CN1881638A - 具有延长寿命的光源 - Google Patents
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Abstract
一种光源具有固定到中空外部元件的固定元件。第一和第二引线贯穿固定元件。发光二极管(“LED”)模固定到引线的基体部分。设置在中空外部元件内的弹性体密封剂围绕该LED模。该光源包括在弹性体密封剂和固定元件之间的腔。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源。
背景技术
传统的发光二极管(“LED”)装置采用环氧聚合物树脂作为密封材料。密封过程通过频繁地注塑成型、传热模塑或浇铸完成。固化的环氧密封剂具有相对高的硬度，其耐刮和耐腐蚀、硬度高以及固有的透光率高。传统的密封的LED装置流行的有多种大小和类型，如4mm椭圆形LED灯，5mm圆形LED灯，薄片LED以及塑料导线芯片载体(PlasticLeaded Chip Carriers(PLCC))。
然而，环氧基密封材料遭受热降解和光降解作用。如果由LED模发射的波长在紫外线(“UV”)附近或在光谱的UV部分，降解作用特别剧烈。在遭受高的光通量时，特别是如果光的波长在200nm到570nm范围内时，环氧密封材料开始降解。密封剂降解的结果是在蓝色波长到绿色波长内光的吸收增加，在环氧密封剂上产生“泛黄”效果，而且透过密封剂的透光率减小，这使得LED装置的光输出明显下降。典型地，使用1000小时后，环氧基5mm LED灯装置的光输出下降20％或更多，使用10,000小时后下降50％或更多。
因为在运行期间由LED产生的热会降解环氧树脂，所以如果LED用大于100mA的电流驱动，传统环氧密封的LED会产生另一个问题。而且，环氧基密封剂硬，且在温度周期变化期间会将LED装置中的电线结合施加应力，这会导致过早损坏。
图1示出了传统的LED灯100。LED模102固定到第一引线106的基体部分104。该LED模102的后侧是第一LED模端子。第二LED模端子108用连接电线112连接第二引线110。在一特定实施例中，该LED模安装在使用导电环氧树脂的基体部分的反射杯(未示出)中。连接电线112、LED模102、基体部分104以及引线106、110的部分密封在硬的、刚性的环氧树脂密封剂114中。在制造、运输以及组装到电路期间处理LED灯时该硬的、刚性的环氧树脂密封剂114保护连接电线112免受破坏。
与在传统LED灯中使用的环氧树脂相比，硅树脂聚合物材料很少会发生泛黄和热降解。硅树脂材料还相对较软，因此很少会发生热循环损坏。然而，由于硅树脂软，其不会为LED模和相关的连接电线形成耐用的、起保护作用的、硬的涂层。因此，希望有用软的、高温、不会泛黄的密封剂制造的、还能提供硬的、耐用的外壳的LED灯。
发明内容
一种光源具有固定到中空外部元件的固定元件。第一和第二引线贯穿固定元件。发光二极管(“LED”)模固定到引线的基体部分。设置在中空外部元件中的弹性体密封剂围绕该LED模。该光源包括在弹性体密封剂和固定部分之间的腔。
附图说明
图1示出了传统LED灯的横截面。
图2A示出了根据本发明实施例的光源的横截面。
图2B示出了组装前图2A的光源的分解立体图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图7A示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图7B示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图7C示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图7D示出了根据本发明的另一个实施例的光源的横截面。
图7E示出了根据本发明的另一个实施例的光源760的横截面。
图8示出了根据本发明的一个实施例的表面安装的光源的横截面。
具体实施方式
硅树脂弹性体提供了作为LED密封材料的理想特性。硅树脂弹性体热稳定性高、光降解低、光传输性能损耗低、折射率范围宽、密封剂固化后应力小。它们通常无毒而且对高湿度和/或高温环境不敏感。因为传输损耗小，硅树脂密封剂特别适合于使用在200nm到570nm范围内波长的发射光，尤其是在高温状态下使用(即超过大约100℃)时。类似的，在高温下使用时硅树脂密封剂适合于波长更长的发射光，如红光和红外线发射光。
软的密封剂，如硅树脂弹性体也适合于具有波长转换涂层的LED装置使用。波长转换材料的颗粒，如荧光体材料和/或量子点材料和/或荧光染料典型地分散在有机树脂基体中，在有些情况下，该有机树脂基体是硅树脂基体。这种“荧光层”的厚度典型地是小于LED结构厚度的大约10％。这对避免荧光层与LED模分层是有利的。在热循环过程中，荧光层与硅树脂密封剂之间的硅树脂-硅树脂界面受化学互克性和机械互克性的影响很小。
与固化的环氧基聚合物相比，固化后，在密封装置的LED模上，硅树脂通常产生更少的抗压应力和张应力。LED模上减少的应力能使LED灯具有更长的寿命而且更可靠。
然而，与传统的环氧基LED密封剂相比，固化的硅树脂密封剂相对较软。硅树脂密封剂的低硬度有以下缺点：耐刮性、耐腐蚀性、耐磨损性低。而且，由硅树脂聚合物形成的密封装置不具有高的硬度，而且在经受机械搬运时也不能提供良好的尺寸稳定性。这降低了组装的容易度，并且限制了在各种LED灯密封装置设计中使用的范围。
图2A示出了根据本发明实施例的光源200的横截面。LED模102固定到第一引线106的基体部分104。LED模102的后侧是第一LED模端子。第二LED模端子108用连接电线112与第二引线110连接。在一特定的实施例中，该LED模安装在使用导电的环氧树脂的基体部分的反射杯(未示出)中。连接电线112、LED模102、基体部分104以及部分引线106、110密封在固化的弹性体密封剂213中。合适的弹性体密封剂包括硅树脂、氟硅氧烷、全氟化合物聚合物以及非晶氟塑料。合适的密封剂包括由Young et al.提出的题为“光学上无瑕疵的、具有高折射率的耐高温硅树脂聚合物”的美国专利申请文献No.US2004/019824A1中描述的密封剂。合适的弹性体密封剂的例子可以从加利福尼亚的NUSIL TECHNOLOGY of Carpenteria以及其它中得到。
由硬的刚性材料，如高温塑料或玻璃制成的中空的外部元件214形成用于弹性体密封剂213的杯或容器，其典型地以流体、半流体或凝胶体状态分布在外面的容器中。该中空的外部元件可以由光学上无瑕疵的热塑性聚合物或热固性聚合物制造而成。材料合适的例子包括液晶聚合物(“LCP”)、聚碳酸酯和丙烯酸树脂。该中空的外部元件214提供了无凸缘的通孔密封装置轮廓。可选择用成某种形状的杯子(中空外部元件)来提供具有凸缘的通孔密封装置轮廓和表面安装轮廓。然而，也可以选择其它，如使用具有扁平表面(即不具有半球形)的中空外部元件。
腔216在弹性体密封剂213和固定元件218之间形成。固定元件218用粘合剂、热焊接剂、焊接、销、槽、加热桩(heat stake)或通过干涉配合或通过使用其它化学、热、机械方法和以及组合方式来固定中空外部元件214。在一些实施例中，固定元件固定中空外部元件以形成密封的腔。在一些可选择的实施例中，该腔没有密封。围绕LED模102的弹性体密封剂213在未密封的腔中保护LED模102免受环境湿气的影响。
如在这使用的那样，术语“围绕”指的是弹性体密封剂围绕LED模的暴露部分，即没有固定到基体部分的LED模的表面。在一些实施例中，基体部分由弹性体密封剂围绕，而在一些实施例中，该基体部分部分由弹性体密封剂覆盖。
腔216填满了压缩流体，如空气或气体，或被抽空。腔抽空或用惰性气体填满腔的优点是在高温下，与包含氧的空气环境相比，引线和连接电线的氧化会更少。随着光源200温度升高，由于运行期间的自发热或由于外部加热，弹性体密封剂213膨胀到腔216中。随着光源200冷却，弹性体密封剂213会从腔216中收缩。换句话说，腔216调节弹性体密封剂213的膨胀和收缩。这提供了至少两个优点。
首先，提供足够大的腔以使膨胀的弹性体密封体不会挤到固定元件218从而使它从中空外部元件中移走。所以，在固定元件218和中空外部元件214之间的连接不会随着光源被加热由于弹性体密封体的膨胀而受到破坏。第二，该腔允许弹性体密封体从它的自由表面收缩，减少弹性体从中空外部元件214的内表面松散开来的可能性。分层会产生密封剂和外部元件的内表面之间的气隙，使该装置的光提取(light extraction)减弱。所以，光源200耐光降解和热降解，耐高温和低温波动。
图2B示出了组装前图2A的光源200的分解立体图。引线106、110由固定元件218强有力地支撑。该固定元件通常是不导电的有机或无机材料，如热塑性或热固性塑料化合物。在一特定的实施例中，该固定元件由通常用作封装集成电路的塑性模制组合物制成，并在LED模模固定和电线连接到引线前围绕引线模制。将LED模102固定到引线106的基体部分104的模机械地固定LED模到基体部分并将第一LED模端子(在LED模的后侧)电连接到引线106。连接电线112将LED模前侧上的第二LED模端子连接到其它的引线110上。
中空外部元件214用未固化的弹性体密封体215部分填满至一个选定水平。该未固化的弹性体密封体215典型地是呈流体、半流体或凝胶状态，以允许在不破坏LED模、模片固定或连接电线的情况下，将LED模102、连接电线112、部分引线插入到未固化的弹性体密封体215中。然后固化未固化的弹性体密封体。
可选择地，该固定元件固定中空外部元件，通过固定元件中用来分配密封剂(见图4)的孔将未固化的弹性体密封体分布在中空外部元件中，然后密封或可以选择敞开。但是使用其它可以选择的技术导致该LED模在固化的弹性体密封剂中处于最后的位置，而腔在中空的外部元件中。
选择用未固化的弹性体密封剂充满中空外部元件的理想水平以在固化的弹性体密封剂和固定元件(见图2A，附图标记213、218)之间提供腔，在固化的弹性体密封剂超过光源200的运行温度范围时，该腔调节固化的弹性体密封剂的热膨胀和收缩。固定元件218在中空外部元件的边缘220上，从而限制了LED模插入未固化的弹性体密封剂中的深度。通过采用组装工具(未示出)实现了将LED模102放置在合适的位置(即在中空外部元件214的中心)。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的光源300的横截面。固定元件318位于中空外部元件214的内壁302内。该内壁302为圆形(参考图2B，附图标记214)。固定元件的外边缘(周围)自动定心中空外部元件214的固定元件318，并作为机械校准部件运行，其将固定元件校准到中空外部元件。在中空外部元件214内，组装工具(未示出)将固定元件318设置在合适的高度。腔216在固定元件318和弹性体密封体213之间形成。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的光源400的横截面。中空外部元件414包括台阶416。该固定元件418位于台阶416上，从而限定了LED装置的插入深度。该固定元件具有基本上与台阶的内表面(例如圆形或椭圆形)相同的周长，从而作为机械校准部件。在一特定的实施例中，中空外部元件414由热塑性塑料或玻璃模制，或由热固性塑料浇铸而成以包括该台阶。使用简单的、圆盘形固定元件，该台阶和靠近固定元件418的中空外部元件414的内壁的结合既提供了自动定心又限制了深度。腔216在固定元件418和弹性体密封体213之间形成。
用来分配密封剂的孔420通过固定元件418延伸。该孔420在分配弹性体密封剂213后密封或有选择地敞开。其它几个实施例可选择有分配密封剂的孔。提供用于分配密封剂的孔是理想的，因为其允许中空外部元件固定到固定元件，从而在加工的早期保护了连接电线和其它易碎的元件。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的光源500的横截面。中空外部元件514具有与固定元件518的锥形外壁517匹配的锥形内壁515，其提供了机械校准部件。该相邻匹配锥形壁在中空外部元件514中定固定元件518的中心，还限制了该LED模102插入弹性体密封剂213中的深度。腔216在固定元件518和弹性体密封体213之间形成。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的光源600的横截面。固定元件618包括凸缘部分或台阶616(与图4相比，附图标记414，其中在中空外部元件中提供台阶)和在中空外部元件214中延伸的插销部分617。固定元件618的外壁619和中空外部元件214齐平。插销部分617在中空外部元件214中定固定元件618的中心，其提供了机械校准部件，而且该凸缘616限制了该LED模102插入弹性体密封剂213中的深度。腔216在弹性体密封体213和固定元件618之间形成。
图7A示出了根据本发明的另一个实施例的光源700的横截面。固定元件718具有在中空外部元件214的外壁703外延伸的凸缘716。腔216在固定元件718和弹性体密封体213之间形成。该凸缘716限制了该LED模102插入弹性体密封剂中的深度，还提供了具有凸缘密封装置轮廓的光源。
图7B示出了根据本发明的另一个实施例的光源720的横截面。固定元件722包括容纳中空外部元件214的边缘的凹槽724。该凹槽724与根据图6和7的相似光源相比，基本上具有两倍于中空外部元件214和固定元件722之间的接触面积。
图7C示出了根据本发明的另一个实施例的光源730的横截面。固定元件732具有形成插入中空外部元件中的插销部分736的第一台阶734，以及形成凸缘光源密封装置轮廓的凸缘的第二台阶738。固定元件732的外壁740基本上与第二台阶738和中空外部元件214之间的中空外部元件214的外壁相同。这提供的优势是，使用相同的中空外部元件产生具有不同高度的光源，或在使用标准中空外部元件时，可以选择增加密封的光源的高度。
图7D示出了根据本发明的另一个实施例的光源750的横截面。光源750具有具有凸缘754的中空外部元件752(与图7A的没有凸缘的中空外部元件214相比)和固定元件718。
图7E示出了根据本发明的另一个实施例的光源760的横截面。密封剂762的液滴(drop)(也称之为点或滴)围绕LED模102并覆盖基体部分764的一部分。用密封剂762的液滴围绕的LED模102提高了光提取率。将密封剂的液滴延伸到基体部分，用基体部分密封LED模102。固定元件718固定中空外部元件214。腔766由中空外部元件714形成，固定元件718填满压缩流体，如空气或其它气体，或被抽空。
图8示出了根据本发明的另一个实施例的光源800的横截面。引线806、810沿固定元件818延伸，使得表面安装光源800易于固定到印刷电路板(未示出)或其它基体。腔216在固定元件318和弹性体密封体213之间形成。
本发明的优选实施例已经进行了详细说明，显而易见，对本领域技术人员来说，在不偏离由下述权利要求阐明的本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改和改进。
Claims (17)
1、一种光源，其包括：
中空外部元件；
固定到中空外部元件的固定元件；
贯穿固定元件并具有基体部分的第一引线；
贯穿固定元件的第二引线；
固定到基体部分的发光二极管(“LED”)模；
设置在中空外部元件中以围绕该LED模的弹性体密封剂；以及
设置在弹性体密封剂和固定元件之间的腔。
2、权利要求1所述的光源，其中固定元件包括热塑性聚合物和热固性聚合物中的至少一种。
3、权利要求1所述的光源，其中固定元件包括围绕第一引线和围绕第二引线模制的模塑料。
4、权利要求1所述的光源，其中该LED模发出具有小于大约570nm的波长的光。
5、权利要求1所述的光源，其中该LED模包括具有分散在硅树脂聚合物基体中的波长转换材料的波长转换涂层。
6、权利要求5所述的光源，其中该弹性体密封剂包括硅树脂聚合物。
7、权利要求1所述的光源，其中该弹性体密封剂包括硅树脂聚合物。
8、权利要求1所述的光源，其中该中空外部元件包括台阶，该固定元件靠近该台阶。
9、权利要求1所述的光源，其中该中空外部元件包括锥形内壁，该固定元件包括靠近该锥形内壁的锥形外壁。
10、权利要求1所述的光源，其中该固定元件包括设置在中空外部元件中的插销部分和靠近中空外部元件的边缘的凸缘部分。
11、权利要求10所述的光源，其中该凸缘部分在中空外部元件的外壁外延伸。
12、权利要求1所述的光源，其中该引线沿着固定元件延伸以提供表面安装光源。
13、权利要求1所述的光源，其中该腔填满空气。
14、权利要求1所述的光源，其中该腔是被抽空的。
15、权利要求1所述的光源，其中该固定元件包括机械校准部件。
16、权利要求1所述的光源，其中该固定元件包括用于将弹性体密封剂分散到中空外部元件中的孔。
17、权利要求1所述的光源，其中该弹性体密封剂包括围绕该LED模的弹性体密封剂的滴，并至少部分覆盖该基体部分。
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