CN1928425B - 利用柔性电路载体的薄型光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有柔性光产生模块的光源。该光源包括柔性电路载体、多个发光管芯和覆盖层。柔性电路载体包括具有导电迹线的柔性板材。发光管芯电连接到导电迹线。覆盖层由透明柔性材料构成，并且覆盖发光管芯。光产生模块能够连于各种表面以提供非平面以及分段平面的光源。这些更复杂的光源包括产生复杂光图案以引起对穿着者的注意的服装和三维光源。光源还提供了改进的导热，并且能够用来产生用于显示器的非矩形背光照明。

Description

利用柔性电路载体的薄型光源
技术领域
本发明涉及一种利用柔性电路载体的薄型光源。
背景技术
在许多应用中，发光二极管(LED)正替代诸如荧光灯和白炽灯泡的传统光源。LED具有类似的电效率和比荧光光源更长的工作寿命。此外，所需的驱动电压与在许多便携式装置上可获得的电池电源相兼容。
然而，为了提供替代光源，通常需要利用多个LED的光源。LED发出较窄波段的光。因而，为了提供任意颜色的光，经常利用具有不同颜色的LED阵列。
此外，为了提供具有可从传统光源获得的强度的LED光源，必须包括具有每一个颜色的多个LED。LED的最大光强度通常小于几瓦特的白炽灯的最大光强度。因而，为了提供相当于100瓦灯的LED光源，在替代光源中，必须组合大量低功率的LED。
在LED阵列基础上的光源通常通过将许多封装的LED通过将单个LED焊至PCB而附于脊状(ridged)印刷电路板(PCB)(有时在柔性PCB)上而构建。这种光源构建起来会很昂贵，并且具有可靠性的问题。PCB不仅提供到LED的电连接，而且用作散热元件。焊点增加制造的成本，并且是部件故障的根源。
进一步地，对PCB的核心中能够耗散的热量有限制。核心具有设定能够沿PCB长度流动的最大热量的有限厚度。如果热负载变得太大，则PCB会卷曲或弯曲。这种形状改变会改变LED相对于光源其它部件的位置，光源其它部件可以是诸如对光进行准直的透镜或将光分布在待被照明表面的光管。
此外，许多应用要求LED阵列，其中，大量LED安装在小空间中。例如，模拟用于照明用在LCD显示器的背光照明中的光管边缘的线性白炽灯或荧光灯管的光源会需要LED阵列，其中，单个LED以小于1mm的间距隔开。LED封装的尺寸设定了PCB板上每单位面积的LED密度的上限，因而，这种紧密的间隔不总是可行的。
应当注意，这种类型的脊状PCB光源难于适用于需要LED定位在非平面表面上的应用。便宜的PCB通过利用光刻技术而构建，在光刻技术中，将所需导线分布图的图像投影到被光刻胶覆盖的金属覆盖层表面上。接着从不需要的金属区去除光刻胶的部分，接着通过蚀刻去除不需要的金属区。去除的光刻胶的面积由图像的照明模式决定。如果金属覆盖层表面不是平面，用于将图像投影在表面上所需的光学系统通常过于昂贵以致于不能允许利用这种便宜的制造方式。实际上，如果采用了复曲面，传统光刻技术根本不起作用。
发明内容
本发明包括具有柔性光产生模块的光源，该光源包括柔性电路载体、安装在柔性电路载体上的多个发光管芯和覆盖层。柔性电路载体包括具有导电迹线的柔性板材。发光管芯电连接到导电迹线。覆盖层(封装材料层)由透明柔性材料构成，并且覆盖发光管芯。在一个实施例中，柔性板材包括导热层，发光管芯安装在导热层上。在一个实施例中，导热层包括在柔性板材的一个表面上的金属层。在一个实施例中，光源还包括具有透明材料组成的平面层的光管，该平面层具有顶面和底面以及一个或多个边缘表面的特征。光产生模块靠近该平面层的第一边缘定位，使得来自发光管芯的光进入第一边缘，并且在顶面和底面之间反射。光管包括用于将平面层中的光以允许光离开通过顶面的角度散射的光散射中心。在一个实施例中，光管进一步包括第二边缘，光产生模块还靠近第二边缘定位，使得来自发光管芯的光进入第二边缘，并且在顶面和底面之间反射。在一个实施例中，光产生模块还包括用于测量离开光管的光强度的传感器。在一个实施例中，覆盖层包括用于使来自发光管芯的至少一个的光成像的光学元件。在一个实施例中，光学元件包括由透明柔性材料构成的透镜。在一个实施例中，光源还包括确定形状的载体，该载体具有接合到柔性电路载体的非平面表面。在一个实施例中，柔性板材包括发光管芯安装在其上的导热层，并且非平面表面接合到导热层。在一个实施例中，光源包括服装，当穿戴该服装时，该服装的外表面是可见的。柔性光产生AC模块附于外部空间，使得来自发光管芯的光对于除了穿戴服装的人以外的人是可见的。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的二维LED阵列的简化俯视图；
图2是图1中所示的阵列通过线2-2的剖视图；
图3是通过根据本发明另一个实施例的LED阵列一部分的剖视图；
图4是根据本发明一个实施例的光源的俯视图；
图5是在图4中所示的光源通过线5-5的剖视图；
图6是根据本发明另一个实施例的光源的俯视图；
图7是根据本发明另一个实施例的光源的俯视图；
图8是利用环形塑料层的光管的示例；
图9是根据包括凹面发光表面的本发明一个实施例的光源的剖视图；
图10示出附于背心前部的一对显示面板；
图11示出附于帽子的帽圈形式的显示面板；
图12是根据本发明另一个实施例的光源的剖视图。
具体实施方式
参照图1和图2将更容易了解本发明提供其优点的方式，其中图1和图2示出根据本发明一个实施例的二维LED阵列的一部分。图1是阵列10的简化俯视图，图2是阵列10通过线2-2的剖视图。阵列10使用柔性电路载体构建。柔性印刷电路板或电路载体是公知的现有技术，因而，在这里不做详细的论述。出于本论述的目的，注意到能够通过在柔性树脂衬底19上沉积薄金属层或附着金属层，然后将该层通过传统的光刻技术转换成多个单独的导体而制造柔性电路载体就足够了。阵列10包括两个这种金属层。底部金属层19除了为LED阵列10提供共同电连接外还起散热的作用。示例性LED管芯以12和13示出。对顶层进行图案化以提供诸如用来将LED连接到其它电路的迹线18的迹线，其中，该其它电路能够位于柔性电路载体上或单独的衬底上。LED使用诸如接合线17的导线接合连接到迹线。在图1和图2所示的实施例中，借助于LED管芯的底部提供到每一个LED的第二连接。为了简化附图，柔性电路载体的顶面上的电路迹线已经从图1中省略。
LED能够使用导热粘接剂接合到底部传导层14。由于管芯直接安装在导热层上，所以本发明提供相对于预封装的LED改进的传热。如在下面详细说明的，柔性电路载体的底面能够布置与一表面热接触，该表面可使热传到能够更有效地将热传到周围环境的位置。
在管芯已经附于柔性电路载体之后，透明柔性封装材料体层15在柔性电路上成型。封装材料体保护着管芯免受环境的影响。此外，封装材料体层15能够包括诸如图2中所示的透镜16的光学部件。封装材料体的示例是硅树脂和低模量环氧，该硅树脂通常是柔性的。在环氧的情况下，封装材料体可以具有覆盖每一个LED芯片的单个穹顶，其中该单个穹顶在每个芯片上是非连续的。
在一些LED基光源中，通过在LED上的层中包括适合的荧光体将来自LED的光的一部分转换成不同的波长。例如，被人类观察者感知为白色的光源能够通过使用荧光层将部分蓝光转换成黄光而由蓝色LED构建。所述的荧光体还能够包含在封装层15中。
上述实施例利用如下的连接布置，其中柔性电路载体的底部金属层用作LED共同的导线，但是，也可以构建其中管芯单独连接到柔性电路载体顶面上的迹线的实施例。现在参考图3，图3是通过根据本发明的另一个实施例LED阵列20的一部分的剖视图。阵列20还包括具有用于将电力供应到管芯的两个触点的多个LED管芯22。在这个实施例中，触点位于管芯的顶面上，并且通过诸如接合线27的导线接合连接到柔性电路载体顶面上的迹线28。金属层24以类似于上述的方式传导来自管芯的热。
本发明适用于形成许多不同类型的光源。例如，LCD显示器已经普遍应用于电视机和计算机监视器。背光照明的LCD显示器利用由LED阵列从一个和多个边缘照明的光管。现在参照图4和图5，图4和图5示出用于照明LCD显示器36的该类型光源的现有技术。图4是光源30的俯视图，图5是光源30通过图4中的线5-5的剖视图。光源30利用LED阵列31照明光管32。LED安装在电路板33上，该电路板33安装在将电力提供给LED的第二板45上。LED定位成使得离开每一个LED顶部的光照明光管32的端部。进入光管32的光以相对于表面41的小于临界角的角度在光管32内来回反射，直到该光被吸收或被表面37上的颗粒42散射。以大于临界角的角度射到表面41的散射光从光管离开，照明LCD显示器36的背面。光管的底面覆盖有反射性材料；因而，任何射到底面的光向上反射。
在光管靠近LED的区域，一些光线以大于临界角的角度进入光管，并且立即通过由44所示的光管顶面而离开。应当注意的是，以大于临界角的角度照射底面的光线将以大于相对于表面41的临界角的角度向上反射，由此也被损失。结果，光管的区域45没有用来照明LCD显示器。该区域用作用于混合来自各种LED的光的混合区。
应该注意，通过区域45损失的光量一般而言取决于LED的垂直定位。如果LED太低，则更多的光将离开区域45，这是因为离开LED的光的更大一部分将以大于临界角的角度照射表面41。此外，区域45的尺寸在某种程度上还取决于LED的垂直定位。尽管通过增加区域45的尺寸能够调节垂直定位的误差，但该技术解决方案增加了显示器的尺寸和向LCD显示器提供给定照明级所需的电能。
混合区45的尺寸还取决于单个LED之间的间隔。LED通常包括发出三种波段光(即，红色、蓝色和绿色)的LED。在该波段发出的光的相对强度决定由人类观察者感知的光源颜色。由于每一个LED通常限于发出仅仅一种波段的光，所以LED通常以每一个LED发出光的波段与其相邻的LED发出光的波段不同的顺序布置。混合区45必须足够长，以保证当光离开混合区45时，来自许多相邻LED的光被混合，以确保在混合区以外的区域中没有颜色变化。因而，发出三个不同波段光的LED的设计尽可能地互相靠近布置是优选的，这是由于这种布置在任何给定的混合区提供更好的混合。在图4和图5所示的类型的现有技术系统中，LED的最小间隔受LED的封装限制，因而需要更大的混合区。
还应该注意，上述LCD光源利用沿光管的仅仅一个边缘的光注入。如果光管较大，则附加LED必须沿其它边缘提供。在这种情况下，因为需要将单独的LED阵列接合到每一个边缘，故该构造被进一步复杂化。如以上提及，LED相对于光管的相对定位必须维持在紧密度容限内。附加的光源进一步恶化了此容限问题。
现在参照图6，图6是根据本发明另一个实施例的俯视图。光源50包括上述类型的光管51。光管51由上述类型的柔性光源沿光管51的边缘照明。柔性光源包括许多连接到柔性电力载体54的LED管芯53，柔性电力载体54绕光管51的边缘卷曲并且由夹具55保持在适合位置处。柔性透明封装材料层56被夹具55压靠在光管的边缘。折射指数匹配材料层能够涂到光管的边缘和封装材料体之间，以降低界面的反射。柔性封装材料体还是弹性的，因而，能够提供一种容纳光管的边缘和夹具的尺寸中局部缺陷的装置。
在一些背光照明设计中，荧光体结合到测量光管内每一个颜色光的强度的系统中。传感器的输出用在将光管内每一个颜色光的强度维持在预定限度内的反馈系统中。荧光体可以包括在连接到柔性电路载体的管芯中。这样的传感器以图6中的57示出。
由于LED管芯比上述封装的LED小得多，所以柔性电路载体上的LED管芯之间的距离能够更小。因而，必须专门用于混合区的上述光管的面积实质上更小。
此外，更小的管芯尺寸允许在更小的空间内构建的多色光源。现在参照图7，图7是根据本发明另一个实施例的光源60的俯视图。光源60由诸如组65的许多组LED管芯组成。每一组管芯包括发出不同颜色光的管芯。例如，管芯61-63分别是发出红色、蓝色和绿色光的管芯。当在适当的距离看去，每一组中的管芯好像是具有来自单个的LED的光的相对强度决定的颜色的单点光。
管芯安装在柔性电路载体64上，且柔性封装材料体层在管芯上。光源是具有能够附于PCB板用于对LED进行供电的连接器68的条带的形式。
光源60用于形成诸如在图6中示出的光源50的光源。应当注意，光源60还能够用来基于不是矩形的光管而产生背光。包括环形塑料层的光管的一个示例在图8中示出。光源80包括具有参照图7论述的类型的光带82的光管81，光带82绕环形塑料板的边缘卷曲。光源80好像是以垂直于该图平面的方向发光的均匀照射的环形区域。
根据本发明的柔性光源用于通过将柔性光源接合到具有所需形状的实体表面而形成非平面的发光表面。现在参照图9，图9是包括凹面发光表面的光源90的剖视图。光源90通过将柔性光源91接合到其上具有凹面的固体造型92而构建。
除了提供任意形状的刚性发光表面，本发明还能够用来提供以预定的图案发光的柔性表面。例如，根据本发明的光源能够附于诸如背心或帽子的衣服以提供发光的装饰件。现在参照图10和图11，图10和图11示出根据本发明的附于各种衣服的光源。图10示出附于背心94前部的一对显示面板93。图11示出附于帽子96的帽圈95形式的显示面板。例如，这种服装会被舞台上的表演者穿戴。LED能够设置在预定图案设置中，当开启光源时，预定图案提供所需的照明设计。或者，能够提供其中单个LED能够在不同电平供电的具有LED二维阵列的LED显示器，使得随着时间的变化服装能够显示宽范围的照明设计。
在本发明的上述实施例中，LED管芯直接安装在柔性电路载体的金属层上，并且假定实质上离开管芯所有的光通过管芯的顶面而离开。然而，许多LED发出的在其中产生的光的很大一部分通过管芯的侧壁。因为管芯材料和空气之间折射指数大的差异，这种光在管芯的层结构内被俘获。被俘获的光向内反射直到该光到达管芯的边缘。照射在管芯边缘的光以大于临界角的角度照射，因而离开管芯。为了收集这种光，可以在光源中包括反射器，以将这种侧向发出的光向前导向。
现在参照图12，图12是根据本发明另一个实施例的光源100的剖视图。光源100包括LED管芯102安装在其上的柔性电路载体101。LED管芯从LED管芯的顶面和侧面发出光。从管芯侧面发出的光通过附于柔性电路载体101的金属面103的底部的小反射器104重新向前导向。管芯以类似于上述方式覆盖有柔性透明封装材料体层。
反射器能够以管芯实际安装在其上的杯子的形式附于金属层103。或者，反射器能够通过冲压操作在金属层中形成。由于这种反射器及其构造对于现有技术是公知的，在这里将不论述该构造的细节。
再参照图6，考虑从LED中一个LED发出的光。这种光的很小一部分将到达光管51的相对的壁而没有散射出光管。大多数光将射到LED之间区域中的光管的边缘。为了防止这种光损失，LED之间的区域能够涂覆有在图12中的105处所示的反射层。发射涂层能够使用传统光刻技术涂到层106的外表面，让LED上的区域透明。因而，否则会损失的光的很大一部分将被反射回光管中。
本发明的上述实施例根据或多或少的LED矩形阵列(比宽度更长)描述。然而，可以理解到根据本发明的LED阵列能够具有任何形状。这些阵列中的LED能够成组或单个地选定位置。对于用于提供单个预定照明图案的便宜阵列，组选定位置较便宜。然而，本发明能够用来建立柔性的二维通用显示器，该显示器能够提供能够随意改变的彩色图案。
本发明的上述实施例利用包括LED的管芯。然而，除了LED，也能够用其它半导体发光元件进行代替。例如，也能够利用诸如VCSEL或有机LED的半导体激光器。
从前述描述和附图中，本发明的各种修改对于所属技术领域的一般技术人员变得明显。因而，本发明仅由所附权利要求的范围界定。

Claims (14)

1.一种包括柔性光产生模块的光源，包括：
柔性电路载体，所述柔性电路载体包括柔性板材以及位于所述柔性板材两侧的顶部金属层和底部金属层，所述顶部金属层中形成有导电迹线；
用导热粘接剂接合在所述底部金属层上的多个发光管芯，所述发光管芯电连接到所述导电迹线；和
覆盖所述发光管芯的透明柔性覆盖层。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述底部金属层用作所述多个发光管芯共用的导线。
3.根据权利要求1所述光源，其中，所述多个发光管芯分别连接到所述顶部金属层中的导电迹线。
4.根据权利要求3所述光源，进一步包括含有透明材料平面层的光管，其特征在于，所述透明材料平面层由光管的厚度、顶面和底面表征，所述光产生模块靠近所述平面层的第一边缘定位，使得来自所述发光管芯的光进入所述第一边缘，并且在所述顶面和所述底面之间反射，所述光管包括用于将所述平面层内的光以允许所述光离开所述顶面的角度散射的光散射中心。
5.根据权利要求4所述的光源，其中，所述光管进一步包括第二边缘，所述光产生模块还靠近所述第二边缘定位，使得来自所述发光管芯的光进入所述第二边缘，并且在所述顶面和所述底面之间反射。
6.根据权利要求4所述光源，其中，所述光产生模块进一步包括用于测量离开所述光管的光强度的传感器。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述覆盖层包括用于将来自所述发光管芯中的至少一个发光管芯的光成像的光学元件。
8.根据权利要求7所述的光源，其中，所述光学元件包括由所述透明柔性材料构成的透镜。
9.根据权利要求1所述的光源，进一步包括确定形状的载体，所述载体具有接合到所述柔性电路载体的非平面表面。
10.根据权利要求9所述的光源，其中，所述非平面表面是脊状的。
11.根据权利要求9所述的光源，其中，所述非平面表面是凹的。
12.根据权利要求9所述的光源，其中，所述非平面表面是凸的。
13.根据权利要求9所述的光源，其中，所述非平面表面接合到所述底部金属层。
14.根据权利要求1所述的光源，进一步包括具有外表面的服装，当穿戴所述服装时该外表面可见，所述柔性光产生模块附于所述外表面，使得来自所述发光管芯的光对不是穿戴所述服装的人的其他人是可见的。
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