TWI653495B - 發光二極體照明單元 - Google Patents

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渥特 戴克斯
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富里茲 黑爾莫特 任
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歐歷山大 維倫提諾維克 維多維恩
Olexander Valentynovych Vdovin
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Abstract

本發明揭示一種發光二極體(LED)照明單元，其包括：一支撐結構；一基於LED之發光結構，其經安裝於該支撐結構內；及一光束塑形配置，其在該支撐結構之頂部上方。該光束塑形配置包括一光學透明且熱穩定材料，且該支撐結構將微結構化層支撐在該基於LED之發光結構上方一小高度處。此高度可(例如)係小於0.5mm。
該光束塑形配置實現藉由回熔焊接而將一精巧且低高度照明單元安裝於一載體上而不損害該光束塑形組件。

Description

發光二極體照明單元
本發明係關於(例如)用於相機或視訊相機閃光燈應用中之LED照明單元，諸如用於行動電話或諸如平板電腦及膝上型電腦之其他攜帶型行動裝置之閃光燈單元。
存在使LED照明單元小型化之一趨勢。可認為一精巧LED照明單元係具有小於3mm之一封裝高度及具有小於100mm2之一面積之一輸出孔隙之一照明單元。此種類型之一精巧照明單元可整合至諸如一行動電話之一攜帶型裝置中。
諸如閃光燈LED封裝之精巧LED照明單元通常由高功率LED組成以產生白光(通常在約5000至6500K之一色溫下)，透過直接與LED封裝整合或與用於透鏡及LED封裝之一單獨外殼整合而使精巧LED照明單元與菲涅爾(Fresnel)光學透鏡組合。
此等封裝通常使用覆蓋有將輻射之一部分轉換成綠-紅光譜範圍以導致一白色點之一磷光體層之一高功率藍色LED。藍色LED通常具有一1mm2之大小且安裝於一陶瓷支撐基板上。LED基板之總外部尺寸通常係(例如)1.6x2.0mm。一些封裝歸因於磷光體層而顯現非常黃；藉由將白色散射材料模製於LED磷光體之頂部上及LED磷光體周圍而使其他封裝顯現更白。客戶趨於不喜歡當由一菲涅爾透鏡放大時之黃色外觀且因此一關閉狀態白色(OSW)顯現之封裝有時係較佳的， 即使效率由額外白色散射層減小。
此類型之閃光燈LED例如經應用為行動電話應用中之閃光燈單元。為了將光聚集於由相機捕捉之一4：3或16：9之場景上，由菲涅爾透鏡準直最初具有強度之藍伯特(Lambertian)角分佈之閃光燈LED之光。可藉由將LED封裝及一單獨菲涅爾透鏡夾至一封裝總成(例如具有約3mm之一典型高度)中而達成此。如上文中所提及，菲涅爾透鏡可替代地在一薄PCB上與LED封裝組合為一整合式、更精巧單元。
圖1展示在頂面上具有一菲涅爾透鏡光學結構之一LED照明單元1。在一薄PCB上之LED封裝周圍模製透鏡且此可(例如)達成2.2mm之一經減小之建立高度。
菲涅爾透鏡之一實例包括呈小刻面之形式之光學元件，其折射透鏡之中心中之光且將在透鏡之周邊處之光反射向上以準直由LED發射之光。全部折射透鏡亦可行。
菲涅爾透鏡需要定位於距LED之一特定最小距離處以作為一透鏡適當操作且需要LED之位置與菲涅爾透鏡之光學中心之一仔細對準。
閃光燈LED與菲涅爾透鏡之建立高度對於行動電話製造者非常重要，此係因為使行動電話越來越薄且電話內部之組件使用越來越少之空間(尤其在深度方向中)係一辨別趨勢。電話中之組件之建立高度之突破因此非常重要。
除了實體尺寸限制之外，亦存在對於由一閃光燈LED封裝發射之光束輪廓之特定要求。此等要求係關於由相機捕捉之一場景之照明且可(例如)藉由將光投射於一螢幕上而經量測。
使用一已知菲涅爾透鏡設計之閃光燈單元具有若干限制。菲涅爾透鏡與LED源之間需要一基本距離，如上文中所指示。為了使封裝更薄，透鏡及LED封裝之橫向尺寸需要按比例減小。此意味著一更小LED，此限制可產生之光之量。舉例而言，對於1x1mm2之一典型 LED晶粒，與一菲涅爾透鏡一起之建立高度限於約2mm。
此等小建立高度之一問題係光學組件(菲涅爾透鏡或其他準直光學器件)非常接近其中將單元安裝於一下伏電路板上之位置。若使用回熔焊接以將LED單元安裝於一電路板上，則光學組件曝露至高溫，此可能不容易由光學組件設計忍受。
本發明由申請專利範圍界定。
根據本發明，提供一種LED照明單元，其包括：一支撐基板；一基於LED之發光結構，其經安裝於該支撐結構內；及一光束塑形配置，其在該支撐結構之頂部上方，其中該光束塑形配置包括一微結構化層，該微結構化層包括一光學透明且熱穩定材料，且其中該支撐結構將該光束塑形配置之該微結構化層支撐在於該基於LED之發光結構上方小於該基於LED之發光結構之一發光面積之平方根之一高度處，且其中該微結構化層包括各具有在一頂部頂點處交切之一或多個側之微元件之至少一陣列，其中該側或該等側自其等之基底至該頂部頂點係筆直的。
此設計較佳能夠經受在回熔焊接期間遭遇之短持續時間之高溫，使得即使具有一小單元高度，其仍可經焊接至(例如)一下伏印刷電路板。在此回熔焊接期間，該微結構化層應保持尺寸穩定(無大小損失)而無起皺或隆起且另外無變黃。此可能對於諸如丙烯酸樹脂上聚碳酸酯基底層之一些習知材料係不可能的。
使用術語「微結構化」以表示具有mm級或更小之個別結構尺寸之小形狀元件。
光束塑形配置可用作透射且準直入射光之部分之一微準直結 構。脊設計實現減小高度同時保留光學準直功能。脊用作光回收元件。
該設計實現具有一更大輸出面積之LED發射體(針對一給定整體橫向尺寸)之使用，該LED發射體因此能夠產生更多光。替代地，針對一給定大小之光學輸出，可在達成相同光學輸出之同時使整體裝置之橫向尺寸更小。
微元件可係在給出一維重複之一線中延伸之脊(或谷)，或其等可係形成二維重複之錐體。微元件亦可係自一基底延伸至一頂部頂點之圓錐體(因此僅具有一單一側)。在全部情況中，該側或該等側自基底筆直延伸至頂點而不具有彎曲透鏡表面。因此，在透過垂直於層之通過頂點之一平面之橫截面中，該等側係筆直的。然而，微結構沿著其等延伸(即，在層之平面中)之線可係筆直或彎曲的。
高度限制係在基於LED之發光結構之表面上方之高度。在一直接發光LED之情況中，此表面係LED晶粒之表面。若使用一白色磷光體轉換LED，則高度限制係在磷光體之上表面上方之高度。對於一預圖案化藍寶石基板LED，認為高度係在磊晶層上方。採取至光束塑形配置之微結構層之底部之高度。
術語LED意欲大體上指固態發射體，即，包含無機LED、有機LED或雷射二極體之發光二極體。
舉例而言，若發光面積係1mm2，則微結構層在基於LED之發光結構上方之高度係小於1mm。
一般言之，高度可係小於0.5mm以實現一極端精巧裝置。
支撐結構可包括延伸於基於LED之發光結構與光束塑形配置之間之反射側壁。照明單元接著起作用以回收未透射穿過光束塑形配置之LED光之部分以獲得所要光束輪廓。
微結構化層可包括聚矽氧或混成聚矽氧或矽酸鹽(尤其T支鏈或Q 支鏈材料而非一離子結構)或混成矽酸鹽或一溶膠凝膠材料。在此申請案中術語「T支鏈」意為存在至少一矽原子附接至三個(聚)矽氧烷鏈。較佳此矽原子化學鍵結至(聚)矽氧烷鏈之各者之氧。在此申請案中術語「Q支鏈」意為存在至少一矽原子附接至四個(聚)矽氧烷鏈。較佳此矽原子化學鍵結至(聚)矽氧烷鏈之各者之氧。已知此等T支鏈及Q支鏈結構自身(例如)如EP2599835中所揭示。
T支鏈矽酸鹽可稱為矽倍半氧烷。此實現使用一低成本程序製造且其實現高熱及光學穩定性。可替代地使用諸如玻璃(例如藉由射出模製)或經圖案化藍寶石板之其他材料。
光束塑形配置可視情況包括一基底層及在該基底層上方之微結構化層。若微結構化層單獨不具有所需之剛度，則基底層提供結構剛度。
可在基底層與微結構化層之間提供一助黏層。助黏層可包括含由矽烷、鈦酸鹽或鋯酸鹽之一材料。此等材料可呈純形式或經混合成諸如聚矽氧之另一穩定材料。
微結構化層可與具有第一折射率之一第一材料接觸或透過一中間接合層而接合至具有第一折射率之一第一材料，其中微結構化層之材料具有大於第一折射率之0.3與0.65之間之一折射率。此提供光束塑形配置在折射或反射模式中操作以提供光束塑形性質所需之折射率差異。可使用具有接合部分及具有具第一折射率之一第一材料之部分之一部分接合層替代地將結構化層接合至基於LED之發光結構。
第一材料可包括具有1.0之一折射率之空氣或具有低於1.3之折射率之一低折射率層或具有在1.3與1.6之間之一折射率之一黏膠或平坦化層。一黏膠可用於將多個基底層及微結構化層對接合在一起且一平坦化層可用於保護結構。
在另一配置中，微結構化層接合至基於LED之發光配置。
此接合可係至基於LED之發光配置之一磷光體層。此實現待達成之最小高度封裝。一LED自身通常係硬的且非黏的，但磷光體層可自身充當接合層。因此，當不存在單獨接合層時可有一最薄封裝。此直接接觸將限制光束塑形功能但將幫助提取更多光。當微結構化層之折射率高於接合層之折射率時，將藉由增加此折射率差異而使光束塑形功能變得更強。
基於LED之發光結構可包括：一LED及直接在該LED上方之一磷光體；或一LED及填充支撐結構之一磷光體；或一LED及在第一微結構化層下方且與該LED隔開之一磷光體層。
在一些此等實例中，磷光體層之面積可因此大於LED之光輸出面積，藉此向上方之光學層或若干光學層提供一更均勻照明。
單元可包括呈一堆疊之複數個光束塑形配置，且包括光束塑形配置之間之氣隙或光束塑形配置之間之黏著劑。
單元可包括一相機閃光燈單元，且本發明亦提供包括一相機光學感測器及本發明之一閃光燈單元之一行動攜帶型裝置。
1‧‧‧發光二極體(LED)照明單元
3‧‧‧高度
10‧‧‧發光二極體(LED)封裝/藍色發光二極體(LED)晶片
10'‧‧‧發光二極體(LED)
10a‧‧‧發光二極體(LED)封裝
10b‧‧‧發光二極體(LED)封裝
12‧‧‧光束塑形配置
14‧‧‧外殼
15‧‧‧反射基底
16‧‧‧陶瓷子基板
18‧‧‧近接磷光體
19‧‧‧覆模
20‧‧‧磷光體
22‧‧‧附近磷光體
24‧‧‧玻璃或半透明氧化鋁(聚晶氧化鋁(PCA))層
30‧‧‧PSS(預結構化藍寶石)晶片級封裝發光二極體(LED)
31‧‧‧中功率發光二極體(LED)/中功率發光二極體(LED)晶片
32‧‧‧薄反射PCB
40‧‧‧基底層
41‧‧‧脊
41a‧‧‧峰/頂點/頂部頂點
42‧‧‧微結構化層
43‧‧‧助黏層
50‧‧‧第一微結構化層/底部稜鏡結構/光學結構層
51‧‧‧敞開頂部
52‧‧‧第二微結構化層/頂部稜鏡結構/光學結構層
53‧‧‧交叉角
55‧‧‧層/黏著劑形式層
56‧‧‧材料層
57‧‧‧側壁
60‧‧‧反射層
61‧‧‧磷光體塗層
64‧‧‧邊緣
66‧‧‧框架
70‧‧‧透明填料
72‧‧‧共用基板
80‧‧‧微結構化層/光束塑形層
82‧‧‧頂部覆蓋層
84‧‧‧層
85‧‧‧低折射率材料
86‧‧‧接合層
87‧‧‧第二接合層
88‧‧‧常規折射率材料接合層
89‧‧‧接合層
90‧‧‧極值曲線
92‧‧‧極值曲線
94‧‧‧預加熱階段
96‧‧‧斜升階段
97‧‧‧峰值階段
98‧‧‧斜降階段
100‧‧‧行動攜帶型裝置
102‧‧‧相機光學感測器
104‧‧‧發光二極體(LED)單元
105‧‧‧列
106‧‧‧行
107‧‧‧感測器元件
110‧‧‧圓錐體
110a‧‧‧頂點
112‧‧‧層
114‧‧‧箭頭
現將參考隨附圖式詳細描述本發明之實例，其中：圖1展示在封裝之上表面上具有一整合式菲涅爾透鏡之一已知LED閃光燈；圖2展示使用一高功率陶瓷上晶粒(「DoC」)LED封裝之LED閃光燈之多種實例；圖3展示使用陶瓷上晶粒封裝及使用所謂基於PSS(預圖案化藍寶石基板)技術封裝之其他較小封裝之LED閃光燈之進一步實例；圖4展示一微結構化層之可能結構；圖5展示其中更清楚展示光束塑形準直器設計之一實例之LED閃 光燈結構；圖6展示給出一微結構化層對來自一點光源之光線方向之效應之一模擬；圖7展示呈在一PSS發射體上之多種封裝構造實現之具有非常低的建立高度之一LED閃光等組件之多種實例；圖8展示在一封裝中之一多LED發射體閃光燈組件之一實例；圖9展示可實施之一些光束塑形功能；圖10展示針對光束塑形配置之微結構化層之兩個可能定向；圖11展示針對光束塑形配置之微結構化層之兩個進一步可能設計；圖12展示針對光束塑形配置之微結構化層之兩個進一步可能設計；圖13展示回熔焊接烘箱溫度量變曲線之一實例；圖14展示使用LED單元作為一閃光燈之相機之一實例；圖15展示光學層之兩個不同設計之透視圖；及圖16展示光學層如何執行一光學回收功能。
本發明提供一基於LED之發光單元，其包括一支撐結構、一基於LED之發光結構及在該支撐結構之頂部上方之一光束塑形配置。光束塑形配置包括一熱穩定微結構化層，且光束塑形配置(之下側)在基於LED之發光結構上方之一小高度處。高度小於基於LED之發光結構(10)之一發光面積之平方根。舉例而言，對於1mm2之一發光區域，高度小於1mm(例如小於0.5mm)。
光束塑形配置經設計以實現藉由回熔焊接而將照明單元安裝於一載體上而不損害光學器件。
用於本發明之系統中之光束塑形配置執行一光束塑形功能。此 功能可(例如)近似至少一部分準直功能(在光依一經控制範圍之出射角出射之意義上)以照明一所要視野。在下文中之實例中，為了便於解釋，光學功能將在下文中稱為「準直」，但應瞭解，不應將此認為限制性。可使用諸如對稱或不對稱稜鏡凹槽、面對源或背離源之稜鏡/圓錐體/錐體結構之不同類型之箔結構達成多種光束塑形功能。此等光束塑形功能可(例如)包括光束重導向或蝙蝠翼形照明圖案。
將參考如由申請者提出之一些LED單元設計僅藉由實例描述此發明。本發明具體係關於執行一光束處理功能之一光學層之設計。經提供之實例包含兩個此等光學層，但本發明可同等地適用於僅需要一光學層之結構。
圖2展示使用具有併入用作一光束塑形配置12之一雙層光學層之一「點擊式」帽蓋之一高功率陶瓷上晶粒(「DoC」)LED封裝10之多種實例。此雙層結構功能提供諸如一準直功能之一光束塑形功能。各個層包含呈背離光源之長形平行脊之一規則陣列之形式之一結構化層。LED 10安裝於形成一反射混合盒構造之一外殼14之基底處。
外殼主要用作用於將光束塑形組件安裝在LED 10上方之一支撐結構，但其視情況亦有助於將由LED發射之光引導朝向光束塑形組件。為了此目的，外殼可具有提供支撐之側壁及一基底。基底則可用於支撐LED。然而，LED晶粒可自身界定基底使得外殼則包括僅一側壁配置。此側壁係反射性以用於有效遞送LED光。
LED係(例如)晶粒附接至一陶瓷子基板16之一藍色InGaN基二極體。LED可係在背側具有電接觸件之一覆晶晶粒。在通常係AlN或Al2O3之陶瓷子基板16中存在電通孔，使得在陶瓷子基板16之背側處亦存在電接觸件，以可使用焊墊在背側處焊接整個總成。
此焊接將結構曝露至高溫。例如一回熔溫度處理可導致諸如聚碳酸酯及聚對酞酸乙二酯(PET)之許多材料之變形或收縮。
可使封裝大小小於1.5mm(例如小於1.3mm)及在3至5mm之範圍中之一典型寬度。
圖2展示實施一磷光體層之方式不同之五個實例。磷光體層之功能係將來自LED源之藍色輻射之一部分轉換成與一藍色LED發射體組合產生一白光輸出之一綠色/黃色光譜範圍。
圖2(a)展示一近接磷光體18。此係用於基於菲涅爾透鏡之閃光燈封裝中之一習知磷光體技術。磷光體直接覆蓋藍色LED晶片。此意味著全部發光區域(晶片輸出及磷光體)具有一最小大小。此使發射體為一小準點源，其與一放大光束塑形結構對準，以準直經發射光用於閃光燈操作。
圖2(b)展示相同結構但在外殼中具有一覆模19而非空氣，且其展示外殼不必須係一單件結構。
圖2(c)展示填充外殼之一磷光體20(有時稱為一黏糊物(goop))之使用。該磷光體20作為一黏性液體經施配且經固化成一固態。磷光體仍覆蓋LED晶片，但橫向延伸且通常呈一較厚層經施覆。源面積經增強，此係因為即使藍色LED發射體小，但磷光體層之發射覆蓋一較大面積。此可係比僅覆蓋LED晶粒及/或LED晶粒放置於其上之封裝之常規近接磷光體更有效之一磷光體。
圖2(d)展示一附近磷光體22。此原則上係最有效磷光體組態，但在此等封裝中不常見。磷光體不直接放置於藍色LED上方，而是定位於一短距離處，通常在封裝之出射窗中。在此一組態中，期望用於磷光體層之一好的冷卻路徑，該冷卻路徑可受到磷光體層與LED基底之間之材料之選擇而影響。圖2(e)展示一玻璃或半透明氧化鋁(聚晶氧化鋁(PCA))層24之添加。
在圖2(a)至圖2(e)之各者中，整體裝置係一LED照明單元1。外殼14用作具有一反射基底15及一敞開頂部(參考圖5中之51)之反射外 殼。
兩個結構化層具有面向上之脊狀微結構。脊平行且因此形成稜鏡脊/凹槽結構。其他可能光學結構係(例如)錐體、圓錐體、球面透鏡或圓柱透鏡。
該等層具有通常在30至150微米之範圍中之一厚度(包含基底基板及脊高度)。各個脊具有在10至50微米之範圍中之一典型寬度。
LED封裝較佳係高度反射性(例如>95%)，此係因為微結構化層反射回待回收之入射光之一顯著部分。
在LED封裝與光束塑形結構之間提供一低折射率層，且若使用多個層則亦在個別微結構化層之間提供一低折射率層。通常低折射率層係一空氣介面。組件之間之(若干)中間層之此折射率相對於LED封裝之折射率及微結構化層之折射率係低的。空氣層之折射率為1，LED封裝可具有2.4之一折射率(針對一GaN LED晶粒)，一磷光體聚矽氧可具有1.4至1.53之一折射率。
當抵於微結構化層之結構化表面使用空氣介面時，微結構化層之結構化層之一折射率可係(例如)1.41(此係針對甲基矽氧烷片)。
圖3展示其中比較兩個不同高功率LED與中功率LED之進一步實例。此外，各個裝置包括一LED照明單元1。各個裝置具有一高度3，且在圖3中展示可能高度值之實例。比較圖2之陶瓷上晶粒(「DoC」)封裝與所謂PSS(預結構化藍寶石)晶片級封裝LED 30以及與具有導線接合連接之中功率LED 31。
使用晶片級封裝PSS技術之LED不具有一陶瓷子基板，但在InGaN LED層經沈積至其上的頂部上維持一藍寶石生長基板。使用電連接來電鍍後側，以使組件後側可焊接。相較於通常使用一0.6mm之陶瓷子基板之DoC封裝，PSS封裝30可更薄(約0.2至0.3mm高)。
針對一薄閃光燈，PSS結構30容許一更薄閃光燈高度。
中功率LED通常係其中發射體亦經定位於生長基板(諸如藍寶石)上且在藍寶石基板向下(通常使用一晶粒附接黏著劑材料，將藍寶石基板向下膠合至封裝中)之情況下經安裝的LED。使用將封裝內之電接觸件連接至LED晶粒之頂部的導線接合來實現電接觸。在封裝中可使用多個LED以實現所需之光輸出量。
多種中功率LED成串連接(可串聯或並聯連接)。此等中功率LED晶片通常亦非常薄(通常約0.2至0.3mm高)，容許一薄整體閃光燈封裝。
圖3組合多種LED類型與多種磷光體類型。磷光體層可係直接沈積於LED晶片上，此稱為一近接磷光體。此一磷光體層僅可覆蓋晶片之頂部或包含陶瓷子基板之封裝的頂部，或包覆於發射體周圍，此亦覆蓋透明藍寶石基板之側。此外，磷光體可填充LED經放置於其中之封裝。此通常稱為一黏糊物磷光體，其中磷光體通常係由嵌入於施配於封裝(諸如一白色模製引線框架封裝)內之一聚矽氧樹脂中的無機磷光體粒子組成。此一組態通常比僅覆蓋發射體晶粒之一磷光體更有效。此外，磷光體可完全不覆蓋LED發射體，而經分離一小距離(通常係由(例如)聚矽氧或玻璃或陶瓷之一透明材料層分離)。磷光體接著經定位於封裝之頂部附近，橫向覆蓋封裝以防止自封裝之藍光洩露。此一附近磷光體通常比其他上文中所提及之磷光體類型更有效，前提為LED封裝係高度反射性。
圖3(a)展示使用如圖2(a)中之一近接磷光體之一DoC結構。
圖3(b)展示使用一近接磷光體之一PSS結構30，且展示封裝高度減小至1mm。PSS LED經焊接至諸如一白色聚矽氧模製引線框架封裝之一腔外殼中。近接磷光體可經保形沈積於PSS晶片周圍。腔外殼通常具有後側接觸件以容許進一步組裝閃光燈LED至一PCB。薄外殼、薄PSS及薄光束塑形配置導致在約0.6至1.2mm之一高度範圍中之一整 體薄封裝。可(例如)使用一黏著劑黏膠或使用一膠帶，將光束塑形配置12之微結構化層附接至外殼之頂部。
圖3(c)展示使用填充外殼之一磷光體之一PSS LED封裝30，再次，其具有在LED晶片及外殼側壁安裝於其上之一薄反射PCB 32上方之一1.2mm封裝高度。外殼可係模製至PCB上或使用一黏著劑附接之一白色聚矽氧模製框架。當磷光體層侷限於發射體之頂部上時，較佳使用一黏糊物磷光體或使用諸如一聚矽氧之一透明囊封材料填充由外殼及PCB形成之腔之內部。薄PCB可具有至背側之一互連以用於電連接，但亦可橫向延伸以能夠將接觸導線焊接至連接至外殼區域外部之PCB之頂部上之LED之供應接觸件。
圖3(d)展示使用填充外殼之一磷光體之一PSS結構30，再次，其具有一1mm封裝高度，但其中外殼基底模製於LED晶片周圍。
圖3(e)展示使用如圖2(d)中之一附近磷光體之一DoC結構，且圖3(f)展示使用如圖2(c)中所展示之一黏糊物磷光體之多個中功率LED晶片31，其中晶片使用導線接合連接而附接至外殼之基底處之電接觸件。繪製兩個中功率晶片，但亦可使用三個或更多個晶片以產生一足夠量之閃光。為了容納使用多個中功率LED之較高面積，可增加封裝之橫向尺寸。
除了所提及之LED類型之外，亦可在給定之實例中使用立式薄膜(VTF)LED，其中LED具有與一導線接合件連接之發射體之頂部處之一電連接件及朝向晶片之背側用於焊接附接至封裝或一PCB之一電接觸件。
因此，PSS晶片可安裝於模製於PSS組件周圍之一反射外殼中，或晶片可直接焊接至諸如一薄PCB之一高反射性基板或諸如一塑膠引線晶片載體(PLCC)封裝之一預製造光混合封裝或例如一QFN封裝之類似引線框架組件。後者預模製封裝比直接在PSS晶片周圍模製封裝更 容易實現。
如上文中所提及，本發明尤其係關於執行光學處理之一或多個微結構化層之設計及在基於LED之發光結構(此意為當用於光轉換時，裸LED晶粒及任何磷光體層之組合)上方之懸浮。
微結構化層包括一光學透明且熱穩定材料，且支撐結構將微結構化層(若需要一個，則或基底層)支撐在基於LED之光發射體上方0.5mm或更小之一高度處。本發明可實現減小圖3中所展示之高度尺寸(尤其當使用近接磷光體時)。
可用一聚醯亞胺材料形成微結構。可替代地使用射出模製用玻璃形成或使用圖案化藍寶石(或其他陶瓷)板形成微結構化層。
在一些較佳實施例中，微結構化層可包括聚矽氧(諸如高折射率聚矽氧)或混成聚矽氧(諸如甲基矽氧烷、甲苯基矽氧烷、苯基矽氧烷、環氧官能化矽氧烷)或高折射率聚矽氧或其等之混合物。常規(即，非混成)聚矽氧可分為兩個主要類型：經甲基取代及經甲苯基取代，且一第三類型係經苯基取代。混成聚矽氧具有具額外官能基及通常較高有機含量之其他基團。
聚矽氧係主要由連接成矽氧烷聚合物鏈之矽氧烷基組成之一材料。矽氧烷基由為藉由氧原子而連接成聚合物鏈之n個矽原子之一重複連接之(-O-Si(R1R2)-)n組成。
鏈可具有在矽原子上之側基，該等側基由R1及R2側基表示。舉例而言，甲基聚矽氧具有作為側基之甲基，其中R1及R2相同且由-CH3甲基組成。
甲苯基聚矽氧具有由甲基組成之一個基團R1及由苯基組成之一個基團R2，或由其中經取代甲基在R1及R2位置上之矽氧烷基及其中經取代苯基在R1及R2位置上之矽氧烷基之重複單元或嵌段組成。
其他側基實例係乙基、丙基、丁基或乙烯基。可使用相同矽氧 烷鏈內之多種側基之混合物。通常使用呈低量存在之具有其他化學性質之基團在若干位置處交聯聚矽氧材料。舉例而言，矽氧烷鏈可含有具有碳碳雙鍵之乙烯基(諸如其中乙烯基存在於鏈之末端處之乙烯基端之矽氧烷鏈)。乙烯基可使用諸如過氧化物之一活化劑與另一矽氧烷鏈上之甲基側基反應以將鄰近矽氧烷鏈連接在一起以形成一網路。乙烯基亦可與存在於鄰近矽氧烷鏈上(諸如存在於一些R1或R2位置上或在鏈末端處)之氫化物(-H)基反應。此一交聯反應可由鉑(Pt)觸媒催化。兩個矽氧烷鏈接著經由源自乙烯基之-CH2-CH2-橋基在矽Si原子處經互連。
混成聚矽氧係具有增加之有機物含量之聚矽氧材料。此可藉由將羥片段或嵌段引入至矽氧烷鏈中及/或引入至矽氧烷鏈上之側基中而實現。羥部分可含有給出材料特定性質之其他官能基。舉例而言，羥基可係含有環氧官能基之側基，例如環脂族環氧基。此一基團能夠UV固化以使用一適合UV引發劑交聯混成聚矽氧網路。
舉另一實例，環氧官能基可存在於鏈之端基中，諸如環氧丙氧基丙基端之聚二甲矽氧烷中。
亦可填充聚矽氧或混成聚矽氧樹脂(例如藉由使用矽土粒子填充樹脂)(諸如)以影響機械性質。雖然可能產生一輕微霧度/散射(在一薄層之光學功能中可容許此)，但使用矽土作為一填充劑將保持光學透明度。
在另一實例中，微結構化層可包括矽酸鹽或混成矽酸鹽或一溶膠凝膠材料，尤其一T支鏈或Q支鏈材料而非離子結構。與矽氧烷相比，在此類型之矽酸鹽或混成矽酸鹽中之矽原子經由氧原子而連接至兩個以上鍵結位置上之鄰近矽原子。舉例而言，諸如SiO2之一純矽酸鹽經由氧原子而在4個位置上以一規則結晶方式連接至一網路中之相鄰Si原子(稱為石英)或以一不規則非晶方式連接至一網路中之相鄰Si 原子(諸如矽酸鹽玻璃)。矽酸鹽亦可稱為經由氧原子在Si原子上之3個鍵結位置上連接至相鄰Si原子之材料。Si原子上之第四個鍵結位置可含有多種基團，一般稱為R。
因而，此類型之矽酸鹽可化學上稱為(-(R)SiO1.5-)n，其中n為表示結構之一重複連接之一整數。連接至矽原子之R基可由類似於存在於矽氧烷中之每矽原子兩個R基之多種化學基團組成。舉例而言，一適合且高度熱穩定矽酸鹽係甲基矽酸鹽(-CH3SiO1.5-)n。其他化學側基可一般係烷基，諸如乙基、丙基、丁基或苯基。側基亦可含有乙烯基、丙烯酸或環氧基。由於此等隨後實例為反應性，所以其等可用作容許層經由此等基團固化(例如藉由UV光使用一適合光引發劑)之基團。具有較高含量之有機含碳基團之此等矽酸鹽可稱為混成矽酸鹽。可在相同層內組合多種側基。
可使用小粒子強化或填充層(諸如)以能夠實現一更厚層而無裂縫形成。經添加之粒子通常係容許層保持透明度之奈米粒子，前提為此等粒子足夠小(例如直徑小於100nm且良好分散於層內部)。一實例係填充矽土奈米粒子(例如)達10至20體積百分比之甲基矽酸鹽之一層。在比聚矽氧更易碎之此等材料中偏好一精細微大小之結構，以容許結構壓印於相對薄之微結構化層中。對於聚矽氧或混成聚矽氧，層之彈性通常更容易容許厚塗層(諸如100微米厚)之實現且因此亦容許相對粗的經間隔微結構之壓印。
類似於聚矽氧，矽酸鹽層可沈積於一基底載體層上。此較佳經由適合前驅物材料之一液體塗佈程序而完成。此一程序通常稱為一溶膠凝膠程序，其中前驅物材料係通常溶解於一適合溶劑中且塗佈於基底層上之一液體。一旦乾燥層，溶膠或溶液將反應且經由一中間凝膠相將與固體矽酸鹽反應，此藉由增加溫度而加速且通常藉由一經添加酸或一經添加基而經催化。在此溶膠凝膠程序期間，可藉由使用呈液 體或凝膠狀態之一適合印模壓層而圖案化層。取決於溶劑類型及量，印模可占去且自層移除溶劑。母板印模可(例如)係容許溶劑經由擴散之占去及移除之聚矽氧印模。適合前驅物材料之一般代表可係金屬烷氧化物。舉例而言，為了經由一溶膠凝膠程序而獲得甲基矽酸鹽之一固體層，係矽烷氧化之甲基三甲氧基矽烷之一溶液溶解於酸性水中。酸可係(例如)順丁烯二酸或乙酸。烷氧化物將變得水解，一旦完全水解便導致甲基三羥基矽烷及甲醇之形成。在塗佈且乾燥羥基之後，縮合以形成矽酸鹽網路且水在反應中經形成為副產物。
除了矽烷氧化物之外，亦可使用衍生自金屬烷氧化物前驅物之其他溶膠凝膠材料，例如烷氧化鋁或烷氧化鋯或烷氧化鈦或其等之混合物。
溶膠凝膠材料之一商業實例係由經由一溶膠凝膠程序自液態沈積之一材料族群組成之按商標名Ormocer出售之材料。存在多種材料類型，尤其如上文中所描述之使用金屬烷氧化物前驅物。材料可與諸如丙烯酸或環氧基之UV反應基官能化以容許UV聚合或UV圖案化。
諸如衍生自甲基三甲氧基矽烷單體之甲基矽酸鹽之一層之上文中之實例之溶膠凝膠衍生材料比聚矽氧本質上更穩定。此係歸因於經由氧橋基之經三折疊網路形成。此等材料可經受延長曝露至300℃或更多，其中經由矽上之兩個氧連接之規則聚矽氧將失敗。
微結構化層可自支撐。若不可自支撐，可在一基底層上方提供微結構化層。基底層亦需要係熱穩定，且可例如包括聚醯亞胺或熱穩定PEN。
可藉由以下方式來製造微結構化層或若干層：經由雷射圖案化以(例如)在聚碳酸酯片中產生一母板印模。接著，可在聚矽氧中複製母板印模以形成母板之一負片。接著，將此第二母板壓印至經塗佈至一薄基箔、經固化成一固體層且自聚矽氧母板印模釋放之一液體聚矽 氧前驅物層中。亦可使用諸如鎳之一金屬電鍍且覆蓋此一母板以獲得原物之一金屬複製母板。替代地，可藉由一金屬零件之精確切割/機械加工而製造母板以產生一金屬母板。
可藉由將諸如聚矽氧液體之液體前驅物材料之一層塗佈至一基箔載體支撐件上而複製金屬母板。
可熱固化聚矽氧且自母板釋放聚矽氧。替代地，塗佈液體可係諸如自聚矽氧供應商市場可購之一UV可固化聚矽氧。藉由UV光曝露，將層固化至可自母板釋放具有一固定微結構化形狀之層之此一程度。隨後可在一烘箱中進一步熱固化層以實現微結構化層之一完全固化。
除了此等分批程序之外，亦可在捲輪式薄膜輸送(roll-to-roll)塗佈設備上製造箔，如常見於光學薄膜(諸如用於液晶顯示器中之增亮膜)之生產中。在此一裝備中，通過一滾輪系統拉一基箔卷材且(例如)使用狹縫式塗佈使用塗層前驅物之一薄液體層塗佈該卷材。接著使卷材與含有母板結構(例如一鎳母板)之一旋轉鼓接觸。藉由使用UV光閃光，一旦用鼓壓印接觸便固化前驅物，以形成一固體微結構化層。可使用標準UV固化丙烯酸酯。然而，為了獲得一高熱穩定性，可使用諸如一UV可固化聚矽氧之聚矽氧或例如聚矽氧-環氧樹脂材料之混成聚矽氧材料。
基箔(當使用時)可係諸如PET或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之聚酯。熱穩定之PEN展示對熱循環之較佳抗性。然而諸如Mitsubishi Gas Chemical Company(商標名)之Neopulim(商標名)之一透明聚醯亞胺箔係較佳的，此係因為其容許由光束塑形光學器件形成之帽蓋在封裝之回熔焊接期間可經受之溫度甚至更高於其經受之短期曝露至約260度之高焊接溫度。對於基箔之替代品係可撓性玻璃(例如Corning(商標名)Willow Glass)或一薄且可撓性藍寶石。亦可有諸如薄氧化鋁之其他透明陶瓷或YAG或 LuAG或尖晶石。
為了獲得基箔與結構化層(微結構經複製或壓印至結構化層中)之間之一適當黏著性，可施覆一助黏中間層。通常將此助黏劑作為一薄膜塗佈至基箔上。助黏劑可含有可(例如)藉由使用基箔之一UV臭氧處理或氧電漿或電暈處理而與基箔或一預活化基箔反應之反應性化學基團。另外助黏劑層可含有與聚矽氧或混成聚矽氧塗層反應之反應基，諸如氫化物基或碳碳雙鍵。
助黏層係使基底層與微結構化層介接以獲得兩個層之間之足夠黏著性之一層。此層可係通常具有若干微米(高達幾十微米厚)之一薄層或非常薄(例如幾百奈米厚)，諸如一次微米層。原則上，助黏層亦可與助黏材料之一單層厚一樣薄。
助黏層可由純助黏材料自身、助黏材料之一混合物或溶解於或混合於一黏結劑層中之助黏層之一混合物(諸如聚矽氧或矽氧烷材料)組成。一適合助黏材料之一般實例係矽烷耦合試劑，諸如R1-(R2)-Si-X3。在此一般化學式中，R1基代表有機官能基，R2基表示連接子基(linker group)，Si表示矽烷之矽原子且X基表示可水解基。
當可水解部分由X3表示時，此意味著3個此等可水解基連接至矽原子。然而，亦可能僅存在2個此等基團(由X2表示)或僅存在一個可水解基(由X表示)。在後者情況中，至Si原子之缺乏鍵結由其他基團(例如由鍵結至Si原子之甲基(-CH3)基)補償。可水解基X由(例如)烷氧基(諸如甲氧基、乙氧基、丙氧基或丁氧基)組成，或由醯氧基組成或由鹵素原子(諸如Cl)組成或由胺基組成。此等基團可與水反應，因此經水解以在助黏材料上形成矽醇-Si-OH基。此可(例如)在材料之處理期間發生，其中水拾取可來自周圍水分、經塗佈表面上之水分之存在或藉由經添加之水分。
矽醇基可與多種氧化物或氧化表面反應，例如與表面上存在之 其他矽醇基反應或與基底層之氧化物或氧化表面或基底層上產生之羥基-OH基反應。
矽烷亦可含有兩個Si原子而非一個，此稱為雙足矽烷。當此矽烷每個Si原子具有三個可水解基時，此意味著在為了至氧化物或極性表面之經增強錨定之水解之後每個分子總共存在6個錨定矽醇基。
R1基可含有能夠與矽氧烷鏈反應以形成一共價鍵或與類似矽氧烷鏈之基團反應以藉由經增強之物理互動而改良黏著性之官能基。舉例而言，R1可含有氫化物基、乙烯基、胺基或環氧基或矽氧烷基。一較佳實例係與在2-成分聚矽氧中存在且共有之氫化物官能基反應以形成一化學鍵之乙烯基矽烷，諸如甲基乙烯基二乙氧基矽烷或乙烯基二甲基氯矽烷。
連接子基R2可由多種基團組成。通常間隔基之此連接子係由-(CH2)n-表示之羥鏈，其中n係一整數。例如諸如甲基(-CH2-)或丙基間隔基(-(CH2)3-)之短連接子或諸如癸基(-(CH2)10-)之長羥間隔鏈。一較長連接子基將給出分子中之更多靈活性/移動性。存在連接子基並非必要的，亦可諸如在乙烯基矽烷之上文中所提及之實例中般缺乏連接子基。含有微結構之聚矽氧或混成聚矽氧可由具有通常在R1基或在X基上之官能基(諸如可與助黏劑互動之反應基)之矽氧烷鏈組成。舉例而言，矽氧烷鏈可含有乙烯基或氫化物基(諸如在2-分量添加固化聚矽氧中共有)，或矽醇基(諸如在1-部分聚矽氧縮合固化材料中共有之矽醇端之聚二甲基矽氧烷)或胺基(例如胺基丙基端之聚二甲基矽氧烷)。
其他官能基可包含胺官能性矽氧烷或環氧官能性矽氧烷。又其他官能基可包含烷氧基或乙醯氧基。亦可使用多種官能基之組合。
當施覆聚矽氧材料(例如，藉由聚矽氧材料在基底層上之塗佈或澆鑄)時，此等反應基通常存在於前驅物或液體狀態之聚矽氧材料 中。藉由固化聚矽氧前驅物，形成一固體聚矽氧層。同時，將針對相容性官能基發生至助黏層之接合。
除了矽烷之外之其他助黏材料可包含鈦酸鹽或鋯酸鹽。此等通常比矽烷官能基更反應性。舉例而言，可使用烷氧基鈦酸鹽或乙醯丙酮鈦。舉例而言，四乙基鈦酸鹽可係適合助黏劑。此等可併入或混合至矽氧烷黏結劑中且沈積為一助黏層。亦可為了經增強之效能混合助黏劑，例如可使鈦酸鹽與矽烷(諸如乙烯基矽烷)混合。
助黏層可與一適合溶劑混合以促進層之沈積。
亦可將一低濃度之助黏劑分子添加至形成微結構化層之聚矽氧或混成聚矽氧樹脂。此可足夠容許至基底層之經改良黏著性而不需要一單獨助黏層(雖然一單獨介面層一般更有效)。
為了在基底層上產生錨定基用於使助黏劑與其反應，可能需要熟習此項技術者已知之表面處理，諸如一電暈處理、UV臭氧處理、氧電漿處理或一火焰處理。舉例而言，當基底層係聚醯亞胺時，期望此表面處理以藉由氧化而活化表面用於助黏層之經增強之錨定。
圖4展示呈基底層40及具有如上文中所描述之形式之微結構化層42之形式之一微結構化層之設計。將選用助黏層展示為43。
此實例具有呈執行一準直功能之一組平行脊41之形式之一結構。各個脊具有一峰41a。圖4展示在脊之頂點或峰41a處之頂部頂角θ，其可(例如)係90度或100度，或當然亦可係(例如)在70至130度之一範圍內之其他角。在較佳實施例中，脊側如所展示之係對稱。
脊具有平坦側，而非彎曲透鏡表面，且此意味著光源與微結構化層之間的距離對於光學功能並不是關鍵的。
在所展示之實例中之脊41係線型，且藉此形成一維重複結構。可替代地存在二維重複結構，藉此形成稜鏡狀結構之二維陣列。稜鏡狀結構可係不呈直線配置，且可係替代地沿著彎曲路徑配置。
脊可全部屬於相同設計，即相同頂部頂角、相同寬度(即，在圖4中於左右方向中)及相同高度(自峰至谷)。可使用全角度源展開之光來照明各個脊微元件，且接著各個元件將提供所要光束圖案。因此，具有相同頂部頂角之結構之一重複可覆蓋整個源區域，以實現提供所要光束塑形之一光學輸出窗。原則上，結構之重複間距及高度可針對相同頂部頂角變動，且導致一類似光束輪廓。
組合此準直器設計與具有適合熱特性之材料的使用實現整體封裝之高度的所要減小，同時實現光學準直功能有效以及維持執行封裝之回熔焊接的能力。
如來自上文中給定之實例之範圍之一實例，一低折射率聚矽氧(甲基聚矽氧類型(例如諸如)甲基矽氧烷)可用作具有n=1.41之折射率的結構化層42。聚矽氧材料給出用於LED應用之極佳光熱穩定性。
來自上文中給定之實例之範圍之一替代品係具有1.51至1.53之一折射率之甲苯基矽氧烷類型。一般而言，對於使用氣隙之實施，微結構化層通常可具有1.3至1.65之一折射率。另外，可使用甚至更高折射率聚矽氧，例如具有1.61之一折射率之一高折射率聚矽氧。(例如)通常藉由添加高折射率奈米粒子至聚矽氧或藉由在矽氧烷鏈中引入增加折射率之特定原子而特別開發此等高折射率聚矽氧。
基底層40首先經選擇以滿足所要結構性質及熱穩定性。基底層之折射率較不重要，此係因為基底層之介面彼此平行且最終不影響光線方向。然而宜具有一較低折射率，使得最小化在空氣介面處之菲涅爾反射。
如來自上文中給定之實例之範圍之一較佳實例，基底層可係聚醯亞胺層。
因此，在此實例中之微結構化光學元件之形狀係在橫截面之深度方向中延伸之一稜鏡凹槽結構。
單元之外部形狀可採取(例如)實現一標識或其他符號在發光表面處可見之任何適合形式。整個外殼可替代地經設計以具有一所要美學形狀。當然，周邊可僅係正方形或矩形、三角形、一長形條、一環形狀或任何其他形狀，而不需要改變光束圖案。
圖5展示其中更清楚展示光束塑形光學器件之一例示性設計之一LED閃光燈單元。光束塑形光學器件具有在支撐結構(即，外殼14)上方之敞開頂部51上方之一第一微結構化層50及在第一微結構化層上方之一第二微結構化層52。各微結構化層具有提供背離光源之長形平行脊之一規則陣列之一結構化層。左邊影像係稜鏡定向之一平面圖，其中頂部稜鏡結構52呈實線，且底部稜鏡結構50呈虛(隱藏)線，且此展示脊交叉具有一交叉角53。右邊影像展示透過一垂直平面(即，垂直於基板)之一橫截面。圖5亦展示由支撐結構(即，外殼)界定之側壁57，且此等側壁亦係反射性。
兩個層50、52具有如參考圖4在上文中解釋之相同設計特徵。因此，脊具有平坦側，而非彎曲透鏡表面。在各個層內，脊可全部具有相同設計，即相同頂部頂角、相同寬度(即，在圖4中於左右方向中)及相同高度(自峰至谷)。兩個層亦可具有與彼此相同之設計。
圖5之實例係針對呈在LED晶粒上方具有磷光體18之一藍色LED 10之形式之一基於LED之發光結構。由本發明實現之0.5mm之高度限制在此情況中係磷光體層18之頂部與光束塑形光學配置50、52之第一微結構化層之底部之間之距離，如所展示。
在一黏糊物磷光體之情況中(如圖3(c)、圖3(d)及圖3(f)中所展示)，高度要求與黏糊物磷光體之頂部與光束塑形光學配置之第一微結構化層之間之間隔相關。在此一情況中，基於LED之發光結構包括LED及黏糊物磷光體。一重要態樣係實現回熔焊接具有整合式光束塑形功能之單元，但使用一薄磷光體黏糊物再次實現減小單元之整體厚 度。然而，為了將厚度減小至一最小值，一近接磷光體係較佳的，如圖2(a)及圖3(a)中所展示。
可使用兩個正交對準層(如所展示)以達成兩個方向中之準直。然而，所展示之正交定向非必要。兩個層之脊可(例如)交叉具有30至150度之一角度，更較佳50至130度，更較佳70至110度。
展示減小至小於0.5mm之間隔。自限制處，可將光束塑形光學器件直接施覆至LED(若不使用磷光體)或LED晶粒上方之磷光體層。因此，間隔可係小於0.4mm，或甚至小於0.3mm。
該等層由可係一氣隙之一層55分離，雖然此層55可係一不同材料(諸如一黏膠)，但仍具有比結構化層實質上更低之折射率。此需要比在使用氣隙時更高之結構化層之一折射率。頂部(第二)層亦由係可與層55相同之一材料層56(例如空氣或用於將一平坦化保護層接合至頂部上之黏膠)覆蓋。
基本上，結構需要一光學對比以運作。若將層膠合在一起，則將需要增加結構化層之折射率且光學接合之折射率需要係低的。可發現具有折射率1.4之一黏膠使得在一第一近似值中空氣折射率1至黏膠折射率1.4之增加需要光學結構化層之折射率亦增加0.4至1.7至2.05之一範圍內。此維持在0.3至0.65之範圍中之一折射率差異。
通常黏膠將具有在1.3至1.6之範圍中之一折射率。
光在頂部處自外殼逸出朝向微結構化層。取決於微結構化層之折射率及微光學結構，可準直光之部分，且可藉由全內反射而回反射光之部分朝向高度反射外殼，其中光經回收。經回收光可藉由相同機機再次逸出。效率取決於外殼之反射性、在不同介質之間之介面處之菲涅爾損失及介質中之吸收。
圖6展示給出一單一微結構化層對來自一點光源之光學輸出之效應之一模擬。
取決於入射角、折射率(差異)及脊(稜鏡)之頂部頂角，一些光線將歸因於總內反射而經反射回，而其他光線可在頂面處逸出。微結構化層之平滑表面經引導朝向光源。藉由光源大小、光源位置及距光束塑形光學器件之距離來判定入射角。通常對於遠端磷光體架構(圖2(c)至圖2(e))，發射輪廓接近藍伯特(Lambertian)，而對於具有一近接磷光體之LED，照射微結構化層之光線之角分佈可稍微更指向性，但在全部實際情況中將不自一藍伯特分佈顯著偏離。可變動之系統之參數因此係稜鏡之頂部(頂)角及材料之折射率。
將外殼基底(定位LED之處)與微結構化層50(或一堆疊之底部微結構化層)之間之氣隙之大小保持儘可能小，以使整個模組儘可能薄。
特定言之，氣隙小於0.5mm，且更較佳小於0.2mm，諸如約0.1mm或小於0.1mm。
為了保證一薄氣隙且防止下部微結構化層黏至外殼，可視情況呈低密度施覆小間隔件結構(諸如小球形或桿狀粒子或支撐柱)以防止兩個組件大面積彼此接觸。類似地，可在微結構化層上設計此等間隔結構，以減小下部層50之結構化層與上部層52之背側之間之光學接觸之可能性。舉例而言，可將經疊加至光學脊之一低密度之柱設計為在光學脊之高度之頂部上稍微突出(諸如在高度上突出10至25微米)。此防止頂層52之平坦側接觸微結構之頂部。例如，呈經對準粗略垂直於下部微結構化層50之脊之條紋形狀之間隔件結構之形式之此一間隔亦可應用至頂部層52之背側。
為了保護在裝置之頂部上之微光學表面結構在處理及使用中免受刮傷及損害，可在結構之頂部上添加一選用保護片，尤其一透明片(例如一透明聚醯亞胺片)。
將外殼焊接至一電路板以實現將驅動信號提供至LED。上文中之 實例展示具有反射基底及側壁以提供有效回收光之一外殼。然而，此非必要。
圖7展示多種替代封裝。
圖7(a)展示無側壁且無PCB之一封裝。藍色LED晶片10由在具有背側接觸件之一載體基板(諸如藍寶石)上之一磊晶層(例如一覆晶架構)組成。LED晶片10由形成外殼且因此形成支撐結構之一反射層60(諸如一白色聚矽氧模製)包圍。一磷光體塗層61覆蓋此封裝且使用一黏著劑將光學結構層50、52附接至此封裝。
應注意，即使展示不同磷光體類型，但在圖7之全部實例中將磷光體展示為61。
使用圖5中之黏著劑形式層55以將兩個微結構化層50、52附接至彼此以及將此總成附接至封裝。此黏著劑可係自一液態固化成一固態之一黏膠或一片膠帶。膠帶可係經熱固化之一帶或在零件之連接之後經UV固化之一帶。
圖7(b)展示其中磷光體層61經限制於發射體區域或僅稍微大於發射體區域之一替代封裝。
在圖7(c)中，磷光體61大於晶片但小於封裝之外部尺寸，且在發射體與磷光體層之間存在一距離以界定一附近磷光體。此間隙通常填充有一透明聚矽氧。
在圖7(d)及圖7(e)中，一邊緣64模製至封裝上，因此形成具有一側壁之一腔。在圖7(d)中，此腔係空的或替代地填充有諸如聚矽氧之一透明材料。在圖7(e)中，此腔填充有含有至少一單一磷光體材料(例如嵌入一聚矽氧材料中之一粉末磷光體材料)之至少一單一磷光體層。
圖7(f)展示包含由在一框架66上之光學箔總成蓋/覆蓋之磷光體61之一平坦LED封裝10。在封裝周圍放置框架66，且具有一間隙，或 (例如)藉由使用一透明聚矽氧或使用一反射聚矽氧填充封裝10與框架66之間之間隙，而在LED封裝周圍接合框架。
圖7之封裝可具有背側接觸件以使客戶能夠將此等封裝焊接至一PCB。替代地此等封裝可已經預附接至一薄PCB背側。此背側PCB可延伸超過LED封裝區域。在PCB上，可附接諸如暫態電壓抑制器之一ESD保護二極體，以防止閃光燈LED總成(亦稱為一閃光燈LED模組)受到靜電放電損害。替代地，此保護二極體可整合於LED封裝內部，諸如反射壁或反射周邊內部或最少較佳整合於腔內部。
舉另一實例，可在相同封裝內部使用多個LED發射體且由相同光束塑形結構將多個LED發射體覆蓋成一精巧多LED發射體，如圖8中所展示。可藉由控制具有不同白色溫度之兩個LED之間之電流比率而控制閃光燈之發射色彩。
圖8展示在一共用基板72上之具有不同色溫之兩個LED封裝10a、10b。各個LED封裝具有其自身磷光體層61且存在一透明填料70以形成一單一整體結構。
可接著取決於所要影像感知而可控制地使LED單元發射多個色彩。舉例而言，一第一LED可發射具有(例如)6000K之冷白色，而一第二LED可發射具有(例如)2700K之暖白色。結果，取決於攝影師之希望，可將使用相機拍攝之影像儲存於一冷或一暖場景設定中。由於兩個LED都可放置至相同封裝中，所以此雙通道閃光燈可變得非常精巧且僅需一封裝之成本，而非需要各具有一菲涅爾透鏡之兩個單獨閃光燈LED單元，此節約空間及兩個透鏡之高成本。
由於在共用封裝之頂部上之光束塑形光學器件亦具有一光混合能力，所以具有通道之間之可控制電流比率之兩個LED之一聯合操作仍容許經發射光分佈之一非常好的光混合(甚至在距封裝之小距離處)。經控制電流比率容許個別LED之極端色溫之間之精確調諧。
類似地，可增加一第三通道以橫跨一色彩可調諧之色彩空間(例如，能夠使色點偏離於黑體輻射器，諸如具有在黑體線上方之一中間色溫之一第三封裝)。類似地，可增加一第四通道，或一般言之，可在相同封裝中實現一多通道封裝。
在上文中提及，封裝可經塑形以給出一所要美學外觀。可藉由在所要形狀之外部阻擋光而獲得此外觀。阻擋光之一方法係在光束塑形光學器件之頂部上增加具有一印出形狀之另一反射組件(諸如一白色反射箔或一鏡面反射鏡箔)。因而，可不塑形光學器件之外部周邊，但接著可藉由使用覆蓋光束塑形光學器件之部分阻擋或反射層而應用任何形狀。
較佳使用面對光學層之一高度反射材料來回收經阻擋之光。經阻擋/反射之光將獲得另一機會以在與光束塑形光學器件及封裝之互動之後逸出，其中在封裝處將經阻擋/反射之光發送回至位置偏移之光阻擋/反射層以穿過(若干)經塑形開口透射。
產生一所要形狀之另一方法係藉由使用一反射材料覆蓋微結構化層(例如頂部層)。舉例而言，可藉由在頂層上施配或印刷將局部填充/覆蓋微光學表面結構之一白色反射材料(諸如一白色聚矽氧層)而部分覆蓋頂部層。作為一單獨層或作為沈積於微結構化層上之一層之阻擋層可放置於光束塑形光學器件之頂部上、頂部與背側之間。當在微結構化層之間使用阻擋層時，阻擋層亦可具有將層接合在一起成一箔總成之功能，在其中透射具有所要光束輪廓之光之區域處保持微結構化層之間之一間隙。
以此等方式，可將任何所要形狀疊加於發射體上方以給出在關閉狀態中或在裝置之調暗操作處之(不使觀看者有目盲現象)裝置之一所要外觀。
如上文中所提及，已知施覆一散射層以隱藏磷光體之黃色外 觀。此可應用至上文中之實例，尤其使用填充外殼之間隔之一黏糊物磷光體之實例。
上文中之實例使用各個微結構化層上之平行且筆直脊之陣列。此等脊可具有跨表面之區域之均勻間距。然而，此非必要且間距可局部變動。在此情況中，間距不規則。提供一不規則間距之一潛在益處係其可導致脊高度差異。可接著使用較低結構化層之最高脊頂部以用作間隔件以支撐頂部結構化層，同時允許兩個層之間之一低光學接觸區域。
脊不需要係筆直或連續的。舉例而言，可將微結構化層之區域分成若干區域，其中脊在該等區域內之不同方向中延伸(例如)形成一棋盤狀圖案。在各個局部區域內，兩個層之脊成所要角度交叉以提供兩個不同方向中之所要準直。
頂角對於各個結構層之整體通常係恆定的。然而，此非必要，且頂角可跨層變動。此變動將通常僅係小的(例如在5度內)使得全部頂角在一給定範圍內(諸如90度至110度)。
雖然配置實現減小裝置之大小而無厚度之一對應增加，但精巧照明單元通常具有具小於8mm之一直徑之一孔隙。
如上文中所論述，可使外殼係反射性。特定言之，外殼比LED晶片更反射性。一漫反射性質比一鏡面反射較佳使得光在具有儘可能少的內部反射之情況下離開外殼。一白色聚矽氧可形成漫反射表面。
實例展示兩個微結構化層。然而，可提供進一步光學層(例如)用於色彩控制。此外，一第三微結構化層可用作準直功能之部分。
此外，如上文中清楚解釋，該結構可應用至一單一層且光學功能不必須係準直。可實施諸如一透鏡功能之其他光束塑形功能。
所關注之一區域係用於行動電話之閃光燈LED應用。閃光燈LED模組亦可用於照片相機或視訊攝影機上之圖片相機閃光燈或用作整合 於諸如平板電腦之其他裝置中之一閃光燈組件之部分。
然而，存在可考慮(例如)在聚光燈中之許多其他精巧照明應用。該組件可一般用於其中需要特定光束密度分佈之應用中。當前此功能主要實現於次光學組件中。本發明使光束塑形功能能夠移動至主光學器件直接於LED上同時使組件能夠經受回熔焊接程序。
可能應用之一些實例係：具有一預準直但廣光束分佈之(例如)用於辦公室照明之下照燈；具有給出經減小眩光之光分佈之照明應用，例如其中可期望依大於自法線之一臨限值(例如，60°)之角度發射之光之抑制之辦公室照明；(例如)用於辦公室、工業照明及室外照明之提供蝙蝠翼類型之分佈之照明應用；及(例如)用於人行橫道照明之其他指向性/不對稱之光分佈。
在許多此等應用中，組件之橫向寬度、所使用之LED之量及輸出光之總量可比行動電話所需之更大。除了用於照片之閃光燈脈衝之外，單元亦可針對視訊閃光燈連續操作。
圖9展示一些可能所要光學功能，其展示強度依據至法線之發射角而變化之強度。
圖9(a)展示給出經減小眩光之一強度特性。
圖9(b)展示給出一蝙蝠翼形分佈之一強度特性。圖9(a)及圖9(b)可係旋轉對稱。然而，非旋轉對稱功能亦可行，如其中亦展示旋轉不對稱之圖9(c)及圖9(d)中所展示。
微結構化層可背離LED 10或其可面對LED 10。在圖10(a)及圖10(b)中展示此兩個可能性，其中將微結構化層展示為80且其可包括一單一自支撐層或一經組合之基底層及微結構化層或多個微結構化層或多個微結構化層及基底層組合。如所展示，在微結構化層之結構化 表面上方提供一層82且在平坦表面上方提供一層84。如上文中所描述，此等層可係(例如)用於將多個光束塑形配置接合在一起，或用於將光束塑形配置接合至基於LED之發光結構或用於平坦化目的，或用於保護微結構化層免受損害及污染或用於界定所要氣隙之黏著劑層。
一單一層結構可具有(例如)錐體或圓錐體結構。
圖10展示使用接合層80而非提供一氣隙之單一層結構之兩個設計。將光束塑形層展示為80。在圖10(a)中，存在提供保護及平坦化之一頂部覆蓋層82。一接合層84在微結構化層80與LED之間。將LED層示意性展示為層10'(在圖10及圖11中)，此表示完整LED及周圍封裝及磷光體。
在圖10(b)中，微結構化層80具有面向下之脊。
接合可給出較佳機械穩定性且藉由消除維持且控制氣隙之需要而消除可能可靠性問題。封裝總成中亦可存在一優勢。
在此等接合架構之情況中，仍存在維持微結構之材料與包圍光束塑形配置之層之間之一折射率對比之一需要。可依圖10中所展示之方法之外之若干其他方法實現此。
圖11(a)展示一低折射率材料85(諸如一氣凝膠)及LED 10'與微結構化層80之平滑側之間之一接合層86。接合層不需要具有一低折射率，例如其可具有n=1.4。以此方式，在光束塑形配置80下方存在兩個層85、86。
圖11(b)展示低折射率材料85、在一側上(在低折射率材料與微結構化層80之間)之接合層86及在相對側上(在低折射率材料與LED 10'之間)之一第二接合層87之三層結構。
該等層之間之接合不需要跨全部區域延伸。圖12展示兩個實例。
圖12(a)展示在光束塑形配置80、82下方具有呈一氣隙之形式之 一低折射率層之一部分接合架構。使用僅在封裝之側上具有接合之一常規折射率材料接合層88(例如n=1.4)來實施部分接合。接合層88與磷光體20(或LED 10'之另一頂面)不存在重疊。
圖12(b)展示形成一組柱之接合層89，此次再次給出具有與下伏磷光體20(或LED之其他頂面)之接觸之部分接合。
在此情況中常規折射率材料可用於接合層。藉由僅使用相對小量之區域用於接合而(例如)在圖12(b)之實例中有效維持一氣隙。可將膠點施覆至LED結構之頂部或替代地可在基底層80之背側上提供支撐結構。
在部分接合之情況中可應用不同設計規則。需要將與一磷光體之總重疊面積保持儘可能小。取決於折射率及光束要求之特定值，可導出設定可能面積之準則。
因此存在使用LED與光束塑形配置之間之多個層之多種設計，其中此等層之一者具有低折射率且此低折射率層可係一氣體(即，空氣)或一固體(例如，氣凝膠)。
如上文中所解釋，組件經設計以經受回熔焊接。為了完整性，在圖13中展示相對於時間之回熔烘箱溫度量變曲線之一實例。
展示兩個極值曲線90及92。存在一預加熱階段94、一斜升階段96(具有3度/秒之最大斜率)、一峰值階段97及一斜降階段98(具有6度/秒之最大斜率)。
應注意，此文件中描述之多種材料本身係已知的且其等之熱及機械性質亦係已知的。舉例而言，由於聚矽氧材料之高穩定性，適合聚矽氧材料廣泛用於LED產業中用於LED封裝。
在此應用中使用適合材料實現係非黏的且可回熔焊接且具有(例如)尤其用於光學光準直之一適合光學微結構之一箔之一構造。
圖14展示係一行動攜帶型裝置100之部分之一相機。相機具有一 相機光學感測器102及用作閃光燈之本發明之一相機閃光燈單元104。光學感測器包括亦如所展示之感測器元件107之正交列105及行106。
如上文中所論述，微元件包括具有一頂部頂點之結構。為了更清楚展示其意義，圖15展示兩個可能實例之透視圖。
圖15(a)展示如上文中詳細解釋之一平行脊結構且因此展示圖4之結構之透視圖。在此情況中，存在在給出一維重複之一線中延伸之脊41(或谷)。脊具有呈一線之形式之一頂部頂點41a。脊側係平坦的使得其等不具有任何透鏡功能。替代地，存在跨層42之區域之一重複光學功能。
脊可係形成二維重複之錐體。
圖15(b)展示圓錐體110之一陣列。此等具有一單一側且其等漸縮以到達呈一點之形式之一頂部頂點。該等點可如所展示之形成一規則柵格，但再次可呈直線或曲線配置圓錐體。在一圓錐體之情況中，側壁彎曲而非平坦。然而，側自基底筆直延伸至頂點110a，所以再次不存在彎曲透鏡表面。在透過垂直於層42之一平面且通過頂點110a之橫截面中，側係筆直的。
光學層42之此等設計執行一光回收功能，而非一成像功能(如同一菲涅爾透鏡)。光學結構之圖案(圓錐體、稜鏡、錐體)係重複的且覆蓋光學窗。
應注意，對於相同頂角可使用不同稜鏡或脊或圓錐體高度。因此，可在改變高度時針對相同頂角變動間距。此給出相同光學效應。對於對稱錐體，存在一單一頂角，然而對於具有一矩形基底之錐體，考慮存在兩個頂角。在兩個頂角之情況下，可在相當獨立之兩個垂直方向中控制光束準直。
在圖16中展示光學層之光回收功能。圖16展示具有圖11(a)中所展示之類型之一層42。光源由層112表示。此係磷光體層，且其相對 均勻地跨其之區域發射光。
層42提供軸上準直。各個微結構具有一光接受圓錐體。漸縮側壁導致各個頂點不容許法線引導之光之通過。歸因於在脊側處之總內部反射，如由箭頭114所展示之回收此光。此同等地應用至脊、錐體及圓錐體。因此，存在接受圓錐體外部之光之循環，其中較接近箔之法線之光經回反射至(散射)光源，其中在該散射光源處該光在其他方向中隨意地經散射，給其另一機會以通過層42。
LED在部分轉換藍光之一磷光體層下方(或內)。總效應係自磷光體層發射白光。此磷光體層較佳具有與具有微結構之光學層42幾乎相同之面積。LED亦可插入至係白色反射性之一腔中。結果係照度在發光區域上方相當恆定，使得至跨該區域之不同微結構之入射角在光源之區域上方非常均勻。
由於頂角(在圖16中為α)及材料各處都類似，所以角度準直分佈亦對於各個微元件都類似。甚至在一非均勻初始光輸出之情況下，如上文中所解釋之回收按法線發射之光且接著散射該光。與反射外殼之效應組合，導致微結構化層42之一相對均勻之照明。微元件各形成所要光束圖案使得結構之不同空間區域以相同方式引導入射光。
在一菲涅爾透鏡中，需要諸如一折射透鏡區域及反射邊緣區域之不同區域。入射光接著需要依一特定角度範圍射入以使透鏡適當工作。在於此應用中所描述之光束塑形配置中，光源輸出之全角度展開可入射於全部空間位置處。
從而，此意味著設計對LED在裝置之中心處之對準不靈敏。LED可放置於一腔內之不同位置處用於一類似效應。另外，可在腔內提供多個LED(例如)用於在相同分佈處之更多輸出功率。
對於一菲涅爾透鏡，發射體需要放置於透鏡之光軸處且相較於透鏡其大小必須係小的。一菲涅爾透鏡亦放大LED發射體。對於一磷 光體經轉換之LED，此通常給出一經增加之黃色外觀。藉由使用回收光學器件而非聚焦光學器件，直接LED影像經抑制(因為自LED之法線光角度經反射)。偏離法線角主要經透射，此產生可係白色或含有相較於直接在LED上方之一磷光體具有一低濃度/黃度之一磷光體之腔之內部之一「影像」。因此，可減小裝置在關閉狀態中之黃色外觀。
使用一經塑形孔隙(例如經塑形為一公司標識)覆蓋閃光燈模組不影響由於上文中所解釋之經分佈光學功能之光束塑形功能。當然將減小效率。使用一菲涅爾透鏡，將藉由僅容許透射一部分形狀而影響光束形狀。
自該等圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究，熟習此項技術者在實踐本發明時可瞭解及實現所揭示實施例之其他變動。在申請專利範圍中，字詞「包括」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」或「一個」並不排除複數個。某些措施在相互不同的附屬請求項中敘述，但僅就此事實，並不表示此等措施之一組合不能利用以獲得好處。不應將申請專利範圍中之任意參考符號理解為限制範疇。

Claims (15)

  1. 一種發光二極體(LED)照明單元，其包括：一支撐結構(14)；一基於LED之發光結構(10)，其經安裝於該支撐結構內；及一光束塑形配置(optical beam shaping arrangement)(40、42)，其在該支撐結構之頂部(51)上方，其中該光束塑形配置包括一微結構化層(42)，該微結構化層(42)包括一光學透明且熱穩定材料，且其中該支撐結構(14)將該光束塑形配置(12)之該微結構化層(42)支撐在該基於LED之發光結構(10)上方小於該基於LED之發光結構(10)之一發光面積之平方根之一高度(3)處，且其中該微結構化層包括各具有在一頂部頂點(top apex)(41a；110a)處相交(meet)之一或多個側之微元件(41；110)之至少一陣列，其中該側或該等側自其等之基底至該頂部頂點係筆直的(straight)。
  2. 如請求項1之LED照明單元，其中該支撐結構(14)將該光束塑形配置(12)之該微結構化層(42)支撐在該基於LED之發光結構(10)上方小於0.5mm之一高度處。
  3. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該支撐結構(14)包括延伸於該基於LED之發光結構(10)與該光束塑形配置(40、42)之間的反射側壁。
  4. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該微結構化層(42)包括聚矽氧、混成聚矽氧、矽酸鹽、混成矽酸鹽、溶膠凝膠材料、聚醯亞胺、一玻璃或一透明陶瓷，諸如藍寶石。
  5. 如請求項4之LED照明單元，其中該微結構化層(42)包括甲基矽氧烷、甲苯基矽氧烷、苯基矽氧烷、環氧官能化矽氧烷或高折射率聚矽氧、甲基矽酸鹽或甲苯基矽酸鹽或苯基矽酸鹽或其他烷基矽酸鹽或衍生自金屬烷氧化物前驅物之材料或其等之混合物。
  6. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該光束塑形配置包括一基底層(40)及在該基底層上方之該微結構化層(42)，其中該基底層(40)宜包括聚醯亞胺或熱穩定聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚矽氧或一玻璃或一透明陶瓷，諸如藍寶石。
  7. 如請求項4之LED照明單元，進一步包括在該基底層(40)與該微結構化層(42)之間之一助黏層(43)。
  8. 如請求項7之照明單元，其中該助黏層包括含有矽烷、鈦酸鹽或鋯酸鹽之一材料。
  9. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該光束塑形配置係：與具有第一折射率之一第一材料接觸；或透過一中間接合層而接合至具有第一折射率之一第一材料；或使用具有接合部分及具有具第一折射率之一第一材料之部分之一部分接合層而接合至該基於LED之發光結構(10')，其中該微結構化層之該材料具有大於該第一折射率0.3與0.65之間之一折射率。
  10. 如請求項9之LED照明單元，其中該第一材料包括：具有1.0之一折射率之空氣；具有低於1.3之一折射率之一低折射率層，諸如一氣凝膠；或具有在1.3與1.6之間之一折射率之一覆蓋層。
  11. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該光束塑形配置(40、42)經接合至該基於LED之發光結構。
  12. 如請求項1或2之LED照明單元，其中該基於LED之發光結構包括：一LED；或一LED及直接在該LED上方之一磷光體；或一LED及填充該支撐結構之一磷光體；或一LED及在該第一微結構化層下方且與該LED隔開之一磷光體層。
  13. 如請求項1或2之LED照明單元，其包括呈一堆疊之複數個光束塑形配置(50、52)，且包括在該等光束塑形配置之間之包括空氣或一黏著劑之一層(55)。
  14. 如請求項1或2之LED照明單元，其包括一相機閃光燈單元(104)。
  15. 一種行動攜帶型裝置(100)，其包括一相機光學感測器(102)及如請求項14之一相機閃光燈單元(104)。
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