CN115119355A - 一种兼顾定位和照明的高速led器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾定位和照明的高速LED器件及其制备方法，所述LED器件包括LED电路、RLC旁路和封装基板，所述LED电路中包括若干LED芯片，所述LED芯片的波长不少于两种，所述LED电路包括至少两个单独控制的LED子电路，同一所述LED子电路上的LED芯片波长相同，至少有一个所述LED子电路并联连接RLC旁路，所述RLC旁路包括相互串联的电阻R、电感L和电容C，三者与LED子电路分别固定在所述封装基板上，形成电学连接。本发明通过在LED两端并联RLC旁路，提升LED调制带宽，用不同波长LED发射信号实现精准定位，调节不同波长LED光功率，提高照明效果。

Description

一种兼顾定位和照明的高速LED器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其是一种兼顾定位和照明的高速LED器件及其制备方法。
背景技术
可见光通信技术利用光信号进行通信数据传输，利用尚属空白的可见光频谱范围，可以充分拓展通信频谱，同时具有高速、安全、无射频干扰、无需授权使用等优点，适用于室内短距离通信定位、水下高速通信等领域，具有广阔的发展前景。可见光通信的光源一般采用LED器件，目前商用照明LED器件一般有两类：第一类由单色光LED芯片和颜色转换荧光粉组成，而荧光粉的颜色转换过程会使光信号严重衰减，降低通信速率。第二类是将多种单色光LED组合为多基色混光照明阵列。这种器件的光电调制带宽受限于LED芯片本身的RC时间和载流子寿命，无外均衡电路情况下，调制带宽一般在十几兆赫兹之内，难以实现高速通信。
传统的Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线定位技术由于存在电磁干扰和多径效应，很难实现高精度的室内定位，并且基础设施多、安全性低。而可见光定位技术，可借助已有的照明LED光源实现室内定位，具有结构简单，定位成本低，安全性高，无电磁干扰等优点。但在实际应用中，当探测器同时接收室内多个光源发出的定位信号时，光源的信号会相互干扰，导致定位不准。
发明专利CN114269039A公开了一种高电光调制带宽的LED器件，包括LED-A子电路和LED-B子电路，LED-A子电路串联电感性器件，可以兼顾照明与通信的功能。该方案存在如下缺点：（1）虽然在一定程度上提高了LED-B的调制带宽，但却是以牺牲LED-A的调制带宽为前提，这两种LED光的带宽是互补的，当这两种LED光混合后，带宽提升就非常有限。而在实际应用中，我们又追求混光越均匀越好，因此在大范围空间内要实现照明和通信功能兼容，该专利的方法并不可行，其只适用于“点对点”通信，即只能使用LED-B用于通信；（2）LED-A路必须通过直流，LED-A和LED-B必须同时发光，会导致混合光带宽下降问题；（3）该专利中的LED-B子电路带宽提升效果受限于LED-A，由于LED-A的结构是确定的，其无法根据不同的LED-B来灵活调节参数大小，即该方法通用性较差。
发明专利CN114152911 A公开了一种 LED光谱分区的机器人室内定位系统，其通过在不同的定位区安装不同波长的LED灯，各定位区内的LED灯的波长一致，从而实现定位功能。该方案存在如下缺点：该专利中不同定位区间光源波长差异巨大，虽然能够实现定位功能，但是整个光照空间颜色非常不均匀，不利于人类生活照明。
因此设计出一种高通信速率的光源用于可见光定位系统，实现精准定位具有重要现实意义。
发明内容
为了解决目前可见光通信系统中光源调制带宽低和室内可见光定位中照明重叠区光信号干扰问题，本发明提出一种兼顾定位和照明的高速LED器件，包括：LED电路、RLC旁路和封装基板。
所述LED电路中包括若干LED芯片，所述LED芯片的波长不少于两种，所述LED电路包括至少两个单独控制的LED子电路，同一所述LED子电路上的LED芯片波长相同，至少有一个所述LED子电路并联连接RLC旁路，所述RLC旁路包括相互串联的电阻R、电感L和电容C，三者与LED子电路分别固定在所述封装基板上，形成电学连接。
优选地，所述LED子电路电阻值为RLED，电感值为LLED，电容值为CLED，RLC旁路中电阻、电容和电感元件均为贴片型，且电阻R≤20RLED，0.5LLED≤电感L≤5LLED，电容C≥0.1CLED。
优选地，所述封装基板从上往下依次包括阻焊层、焊盘层、线路层、绝缘层和基材层，所述焊盘层设有焊盘，所述线路层设有印刷电路，所述封装基板边缘设有正电极和负电极。
优选地，所述RLC旁路中，电阻R≤RLED，电感L=LLED，电容C≥CLED。
优选地，所述LED子电路为单颗LED芯片或多颗同波长LED芯片，所述LED芯片包括波长610～660nm的红光LED芯片、波长550～580nm的黄光LED芯片、波长510～530nm的绿光LED芯片和波长445～465nm的蓝光LED芯片中的一种，所述LED芯片为垂直结构。
本发明还提供了一种兼顾定位和照明的高速LED器件的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将LED子电路和RLC旁路放置于封装基板上，所述LED子电路放置在封装基板中心，所述RLC旁路放置在LED子电路一侧且与LED子电路并联，焊盘放置于印刷电路的末端；
（2）将所述LED子电路、电阻、电容、电感元件固定在封装基板表面，并使电阻、电容、电感元件实现串联连接；
（3）将所述LED子电路中的LED芯片和封装基板对应焊盘形成电学连接，通过封装基板上印刷电路实现不同LED子电路单独控制；
（4）采用封装胶将LED子电路进行封装并固化。
优选地，所述LED电路包括荧光粉型LED子电路、红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路，所述荧光粉型LED子电路包括若干个荧光粉型LED，所述红光LED子电路包括若干红光LED芯片，所述黄光LED子电路包括若干黄光LED芯片，所述蓝光LED子电路包括若干蓝光LED芯片，所述绿光LED子电路包括若干绿光LED芯片。
优选地，所述红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路各自并联连接RLC旁路。
优选地，所述荧光粉型LED中的芯片单独封装，所述荧光粉型LED由445～465nm波长蓝光LED芯片和带黄色荧光粉的封装胶组成。
本发明还提供了另外一种兼顾定位和照明的高速LED器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）将红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路放置在封装基板中心，荧光粉型LED子电路放置在封装基板两侧和/或中心， RLC旁路放置在红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路的一侧且与其并联，焊盘放置于印刷电路的末端；
（2）将所有LED子电路、电阻、电容、电感元件固定在封装基板表面，并使电阻、电容、电感元件实现串联连接；
（3）将所有LED子电路中的LED芯片和封装基板对应焊盘形成电学连接，通过封装基板上印刷电路实现不同LED子电路单独控制；
（4）采用封装胶将红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路进行封装并固化，然后将荧光粉型LED子电路中的LED芯片单独封装并固化。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的高速LED器件，通过在LED子电路两端并联RLC旁路，既降低了LED低频信号，又提升了LED高频信号，显著提升LED器件的调制带宽，结构简单、制作成本低，且可以真正实现整个照明光照范围内均为高速通信，适用范围广。
2、本发明的高速LED器件，通过控制RLC旁路中的电阻、电容、电感值处于特定的范围内，从而达到所需的调制带宽提升效果，具有普适性。
3、本发明的高速LED器件，RLC旁路中电容同时具有抑制低频信号和隔断直流的作用，避免了混合光带宽下降的问题。
4、本发明提出的高速LED器件，不仅能实现照明，还能利用不同波长LED发射定位信号，可解决室内可见光定位中照明重叠区域内信号干扰的问题，实现精准定位。
5、本发明提出的高速LED器件，通过改变不同波长LED子电路驱动电流，精确调控光源色温和显色指数，提高照明效果。
附图说明
图1是本发明的LED器件的电路原理示意图；
图2是本发明的LED器件的频率响应曲线示意图；
图3是本发明实施例1提供的LED器件的结构示意图；
图4是本发明实施例1提供的LED器件的芯片位置局部放大图；
图5是本发明实施例1提供的LED器件的结构剖视图；
图6是本发明实施例1提供的LED器件在工作状态下的频率响应曲线图；
图7是本发明实施例1提供的LED器件的光谱图；
图8是本发明实施例1提供的LED器件用于室内可见光定位原理示意图；
图9是本发明实施例2提供的LED器件的结构示意图；
图10是本发明实施例3提供的LED器件的结构示意图。
附图标记说明：
101.正电极，102.印刷电路，103.电阻，104.电感，105.电容，106.负电极，107.焊盘，108.黄光LED芯片，109.红光LED芯片，110.金线，111.封装胶，112.封装基板，113.锡膏，114.绿光LED芯片，115.蓝光LED芯片，116.带黄色荧光粉的封装胶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行更详细的描述。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便辅助说明本发明。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，在随后的附图中无需对其进行进一步定义和解释。
本发明的LED器件的工作原理：
（1）实现高调制带宽原理：由于可见光通信中LED器件是非线性元件，在不同的驱动电流和交流电信号下，LED的阻抗是变化的，尤其在通信的高频应用场景中，必须考虑LED器件寄生参数，其阻抗
Figure 622677DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure 805397DEST_PATH_IMAGE002
。
其中，
Figure 522817DEST_PATH_IMAGE003
为LED芯片并联电阻，
Figure 855709DEST_PATH_IMAGE004
为LED芯片电容，
Figure 607765DEST_PATH_IMAGE005
为角频率，
Figure 869375DEST_PATH_IMAGE006
为LED芯片串联电阻，
Figure 339671DEST_PATH_IMAGE007
为LED器件寄生电感。由LED器件阻抗
Figure 679516DEST_PATH_IMAGE001
可知，在低频段器件阻抗主要取决于芯片电阻和电容，高频段器件阻抗主要取决于寄生电感，因此LED器件阻抗总体随频率增加先降低后上升，器件的传递函数
Figure 286078DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure 715660DEST_PATH_IMAGE009
。
基于LED器件该电学特性，本发明提出：在低频段LED两端并联电容C， C≥0.1C0，减少低频信号通过LED，同时隔离直流，减少器件直流损耗；在高频段LED两端并联电感L，0.5L0≤L≤5L0，使更多的高频信号通过LED。由于电感和电容直接串联会导致LC谐振点处旁路阻抗为0，信号完全从旁路通过，LED完全无信号通过，为了避免这种情况，在旁路加串联电阻R，R≤20R0，起协调旁路阻抗的作用，最终形成RLC旁路和LED并联的电路结构。该电路中LED器件的传递函数
Figure 673252DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 347947DEST_PATH_IMAGE011
。
其中，K为并联RLC旁路后LED传递函数的增益系数，低频时K<1，高频时K>1，使LED低频信号减小，高频信号增强，从而有效地提高LED器件的调制带宽，其效果如附图2所示。
（2）实现定位和照明原理：本发明LED器件中LED子电路单独控制，不同波长LED可发射与空间位置相关的定位信号。相邻光源利用不同波长LED发射定位信号，这样即使在照明重叠区域也可以通过不同波长区分信号，从而解决室内可见光定位中照明重叠区域内信号干扰的问题。通过改变不同波长LED子电路的驱动电流，可精确的调控光源色温和显色指数，实现照明。
实施例1
如附图1、附图3～附图5所示，本实施例提供了一种兼顾定位和照明的高速LED器件，包括：LED电路、RLC旁路和封装基板112。所述LED电路中包括若干LED芯片，所述LED芯片的波长不少于两种，所述LED电路包括至少两个单独控制的LED子电路，同一所述LED子电路上的LED芯片波长相同，至少有一个所述LED子电路并联连接RLC旁路，所述RLC旁路包括相互串联的电阻103、电感104和电容105，三者与LED子电路分别固定在所述封装基板上，形成电学连接。所述LED芯片为垂直结构。
所述LED子电路电阻值为RLED，电感值为LLED，电容值为CLED，RLC旁路中电阻R≤20RLED，0.5LLED≤电感L≤5LLED，电容C≥0.1CLED。
在本实施例1中，所述LED电路包括一个黄光LED子电路和一个红光LED子电路，所述黄光LED子电路包括两颗AlGaInN材料的黄光LED芯片108，所述红光LED子电路包括两颗AlGaInP材料的红光LED芯片109。黄光LED子电路和红光LED子电路各自并联连接有一个RLC旁路。
所述黄光LED芯片108峰值波长范围为550nm～580nm，所述红光LED芯片109峰值波长范围为610nm～660nm，芯片尺寸均为45mil，芯片结构均为n电极向上的垂直结构。
所述LED芯片的电阻值为1～8Ω，电容值为10～100nF，电感值为20～30nH。
所述电阻103、电感104和电容105均为贴片型，电阻R≤20Ω；电容C≥10nF；15nH≤电感L≤100nH。
所述封装基板112从上往下依次包括阻焊层、焊盘层、线路层、绝缘层和基材层，焊盘层设置有焊盘107，线路层设置有印刷电路102，封装基板112边缘设有两个正电极101和两个负电极106。由于子电路之间除芯片不同外，其余部分均相同，因此同种结构用同一编号代表。
本实施例的LED器件的制备方法为：
（1）将所有LED子电路和RLC旁路放置于封装基板112上，所有LED子电路放置在封装基板112中心，所述RLC旁路放置在LED子电路一侧且与LED子电路并联，焊盘107放置于印刷电路102的末端；
（2）通过锡膏113将所述LED子电路、电阻、电容、电感元件贴装在封装基板112对应的焊盘107，印刷电路102将电阻、电容、电感元件串联；
（3）通过引线键合工艺，金线110将LED子电路和封装基板112上对应焊盘107形成电学连接，使得两个LED子电路通过封装基板112上的印刷电路102实现单独控制；
（4）采用封装胶111将LED子电路进行封装并固化，成凸透镜形状。
如附图6所示，通过实施例1实际测试得到的频率响应曲线可知，在相同的100mA驱动电流下，加RLC旁路的LED器件-3dB带宽为170MHz，-10dB带宽为450MHz；未加旁路的LED器件-3dB带宽为5MHz，-10dB带宽仅为21MHz。因此本发明提出的兼顾定位和照明的LED器件，可有效提高光源的调制带宽。
如附图7所示，为本实施例按照黄光LED芯片108、红光LED芯片109光功率比值为1：1.9合成的光谱图，LED器件的色温为1847K，光效为103.4lm/W，显色指数为84.5。本实施例LED器件光源色调温馨，避免了蓝光对生物体生物钟的影响，并且有较高的显色指数，满足日常照明需求。
如附图8所示，为本实施例用于室内可见光定位的原理示意图。在室内安装多个本实施例LED器件，相邻LED器件使用不同波长LED芯片发射定位信号。在非照明重叠区域，可以根据LED光功率和定位信号强度实现定位；在照明重叠区域，两种波长LED的信号易于区分开，因而可以精确的获得物体和两波长LED相对位置，实现精准定位。
实施例2
如附图9所示，本实施例提供一种兼顾定位和照明的高速LED器件。实施例2与实施例1主要区别在于：
所述LED电路包括黄光、红光、绿光、蓝光LED子电路共四个子电路，所述黄光LED子电路包括一颗波长550～580nm的黄光LED芯片108，红光LED子电路包括一颗波长610nm～660nm的红光LED芯片109、绿光LED子电路包括一颗波长510～530nm的绿光LED芯片114、蓝光LED子电路包括一颗波长445～465nm的蓝光LED芯片115。
所述四种波长LED子电路各自并联连接有一个RLC旁路，所述RLC旁路中，电阻R≤RLED，电感L=LLED，电容C≥CLED。
所述LED芯片的电阻值为1～8Ω，电容值为10～100nF，电感值为20～30nH。
所述RLC旁路中，电阻R≤1Ω，电容C≥100nF，20nH≤电感L≤30nH。
所述封装基板112在边缘设有等角度分布的四个正电极101和四个负电极106，其余结构同实施例1。
本实施例的LED器件的制备方法同实施例1。
本实施例通过在LED子电路并联RLC旁路，提升器件的调制带宽。通过不同波长LED发射定位信号，实现室内精准定位。通过调节黄光、红光、绿光、蓝光LED的光功率比，实现纯LED的白光照明。
实施例3
如附图10所示，本实施例提供一种兼顾定位和照明的高速LED器件。实施例3与实施例1的主要区别在于：
所述LED电路包括三个荧光粉型LED子电路以及红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路各一个，所述荧光粉型LED子电路包括若干个荧光粉型LED，所述红光LED子电路包括波长610nm～660nm的红光LED芯片，所述黄光LED子电路包括波长550～580nm的黄光LED芯片，所述蓝光LED子电路包括波长445～465nm的蓝光LED芯片，所述绿光LED子电路包括波长510～530nm的绿光LED芯片。所述三个荧光粉型LED子电路，包括两个由三颗荧光粉型LED串联而成的LED子电路和一个由两颗荧光粉型LED串联而成的LED子电路，所述LED子电路可单独控制。
所述红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路各自并联连接有一个RLC旁路。
所述的封装基板112在两侧设有等间距分布的七个正电极101和七个负电极106，其余结构同实施例1。
本实施例的LED器件的制备方法与实施例1的主要区别在于：
所述红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路放置在封装基板112中心位置；由三颗荧光粉型LED串联而成的荧光粉型LED子电路，分别在封装基板112两侧；由两颗荧光粉型LED串联而成的荧光粉型LED子电路，在封装基板112中间位置。
采用封装胶将红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路进行封装并固化，然后将荧光粉型LED子电路中的LED芯片单独封装并固化。
所述的荧光粉型LED由445～465nm波长蓝光LED芯片115和带黄色荧光粉的封装胶116组成，其余制备方法同实施例1。
本实施例中的红光、黄光、蓝光和绿光LED子电路兼具通信和照明功能，而荧光粉型LED子电路仅作照明，在满足通信、定位和白光照明前提下，可降低器件的制作成本。
值得说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护。

Claims (10)

1.一种兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：包括LED电路、RLC旁路和封装基板，所述LED电路中包括若干LED芯片，所述LED芯片的波长不少于两种，所述LED电路包括至少两个单独控制的LED子电路，同一所述LED子电路上的LED芯片波长相同，至少有一个所述LED子电路并联连接RLC旁路，所述RLC旁路包括相互串联的电阻R、电感L和电容C，三者与LED子电路分别固定在所述封装基板上，形成电学连接。
2.根据权利要求1所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述LED子电路电阻值为RLED，电感值为LLED，电容值为CLED，所述RLC旁路中电阻R≤20RLED，0.5LLED≤电感L≤5LLED，电容C≥0.1CLED。
3.根据权利要求1所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述RLC旁路中，电阻R≤RLED，电感L=LLED，电容C≥CLED；其中，LED子电路电阻值为RLED，电感值为LLED，电容值为CLED。
4.根据权利要求1所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述封装基板包括阻焊层、焊盘层、线路层、绝缘层和基材层，所述焊盘层设有焊盘，所述线路层设有印刷电路，所述封装基板边缘设有正电极和负电极。
5.根据权利要求1所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述LED子电路为单颗LED芯片或多颗同波长LED芯片，所述LED芯片为波长610～660nm的红光LED芯片、波长550～580nm的黄光LED芯片、波长510～530nm的绿光LED芯片和波长445～465nm的蓝光LED芯片中的一种，所述LED芯片为垂直结构。
6.根据权利要求1所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述LED电路包括荧光粉型LED子电路、红光LED子电路、黄光LED子电路、蓝光LED子电路和绿光LED子电路，所述荧光粉型LED子电路包括若干个荧光粉型LED。
7.根据权利要求6所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述红光LED子电路、黄光LED子电路、蓝光LED子电路和绿光LED子电路各自并联连接RLC旁路。
8.根据权利要求6所述的兼顾定位和照明的高速LED器件，其特征在于：所述荧光粉型LED中的芯片单独封装，所述荧光粉型LED由445～465nm波长蓝光LED芯片和带黄色荧光粉的封装胶组成。
9.一种根据权利要求1～5任一所述的兼顾定位和照明的高速LED器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将LED子电路和RLC旁路放置于封装基板上，所述LED子电路放置在封装基板中心，所述RLC旁路放置在LED子电路一侧且与LED子电路并联，焊盘放置于印刷电路的末端；
（2）将所述LED子电路、电阻、电容、电感元件固定在封装基板表面，并使电阻、电容、电感元件实现串联连接；
（3）将所述LED子电路中的LED芯片和封装基板对应焊盘形成电学连接，通过封装基板上印刷电路实现不同LED子电路单独控制；
（4）采用封装胶将LED子电路进行封装并固化。
10.一种根据权利要求6～8任一所述的兼顾定位和照明的高速LED器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将红光LED子电路、黄光LED子电路、蓝光LED子电路和绿光LED子电路放置在封装基板中心，荧光粉型LED子电路放置在封装基板两侧和/或中心，RLC旁路分别放置在红光LED子电路、黄光LED子电路、蓝光LED子电路和绿光LED子电路的一侧且与其并联，焊盘放置于印刷电路的末端；
（2）将所有LED子电路、电阻、电容、电感元件固定在封装基板表面，并使电阻、电容、电感元件实现串联连接；
（3）将所有LED子电路中的LED芯片和封装基板对应焊盘形成电学连接，通过封装基板上印刷电路实现不同LED子电路单独控制；
（4）采用封装胶将红光LED子电路、黄光LED子电路、蓝光LED子电路和绿光LED子电路进行封装并固化，然后将荧光粉型LED子电路中的LED芯片单独封装并固化。
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