CN203434191U

CN203434191U - Led模块

Info

Publication number: CN203434191U
Application number: CN201320379075.6U
Authority: CN
Inventors: 木暮靖男
Original assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Current assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: JP2014011364A

Abstract

本实用新型提供一种能够降低在密封部产生的空隙对LED模块的光量造成的影响的LED模块。该LED模块构成为具备：通过被供给电流而射出光的LED芯片；收纳LED芯片的壳体；填充于壳体内以便对LED芯片进行密封的密封剂；以及以覆盖密封剂的方式载置于壳体、且供从LED芯片射出的光透过的透镜，透镜的供从LED芯片射出的光入射的入射面为凸面。

Description

LED模块

技术领域

本实用新型涉及LED（Light Emitting Diode）模块，该LED模块具备LED芯片与供从该LED芯片射出的光透过的透镜。

背景技术

以往，使用紫外线硬化型树脂作为工业制品的涂层或光学部件等的组装用粘合剂。紫外线硬化型树脂是具有流动性的单体或低聚体吸收紫外线（紫外光）而发生光聚合反应，从而变化为固体的聚合物的树脂。进而，作为用于使该紫外线硬化型树脂硬化的光源，开发出有紫外线照射装置（以下称为“UV照射装置”）。

近年来，出于耗电量的削减及装置尺寸的小型化的要求，作为UV照射装置的光源，采用能够发出紫外光的LED模块。专利文献1中示出一般的LED模块的结构。

如专利文献1所示，LED模块具有：LED基片（以下也称为“LED芯片”）；反射器，该放射器具有作为收纳LED芯片的壳体的功能以及将从LED芯片射出的光朝平凸透镜侧反射的功能；密封剂，该密封剂填充于反射器以便密封LED芯片；以及平凸透镜，该平凸透镜以堵塞反射器的开口部并将密封剂密封于反射器的方式载置。

专利文献1：日本特开2007－59852号公报

密封剂作为在壳体内密封LED芯片的密封部发挥功能，使用具有透光性的透明树脂（密封树脂）。由于密封剂与LED芯片接触，是直接暴露于LED芯片所发出的高密度的热能与光能的部分，因此在LED模块的设计上是提高LED模块的可靠性的关键部分。特别是由于UV照射装置用的LED芯片发出紫外光，因此要求密封树脂具有针对紫外光的高耐光性。如果密封树脂的针对紫外光的耐光性低，则会有发生龟裂、密封树脂从LED芯片剥离、在LED芯片与密封树脂之间产生空间的情况。这样，如果在密封LED芯片的密封树脂发生龟裂等，则会产生空气的间隙，因此从LED芯片射出的光在该间隙的空气层与密封树脂的树脂层之间全反射、折射，由此导致LED模块的光量降低。并且，龟裂会切断确保LED芯片的电导通的键合用的线、电路（金或铝材质），有可能成为诱发不亮灯的原因。因此，通常，从该耐热性以及光耐性的高度考虑，作为具有透光性的密封树脂采用硅树脂。

在具有上述结构的LED模块的制造工序中，在将LED芯片收纳于反射器之后，密封树脂通过灌注等被填充于反射器。进而，将平凸透镜以透镜的平面侧与密封剂对置的方式载置于由密封树脂形成的密封剂上，通过使密封树脂硬化，粘合密封剂与透镜。

在将平凸透镜载置于密封剂时，由于使透镜的平面侧与密封剂对置，因此存在空气进入透镜与密封剂之间、在透镜与密封剂的粘合面残留有空隙的顾虑。并且，在使密封树脂硬化时会在密封树脂中产生以水蒸气为中心的排气。因此，即便能够将透镜以未进入有空气的方式与密封剂重叠，密封树脂硬化时产生的排气也可能在密封树脂中形成空隙。

如果在密封树脂中产生空隙，则与产生龟裂的情况相同，从LED芯片射出的光会在密封树脂的树脂层与空隙的空气层之间的界面处发生全反射、折射，因此导致LED模块的光量降低。特别是在空隙存在于LED芯片的光轴上的情况下，LED模块发光的光强度分布的峰值与因该空隙而导致光强度降低的范围重叠，存在LED模块的光量显著降低的顾虑。

实用新型内容

本实用新型就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够降低在密封剂产生的空隙对LED模块的光量造成的影响的LED模块。

根据本实用新型的一个实施方式，提供一种LED模块，其特征在于，具备：通过被供给电流而射出光的LED芯片；收纳LED芯片的壳体；填充在壳体内以便对LED芯片进行密封的密封剂；以及以覆盖密封剂的方式载置于该壳体，且供从LED芯片射出的光透过的透镜，透镜的供从LED芯片射出的光入射的入射面为凸面。

根据上述结构，如后所述能够将密封剂中的空隙的产生限定于透镜的周缘部，因此能够尽可能地抑制空隙对LED模块的光量造成的影响。

并且，LED芯片也可以构成为以LED芯片的光轴与透镜的光轴大致一致的方式被收纳于壳体。

并且，透镜可以是柱面透镜。此外，也可以形成为LED芯片沿柱面透镜的圆柱轴配置多个的结构。

根据上述的结构，即便在以覆盖多个LED芯片的方式载置柱面透镜的情况下，也能够将密封剂中的空隙的产生限定于柱面透镜的周缘部，因此能够尽可能地抑制空隙对LED模块的光量造成的影响。

并且，也可以形成为密封剂的折射率大于空气的折射率，透镜的折射率大于密封剂的折射率，透镜由石英玻璃形成的结构。由此，即便在采用提高LED模块的光取出效率的结构的情况下，也能获得上述效果。

此外，也可以形成为密封剂由硅树脂形成的结构。由此，由于硅树脂在针对LED芯片发出的热量的耐热性及针对紫外光的耐光性方面具有优异的特性，因此，即便在UV照射装置用的LED模块中也能够获得上述效果。

并且，也可以使壳体的内壁面相对于透镜的光轴倾斜，以便将从LED芯片入射至该内壁面的光朝透镜反射。

如上，根据本实用新型的实施方式的结构，实现了能够降低在密封剂产生的空隙对LED模块的光量所造成的影响的LED模块。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施方式所涉及的LED模块的简要剖视图。

图2中，（a）～（d）是示出本实用新型的一个实施方式所涉及的来自LED芯片的出射光的行进的示意图。

图3是示出本实用新型的一个实施方式所涉及的密封剂以及透镜的结构的示意图。

图4是本实用新型的其他的实施方式所涉及的LED模块的简要剖视立体图。

图5的（a）、（b）是示出本实用新型的一个实施方式所涉及的LED模块的变形例的简要外观图以及简要剖视图。

标号说明

1、10、100：LED模块；2：LED芯片；7、17、27：壳体；7a、17a、27a：收纳部；8：密封剂；8a：露出部；9、29：透镜；9a、19a、29a：入射面；9b、19b：出射面；19：柱面透镜；AX：光轴；B、B’、B’’：气泡；BX：圆柱轴；S：光轴面。

具体实施方式

以下，参照附图对本实用新型的实施方式所涉及的LED模块进行说明。

图1是本实用新型的一个实施方式所涉及的LED模块的简要剖视图。LED模块1具有：壳体7，该壳体7具有收纳LED芯片2的收纳部7a；密封剂8，该密封剂8由硅树脂形成，且填充于壳体7内以便用于密封LED芯片2等；透镜9，该透镜9载置于密封剂8上。另外，密封剂8作为密封LED芯片2的密封部发挥功能。

LED芯片2是普通的公知的LED芯片，例如是GaN系LED芯片，且呈正方形、长方形等矩形状。LED芯片2在蓝宝石衬底上形成有n型半导体层（n-GaN）、发光层（InGaN）以及p型半导体层（p-GaN）这三层。在n型半导体层上，配置有作为LED芯片2的阴极发挥功能的n侧电极板。并且，在p型半导体层上配置有p侧电极板。当向LED芯片2供给电流时，LED芯片射出扩散光。

LED芯片2的p侧电极板以及n侧电极板经由导电性良好且具有柔性的金线3通过引线键合与引线框6电连接。引线框6是对机械强度、电传导率、热传导率、以及耐腐蚀性等优异的铜材料等的薄板进行蚀刻、冲裁加工而将其加工成所希望的形状，并实施镀银等镀敷而得的部件。引线框6用于进行LED模块1与外部配线之间的连接。

LED芯片2利用粘合剂4与散热器5接合，其中，粘合剂4使用相对于来自LED芯片2的热、光而变色少且热传导性以及粘合性良好的硅树脂或钎料。散热器5是由散热性高的锌、铝、铜等金属材料形成的部件。另外，作为散热器5的材料，除金属以外，也可以使用陶瓷（例如氮化铝）、石墨及玻璃碳等碳材料。并且，也可以使用组合上述材料而成的复合材料构成散热器5。散热器5使来自LED芯片2的热量经由粘合剂4散发到LED模块1的外部。

壳体7是由机械强度、耐热性以及耐光性良好的陶瓷形成的有底大致圆筒状的壳体。壳体7具有如下功能：将从LED芯片2射出的光无损地反射的功能、使LED芯片2的发光强度分布在壳体7内集散而将其调整为易于处理的分布（高斯分布、均匀扩散分布等）的功能、使来自LED芯片2的热量散发到壳体7的外部的功能。在本实施方式中，壳体7具有用于收纳LED芯片2、金线3以及密封剂8的收纳部7a，LED芯片2以其光轴与壳体7的轴线大致一致的方式配置于收纳部7a的底面中央部。壳体7的一端呈圆形状地开口，以堵塞该开口的方式载置有透镜9（在后面详细叙述）。如图1所示，壳体7的内周面（内壁面）相对于LED芯片2的光轴AX以规定的倾斜度（换言之以越趋向透镜9侧越远离光轴AX的方式）倾斜。因而，从LED芯片2射出的趋向壳体7的内周面的光在该表面被反射从而入射至透镜9。另外，壳体7的内周面的形状可以根据壳体7中的LED芯片2的搭载位置、壳体7的大小、深浅等适宜变更。并且，壳体7的材料并不限定于陶瓷，例如也能够应用树脂、金属。

在收纳部7a填充有用于密封LED芯片2、金线3的密封剂8。密封剂8是具有透光性的透明树脂，并作为高效地取出LED芯片2发出的光的光学介质发挥功能。光具有在从折射率大的介质进入折射率小的介质的情况下，由于两个介质的界面处的全反射的影响而不易透射的特性。LED芯片2的折射率大于空气的折射率（大约为1）。在本实施方式中，密封剂8使用具有比空气的折射率大的折射率、并且相对于LED 芯片2所发出的热的耐热性、相对于紫外光的耐光性优异的硅树脂。

在利用密封剂8将LED芯片2、金线3等被收纳于收纳部7a的部件密封之后，将透镜9以覆盖密封剂8和收纳部7a的方式载置于壳体7。在本实施方式中，透镜9构成为在将其载置于壳体7时该透镜9的光轴与LED芯片2的光轴大致一致。进而，如图1所示，透镜9的外径设定为比收纳部7a的开口的内径略大。进而，以透镜9的供来自LED芯片2的射出光入射的入射面9a在透镜端面附近（即周缘部）与壳体7的一端抵接的方式进行载置。另外，也可以形成为如下的结构：将入射面9a的周缘部形成为平面，并以使该周缘部与壳体7的上面7b抵接从而覆盖密封剂8与收纳部7a的方式载置透镜9。透镜9为双凸透镜，透镜9的入射面9a以及出射面9b的曲率半径能够根据LED模块1的聚光特性而分别变更。透镜9使用折射率值在密封剂8所使用的硅树脂的折射率（大约1.4）以上的材料、如石英玻璃（大约1.5）等，以便从密封剂8朝透镜9行进的光不会在密封剂8与透镜9的界面处发生全反射。作为透镜材料，只要是折射率在密封剂8的折射率以上的透明材料即可，除了石英玻璃之外，也可以采用耐光性良好的硅树脂等任意的材料。

此处，对从LED芯片2朝密封剂8的光的行进进行说明。LED芯片2的材料为氮化镓（GaN）。为了方便，将紫外线区域的GaN、硅树脂以及空气的折射率分别设为2.5、1.4、1.0。例如，如果物质A的折射率为n_A，物质B的折射率为n_B（n_A<n_B），则当光从物质B朝物质A行进时，光在物质A与物质B之间的界面处的入射角如果在规定的角度以上，则光会在界面处发生全反射而无法朝物质A行进。该规定的角度被称为临界角，如果设临界角为θ_m，根据斯内尔定律，sinθ_m=n_A/n_B的关系成立。因此，如图2的（a）、（b）所示，如果设物质B为GaN（n_B=2.5），则与物质A是空气的情况（n_A=1.0）相比，在物质A是硅树脂的情况下（n_A=1.4）临界角θ_m大。即，如图2的（c）、（d）所示，通过如上所述在收纳部7a收纳由硅树脂形成的密封剂8，与未收纳密封剂8的情况、即LED芯片2的周围充满空气的情况相比，能够从LED芯片2取出更多的光，因此光取出效率提高，LED模块的发光量增加。

其次，对从密封剂8朝透镜9的光的行进进行说明。图3是示出本实施方式中的LED芯片2所发出的光从密封剂8朝透镜9行进的情形的示意图。为了方便，图3中将密封剂8、透镜9以及入射面9a放大，并以光束L代表来自LED芯片2的出射光进行示出。从LED芯片2射出的光束L从密封剂8朝透镜9行进。设入射面9a上的光束L的入射位置为O，设入射位置O处的入射面9a的切平面为R，设通过入射位置O的切平面R的法线为ln。并且，设密封剂8的折射率为n₁，透镜的折射率为n₂。此刻，如果设密封剂8中的光束L与法线ln的夹角为θ₁、透镜9中光束L与法线ln的夹角为θ₂，根据斯内尔定律，n₁sinθ₁=n₂sinθ₂的关系成立。在本实施方式中，由于n₁≤n₂、0°≤θ₁≤90°以及0°≤θ₂≤90°，因此sinθ₁≥sinθ₂、即θ₁≥θ₂成立。即，通过如上述方式那样设定密封剂8与透镜9的折射率，从LED芯片2射出的光束L以满足条件θ₁≥θ₂的方式从密封剂8朝透镜9行进。

本实施方式的透镜9构成为：与密封剂8接触的入射面9a由凸面形成，由此，在将透镜9载置于密封剂8时，在透镜9与密封剂8之间难以产生气泡，并且，即便假设在透镜9与密封剂8之间产生气泡，也能够使气泡沿透镜9的入射面9a移动至入射面9a的周缘部从而将气泡排出。因而，在将透镜9载置于壳体7以及密封剂8上时，能够高效地防止成为产生空隙的原因的气泡的产生。

在透镜9的载置完成后，形成为利用透镜9遮盖具有密封剂8的壳体7的状态。该状态下，通过使形成密封剂8的硅树脂热硬化而使之发生聚合反应从而固化。硅树脂是将由硅烷（SiH₄）衍生出的甲基硅烷（CH₃SiH₃）、乙烯基硅烷（CH₂CHSiH₃）、苯基硅烷（C₆H₅SiH₃）、氯三甲基硅烷（ClSi（CH₃））等为原料制成以硅氧烷键为骨架的聚合物而制造的。进而，能够通过导入甲基或苯基等作为置换基而使得粘性等特性发生各种变化从而生成硅树脂。以下化学式是示出本实施方式中的使作为密封剂的硅树脂热硬化时的聚合反应的一例。

≡Si-OH+HO-Si≡→≡Si-O-Si≡+H₂O↑

如该化学式所示，由于该硅树脂具有硅烷醇基（Si-OH），因此，在热硬化时会发生硅烷醇基间的脱水聚合反应，生成水蒸气（H₂O）。另外，根据硅树脂的组分不同，认为在热硬化时不仅限于产生水蒸气也会产生各种气体。

因此，在使硅树脂热硬化时，在树脂中产生气体、如水蒸气，存在因该气体的原因而导致在密封剂8中产生气泡的情况。如图1所示，在本实施方式中，所产生的气泡B朝透镜9侧上浮，达到透镜9的入射面9a。由于入射面9a为凸面，因此气泡B沿入射面9a朝入射面9a的周缘部移动。因而，即便在密封剂8的热硬化时产生气泡，空隙也仅在透镜9的入射面9a的周缘部产生。即，由于LED模块1的光强度分布的峰值被设定于LED芯片2的光轴AX的附近，因此能够将由于空隙而导致的光量降低的影响限定在尽可能远离LED模块1的光强度分布中的峰值（即光轴AX）的范围。因此，能够极力抑制由于空隙而导致的LED模块1的光量降低。

以上是本实用新型的例示性的实施方式的说明。本实用新型的实施方式并不限定于上述说明的内容，能够在本实用新型的技术思想的范围内进行各种变形。例如，如图4所示，在其他的实施方式中，LED模块10也可以形成为如下结构：以覆盖在直线上排列有多个的LED芯片2的方式载置一个柱面透镜19。另外，在图4所示的实施方式中，对与图1相同的结构赋予同样的标号并省略详细说明。此外，为了说明的方便，图4中仅示出了LED芯片、壳体、收纳部、密封剂以及透镜，省略了与图1相同的其他构成要素的图示。以下，对与图1所示的实施方式的不同点进行说明。

如图4所示，壳体17是有底矩形状的容器，在壳体17的收纳部17a内，多个LED芯片2沿柱面透镜19的圆柱轴BX排列。并且，如图4所示，柱面透镜19的光轴设定成在柱面透镜19的光轴面S中与圆柱轴BX正交的任意的直线。因而，在本实施方式中，各LED芯片2的光轴AX构成为与柱面透镜19的光轴大致一致。

柱面透镜19的与圆柱轴BX正交的截面朝两方凸出。因而，在将柱面透镜19载置于密封剂8上时，在柱面透镜19与密封剂8之间难以产生气泡，并且，即便假设在柱面透镜19与密封剂8之间产生气泡，也能够使气泡沿柱面透镜19的入射面19a移动至入射面19a的周缘部从而将气泡排出。因而，在将柱面透镜19载置于壳体17以及密封剂8时，能够高效地防止成为产生空隙的原因的气泡的产生。

并且，如图4所示，在柱面透镜19的载置完成后，即便在使密封剂8热硬化时产生气泡B’，气泡B’朝柱面透镜19侧上浮达到入射面19a，并沿入射面19a移动至入射面19a的周缘部。因而，空隙仅产生于柱面透镜19的入射面19a的周缘部。即，能够将由于空隙而导致的光量降低的影响限定在尽可能远离LED模块10的光强度分布中的峰值（即各LED芯片2的光轴AX）的范围。因此，能够极力抑制由于空隙而导致的LED模块10的光量降低。

在本实用新型的实施方式中，透镜9以及柱面透镜19分别以堵塞壳体7、17的开口的方式与壳体7、17的一端抵接而被载置于壳体7、17，但只要能够形成为利用透镜9以及柱面透镜19覆盖收纳部7a、17a内的密封剂8的状态即可，能够将透镜9以及柱面透镜19相对于壳体7、17在任意的相对位置处载置于密封剂8上。例如，图5的（a）是作为图1所示的实施方式的变形例，仅示出LED模块100的LED芯片2、壳体27、收纳部27a、密封剂8以及透镜29的图。如图5的（a）所示，在将透镜29载置于壳体27以及密封剂8时，沿LED芯片2的光轴AX方向观察LED模块100，透镜29并未覆盖收纳部27a的四角。

图5的（b）是沿着图5的（a）的A－A线的剖视图。在透镜29的载置完成后，即便在使密封剂8热硬化时产生气泡B’’，气泡B’’朝透镜29侧上浮而达到入射面29a，并沿入射面29a移动至29a的周缘部。进而，能够将气泡B’’从未被透镜29覆盖的密封剂8的露出部8a排出到LED模块100的外部。另外，即便无法将气泡B’’从露出部8a排出到LED模块100的外部，气泡B’’至少会沿入射面29a移动至29a的周缘部。因此，在本变形例中，也能够将由于气泡而导致的空隙的产生限定在透镜29的周缘部，即尽可能远离LED模块100的光强度分布中的峰值（LED芯片2的光轴AX）的范围。能够极力抑制由于空隙而导致的LED模块100的光量降低。

在图1所示的实施方式中，形成为在收纳部7a内设置一个LED芯片2的结构，但也可以形成为设置多个LED芯片2的结构。并且，也可以代替透镜9以及柱面透镜19而采用锥透镜（axicon lens）。此外，透镜形状也可以是非球面，出射面也可以是平透镜形状或凹透镜形状。

并且，在使密封剂热硬化时，如果在减压环境下进行聚合反应，则能够使在密封剂中产生的气泡更迅速地朝透镜的周缘部移动。此外，边使用超声波或振动装置等对密封剂施加振动边进行聚合反应的做法也能够使气泡易于朝透镜的周缘部移动。进而，在上述的说明中举出了使硅树脂热硬化的情况，但对于以光硬化性树脂等不进行热硬化的硅树脂作为密封剂使用的情况，边对密封剂进行加热而使其粘性下降边进行聚合反应的做法也能够提高气泡的移动速度。

并且，作为使得气泡易于朝周缘部移动的方法，能够举出如下方法：在密封剂的聚合完成之前的状态下向密封剂添加界面活性剂、或者通过对透镜的入射面实施涂覆等表面处理而提高密封剂相对于透镜表面的浸润性的方法等。因此，可以适当采用上述各种方法构成LED模块。

Claims

1.一种LED模块，其特征在于，具备：

通过被供给电流而射出光的LED芯片；

收纳所述LED芯片的壳体；

填充在所述壳体内以便对所述LED芯片进行密封的密封剂；以及

以覆盖所述密封剂的方式载置于所述壳体，且供从所述LED芯片射出的光透过的透镜，

所述透镜的供从所述LED芯片射出的光入射的入射面为凸面。

2.根据权利要求1所述的LED模块，其特征在于，

所述LED芯片以该LED芯片的光轴与所述透镜的光轴大致一致的方式被收纳于壳体。

3.根据权利要求1所述的LED模块，其特征在于，

所述透镜为柱面透镜。

4.根据权利要求2所述的LED模块，其特征在于，

所述透镜为柱面透镜。

5.根据权利要求3或4所述的LED模块，其特征在于，

所述LED芯片沿所述柱面透镜的圆柱轴配置多个。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的LED模块，其特征在于，

所述密封剂的折射率大于空气的折射率。

7.根据权利要求6所述的LED模块，其特征在于，

所述密封剂由硅树脂形成。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的LED模块，其特征在于，

所述透镜的折射率大于所述密封剂的折射率。

9.根据权利要求8所述的LED模块，其特征在于，

所述透镜由石英玻璃形成。

10.根据权利要求1～4中任一项所述的LED模块，其特征在于，

所述壳体的内壁面相对于所述透镜的光轴倾斜，以便将从所述LED芯片入射至该内壁面的光朝所述透镜反射。