LED封装可包括具有芯片纵向轴线的矩形LED芯片和具有杯纵向轴线的椭圆形反射杯。LED芯片安装在反射杯内，芯片纵向轴线与杯纵向轴线成角度。根据本发明的LED显示器包括多个LED封装，至少一些LED封装具有以不同角度安装在反射杯内的LED芯片，以实现期望的显示器FFP。

Description

具有成角度的或竖直的LED的发射器封装
本申请是于2009年12月11日提交的题为“SideViewSurfaceMountWhiteLED（侧视表面安装白光LED）”的美国专利申请公开No.2010/0090233的部分继续申请，本申请是于2007年4月24日提交的题为“SideViewSurfaceMountWhiteLED（侧视表面安装白光LED）”的美国专利申请No.11/739,307（现为专利No.7,649,209）的继续申请，本申请要求于2006年4月24日提交的美国临时申请No.60/745,478的权益。
本发明的背景技术
本发明的技术领域
本发明涉及发光二极管封装和使用发光二极管封装作为其光源的显示器。
现有技术的描述
发光二极管（LED）是将电能转换为光的固态装置，一般包括夹在相反掺杂层之间的半导体材料的一个或多个活性层。当在掺杂层上施加偏压时，将空穴和电子注入活性层中，在此它们重新组合，以产生光。光从活性层和LED的所有表面发出。
过去十多年的技术进步使得LED具有较小的占地面积，发射效率增加，成本降低。与其他发射器相比，LED还具有延长的使用寿命。例如，LED的使用寿命可为50,000小时以上，而白炽灯泡的使用寿命约为2,000小时。LED还比其他光源更稳定，消耗较少的能量。由于这些和其他原因，LED变得更加普及，现在用于越来越多的传统上属于白炽灯、荧光灯、卤素灯和其他发射器领域中的应用。
为了在常规应用中使用LED芯片，已知的是，将LED芯片封在封装内，以提供环境和/或机械保护、颜色选择、聚光等。LED封装还包括用于将LED封装与外部电路电连接的电导线、接触件（contact）或迹线（trace）。在图1所示的典型两脚LED封装/元件10中，单个LED芯片12通过焊接结合物或导电环氧树脂安装在反射杯（reflectivecup）13上。一条或多条焊线11将LED芯片12的欧姆接触件与导线15A和/或15B连接，所述导线可附接至反射杯13或与其成一体。反射杯13可填充有封装材料16和波长转换材料（例如，荧光体），可包含在LED芯片上方或包含在封装材料内。LED发出的第一波长的光可由荧光体吸收，该荧光体可响应地发出第二波长的光。整个组件随后可封装在透明保护树脂14中，该透明保护树脂可模制成透镜的形状，以对LED芯片12发出的光进行引导或成形。
图2示出了常规LED封装20的俯视图，其与图1所示的封装10相似，包括安装在反射杯24的底座处的LED芯片22。包括焊线26a和26b，以与LED芯片22的欧姆接触件连接，反射杯24填充有封装材料28。在封装20中，反射杯24为椭圆形，LED芯片22为矩形，LED芯片22与反射杯24纵向地对准。即，LED芯片的较长边缘与沿反射杯的延伸方向延伸的反射杯轴线对准。
可使用不同LED封装（例如，图1和图2所示的LED封装）作为大小显示器的光源。基于大屏幕LED的显示器（通常称为巨幕）在许多室内和室外场所（例如，运动场、跑道、音乐会和诸如纽约市的时代广场的大型公共区域）变得越来越常见。在当前技术下，这些显示器或屏幕中的某些可大到60英尺高和60英尺宽。随着技术进步，期望能研制出更大的屏幕。
这些屏幕可包括几千个“像素”或“像素模块”，其中的每个都可包含多个LED。像素模块可使用高效且高亮度LED，这些LED允许从相对较远的位置看见显示器，即使是在有阳光的白天。像素模块可仅具有三个或四个LED（一个红色、一个绿色和一个蓝色），这些LED允许像素根据红光、绿光和/或蓝光的组合发出多种不同颜色的光。在最大的超大屏幕中，每个像素模块可具有几十个LED。像素模块布置在矩形栅格中。在一种类型的显示器中，栅格可为640个模块宽480个模块高，屏幕的尺寸取决于像素模块的实际尺寸。
大多数基于常规LED的显示器都由接收输入信号（例如，电视信号）的计算机系统控制，基于在像素模块处所需的特定颜色形成整个显示图像，计算机系统确定每个像素模块中的哪个LED发光，并确定其亮度。还可包括电力系统，其向每个像素模块提供电力，可调节提供给每个LED的电力，使其发出期望亮度的光。提供导体以向像素模块中的每个LED提供适当功率信号。
LED显示器很少安装在观看者的视平线上，更一般地安装在高于视平线的高度处，例如，安装在建筑物的侧面或体育场的看台的顶部上。图3示出了安装在观看者32的视平线上方的升高点处的常规LED显示器30。观看者32一般位于显示器30下方，仰视显示器，使观看者对显示器30的视线34与显示器的垂直发射方向36成一角度θ。图3所示的LED显示器一般包括例如图1和图2所示的发射器的多个发射器38，这些发射器在接近水平轴线和竖直轴线的中心的位置具有峰值发射。
设置包括多个LED封装38的显示器可使得显示器在竖直方向36上具有峰值发射特性，如图所示。LED显示器30的Iv和远场图形（FFP）峰值发射特性可沿垂直轴线36与显示器垂直。显示器30安装在升高点时，观看者的视线34在垂直线下方；显示器发出的很多光观看者都看不见，而浪费掉。对于显示器下方和显示器侧面的观看者来说，情况就是如此。减少浪费的光量的一种方法是，成一角度地安装显示器，以与观看者的视线34更好地匹配，但这需要安装起来复杂且昂贵的硬件，这些硬件难于使用，对于安装在高处的非常大的显示器来说，特别是如此。
观看者通常并非处于所观看的基于LED的显示器的正前方。根据观看者所处的位置，水平视角有所不同。另外，当有人在LED显示器旁走动，例如，经过LED显示器时，其以多种不同水平角度观看显示器。在中心附近具有峰值发射的典型LED显示器在不同水平角度下出现发射强度的减弱。每个像素中的不同LED封装的远场图形（FFP）也可能不同，从而当从不同角度观看LED显示器时，其可能出现图像质量变化。
由于这个原因，使在LED显示器像素中使用的红色、绿色和蓝色LED封装的FFP发射特性平稳、尽可能得宽，在红色、绿色和蓝色之间匹配，是非常重要的。图1和图2所示的标准几何形状LED封装允许反射杯的最长反射表面（宽视角）与芯片的最长发射侧（宽视角）平行。该几何形状还使反射杯的最短反射表面（窄视角）与芯片的最短发射侧（窄视角）平行。该几何形状还将焊线长度降到最低，这有助于将焊线故障率降到最低。这种布置的挑战之处在于，其可能要求LED芯片远场图形、反射杯与LED圆顶之间的几乎完美匹配。如果没有该完美匹配，在圆顶或封装材料中可能需要使用大量扩散器。但是，扩散器会吸收封装发出的光，从而会降低发射亮度。
本发明的概要
本发明涉及LED封装和使用LED封装的LED显示器，其中，封装内的LED芯片以唯一定向布置，以提供期望的封装或显示器FFP特性。根据本发明的LED封装的一个实施例包括反射杯和安装在反射杯内的LED芯片。反射杯具有第一轴线和与第一轴线正交的第二轴线，其中，LED芯片在反射杯内旋转，使得LED芯片不与第一轴线对准。
根据本发明的LED封装的另一个实施例包括基板和安装在基板上的LED芯片。基板具有第一纵向轴线，LED芯片安装在基板上，使得LED芯片不与第一轴线对准。
根据本发明的LED封装的另一个实施例包括具有芯片纵向轴线的矩形LED芯片和具有杯纵向轴线的椭圆形反射杯。LED芯片安装在反射杯内，芯片纵向轴线与杯纵向轴线成角度。
根据本发明的LED封装可布置在LED显示器内，以提供期望的显示器FFP。从以下以示例的方式举例说明本发明的特征的详细说明和附图，本发明的这些和其他方面和优点将变得显而易见。
附图的简述
图1为常规发光二极管封装的侧视图；
图2为常规发光二极管封装的顶视图；
图3为示出了LED显示器和典型视角的示意图；
图4为根据本发明的LED封装的一个实施例的顶视图；
图5为示出了常规LED封装的水平远场图形（FFP）的图表；
图6为示出了常规LED封装的竖直远场图形（FFP）的图表；
图7为示出了根据本发明的LED封装的一个实施例的水平FFP的图表；
图8为示出了根据本发明的LED封装的一个实施例的竖直FFP的图表；
图9为示出了常规LED封装的水平远场图形（FFP）的图表；
图10为示出了常规LED封装的竖直FFP的图表；
图11为示出了根据本发明的LED封装的一个实施例的水平FFP的图表；
图12为示出了根据本发明的LED封装的一个实施例的竖直FFP的图表；
图13为在根据本发明的LED封装中可使用的反射杯的侧视图；
图14为图13所示的反射杯的顶视图；
图15为图13所示的反射杯的侧视图；
图16为在根据本发明的LED封装中可使用的另一个反射杯的侧视图；
图17为图16所示的反射杯的顶视图；
图18为图16所示的反射杯的侧视图；
图19为示出了根据本发明的LED显示器的FFP的图表；
图20为示出了根据本发明的LED显示器的FFP的图表；
图21为根据本发明的LED封装的另一个实施例的顶视图；
图22为根据本发明的LED封装的另一个实施例的透视图；
图23为图22所示的LED封装的顶视图；
图24为根据本发明的LED封装的另一个实施例的透视图；
图25为图24中的LED封装的顶视图；
图26为根据本发明的LED封装的另一个实施例的透视图；以及
图27为图26中的LED封装的顶视图。
本发明的详述
本发明涉及LED封装和使用LED封装的LED显示器，其中，封装内的LED芯片可相对于封装（或如下所述的其他部件）成角度或旋转，以提供期望的发射特性。在某些实施例中，期望的特性可包括LED封装的更宽水平和/或竖直FFP，而在其他实施例中，期望的特性可包括FFP的期望位置中的FFP不对称的设置。当以不同视角观看封装和/或显示器时，其可提供改善的图像强度和质量。使LED芯片旋转还可导致比具有常规定向的LED芯片的LED封装更平稳、更均匀的FFP。使芯片旋转还允许芯片远场发射特性与反射杯特性的更好匹配，以提供具有相似期望发射特性的LED封装的可重复制造。即，LED封装可被提供有更均匀的FFP图形，同时允许封装之间的发射均匀性更统一。
本发明还具有多种其他优点。根据本发明，通过使LED封装中的LED芯片旋转，还可减少优化FFP所需的扩散器的量。由于扩散器吸收较少的LED光，这可导致具有更强烈的视屏椭圆的LED显示器。使LED芯片旋转和减少扩散器的量还可提供具有平滑的视角发射图形的LED芯片。
在如图2所示的具有椭圆形反射杯和矩形LED芯片的一个实施例中，将LED芯片旋转成与反射杯的纵向轴线垂直或正交允许反射杯的最长反射表面（宽视角）与芯片的较短发光边（窄视角）平行。其还允许反射杯的最短反射表面（窄视角）与芯片的较长发射边（宽视角）平行。这会导致较长的焊线，这会要求更紧密地关注制造，以提供具有良好可靠性的封装。但是，该封装几何形状可提供放宽常规LED封装的LED芯片远场图形、反射杯和LED圆顶之间所需的匹配标准的优点。其还可减少对大量扩散器的需要。某些实施例可包括椭圆形反射杯和矩形LED芯片，LED芯片不与反射杯的纵向轴线对准。
根据本发明的LED封装的其他实施例可具有不同形状的反射杯，例如，圆形、方形、矩形或其他多边形形状。在不同封装中使用的LED芯片可具有不同形状，例如，方形、圆形、椭圆形、矩形或其它多边形形状。例如，在根据本发明的另一个实施例中，反射杯可为圆形，LED芯片可为方形，使LED芯片旋转成与反射杯或LED封装的轴线成一角度。还应理解的是，根据本发明的LED封装可没有设置反射杯，LED芯片安装在基板或基台（submount）上，其他LED封装可包括LED芯片阵列，而非单个LED芯片。
本文中描述的上述实施例可参照一个轴线长于其正交轴线的反射杯。但是本发明还可等同地适用于具有封装、基板、基台或一个轴线长于其正交轴线的透镜的实施例。换句话说，应理解的是，本发明可适用于具有较长和较短正交轴线的封装、基板和基台、或具有透镜且透镜具有较长和较短正交轴线的封装。在这些实施例中，使LED芯片旋转成不与较长轴线对准，或旋转成与较长轴线和较短轴线都不对准。
本文中参照特定实施例对本发明进行说明，但应理解的是，本发明可以多种不同形式实施，不应被理解为限于本文中阐述的实施例。特别地，多个不同LED、反射杯和引线框架布置可以除上述的那些以外的方式提供，封装材料可提供其他特征，以提高LED封装和使用LED封装的LED显示器的可靠性和发射特性。尽管本文中参照反射杯对某些实施例进行了说明，但应理解的是，本发明可等同地适用于具有任何类型的反射腔或不具有反射杯的任何实施例。尽管上述LED封装的不同实施例用于在LED显示器中使用，但是其可单独地或与具有相同或不同峰值发射倾角的其他LED封装结合地用于多种其他应用中。
还应理解的是，当一个诸如层、区域或基板的元件被称为位于另一个元件“上”时，其可直接位于另一个元件上，或还可存在中间元件。另外，本文中使用诸如“在...上方”和“在...下方”的相对术语以及相似术语来描述一个层或另一个区域的关系。应理解的是，这些术语旨在包括除图中所示的定向以外的装置的不同定向。
尽管本文中使用术语“第一”、“第二”等来描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下文所述的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
本文中参照作为本发明的实施例的示意图的横截面示意图对本发明的实施例进行了说明。因此，层的实际厚度可不同，可根据例如预期的制造技术和/或公差改变示出的形状。本发明的实施例不应被理解为限于本文中所示的特定形状的区域，而是应包括由于例如制造而导致的形状的改变。由于正常制造公差的原因，示出或描述为方形或矩形的区域一般将具有圆形或弯曲特征。因此，图中所示的区域实际上是示意性的，其形状不应示出装置的区域的精确形状，不应限制本发明的范围。
图4示出了根据本发明的LED封装50的一个实施例，其总体上包括反射杯54，LED芯片56安装在反射杯54的底座处。在引脚安装的实施例中，LED封装可包括可用已知制造方法由常规材料制成的两脚引线框架（未示出，但与图1所示的那些相似）。电信号可通过引线框架部分的两个引脚施加至LED56，焊线58a，58b提供引线框架与LED56之间的电路径，以将电信号传送至LED56，使其发光。
封装50中可使用多种不同类型的LED或LED芯片，常规LED芯片的制造是众所周知的，本文仅对其进行简要说明。可利用具有使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）进行制造的合适工艺的已知工艺来制造LED芯片。LED芯片的层一般包括夹在第一和第二相反掺杂外延层之间的活性层/区域，所有这些相反掺杂外延层都相继地形成在生长基板上。LED芯片可形成在晶片上，随后进行切割（singulate），以安装在封装内。应理解的是，生长基板可始终作为最终切割而成的LED芯片的一部分，或生长基板可完全或部分地去除。
还应理解的是，LED56中还可包括额外的层和元件，包括但不限于，缓冲器、晶核、接触件和电流扩散层、以及光提取层和元件。活性区域可包括单量子井（SQW）、多量子井（MQW）、双异质结构或超晶格结构。活性区域和掺杂层可由不同材料系统制成，优选材料系统为于Ⅲ族氮化物基材料系统。Ⅲ族氮化物是指在氮与周期表的III族元素（通常为铝（Al）、镓（Ga）和铟（In））之间形成的那些半导体化合物。该术语还指三元化合物和四元化合物，例如，氮化铝镓（AlGaN）和氮化铝铟镓（AlInGaN）。在一个优选实施例中，掺杂层为氮化镓（GaN），活性区域为InGaN。在可替代实施例中，掺杂层可为AlGaN、砷化镓铝（AlGaAs）或磷化铝镓铟砷（AlGalnAsP）。
生长基板可由多种材料制成，例如，蓝宝石、碳化硅、氮化铝（A1N）、氮化镓（GaN），合适的基板为碳化硅的4H多型体，但也可使用其他碳化硅多型体，包括3C、6H和15R多型体。碳化硅具有特定优点，例如，与蓝宝石相比，与III族氮化物的更紧密晶格匹配，使得III族氮化物薄膜具有较高质量。碳化硅还具有非常高的导热率，使得碳化硅上的III族氮化物器件的总输出功率不受基板的热耗散限制（对于形成在蓝宝石上的某些器件，可能就是如此）。SiC基板可从北卡罗来纳州的达勒姆的CreeResearch有限公司购得，在科学文献以及美国专利No.Re.34,861；No.4,946,547和No.5,200,022中对其生产方法进行了说明。
LED芯片还可包括位于顶面上的导电电流扩散结构和焊线焊盘，两者均由可利用已知方法沉积的导电材料制成。可用于这些元件的某些材料包括Au、Cu、Ni、In、Al、Ag或其组合、以及导电氧化物和透明导电氧化物。电流扩散结构可包括设于LED56上的栅格中的导电指状件，指状件隔开，以加强从焊盘到LED芯片的顶面的电流扩散。在操作中，电信号通过焊线施加至焊盘，如下所述的，电信号通过电流扩散结构的指状件和顶面扩散到LED芯片中。电流扩散结构通常用于顶面为p型的LED芯片中，但还可用于n型材料。
本文描述的某些或所有LED芯片可涂敷有一个或多个荧光体，荧光体吸收至少某些LED芯片光，并发出不同波长的光，使得LED芯片发出来自LED芯片和荧光体的光组合。在根据本发明的一个实施例中，发白光LED芯片具有发出蓝色波长谱中的光的LED芯片，荧光体吸收某些蓝光，并重新发出黄光。LED芯片发出蓝光和黄光的白光组合。在其他实施例中，LED芯片发出蓝光和黄光的非白光组合，如美国专利7,213,940所述的。在某些实施例中，荧光体包括市场上可买到的YAG:Ce，但是全范围的宽黄色光谱发射可使用由基于(Gd,Y)3(Al,Ga)5O12:Ce系统（例如，Y3Al5O12:Ce(YAG)）的荧光体制成的转换颗粒。可用于发白光LED芯片的其他黄色荧光体包括：
Tb3-xRExO12:Ce(TAG);RE=Y,Gd,La,Lu；或
Sr2-x-yBaxCaySiO4:Eu。
不同LED芯片还可包括发红光、绿光和蓝光的LED，其可由允许直接从活性区域发出期望的光的结构和材料制成。例如，红光可直接从由特定材料（例如，AlInGaP）制成的LED的活性区域发出。可替代地，在其他实施例中，LED芯片可涂敷有提供期望的发射的期望的转换材料（例如，荧光体）。例如，发红光LED芯片可包括由吸收LED芯片光并发出红光的荧光体覆盖的LED芯片。LED芯片可发出蓝光或UV光，适用于这些结构的某些荧光体可包括：Lu2O3:Eu3+；(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4；Sr2-xEuxCeO4；SrTiO3:Pr3+,Ga3+；CaAlSiN3:Eu2+；和Sr2Si5N8:Eu2+。
红色、绿色和蓝色LED芯片可用于单独的LED封装中，并可用于LED显示器像素中，如上所述的。可替代地，LED芯片可位于具有多个红色、绿色和蓝色LED芯片的封装中。这些LED封装实施例的某些可具有红色、绿色和蓝色LED芯片，每个LED芯片都具有其自身的强度控制，以允许封装发出红光、绿光和蓝光的多种不同颜色组合。
涂敷有荧光体的LED芯片利用多种不同方法进行涂敷，一种适用的方法在题为“WaferLeverPhosphorCoatingMethodandDevicesFabricatedUtilizingMethod（晶片级荧光体涂敷方法和利用方法制造的器件）”的美国专利申请序列No.11/656,759和No.11/899,790中进行了说明，将这两个美国专利申请通过引证结合到本文中。可替代地，LED可使用其他方法（例如，电泳沉积（EPD））进行涂敷，一种适用的EPD方法在题为“CloseLoopElectrophoreticDepositionofSemiconductorDevices（半导体器件的闭环电泳沉积）”的美国专利申请No.11/473,089中进行了说明，将该美国专利申请通过引证结合到本文中。应理解的是，根据本发明的LED封装还可具有不同颜色的多个LED，其中的一个或多个可发白光。
在所示实施例中，反射杯54为椭圆形。即，当从上方观看反射杯54时，其具有长于第二轴线62（即，其竖直轴线）的第一轴线或纵向轴线60。如下所述的，根据本发明的反射杯可具有多种不同尺寸。在所示实施例中，LED芯片56为矩形，不与反射杯54的第一（纵向）轴线60对准地安装，而是与反射杯的第二轴线62对准地安装。在该布置中，LED56的长边64与反射杯54的短边66对准，LED的短边68与反射杯54的长边70对准。
这种对准可提供某些期望的LED封装发射特性，如上所述的，并可放宽LED封装部件的匹配要求，如上所述的。根据本发明的LED封装可更能承受制造偏差，相比之下，制造偏差会对常规LED封装的FFP产生大得多的负面影响。这种制造偏差可包括反射杯和LED芯片的形状、反射杯中的LED芯片的设置或焊线的设置、以及封装材料的变化。
与具有水平定向LED芯片的LED封装相比，如图所示地使LED芯片56在反射杯54中旋转还可提供改善的远场图形发射特性。图5和图6示出了不具有透镜而具有如上述图2所示的常规定向的LED芯片的LED封装的发射强度特性的示例。图5示出了在约70度的水平辐射角下具有50%发射强度82的水平远场图形（FFP）80。图6示出了在约58度的竖直辐射图形下具有50%发射强度86的竖直FFP84。作为比较，图7和图8示出了具有如图4所示的竖直定向LED芯片的LED封装的发射强度特性的示例，该LED芯片处于与提供图5和图6所示的发射特性的LED封装相同的反射杯内。图7示出了在约76度的水平辐射角下具有50%发射强度90的水平FFP88。图8示出了在约65度的竖直辐射角下具有50%发射强度94的竖直FFP92。
如图5和图6与图7和图8的比较所示，具有竖直定向LED芯片的封装具有较宽视角，在水平和竖直辐射角下都具有50%强度。发射图形还包括较少的不均匀，对于不同发射角具有辐射强度的平稳下降。差别可归因于不同因素，例如，LED芯片的在水平方向发出更大累积强度的光的较长发射表面。竖直发射强度的增加也可归因于多个因素，例如，LED芯片的在竖直方向上更靠近反射表面的边缘。应注意的是，旋转的或竖直的LED芯片布置的FFP发射特性之间还可能存在其他差别。一个可能差别在于，竖直的芯片LED封装的峰值发射强度会较窄，但辐射强度至少下降一角度（角度越大，下降越慢）。
图9和图10示出了在进行锡焊和具有如上述图2所示的常规定向的LED芯片的封装之后的发射强度特性的示例。图9示出了在约94度的水平辐射角下具有50%发射强度102的水平FFP100。图10示出了在约44度的竖直辐射图形下具有50%发射强度106的竖直FFP104。这些FFP可为发出不同颜色的光的相似LED，FFP100和104为具有发绿光LED芯片的LED封装的FFP。对于相似反射杯布置中的具有发蓝光LED芯片的LED封装而言，FFP和50%辐射发射强度在约95度水平角和43度竖直角下几乎相同。
作为比较，图11和图12示出了根据本发明的具有图4所示的竖直定向LED芯片的LED封装的发射强度特性的示例。LED芯片设于与提供图9和图10所示的发射特性的LED封装相同或相似的反射杯内。图11示出了在约101度水平辐射角下具有50%发射强度110的水平FFP108。图12示出了在约48度竖直辐射角下具有50%发射强度114的竖直FFP112。所示发射图形为具有发绿光LED芯片的LED封装的发射图形。对于具有发出其他颜色的光的LED芯片的LED封装，发射图形相似。对于具有发蓝光LED芯片的LED封装，FFP和50%辐射发射强度在约102度水平角和48度竖直角下几乎相同。
通过在不同反射杯中设置不同LED芯片，可实现更宽的50%视角发射图形。在具有发红光、绿光和蓝光LED芯片的LED封装的某些实施例中，50%水平发射强度角可达到120度，而50%竖直发射强度角可达到70度。在具有绿色和蓝色LED芯片的封装的一个实施例中，50%水平强度角为115度，50%竖直角为65度。在具有红色LED芯片的封装的一个实施例中，50%水平强度角可为108度，50%竖直强度角可为58度。在上文所示的不同实施例中，与具有水平定向LED芯片的常规LED封装相比，发射强度角的增加可在0至5%的范围内增加。在其他实施例中，可在0至10%的范围内增加，而在其他实施例中，可在0至15%的范围内增加。
本发明可适用于具有多种不同形状和尺寸的封装和LED芯片。图13至15示出了可用于根据本发明的LED封装的椭圆形反射杯120的一个实施例。反射杯120的长度和宽度约为1.26mm和1.01mm。反射杯120的底座122的长度约为.9mm，宽度约为.65mm，成角度的反射表面124约为0.15mm高，具有约100度的开度（opening）。图16至18示出了形状与反射杯120相似的反射杯130的另一个实施例。反射杯130的底座132的尺寸与反射杯120的底座122相同。但是，成角度的表面134的高度约为0.25mm，具有约80度的开度。这使封装的长度为1.32mm，宽度为1.07mm。这仅为在根据本发明的LED封装中可使用的反射杯的多种不同形状和尺寸的两个示例。
LED封装可具有不同形状和尺寸的LED芯片，矩形LED芯片的长度大于宽度。在某些实施例中，长度可达到1000μm，宽度可达到500μm。在其他实施例中，长度可达到500μm，宽度可达到300μm。在一个实施例中，LED芯片的长度可约为480μm，宽度可约为260μm。
根据本发明的LED封装可用于形成LED显示器，LED显示器具有改善的远场图形。根据本发明的多个LED的累积效应、以及改善的发射特性和LED封装的可重复制造性使得LED显示器呈现出相同的改善的发射。
LED显示器可根据本发明而设有多个不同数量的LED模块或像素。在某些实施例中，LED显示器可具有1至100,000个模块或像素。在其他实施例中，LED显示器可具有100,000至200,000个之间的模块或像素，而在其他实施例中，LED显示器可具有200,000至300,000个之间的模块或像素。在其他实施例中，LED显示器可具有300,000个以上的像素或模块。像素或模块设于矩形栅格中。例如，栅格的宽度可为640个模块/像素，高度可为480个模块/像素，屏幕的最终尺寸取决于模块/像素的实际尺寸。根据本发明的显示器可为多种不同形状和尺寸，许多显示器达到60英尺高和60英尺宽。
图19示出了根据本发明的使用LED封装的LED显示器的一个实施例的水平FFP的发射强度曲线140，其在120度的水平视角的范围内呈现出基本平的发射强度特性。这提供了对在更大角度范围下观看LED显示器的改善，LED图像在法线0°视角下与在法线的任一侧的60°以内的任何视角下具有基本相同的强度。由此，与基于常规LED的显示器相比，图像在较大角度范围内保持了其质量。
图20示出了使用根据本发明的LED封装的LED显示器的一个实施例的竖直远场图形的屏幕曲线150。与上文所述的在没有增加的竖直发射角的显示器中使用的LED封装相比，该竖直图形更遵循朗伯图形。应理解的是，在其他实施例中，某些或所有LED封装可设置成具有更高的竖直视角，竖直的屏幕曲线呈现出与图19所示的相似的平的部分。
使用根据本发明的LED封装的根据本发明的LED显示器还可在竖直视角的范围内呈现出改善的发射强度曲线。为了在这些不同视角下提供更统一的图像质量，根据本发明的LED显示器为这些角度下的红色、绿色和蓝色LED提供匹配的屏幕曲线和远场图形。虽然光的强度可随着视角增加而降低，但具有相同发射曲线的发射器保持图像的颜色质量。
根据本发明的显示器还可包括LED封装的不同组合。即，不同显示器中的LED封装不需要都具有相同特征，以增加发射角。根据本发明的LED封装还可用于除LED显示器以外的多种不同照明应用，特别是使用需要增加的发射角的小型高输出光源的那些应用。这些应用的某些包括但不限于，路灯、建筑灯、家庭和办公照明、显示器照明和背光照明。
除上文所述的增加发射角以外，本发明还可用于补偿特定非期望发射特性。FFP不均匀或不对称可能是由LED封装的特征（例如，焊盘不对称、焊线尺寸和位置、电流扩散指状件的几何形状等）造成的。LED芯片还可发出不对称FFP。这些FFP不均匀和不对称可降至最低，可被最终用户接受。在其不可接受的情况下，LED芯片在反射杯内的旋转还可允许对在FFP的最可接受位置中设置缺陷的控制。最终用户多数希望将远场中的缺陷设置在模块或固定物中的特定位置中，以使其在某种程度上是显而易见的。在常规LED封装中，为了获得远场不对称的适当位置，封装可包括特殊光学元件、特殊焊板，或将封装附设在旋转定向中。根据本发明的LED封装还可通过使LED芯片在反射杯或封装内旋转而获得远场不对称的该选择位置。
如上所述，矩形LED芯片还可在具有不同于椭圆形的其他形状的反射杯中旋转。LED芯片可具有除矩形以外的多种不同形状，这些不同形状的LED可安装在具有多种不同形状的反射杯内。在所有这些反射杯中，旋转会使得FFP不对称处于不同位置中。
图21示出了根据本发明的LED封装200的另一个实施例，其为与图4所示的实施例相似的两脚式封装。其包括安装于反射杯204的底座的LED芯片202，焊线206a，206b连接在封装引脚与LED芯片之间，以用于对LED芯片施加电信号。但是，在该实施例中，LED芯片202为方形，反射杯204为圆形。反射杯204包括基本与封装引脚对准的第一轴线210和与第一轴线210正交的第二轴线212。LED芯片202不与第一和第二轴线210，212对准地安装在反射杯204内。即，LED芯片202的侧边不与第一或第二轴线210，212对准。相反，LED芯片202相对于轴线210，212成角度或旋转。通过使LED芯片202在反射杯204内旋转，与LED芯片与轴线对准的封装相比，FFP不对称可位于FFP的不同位置处。
应理解的是，LED芯片202可以0至90度范围内的多个不同角度旋转。在所示实施例中，LED芯片202以与轴线210，212成约45度的角度旋转。
图22和图23示出了根据本发明的表面安装LED封装220的另一个实施例，其包括基板222、安装在基板222上的反射杯224、以及在反射杯224内安装于基板222的方形LED芯片226（如图23所示）。如上所述，LED芯片226可为除方形以外的多种不同形状。LED封装220进一步包括反射杯224上方的透镜227。LED封装220以与可从北卡罗来纳州的达勒姆的Cree有限公司购得的按照XR-E和XR-C型号标识的LED封装相似的方式设置。LED封装220还具有在封装接触件232a，232b之间延伸的第一轴线231和与第一轴线231正交的第二轴线234。与市场上可买到的相似LED封装不同，LED芯片226在反射杯内成角度或旋转，使得其边缘不与第一或第二轴线231，234对准。这可用于改变FFP不对称的位置，如上所述的。与LED封装200相同，LED芯片226可相对于轴线231，234以0至90度范围内的多个不同角度设置。在所示实施例中，LED芯片可布置成使得其边缘相对于轴线231，234成45度角。
图24和图25示出了根据本发明的LED封装240的另一个实施例，其包括基板242，LED芯片244安装在基板242上。透镜246可在LED芯片244上方以半球形状模制在基板242上。LED封装240以与可从北卡罗来纳州的达勒姆的Cree有限公司购得的按照XR-E和XR-C型号标识的LED封装相似的方式设置。LED封装240包括在封装接触件250a，250b之间延伸的第一轴线248和与第一轴线248正交的第二轴线252。与上述封装相同，LED芯片成角度或旋转，其边缘不与第一和第二轴线248，252对准。旋转范围可为0至90度，所示实施例的LED芯片旋转约45度。
上述LED封装实施例具有安装在反射杯内或安装在基板上的单个LED芯片。应理解的是，其他LED封装实施例可具有安装在反射杯内或安装在基板上的一个以上的LED芯片。这些实施例中的所有或某些多个LED芯片可旋转，在其他实施例中，每个LED芯片可具有相同旋转角，或者某些可具有不同旋转角。每个LED芯片的特定角可由多个因素决定，一个因素为特定芯片的特定FFP不对称和FFP图形不对称的期望位置。
图26和图27示出了根据本发明的多芯片LED封装260的一个实施例，其包括基板262和安装在基板262上的4芯片LED阵列264（如图27所示）。透镜266可在LED阵列264上方形成在基板262上。LED封装260以与可从北卡罗来纳州的达勒姆的Cree有限公司购得的按照XR-E和XR-C型号标识的LED封装相似的方式设置。LED封装260包括在基板262的一侧的第一接触件270a与另一侧的第二接触件270b之间延伸的第一轴线268。LED封装260还包括与第一轴线268正交的第二轴线272。在该实施例中，LED阵列264包括以方形阵列设置的方形LED芯片，但应理解的是，LED芯片可具有多种不同形状，阵列也可具有多种不同形状。LED阵列264在基板262上成角度或旋转，使阵列的边缘不与两个轴线268，270对准。与上述旋转的LED芯片相同，LED阵列264可相对于轴线以0至90度范围内的任何角度旋转，所示阵列相对于轴线成约45度角。
尽管已参考本发明的特定优选配置对本发明进行了详细说明，但也可采用其他版本。因此，本发明的主旨和范围不应受限于上述版本。

Claims (44)

1.一种发光二极管LED封装，包括：
反射杯和安装在所述反射杯内的LED芯片，其中，所述反射杯具有第一轴线和与所述第一轴线正交的第二轴线，其中，所述LED芯片在所述反射杯内旋转，使得所述LED芯片不与所述第一轴线对准；以及
其中，所述LED芯片具有芯片长轴线，所述芯片长轴线与所述第一轴线正交。
2.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片不与所述第二轴线对准。
3.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片具有边缘，其中，所述边缘不与所述第一轴线和所述第二轴线对准。
4.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片与所述第二轴线对准。
5.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述反射杯为椭圆形。
6.根据权利要求5所述的LED封装，其中，所述LED芯片为矩形。
7.根据权利要求5所述的LED封装，其中，所述第一轴线为椭圆形的所述反射杯的纵向轴线，所述LED芯片与所述第二轴线对准。
8.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述反射杯为圆形。
9.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片不与所述第一轴线对准且成0至90度之间的一角度。
10.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片不与所述第一轴线对准且成约45度的一角度。
11.根据权利要求1所述的LED封装，其中，所述LED芯片为LED芯片的阵列的一部分。
12.根据权利要求1所述的LED封装，发出的远场图形具有的50％发射强度角比其中所述LED芯片与所述第一轴线对准的相同LED封装宽。
13.根据权利要求1所述的LED封装，进一步包括位于所述LED芯片上方的透镜。
14.根据权利要求1所述的LED封装，进一步包括基板，所述LED芯片和所述反射杯安装在所述基板上。
15.一种发光二极管LED封装，包括：
基板和安装在所述基板上的LED芯片，其中，所述基板具有第一纵向轴线，并且其中，所述LED芯片安装在所述基板上，使得所述LED芯片不与所述第一纵向轴线对准；并且
其中，所述LED封装发出的远场图形具有的50％发射强度角比在所述LED芯片与所述第一纵向轴线对准的情况中宽。
16.根据权利要求15所述的LED封装，进一步包括位于所述LED芯片上方的透镜。
17.根据权利要求16所述的LED封装，其中，所述第一纵向轴线在所述基板上的接触件之间延伸。
18.根据权利要求15所述的LED封装，进一步包括与所述第一纵向轴线正交的第二轴线，其中，所述LED芯片不与所述第二轴线对准。
19.根据权利要求18所述的LED封装，其中，所述LED芯片与所述第二轴线对准。
20.根据权利要求18所述的LED封装，其中，所述LED芯片不与所述第一纵向轴线对准且成0至90度之间的一角度。
21.根据权利要求18所述的LED封装，其中，所述LED芯片不与所述第一纵向轴线对准且成约45度的一角度。
22.根据权利要求18所述的LED封装，其中，所述LED芯片为LED芯片的阵列的一部分。
23.根据权利要求15所述的LED封装，进一步包括位于所述基板上的反射杯。
24.一种发光二极管LED封装，包括：
具有芯片纵向轴线的矩形LED芯片；以及
具有杯纵向轴线的椭圆形反射杯，所述LED芯片安装在所述反射杯内，所述芯片纵向轴线与所述杯纵向轴线正交。
25.根据权利要求24所述的LED封装，其中，所述芯片纵向轴线与所述杯纵向轴线正交。
26.根据权利要求24所述的LED封装，其中，所述LED芯片为LED芯片的阵列的一部分。
27.根据权利要求24所述的LED封装，发出的远场图形具有的50％发射强度角比其中所述芯片纵向轴线与所述杯纵向轴线对准的相同LED封装宽。
28.根据权利要求24所述的LED封装，进一步包括位于所述LED芯片上方的透镜。
29.根据权利要求24所述的LED封装，进一步包括基板，所述LED芯片和所述反射杯安装在所述基板上。
30.一种发光二极管(LED)显示器，包括：
多个LED封装，所述多个LED封装中的至少一些具有安装在反射杯内的LED芯片，所述封装具有与第二轴线正交的第一轴线，所述LED芯片不与所述第一轴线对准地安装；以及
其中，每个所述LED封装发出的远场图形具有的50％发射强度角比在所述LED芯片与所述第一轴线对准的情况中宽。
31.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述LED芯片不与所述第二轴线对准。
32.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述LED芯片具有边缘，其中，所述边缘不与所述第一轴线和所述第二轴线对准。
33.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述LED芯片与所述第二轴线对准。
34.根据权利要求30所述的显示器，其中，每个所述反射杯均为椭圆形。
35.根据权利要求34所述的显示器，其中，每个所述LED芯片均为矩形。
36.根据权利要求34所述的显示器，其中，所述第一轴线为椭圆形的所述反射杯的纵向轴线，所述LED芯片与所述第二轴线对准。
37.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述反射杯为圆形。
38.根据权利要求30所述的显示器，其中，每个所述LED芯片均不与所述第一轴线对准且成0至90度之间的一角度。
39.根据权利要求30所述的显示器，其中，每个所述LED芯片均不与所述第一轴线对准且成约45度的一角度。
40.根据权利要求30所述的显示器，其中，每个所述LED芯片均为LED芯片的阵列的一部分。
41.根据权利要求30所述的显示器，进一步包括基板，所述LED芯片和所述反射杯安装在所述基板上。
42.一种发射器，包括：
安装在封装内的LED芯片，其中，所述LED芯片具有芯片长轴线，并且所述封装具有封装长轴线，其中，所述芯片长轴线与所述封装长轴线不同地定向；并且
其中，所述LED封装发出的远场图形具有的50％发射强度角比在所述芯片长轴线与所述封装长轴线对准的情况中宽。
43.一种发光二极管LED封装，包括：
位于基台或反射杯上的LED芯片；以及
位于所述LED上方的透镜，其中，所述透镜具有第一轴线和与所述第一轴线正交的第二轴线，其中，所述LED芯片位于所述基台或所述反射杯上，所述LED芯片不与所述第一轴线对准；
其中，所述LED封装发出的远场图形具有的50％发射强度角比在所述LED芯片与所述第一轴线对准的情况中宽。
44.根据权利要求43所述的LED封装，其中，所述LED芯片也不与所述第二轴线对准。
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