TWI389339B - 發光二極體模組之安裝鏡片 - Google Patents

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Description

發光二極體模組之安裝鏡片
本發明一般係關於在基板上之發光二極體模組之安裝鏡片之領域，例如一印刷電路板(PCB)，而使得該鏡片將處於與該發光二極體模組之一發光二極體晶片相對之一已定義位置。
該等鏡片通常係用來實現一所定義的輻射場型及/或更小視角。該鏡片可與(例如)一反射器或一虹膜之其他光束成形元件結合使用。
當鏡片與該發光二極體晶片直接接觸(即沒有氣隙)時，必須將其視為一主要光學元件。此等類型之鏡片係稱為浸泡型鏡片，其中在從該晶片與該鏡片表面射出的光之間折射率不改變。若存在較小折射率改變，如從折射率1.4之聚矽氧與(例如)折射率1.49至1.65之玻璃，則該鏡片將仍用作如一浸泡型鏡片且基本上係主要光學元件。若一鏡片元件上之該折射率在進入前與退出後基本相同，則該鏡片係稱為一非浸泡型鏡片且可稱為次要光學元件。
另一方面，若存在一氣隙(或另一光學元件)，則在從該發光二極體晶片至作為主要光學元件的鏡片之光路中會存在折射率之一實質上的變化。
作為主要光學元件之鏡片常見於發光二極體模組之領域，且亦經常用作浸泡型鏡片。此類發光二極體模組常由一引線框架組成，其中該晶片通常係放置於一小反射器中 且該鏡片係藉由過模製該發光二極體晶片而定位。通常使用環氧樹脂作為該鏡片之一材料，其具有受限光穩定性及黃色劣化之缺陷，其特別係藍色及白色發光二極體之一問題。同樣可以使用玻璃及聚矽氧樹脂或聚矽氧橡膠以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)或其他適合之熱塑膠，只要其係透明的或在一些應用中係有色的且可形成為一鏡片之形式。
此類鏡片確實還有缺陷，由於光僅可重新引導至不超過一arcsin(1/nepoxy )的角度(在該環氧樹脂折射率為1.5之情況下，此角度約為40度)之事實，因此並不收集所有光。因此，對於(例如)10∘之小波束形狀，由於此限制(沒有使用基本上亦需要更大鏡片直徑以變得有效之額外光引導方法)僅可收集來自＋/－45∘的光。
對於具蘭伯特(Lambertian)輻射場型之一表面發射裝置，此意味著會將最大50%之發射光重新引導進所需角度範圍。由於發生在該限制角度之總折射，因此優質事實上較低，一般達到(例如)約25%，此係取決於晶片尺寸與鏡片尺寸。
在更高視角(如具一90∘視角之鏡片)必須對由於模製技術與脫模程序而產生之一第二限制予以考量，因為對於此類應用該等形狀必須經下部切割。此類經下部切割的形狀不能脫模因此很少使用。
以反射器為主的主要光學元件方法確實亦存在。雖然藉由該鏡片之側壁之一長拋物線形狀以及該等側壁之部分金 屬化而可達到很高效率，但已證明此類以反射器為主之發光二極體模組之制造很難。
亦可將折射與反射組合以獲得該發光二極體模組之一最大輸出，其中該光束之中心部分係折射而側發射係反射，從而允許幾乎100%之該光輸出從該發光二極體模組射出。但是，此類組合折射/反射發光二極體模組之設計與產品確實導致該發光二極體封裝之更大直徑且因此只在應用中提供足夠空間時應用。
發光二極體模組中光束成形之第三原理係使用一隔膜，其就優質而言效率低下，因為該發光二極體晶片發射之光大部分係盲目射出。
關於該焊接程序之熱塑性材料限制確實存在，而僅保護該鏡片免受該焊接所需溫度影響之方法係適合的。
術語"次要光學元件"已暗示另一光學元件已經在適當位置，其主要光學元件可以係(例如)該發光二極體晶片與該次要光學元件之間的一氣隙。次要光學元件已為人熟知，其係一內部折射光學元件與一外部反射(如基於全反射)光學元件之一組合。該效率基本上充足，因為除總發生在改變折射率之表面上的反射損失外，可將幾乎所有光引導進入所需角度範圍。此等已知零件通常係藉由一射出成型程序製造。因此，該些鏡片不能藉由過模製生產，而必須應用於一第二製造步驟中。
圖4顯示從JP 2006140281 A已知之一先前技術發光二極體模組。依據該文獻，一發光二極體晶片103係安裝於一 金屬桿102上，從該金屬桿抽出複數個由一導電材料形成之引線101。一玻璃鏡片107係藉由聚矽氧樹脂臨時固定於一鏡片支架106上，該鏡片支架106係在該金屬桿102上熔接並整合成包圍該發光二極體晶片103。其後，將具有半透明及可撓性之聚矽氧樹脂作為該密封樹脂10噴射進入一藉由該金屬桿102、鏡片支架106與玻璃鏡片107形成的空間，以樹脂密封該發光二極體晶片103與焊接導線104。
而且，該先前技術文獻JP 2006140281 A依賴於：一第一製造步驟，其係該發光二極體晶片熔接於該金屬桿102上；以及隨後一第二製作步驟，其係噴射聚矽氧樹脂以便安裝該鏡片支架106與該玻璃鏡片107。
鑒於先前技術文獻，本發明之目標係以輔助一次要光學元件鏡片之安裝。
依據本發明可藉由使用一回焊程序安裝該次要光學元件鏡片。吾等從該先前技術熟知，回焊係用於將一表面安裝組件附著至一電路板且通常由施加一焊膏、定位裝置以及在一輸送爐中回焊該焊料組成之一構件。在該回焊程序中粉末微粒與該焊膏融化，而將該等表面接合在一起且讓該焊料凝固以產生一堅固的冶金鍵。
(與此相反，波峰焊接時，將一定數量的已熔化焊料固持於一槽中且將該等組件插入PCB上之一位置，讓負載的PCB穿過一激昇焊料波峰或級聯。)
該目的係藉由申請專利範圍獨立項之特徵實現。申請專 利範圍附屬項進一步發展本發明之中心概念。
依據本發明之一第一方面，提議一種包含一發光二極體封裝之發光二極體模組，該發光二極體封裝僅發射至一半空間且包含一個或多個具一平面發射表面之二極體。該發光二極體封裝係安裝於一基板上，例如一電路板(PCB)。一金屬支架係以機械方式固持一鏡片(如由一玻璃或聚矽氧製成)，其中該金屬支架較佳的係藉由回焊而焊接於該基板上以使該鏡片針對由該發光二極體晶片發射的光而用作一次要光學元件。
該發光二極體晶片較佳的係作為一SMD封裝安裝且與該預裝配之支架/鏡片單元一起在一焊接步驟中焊接於該基板上。
該支架可以係設計成使其以一方式固持該鏡片，即該發光二極體晶片之光射出表面與該鏡片之底部面存在一氣隙。
該氣隙可以係(例如)0.1 mm至0.3 mm之等級。
該金屬支架可包含彈簧臂，其用於彈性接合該鏡片之外部表面。
該彈簧臂可接合在該鏡片的外部表面中提供之一周邊溝槽或凹陷。
該金屬支架可包含用於連接該等彈簧臂之一連接部分，其中該連接部分較佳的係至少部分提供於該鏡片的底部面與該基板之間。因此該支架亦用作(例如)用於定義該氣隙之一間隔物。
該鏡片可由一玻璃或一聚矽氧製成。
該金屬支架可以係焊接於在該基板上提供之複數個焊墊上。
該金屬支架可藉由夾固該鏡片來將其固持。
該鏡片可具有一半球或其一部分之形狀。
本發明還提議一種具有安裝於該基板(PCB等)上之一發光二極體晶片、在該金屬支架中之一鏡片(其係用於以機械方式將該鏡片作為一次要光學元件固持於該發光二極體晶片上)的發光二極體模組。該金屬支架可接合該鏡片之底部面之一部分，其底部面係指向該發光二極體晶片。
因此，該金屬支架可(例如)藉由彈性夾固該鏡片來將其固持。
本發明還提議一種用以在一發光二極體晶片上方安裝一鏡片作為一次要光學元件之方法，該方法包含在將一金屬支架作為一單元與一機械固持鏡片一起(回焊)焊接於該基板上之前，以機械方式在該金屬支架中固持該鏡片與於一基板上安裝該發光二極體晶片之步驟。
從圖1可看出，本發明提議使用一鏡片1，較佳的係由一玻璃或一聚矽氧製成為在一安裝於一基板(例如一PCB 5)上的發光二極體晶片3上方之一次要光學元件，並由此形成一發光二極體模組1。該發光二極體晶片3可在該基板表面頂部上或在一凹陷位置。該發光二極體晶片可以係安裝為板上晶片或較佳的係安裝為一SMD封裝。
依據本發明，該鏡片2係藉由焊接於該基板5上之一金屬支架4機械固持。因此該金屬支架4允許藉由不可焊接鏡片2之焊接來安裝。因此在一焊接(如回焊)步驟中將該發光二極體與該預裝配的支架/鏡片單元一起焊接。
製造期間，在一第一步驟中，該鏡片2與該支架8係一起安裝(如"剪切")且接著係放置於一捲盤中。依據本發明製造該發光二極體模組1，可使用一SMD拾取與放置機器，其中首先將第一焊膏印刷於該基板(電路板)5上，而接著係該SMD封裝(發光二極體晶片2)，以及若適用，則可以在將該鏡片與該支架4一起放置於包含該發光二極體晶片之SMD封裝上之前放置其他電子組件。最後，實施該回焊程序。
此允許藉由使用標準製造設備導致在一程序步驟中製造一高效率發光二極體模組1之一更簡易的生產程序。因此，鏡片2與金屬支架8之組成組成一"可焊接鏡片封裝"。所使用的材料(特別係關於該支架4)調適成一回焊程序。較佳的係使用玻璃作為該鏡片2材料，因其可承受一回流程序且此外不會隨藍光、白光甚或紫外光而劣化。
該金屬支架(其亦可視為一框架)4組成用於該鏡片2之一夾具並組成用於該回焊程序之一適應器。
從圖1可看出，該支架4係在焊接於該基板5上時定位成使該鏡片2之底部面7係藉由該發光二極體晶片3之光射出表面與該鏡片2之底部面7之間的一氣隙6而間隔。
該金屬支架8之一部分10係配置於該鏡片2之底部面7與 該基板表面5之間，以便假設定義該氣隙6的寬度之一間隔物功能。
此安裝具一非剛性固定之優勢，使得不同CTE(熱膨脹係數)不會影響該安裝可靠性，因為該金屬支架4將吸收在膨脹期間的差異，否則該等差異將導致該基板與該鏡片之間的應力。
從圖1還可看出，該金屬支架4較佳的係以一夾固方式接合該鏡片2。在所示之具體實施例中，可藉由彈簧臂8接合一周邊溝槽9(例如，具一開放矩形斷面)或一凹陷(參見圖3中的參考15)達到此點。
因此，將藉由該彈簧臂8、該周邊槽9或該凹陷與該鏡片2的底部面7之間的機械夾固來整合地安裝該鏡片/支架單元。
因此，與先前技術相反，無需額外固定(例如藉由一聚矽氧樹脂)以將該鏡片2與該支架4固持在一起，但是本發明亦涵蓋可添加此類額外固定。
從圖2可看出，該支架4較佳的係具有分別焊接於相關焊墊上(圖3中11)的複數個焊腳12。
鑒於使用複數個焊墊11來定位該鏡片/支架單元之事實，可實現一高度精確定位，而且在該回焊程序期間，該支架4之焊腳12將在相關焊墊11上自我居中。
從圖3可更好看出，該支架4之彈簧臂8的上端提供的閂鎖鼻狀物14可以接合該鏡片2之外部表面。此夾固接合可以藉由讓該鏡片2外部表面具有一周邊溝槽9(參見圖1)或一 階梯形(凹陷)部分15來改善。保證該支架4夾固該鏡片2之至少一部分之任何其他配置係可行的。
在圖3所示範例中，該鏡片2係由一本質上係圓柱形的基底主體18組成，在該基底主體18之頂部上提供一半球形部分13。
該圓柱形部分18之底部面7係平坦的。
該發光二極體晶片3較佳的係安裝於該基板(電路板)5上的SMD，且可由一具傾斜壁之反射器16包圍。
該反射器16與該發光二極體晶片3之間可填充一透明材料17，其可包含(例如)色彩轉換物質(磷光體等)及/或散射顆粒。
因此，從該發光二極體晶片3之頂部表面發射之光將於該鏡片2之平坦底部7進入該鏡片2之前穿過該氣隙6。當在該鏡片2之平坦底部7進入該鏡片2時，光線角度將朝垂直線折射，因此使得可達到該發光二極體模組1之一更窄發射光束角度。
較佳的係，如圖3所示該等焊墊11可具有一0.01 mm至0.5 mm之間的厚度。
在該焊料融化具有一表面張力時，可實現該支架4之腳12的自我居中，作為一自然法則，搜尋出該表面張力係在每一焊料表面(焊料腳12)相對於該焊墊11之對稱調整中最經常給定的最小能量之狀態。
1‧‧‧發光二極體模組
2‧‧‧鏡片
3‧‧‧發光二極體晶片
3b‧‧‧發光二極體封裝(在一塗布外罩中之發光二極體晶片)
4‧‧‧支架
5‧‧‧基板
6‧‧‧氣隙
7‧‧‧鏡片之底部面
8‧‧‧彈簧臂
9‧‧‧鏡片中的周邊槽
10‧‧‧支架連接彈簧臂之部分
11‧‧‧基板上的焊墊
12‧‧‧支架之焊腳
13‧‧‧鏡片之半球外形
14‧‧‧支架之彈簧臂之夾固(閂鎖)鼻狀物
15‧‧‧鏡片之凹陷部分
16‧‧‧反射器
17‧‧‧透明塗層，例如包含顏色轉換物質
18‧‧‧鏡片之圓柱形下部部分
熟習此項技術者閱讀較佳具體實施例之所附詳細說明， 並結合該等附圖，將明白本發明之其他特徵、優點及目的。
圖1顯示依據本發明之一發光二極體模組之一側視圖。
圖2顯示一透視圖，圖3顯示依據本發明之一發光二極體模組之一斷面圖，以及圖4顯示從先前技術JP 2006140281 A已知之一發光二極體模組。
1‧‧‧發光二極體模組
2‧‧‧鏡片
3‧‧‧發光二極體晶片
4‧‧‧金屬支架
5‧‧‧基板
6‧‧‧氣隙
7‧‧‧鏡片之底部面
8‧‧‧金屬支架
9‧‧‧周邊槽
10‧‧‧金屬支架之一部分
13‧‧‧半球形部分

Claims (17)

  1. 一種發光二極體模組，其包含：- 一發光二極體晶片或一發光二極體封裝，其係安裝於一基板上，- 一鏡片(lens)，以及- 一機械式金屬支架焊接於該基板上，其中該支架包含用以彈性接合該鏡片的彈簧臂，及該機械式金屬支架係設計以作為一間隔物，其用於定義在該發光二極體晶片的光射出表面及該鏡片的底部表面之間的一氣隙。
  2. 如請求項1之發光二極體模組，其中該發光二極體封裝係焊接於該基板上。
  3. 如請求項1之發光二極體模組，其中該發光二極體封裝與具有該鏡片的該支架係在一單一程序步驟中焊接。
  4. 如請求項1之發光二極體模組，其中該發光二極體封裝以及具有該鏡片的該支架係與一拾取與放置自動裝置一起裝配，而接著在一單一程序步驟中焊接。
  5. 如請求項1之發光二極體模組，其中該氣隙係約0.1至約0.3 mm。
  6. 如請求項1之發光二極體模組，其中該彈簧臂接合在該鏡片中所提供之一周邊溝槽或一凹陷。
  7. 如請求項1之發光二極體模組，其中該金屬支架包含用以連接該等彈簧臂之一連接部分，該連接部分係至少部分提供於該鏡片的該底部面與該 基板之間。
  8. 如請求項1之發光二極體模組，其中該鏡片係由玻璃或聚矽氧製成。
  9. 如請求項1之發光二極體模組，其中該金屬支架係焊接於在該基板上提供之複數個焊墊上。
  10. 如請求項1之發光二極體模組，其中該金屬支架藉由夾固該鏡片來固持該鏡片。
  11. 如請求項1之發光二極體模組，其中該鏡片具有一半球或其一部分之形狀。
  12. 一種發光二極體模組，其包含：- 一發光二極體晶片或一發光二極體封裝，其係安裝於一基板上，-一鏡片，以及-一機械式金屬支架焊接於該基板上，其中該支架包含用以彈性接合該鏡片的彈簧臂，及該機械式金屬支架係設計以作為一間隔物，其用於定義在該發光二極體晶片的光射出表面及該鏡片的底部表面之間的一氣隙。
  13. 如請求項12之發光二極體模組，其中該金屬支架藉由夾固該鏡片來固持該鏡片。
  14. 如請求項12之發光二極體模組，其中該發光二極體晶片係安裝為一表面安裝裝置(SMD)封裝。
  15. 如請求項12之發光二極體模組，其中該金屬支架藉由彈 性地夾固該鏡片來固持該鏡片。
  16. 一種用以於一發光二極體封裝上安裝一鏡片之方法，其包含以下步驟：- 在一金屬支架/鏡片單元中機械式地固持該鏡片，其中該支架包含彈簧臂，及該支架藉由該彈簧臂彈性地接合該鏡片，- 於一基板上置放該發光二極體封裝，以及- 將該發光二極體封裝與預裝配的該支架/鏡片單元在一個焊接程序步驟中一起焊接於該基板上。
  17. 如請求項16之方法，進一步包含將發光二極體晶片與該預裝配的支架/鏡片單元一起在一單一焊接步驟中焊接。
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