CN103562985A - 发光二极管组件 - Google Patents

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Abstract

按照第一实施例，LED组件(400)包括单片衬底(405)、设置在衬底表面的LED芯片(415)阵列以及覆盖LED芯片(415)并且具有附连到衬底的透镜基底(420a)的光学透镜(420)，其中LED芯片(415)定位成提供从透镜基底(420a)的垂直中心线移位的峰值发射。按照第二实施例，该LED组件包括单片衬底、设置在衬底表面的LED芯片阵列以及光学透镜阵列，各光学透镜覆盖LED芯片的至少一个并且具有附连到衬底的透镜基底，其中LED芯片的至少一个定位成提供从相应透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。

Description

发光二极管组件
技术领域
一般来说，本公开针对发光二极管(LED)，以及更具体来说，针对能够产生预期光发射剖面的LED组件。
背景技术
发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态装置，并且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有源层。当偏压施加于掺杂层时，空穴和电子被注入有源层，其中它们重组以生成光。光线从有源层以及从LED的所有表面发射。
过去十年以上的技术进步产生了具有较小占用面积、增加发射效率和降低成本的LED。与其它发射器相比，LED还具有增加的使用寿命。例如，LED的使用寿命能够超过50000小时，而白炽灯泡的使用寿命大约为2000小时。LED还能够比其它光源更加鲁棒，并且能够消耗较小功率。由于这些及其它原因，LED变得更加普遍，并且用于传统上一直是白炽、荧光、卤素和其它发射器的领域的应用中。
LED还用于大和小的显示器中。基于大屏幕LED的显示器(常常称作巨型屏幕)在诸如在体育赛事、赛马场、音乐会之类的许多室内和户外场所以及在诸如纽约市时代广场之类的大型公共场所中正变得更加常见。许多这些显示器或屏幕能够大至60英尺高和60英尺宽。这些屏幕能够包括各可包含多个LED的数千个“像素”或“像素模块”。像素模块能够使用允许显示器从较远处、甚至白天在阳光下观看时也是可见的高效率和高亮度LED。像素模块能够具有允许像素发射来自红、绿和/或蓝光的组合的许多不同颜色的光的少至三个LED(一个红色、一个绿色和一个蓝色)。在最大的超大屏幕中，各像素模块能够具有许多LED。像素模块以矩形网格来设置。例如，网格能够是640个模块宽和480个模块高，其中屏幕的最终尺寸取决于像素模块的实际尺寸。
基于常规LED的显示器由计算机系统来控制，该计算机系统接受输入信号(例如电视信号)，并且基于在像素模块形成总体显示图像所需的特定颜色，该计算机系统确定每个像素模块中的哪一个LED将发射光线以及明亮程度。还能够包括电力系统，电力系统向每个像素模块提供电力；送往每个LED的电力可调制成使得每个LED以预期亮度发射。提供导体以将适当电力信号施加到像素模块中的每个LED。
当前技术利用使来自LED的光提取为最大以得到均匀发射剖面的光学和几何学。这通常需要耦合到发光元件的半球形透镜，其中透镜的光心和发射表面完全对齐，并且峰值光发射沿光轴进行。但是，这种配置对于所有情况可能不是有利的，例如当LED显示器安装在观众眼睛水平上方时。
现在参照图1和图2，示范LED显示器10示为安装在观众12的眼睛水平上方的升高点。观众12通常定位在显示器10下方并且仰望显示器，使得观众对显示器10的视线14相对于显示器的发射方向16-它与显示器表面垂直-处于角度θ。现在参照图2，如图1所示的LED显示器包括多个发射器、例如LED封装20，它可包括安装在反射杯24中并且装入一般弹头形状密封囊26中的LED22。LED封装20的峰值发射沿封装的纵轴28进行。图3是LED封装20的极坐标等光强(polar iso-candelar)图30，示出沿发射器的纵轴的峰值发射。
图1示出包括以显示沿垂直方向16定向的峰值发射的特性进行发射的多个LED封装20的显示器。LED显示器10的强度剖面(Iv)和远场图形(FFP)峰值发射特性也沿垂直轴16与显示器垂直。因为观众的视线14当显示器10安装在升高点时低于垂直线，所以由显示器所发射的许多光线可能没有被观众看到并且因而被浪费。
减小被浪费的光线量的一种方式是通过以更好地匹配观众视线14的角度来安装显示器，但是这可能要求难以使用的复杂并且昂贵的安装硬件，特别是对于安装在高处的超大显示器。还努力通过修改密封囊或透镜的形状来控制来自LED封装的光发射，但是这可要求特殊的高费用透镜加工和经修改的透镜制造过程。一些系统可利用辅助光学器件来改变光束剖面或者将光图形重定向到不同角度；但是，辅助光学器件可导致大约10-12％的显著损失，并且对显示系统增加成本。
发明内容
本文所述的是一种能够产生预期光发射剖面的发光二极管(LED)组件。
按照第一实施例，该LED组件包括单片衬底、设置在衬底表面的LED芯片阵列以及覆盖LED芯片并且具有附连到衬底的透镜基底的光学透镜，其中LED芯片定位成提供从透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
按照第二实施例，该LED组件包括单片衬底、设置在衬底表面的LED芯片阵列以及光学透镜阵列，各光学透镜覆盖LED芯片的至少一个并且具有附连到衬底的透镜基底，其中LED芯片的至少一个定位成提供从相应透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
按照第三实施例，该LED组件包括单片衬底、设置在衬底表面的LED芯片阵列以及光学透镜阵列，各光学透镜覆盖LED芯片的至少一个并且具有附连到衬底的透镜基底，其中透镜的至少一个成形为提供从相应透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
按照第四实施例，该LED组件包括单片衬底以及设置在衬底表面的LED芯片阵列，其中LED芯片的至少一个相对于衬底表面以非零角度γ来安装。
附图说明
图1是安装在观众上方的常规LED显示器的示意图；
图2是可在图1的LED显示器中使用的LED封装的侧视图；
图3是示出图2的LED封装的光发射特性的极坐标等光强图；
图4A是包括单片衬底上具有单覆盖透镜的LED芯片阵列的示范LED组件的透视图；
图4B是示出LED芯片阵列的中心CA与覆盖透镜的透镜基底的中心CL之间的偏移、图4A的LED组件的顶视图；
图5A是单片衬底上的示范LED芯片阵列的一部分的截面图，其中多个LED芯片相对于垂直中心线呈现倾角τ；
图5B是单片衬底上的另一个示范LED芯片阵列的一部分的截面图，其中LED芯片呈现不同的倾角τ1和τ2；
图6是包括具有移置到衬底的不同区域的分段的LED阵列的示范LED组件的顶视图；
图7是包括两个LED阵列的示范LED组件的顶视图，其中各阵列具有相对于透镜基底的中心CL移置的中心；
图8A是包括单片衬底上的LED芯片阵列的示范LED组件的透视图，其中各LED芯片包括覆盖透镜；
图8B是图8A的LED组件的截面图；
图8C是图8A的LED组件的顶视图；
图8D是示出LED芯片的中心与透镜基底的中心CB之间的偏移d、图8C的一部分的特写图；
图9是包括具有相对于基台的中心CS偏移的中心CLA1、CLA2的透镜的两个阵列的示范LED组件的顶视图，其中各透镜覆盖相对于相应透镜基底的中心CB可以居中或偏移的LED芯片；
图10是包括具有覆盖透镜以及倾角和位移的组合的LED芯片阵列的LED组件的一部分的截面图；
图11是示出可用于制造用于以角度γ将LED芯片安装到基台表面的成角度连接垫的冲压过程的示意图；
图12A-12C是示出冲压过程可如何直接应用于基台以在基台的正面和背面表面中创建成角度凸起和凹坑的示意图；
图13A是包括各具有其自己的半球形透镜的12个LED的示范LED组件的图片；
图13B包括示出作为与垂直中心线的角度的函数的归一化强度的图表，其中对于图13A的LED组件的三个实施例得到数据，如图13C-13E所示；
图13C-13E示出在半球形透镜的光心的LED芯片(图13C)、朝内径向偏移的LED芯片(图13D)和朝外径向偏移的LED芯片(图13E)；
图14A是包括2×2LED芯片阵列的示范LED组件的顶视图；以及
图14B是示出根据图14A的LED芯片阵列的中心与透镜基底的中心之间的位移量而发生的强度剖面的移位的图表；
图15A是包括单片衬底上的LED芯片阵列和光学透镜阵列的示范LED组件的透视图，其中LED芯片的数量超过透镜的数量，并且透镜的每个覆盖多个LED芯片；
图15B是示出多个LED芯片的中心CA与透镜基底的中心CB之间的偏移d、图15A的一部分的特写图；以及
图16是包括光学透镜阵列的LED组件的一部分的截面图，其中各透镜覆盖一个或多个LED芯片，并且透镜的一部分还具有不对称形状。
具体实施方式
本公开针对具有光发射剖面的LED组件，其中光发射剖面可通过改变LED芯片相对于覆盖透镜和组件表面中的一个或两者的位置和/或取向，与透镜形状无关地来控制。例如，通常对齐的LED发射表面和透镜的光心可相互偏移，以生成可控和可预测发射剖面。
LED组件包括设置在单片衬底或基台表面的LED芯片阵列，其中LED芯片定位成提供预期光发射剖面。在一个实施例中，LED芯片阵列可相对于覆盖透镜偏心地定位，以便将峰值发射特性从垂直中心线移开。作为补充或替代，LED芯片的一个或多个可相对于单片衬底的表面以某个角度来安装，以便改变峰值发射。这类LED组件可单独地或者与其它组件结合用于形成具有预期发射特性集合的显示器。
如本公开中所使用，“垂直中心线”一般相对于附连到LED组件的衬底的覆盖透镜的基底来定义。垂直中心线定位在透镜基底的中心，并且沿垂直于表面的平面的方向(图中的z方向)从衬底表面延伸。在LED组件安装在眼睛水平上方的一些应用中，使组件的峰值发射相对于垂直中心线向下移位会是有利的。但是，要理解，峰值发射的移位可沿任何方向-上、下、左、右或者沿中间方向，如下面更详细论述。
还要理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称为是在另一个元件“上”时，它能够直接在所述另一个元件上，或者也可存在中间元件。此外，诸如“内”、“外”、“上”、“上方”、“之上”、“之下”、“下面”和相似术语之类的相对术语在本文中可用于描述一层或另一个区域的关系。要理解，这些术语意在包含与图中所示不同的装置的取向。
虽然术语“第一”、“第二”等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或段，但是这些元件、组件、区域、层和/或段不应当受到这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或段与另一个区域、层或段加以区分。因此，以下所述的第一元件、组件、区域、层或段可能称作第二元件、组件、区域、层或段，而没有背离本公开的教导。
附图预计作为示意图。因此，装置和组件的实际尺寸和形状(例如层厚度)能够是不同的，并且因例如制造技术和/或容差而可预期与图示的偏离。实施例不应当被理解为局限于本文所示的区域的具体形状，而是包括例如由制造引起的形状的偏差。示为或描述为正方形或矩形的区域因正常制造容差而可具有圆形或弯曲特征。因此，图中所示的区域实际上是示意的，并且其形状不是要示出装置的区域的准确形状，也不是要限制本发明的范围。
参照图4A和图4B，LED组件400包括单片基台或衬底405，其中具有其上安装了LED发射器或LED芯片415的阵列410的表面405a。在这个示例中，阵列410是有序5×5阵列；其它阵列大小以及无序或非周期阵列也是可能的。LED芯片415的阵列410的中心CA可通过分别沿x方向和y方向平分阵列410的两个线条的相交点来定义，如图4B所示。
LED组件400还包括光学透镜420，光学透镜420附连到衬底405的表面405a，并且覆盖阵列410中的LED芯片415的至少一个。在这个示例中，透镜420覆盖阵列410中的所有LED芯片415。(备选地，多个透镜可附连到基台，并且可覆盖单独LED芯片，如以下进一步论述。)透镜420设计成对发射光束进行成形，以及为LED芯片提供环境和/或机械保护。透镜420可具有如图4A所示的半球形形状或者例如如图16所示的另一种对称或不对称形状。
透镜420具有附连(例如超模压)到基台405的透镜基底420a。在这个示例中，透镜410直接附连到基台405；但是，也有可能使透镜通过到另一个物体的连接来间接地附连到基台，其中所述另一个对象又附连到基台。例如，透镜可附连到扣环，扣环又附连到基台。因此，被说成“附连”到基台或衬底的透镜可直接或间接地与其附连。
透镜基底420a的中心CL可通过分别沿x方向和y方向平分透镜基底420a的两个线条的相交点来定义，如图4B所示。x和y方向位于衬底的平面中。在本专利文档通篇中，在指出给定阵列或另一对象的“中心”的情况下，该中心被理解为沿x和y方向平分阵列或另一对象的两个线条的相交点。类似地，基台405的中心CS可通过分别沿x方向和y方向平分基台405的表面405a的两个线条的相交点来定义。图4B中，透镜基底的中心CL覆盖基台的中心CS。在这种情况下，基台405的表面的中心CS对应于基台405的表面405a的物理中心。在另一个实现中，在基台405可沿一侧包括附加(非发光)组件、例如安装垫的情况下，中心CS可定义为与基台表面中没有包括附加组件的部分的中心重合。
按传统，透镜定位在基台上，使得透镜基底的中心CL与阵列的中心CA对齐。但是，为了提供预期发射剖面或者峰值发射移位，LED芯片415的阵列410的中心CA从透镜基底420a的中心CL移置，如图4B所示。偏移或位移D可沿±x方向、±y方向或者沿位于±x方向与±y方向之间的某个方向。可在制造期间，通过将LED芯片415的阵列410定位在基台405的表面405a上以使得阵列410的中心CA从基台405的中心CS移置，并且然后如图4所示将透镜420在基台上居中，或者通过将LED芯片阵列在基台上居中，并且然后安装透镜以使得透镜基底的中心CL相对于阵列(以及基台的表面)的中心CA偏移，来实现偏移。位移D的量可取决于LED芯片415、LED阵列410和/或透镜420的大小以及峰值发射中的预期移位，但是通常位于大约0.1mm与6.0mm之间。位移D还可位于大约0.1mm与大约3.0mm之间或者大约0.1mm与大约1.0mm之间。
发射剖面还可通过使基台上的LED芯片的一个或多个倾斜来偏离中心线。参照图5A和图5B，阵列510中的LED芯片515的一个或多个可相对于基台505的表面505a以角度γ来安装。图5A示出其表面505a上包括LED芯片515的示范基台505的一部分的截面侧视图。LED芯片515是这个图中没有完整示出的阵列510的一部分。LED芯片515的阵列510可包括如图4A所示的单个覆盖透镜或者如图10所示的多个透镜，并且如以下进一步论述。以下描述均适用于这两个实施例。
如图5A所示，阵列510中的多个LED芯片515可相对于基台505的表面505a以非零安装角γ来安装，由此呈现相对于相应透镜基底的中心线的倾角τ。(倾角和安装角有如下关系：τ＝90°-γ，其中γ大于0°，并且因而τ小于90°。)假定表面505a是基本上平面的，除了可在表面505a上形成以便以预期安装角γ来安装LED芯片515的任何凹陷或凸出特征之外。
阵列中的LED芯片的全部或者一部分可呈现相对于中心线的倾角τ。例如，阵列中的LED芯片的大约25％至大约75％可相对于表面以非零安装角γ来安装，由此包括倾角τ。非零安装角γ的量可位于大约5°与35°之间或者大约18°与22°之间。相应地，倾角τ可位于大约55°与大约85°之间或者大约68°与大约72°之间。
如图5A所示，倾角τ的量对于每个LED芯片515可以相同，或者如图5B示意所示，该量对于阵列510中的LED芯片515的一个或多个可以不同。例如，LED芯片515的第一部分可呈现第一倾角τ1，而LED芯片515的第二部分可呈现第二倾角τ2，其中两个不同倾角τ1和τ2分别对应于基台505的表面505a上的两个不同安装角γ1和γ2。对于任何给定阵列，可存在多达n个不同倾角τ1、τ2、...τn以及n个不同的对应安装角γ1、γ2、...γn，其中n小于或等于阵列中的LED芯片的数量。也有可能的是，阵列中没有LED芯片包括倾角τ；相反，可依靠衬底平面中的LED芯片的位移来影响发射剖面。
在可能位移策略的另一个示例中，给定阵列中的LED芯片的一个或多个可从阵列移置到衬底上的另一个位置。参照图6，原始阵列610可包括主要分段610a和辅助分段610b，以及阵列610的辅助分段610b可移置到基台605上的另一个位置。这类布置可对LED组件的发射剖面具有一个或多个影响；例如，与原始阵列相比，LED阵列的峰值发射可移位，和/或LED阵列的强度分布可拓宽。还有可能得到多瓣发射剖面。再次参照图6，从其中去除了分段610a的原始阵列610具有中心CA，中心CA相对于覆盖透镜620的透镜基底620a的中心CL偏移。还有可能使原始阵列相对于透镜基底居中。
在另一个示例中，LED组件的发射剖面可通过包括基台上(不同位置中)的LED芯片的一个以上阵列来修改，其中各阵列具有相对于透镜基底的中心进行偏移的中心。图7示出，例如，在单片衬底705的表面705a上设置了：LED芯片715的6×2阵列740，具有中心C1；以及LED芯片715的3×3阵列750，具有中心C2，其中中心C1和中心C2两者分别包括从透镜基底720a的中心CL的偏移D1、D2。在这个示例中，偏移D1、D2在幅值和方向方面均不相同。备选地，偏移可在幅值方面不同但在方向方面则不是，或者它们可在方向方面不同但在幅值方面不是。
阵列中的LED芯片可呈现上述倾角和位移的组合。例如，图4A、图4B、图6和图7的任一个所示的LED芯片的一个或多个可包括倾角τ，其中倾角τ如上所述。还有可能使这些图的任一个所示的全部LED芯片包括如上所述的倾角τ。类似地，其中LED芯片包括倾角τ的图5A和图5B所示的LED阵列510的部分还可包括在图5A和图5B中不是显而易见的基台平面中的位移。
如上所述，LED组件可包括多个光学透镜，其中每个透镜覆盖阵列中的LED芯片的一个或多个。可存在总共n个透镜，其中n等于阵列中的LED芯片的数量。备选地，并且如以下进一步论述，透镜数量n可小于阵列中的LED芯片的数量。
参照图8A，透镜820的阵列825可限定在单片基台805的表面805a上，其中各透镜820具有透镜基底820a，并且在这个实施例中覆盖单个LED芯片815。透镜820的阵列825具有中心CLA，以及各透镜基底820a具有中心CB。在这个示例中，阵列825是3×3阵列，但是其它阵列大小也是可能的，如以下进一步论述。图8A示出形状为半球形的透镜820；但是，阵列中的透镜的一个或多个可具有另一种对称或不对称形状，如图16所示，图16是支承各覆盖一个或多个LED芯片1615的三个透镜1620的基台1605的侧视图。
在传统配置中，各透镜820下面的LED芯片815相对于相应透镜基底820a居中。但是，为了从LED组件800提供预期发射剖面，透镜820的一个或多个下面的LED芯片815的一个或多个可包括从相应透镜基底820的中心CB的偏移d。偏移或位移d自LED芯片815的中心来测量，并且可沿±x方向、±y方向或者沿位于±x方向与±y方向之间的某个方向。位移d的量可取决于透镜820和LED芯片815的大小，但是通常位于大约0.1mm与1.2mm之间。由于位移d，LED芯片815的峰值发射可从相应透镜基底820a的垂直中心线移位。例如如图8C所示，LED芯片815的一个或多个的位移d对LED组件800的强度剖面的整体影响可以是发射剖面的移位和/或拓宽。这在示例1中进一步论述。
参照图8C，透镜820的阵列825因而可包括各具有从相应透镜基底820a的中心的偏移d的LED芯片815的第一部分以及各相对于相应透镜基底820a居中的LED芯片815的第二部分。在这个示例中，第二部分仅包括一个LED芯片815；设置在LED芯片815的阵列810的中心的LED芯片815没有包含偏移。在一个备选实施例中，阵列810中的全部LED芯片815可包括从相应透镜基底820a的中心CB的偏移d。每个LED芯片的偏移d可以相同，或者不同LED芯片815可具有在幅值和/或方向方面是不同的偏移d，如图8A-8D示意所示。由于单独LED芯片的位移d，LED芯片阵列的中心CA可从透镜阵列的中心CLA移置。
还预期，透镜和在下面的LED芯片的一个或多个可从透镜的原始阵列移置，如以上所述并且在图6中对于单透镜实施例示意所示。各透镜下面的LED芯片可保持为相对于透镜基底居中，或者可包括相对于透镜基底的偏移，如上所述。此外，可存在覆盖基台上的LED芯片的透镜的一个以上阵列，其中各阵列具有从基台中心移置的中心。图9中示出包括覆盖LED芯片915的透镜920的两个阵列940、950的示范LED组件900；能够看到，各阵列940、950的中心CLA1、CLA2包括从基台905的表面905a的中心CS的偏移D1、D2，并且偏移D1、D2在幅值和方向方面均不同。备选地，偏移可在幅值方面不同但在方向方面则不是，或者它们可在方向方面不同但在幅值方面不是。各透镜920下面的LED芯片915可保持为相对于透镜基底920a居中，如图9所示3×1阵列950的情况那样，或者可包括相对于透镜基底的中心CB的偏移d，如图9所示2×2阵列940的情况那样。
图10示出其表面1005a上包括LED芯片1015的示范基台1005的一部分的截面侧视图。每个LED芯片1015包括覆盖透镜1020。透镜1020是这个图中没有完整示出的透镜1020的阵列1025的一部分。LED芯片1015的至少一个相对于基台1005的表面1005a以非零安装角γ来安装，由此呈现相对于覆盖透镜1020的透镜基底1020a的中心线的倾角τ。图10示出包括倾角τ的两个LED芯片1015以及没有包括倾角τ的一个LED芯片。假定表面1005a是基本上平面的，除了可在表面1005a上形成以便以预期安装角γ来安装LED芯片1015的任何凹陷或凸出特征之外。
一般来说，如同单透镜实施例中一样，阵列中的LED芯片的全部或者一部分可呈现相对于透镜基底的中心线的倾角τ。例如，阵列中的LED芯片的大约25％至大约75％可相对于表面以非零安装角γ来安装，由此包括倾角τ。非零安装角γ的量可位于大约5°与35°之间或者大约18°与22°之间。相应地，倾角τ可位于大约55°与大约85°之间或者大约68°与大约72°之间。
如上所述，倾角τ的量对于每个LED芯片可以相同，或者该量对于阵列中的LED芯片的一个或多个可以不同。例如，LED芯片的第一部分可呈现第一倾角τ1，而LED芯片的第二部分可呈现第二倾角τ2，其中两个不同倾角τ1和τ2分别对应于基台的表面上的两个不同安装角γ1和γ2。对于任何给定阵列，可存在多达n个不同倾角τ1、τ2、...τn以及n个不同的对应安装角γ1、γ2、...γn，其中n小于或等于阵列中的LED芯片的数量。
此外，多个透镜阵列中的LED芯片可呈现上述倾角和位移的组合。例如，图10中，最外面的LED芯片1015包括倾角τ，而最里面的LED芯片1015包括相对于透镜基底1020a的中心CB的位移d。图8A-8D和图9所示的LED芯片的任一个或全部可相对于基台表面以角度γ来安装，以便呈现上述倾角τ。类似地，其中LED芯片1015中的两个包括倾角τ的图10所示的多个透镜阵列1025的部分还可包括在图10中不是显而易见的基台平面中的位移。
另外，在阵列1525中的透镜1520的数量少于LED芯片1515的数量的一个实现中，多透镜阵列1525中的透镜1520的至少一个可覆盖LED芯片1515中的多个1580，例如如图15A所示。多个LED芯片1515可构成可以是有序或无序的LED芯片1515的子阵列。与先前实施例相以，LED芯片1515中的多个1580的中心CA可从相应透镜基底的中心CB移置某个位移量d，如图15B所示。还预期，多个LED芯片1580中的LED芯片1515的至少一个可相对于衬底1505的表面1505a以非零角度γ来安装，由此包括相对于相应透镜基底1520a的垂直中心线的倾角τ。一般来说，多个LED芯片1580中的LED芯片1515可呈现上述倾角和位移的组合。另外，覆盖多个LED芯片的光学透镜的至少一个可具有不对称形状。
还有可能的是，在多透镜阵列的情况下，阵列中的LED芯片的至少一个可以不在透镜下面。这可以是当透镜的数量少于LED芯片的数量时的情况。
本文中所述的LED芯片的阵列和子阵列可包括任何数量的LED芯片，以便从LED组件提供预期光输出。例如，阵列可包括至少两个LED芯片、至少四个LED芯片、至少八个LED芯片、至少12个LED芯片或者至少20个LED芯片。大得多的阵列也是可能的。例如，LED组件可具有在其表面设置的至少大约50个或者至少大约100个LED芯片的阵列。阵列可以是对称或不对称的。例如在Yuan等人的、2010年10月26日发布的美国专利No.7821023以及Keller等人的、2009年4月30日公开的美国专利申请公开No.2009/0108281中描述了单片衬底上的示范LED芯片阵列(板上芯片(CoB)结构)，通过引用将其完整地结合于此。
常规LED的制造是一般已知的，并且在这里仅作简要描述。LED能够使用已知过程来制造，其中适当过程是金属有机化学气相沉积(MOCVD)。LED层一般包括夹在第一与第二相反掺杂的外延层之间的有源层/区域，它们全部在生长衬底上接连形成。LED能够在晶圆上形成，并且然后分割以供封装中安装。要理解，生长衬底能够保持为最终分割LED的部分，或者生长衬底能够完全或部分去除。
附加层和元件也可包含在LED中，其中包括但不限于缓冲层、核化层、接触层和电流扩展层以及光提取层和元件。有源区域能够包括单量子阱(SQW)、多量子阱(MQW)、双异质结构或超点阵结构。有源区域和掺杂层可由不同材料体系来制造，其中优选材料体系是基于III族氮化物的材料体系。III族氮化物表示在氮与周期表的III族的元素、通常为铝(A1)、镓(Ga)和铟(In)之间形成的那些半导体化合物。该术语还表示三元和四元化合物，例如铝镓氮化物(A1GaN)和铝铟镓氮化物(AlInGaN)。在一个优选实施例中，掺杂层是氮化镓(GaN)，以及有源区域是InGaN。在备选实施例中，掺杂层可以是A1GaN、铝镓砷化物(A1GaAs)或者铝镓铟砷化物磷化物(A1GaInAsP)。
生长衬底能够由许多材料来制成，例如蓝宝石、碳化硅、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，其中适当衬底是碳化硅的4H多型体，但是也能够使用其它碳化硅多型体，包括3C、6H和15R多型体。碳化硅具有某些优点，例如与蓝宝石相比与III族氮化物更接近的晶体点阵匹配，并且产生更高质量的III族氮化物膜。碳化硅还具有很高的导热率，使得碳化硅上的III族氮化物装置的总输出功率通常没有受到衬底的热耗散限制(如可能是蓝宝石上形成的一些装置的情况)。SiC衬底可从Cree Research，Inc(Durham，North Carolina)得到，以及用于产生它们的方法在科学文献以及在美国专利号Re.34861、4946547和5200022中提出。
LED还能够包括顶面上的导电电流扩展结构和丝焊片，它们两者均由能够使用已知方法沉积的导电材料来制成。能够用于这些元件的一些材料包括Au、Cu、Ni、In、A1、Ag或者其组合以及导电氧化物和透明导电氧化物。电流扩展结构能够包括以网格设置在LED上的导电指，其中导电指间隔开以增强从焊片到LED顶面的电流扩展。在操作中，电信号通过丝焊施加到焊片，以及电信号通过电流扩展结构的导电指和顶面扩展到LED中。电流扩展结构常常用于顶面为p型的LED中，但是也能够用于n型材料。
本文所述LED的部分或全部能够涂敷有一种或多种磷光体，其中磷光体吸收LED光的至少一部分并且发射不同波长的光，使得LED发射来自LED和磷光体的光线的组合。在按照本发明的一个实施例中，白色发光LED具有发射蓝色波长光谱的光线的LED，以及磷光体吸收蓝光的一部分并且再发射黄光。LED发射蓝光和黄光的白光组合。在其它实施例中，LED芯片发射蓝光和黄光的非白光组合，如美国专利No.7213940中所述。在一些实施例中，磷光体包括市场销售YAG：Ce，但是全范围的宽黄光谱发射使用基于(Gd,Y)3(Al，Ga)5O12：Ce体系、例如Y3Al5O12：Ce(YAG)的磷光体所制成的转换微粒是可能的。能够用于白色发光LED芯片的其它黄色磷光体包括：Tb3-xRExO12：Ce(TAG)；RE＝Y，Gd，La，Lu；或者Sr2-x-yBaxCaySiO4：Eu。
发射红光的LED能够包括准许直接从有源区域发射红光的LED结构和材料。备选地，红色发光LED能够包括由磷光体所覆盖的LED，其中磷光体吸收LED光并且发射红光。适合于这些结构的一些磷光体可包括：Lu2O3：Eu3+；(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4；Sr2-xEuxCeO4；SrTiO3：pr3+，Ga3+；CaAlSiN3：Eu2+；以及Sr2Si5N8：Eu2+。
LED可使用许多不同方法来涂敷有磷光体，其中一种适当方法在美国专利申请序号11/656759(美国专利申请公开2008/0173884)和11/899790(美国专利申请公开2008/0179611)描述，它们的标题均为“Wafer Level Phosphor Coating Method and DevicesFabricated Utilizing Method”，并且通过引用将其两者结合到本文中。备选地，LED能够使用其它方法来涂敷，例如电泳沉积(EPD)，其中适当EPD方法在标题为“Close Loop Electrophoretic Deposition ofSemiconductor Devices”的美国专利申请No.11/473089(美国专利申请公开2007/0158668)中描述，也通过引用将其结合到本文中。要理解，按照本公开的LED组件还能够具有不同颜色的多个LED，其中的一个或多个可以是发白光的。
基台可由许多不同材料来形成，其中一种优选材料是电绝缘材料，例如介电元件，基台处于LED阵列与组件背侧之间。基台可包括诸如氧化铝、氮化铝、碳化硅之类的陶瓷或者诸如聚酰胺(polymide)和聚酯之类的聚合材料等。在一个实施例中，介电材料具有高热导率，例如采用氮化铝和碳化硅。在其它实施例中，基台能够包括高反射材料，例如反射陶瓷或者例如银等金属层，以便增强来自组件的光提取。在其它实施例中，基台能够包括印刷电路板(PCB)、氧化铝、蓝宝石或硅或者任何其它适当材料，例如从BergquistCompany(Chanhassen，Minn)可得到的T-Clad热覆绝缘衬底材料。对于PCB实施例，能够使用不同PCB类型，例如标准FR-4PCB、金属核心PCB或者任何其它类型的印刷电路板。
基台可修改成包括允许LED芯片中的一个或多个的非零安装角γ的一个或多个凸出或凹陷区域。例如，材料可添加到基本上平面的基台，以便创建LED组件的预期表面剖面。参照图11，厚芯片连接垫1160可沉积在基台1105的表面1105a上，以及连接垫1160可冲压或者以其它方式变形，以创建允许LED芯片以预期安装角γ安装在基台1105上的成角度连接垫表面1160a。
在另一种方式中，冲压可直接应用于基台，以便创建预期表面剖面。例如，一个或多个凹陷特征可冲压到衬底的背侧，以便创建衬底正侧上的凸出特征的预期剖面。图12A示出包括设置在表面1205a上的两个LED芯片1215的示范单片衬底1205的截面示意图。在冲压之前，LED芯片1215在表面上平坦安装，并且没有包括安装角γ。图12B示出通过冲压衬底1205的背侧1205b的局部区域来创建衬底1205的正侧1205a的两个LED芯片1215下面的两个凸起1270。在冲压之后，凸出区域1270从衬底1205的正面1205a以预期安装角γ延伸。定位在凸出区域1270上的LED芯片1215因而具有相对于基台1205的中心线的预定倾角τ。LED芯片1215可放置在衬底1205上，并且在创建凸出区域1270之前或之后电连接。另外，覆盖每个LED芯片1215的单独透镜或者覆盖衬底1205上的所有LED芯片1215的单个更大透镜可在形成一个或多个凸出区域1270之后模压到基台1005上。
安装区域的特定几何结构取决于LED芯片的预期倾角以及芯片的大小。参照图12C，所示的示范LED芯片1215以12°的安装角γ安装在长度1为2mm的安装区域1270上，并且因而安装区域从表面1205a凸出距离(或高度)h＝2mm·tan(12°)＝0.425mm。一般来说，安装区域的长度1的范围可从大约1.0mm至大约6.0mm，以及安装区域的高度h可位于大约0.2mm与大约2.2mm之间。安装区域的宽度w通常可在大约1.0mm与大约6.0mm之间。如上所述，安装角γ通常的范围从大约5度至大约35度。
根据显示器的大小和预计用途，可预期LED组件的峰值发射中的不同移位或倾角。峰值发射中的移位的适当范围对于许多可能的应用可在大约5度与大约30度之间，以及移位还可位于大约10度与大约20度之间。备选地，能够使用其它范围的移位角。
示例1
在这个示例中研究产生于特意将LED芯片移动成相对于覆盖透镜偏心的强度分布的变化。图13A是包括各具有其自己的半球形透镜的12个LED芯片的示范LED组件的图片。检查三种情况：在透镜1320光心(透镜基底1320a的中心)的LED芯片1315(图13C)；朝内径向偏移的LED芯片1315(图13D)；以及朝外径向偏移的LED芯片1315(图13E)。芯片1315物理偏移在3.0mm直径透镜1320中为～220-230微米。
图13B中的图表表明，作为与垂直线的角度的函数的光线量对于偏移芯片布置和轴上布置情况是不同的。具体来说，如所述相对于覆盖透镜1320来偏移LED芯片1315引起强度光束剖面的拓宽。对于这个示例，光输出的差根据角度改变，并且在30-60度范围中为最大，处于～6-8％。
示例2
在这个示例中，(2×2)芯片阵列1410的中心CA相对于单覆盖透镜1420的中心CL作为一个单位来偏移。图14A中示出阵列1410的几何结构。LED芯片阵列1410的中心CA与透镜1420(透镜基底1420a)的中心CL之间的偏移D被改变，并且所产生通量剖面被得到(图14B)。
参照图14B所示的数据，LED芯片阵列1410的中心CA与透镜1420的中心CL之间的0.3mm偏移产生发射峰值的位置中的大约10度移位。LED芯片阵列的中心与透镜的中心之间的0.6mm偏移产生发射峰值位置中的大约20度移位。
总之，本专利文档中所述的LED组件的峰值发射特性可从垂直中心线移开，以及在一些情况下，可对于其中移位、非均匀、拓宽和/或多瓣强度剖面可能是有利的应用来另外修改。例如，本文所述的LED组件对于安装在可能的观众的眼睛水平上方的显示器可以是有益的。该技术可准许LED显示器在升高位置、例如体育场中平坦安装，从而消除以某个角度来安装显示器的成本和复杂化，同时仍然允许更多LED光沿观众视线来定向。对于包括路灯、车灯和建筑照明的其它显示应用，该技术也可具有有益效果。
虽然参照本发明的某些实施例对其进行相当详细的描述，但是其它实施例是可能的，而没有背离本发明。因此，所附权利要求书的精神和范围不应当局限于本文所包含的优选实施例的描述。字面上或者等效地落入权利要求书的含意之内的所有实施例预计包含在其中。此外，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且没有预计全部所述优点将一定随本发明的每一个实施例来实现。

Claims (38)

1.一种发光二极管(LED)组件，包括：
单片衬底；
LED芯片阵列，设置在所述衬底的表面上；以及
光学透镜，覆盖所述LED芯片并且具有附连到所述衬底的透镜基底，
其中所述LED芯片定位成提供从所述透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
2.如权利要求1所述的LED组件，其中，所述阵列的中心CA从所述透镜基底的中心CL移置位移量D。
3.如权利要求2所述的LED组件，其中，所述位移量D位于大约0.1mm与6.0mm之间。
4.如权利要求2所述的LED组件，其中，所述阵列的中心CA从所述衬底表面的中心CS移置。
5.如权利要求2所述的LED组件，其中，所述透镜基底的中心CL从所述衬底表面的中心CS移置。
6.如权利要求1所述的LED组件，其中，所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装，所述LED芯片由此包括相对于所述垂直中心线的倾角τ。
7.如权利要求6所述的LED组件，其中，所述非零角度γ的量位于大约5°与大约35°之间，以及所述倾角τ的量位于大约55°与85°之间。
8.如权利要求6所述的LED组件，其中，多个所述LED芯片包括所述倾角τ。
9.如权利要求8所述的LED组件，其中，所述多个包括所述阵列中的所述LED芯片的大约25％至大约75％。
10.如权利要求8所述的LED组件，其中，所述倾角τ的量对于包括所述倾角τ的所述LED芯片的每个是相同的。
11.如权利要求8所述的LED组件，其中，所述倾角的量对于包括所述倾角τ的所述LED芯片的至少一个是不同的。
12.如权利要求2所述的LED组件，还包括设置在所述衬底表面上的LED芯片的至少一个附加阵列，所述附加阵列具有从所述透镜基底的中心CL移置的中心Cx。
13.如权利要求2所述的LED组件，其中，所述LED芯片阵列包括主要分段和至少一个附加分段，所述附加分段从所述衬底表面上的所述主要分段移置，
其中所述阵列的中心CA相对于被共同定位的所述主要分段和所述至少一个附加分段来定义。
14.如权利要求1所述的LED组件，其中，所述阵列的中心CA从所述透镜基底的中心CL移置位移量D，以及
其中所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装，所述LED芯片由此包括相对于所述垂直中心线的倾角τ。
15.如权利要求1所述的LED组件，其中，所述光学透镜包括不对称形状。
16.如权利要求1所述的LED组件，其中，所述峰值发射包括从所述垂直中心线的大约5度与大约30度之间的移位。
17.如权利要求16所述的LED组件，其中，所述峰值发射包括从所述垂直中心线的大约10度与大约20度之间的移位。
18.一种发光二极管(LED)组件，包括：
单片衬底；
LED芯片的第一阵列，设置在所述衬底的表面上；以及
光学透镜的第二阵列，各光学透镜覆盖所述LED芯片的至少一个，并且具有附连到所述衬底的透镜基底，
其中所述LED芯片的至少一个定位成提供从相应透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
19.如权利要求18所述的LED组件，其中，所述第一阵列中的LED芯片的数量等于所述第二阵列中的光学透镜的数量，各光学透镜覆盖一个LED芯片。
20.如权利要求19所述的LED组件，其中，所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装，由此包括相对于相应透镜基底的垂直中心线的倾角τ。
21.如权利要求19所述的LED组件，其中，所述LED芯片的至少一个从相应透镜基底的中心CB移置位移量d。
22.如权利要求21所述的LED组件，其中，所述位移量d位于大约0.1mm与1.2mm之间。
23.如权利要求21所述的LED组件，其中，多个所述LED芯片的每个从相应透镜基底的中心CB移置位移量d。
24.如权利要求23所述的LED组件，其中，所述位移量d对于所述多个中的所述LED芯片的每个是相同的。
25.如权利要求23所述的LED组件，其中，所述位移量d对于所述多个中的所述LED芯片的至少一个是不同的。
26.如权利要求23所述的LED组件，其中，位移方向对于所述多个中的所述LED芯片的至少一个是不同的。
27.如权利要求21所述的LED组件，其中，所述LED芯片的第一阵列的中心CA从所述光学透镜的第二阵列的中心CLA移置。
28.如权利要求19所述的LED组件，其中，所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装，由此包括相对于相应透镜基底的垂直中心线的倾角τ，以及
其中所述LED芯片的至少一个从所述相应透镜基底的中心CB移置位移量d。
29.如权利要求18所述的LED组件，其中，所述第一阵列中的LED芯片的数量大于所述第二阵列中的光学透镜的数量。
30.如权利要求29所述的LED组件，其中，所述LED芯片的至少一个不是在所述光学透镜的任一个下面。
31.如权利要求29所述的LED组件，其中，所述光学透镜的至少一个覆盖多个所述LED芯片。
32.如权利要求31所述的LED组件，其中，所述多个中的所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装，由此包括相对于相应透镜基底的垂直中心线的倾角τ。
33.如权利要求31所述的LED组件，其中，所述多个LED芯片的中心CA从相应透镜基底的中心CB移置位移量d。
34.如权利要求18所述的LED组件，其中，所述光学透镜的至少一个包括不对称形状。
35.一种发光二极管(LED)组件，包括：
单片衬底；
LED芯片阵列，设置在所述衬底的表面上；以及
光学透镜阵列，各光学透镜覆盖所述LED芯片的至少一个，并且具有附连到所述衬底的透镜基底，
其中所述透镜的至少一个成形为提供从相应透镜基底的垂直中心线移位的峰值发射。
36.一种发光二极管(LED)组件，包括：
单片衬底；
LED芯片阵列，设置在所述衬底的表面上，以及
其中所述LED芯片的至少一个相对于所述衬底表面以非零角度γ来安装。
37.如权利要求36所述的LED组件，其中，所述阵列的中心CA从所述衬底表面的中心CS移置位移量D。
38.如权利要求36所述的LED组件，其中，所述阵列是无序阵列。
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