CN106415864B - 填充有密封剂的用于磷光体转换led的浅反射器杯 - Google Patents

Abstract

保形地涂覆有磷光体（28）的LED管芯（26）安装在浅的方形反射器杯（16）的底座（24）处。该杯具有以大约33度的浅角度从其底座向其轮缘向上倾斜的平坦反射壁（20）。透明密封剂（30）完全填充杯以形成光滑平坦的顶表面。以低角度来自LED管芯或磷光体的任何发射（48,50）在平坦的空气‑密封剂界面处朝向杯壁全内反射。这种组合的LED/磷光体光然后被壁（20）向上反射并且离开封装。由于由LED和磷光体发射的光的大百分比在离开封装之前通过TIR和壁而混合，所以反射光的颜色和亮度跨射束相当均匀。密封剂有意被设计成增强TIR以帮助混合光。

Description

填充有密封剂的用于磷光体转换LED的浅反射器杯

技术领域

本发明涉及封装的发光二极管（LED），并且特别地涉及填充有清澈密封剂的浅反射杯中的磷光体转换LED。

背景技术

常见的是，将LED管芯安装在印刷电路板（PCB）或其它衬底上以用于将LED的电极电气连接到PCB上的导电迹线。然后，具有中心孔洞的圆形反射器杯被贴附到PCB并且围绕LED管芯。对于磷光体转换而言，该杯然后用粘性磷光体混合物完全填充并且被固化以包封LED管芯。LED管芯光与磷光体光的组合创建期望的总体光颜色，诸如白光。该杯在某种程度上限制LED管芯的侧光发射并且将在大体向前的方向上重定向侧光。

在一些情况下，包含密封剂的半球形透镜粘附在LED管芯之上以改进光提取。这要求杯中的大中心孔容纳透镜。

以上所述封装的LED的一个缺点是磷光体光的光发射轮廓非常宽。由于磷光体处于圆锥形杯的轮缘处或甚至略微在其上方，所以从杯出来的磷光体光几乎为朗伯型（Lambertian）。由于LED管芯本身在杯中相当低，所以来自LED管芯的直射光更锋利地被杯限制，所以来自LED管芯的离开杯的直射光比朗伯型窄得多并且比磷光体光窄得多。因此，假设LED管芯发射蓝光并且磷光体发射黄光，则将在射束中的更中心的白光周围存在黄色光晕。这通常被称为磷光体光晕效应。

填充有磷光体的反射杯的一些示例在美国公开2013/0228810中示出。

LED管芯的包封对于增大光提取效率是重要的，并且密封剂被设计成具有在LED管芯的高折射率（例如对于GaN LED，n=2.5-3）与空气的折射率（n=1）之间某一地方的折射率（n）。在一些LED管芯中，LED管芯光从具有大约1.8的折射率的顶部蓝宝石窗口离开。常规硅树脂封装剂（包括透镜）的折射率可以从1.4到1.7。密封剂因而被设计成减少LED管芯内部的全内反射（TIR）。包封增益可以导致光输出的10-20%的增加。包封形状还被设计成最小化密封剂-空气界面处的TIR。

圆顶形包封是流行的，因为由LED管芯发射的光线大体上以直角撞击在圆顶的表面上。这使TIR最小化。如果包封形状类似于矩形棱柱，则由于LED管芯光线以低角度撞击在平坦的密封剂-空气界面上，将存在相对高的TIR，并且形状的对称性不允许光逃离。因此，具有平坦顶表面（暴露于空气）的密封剂并未在实际产品中使用，尽管它们可以在封装的LED的简化示意性示例中图示。

密封剂的一些其它已知形状包括角锥体，其具有破坏对称性并且允许光逃离的角度。然而，来自角锥体的TIR引起一些光被LED管芯及其安装衬底所吸收。一些角锥体类型的结构具有在它们的外表面中切割的角度凹槽以减少TIR。

出于各种原因，用户可能不满足于来自圆锥形杯的大体圆形射束，其由于磷光体光晕效应而具有差的颜色均匀性。而且，由于透镜增加了封装的高度，所以用户可能想要不要求透镜包封LED管芯的更浅封装。

所需要的是针对封装LED的新设计，其不经受以上所述现有技术的缺点。

发明内容

描述了一种封装LED管芯，其使用具有以大约33度的浅角度向上倾斜的四个平坦壁的浅的矩形反射杯。LED管芯安装在反射器的底座处，其中底座包括用于LED管芯电极的结合垫。以下描述假设蓝色LED和YAG黄色发射磷光体，尽管LED颜色和磷光体发射的其它组合（例如蓝色LED、YAG磷光体和红色发射磷光体）被设想到并且包括在本发明的范围内。

LED管芯具有保形磷光体涂层，其可以通过任何方法应用，诸如电泳、喷涂或任何其它合适的技术。在将LED管芯安装于杯中之前，向LED管芯应用保形磷光体涂层。因为磷光体涂层可以是稠密的，所以其可以是非常薄的以最小化所要求的封装高度。杯的轮缘高于保形磷光体。

杯的光出射孔基本上是方形，使得射束将大体为方形。其它矩形形状被预想到并且包括在本发明的范围内。

清澈密封剂，诸如硅树脂，充分填充杯以达到磷光体上方，并且具有光滑平坦的顶表面以便依照斯涅耳定律促进密封剂-空气界面处的全内反射（TIR）。

杯的壁的浅角度被设计成使得来自磷光体和LED有源层的侧光的部分被杯的壁直接反射并且在没有任何TIR的情况下通过密封剂的平坦顶部出来。来自LED管芯和叠覆的磷光体的顶部以比临界角小的角度撞击在密封剂的平坦顶表面上的光将通过TIR向下朝向反射壁反射并且在没有附加TIR的情况下从封装反射出来。因此，几乎所有光以至多两次反射离开封装。光没有明显地被反射回到LED管芯中，因此未被吸收。

由于来自LED管芯和磷光体的顶部的光的大部分通过TIR有意地重定向到杯壁（并且因而扩散开），所以来自LED管芯（假设为GaN LED）的蓝光与磷光体光更好地混合，因此所得射束将在其周界周围具有改进的颜色均匀性。射束将大体为矩形，并且减少或消除了任何磷光体光晕效应。由于低角度LED管芯光和磷光体光类似地通过杯壁有意反射和重定向，所以射束将是定义明确的。由于不需要透镜并且磷光体涂层可能是稠密的，所以封装可以制造得非常浅。

由于杯是方形的，所以杯的阵列可以紧密地安装在一起以形成仅具有封装之间的小间隙的任何形状。另外，所得复合表面将是平坦的。该平坦表面可以容易地清洗并且在美学上是令人喜爱的。另外，由于磷光体（假设为YAG黄色磷光体）没有填充杯，所以在每一个封装的中心处仅存在的小黄色斑点，这在美学上比填充有YAG磷光体的现有技术杯更令人喜爱。另外，当使用封装的阵列时，矩形射束非常好地融合在一起。反射杯的现有技术的圆形射束发射将不会在这样的阵列中均匀地融合。

杯可以是塑料并且成型在引线框架之上，其中引线框架形成用于LED管芯电极的杯中心处的结合垫。杯的壁可以涂覆有金属膜或镜面反射或漫射层。因此，不需要底层PCB，并且封装是最小尺寸。

在一个实施例中，LED管芯具有大约0.5-1mm的侧边和小于其侧边的高度。方形杯的高度可以稍微大于磷光体涂层的顶部并且可以小于1mm。从LED管芯的边缘到杯的外边缘的距离是大约1mm或更少。杯的平坦壁优选地以大约33度的角度从邻近LED管芯上升至杯的轮缘。

在本文中描述了附加特征和实施例。

附图说明

图1是依照本发明的一个实施例的在引线框架之上成型的浅反射杯的透视图，其中示出了用于LED管芯电极的结合垫。

图2图示了在LED管芯已经安装于杯中之后的图1的杯。

图3是图2的二等分截面视图，其图示了LED管芯之上的保形磷光体层以及填充有清澈密封剂以完成封装的杯。

图4是示出了用于结合到印刷电路板或其它衬底的结合垫的封装的自底向上视图。

图5是图3的截面视图，其图示了由LED管芯和磷光体发射的各种光线以及光如何以至多两次反射离开封装，一次是TIR并且另一次是被杯壁反射。

图6图示了图3的截面视图，其示出了近似的光发射轮廓，其中该光发射比填充有磷光体的杯的光发射更窄并且定义更明确，并且其中混合光具有更好的颜色均匀性。

图7图示了多个方形封装10可以如何在阵列中安装于公共衬底上以创建具有跨射束的均匀颜色和明亮度的矩形射束或者可替换地创建高效的颜色显示。

图8是封装的自顶向下视图，其中反射器具有用于产生圆形射束的圆形出射开口。

图9是图8的封装的二等分截面视图。

相同或相似的元件以相同标号标记。

具体实施方式

图1图示了依照本发明的一个实施例的反射杯封装10。典型地，从片压印铜引线框架以形成封装10的金属垫12和14。可以存在连接在一起的引线框架的阵列以简化封装的处理，并且引线框架在处理成单独的封装10之后分离。

其中铜引线框架将结合到底部LED管芯电极的区域可以镀有合适的金属，诸如金、镍或合金，以形成垫12和14。如果需要，还可以使用金球、焊料润湿或其它技术来允许结合到管芯电极。用于电气连接的引线框架的任何部分在本文中被称为结合垫，而不管该连接是通过焊料、超声焊接、导线结合、导电环氧树脂等进行的。

塑料杯16在引线框架之上成型。同样的塑料杯同时在阵列中的每一个引线框架之上成型。可以使用压缩成型或注射成型。优选地，塑料是导热的。如果塑料还由于包含金属颗粒（用于增加其热导率）而是导电的，则与塑料接触的引线框架的部分具有在成型步骤之前形成于其之上的电介质涂层以防止垫12和14彼此短接。

杯16一般形成方形中心底座18、方形外周界和方形孔。杯16的内壁20是平坦的并且以大约33度的角度从底座18延伸到周界。尽管33度是优选的，但是取决于射束的期望形状，28-38度之间的范围也是合适的。

图1还图示了杯16所安装于其上的衬底24，其可以充当杯16与印刷电路板之间的***物并且帮助扩散热量。衬底24可以是成型的陶瓷、塑料或者其它导热材料。在一个实施例中，衬底24是成型在引线框架之上的塑料杯16的组成部分，所以被视为杯16的部分。在可替换实施例中，可以消除衬底24并且可以使用引线框架来将封装10附连到电路板。

杯16的内壁20涂覆有例如镜面反射金属（诸如铝或银）的反射膜。可以使用蒸发、溅射、喷涂或其它技术。内壁20可以替代地涂覆有反射直射LED管芯光和磷光体光或者仅反射LED光或者仅反射磷光体光的其他类型的膜，诸如二色性涂层。反射材料可以对于最窄射束是镜面反射的，或者可以对于较宽射束是漫射的（诸如通过使用白漆）。

图2图示了安装在杯16的底座上的LED管芯26。在该示例中，LED管芯26是基于GaN的倒装芯片并且发射蓝光。在另一实施例中，LED管芯26可以发射UV和/或不是倒装芯片。对于具有顶部上的一个或两个电极的LED管芯，导线可以将（多个）电极连接到垫12/14并且垫12/14将延伸超出LED管芯足迹。LED管芯的任何金属热垫热耦合到杯16的底座。

LED管芯26在安装之前涂覆有磷光体28的层，其在图3中示出。磷光体28可以是诸如YAG之类的类型，其中通过磷光体28泄漏的蓝色LED管芯光和黄-绿色磷光体光的组合进行组合以创建白光。可以使用其它或附加的磷光体来创建其它颜色，包括较暖的白色。磷光体28可以使用电泳、喷涂或者任何其它已知工艺来保形地涂覆LED管芯26。

在一个实施例中，LED管芯26具有大约0.5-1mm的侧边和小于其侧边的高度。从其底座18到其顶部轮缘的方形杯16的高度大于磷光体28的顶表面的高度并且可以小于1mm。从LED管芯26的边缘到杯16的外边缘的距离可以为大约1mm或更少。相应地，整个封装10的足迹可以小于每一侧边3mm或者该足迹可以更大。杯16的高度和内壁20的角度一般通过需要什么以使几乎所有光以最大两次反射离开封装10来指定，其在下文讨论。

衬底24的尺寸与本发明的操作无关并且典型地具有稍微大于杯16的足迹。

在可替换实施例中，杯16具有暴露单独形成的衬底24上的垫12/14的方形开口。杯16利用粘合剂粘附到衬底24。

如图3中所示，杯16然后利用清澈密封剂30被充分填充至其顶部轮缘，清澈密封剂30诸如硅树脂（以阴影线示出），其中密封剂30的顶表面是平坦而光滑的以促进TIR。图3是在用密封剂30填充之后的图2的二等分视图。密封剂30具有近似为磷光体28的折射率或者在磷光体28与空气的折射率之间的折射率。相对折射率是重要的，如在下文所讨论的，因为平坦密封剂表面处的TIR用于帮助混合光并且增加被内壁20反射的光的量。

图3还示出了导电通孔32和24，其可以是成型于之上的引线框架的部分，其从垫12/14（图1）延伸到衬底24的底部垫36/38（在图4中示出）。图3还示出了电气连接到图1中的垫12/14的LED管芯26的电极40/42。

LED管芯26、磷光体28和密封剂30的相对折射率导致从LED管芯26和磷光体28到密封剂30中的高光提取效率。图5图示了从LED管芯26和磷光体28发射到密封剂30中的各种各样的光线。

来自LED管芯的有源层的蓝色光线44被示出为从LED管芯26的顶表面基本上垂直于密封剂30的平坦光出射表面46而发射。因而，不存在TIR。来自磷光体28（假设为YAG）的黄色光线47被示出为垂直于表面46而发射并且与蓝色光线44混合以创建白光。

另一蓝色光线48以低角度撞击在表面46处（低于临界角）并且依照斯涅耳定律被内部反射。该蓝色光线48然后被镜面反射内壁20向上反射。如通过内壁20的角度来确定的，经反射的光线48的角度是高的，并且在没有任何另外的TIR的情况下逃离密封剂30。来自磷光体28（假设为YAG）的侧面的黄色光线49直接被内壁20反射并且与蓝色光线48混合以创建白光。

来自磷光体28的另一黄色光线50也以低角度发射并且在表面46处内部反射。该光线50类似于蓝色光线48起作用并且在至多两次反射之后离开。

处于低角度的其它蓝色和黄色光线在表面46处内部反射并且在密封剂30中和内壁30处混合。密封剂30因而充当混合器，其中被内壁20反射的混合光是相当均匀的白色。如果表面46是圆顶形的或有凹槽的，则将存在直接从LED管芯26的顶表面离开的更多光，并且将存在更多的磷光体光晕效应，其中从封装发射的光具有黄色光晕。

尽管光围绕LED管芯26良好地混合，但是直接离开表面46的蓝光光线44使得在封装中心处存在更蓝的斑点。然而，该蓝光在某一距离处与其它光混合以创建相当均匀的方形形状光束。

磷光体28顶部上方的密封剂30的高度应当足以允许经内部反射的光线（例如射线50和48）没有被磷光体28或LED管芯26吸收而是撞击在内壁20上。

尽管理想封装10导致光在至多两次反射之后离开，但是在实际产品的材料或表面中可能存在缺陷，其可以使LED光和/或磷光体光的小部分没有完美地以入射角度反射。因此，LED光和/或磷光体光的小部分可能在多于两次反射之后离开。

在优选实施例中没有使用透镜，因为杯16将射束成形为具有期望的发射轮廓，并且不需要透镜来增加光提取效率。任何透镜将极大地增加封装的高度。

杯16可以是非常浅的（稍微高于磷光体28顶表面），因为TIR将仍旧在表面46处执行，不管密封剂30的厚度如何。

在现有技术的反射杯中，液体磷光体密封剂完全填充杯并且然后被固化。用于磷光体粉末的透明粘结剂包括大量的磷光体混合物。因此，磷光体混合物必须在LED管芯之上相当厚以实现磷光体粉末的所要求有效厚度来实现期望的总体颜色。因此，现有技术的杯必须相当深。在图5的实施例中，由于磷光体28不需要与粘结剂混合并且相对稠密且薄，所以磷光体28的层比现有技术的杯中的磷光体“糊块（goop）”薄得多。而且，由于在实现期望的TIR的同时，磷光体28上方的密封剂30的高度可以是最小的，所以杯16可以是非常浅的。相应地，封装10比采用杯中的磷光体“糊块”的现有技术封装更薄。

图6图示了封装的光发射轮廓50的截面。轮廓50比其中反射杯完全填充有磷光体的封装的轮廓窄得多，因为在图6的实施例中处于低角度的任何磷光体和LED管芯发射通过TIR而被内部反射，然后被内壁20向上反射。轮廓50具有大体方形形状的水平截面。

取决于应用，底部垫36/38（图4）可以焊接到印刷电路板（PCB）或其它衬底上的金属垫以向LED管芯26供电。

如图7中所示，每一个封装10的平坦且方形的形状允许封装10的阵列安装在公共衬底54上并且允许LED管芯一起选择性通电或通电。由于每一个封装10发射方形射束，所以与现有技术圆形射束对照，射束均匀地重叠。在每一个封装10之间仅存在小间隙。因而，可以创建非常明亮的方形且均匀的射束。而且，由于封装10的顶表面是平坦的，所以其可以形成产品（诸如智能电话）的平坦外表面的部分，并且在美学上是令人喜爱的。矩形杯周界可以是除方形之外的其它形状，这取决于射束的期望特性。

如果封装10被用作相机的闪光灯，则杯16的侧边的长度可以定制以创建与图片纵横比相同的纵横比以最大化投射到对象上的有用光。在这样的情况下，杯将不是方形的。

代替于阵列中的所有封装发射相同颜色的光（例如白色），封装可以发射蓝色、绿色和红色光以形成RBG像素，其中不同封装中的LED管芯可以选择性地通电以创建在像素之间具有最小距离的彩色显示。在一个实施例中，所有LED管芯发射UV或蓝色光，并且不同颜色通过不同磷光体而获得。在另一实施例中，不同颜色通过LED管芯中的不同有源层获得。在另一实施例中，存在磷光体转换LED和非磷光体转换LED的混合物。

来自LED管芯26的热量通过LED管芯26、衬底24、引线框架、塑料杯16和PCB之上的空气的组合而移除。

在另一实施例中，杯16是从片压印的反射金属（诸如铝）的固体件。以此方式，杯16的内边缘可以是刃形边缘以便不会将来自LED管芯的任何光反射回去。杯16可以使用环氧树脂或硅树脂而粘附到衬底24。

图1-7描绘了发射大体矩形射束的封装。在一些情况下，期望的是发射圆形射束。图8是封装58的自顶向下视图，其中反射杯60具有用于产生圆形射束的圆形出射开口。

图9是图8的封装58的二等分截面视图。

衬底24和LED管芯26可以与图1-3的那些相同。反射杯60可以从塑料成型，并且反射表面62可以是上文所述的相同反射层。可替换地，杯60从反射金属片压印。如在图1-7的封装中，衬底24和杯60可以是在引线框架之上成型的单个整体式塑料件或者可以是分离件。浅杯60填充有透明密封剂64，诸如硅树脂，其折射率被选择以提供期望的TIR。来自LED管芯26和磷光体28的低于临界角的光线66被密封剂的顶表面朝向杯60的壁反射回来并且向上重定向以在没有另外的TIR的情况下离开密封剂64。相应地，如在图1-7的实施例中，在光离开封装之前，在封装内存在至多一次TIR反射以及在封装内存在至多一次杯反射。

尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员而言将明显的是，可以进行改变和修改而不在其较宽方面脱离本发明，并且因此随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (11)

1.一种发光器件，包括：

反射杯，其具有底座和从底座的一个或多个外边缘向上延伸到孔的反射表面，所述反射表面在与底座相对的方向上以在28度与38度之间的角度单调倾斜；

安装在杯的底座上的发光二极管管芯，其发射第一波长的第一光；

保形地覆盖发光二极管管芯的磷光体涂层，其中该磷光体涂层的外表面与所述反射表面接触；以及

填充杯以至少覆盖磷光体涂层的第一表面的清澈密封剂，该密封剂具有基本与发光二极管管芯的第一表面平行的光滑平坦的外表面，

其中磷光体涂层吸收第一光的部分并且发射第二波长的第二光，

其中密封剂布置成使得第二光和第一光的部分以低于临界角的角度入射在空气-密封剂界面上并且作为第一反射光在朝向至少一个反射表面的方向上全内反射，

其中反射表面将第一反射光在穿过空气-密封剂界面的方向上反射为第二反射光，

其中反射表面被倾斜成使得第一光的部分和第二光的部分在经过空气-密封剂界面的单个全内反射和经过反射表面的单个反射的最大者之后离开密封剂，并且

其中密封剂充分填充杯以形成光滑顶表面。

2.权利要求1所述的器件，其中反射表面的倾斜为33度。

3.权利要求1所述的器件，其中所述杯具有方形形状的外周界。

4.权利要求1所述的器件，其中磷光体涂层包括没有清澈粘结剂的磷光体粉末。

5.权利要求1所述的器件，其中发光二极管管芯发射蓝光，并且其中磷光体涂层发射在与蓝光组合时创建白光的光。

6.权利要求1所述的器件，其中所述孔是矩形的并且所述器件进一步包括基本相同的杯的阵列，其安装在公共衬底上以使得该阵列具有基本平坦的表面，并且每一个杯发射与来自阵列中的其它杯的矩形射束重叠的基本矩形射束。

7.权利要求1所述的器件，其中基本上所有的第一光和基本上所有的第二光在经过空气-密封剂界面的单个反射和经过反射表面的单个反射的最大者之后离开密封剂。

8.权利要求1所述的器件，其中所述杯包括在引线框架周围成型的塑料。

9.权利要求1所述的器件，其中所述器件形成用于发光二极管管芯的完整封装。

10.权利要求1所述的器件，其中所述杯的高度小于1mm。

11.权利要求1所述的器件，其中从发光二极管管芯的边缘到所述杯的外边缘的距离为1mm或更小。