TWI434429B - 有效發光之發光二極體封裝及有效發光方法 - Google Patents

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Description

有效發光之發光二極體封裝及有效發光方法
本發明係關於發光二極體，且更明確地說，係關於一種發光二極體裝置及用於自波長降頻變換材料有效地產生光之方法。
發光二極體(LED)為將電能變換為光之固態設備，且通常包含一夾於兩個相對摻雜之半導體材料層之間的半導體材料活性區域。當在摻雜層上施加偏壓時，將電洞及電子注入至其重新組合以產生光處之活性區域內。自活性層及自LED之所有表面發光。LED之最近的進展(諸如，基於氮化物之LED)已導致了高效光源，該等光源超越了基於長絲之光源的效率，同時提供相對於其輸入功率具有相等或較大之亮度的光。
用於照明應用之習知LED之一缺點在於：其不能自其活性層產生白光。用以自習知LED產生白光之一方式係組合來自不同LED之不同色彩。舉例而言，可藉由組合來自紅光、綠光及藍光LED之光或組合來自藍光及黃光LED之光來產生白光。此方法之一缺點在於：其需要使用多個LED來產生光之單一色彩，從而增加了總成本及複雜性。光之不同色彩亦通常自不同類型之LED得以產生，且在一設備上組合不同LED類型可能需要複雜的製造且可能需要不同的控制電壓。由於每一設備可能具有不同的電需求且在變化之操作條件下(例如，隨著溫度、電流或時間)可能不同地工作，所以此等類型之發射器的製造複雜且成本高。
組件LED之光譜發射線通常狹窄(例如，10－30 nm FWHM)，且存在難以獲得高效率LED之波長範圍(例如，大約550 nm)。結果，可能難以達成具有低成本及高良率之高功效及高演色指數。此在光譜需求需要高效率綠光LED時可能尤其有問題，因為此等LED僅已被實現於(In、Ga、Al)N系統中，且通常經受低效率及隨著操作條件(諸如，驅動電流及溫度)之波長及發射變化。雖然僅可使用在互補色彩(例如，藍色、黃色)下發射之兩個LED來實現較簡化之白燈，但在此等燈中極度難以達成高演色係數。
來自單一發藍光LED之光亦已藉由以黃色磷光體、聚合物或染料來包圍LED晶片而被變換為白光，其中典型的磷光體為Ce：YAG。[見Nichia Corp.之白光LED，零件號為NSPW300BS、NSPW312BS，等等；亦見Lowrey之美國專利第5959316號"Multiple Encapsulation of Phosphor－LED Devices"]。周圍材料"降頻變換" LED光中之至少一些的波長，從而改變其色彩。舉例而言，若基於氮化物之發藍光LED由黃色磷光體包圍，則一些藍光將穿過該磷光體而不被改變，而剩餘光將被降頻變換至黃色。該LED將發射藍光及黃光，其組合以提供白光。
用於以磷光體層來塗佈LED之一習知方法利用一注射器或噴嘴以用於將含有環氧樹脂之磷光體注射於LED上。用於塗佈LED之另一習知方法為藉由模板印刷，其描述於Lowery之歐洲專利申請案EP 1198016 A2中。以鄰近LED之間的一所要距離而將多個發光半導體設備配置於一基板上。提供具有與LED對準之開口的模板，其中孔洞稍大於LED且模板厚於LED。將一模板定位於基板上，其中每一LED位於該模板中之各別開口中。接著將一組合物沈積於模板開口中，其覆蓋LED，其中在可藉由熱或光加以固化之聚矽氧聚合物中，典型的組合物為磷光體。在填充孔洞之後，自基板移除模板，且使模板組合物固化至固態。
以磷光體來塗佈LED之另一習知方法利用電泳沈積。使變換材料粒子懸浮於基於電解質之溶液中。將複數個LED配置於一導電基板上，接著將該導電基板幾乎完全浸沒於電解質溶液中。在未浸沒於溶液中之一位置處，將來自電源之一電極耦合至導電基板，且將另一電極配置於電解質溶液中。將來自電源之偏壓施加於該等電極上，此使電流穿過溶液至基板及其LED。此產生一電場，其使變換材料被吸至LED，從而以該變換材料來覆蓋該等LED。
在此等習知LED封裝中，磷光體變換元件緊緊地靠近於LED晶片，且歸因於磷光體之散射及朗伯(Lambertian)發射特徵，大部分光被發射回至LED封裝及LED晶片中。在透射穿過磷光體層後，光子即亦可經歷多個散射事件。由磷光體層所散射或發射且經朝向LED晶片導引之光經受晶片之光提取限制。LED晶片光提取效率通常小於一，從而導致進一步的光子損失。經散射回至封裝中之光可被反射回，但封裝材料之反射率通常僅為70－90%。散射及回發射增加了封裝內所發射之光之路徑長度且因此增加了經歷損失之可能性。
簡言之且一般而言，本發明係針對用於發光之發射器封裝及方法，且尤其係針對LED封裝及自LED封裝發光之方法。根據本發明之發射器封裝之一實施例包含一發光之初級發射器及遠離於該初級發射器的能夠變換該發射器光之波長之變換材料。該封裝進一步包含一朝向該變換材料反射該發射器光中之至少一些的反射器，該經反射之光中之至少一些之波長由該變換材料變換。
根據本發明之LED封裝之一實施例包含一用於發射LED光之LED，及一遠離於該LED之用於降頻變換LED光之波長的變換材料。該封裝進一步包含一朝向該變換材料反射該LED光中之至少一些的反射器，該經反射之LED光中之至少一些之波長由該變換材料降頻變換。
根據本發明的用於發光之方法之一實施例包含自一初級發射器發射初級光，及反射該初級光中之至少一些。該方法進一步包含變換至少一些該經反射之初級光。發射經變換之初級光，或經變換之初級光與初級光之一波長組合。
根據本發明的用於自一LED封裝發光之方法之一實施例包含提供一LED、反射器及變換材料，及自該LED發光，該光中之至少一些經朝向該反射器發射。該方法進一步包含朝向變換材料反射LED光中之至少一些，及在變換材料處變換該經反射之LED光中之至少一些。該經變換的經反射之LED光中之至少一些由LED封裝發射。
自以下詳細描述及以實例來說明本發明之特徵的隨附圖式，本發明之此等及其他態樣及優點將變得顯而易見。
本發明提供一種有效LED封裝及用於自一LED封裝有效發光之方法。根據本發明之裝置及方法遠離於LED而配置一反射性變換材料。此方法允許使用相對較薄且密集之磷光體材料層來將LED光降頻變換為另一波長。此減小了變換器材料內光之路徑長度，且改良了LED封裝效率。LED封裝發射之色彩由反射性變換器膜(其可包含色彩變換材料及中性高反射率材料)或可能與黏合劑(諸如，環氧樹脂或聚矽氧)結合之均一塗佈的高反射性(例如，銀或鋁鏡)表面上之薄磷光體層之組合物控制。本發明之不同實施例併有一光學配置，其中來自變換材料之光經朝向使用者反射且未經朝向封裝反射回。
根據本發明之LED封裝允許由LED朝向磷光體所發射之光子不朝向燈內之低反射率的低光提取元件顯著地背向散射光。因此對於所有光子而使散射及吸收事件最小化，且隨著少量通過而發生來自LED封裝之光提取。藉由使變換材料遠離於LED，變換材料保持較涼，從而進一步改良燈效率。對於根據本發明之LED封裝，亦可預製造變換材料，此使該等封裝可再生。
為了達成此等結果，根據本發明之LED封裝通常包含一初級發射器(諸如，LED)、一反射器及一遠離於該LED且具有一光變換材料之反射性變換器。該反射器經定位成使得大體上所有LED光自反射器反射至變換材料，在該變換材料處，該光中之至少一些的波長被降頻變換。此經降頻變換之光及任何剩餘LED光自變換材料透射。反射性變換器可進一步包含反射性材料或反射元件，其在所要方向上反射經降頻變換之光及任何LED光。
應理解，當一元件或層被稱為在另一元件或層"上"、"連接至"、"耦合至"另一元件或層或與另一元件或層"接觸"時，其可直接在另一元件或層上、連接或耦合至另一元件或層或與另一元件或層接觸，或可存在插入元件或層。相反地，當一元件被稱為"直接"在另一元件或層"上"、"直接連接至"、"直接耦合至"另一元件或層或"直接與"另一元件或層"接觸"時，不存在插入元件或層。同樣地，當一第一元件或層被稱為與一第二元件或層"電接觸"或"電耦合至"一第二元件或層時，在該第一元件或層與該第二元件或層之間存在一准許電流之電路徑。該電路徑可包括電容器、耦合電感器及/或准許電流之其他元件(甚至無導電元件之間的直接接觸)。
應理解，雖然術語第一、第二等等在本文中可用以描述各種元件、組件、區域、層及/或部分，但此等元件、組件、區域、層及/或部分不應受到此等術語之限制。此等術語僅用以將一元件、組件、區域、層或部分與另一區域、層或部分區別開。
圖1展示根據本發明之LED封裝10之一實施例，其包含一使用已知結合方法而安裝至一子基板14之半導體發光二極體(LED)12。雖然本文中參考半導體LED而描述了本發明，但可使用許多不同發射器。如本文中所使用，術語半導體LED可包括一或多個LED、雷射二極體及/或其他半導體設備，半導體設備包括一或多個半導體層(其可包括矽、碳化矽、氮化鎵及/或其他半導體材料)、一基板(其可包括藍寶石、矽、碳化矽及/或其他微電子基板)，及一或多個接觸層(其可包括金屬及/或其他導電層)。半導體發光設備可為基於氮化鎵之LED或在碳化矽基板上所製造之雷射器，諸如，由North Carolina之Durham之Cree,Inc.製造及出售之彼等設備，但亦可使用來自其他材料系統之其他發光設備。
習知LED之操作及製造之細節在此項技術中通常係已知的，且僅簡要地加以論述。藉由已知方法，可自許多材料系統來製造習知LED，其中合適的方法為藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)之製造。LED通常具有一夾於經p型或n型摻雜之兩個相對摻雜之層之間的活性區域。LED之頂層通常為p型且底層通常為n型，但若倒轉該等層，LED亦工作。p型及n型層具有各別接觸點，每一者具有一導線以將一偏壓施加於p型及n型層上。此偏壓導致活性層自LED之所有表面發光。
為了機械穩定性，可使用已知安裝方法而將LED 12安裝至子基板14。子基板14可包含用於控制被施加至LED 12之相對量的電流或功率或用以另外修改被施加至LED 12之電信號的電路。子基板14亦可含有使燈抵抗靜電衝擊之組件及電路。
LED封裝10進一步包含一安裝於LED 12上之反射器16，其可由任一反射性材料(諸如，金屬)製成，或可由一具有覆蓋有反射性材料層(諸如，銀或鋁)之一或多個表面的材料製成。反射器16通常為碟形且具有一面向LED 12之底表面18。底表面18在中心具有雙曲線錐形20，其中彎曲的表面朝向反射器16之邊緣。然而，應理解，反射器可具有許多不同形狀及大小，且反射器表面可具有許多不同形狀以在不同方向上反射光。反射器16經配置於LED 12上，其中底表面18面向LED 12，錐形20處於LED 12上，且在一較佳實施例中，大約處於LED 12之中心上以反射大體上所有初級LED光。
LED封裝10亦具有一反射性變換器22，其至少部分地在LED及子基板14周圍而經配置成遠離於LED。在較佳實施例中，反射性變換器處於所有LED及子基板周圍，且如圖所示，經安裝至子基板14。應理解，可以許多不同方式及在許多不同位置處將反射性變換器22安裝至LED封裝。舉例而言，在一實施例中，可在反射性變換器與LED封裝之間具有一空間的情況下及以不同角度來安裝反射性變換器。
在LED封裝10中，反射性變換器22通常包含一安裝於一反射元件26上之變換材料24。可使用許多不同方法而將變換材料24安裝至反射元件26，諸如，藉由在黏合劑中提供變換材料薄片，其中該薄片可切割以允許將部分附著於反射元件26上。在其他實施例中，可使用電泳沈積或絲網印刷而使變換材料24形成於反射元件26上，且接著藉由黏合劑(諸如，環氧樹脂)而使其固持於適當位置。其他方法包括在反射元件26上過度模塑磷光體變換材料。
在其他實施例中，反射性變換器22可包含變換材料24，其中混合有中性高反射率材料，其對反射性變換器給出其反射特性。可使用許多不同的中性高反射率材料，諸如，二氧化鈦或硫酸鋇。可單獨使用高反射性材料或可與反射元件26組合地使用高反射性材料以對反射性變換器22給出其最佳反射特性。
反射器16、LED 12及反射性變換器22合作，使得來自LED 12之光中的至少一些(且較佳地，大多數)自反射器底表面18朝向反射性變換器22反射。舉例而言，沿著路徑28之光自LED 12朝向反射器16發射，且朝向反射性變換器22反射。變換材料24吸收光，且再發射較低頻譜(經降頻變換)中之光，其中光以朗伯發射圖案發射。經降頻變換之光自反射性變換器22朝向使用者向前發射。反射器及變換器幾何形狀經較佳地設計成使得大多數來自反射性變換器之光自燈朝向使用者被提取。
反射器16可朝向反射性變換器22反射大多數光，且反射性變換器22可具有變換材料24之厚度或濃度，使得一些經反射之光由變換材料24降頻變換，且一些光穿過變換材料24且由反射元件26反射回。經反射之光中之至少一些亦回向穿過變換材料而未經降頻變換，使得一些LED光得以反射且自反射性變換器發射。在此實施例中，經降頻變換之光及LED光自反射性變換器回向發射，其中LED封裝10發射經降頻變換之光與LED光之波長組合。
在其他實施例中，反射性變換器22可具有變換材料之厚度或濃度，使得大體上所有經反射之光由變換材料24降頻變換。在此實施例中，自反射性變換器22發射回的光初級處於經降頻變換之波長光譜中。反射器16可經定大小及定位以朝向反射性變換器22反射來自LED 12之大體上所有光，使得來自LED封裝之大體上所有光自反射性變換器發射。在其他實施例中，反射器16可經定大小，使得其將來自LED 12之一部分光反射至反射性變換器22，其中剩餘的LED光繞過反射器16且自LED封裝發射。在此實施例中，LED 12、反射器16及反射性變換器22可經定大小及配置，使得初級LED光與經反射或經變換之光之所要混合自燈封裝發射。
許多不同的變換材料可用於根據本發明之LED封裝中。較佳的變換材料包含一或多個磷光體，且下列為可單獨或組合地用作變換材料之一些磷光體的清單，其按每一者發射下列激發之經再發射之色彩來分組。
紅色 Y2 O2 S：Eu3＋ ,Bi3＋ YVO4：Eu3＋ ,Bi3＋ SrS：Eu2＋ SrY2 S4 ：Eu2＋ CaLa2 S4 ：Ce3＋ (Ca,Sr)S：Eu2＋ Y2 O3 ：Eu3＋ ,Bi3＋ Lu2 O3 ：Eu3＋ (Sr2－x Lax )(Ce1－x Eux )O4 Sr2 Ce1－x Eux O4 Sr2－x Eux CeO4 Sr2 CeO4 SrTiO3 ：Pr3＋ ,Ga3＋ 橘黃色 SrSiO3 ：Eu,Bi黃色/綠色 Y3 Al5 O12 ：Ce3＋ YBO3 ：Ce3＋ ,Tb3＋ BaMgAl10 O17 ：Eu2＋ ,Mn2＋ (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2 S4 ：Eu2＋ ZnS：Cu＋ ,Al3＋ LaPO4 ：Ce,Tb Ca8 Mg(SiO4 )4 Cl2 ：Eu2＋ ,Mn2＋ ((Gd,Y,Lu,Se,La,Sm)3 {Al,Ga,In)5 O12 ：Ce3＋ ((Gd,Y)1－x Smx )3 (Al1－y Gay )5 O12 ：Ce3＋ (Y1－p－q－r Gdp Ceq Smr )3 (Al1－y Gay )5 O12 Y3 (Al1－s Gas )5 O12 ：Ce3＋ (Y,Ga,La)3 Al5 O12 ：Ce3＋ Gd3 In5 O12 ：Ce3＋ (Gd,Y)3 Al5 O12 ：Ce3＋ ,Pr3＋ Ba2 (Mg,Zn)Si2 O7 ：Eu2＋ (Y,Ca,Sr)3 (Al,Ga,Si)5 (O,S)12 Gd0.46 Sr0.31 Al1.23 Ox F1.38 ：Eu2＋ 0.06 (Ba1－x－y Srx Cay )SiO4 ：Eu Ba2 SiO4 ：Eu2＋ 藍色 ZnS：Ag,Al組合黃色/紅色Y3 Al5 O12 ：Ce3＋ ,Pr3＋ 白色 SrS：Eu2＋ ,Ce3＋ ,K＋
自以上清單，下列磷光體對於用作基於特定所需特徵之變換材料而言為較佳的。每一者在藍色及/或UV波長光譜中被激發、提供所需的峰值發射、具有有效的光變換，且具有可接受的斯托克位移(Stokes shift)。
紅色 Lu2 O3 ：Eu3＋ (Sr2－x Lax )(Ce1－x Eux )O4 Sr2 Ce1－x Eux O4 Sr2－x Eux CeO4 SrTiO3 ：Pr3＋ ,Ga3＋ 黃色/綠色 Y3 Al5 O12 ：Ce3＋ (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2 S4 ：Eu2＋ Ba2 (Mg,Zn)Si2 O7 ：Eu2＋ Gd0.46 Sr0.31 Al1.23 Ox F1.38 ：Eu2＋ 0.06 (Ba1－x－y Srx Cay )SiO4 ：Eu Ba2 SiO4 ：Eu2＋
為了進一步改良來自所覆蓋之LED之光發射的均一性，變換材料24亦可包括散射粒子以在光穿過時將其隨機地折射。為了有效地散射光，散射粒子之直徑應大約為經散射之光之波長的一半。來自LED之光穿過粒子且經折射以混合且擴展光。較佳的散射粒子大體上不吸收LED光且具有與其所嵌入至的材料(例如，環氧樹脂)大體上不同的折射率。在一實施例中，散射粒子應具有比其所嵌入至的材料高的折射率。合適的散射粒子可由具有高折射率(n＝2.6至2.9)之二氧化鈦(TiO2 )製成。具有小空隙或微孔之諸如多孔二氧化矽之其他材料亦可用作來散射光。
如上文所提及，LED可在根據本發明之LED封裝中發射不同波長光譜中之光。在一實施例中，LED 12可發射藍色波長光譜中之光，且變換材料24可含有降頻變換藍光且再發射黃光之磷光體。LED封裝10可接著發射藍光與黃光之白光組合。在其他實施例中，變換材料可吸收所有藍色LED光且發射單色黃光。若使用不同類型之磷光體，則封裝10可再發射不同的單色光，諸如，綠色。在另一實施例中，LED可在UV波長光譜中發射，且變換材料可含有降頻變換UV光且發射可組合為白光或光之其他波長的光之不同波長之不同磷光體。
在使用不同磷光體之實施例中，可在整個變換材料中均勻地混合磷光體，或變換材料可具有特定磷光體之濃度可較大處之不同區域。在其他實施例中，可將變換材料分為具有不同磷光體中之一者的區域。應理解，自LED 12至來自燈之提取點的光路之至少一些區段可包括密封材料，如環氧樹脂或聚矽氧。可對其連續地或以透鏡或薄膜之形式加以配置。
圖2展示根據本發明之LED封裝40之另一實施例，其具有一安裝至子基板44之LED 42，此兩者皆類似於圖1所示且上文所描述之LED 12及子基板14。該LED封裝亦包含一安裝於LED 42上之反射器46，其中該反射器由一反射性材料製成且經配置以反射來自該LED之光，如上文所述。LED封裝進一步包含一反射性變換器52，其具有一類似於圖1所示且上文所描述之變換材料24的變換材料54。變換材料54可包含許多不同材料，包括以上所列出之磷光體中之一或多個。變換材料54亦可包含如上文所述之中性反射元件或散射粒子。反射性變換器52亦可具有反射元件56，尤其在不具有中性反射元件之彼等實施例中。反射性變換器52形成於LED 52、子基板44與反射器46之組合周圍的杯形物中。
LED封裝40以與圖1中之LED封裝10非常相同之方式而操作，其中來自LED 42之光自反射器46反射至反射性變換器52。在不同實施例中，所有或一些光可由變換材料吸收且在經降頻變換之頻譜下再發射。在吸收一些光之實施例中，LED封裝40發射自反射元件56所反射之LED光與經降頻變換之光的波長組合。在變換材料吸收所有LED光且反射器46反射大體上所有LED光之彼等實施例中，LED封裝40僅發射經降頻變換之光。在吸收所有經反射之光、但反射器46並非反射所有LED光之實施例中，LED封裝40發射經降頻變換之光與繞過反射器46的未經反射之LED光之波長組合。
反射性變換器52之形狀在反射性變換器52中之開口外提供較有向的光束。其設計與反射器46之形狀一起可允許捕獲由反射器46反射至反射性變換器52上之基本上所有光。不同的形狀可用於反射性變換器52，諸如，具有開口之半球形或盒形，其中LED 42配置於半球或盒之基底處。
應理解，根據本發明之LED封裝可具有一個以上LED及一個以上反射器。圖3展示根據本發明之LED封裝70之另一實施例，其具有安裝至子基板76之第一及第二LED 72、74，此兩者皆類似於上文所描述之LED及子基板。LED封裝70進一步包含第一及第二反射器78、80，其中第一反射器配置於第一LED 72上，且第二反射器80配置於第二LED 74上。在其他實施例中，可將單一反射器配置於LED 72、74上。
LED封裝70進一步包含一反射性變換器82，其包含變換器材料84及反射元件86，此兩者皆類似於上文之變換器材料及反射元件，且此兩者皆可包含相同材料。反射性變換器82不平坦，而相反具有一有角度部分以對自封裝70所發射之光提供某一定向性。
在操作中，來自LED 72、74之光自反射器78、80反射至反射性變換器82。光可由變換材料84全部或部分地吸收且可經降頻變換。當經部分地降頻變換時，LED封裝70發射來自變換材料84與LED 72、74之光的組合。當光經全部吸收時，視反射器78、80是否反射所有或一些光(如上文所述)而定，LED封裝10可僅發射來自變換材料84或來自變換材料84及LED 72、74之光。此實施例提供兩個LED與來自變換材料84之發射的組合發射。
圖4展示根據本發明之LED封裝100之另一實施例，其具有額外特徵以輔助光束成形。LED封裝100包含一安裝至子基板104之LED 102，但封裝100可具有一個以上LED。杯形物106安裝至子基板104，較佳地，在LED 102周圍。在LED 102上，半球形透鏡108安裝至杯形物106。空間110保持於LED 102與透鏡108之底部之間，該空間110填充有一透明或透光材料，諸如，透明的環氧樹脂或聚矽氧。反射器112配置於LED 102上，其中透鏡經配置以將大體上所有LED光聚焦於反射器112上。可使用許多不同安裝裝置而將反射器112安裝於LED 102上，或可使反射器112附著至光學元件118。
LED封裝進一步包含一安裝於光學元件118之下表面上的反射性變換器116。反射性變換器116包含一變換材料120，其可為上述材料中之任何一或多個。為了使變換材料120具反射性，在一實施例中，其可包含中性反射元件，或如圖4所示，可在變換材料120後部包括反射元件122。在封裝100中，變換材料不延伸來覆蓋光學元件118之內表面，但在其他實施例中，其可比圖示延伸得遠或少。在變換材料不覆蓋內表面之一些實施例中，反射元件122可繼續穿過變換材料120結束之處。光學元件118具有一光束聚焦特徵124以成形自封裝100發射之光。
封裝100以與上述實施例非常相同之方式而操作，其中來自LED 102之光自反射器112反射至反射性變換器。所有或一些LED光經降頻變換，且如上文所述，LED封裝100之不同實施例可僅發射經降頻變換之光或經降頻變換之光與LED光之波長組合。
圖5展示根據本發明之LED封裝130之另一實施例，其具有許多類似於上文所描述且圖4所示的LED封裝100之特徵，且以類似方式而操作。封裝包含一安裝至子基板134之LED 132，其中在LED 132周圍，一杯形物136在子基板134上。反射器138安裝於LED 132上。LED封裝130進一步包含一光學元件142，其具有一反射性變換器144。
杯形物136為允許在無透鏡之情況下配置封裝130之反射元件。可較靠近於LED 132來安裝反射器138，且反射性變換器144可較靠近於反射器138，因此允許基本上所有LED光朝向反射性變換器144反射。LED 132與反射器138之間的空間至少部分地填充有如環氧樹脂或聚矽氧之密封材料。光學元件142具有類似於圖4中之光束聚焦特徵124的光束聚焦特徵146。
根據本發明，可以許多不同方式來配置LED及反射器。圖6及圖7展示根據本發明之LED封裝160之另一實施例，其中使LED在一反射性變換器上反相。封裝160包括一類似於圖4中之LED 102的LED 162，其中LED 162安裝至子基板164。杯形物166在LED 162周圍安裝至子基板164，且在LED 162上，一可選透鏡168安裝至杯形物166。透鏡168聚焦或成形來自LED 162之光。
LED封裝160進一步包含一反射性變換器170，如圖示，其為半球形。在其他實施例中，反射性變換器170可具有不同的形狀，諸如，平面形或盒形，且可具有平面表面與彎曲表面之任何組合。反射性變換器170進一步包含一變換器材料172，其可含有上述磷光體、中性反射性材料及散射粒子中之一或多個。反射性變換器亦可包含一反射元件174以反射經降頻變換之光及/或LED光。
使LED 162在反射性變換器170上反相，其中朝向反射性變換器170導引LED光。可使用許多不同方法及裝置而將LED 162安裝於適當位置，其中一合適的方法為懸浮元件176橫跨於子基板164與反射性變換器170之間。較佳地，使LED與反射性變換器170之縱向軸線對準。可將懸浮元件176用作熱導體以使熱遠離於子基板164及LED 162，懸浮元件176可併有熱管理元件及用以對LED供電之電元件。類似地，反射性變換器亦可具有熱管理元件。在此實施例中，基本上所有LED光朝向反射性變換器170導引，且結果，消除了對初級反射器(如圖4中之反射器46)之需要。
在操作中，朝向反射性變換器170導引來自LED 162之光，在反射性變換器170處，一些或所有LED光經降頻變換。在所有LED光經降頻變換之彼等實施例中，經降頻變換之光在LED 162之方向上回向反射，其中LED封裝160發射經降頻變換之光。在一些光經降頻變換之實施例中，經降頻變換之光及LED光在LED 162之方向上回向反射，其中LED封裝160發射經降頻變換之光與LED光之波長組合。
亦可將上述LED封裝配置於具有多個LED及/或LED封裝之設備中。圖8展示根據本發明之多個LED封裝190之一實施例，其包含一安裝有多個LED 194之電路板192。可以許多不同方式而將LED 194安裝至電路板192，但較佳安裝至子基板196，該子基板196又安裝至電路板192。電路板192較佳地具有導電跡線，其允許將一信號施加至電路板192，且將該信號傳導至LED 194，從而使該等LED 194發光。
多個反射性變換器198亦安裝至電路板，其中每一反射性變換器198處於鄰近LED之間。每一反射性變換器198可包含如上文所述之變換材料及反射元件。封裝190進一步包含多個反射器200，其中每一者經配置於一LED 194上以將LED光反射至反射性變換器198。封裝190亦可包含一安裝於電路板192上之漫射體/透鏡元件202。
在操作中，將一信號施加至電路板192，從而使LED 194發光。來自LED 194之光自反射器200朝向反射性變換器198反射，在反射性變換器198處，所有或一些光經降頻變換。經降頻變換之光(及LED光)在經反射性變換之處反射至漫射體/透鏡元件，在其處，在漫射體之情況下經漫射，或在透鏡之情況下經聚焦。
應理解，可以許多不同方式來配置封裝190，其具有不同數目之LED及反射性變換器。亦應理解，根據本發明，反射器及反射性變換器可具有許多不同的形狀及大小。封裝190允許一起使用多個LED以形成不同形狀之光源，諸如，細長、圓形，等等。
應理解，可使用此項技術中已知之不同方法來製造上述LED封裝。因此，本文中僅已簡要地論述製造方法之細節。
圖9展示根據本發明之用於有效發光之方法220的一實施例，且雖然按一特定次序展示了方法之特定步驟，但應理解，根據本發明之其他方法可具有按不同次序之不同步驟。在222中，首先自初級發射器發光，且在224中，朝向一波長變換器導引所發射之光，諸如，藉由一反射器。光經較佳地導引(反射)，使得其大部分未朝向初級發射器回向反射。在226中，將初級光中之至少一些的波長在經定位成遠離於初級發射器之波長變換器中變換。在228中，自波長變換器發光，其包含至少所有經降頻變換之光，或為經降頻變換之光與初級發射器光之波長組合。
圖10展示根據本發明之用於有效發光之方法240之另一實施例。在242中，提供一LED、反射器及變換材料，其中該變換材料較佳地遠離於該LED。在一些實施例中，變換材料可遠離於LED，如上文所述及圖1至圖7所示。在244中，自LED發光。在246中，朝向變換材料導引來自LED之光中的至少一些，其中大多數光未朝向LED回向反射。在248中，變換材料降頻變換至少一些光，且發射所有經降頻變換之光或發射經降頻變換之光與初級LED光之波長組合。在250中，自燈或經成形為所要發射角度之光束提取經降頻變換之光及初級光或所有經降頻變換之光。在混合的降頻變換與初級光發射之情況下，可將一混合元件添加至250以確保均一的光束色彩。
雖然本發明已參考其特定較佳組態而得以相當詳細地描述，但其他版本係可能的。如上文所提及，可利用在不同色彩下發射之不同LED而以許多不同方式來配置LED封裝。在將一發射器描述為提供一特定波長光譜中之光的彼等實施例中，可使用兩個或兩個以上發射器。上述變換材料可使用吸收光之不同波長且再發射超出上述波長之不同波長之許多不同類型的材料。因此，附加申請專利範圍之精神及範疇不應限於其中所含有之其較佳版本。
10．．．LED封裝
12．．．LED
14．．．子基板
16．．．反射器
18．．．反射器底表面
20．．．錐形
22．．．反射性變換器
24．．．變換材料
26．．．反射元件
28．．．路徑
40．．．LED封裝
42．．．LED
44．．．子基板
46．．．反射器
52．．．反射性變換器
54．．．變換材料
56．．．反射元件
70．．．LED封裝
72．．．LED
74．．．LED
76．．．子基板
78．．．反射器
80．．．反射器
82．．．反射性變換器
84．．．變換材料
86．．．反射元件
100．．．LED封裝
102．．．LED
104．．．子基板
106．．．杯形物
108．．．透鏡
110．．．空間
112．．．反射器
116．．．反射性變換器
118．．．光學元件
120．．．變換材料
122．．．反射元件
124．．．光束聚焦特徵
130．．．LED封裝
132．．．LED
134．．．子基板
136．．．杯形物
138．．．反射器
142．．．光學元件
144．．．反射性變換器
146．．．光束聚焦特徵
160．．．LED封裝
162．．．LED
164．．．子基板
166．．．杯形物
168．．．透鏡
170．．．反射性變換器
172．．．變換器材料
174．．．反射元件
176．．．懸浮元件
190．．．LED封裝
192．．．電路板
194．．．LED
196．．．子基板
198．．．反射性變換器
200．．．反射器
202．．．漫射體/透鏡元件
圖1為根據本發明之有效LED封裝之一實施例的剖視圖；圖2為根據本發明之LED封裝之另一實施例的剖視圖；圖3為根據本發明之具有一個以上反射器之LED封裝之另一實施例的剖視圖；圖4為根據本發明之具有一用於光束成形之光學元件的LED封裝之一實施例的剖視圖；圖5為根據本發明之具有一用於光束成形之光學元件的LED封裝之另一實施例的剖視圖；圖6為根據本發明之具有一反相LED及半球形反射器的LED封裝之另一實施例的剖視圖；圖7為圖7中之LED封裝的俯視圖；圖8為根據本發明之多LED封裝之一實施例的剖視圖；圖9為根據本發明之用於產生光之方法之一實施例的流程圖；及圖10為根據本發明之用於產生光之方法之另一實施例的流程圖。
10．．．LED封裝
12．．．LED
14．．．子基板
16．．．反射器
18．．．反射器底表面
20．．．錐形
22．．．反射性變換器
24．．．變換材料
26．．．反射元件
28．．．路徑

Claims (38)

  1. 一種發光二極體(LED)封裝，包含：一LED，其用於發射LED光；第一及第二反射器；及一在該第二反射器上且遠離於該LED之變換材料，其用於變換該LED光之波長；其中該第一反射器係遠離於該變換材料及遠離於該LED，且其朝向該變換材料及該第二反射器反射該LED光中之至少一些，該變換材料變換該經反射之LED光中之至少一些之波長。
  2. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料實質上降頻變換該經反射之LED光之全部，該LED封裝發射經初級降頻變換之LED光。
  3. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料降頻變換該經反射之LED光之一些，該LED封裝發射該LED光與經降頻變換之LED光的一波長組合。
  4. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料包含一或多個磷光體。
  5. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料進一步包含一反射元件以反射該經降頻變換的經變換之LED光及未經降頻變換之LED光。
  6. 如請求項1之LED封裝，其中該第一反射器遠離於該LED來實質上反射該LED光之全部。
  7. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料含有散射粒子。
  8. 如請求項1之LED封裝，其中該變換材料包含中性反射元件以反射該經變換的經反射之LED光及任何未經變換的經反射之光。
  9. 如請求項1之LED封裝，進一步包含一光學元件以用於光提取或光束成形或兩者。
  10. 一種發射器封裝，包含：一初級發射器，其發光；一反射變換器，其遠離於該初級發射器，能夠變換該發射器光之波長；一反射器，其朝向該反射變換器反射該發射器光中之至少一些，該經反射之光中之至少一些之波長由該反射變換器變換。
  11. 如請求項10之發射器封裝，其中該反射變換器包含降頻變換該發射器光之一或多個磷光體。
  12. 如請求項10之發射器封裝，其中該反射變換器進一步包含一反射元件以反射該經變換的經反射之光及任何未經變換的經反射之光。
  13. 如請求項10之發射器封裝，其中該反射器遠離於該初級發射器來實質上反射該光之全部。
  14. 如請求項10之發射器封裝，其中該反射變換器含有散射粒子。
  15. 如請求項10之發射器封裝，其中該反射變換器包含中性反射元件以反射該經變換的經反射之光及任何未經變換的經反射之光。
  16. 一種用於發光之方法，包含：自一初級發射器發射初級光；遠離於該初級發射器使用一第一反射器來反射該初級光中之至少一些；使用一變換材料以變換該經反射之初級光中之至少一些；及使用一第二反射器來反射該經變換之初級光中之至少一些；發射該經變換之初級光或發射該經變換之初級光與該初級光之一波長組合。
  17. 如請求項16之方法，其中該實質上經反射之初級光之全部係經變換，且其中經變換之初級光係經發射。
  18. 如請求項16之方法，其中該經反射之初級光之一些係經變換，且其中該經變換之初級光與該初級光之一波長組合係經發射。
  19. 如請求項16之方法，進一步包含反射該經變換的經反射之初級光及任何未經變換的經反射之初級光。
  20. 如請求項16之方法，其中該變換包含波長變換。
  21. 一種用於自一發光二極體(LED)封裝發光之方法，包含：提供一LED、一第一反射器、一第二反射器及變換材料；自該LED發光，該光中之至少一些朝向該第一反射器發射； 使用該第一反射器朝向該變換材料反射該LED光中之至少一些；使用該變換材料在該變換材料處變換該經反射之LED光中之至少一些；在該第二反射器處反射該經變換之LED光中之至少一些；及發射該經變換的經反射之LED光中之至少一些。
  22. 如請求項21之方法，其中實質上該經反射之LED光之全部係經變換，且其中經變換的經反射之LED光係經初級發射。
  23. 如請求項21之方法，其中該經反射之LED光之一些係經變換，且其中該經變換的經反射之LED光與該經反射之LED光之一波長組合係經發射。
  24. 如請求項21之方法，進一步包含反射該經變換的經反射之LED光及任何未經變換的經反射之LED光。
  25. 如請求項21之方法，其中該變換包含波長變換。
  26. 一種發光二極體(LED)封裝，包含：一LED，其安裝至一子基板且能夠發射LED光；一反射器，其經配置以反射該LED光中之至少一些；及一反射變換器，其遠離於該LED且經配置以接受該經反射之LED光中之至少一些、降頻變換該經反射之LED光中之至少一些的波長，且反射該經降頻變換之光及任何未經降頻變換的經反射之LED光。
  27. 如請求項26之LED封裝，其中該反射變換器包含一變換材料及一反射元件。
  28. 如請求項26之LED封裝，其中該變換材料包含一或多個磷光體。
  29. 如請求項26之LED封裝，其中該反射器遠離於該LED來實質上反射該LED光之全部。
  30. 如請求項26之LED封裝，進一步包含一光學元件。
  31. 如請求項26之LED封裝，其中該反射變換器經安裝至該子基板。
  32. 一種用於發光之方法，包含：自一初級發射器發射初級光；以一第一反射器再導引該初級光中之至少一些朝向一第二反射器，其中該第二反射器包含一變換器；變換該經再導引之初級光之至少一些；及發射該經變換之初級光或發射該經變換之初級光與該初級光之一波長組合。
  33. 一種發光二極體(LED)封裝，包含：一LED，其安裝至一子基板且能夠發射LED光；一反射器，其經配置以反射該LED光中之至少一些；及一反射變換器，其遠離於該LED且經配置以接受該經反射之LED光中之至少一些、降頻變換該經反射之LED光中之至少一些的波長，且反射該經降頻變換之光及任何未經降頻變換的經反射之LED光，其中該反射變換器 包含複數個光散射粒子。
  34. 如請求項33之LED封裝，其中該反射變換器包含降頻變換該LED光中之至少一些之一或多個磷光體。
  35. 如請求項33之LED封裝，其中該反射變換器進一步包含一反射元件，該經變換之光或經變換之光或該LED之組合藉由自該反射元件反射而被提取。
  36. 如請求項35之LED封裝，其中該LED經配置成使得該反射元件朝向該LED反射該光中之至少一些。
  37. 如請求項35之LED封裝，其中該反射變換器含有散射粒子。
  38. 如請求項35之LED封裝，其中該反射變換器包含中性反射元件，該經變換之光或經變換之光或該LED光之組合藉由自該等中性反射元件反射而被提取。
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