CN101438408A - 复合led模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合多色发光二极管器件，其包括第一发光二极管单元和设置在第一发光二极管单元顶部上的第二发光二极管单元。因此，本发明提供一种能够发出两种不同的电磁辐射波长的复合发光二极管器件。还可以设置第三发光二极管单元。该第三发光二极管单元可以设置在第二发光二极管单元的顶部，由此提供堆叠的三个发光二极管单元，或者该第三发光二极管单元可以设置在第一发光二极管单元上，由此提供并排地位于第一发光二极管单元顶部上的两个发光二极管单元。

Description

复合LED模块
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)。
背景技术
用于普通照明的LED模块(LED灯，LED发光体等)通常由单个LED制成，或者由二维排列的LED***制成。
LED的特点在于它以良好定义的波长产生单色光的能力。这个特点对很多应用都很有用，但却使白光的产生复杂化，因为根据定义，白光由多个波长的混合而构成。解决此问题的一种方式是向LED添加一种波长转换材料。例如，在蓝光LED上涂上一层能将一些蓝光转换为黄光的波长转换材料。由此，将转换的黄光与未转换的蓝光的混合作为白光来提供。然而，这种白光LED的亮度有限，从而不能满足于那些需要强光输出级的应用。
一种替代的解决方式是将来自两个或多个不同颜色LED(即来自于多种LED)的光混合起来。这种多LED的布置还可以简单地通过调整各个LED构件的相对功率，来对颜色外观提供动态调整。
一种这样的布置披露在JP07015044中，该专利还提出将不同颜色的LED单元放置在不同的高度，以改善光输出。然而，单个LED的亮度却受到限制。对于普通照明目的来说，必需将大量的LED放置在一起，这会使照明设备很笨重。对紧凑应用而言，笨重只是一般问题，然而由于会使同质颜色混合更加复杂，这往往还会带来器件颜色外观的问题。
因此，就需要能够提供高亮度、紧凑以及同质颜色混合的改进的LED。
发明内容
上述需要借助于权利要求1所述的本发明来满足。本发明其他的优选实施例在附加的从属权利要求中确定。
因此，依照本发明的一个方面，提供一种复合多色发光二极管，其包括第一发光二极管单元和第二发光二极管单元。每个发光二极管管单元具有上表面和下表面，并且分别可以工作来穿过其上表面发出第一波长和第二波长的光。另外，第二发光二极管单元的下表面设置在第一发光二极管单元的上表面上。换句话说，第二二极管单元设置在第一二极管单元的顶部，由此占据着第一二极管单元其发光上表面的一部分。因此，两个二极管单元可以设置在一个二极管单元的空间内。这是有利的，因为这可以提供可用空间的最大有效利用以及提供更好的颜色混合。
这些发光二极管单元基本上都是传统的LED单元，设置在彼此的顶部上。如现有技术众所周知的那样，LED单元可以具有许多不同的构造。每个LED单元都设置有两个用以提供驱动电压的电极。这些电极可以设置在单元的相对侧上，或者它们可以并排地设置在单元的同一侧上。因此，这些电极可以设置在单元的上侧或下侧。这些电极通常通过互连电路和接线(bond wire)连接在它们的驱动器上。
然而，依照一个实施例，第一发光二极管单元的上表面和第二发光二极管单元的下表面每个都包括电极，这些电极电互连起来。因此，第一单元和第二单元串联地连接，而不需要使用单独的互联电路或接线。实际上，接线的数目变得有限，从而使得更易于制造，并增大了发光表面(由于否则接线会占据一部分LED光路)。为了提高电和热性能，可以对传统发光二极管的电镀层作出专门的改进。这种附加电镀设计的一部分可以用来将第二二极管单元附接在第一二极管单元上，而另一部分，即电互连的部分可以接收接线，以同时驱动第一二极管的上电极和第二二极管的下电极。
依照本发明，还可以在这种复合LED器件内设置第三LED单元。依照一个实施例，第三LED单元设置在第一发光二极管单元的上表面。由此，两个LED单元并排地设置在第一LED单元上。可替代地，依照另一个实施例，第三LED单元设置在第二发光二极管单元的上表面上。由此提供三个LED单元的堆叠。
即使LED单元具有相对高的效率，也不可能避免部分驱动电流转换成热而不是光。在高功率LED模块中这特别是成问题的，因为其中热的产生是主要关注的问题。因此，依照一个实施例，LED还包括散热器(heat sink)，该散热器设置成接触第一发光二极管单元的下表面，并且可以工作来从所述第一发光二极管单元去除热。该散热器例如可以由具有高导热率和高吸热性的金属制成。
根据LED的构造，散热器还可以不仅仅接触第一LED单元。依照一个实施例，散热器还接触第二发光二极管单元的下表面。因此，散热器也可以工作来直接从第二LED单元去除热。
传统的LED单元可以理解为由产生光的P/N接口定义的二维结构。基于这种理解，本发明可以解释成三维结构，具有基本上平行排列但以第三维分开的两个或多个二维结构。每个LED单元都提供一个基本垂直于二维结构的光路。本发明的特征还在于设置在第一(底部)LED单元上的LED单元的光路占据了另外由第一LED单元提供的光路的一部分。本发明的一个具体实施例可以解释为包括具有第一发光表面的第一发光二极管，该第一发光二极管承载着具有第二发光表面的第二发光二极管，其中第二发光二极管设置得使从第一表面发出的光完全包围着从第二表面发出的光。从光混合的角度看，这个实施例是特别有利的。
与传统的LED布置相比，本发明是有利的，因为本发明提供了紧凑而又大功率的、具有高颜色混合度的LED模块。例如，通过组合如蓝光LED单元和黄光LED单元，本发明可以提供紧凑而又高功率的白光LED模块。因此，依照本发明的发光器件可以有利地用作普通照明目的。
通常，LED单元的类型有很多。第一类通常相对较薄，在前面的发光表面上带有两个电极极板(electrode pad)。相对的背侧表面通常设计来提供高热导率。在传统的LED布置中，这个背侧表面通常面对着载体基板或者散热器。依照本发明，这个背侧可以可替换地面对着另一LED单元。这些LED单元通常具有比其平面维度至少小两倍的厚度。
第二类LED单元类似于第一类，但是相反是在背侧设置两个电极极板。从发光角度看这是有利的，因为单元的发光表面不会被接线等阻挡。
第三类LED单元通常比上述两类稍厚，在每侧带有一个电极极板。换句话说，一个电极极板设置在前面的发光表面上，另一个电极极板设置在相对的背侧表面。
任何一类的LED单元都可以用来构成根据本发明的复合LED模块。薄类型的LED单元优选地被改变来提高电学和热性能。例如，为了有利于进行另一LED单元的传统附接，向顶部表面添加额外的金属电镀。还可以添加电镀结构，以用于附接的LED单元的电互连(类似于接线点(bond wire pad))。
然而，还可以在顶部表面上使用传统的LED单元而不用任何改变来构成LED堆叠。例如，可以在两个LED单元之间使用中间的传统小片附接材料(die attachmaterial)来附接。
一旦提供LED堆叠，就可以使用传统的接线工艺来向模块分配剩余的电互连。然而，处理步骤的顺序并不是特定的。例如，可以在附接第二LED单元之前设置第一LED单元的接线。在这种情形中，为了避免在建立下一个互连时之前形成的互连再熔化，可以使用不同类型的焊料，如半导体封装周知的那样。
一种将LED单元附接在另一LED单元上的传统方式是使用小片附接材料。小片附接材料必须应用在两个LED单元之间，然后执行热处理来建立互连。小片附接材料可以例如是焊料，镀银环氧树脂(silver filled epoxy)或镀银玻璃材料(silver filled glass material)。
实际上，将LED单元附接到另一LED单元上通常会比将LED单元附接在传统的基板上更简单。通常，当将LED单元时接在传统的基板上时，与基板材料相比，LED材料的热膨胀系数(CTE)会存在着实质上的差别。当驱动LED单元时，在LED内会产生热，从而在附接面产生应力负载。当将LED单元附接在LED单元上时，各个材料通常具有更类似的CTE。因此，在LED/LED接口上温度诱导的应力负载会比LED/基板接口上的低。因而，可以使用那些由于CTE不匹配而不适合在传统的互连里使用的很薄、易碎的高导热小片附接材料。
通过以温度控制的方式驱动各个LED单元，可以进一步减小应力负载。例如，第一LED单元的温度可以由其电驱动电流确定，并且通过控制第二LED单元的电驱动电流，第二LED单元的温度可以制成自动地跟随第一LED的温度。
附图说明
参看举例说明的附图，将给出优选实施例的详细描述，在附图中：
图1说明依照本发明具有彼此堆叠的两个LED单元和三个LED单元的LED模块的顶视图和横截面图；
图2说明依照本发明具有堆叠在散热器上的三个LED单元的LED模块的横截面图；
图3说明排列成一行、形成呼叫灯(line lamp)的光源的八个LED模块；
图4说明排列成3×3阵列、形成聚光灯的光源的九个LED模块；
图5说明具有用以反射、混合并聚焦从LED发出的光的反射器并具有绝缘封装(dielectric encapsulation)的LED模块；
图6说明类似于图5但还设置有准直器的装置；
图7说明具有在反射器内排列的LED模块阵列的照明模块的横截面；
图8说明复合发光二极管单元的横截面，其中一种小片附接(die-attach)材料被用于附接二极管单元；
图9是说明从依照本发明的LED模块发出的光的透视图；
图10说明具有两个并排的堆叠的器件的顶视图和侧视图，每个堆叠都包括三个LED单元；
图11说明使用在第一发光二极管单元上设置的组合电极/焊料垫，堆叠在该第一发光二极管单元顶部的第二发光二极管单元的横截面图；
图12a和12b说明对上面的发光二极管单元提供增强安装的电镀结构的透视图和横截面图。
具体实施方式
图1说明两种替代的复合LED，LED100是两种颜色-蓝光100和黄光102复合LED，LED 110是三种颜色-红光103、绿光104以及蓝光105复合LED。
在替代的实施例中，如图2所示，复合LED200设置有散热器204，LED单元201、202以及203排列在散热器204上。散热器204用以在工作期间从LED单元去除热。
这种复合LED可以有利地用在很多应用中。例如，如图3所示，8×1阵列的复合LED可以设置在呼叫灯300中。在图4中还示出一种采用聚光灯400形式的替代结构，具有3×3阵列的复合LED 401。
依照一个实施例，如图5所示，复合LED 501可以设置有反射器502。在这样的设置中，复合LED还可以封装在封装材料503中。反射器例如可以由铝形成，并限定一个腔，从复合LED发出的光在该腔内混合并聚焦。依照一种设计，该腔是开放的，由此直接与光模块周围的环境相通。依照另一种设计，如图6所示，腔内填充一种洁净电介质，该电介质形成准直器604，对发出的光具有准直效应。除准直器604之外，图6所示的复合LED类似于图5所示的复合LED，以从6而不是从5开始的相应参考数字指示各个部件。准直器604具有透镜形状，该透镜形状取决于期望的准直效果。特别地，准直器可以具有透镜形状的外表面(如准直器604所指示的)，或者可以具有平坦的外表面(未示出)。
反射器通常用来聚焦和混合从复合LED发出的光。依照另一个实施例，多个复合LED 701排列在共同的反射器702内，位于共同的封装层703后面。类似于图6所示的排列，这种复合LED可选地装配有准直器。
图8是两种颜色的复合LED的横截面图，蓝光LED单元803设置在绿光LED单元802的顶部。该器件设置在散热器801上，中间隔有导热衬垫806。这种下面的绿光LED单元802位于散热器801上的设置类似于传统的单个LED单元。与传统的LED设置一样，接线804附接到LED单元，以提供驱动电压。
上面的蓝光LED单元803借助于传统的小片附接材料805附接在下面的绿光LED单元802上，小片附接材料805用以固定该两个LED单元。上面的LED是直接附接在下面的LED上的。特别地，与LED单元应用在散热器或基板上相比，这种上面的LED单元的应用不必考虑上下LED单元之间热膨胀系数的任何实质差别。基本上，所有的LED单元都具有相同的基本结构，从而在响应温度变化时表现得基本相同。然而，对于例如安装在散热器上的LED单元，情形通常并不如此。
图9说明三色复合LED的示意性透视图，绿光LED 902在底部排列在散热器901上。蓝光LED单元903和红光LED单元904并排地排列在绿光LED单元902上。绿光LED单元和蓝光LED单元都具有它们各自的设置在单元上侧的接触垫，而红光LED单元具有一个设置在上侧的接触垫和一个设置在下侧的接触垫。因此，蓝光LED单元903设置得与绿光LED单元902电分离，而红光LED单元904设置成以其下面的接触垫直接接触绿光LED单元902上面的一个接触垫。由此，只使用两个接线910和912，就可以串联地驱动绿光LED单元和红光LED单元。蓝光LED单元使用接线911和913采用传统的方式驱动。实际上，接线的总数由六个减小到四个，由此降低了制造的复杂性，并提高了器件的有效发光面积。
图10示出又一个实施例的顶视图和横截面图，蓝光LED单元1003和绿光LED单元1002并排地排列在基板1001上。每个蓝光LED单元和绿光LED单元还具有堆叠在其上的红光LED单元和黄光LED单元1004、1005、1006、1007，由此形成两个并排排列的堆叠，每个堆叠具有彼此堆叠的三个LED单元。依照这个实施例，绿光LED单元和蓝光LED单元每个都具有设置在上侧的接触垫，而红光LED单元和黄光LED单元具有设置在上侧的一个接触垫和设置在下侧的一个接触垫。由此，每个堆叠可以只使用两个接线进行驱动。从光效率方面看，这提供了特别有利的设计。
图11还示出了另一个实施例，其中绿光LED 1101设置在散热器1105上，并承载着蓝光LED单元1102。绿光LED单元的接触垫都设置在顶侧，而蓝光LED单元的接触垫都设置在下侧，与绿光LED单元的接触垫对准。由此，该两个LED单元可以有效地使用相同的触点，而只需要两个接线1104。
图12说明具有蓝光LED单元1201和红光LED单元1202的复合LED 1200的分解图。
总之，本发明提供一种复合多色发光二极管器件800，其包括第一发光二极管单元802和设置在该第一发光二极管单元802顶部上的第二发光二极管单元803。因此，本发明提供一种能够发出两种不同的电磁辐射波长的复合发光二极管器件。还可以设置第三发光二极管单元。该第三发光二极管单元可以设置在第二发光二极管单元的顶部，由此提供堆叠的三个发光二极管单元，或者该第三发光二极管单元可以设置在第一发光二极管单元上，由此提供并排地位于第一发光二极管单元顶部上的两个发光二极管单元。

Claims (9)

1.一种复合多色发光二极管(100；110)，包括第一发光二极管单元(101；103)和第二发光二极管单元(102；104)，每个发光二极管管单元具有上表面和下表面，并且分别可以工作来穿过其上表面发出第一波长和第二波长的光，其中第二发光二极管单元(102；104)的下表面设置在第一发光二极管单元(101；103)的上表面上。
2.依照权利要求1的复合多色发光二极管(900)，其中所述第一发光二极管单元(902)的所述上表面和所述第二发光二极管单元(904)的所述下表面包括电互连的电极，这些电极可以工作用来提供跨越各个发光二极管单元的驱动电流，借此所述第一发光二极管单元(902)电串联连接在所述第二发光二极管单元(904)上。
3.依照权利要求1的复合多色发光二极管(900；1000)，还包括具有上表面和下表面的第三发光二极管单元(903；1005；1007)，该第三发光二极管单元可以工作用来穿过其上表面发出第三波长的光。
4.依照权利要求3的复合多色发光二极管(900)，其中所述第三发光二极管单元(903)的下表面设置在所述第一发光二极管单元(902)的上表面上。
5.依照权利要求3的复合多色发光二极管(1000)，其中所述第三发光二极管单元(1005，1007)的下表面设置在所述第二发光二极管单元(1004，1006)的上表面上。
6.依照权利要求1的复合多色发光二极管(200)，还包括散热器(204)，其被设置为接触所述第一发光二极管单元(203)的下表面，并且可以工作用来从所述第一发光二极管单元(203)去除热。
7.依照权利要求6的复合多色发光二极管(200)，其中所述散热器(204)还接触所述第二发光二极管单元(202)的下表面，从而可以工作来直接从所述第二发光二极管单元去除热。
8.依照权利要求1的复合多色发光二极管(501)，还包括反射器(502)，其设置用来反射来自于所述发光二极管单元的光。
9.依照权利要求1的复合多色发光二极管(1200)，其中所述第一发光二极管单元(1201)包括焊料垫(1210)，所述第二发光二极管单元(1202)安装在该焊料垫上。
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