TWI678005B - 指向性發光配置及其製造方法 - Google Patents

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Norbertus Antonius Maria Sweegers
弗洛里斯 瑪莉亞 赫曼茲 克朗普福特
Floris Maria Hermansz Crompvoets
山博 瑪克 安德烈 迪
Marc Andre De Samber
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Abstract

本發明建議一種用於產生具有清晰界定之束輪廓之指向性光投影之發光配置。來自具有反射側塗層之一頂部發射固態光源之光在傳播穿過捕獲具有仍然太大之一逸出角度之任何光射線的一次級準直漏斗之前經由一束塑形光學器件經預準直。可透過一薄膜側塗層及尺寸過小之磷光體層之使用達成晶片尺度封裝尺寸。基板級程序流程進一步允許複數個裝置之並行處理。

Description

指向性發光配置及其製造方法
本發明係關於一種經調適以產生一指向性光束之發光配置。
諸如發光二極體(LED)之固態光源日益用於各種照明及發信號應用。LED優於諸如白熾燈及螢光燈之傳統光源之優點包含長壽命、高流明效率、低操作電壓及流明輸出之快速調變。針對一般照明應用，通常使用發射一朗伯光分佈之LED。
然而，針對諸如汽車前置照明之諸多應用，指向性光源係較佳的。通常，透過「頂部發射」LED；經調適以便允許光僅沿一單個方向逸出之LED之使用達成此指向性。
除指向性之外，通常亦期望需要可實現高對比度之一配置之高度投影、束狀發射。舉例而言，投影僅低於一特定臨界角之光以便避免迎面而來的車輛之眩光之「低束」汽車前置照明需要發射之一清晰水平截止。需要對具有低及高束功能性之未來矩陣頭燈之一類似要求。另外，清晰對比度在橫向上亦係期望的，其中每一LED能夠不僅在高度上而且在束之寬度上實現一具體截止，因此僅跨越地平線之一特定節段投影。
通常藉由使用較高位準光學器件進一步準直自一或多個頂部發射LED發射之光而達成高對比度發射。特定而言，頻繁地使用一初級 光學元件(通常為一準直器或反射器)及一次級光學器件(通常為一透鏡)。
然而，在此一配置中，通常對準直角度及所要截止之要求需要具有顯著超過在下面之LED晶粒之彼等橫向尺寸之橫向尺寸之光學元件，藉此延伸由封裝引發之總體佔用面積。舉例而言，為使用大小1.0mm×1.0mm之一輸入LED晶粒達成高於及低於法線之為40度之一準直角度，具有全內反射透鏡及透鏡與光源之間的一氣隙之一典型準直器將具有大致2.7×1.6×1.6mm3之尺寸。針對不具有一氣隙之一組態，尺寸將係大致3.5×2.3×2.3mm3。類似地，針對一打開準直器，基於一反射器而非基於全內反射，典型尺寸可係1.5×1.6×1.6mm3。因此，可見佔用面積與LED晶粒大小相比較顯著增加。
因此可藉助清晰縱向及緯度截止達成高度指向性光發射之一配置將係期望的，但其中光學元件不引發對LED封裝之佔用面積之一顯著擴展。此將實現應用內之較大LED模組密度、模組陣列之經簡化組合件以及封裝之經增加一般撓性。
本發明係由申請專利範圍定義。
根據本發明之一態樣，提供一種經調適以產生一指向性光束之發光配置，該發光配置包括：固態光源，其具有一發光頂部表面及一或多個橫向側表面；一反射結構，其覆蓋該或該等側表面；一微結構化束塑形配置，其光學地定位在該光源下游；及一不透明光學主體，其定位在該反射結構上方以用於限制該指向性光束之角擴展，該主體具有在其基底處用於接收來自該固態光源之光之一第一開口及環繞法向於該光源之該發光頂部表面之軸的一錐形漏斗結構，該錐形漏斗結構向在其頂部處之大於該第一開口之一第 二開口打開。
本發明包括一光源連同組合產生具有一清晰角截止之一經準直光投影之光學元件及結構的一配置。其組合「預準直」自該光源發射之光之一第一束塑形光學元件與捕獲具有仍然太大之一逸出角度之任何光射線之一第二光學主體。該光源自身在其側表面處由一反射結構環繞，從而確保光僅透過面向頂部表面逸出，且另外用於透過阻擋穿過面向側面表面之可能光洩漏改良光源之亮度。任何側指向之光朝向光源往回或透過面向頂部表面向上反射。較佳地，束塑形配置正足夠強有力地準直使得退出其之大多數光射線已符合次級光學主體之角截止。然而超出束塑形光學器件之接受角且因此不準直至所要角度之任何光由此次級不透明光學主體捕獲。
此組態在截止角下允許高度指向之發射及高對比度，但具有顯著減小之尺寸。與光源之反射性覆蓋之側表面組合之準直光學器件確保一高指向性程度，而次級光學主體藉由捕獲異常指向之射線而確保高明度對比度。
該固態光源可包括任何種類之一LED，或更特定而言可包括一經圖案化藍寶石基板，且較佳地係一晶片尺度封裝LED。
微結構化意味存在束塑形裝置之總體區域內之束塑形組件之一陣列(一維或二維)，而非一單個透鏡或稜鏡。此意味結構自身及束塑形裝置與光源之間的空間兩者之高度可減小。
該反射結構可包括一反射薄膜塗層及一支撐基底層。在此配置中，一薄膜塗層覆蓋該光源之該等面向側面表面，從而提供抑制光之逸出之一反射覆蓋物，且另外一毗鄰支撐基底層提供用於配置之結構且亦為其上面之次級不透明光學主體提供支撐。
一薄膜組態允許總體配置之一顯著減小之佔用面積，其中該支撐基底層在面積上不大於該固態光源之該發光頂部表面。藉由使該薄 膜僅環繞該光源之該等側表面同時使該支撐基底層擱置在該光源之該頂部表面之邊緣周圍而達成此。以此方式，使該光源頂部發射，結構上支撐該次級光學主體，但總體配置之尺寸不延伸超過固態光源自身之尺寸。
該發光配置可進一步包括光學地定位在該光源下游且光學地定位在該束塑形配置上游之一磷光體層，該磷光體層具有小於該固態光源之該發光頂部表面之面積之一面積。此種類之尺寸過小之磷光體層進一步減小總體裝置佔用面積之尺寸且另外藉由減小光源之表觀發射大小而改良亮度。該磷光體可包括一Lumiramic(商標)類型磷光體。與薄膜配置(及經減小大小之支撐基底層)組合使用一尺寸過小之磷光體允許在真實晶片級尺寸中實現低高度指向性光。
該發光配置可包括光學地在該光源下游且光學地在該束塑形配置上游之一氣隙。該束塑形光學器件與該光源之間的一氣隙產生經減小準直角度及較窄束寬度(針對一給定傳播距離)。一氣隙因此可在不增加次級準直光學主體之尺寸之情況下允許一較窄準直角度。
該光學不透明主體可包括具有一非反射表面之一黑色主體或具有一反射表面之一主體。使用一非反射(亦即完全吸收)主體帶有如下優點：實際上不產生次級經反射射線，且因此可顯著減小封裝之總體高度。此與(舉例而言)基於全內反射之準直器形成對比，其中次級射線經產生且必須隨後自準直器之表面反射數次以便獲得在所要極限內之一傳播角度。
環繞每一光源之一黑色非反射表面亦用於增強所發射束之對比度。藉由光學地在下游之漏斗表面、光學束塑形器或任何其他表面朝向光源往回反射之任何光經吸收及捕獲，而非藉由固態光源之通常反射性周圍事物往回反射。以此方式，光源封裝之明度更集中於光源自身上且來自其周圍事物之任何雜散光係可忽略的。實際上，理想地， 光源係配置中之唯一明度源；所發射光射線僅自此一個位置發出。
該束塑形配置可包括一菲涅耳板。
在一項實施例中，複數個該等發光配置經組合以形成一較寬廣照明單元。在LED汽車照明中，舉例而言，在每一頭燈單元內利用一個以上LED封裝，以便產生所需要之總體明度。發光配置之不同經塑形組態可用於產生不同所得束輪廓。
根據本發明之另一態樣，提供一種製造複數個發光元件之方法，該方法包括提供複數個固態光源單元，每一固態光源單元具有一發光頂部表面及一或多個橫向側表面；提供一產品載體板；將該等固態光源單元分佈在該產品載體板上；填充該等經分佈固態光源單元與一反射材料之間的間隙，以便提供覆蓋該等光源單元之該或該等橫向側表面之一反射基底結構；在該反射基底結構上方施加一微結構化束塑形配置；提供具有複數個漏斗結構之一不透明光學主體，每一漏斗結構具有在其基底處之一第一開口；將該不透明光學主體定位在該反射基底結構之頂部上，使得該第一開口在一對應固態光源單元上方且每一漏斗結構環繞正交於該等對應光源單元之該發光頂部表面之軸，及將配置分離成單一發光元件。
此方法具有基板級之一程序流程，其透過(舉例而言)層壓及模製技術之使用實現該複數個發光元件之並行處理。
該固態光源單元可包括諸如一經圖案化藍寶石基板LED之一固態光源。
該方法可進一步包括提供覆蓋該等光源單元之該一或多個橫向 側表面之一反射薄膜塗層。舉例而言，可在填充該等經分佈光源單元與該反射材料之間的間隙之前提供此。藉由用薄膜覆蓋面向側面表面，該反射基底結構不需要延伸超過該固態光源之該發光頂部表面，此乃因該光源之該等面向側面表面已由該薄膜覆蓋。以此方式，每一單一發光元件之該反射基底結構在面積上可不大於該固態光源之該發光頂部表面。
該方法可進一步包括施加該束塑形配置使得存在至該對應固態光源單元之一氣隙。
12‧‧‧光源/固態光源
14‧‧‧反射結構/層
16‧‧‧束塑形配置/光學束塑形器/束塑形光學器件/層/配置
18‧‧‧次級光學主體/不透明光學主體/次級準直漏斗/準直漏斗/反射結構/不透明主體/不透明漏斗/漏斗
20‧‧‧冷光磷光體層/磷光體層/層/磷光體
24‧‧‧氣隙
26‧‧‧光源單元/固態光源單元/照明單元/光單元/固態光源
34‧‧‧反射薄膜側塗層/薄膜塗層/反射薄膜塗層
38‧‧‧互連件
40‧‧‧產品載體/產品載體板/載體板
42‧‧‧反射材料/反射基底結構/層/反射結構
44‧‧‧束塑形配置/配置
46‧‧‧不透明光學主體/主體
現在將參考附圖詳細闡述本發明之實例，其中：圖1展示根據本發明之一發光配置之一第一實例；圖2展示根據本發明之一發光配置之一俯視圖；圖3展示根據本發明之一發光配置之一第二實例；圖4展示具有光源與束塑形配置之間的一氣隙之一發光配置之一第三實例；圖5展示根據本發明之具有薄膜側塗層之一發光配置之一第四實例；圖6展示根據本發明之具有薄膜側塗層及氣隙之一發光配置之一第五實例；圖7a至圖7e展示根據本發明之一實例之用於製造複數個發光元件之一方法之程序流程；圖8a至圖8c展示根據本發明之單一晶粒元件(SDE)之實例。
本發明提供一種用於產生具有清晰界定之束輪廓之指向性光投影之發光配置。來自具有反射側塗層之一頂部發射固態光源之光在傳播穿過一次級準直漏斗之前經由一束塑形光學器件經預準直，從而捕 獲具有仍然太大之一逸出角度之任何光射線。可透過一薄膜側塗層及尺寸過小之磷光體層之使用達成晶片尺度封裝尺寸。基板級程序流程進一步允許複數個裝置之並行處理。
該配置經設計以達成具有高對比度之指向性光發射，但在晶片級尺寸下。晶片級尺寸意味歸屬於標準地理解為使配置為一晶片尺度封裝之彼等尺寸內的被視為一封裝之發光配置之尺寸。高對比度發射意味束邊緣處之一高對比度；所產生束具有清晰界定之邊界之程度。
在本發明之某些實例內利用之束塑形配置執行一束塑形功能。在光以一受控制退出角度範圍退出以照明一所要視角之意義上，此功能可(舉例而言)至少近似一部分準直功能。在下文之實例中，為了易於闡釋，光學功能將稱為「準直」，但將理解，此不應被視為具限制性。在各種實施例中，本發明可產生具有(舉例而言)一不同寬度範圍之一不同束形狀範圍。舉例而言，自僅將發射限制於具有直接與表面法線平行之退出角度之射線之意義而言，產生一極寬束輪廓之一實施例可包含其功能與真實準直之功能相差甚遠之一束塑形配置。
在圖1中，展示根據本發明之一發光配置之一第一實例。一固態光源12具有由一反射結構14環繞之面向側面表面，反射結構14覆蓋該等表面使得光能夠僅透過固態光源12之面向頂部表面逸出。視情況，亦可提供一磷光體層20，透過固態光源12之面向頂部表面發射之光傳播至磷光體層20中。在此情形中，反射結構進一步覆蓋磷光體層之面向側面表面，從而確保除固態光源12之外僅透過磷光體層之面向頂部表面發射光。
跨越固態光源12(或磷光體層20，其中提供一者)之頂部表面定位：一束塑形配置16；一光學主體，其對透過光源(或磷光體層)之頂部表面發射之光執行一束塑形功能。特定而言，該束塑形配置可用以準直或部分地準直通過其之光。
具有一漏斗狀結構之一次級(不透明)光學主體18定位於反射結構之頂部上方，其主表面環繞法向於固態光源12之發光頂部表面之軸。該漏斗結構執行一次級準直功能：透過束塑形配置16之頂部表面退出之光透過一近端開口進入漏斗結構且沿著該結構之縱向軸朝向在其尖端處之一遠端開口傳播。以太寬之一傳播角度退出束塑形配置之光射線入射於準直漏斗之表面上且被表面吸收或朝向漏斗之近端往回反射。以此方式，僅允許具有歸屬於由漏斗之邊界界定之彼等角度內之傳播角度之射線透過遠端逸出。在一較佳實例中，由漏斗之邊界相對於漏斗之中心縱向軸之基底界定之角度小於或等於40度。該漏斗可係圓形的，在該情形中此40度或更少角度施加在該結構周圍。然而，其可並非圓形的。漏斗之中心縱向軸之基底與漏斗之頂部邊緣處之任一點之間的最大角度接著可係40度或更少。
圖2展示圖1之實例之一俯視圖，其展示兩個光學元件(不透明光學主體18及束塑形配置16)跨越配置之頂部表面之完全延伸。
束塑形配置16之光學性質可經選擇以便提供與一特定所要束輪廓對應之一更大或更小準直程度。在一較佳實施例中，束塑形配置實質上判定最終輸出之光之束輪廓，其中次級準直漏斗18捕獲透過束塑形配置發射之總光之僅一小部分。
根據一項實施例，束塑形配置16由一菲涅耳板或菲涅耳箔組成。菲涅耳箔基於菲涅耳透鏡之原理由準直或部分準直之光學性質表徵。舉例而言，該板可包括面朝或背對源之稜柱凹槽或稜柱/角錐體結構之一對稱或不對稱陣列。該等稜柱或角錐體元件可跨越板之表面在其形狀方面或在其他光學性質方面變化，以便使入射光在跨越板之不同點處折射不同度數。形狀或其他光學性質之總體分佈可經選擇以便產生所需要之特定準直度。
菲涅耳透鏡帶有優於習用透鏡之顯著優點，此乃因可藉助顯著 減小之質量及厚度達成一大光圈及短焦距。可使菲涅耳結構與習用透鏡對應物相比較顯著較薄，且在菲涅耳箔或板之情形中採取一平面薄片之形式。短焦距使其尤其適合用於小型化照明應用，且經最小化厚度允許照明封裝之經減小總體厚度。
菲涅耳結構亦能夠捕獲比習用透鏡更傾斜之角度之光，從而允許一更高效準直行動：然而退出固態光源12之可以其他方式超出一習用透鏡之接受角度之傾斜射線由菲涅耳箔捕獲且準直。此允許照明封裝之較大總體效率，此乃因較少光必須由次級準直漏斗18吸收。
根據一項實例，束塑形配置包括藉由包括具有線性地而非圓形地配置之一組平行角錐體脊狀物之一或多個光學薄片表徵的一經增強或經調適菲涅耳箔。特定而言，此配置可包括兩個微結構化薄片，每一薄片包括一結構化層，該等結構化層具有背對光源之伸長局部平行脊狀物之一陣列，且具有在每一脊狀物之頂點處之一頂角，其中一個薄片之脊狀物與另一薄片之脊狀物交叉使得局部交叉角度介於30度與150度之間。交叉脊狀物反射以特定角度入射之光且折射及透射以其他角度入射之光。此變化帶有如下之特定優點：入射於結構上之在一特定臨界角圓錐體內之光朝向磷光體或光源往回反射而超出此角圓錐體之光經折射及透射。黑色經反射光在磷光體(其中提供光源)中散射且隨後具有透過菲涅耳箔逸出之一第二次機會。
光回收之此性質允許束塑形配置在不具有強度損耗之情況下更靠近於磷光體及/或光源定位，此乃因超出臨界接受角以用於折射及透射之射線不犧牲而是透過反射經重新指向。經反射光在重新指向之後仍退出單元，一些經反射光在封裝內反彈使得由光源產生之幾乎所有射線最終在所要準直角度範圍內退出封裝。
存在準直漏斗18之光學特性之至少兩個實例。
根據一第一實例，準直漏斗18係具有一非反射表面之一黑色主 體。使用一非反射(亦即完全吸收)主體帶有如下優點：實際上不產生次級經反射射線，且因此可顯著減小準直器之高度。此與(舉例而言)基於全內反射之準直器形成對比，其中次級射線經產生且必須隨後自準直器之表面反射數次以便獲得在所要極限內之傳播角度。
儘管一吸收表面意味超出所要角度極限之光犧牲而非經反射及重新指向，但一菲涅耳箔之使用確保由光源產生之總光之僅一小部分以此方式損耗。因此，可在不具有輸出效率之顯著損耗之情況下達成一吸收次級準直主體之維度優點。
環繞每一光源之一黑色非反射表面亦用於增強所發射束之對比度。藉由光學地在下游之漏斗表面、束塑形配置16或任何其他表面朝向固態光源12往回反射之任何光經吸收及捕獲而非藉由固態光源之通常反射性周圍事物往回反射。以此方式，光源封裝之明度更集中於光源自身上且來自其周圍事物之任何雜散光係可忽略的。
另外，亦可藉由延伸一黑色非反射光學主體之材料以便阻擋並吸收透過直接圍繞光源之反射結構材料之任何潛在洩漏而改良對比度。反射結構自身通常可構成一體積散射體材料。此一材料取決於厚度而係高度反射的，但可仍透射入射光之某一部分。藉由僅僅將一不透明結構或層放在頂部上而覆蓋材料輔助阻擋此潛在洩漏。
根據一第二實例，準直漏斗18係具有一反射表面之一主體。在此情形中，具有太大一逸出角度之光不經吸收及犧牲，而是經反射。該光可(舉例而言)朝向束塑形光學器件16往回反射或可自準直漏斗之表面進一步反射。一反射表面確保光不損耗且因此最大化效率。然而，對比度在某種程度上受損害，此乃因一小比例之射線可經由自漏斗表面之反射逸出漏斗之遠端，此等射線不具有在漏斗形狀界定之極限內之傳播方向。因此，所產生之束邊緣可展現較大乏晰度。然而，與黑色主體一樣，一菲涅耳光學器件之使用可顯著限制此效應之程 度，此乃因大多數射線已符合所要角限制。
根據一特定實施例，固態光源係一半導體發光二極體(LED)。
然而，在其他實例中，利用其他類型之固態光源，舉例而言有機發光二極體(OLED)、聚合物發光二極體(PLED)或雷射光源。與(舉例而言)白熾或螢光照明源相反，固態光源由於其小質量及尺寸以及其低熱產生及經減少寄生能量耗散而尤其適用於本發明。
根據另一實施例，由本發明利用之LED特定而言係一經圖案化藍寶石基板(PSS)晶片尺度封裝(CSP)LED。經圖案化藍寶石基板LED帶有如下優點：與更習用基板組合物之LED相比較之經增加亮度。藍寶石基板之表面上之圖案化減少在到達基板邊界之後往回反射至LED中之光量，且因此改良元件之總體亮度。
在一較佳實例中，使用一藍色PSS CSP LED。在此情形中，可透過使用光致發光將所產生之藍色光「轉換」為一(近似)白色光光譜而達成白色光發射。
圖1之實例展示位於固態光源12與束塑形配置16之間的一專用磷光體層20，專用磷光體層20起作用以便修改由配置輸出之光之光譜。應理解，具有此一磷光體層之一配置係本發明之一限制性實例，而非本發明在其寬廣意義上之一實例。在最簡單實施例中，選擇發射已為一所要光譜之光之一固態光源，且因此不需要一冷光磷光體。
在光源係如上文所闡述之一藍色PSS CSP之情形中，舉例而言，可使用由YAG(Y3Al5O12)組成之一磷光體層20，其中此可或不可為經鈰(III)摻雜之YAG(Y3Al5O12：Ce3+)。此一層用於吸收來自藍色LED之光且以自綠色至紅色之一寬廣範圍發射，其中大多數輸出呈黃色。所得發射近似白色光輸出。
用於藍色LED之磷光體之其他實例包含某些光致發光稀土摻雜之矽鋁氮氧化物陶瓷，諸如銪(II)摻雜之β-SiAION，其吸收紫外光及可 見光且發射強烈寬帶可見發射。針對白色發射，一藍色LED可與一綠色及黃色SiAION磷光體一起使用。
在圖1中以及圖4至圖8中所繪示之特定實例中，提供與其下面之固態光源12相比較「尺寸過小」之一磷光體層20。在此情形中，反射結構18向內延伸超過光源之面向側面表面之邊界，從而部分地覆蓋面向頂部表面，以便進一步覆蓋磷光體之面向側面表面。
然而，以此方式，磷光體層通常可並非尺寸過小的，且可延伸以覆蓋光源之整個頂部表面。圖3展示此一配置之一項實例。此處可見：反射結構14不需要延伸超過光源之面向側面表面之邊界以便覆蓋磷光體之側表面，此乃因磷光體之面向側面表面與光源之彼等面向側面表面對準。另外，在圖3之特定實例中，相對於下面之光源之寬度，次級準直漏斗已在其基底處經加寬。以此方式，減小光圈之總體大小，藉此提供與藉由一尺寸過小之磷光體之使用所達成相當之一發射面積。一較小發射面積導致光源之較大表觀亮度。
此外，可使所覆疊漏斗結構之底部表面為反射的，藉此允許入射光子往回至磷光體或下面之光源中之回收。
另外在圖3之實例中，束塑形配置具有僅在不透明主體18之內邊界之間伸展之一橫向延伸部。實際上，此變化可另外應用於先前或隨後闡述之實例中之任何者。此配置之優點包含以下能力：使不透明漏斗18進一步「沉陷」至反射結構14及磷光體層20(圖3中未展示)中，藉此將該結構「鎖定」至下面之配置中且另外有助於阻擋來自反射結構14及/或束塑形配置16及/或磷光體層20之側之任何光射線之逸出。
除更改束塑形配置16之光學性質之外，亦可藉由在固態光源12之頂部表面與束塑形配置之入射表面之間包含一低折射率媒介層而使所發射束之輪廓變化。
因此，在一項實施例(圖4中展示其一實例)中，在固態光源12與 束塑形板之間(或在磷光體層20與束塑形板之間)提供所發射光必須行進跨越其之一氣隙24。針對包含此一氣隙之一封裝，與藉由不包含一氣隙之一封裝產生之輪廓相比，所產生之束具有一相當較窄輪廓。或相等地，針對相同準直效應之產生，與具有一氣隙之一配置相比，不具有一氣隙之一配置需要較大尺寸之光學元件(亦即束塑形光學器件及不透明光學主體)。
一氣隙之包含限制光學組件之尺寸，此乃因自間隙之空氣傳遞至束塑形光學器件之較密集材料之光之折射效應使光射線向內朝向法線彎曲。此折射充當一有效額外準直效應，從而窄化射線之傳播角度範圍，且因此允許一較小準直漏斗及/或束塑形層。
在一典型實例中，氣隙可具有僅幾微米之一垂直延伸部。實際上，理想地，氣隙儘可能地小：合意折射效應並不取決於跨越空氣層之束進行之行進距離，且因此一最小空氣層允許對應地照明封裝之最小總體尺寸。
在一理想實施例中，總體封裝之佔用面積將不超過光源自身之佔用面積。在光源係一LED之情況下，此將意味具有不大於單一晶粒元件(SDE)自身之佔用面積之佔用面積之一照明配置封裝，其中單一晶粒元件意味具有或不具有一磷光體之一單個LED封裝。圖8a中展示一SDE之一實例。
為實現此，不需要反射結構14橫向延伸超過固態光源12之最大橫向延伸部。然而，此一限制將破壞本發明內之反射結構之功能中之一者：將一反射側塗層提供至光源之功能，藉此使其僅頂部發射。然而，可藉由用光源之一額外側塗層補充反射結構而克服此困難；僅最低限度地添加至總體封裝之橫向尺寸之額外側塗層。
因此，圖5中展示本發明之一實施例，其中提供用於覆蓋固態光源12及磷光體層20(應提供一者)之面向側面表面之一反射薄膜塗層 34。薄膜側塗層可透過諸如(舉例而言)濺鍍沈積之一物理汽相沈積(PVD)程序施加至光源及磷光體層。層之材料可包括一合金或另外一或多個反射金屬，諸如(舉例而言)銀或鋁。
反射結構14因此可在其橫向尺寸方面受限制以便不延伸超過光源14之面向頂部表面之邊緣，此乃因反射薄膜塗層34滿足使側指向之射線往回朝向固態光源12反射之角色。甚至具有此等經減小尺寸之結構保持能夠履行本發明內之其其他功能：為定位於其頂部上方之不透明光學主體18以及束塑形配置16提供結構支撐之功能。以此方式，總體封裝可具有真實晶片級尺寸。
如圖5之實例中提供之一尺寸過小之磷光體20留下環繞其之一周界表面(反射結構14可在其上擱置且找到支撐)，反射結構又為上面之不透明光學主體提供支撐。然而，在一替代實例中，可使用延伸跨越光源之整個頂部表面之一通常大小之磷光體，如圖3之實例中所展示，且薄膜塗層施加至此等層之側。在此情形中，可一起消除反射結構14，不透明光學主體完全由磷光體層20結構支撐。
可針對上文所論述之實施例中之任一者提供薄膜，以便使其為晶片級尺寸。舉例而言，在圖6中展示在具有經減小反射結構及所施加薄膜側塗層之情況下具有一氣隙之一配置(類似於圖4中所展示之配置)之一實例。
在諸多應用中，需要複數個發光配置且組合該等發光裝置以形成一較寬廣照明單元。在LED汽車照明中，舉例而言，在每一頭燈單元內利用一個以上LED封裝，以便產生所需要之總體明度。進一步地，根據本發明之發光配置之以不同方式塑形之組態可用於產生不同所得束輪廓。舉例而言，照明封裝之一圓形組態可用於產生一圓形束輪廓。
照明配置之晶片級尺寸允許具有基板級之程序流程之製造方 法；可使用自基板級累積之方法同時製造根據本發明之複數個照明配置。
因此，圖7a至圖7e中展示用於製造根據本發明之複數個發光元件之一方法之一實例之程序流程中之步驟。如圖7a中所展示，首先在一產品載體板40上以所需要間距重新配置光源單元26。圖8a中更詳細地展示圖7a之光源單元之一單個實例。該單元由安裝於用於進行與產品載體板40之連接之兩個互連件38頂部之一固態光源12組成。
在圖8a及圖7a至圖7e中所繪示之實例中，光源單元進一步包括一尺寸過小之磷光體層20。與圖1至圖6之實例一樣，磷光體層不被認為本發明之此態樣之一實質元件。舉例而言，在固態光源係一藍色LED之情形中，可期望具有一磷光體之一光源單元以便產生白色發射。然而，在一替代實例中，使用具有固有白色發射之一光源，且因此不需要一磷光體層。
繼光源單元26之分佈之後，用一反射材料42填充該等光源單元之間的間隙，如圖7b中所展示。該反射材料提供覆蓋光源單元之該或該等橫向側表面之一反射基底結構。該填充程序可包括(舉例而言)藉由使用一注射器或其他沈積工具在光源單元之間沈積反射材料42之一分配程序。在另一實例中，該程序可包括一模製。
舉例而言，所形成反射基底結構之材料可包括具有反射鈦氧化物之一聚矽氧組合物。
如圖7c中所展示，接著在反射材料42上方施加一束塑形配置44。該束塑形配置可(舉例而言)包括一菲涅耳箔或另一選擇係可包括一不同光學配置以用於提供一束塑形功能。在某些實例中，束塑形配置44可提前經預製作且隨後透過(舉例而言)層壓施加至反射材料42。然而，在替代實例中，可透過(舉例而言)一印刷或旋塗程序就地形成及施加該束塑形配置。
在任一實例中，可作為一單個完整結構形成及施加束塑形配置44，或另一選擇係可以階段形成及/或施加束塑形配置44。在預製作該結構之情形中，可以單件形成該結構，但隨後以若干個階段切割及施加該結構。在就地形成該結構之情形中，可作為一個程序步驟跨越整個照明單元陣列形成該結構或可透過複數個子步驟(舉例而言，在每一照明封裝頂部個別地印刷配置之件)形成該結構。
在一最終實例中，可作為一單個連續結構形成及/或施加束塑形配置44，但束塑形配置44經受一後續程序，其中透過(舉例而言)一機械或雷射切割程序移除特定區段。在圖3之實例性實施例中，舉例而言，束塑形配置僅在不透明漏斗18之內邊界之間延伸。可透過如上文所闡述之一切割程序實現此一配置；在施加之後移除與漏斗18之佔用面積一致之配置16之區段。另一選擇係，可在施加束塑形配置44之前透過先前段落中所闡述之實例性程序中之一者消除此等區段。
在施加束塑形配置44之後，旋即隨後將具有複數個漏斗結構之一不透明光學主體46定位在反射基底結構之頂部上，如圖7d中所展示。該複數個漏斗中之每一者具有在其基底處之一第一開口，且該結構經定位使得每一第一開口位於一對應光源單元26上方。可透過(舉例而言)一外模製程序執行不透明光學主體46之施加，或在一替代實例中，主體可經預製作且隨後以一適當位置固定至反射基底結構。
在圖7d中所繪示之實例中，不透明光學主體46定位在層42之頂部表面上面。然而，在替代實例中，主體可替代地嵌入或沉陷至層42中，藉此將其鎖定至適當位置中，且另外允許主體執行阻擋自磷光體層之面向側面表面洩漏之任何光之功能。
最終，如圖7e中所展示，將圖7d之結構分離成個別單一晶粒元件(SDE)。圖8c中展示藉由此程序製造之一SDE之一實例。
在圖7中所繪示之實例中，提供達到高於照明單元26之頂部表面 之位準之一位準之反射材料42，使得單一晶粒元件(SDE)(圖8b中更詳細地展示其一實例)併入緊接在束塑形配置16下面之一氣隙24。與圖4之實施例一樣，一氣隙之包含使藉由SDE產生之束之輪廓變化；特定而言，一氣隙將窄化所產生之束。
在將併入一氣隙之情形中，可(舉例而言)藉由用反射材料將圖7a之配置填充至圖7b中所繪示之位準且隨後移除直接在照明單元中之每一者上面之材料之若干部分而達成此。另一選擇係，在用反射材料42填充照明單元之間的間隙(如圖8b中)之前，可另外在磷光體(或光源)頂部施加一犧牲層。在此情形中，一旦已提供反射材料42就藉由僅僅移除犧牲層而達成氣隙，其中此包括將間隙填充高達犧牲層之頂部表面之位準。
存在可藉以製造包含一氣隙之SDE之方法之三個其他變化實例。在第一實例中，與一空氣填充之頂部層一起使用包含一嵌入式空氣腔及YAG(Y3Al5O12)之一層堆疊之層狀磷光體。在此情形中，因此，磷光體層20有效地延伸以填充由圖8b及圖8c之實例性SDE中之磷光體層及氣隙24佔據之整個空間。然而，磷光體層自身包括其最頂層係空氣填充之又一層狀結構。
在一第二實例中，在用反射材料42填充間隙之前，將具有經併入空氣包含物之一薄片材料層施加至光單元26(具有或不具有磷光體)之頂部。薄片材料扮演氣隙之角色且可延伸至由後者以其他方式佔據之高度。
在一第三實例中，在將不透明光學主體46提供至反射基底結構42之頂部之前將一暫時填充物材料(例如抗蝕劑)施加至光源單元26(具有或不具有磷光體)之頂部。在光學主體之固定之後，自直接在光源單元26上面之空間移除暫時填充物材料-使此等空間不被上面之光學主體覆蓋。可(舉例而言)透過一溶劑之使用容易地移除填充物材 料，溶劑之一般施加將僅穿透直接在每一光源單元上面之未經覆蓋空間，從而使將光學主體結構上支撐在其上面之填充物材料不被觸碰。
在用於製造具有氣隙或不具有氣隙之複數個固態照明配置之一方法之另一實例中，藉由提供覆蓋光源單元26之一或多個橫向側表面之一反射薄膜塗層之額外步驟補充圖7a至圖7e之方法。必須在提供反射結構42之前將側塗層施加至光源單元26。舉例而言，可在隨後將單元分佈在載體板40頂部之前將側塗層個別地施加至每一光源單元作為預備步驟，如圖7a中所展示。側塗佈層可係銀或鋁，舉例而言。
在提供一薄膜塗層之情況下，光源單元可更靠近在一起地配置於產品載體板40上，此乃因不需要藉由反射材料42製造之反射結構給照明單元26之橫向側表面提供反射覆蓋物，僅為束塑形配置44及不透明光學主體46提供結構支撐。在此情形中，藉由圖7e之分離步驟製造之SDE可具有圖5或圖6中所繪示之配置之形式。
依據對圖式、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所主張之發明時可理解及實現對所揭示實施例之其他變化形式。在申請專利範圍中，詞語「包括(comprising)」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a)或(an)」並不排除複數個。在互不相同之附屬請求項中陳述某些措施之僅有事實並不指示無法有利地使用此等措施之一組合。申請專利範圍中之任何參考符號皆不應解釋為限制範疇。

Claims (15)

  1. 一種經調適以製造一指向性光束之發光配置，其包括：一固態光源(12)，其具有一發光頂部表面及一或多個橫向側表面；一反射結構(14)，其覆蓋該或該等側表面；一微結構化束塑形配置(microstructured beam shaping arrangement)(16)，其施加至該反射結構(14)；及一不透明光學主體(18)，其定位在該反射結構(14)上方以用於限制該指向性光束之角擴展，該不透明光學主體具有在其基底處用於接收來自該固態光源(12)之光之一第一開口及環繞法向(normal to)於該固態光源之該發光頂部表面之軸的一錐形漏斗結構(tapered funnel structure)，該錐形漏斗結構向在其頂部處之大於該第一開口之一第二開口打開。
  2. 如請求項1之發光配置，其中該固態光源(12)係一LED。
  3. 如請求項2之發光配置，其中該固態光源(12)係一經圖案化藍寶石基板晶片尺度封裝LED。
  4. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其包括覆蓋該固態光源(12)之一或多個橫向側表面之一反射薄膜塗層(34)。
  5. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其中該反射結構(14)在面積上不大於該固態光源(12)之該發光頂部表面。
  6. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其包括光學地定位在該固態光源(12)下游且光學地定位在該微結構化束塑形配置(16)上游之一磷光體層(20)，該磷光體層具有小於該固態光源之該發光頂部表面之面積之一面積。
  7. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其包括光學地定位在該光源下游且光學地定位在該束塑形配置(16)上游之一氣隙(24)。
  8. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其中該光學不透明主體(18)係具有一非反射表面之一黑色主體，或具有一反射表面之一主體。
  9. 如請求項1至3中任一項之發光配置，其中該束塑形配置(16)包括一菲涅耳板(Fresnel plate)。
  10. 一種照明單元，其包括如請求項1至9中任一項之複數個發光配置。
  11. 一種製造複數個發光元件之方法，其包括提供複數個固態光源單元(26)，每一固態光源單元具有一發光頂部表面及一或多個橫向側表面；提供一產品載體板(40)；將該等固態光源單元(26)分佈在該產品載體板(40)上；用一反射材料(42)填充該等所分佈固態光源單元之間的間隙，以便提供覆蓋該等光源單元之該或該等橫向側表面之一反射基底結構；在該反射基底結構上方施加一微結構化束塑形配置(44)；提供具有複數個漏斗結構之一不透明光學主體(46)，每一漏斗結構具有在其基底處之一第一開口；將該不透明光學主體(46)定位在該反射基底結構(42)之頂部上，使得該第一開口在一對應固態光源單元(26)上方且每一漏斗結構環繞法向於該等對應光源單元之該發光頂部表面之軸；及將該配置分離成單一發光元件。
  12. 如請求項11之方法，其中該固態光源單元(26)包括一經圖案化藍寶石基板晶片尺度封裝LED。
  13. 如請求項11或12之方法，其包括使用該束塑形配置(44)使得存在至該對應固態光源單元(26)之一氣隙。
  14. 如請求項11或12之方法，其包括提供覆蓋該等光源單元之該一或多個橫向側表面之一反射薄膜塗層。
  15. 如請求項11或12之方法，其中每一單一發光元件之該反射基底結構(42)在面積上不大於該固態光源(26)之該發光頂部表面。
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