CN108780830B - 制造led模块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种制造LED模块（1）的方法，包括以下步骤：提供包括多个层（11a、11b、11c）的半透明封装剂（11）以封闭LED模块（1）的多个LED（10）；修饰一层（11a、11c）的外表面（111、112、113）的表面结构以形成对应于LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个密集散射区（Pd）、以形成不对应于LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个稀疏散射区（Ps）、并且以在密集散射区（Pd）和稀疏散射区（Ps）之间形成过渡散射区（Pt）。本发明还描述了LED模块（1）和包括设备壳体（20）和至少一个这种LED模块（1）的设备（2）。
Description
技术领域
本发明描述了一种制造LED模块的方法、LED模块以及含有这种LED模块的设备。
背景技术
发光二极管被用于广泛的各种应用中。具体地，高功率LED在改装灯、汽车照明模块（诸如日间行车灯、刹车灯以及指示灯）等中正在得到广泛使用。对于由以一定节距定位的单独LED的阵列或系列组成的线性照明模块，当看光源时会观察到集中的高亮度光的区。这种“光斑效应（spottiness）”是由于每个LED的明亮度和LED之间的必要节距所致，并且一般被认为是不合期望的。已经尝试了各种方案以便在光源实际上包括多个LED时获得均匀光源的外观。例如，磷光体层可以降低表观（apparent）光源的不均匀性。可替换地，已知使用光学散射元件来漫射源自LED的光。例如，散射颗粒可以悬浮在靠近LED管芯的半透明封装剂层中、悬浮在封装剂层上方的另一半透明层中、或者甚至悬浮在距LED的远离位置处。还可以通过在LED模块周围布置适当处理的玻璃盖或聚合物箔来实现散射。
在另一方案中，单独LED的眩光可以借助于功能散射层来缓和，该功能散射层基本上是透明的，但也包含反射和/或偏转光的元件，例如二氧化钛颗粒或受限的（trapped）气泡。还可能的是，使具有高折射率的透明材料悬浮在封装剂层中，所述透明材料例如诸如玻璃或聚合物球体的填料。为获得期望效果的散射剂（其可以包括颗粒、折射玻璃球体、气泡等）的浓度将取决于各种因素，诸如LED的发光表面面积、LED节距、光逸出角度、由LED发射的流明的量、光线的光学路径等。对于中功率和高功率LED应用，半透明层一般由透亮的硅树脂产品（诸如聚二甲基硅氧烷）制成。这样的硅树脂随着时间的推移保持它们的透明度，并且它们的柔性的类似橡胶的属性使其成为柔性LED模块的优选选择。硅树脂可作为双组分产品获得，其必须通过彻底地混合两种组分来制备。在混合阶段添加散射剂。所制备的混合物然后被倒入到模具中并且然后被固化。使用已知的方案，一般仅可能获得其中散射剂或多或少均匀地分布在整个半透明材料中的散射层，但是LED光源每一个都在LED模块中具有局部的存在。由于必须选择散射剂浓度以在光学上靠近LED的区中提供所期望的散射度，所以已知方案的缺点是不在LED的直接附近的任何区（例如阵列的LED之间的区、沿着LED模块的外部边缘的区等）中的光的不必要的损失。
已知方案的另一缺点在于诸如二氧化钛的散射剂降低了硅树脂封装剂的柔性。除了上面提到的问题之外，这种方案将因此不适合于柔性LED模块。与上面描述的填充的硅树脂散射层相关联的另一问题在于，由于封装过程的要求，这些必须在设计阶段早期被定义或被配置，基本上排除了硅树脂漫射体的任何后期调整。因为箔不是在所有方向上真正地柔性，所以漫射箔的使用也不适合于柔性LED照明解决方案。
DE 10 2013 106 689 A1公开了半导体部件，其包括嵌入在模具中的开口中并且由刚性光学板覆盖的单个LED。该光学板是有轮廓的，该轮廓具有从LED上面向外减小的反射率。
US 2014/160752 A1公开了光输出设备，其具有多个LED和具有在LED上方的部分的黏附层。电学散射颗粒通过静电吸引黏附到黏附层部分，形成与发光设备自对齐的散射区。在LED之间，颗粒层可以更薄。
本发明的一目的是提供克服上面所描述的问题的改良的LED模块。
发明内容
本发明的目的通过权利要求1的制造LED模块的方法、通过权利要求9的LED模块、并且通过权利要求15的设备来实现。
根据本发明，制造LED模块的方法包括以下步骤：提供包括多个层的半透明封装剂以封闭LED模块的多个LED；并且修饰一层的外表面的表面结构以形成对应于LED模块的LED的位置的至少一个密集散射区、以形成不对应于 LED模块的LED的位置的至少一个稀疏散射区、并且以在密集散射区和稀疏散射区之间形成过渡散射区或梯度散射区。
本发明方法的一优点在于，由多LED模块输出的光被赋予了均匀的外观。这是通过在半透明封装剂的一个或多个表面上形成的图案实现的。这些图案有效地包括在层的否则平滑的外表面中的改动，例如图案可以包括在层表面上形成的刻痕、凹痕或毛刺等的布置。经改变的纹理在半透明层的表面处实现了期望的光学散射功能。在所有向外方向上朝向稀疏图案化区过渡的在LED上方（即当看向LED模块的发光表面中时，与LED对齐）的密集图案化区的组合意味着LED不再表现为“单独光源”。替代地，来自LED的光被散射以合并和混合，给出单个光源（例如在包括LED的条带的LED模块的情况下，单个长且窄的光源）的外观。
根据本发明，LED模块包括：多个LED；半透明封装剂，其包括多个层以封闭LED；以及散射图案，其形成在至少一个封装剂层的表面上以包括对应于 LED模块的LED的位置的至少一个密集散射区、以包括不对应于 LED模块的LED的位置的至少一个稀疏散射区、并且以包括在密集散射区和稀疏散射区之间的过渡区。
根据本发明的LED模块的一优点在于，即使它包括许多LED，它也可以表现为单个光源。此外，由于光的散射在封装剂层的外表面处实现，而不需要在封装剂材料内嵌入任何散射颗粒，因此封装剂完全由柔性硅树脂制成。这进而意味着LED模块自身可以是柔性的，允许LED模块采用基本上任何形状。
根据本发明，该设备包括设备壳体和被布置为通过设备壳体中的孔发射光的至少一个这种LED模块，并且其中根据由LED模块的LED发射的光的所期望的均匀度，在封装剂层的表面上形成散射图案。
根据本发明的设备的一优点在于，LED模块可以提供有利地均匀的光输出，表现为单个光源。因为可以使LED模块采用基本上任何形式，所以该设备可以包括具有不寻常的形状、或者要不然使用现有技术方案来实现均匀光源效果将不可能的形状的这种LED模块。
从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。可以适当地组合实施例的特征。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样适用于另一权利要求类别。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设半透明封装剂包括硅树脂材料。可以使用任何合适的技术来实现封装剂层的经修饰的表面结构。例如，可以使用精细铣削工具在封装剂层的表面中形成期望的图案。优选地，每个散射区的范围和/或每个散射区的密度基于在操作期间LED模块的期望光学外观来确定。本发明方法使得有可能创建“衰减的（fading）”散射图案，即在LED上方或上面的高密度图案，随着向外增加距LED的距离（当看向LED模块的发光表面上时）而衰减至低密度图案。在本发明特别优选的实施例中，散射图案由红外激光光束创建。例如，具有大约10 μm的波长的激光可以被用来根据期望创建不同的图案区。以这种方式，改动或修饰封装剂层表面的光学属性，例如通过有意地改动层表面形态、通过局部改变折射率等。激光（诸如红外激光）的使用允许可以以经自由选择以适合于使用该LED模块的应用的要求的图案，实现将形成在硅树脂的表面上的基本上任何散射图案。
散射图案可以通过在层的表面中做出随机放置的改动来实现，所述改动取决于正在创建密集图案化区还是稀疏图案化区而更靠近在一起或相隔更远。然而，在本发明的优选实施例中，散射图案包括在层的表面中的凹陷的规则形成。这允许对于将在成品中实现的散射的实际水平的更多控制。优选地，凹陷具有基本上圆形的形状，并且通过将激光脉冲指向层表面上的具体点来创建。无论如何创建散射图案，散射图案的深度优选地相对浅。优选地，形成在层的外表面处的凹陷不深于50 μm-200 μm。
使用激光允许对于所创建的图案的精细控制。例如，在本发明的优选实施例中，层的表面结构被修饰以形成二维网格图案。网格图案可以包括在距彼此预定义距离处形成以便实现所期望的图案密度的微小凹痕或凹陷。使用激光形成散射图案的另一优点在于，可以应用高度的精确性和控制来形成散射区以在LED模块的接通状态和/或切断状态中示出具体图像（例如公司标志或品牌名称）。
散射图案可以仅形成在封装剂的最外表面上。这可以足以实现期望的散射效果和有利地均匀的光输出外观。在本发明的另一优选实施例中，散射图案可以形成在封装剂的最外表面上并且也形成在中间层级处。当封装剂包括两层或更多层（例如被直接涂敷在LED上方、具有未经修饰的或平滑的表面的下层，以及被涂敷在下层之上的另一层）时，这容易实现。该外层可以被处理以在其下表面（其将接触下层的外表面）上以及在其上表面（其是封装剂的最外表面）上形成散射图案。这种双面图案化层可以展现出依赖于角度的效果，例如随着观看角度改变而改变光源的均匀度、随着观看角度改变而使图像或标志出现或消失等。
从以下结合附图而考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得清楚明白。然而，应理解的是，附图仅仅被设计用于说明的目的，而不是作为对本发明的限制的定义。
附图说明
图1示出了根据本发明的LED模块的第一实施例的光输出表面上的视图的示意性表示；
图2是穿过图1的LED模块的截面；
图3示出了形成在封装剂层的外表面中的密集散射图案；
图4示出了形成在封装剂层的外表面中的稀疏散射图案；
图5示出了形成在封装剂层的外表面中的过渡散射图案；
图6是穿过根据本发明的LED模块的第二实施例的截面；
图7示出了根据本发明的LED模块的双重图案化的封装剂层；
图8示出了根据本发明的LED模块的另一实施例；
图9示出了穿过图8的LED模块的截面；
图10示出了现有技术的LED模块。
在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的LED模块1的光输出表面111上的视图的示意性表示。LED模块1包括在载体（未示出）上串行布置的一系列LED 10。LED 10以一定节距P间隔开。在这个示例性实施例中，光输出表面111是半透明封装剂11的最上表面111。该图指示了当通过透明封装剂看时LED管芯10的外形（outline）。具有不同密度的散射图案Pd、Ps、Pt已经在最上表面111的具体区Rd、Rs、Rt中形成至几微米的深度。该图示意性地指示了不同区Rd、Rs、Rt中的不同图案密度。直接在LED 10上方并且延伸超出LED管芯的轮廓，散射图案Pd是密集的。在模块的光输出表面的外部区，散射图案Ps是稀疏的。在这些区之间，过渡散射图案Pt具有中间密度以实现区之间（例如从密集图案化区Rd到稀疏图案化区Rs）的平滑过渡。
图2是穿过类似于图1的LED模块的LED模块1的截面A-A。该图示出了LED模块1包括一系列LED 10，每个LED 10涂覆有磷光体层140并且被安装在载体13上。例如，LED 10可以在回流过程中被焊接到柔性印刷电路板（PCB）13上。然后将液体硅树脂混合物倒在PCB上以覆盖LED 10，并且然后以通常的方式固化该混合物以成为半透明封装剂11。在这个示例性实施例中，半透明封装剂11包括具有最上表面111的单个层11a，LED光将通过该最上表面111而被发射。一旦硅树脂封装剂11已经固化，就应用本发明方法，比如通过以受控方式将激光束L指向最上表面111的区Rd、Rs、Rt以形成所期望的散射图案Pd、Ps、Pt。封装剂层11通常至少是若干毫米厚，并且可以具有高达10 mm的厚度，并且散射图案Pd、Ps、Pt可以由封装剂层11a的整个上表面上方（即LED模块1的整个光输出表面上方）的红外激光形成至1-50 μm的深度，典型地至约15 μm的深度。散射图案的凹陷或凹坑的深度将在很大程度上取决于激光功率。在这个示例性实施例中，各密集图案区可以被分配在每个LED上方，其中过渡区与密集区交界，并且其中稀疏图案结构（patterning）处于中间。例如，如果LED节距非常大，则这可能是适当的。否则，稀疏图案区可以被限制于表面111的外部边缘，如图1中所指示的。
图3示出了由CO2红外激光在封装剂层的外表面中形成的密集散射图案。该图示出了非常靠近在一起并且部分重叠地形成的凹陷R或凹坑的二维有序图案。在这个密集散射图案Pd中，封装剂层的非常少的原始表面面积被留下未被改动。在根据本发明的方法中，这种密集散射图案Pd形成在直接在LED 10上方并且稍微大于LED的区中。
图4示出了过渡散射图案Pt，其中封装剂层的较少的原始表面111被处理，并且其中凹陷R和/或凹坑不像图3的密集散射图案中那样靠近在一起。在根据本发明的方法中，这种过渡散射图案Pt可以形成在接收大量的但小于在密集图案化区中接收的光量的光的任何区中。过渡散射图案Pt的目的是通过将高光输出区Rd“混合”到低光输出区Rs中而在整个光输出表面上方实现更均匀的光输出。
图5示出了稀疏散射图案Ps，其中封装剂层的原始表面111的相对大的部分被留下未被改动，并且其中凹陷和/或凹坑R很宽地间隔开。在根据本发明的方法中，这种稀疏散射图案Ps形成在直接从LED接收很少光的区中，例如朝向LED模块的光输出表面111的外部边缘和/或在由相对大的节距间隔开的两个相邻LED之间的中间。
制作在封装剂层的表面中的凹陷、凹坑或切口R不需要仅遵循如图3-5中所示出的严格的网格图案。替代地，可以计划凹陷、凹坑或切口R的布局的变型，使得结果得到的散射图案布置产生可识别的图像，诸如公司标志、卡通人物、品牌名称、一个或多个单词等。
图6是穿过根据本发明的LED模块1的第二实施例的截面，示出了包括两个封装剂层11b、11c的半透明封装剂11。该图还示出了被涂敷以完全覆盖LED 10的磷光体层14。下封装剂层11b是未经处理的，例如它简单地包括透明硅树脂的固化层11b。上封装剂层11c在两个外表面112、113上被图案化。双面图案结构的效果是增强本发明图案结构的光学效果，如图7中所图示的，图7示出了在两个外表面112、113上图案化的封装剂层11c。当仔细地对齐具有某些光学图案的这两层时，可以实现依赖于角度的分布图案。这里，两层化的封装剂11b、11c可以具有几毫米的总厚度，例如高达10 mm。形成在上封装剂层11c的上、下表面112、113上的散射图案Pd、Ps、Pt可以形成至几μm的深度，如上面所描述的。这种图案结构深度由图中的包含矩形（containing rectangle）指示。实际上，任何图案将包括上封装剂层11c的表面112、113中的凹陷或凹坑的布置。
图8示出了根据本发明的LED模块1的另一实施例。这里，LED模块1是照明布置2的部分并且包括弯曲配置的若干LED。在LED模块1的接通状态期间，光表现为源自单个光源105。通过如上面图1-7中所描述的图案化散射区的布置实现了均匀光输出。该效果也在图9中图示出，图9示出了在基本垂直的方向上离开LED 10的任何光线被密集图案化区Rd的密集散射图案Pd较大程度地散射，而在封装剂11的外部边缘处或在LED 10之间的中间处的某处射出封装剂11的任何光线被过渡图案Pt或稀疏图案Ps较小程度地散射。不同散射区的布置有效地抵消了LED的条带的与特征节距相关的“光斑效应”。因此，表观光源105表现为单个光源，并且还具有比使用封装剂中的金属氧化物颜料来散射光的常规LED模块更高的光输出。此外，因为透明的封装剂层11保持其固有的柔性，所以本发明LED模块1可以采用基本上任何形状。
图10示出了在类似照明布置中的现有技术LED模块5。金属氧化物颜料已经被分布在封装剂51中以便本着降低由LED模块5输出的光的“光斑效应”的目的而散射光。然而，封装剂中的金属氧化物颜料不足以实现均匀的光外观，并且由于相邻LED 10之间的节距P和单独LED 10的明亮度，独立的光源是清楚可见的。该图示出了离开LED 10的光线在一定程度上被散射。为了完全消除LED模块的“光斑效应”，在封装剂51中将需要大量的金属氧化物颜料，这将具有严重降低LED模块5的光输出和使封装剂丧失其柔性属性的负面影响。
尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。
为了清楚起见，应理解的是，在整个本申请中“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。
附图标记：
1 LED模块
10 LED
105 表观光源
11 半透明封装剂
11a、11b、11c 半透明封装剂层
111、112、113 层表面
13 载体
14 磷光体层
140 磷光体层
2 设备
5 现有技术的LED模块
51 封装剂
Rd 密集散射区
Rs 稀疏散射区
Rt 过渡散射区
Pd 密集散射图案
Ps 稀疏散射图案
Pt 过渡散射图案
L 激光光束
R 凹陷/凹坑
P 节距
Claims (14)
1.一种制造柔性LED模块（1）的方法，包括以下步骤：
- 提供包括至少一个层的半透明柔性封装剂（11）以封闭所述LED模块（1）的多个LED（10）；
- 在提供所述封装剂以封闭所述多个LED之后，修饰一层的外表面的表面结构以形成对应于所述LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个密集散射图案（Pd）、以形成不对应于所述LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个稀疏散射图案（Ps）、并且以在密集散射图案（Pd）和稀疏散射图案（Ps）之间形成过渡散射图案（Pt），
其中所述层的所述外表面的所述表面结构在该层的所述外表面中被修饰。
2.根据权利要求1所述的方法，包括将激光光束（L）指向所述层的所述外表面以修饰其表面结构的步骤。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述层的所述表面结构被修饰以形成二维网格图案。
4.根据权利要求1或2所述的方法，包括在所述LED模块（1）的每个LED（10）上方形成密集散射图案（Pd）的步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述密集散射图案（Pd）、所述稀疏散射图案（Ps）和所述过渡散射图案（Pt）中的每一个的范围和/或所述密集散射图案（Pd）、所述稀疏散射图案（Ps）和所述过渡散射图案（Pt）中的每一个的密度基于在操作期间所述LED模块（1）的期望光学外观来确定。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述层的所述表面结构被修饰，使得所述密集散射图案（Pd）、所述稀疏散射图案（Ps）和所述过渡散射图案（Pt）形成具体的图像。
7.根据权利要求1或2所述的方法，包括修饰所述层的上表面和下表面的所述表面结构的步骤。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述表面结构被形成为至多50 μm的深度。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述表面结构被形成为至多15 μm的深度。
10.一种柔性LED模块（1），包括：
- 多个LED（10）；
- 半透明柔性封装剂（11），包括多个层以封闭所述LED（10）；以及
- 散射图案，形成在至少一个层的表面上以包括对应于所述LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个密集散射图案（Pd）、以包括不对应于所述LED模块（1）的LED（10）的位置的至少一个稀疏散射图案（Ps）、并且以包括在密集散射图案（Pd）和稀疏散射图案（Ps）之间的过渡散射图案（Pt），
其中所述半透明柔性封装剂（11）包括被涂敷到所述LED（1）上的内层和被涂敷到所述内层上的图案化层，并且
其中所述图案化层包括在邻接所述内层的内表面上的另一散射图案。
11.根据权利要求10所述的柔性LED模块，其中所述半透明柔性封装剂（11）包括在所述半透明柔性封装剂（11）的最外表面上具有散射图案的图案化层。
12.根据权利要求10至11中的任一项所述的柔性LED模块，其中散射图案包括在层的表面中的凹陷（R）的规则形成。
13.根据权利要求12所述的柔性LED模块，其中所述凹陷（R）具有圆形的形状。
14.一种设备（2），其包括设备壳体和使用根据权利要求1至9中的任一项所述的方法制造的至少一个LED模块（1），所述至少一个LED模块（1）被布置为通过所述设备壳体中的孔发射光，并且其中根据由所述LED模块（1）的所述LED（10）发射的光的所期望的均匀度，在封装剂层的表面上形成散射图案。
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