CN110050353B - 具有高近场对比率的led模块 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种发光二极管模块（100），包括：‑至少一个发光二极管结构（10），‑集成反射器布置（70），其中集成反射器布置（70）包括用于反射经由至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）发射的光的反射器表面（72），其中集成反射器布置（70）还包括用于将经由发光二极管结构（10）的侧表面发射的光漫反射回到发光二极管结构（10）的背反射表面（74），并且其中背反射表面（74）直接附接到发光二极管结构（10）的侧表面的至少一部分，使得在发光二极管模块（100）的操作期间，减少借助发光二极管结构（10）的侧表面发射杂散光。本发明还描述了制造这种发光二极管模块（100）的相应方法。本发明最后描述了包括至少一个发光二极管模块（100）的闪光灯模块、汽车前照灯或投影发光二极管系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高近场对比率的LED模块。本发明还涉及一种制造具有高近场对比率的LED模块的方法。本发明最后涉及一种包括至少一个发光二极管模块的照明装置，诸如闪光灯模块、汽车前照灯（头灯）或投影发光二极管系统。
背景技术
发光二极管（LED）模块的高近场对比度要求对于无眩光灯具成像光学设计正变得日益重要。近场对比度很大程度上取决于个别芯片和封装布局。
发明内容
本发明的一目的是提供一种具有高近场对比率的LED模块。又一目的是提供一种制造具有高近场对比率的LED模块的改进方法。
在独立权利要求中描述了本发明。从属权利要求包括优选实施例。
根据第一方面，提供了一种制造发光二极管模块的方法。该方法包括以下步骤：
-在载体结构上布置至少一个发光二极管结构，
-借助模套将至少一个发光二极管结构包围在腔中，使得至少一个发光二极管结构的发光区域被保护表面覆盖，
-在腔中提供流体模塑物料，使得发光二极管结构的侧表面的至少一部分被流体模塑物料覆盖，并且使得形成用于反射经由至少一个发光二极管结构的光转换结构的发光区域发射的光的反射器表面，
-硬化模塑物料，使得背反射表面直接附接到发光二极管结构的侧表面的部分，使得在发光二极管模块的操作期间，减小或甚至抑制借助发光二极管结构的侧表面发射杂散光。
保护表面可以由模套包括。
优选地，可以将流体模塑物料压入腔中。优选地，可以在将流体模塑物料压入该腔之前抽空该腔。在提供流体模塑物料期间，腔中的压强可优选低于1Pa。因此，上述发光二极管模块可以优选地借助传递模塑工艺制造，使得集成反射器布置由借助传递模塑工艺生产的一块材料组成。通过保护表面可以避免对一个或多个发光区域的后续清洁，以便避免集成反射器布置的任何损坏。
根据又一方面，提供了一种发光二极管模块。该发光二极管模块包括：
-至少一个发光二极管结构，
-集成反射器布置，其中集成反射器布置包括用于反射经由至少一个发光二极管结构的发光区域发射的光的反射器表面，其中集成反射器布置还包括用于将经由发光二极管结构的侧表面发射的光漫反射回到发光二极管结构的背反射表面，并且其中背反射表面直接附接到发光二极管结构的侧表面的至少一部分，使得在发光二极管模块的操作期间，减少或甚至抑制借助发光二极管结构的侧表面发射杂散光。
通常，几乎没有用于封装侧壁、尤其是倒装芯片LED的侧壁的方式。最通常使用配给（dispense）工艺和包覆成型工艺来用高光反射率材料封装LED源的侧壁。在包覆成型的情况下，借助喷砂从LED源的发光区域去除过量的涂层材料。实验已经显示，侧涂层和后续喷砂引起杂散光以及因此近场对比度不足。另外，可能由由于磷光体层的曝露侧壁的增加的表面积和/或从基座散射或反射的光而引起增加的光展量。在配给工艺的情况下，增加的光展量可以由侧壁处的配给材料的弯液面（meniscus）引起，并且此外对材料流的控制是困难的。全部提到的因素都导致杂散光，这对诸如闪光灯模块、汽车前照灯或投影LED系统的应用是有害的。
上文和下文描述的发光二极管模块可以有助于减少杂散光并避免增加的光展量。
至少一个发光二极管结构包括发光二极管管芯和光转换结构。光转换结构可以附接到发光二极管管芯的发光侧。至少一个发光二极管结构的发光区域可以是光转换结构的表面。
光转换结构可以是通常附接到发光二极管（LED）管芯的发光表面的转换器材料的板。在倒装芯片LED管芯的情况下，LED管芯的发光表面是被布置成远离电接触（参见图1）的LED管芯的上表面。集成反射器布置环绕至少一个发光二极管（LED）结构，使得基本上没有光可以经由光转换结构的侧表面和LED管芯的侧表面离开LED结构。背反射表面与LED结构直接接触，并且因此直接附接到LED结构的侧表面。LED结构可以包括一个侧表面（例如，圆形LED结构）或多于一个侧表面（例如，在矩形LED结构的情况下为四个）。选择环绕LED结构的材料和材料的厚度，以避免发光区域周围的光晕。集成反射器布置由部分嵌入LED结构的一块材料组成。
集成反射器布置优选地被布置成使得发光区域（例如光转换结构的上表面）周围的集成反射器布置的表面至少与发光区域处于同一水平。例如，集成反射器布置可以被布置成使得光转换结构的上表面（发光区域）和直接在（多个）发光区域周围的集成反射器布置的部分建立一个共同的平坦表面。（多个）发光区域周围的平坦区域避免了曝露LED结构的（多个）侧表面的任何部分，并且尤其是光转换结构的的（多个）侧表面的任何部分，使得光可以直接经由LED结构的侧表面的这样的一部分发射。此外，集成反射器布置使得能够将一个或多个反射器表面布置在（多个）发光区域附近。
优选地，集成反射器布置被布置成在至少一个发光二极管结构的光转换结构的发光区域外侧提供骤然（sharp）亮度截止，使得在发光二极管模块的操作期间，近场对比度是至少150，优选至少200，并且更优选至少250。
近场对比度被计算为LEA（发光区域）的中值发光与距LEA边沿150μm远的线中的中值发光的比率。
对比度= Emed_LEA / Emed_150um。
发光区域外侧的骤然亮度截止简化了借助由光源包括的（多个）光学装置对由发光二极管模块发射的光的后续操纵，该光源包括一个或多个这样的发光二极管模块。至少150的高近场对比度避免了可能由发光区域周围的光晕引起的眩光。高近场对比度可以进一步限制在照明应用中不能使用的以大角度发射的光。
优选地，背反射表面的特征在于至少为95％的反射率。
背反射表面环绕发光二极管结构的侧表面的至少一部分，使得基本上避免可以在（多个）发光区域上方的半球中从发光二极管模块逸出的杂散光。至少95％或甚至99％的高反射率抑制杂散光并且将经由侧表面（尤其是光转换结构的侧表面）发射的光漫反射回到发光二极管结构。漫反射可以使该光的至少一部分能够被再循环并且经由（多个）发光区域逸出。
如上所述，背反射表面可以至少延伸到至少一个发光区域的水平。背反射表面可以尤其延伸超出（多个）发光区域的水平，使得发光二极管结构并且尤其是（多个）发光区域被与（多个）发光区域垂直的反射器表面包围。反射器表面被布置成漫反射经由（多个）发光区域发射的光，使得取决于反射器表面高于（多个）发光区域的水平的高度，可以减少相对于垂直于（多个）发光区域的光轴成较大角度的光量。反射器表面高于（多个）发光区域的水平的高度可以是例如500μm。高度可取决于由反射器表面围绕的一个或多个发光区域的大小。
集成反射器布置可以包括包含负载有氧化物颗粒的硅树脂的材料。氧化物颗粒可以包括从以下组中选择的至少一种氧化物：SiO2、TiO2、Zr2O3、Y2O3、Al2O3。
氧化物颗粒被嵌入硅树脂中，以便能够实现集成反射器布置的高（漫射）反射率。如硅树脂的材料使得能够使用传递模塑以便制造集成反射器布置。可以添加如氧化物纤维或玻璃纤维的其他材料，以便增加集成反射器布置的材料的稳健性。
硅树脂优选负载有SiO2和TiO2的混合物。
硅树脂中氧化物颗粒的含量是至少60％，优选至少70％，并且最优选至少80％。含量是指硅树脂中各个氧化物颗粒或氧化物颗粒混合物的质量分数或质量百分比。硅树脂中氧化物颗粒的高含量能够实现硬化树脂的大于95％的高反射率。尤其是氧化硅和氧化钛的混合物能够实现具有大于5Gpa的杨氏模量的稳健材料，从而能够实现集成反射器布置的足够可靠性。
反射器表面可以被布置成使得在相对于至少一个发光区域100μm的距离处，由反射器表面围绕的开口小于至少一个发光二极管结构的发光区域的2倍。（多个）反射器表面的开口限定了与（多个）发光区域平行的平面。在仅有一个发光区域的情况下，如果反射器表面（例如，矩形发光区域）延伸超出发光区域的水平，使得延伸限定垂直于发光区域的反射器表面，则开口将具有与发光区域相同的大小。在此情况下，与反射器表面的高度无关，开口将具有与发光区域的面积相同的大小。在此情况下，开口大小与发光区域大小之间的比率将为1。发光区域周围的每个平坦边缘以及在反射器表面与发光区域之间的大于90°的角度将增加相对于发光区域的大小的开口的大小。关于发光区域阵列这也同样有效。因此，优选将发光二极管结构布置得彼此尽可能接近，以便减小开口和（多个）发光区域之间的比率。
发光二极管模块可以包括布置在基座上的至少两个发光二极管结构。集成反射器布置嵌入基座的至少一部分。
嵌入基座的至少一部分可以简化包括大量LED结构（LED阵列）的发光二极管模块的制造。
根据又一方面，提供了一种闪光灯模块，汽车前照灯或投影发光二极管系统。闪光灯模块、汽车前照灯或投影发光二极管系统可以包括至少一个如上所述的发光二极管模块。照明装置可以包括两个、三个、四个或更多个如上所述的发光二极管模块。
借助上述发光二极管模块减少杂散光可以用于改善光图案，该光图案可以借助包括这样的发光二极管模块的任何照明装置来提供。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与各个独立权利要求的任何组合。
其他有利实施例在下文限定。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是显然的，并将参照下文描述的实施例被阐明。
现在将参考附图基于实施例通过示例的方式描述本发明。
在附图中：
图1示出了发光二极管的主要略图。
图2示出了发光二极管阵列的主要略图。
图3示出了生产发光二极管模块的第一生产步骤的主要略图。
图4示出了生产发光二极管模块的第二生产步骤的主要略图。
图5示出了生产发光二极管模块的第三生产步骤的主要略图。
图6示出了生产发光二极管模块的第四生产步骤的主要略图。
图7示出了发光二极管模块阵列的俯视图的主要略图。
图8示出了发光二极管模块的第一实施例。
图9示出了发光二极管模块的第二实施例。
在附图中，相同的数字始终表示相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将借助附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了发光二极管结构（LED）10的横截面的主要略图。LED结构10包括n层3，其可以借助n接触5电接触。n层3之后接着有源层4。有源层4可以包括量子阱结构，该量子阱结构被布置成发射具有由有源层的成分（例如，AIInGaN）确定的波长的光。有源层4嵌入在n层3和p层7之间。p层7可以借助p接触9电接触。n层3、有源层4、p层9、n接触5和p接触9的布置建立倒装芯片LED管芯。p接触和n接触被布置在LED管芯的相同侧。可以存在未示出的其他支撑层。光转换结构1附接到n层3的顶表面，该顶表面与附接到有源层4的n层3的表面相对。n层3的顶表面是LED管芯的发光表面。光转换结构1可以包括磷光体，如铈掺杂的磷光体石榴石YAG:Ce。光转换结构1被布置成将由有源层4发射的初级光（例如蓝光）转换为特征在于比初级光的更长波长的次级光（例如黄光）。LED结构10被布置成经由光转换结构1的顶表面发射光的至少主部分，其中顶表面与附接到n层3的光转换结构1的表面相对。光转换结构1的顶表面是LED结构10的发光区域11。一些光可以从光转换结构1的侧表面泄漏，并且甚至经由有源层4和相邻层的侧表面泄漏。经由LED结构10的侧表面的此光泄漏可以降低照明应用中的近场对比度。
图2示出了发光二极管阵列30的横截面的主要略图。发光二极管阵列30包括附接到基座20的多个LED结构10（在横截面中示出三个）。基座20包括其上安装有LED结构10的基座芯片21和电接触垫23，LED结构10的n接触和p接触（未示出）可以借助电接触垫23电连接。
图3示出了生产发光二极管（LED）模块100的第一生产步骤的主要略图。LED结构10放置在带40（或任何其他合适的载体结构）上。在图4所示的第二制造步骤中借助模套50包围LED结构10。模套50包括被布置成覆盖LED结构10的顶表面（发光区域11）的保护表面52。模套50包围载体结构上的LED结构10，使得在LED结构10周围存在提供集成反射器布置70的形状的腔。抽空此腔，并将流体模塑物料60压入在带40和模套50之间的腔中。在此情况下，模塑物料60包括负载有氧化硅和氧化钛颗粒的混合物的硅树脂。在此示例中，模塑物料60中氧化物颗粒的质量分数或百分比为80％。在图6中所示的第四加工步骤中，硬化模塑物料60并去除模套50。保护表面52覆盖LED结构10，并且尤其是LED结构10的顶表面，顶表面是LED结构10的发光区域11。因此，在LED结构10的发光区域11上不存在硬化的物料材料。因此避免了LED结构10的发光区域11的后续清洁步骤。模套50和保护表面52被布置成使得LED结构10周围的模塑物料60的硬化材料至少与LED结构10的顶表面处于相同的水平。硬化的模塑物料60被布置成使得LED结构10发射的光优选地漫反射回到LED结构10，以便能够实现经由发光区域11中的一个的第二光发射机会。在此情况下，硬化的模塑物料60的反射率是97％。其余的光优选借助硬化的物料材料60吸收，以便尽可能多地抑制发光区域11周围的光泄漏。发光区域周围的平坦边缘的特征在于宽度为200μm。此实施例的近场对比度是160。
图7示出了已经根据参照图3至图6讨论的工艺步骤生产的发光二极管模块100的阵列的俯视图的主要略图。硬化的模塑物料60环绕LED结构10的发光区域11，使得硬化的模塑物料的一部分形成反射器表面72，其中每个反射器表面环绕各个发光区域11。反射器表面72与平行于发光区域11的平面围成大约80°的角度。反射器表面72在发光区域11的水平处开始，以便在各个发光区域11周围建立用于反射由发光区域11发射的光的反射器。反射器表面72之间的桥借助例如切割使得每个LED模块100能够分离。
图8示出了LED模块100的第一实施例的横截面。根据如图3至图6中所述的传递模塑工艺处理LED模块100。最后，LED模块从与参照图7所示和所讨论的LED模块100的阵列相似的LED模块100的阵列切割。在此情况下，由硬化模塑物料组成的集成反射器布置70包括环绕矩形LED结构10的四个背反射表面74。背反射表面74被布置成使得将经由LED结构10的侧表面发射的基本上全部光反射回到LED结构10。集成反射器布置70还包括反射器表面72，在此情况下，反射器表面72与平行于发光区域11的表面围成90°的角度。事实上，在此情况下，反射器表面72是背反射表面74的延伸。在此实施例中，反射器表面72的高度比发光区域11的水平高300μm。在此情况下，光可以经由其从发光二极管模块100逸出的反射器表面72的开口在反射器表面72的每个高度处具有与发光区域11的区域大小相同的大小。
图9示出了发光二极管模块100的横截面的第二实施例。横截面示出了安装在基座20上的五个LED结构10，其提供安装在基座20上的全部LED结构10的电连接。基座20和全部LED结构10被硬化的模塑物料60环绕，使得形成集成反射器布置70，其中反射器表面72为安装在基座20上的全部LED结构10（例如，3×5 LED结构10的阵列）建立反射器。集成反射器布置70还包括环绕每个LED结构10的背反射表面74，使得LED结构10之间的集成反射器布置74的表面与作为如上所述的光转换结构1的上表面的发光区域11处于相同的水平。LED结构10相对于彼此以40μm的距离布置。
可替换地，集成反射器布置70可以在基座20的顶部上进行处理。具有安装的LED结构10的大量基座20可以彼此耦合，并且可以将包括用于建立各个集成反射器布置70的腔阵列的模套50放置在耦合的基座20的顶部上。在此情况下，以与参照图3至图6所述的基本相同的方式来处理各自包括LED结构10阵列的LED模块100，其中带被耦合的基座20替换。最后，在后续处理步骤中分离基座。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被视为说明性或示例性的而非限制性的。
通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。这样的修改可以涉及本领域中已经已知的并且可以代替或补充本文已经描述的特征而使用的其他特征。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元素或步骤。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。
附图标记列表：
1 光转换结构
3 n层
4 有源层
5 n接触
7 p层
9 p接触
10 发光二极管（LED）结构
11 发光区域
20 基座
21 基座芯片
23 电接触垫
30 发光二极管（LED）阵列
40 带
50 模套
52 保护表面
60 模塑物料
70 集成反射器布置
72 反射器表面
74 背反射表面
100 发光二极管（LED）模块。
Claims (15)
1.一种制造发光二极管模块（100）的方法，所述方法包括以下步骤：
-在载体结构（40）上布置至少一个发光二极管结构（10），
-借助模套（50）将所述至少一个发光二极管结构（10）包围在腔中，使得所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）被保护表面（52）覆盖，
-在所述腔中提供流体模塑物料（60），使得所述发光二极管结构（10）的侧表面的至少一部分被所述流体模塑物料（60）覆盖，并且使得形成用于反射经由所述至少一个发光二极管结构（10）的光转换结构（1）的发光区域（11）发射的光的反射器表面（72），
-硬化模塑物料（60），使得背反射表面（74）直接附接到所述发光二极管结构（10）的所述侧表面的所述部分，
-其中所述保护表面（52）覆盖所述发光二极管结构（10）和所述发光二极管结构（10）的顶表面，所述发光二极管结构（10）的顶表面是所述发光二极管结构（10）的发光区域（11），使得在所述发光二极管结构（10）的所述发光区域（11）上不存在硬化的物料材料，以及
-其中所述模套（50）被布置成通过提供和硬化所述流体模塑物料（60）来提供集成反射器布置（70），其中所述集成反射器布置（70）包括背反射表面（74）和用于反射经由所述至少一个发光二极管结构（10）的所述发光区域（11）发射的光的反射器表面（72）。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述保护表面（52）由所述模套（50）包括。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述流体模塑物料（60）被压入所述腔中，其中在提供所述流体模塑物料（60）期间所述腔中的压强低于1Pa。
4.一种发光二极管模块（100），包括：
-至少一个发光二极管结构（10），其中所述至少一个发光二极管结构（10）包括发光二极管管芯和光转换结构（1），其中所述光转换结构（1）附接到所述发光二极管管芯的发光侧，并且其中所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）是所述光转换结构（1）的表面，
-集成反射器布置（70），其中所述集成反射器布置（70）包括用于反射经由所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）发射的光的反射器表面（72），其中所述集成反射器布置（70）还包括用于将经由所述发光二极管结构（10）的侧表面发射的光漫反射回到所述发光二极管结构（10）的背反射表面（74），并且其中所述背反射表面（74）直接附接到所述发光二极管结构（10）的所述侧表面的至少一部分，使得在所述发光二极管模块（100）的操作期间，减少借助所述发光二极管结构（10）的所述侧表面发射杂散光，其中所述背反射表面（74）至少延伸到所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）的水平位置，使得所述光转换结构（1）的上表面和直接在所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）周围的所述集成反射器布置（70）的一部分建立一个共同平坦表面。
5.如权利要求4所述的发光二极管模块（100），其中所述集成反射器布置（70）被布置成在所述至少一个发光二极管结构（10）的所述光转换结构（1）的发光区域（11）外侧提供骤然亮度截止，使得在所述发光二极管模块（100）的操作期间，近场对比度是至少150。
6.如权利要求4或5中任一项所述的发光二极管模块（100），其中所述背反射表面（74）的特征在于至少95％的反射率。
7.如权利要求4或5中任一项所述的发光二极管模块（100），其中所述集成反射器布置（70）包括包含负载有氧化物颗粒的硅树脂的材料，其中所述氧化物颗粒包括从以下组中选择的至少一种氧化物：SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3。
8.如权利要求7所述的发光二极管模块（100），其中所述硅树脂负载有SiO2和TiO2的混合物。
9.如权利要求7所述的发光二极管模块（100），其中所述硅树脂内的氧化物颗粒的含量为至少60％。
10.如权利要求9所述的发光二极管模块（100），其中所述硅树脂内的氧化物颗粒的含量为至少70％。
11.如权利要求10所述的发光二极管模块（100），其中所述硅树脂内的氧化物颗粒的含量为至少80％。
12.如权利要求4或5中任一项所述的发光二极管模块（100），其中所述反射器表面（72）被布置成使得在相对于至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）的水平位置100μm的距离处，由反射器表面（72）围绕的开口小于所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）的2倍。
13.如权利要求4或5中任一项所述的发光二极管模块（100），其中所述反射器表面（72）包括被布置为垂直于所述至少一个发光二极管结构（10）的发光区域（11）的至少一个反射区域。
14.如权利要求4或5中任一项所述的发光二极管模块（100），其中所述发光二极管模块（100）包括布置在基座（20）上的至少两个发光二极管结构（10），其中所述集成反射器布置（70）嵌入所述基座（20）的至少一部分。
15.一种闪光灯模块、汽车前照灯或投影发光二极管系统，包括至少一个如权利要求4-14中任一项所述的发光二极管模块（100）。
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