專利名稱：具有圓角正方形透鏡的led封裝的制作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極管(LED)封裝，具體而言，涉及具有圓角正方形透鏡、發射基本朗伯型(Lambertian)發射模式的LED封裝。
背景技術：
現有技術的圖I是從本受讓人的美國設計專利No. D 598871拷貝的LED封裝10的頂部透視圖，通過引用將其并入本文。該封裝的商品名稱是Rebel 。封裝10每條邊大約為3mm。封裝10包含正方形LED管芯，其邊與封裝10的邊對準。LED管芯的中心軸沿著半球形透鏡12的中心軸。陽極和陰極電極在封裝10的底表面上，用于焊接到印刷電路板上的金屬焊盤。LED半導體層上形成的陽極和陰極電極被電連接到封裝底部上的陽極和陰極電極。典型地，LED層安裝在基臺上,基臺電極又連接到封裝電極。在轉讓給本受讓人并 通過引用并入本文的美國專利No. 7452737中詳細描述了 LED和基臺。所發射的光模式基本是朗伯型，其在封裝10正上方的平坦表面上形成圓。圖2是封裝10的自頂向下的視圖，示出了 LED管芯14與透鏡12和封裝10的對準。圖3是封裝10沿圖2中的對角線3-3的側視圖。在受讓人實際封裝10的范例中，半球形透鏡12的直徑大約為2. 55mm, LED管芯14每條邊大約1mm。LED管芯的對角線長度大約為1.4_。在圖3中，用實線示出實際LED管芯14的邊緣。由于透鏡12相對于LED管芯14的頂表面是半球，所以從LED管芯14的中心點16在所有角度發射的光線15都以基本直角入射到透鏡12的表面，所以從封裝10發射的光線15幾乎沒有內反射和折射。在沿著LED管芯表面的光源離開中心點16移動時，最大折射增加，因為并非全部光線都以直角入射在透鏡12表面。針對最大邊大約Imm的LED管芯14設計封裝10和透鏡12的尺寸，以基本防止任何光線被透鏡12內反射。例如，圖3以虛線示出了 LED管芯14的范圍以及在放大的LED管芯角附近發射的光線18。光線18的角度小于臨界角，導致光線18發生全內反射(TIR)。這樣的光就這樣被浪費了。因此，用于封裝10的正方形LED管芯的寬度限于約Imm(管芯14的實線輪廓)，以便使TIR最小化。圖4是受讓人做出的另一現有技術封裝20的頂部透視圖，與圖I的封裝10具有相同寬度和透鏡12，但長度更長。透鏡12的直徑受到封裝20的寬度限制。在一些應用中，需要利用同一封裝10實現更大的光輸出，其中“更高輸出”封裝的電極覆蓋區和外部尺度需要與現有封裝10相同。基本為朗伯型的發射模式也需要基本相同。盡管可以使用更大寬度的LED管芯來發射更多光，但如果使用更大的LED管芯，半球形透鏡12之內將有TIR，大大降低了封裝的效率。不能夠增大半球形透鏡12的直徑而不增大封裝10的寬度
發明內容
本發明人面臨的問題是從現有封裝(圖I或4)中產生更多光輸出。不能改變封裝尺寸(覆蓋區)。發明人利用本發明解決了該問題。在圖I或4的封裝中使用圓角正方形透鏡取代半球形透鏡12，其中圓角正方形透鏡的寬度與半球形透鏡12的直徑相同，以允許圓角正方形透鏡配合在封裝10之內。沿其對角線截取的圓角正方形透鏡的截面圖形成半圓形表面，以模擬沿對角線和接近對角線區域中的半球形透鏡。沿透鏡的二等分透鏡的寬度截取的透鏡截面圖形成更窄的子彈形表面，與半圓形表面具有同樣的高度。透鏡的四個角被圓化。透鏡的表面在兩種表面形狀之間平滑過渡。所得的光模式基本為朗伯型(基本類似于用于正方形LED管芯的半球形透鏡的光發射)，在封裝上方的平坦表面上形成基本圓形圖案而非正方形圖案。由于圓角正方形透鏡的對角線尺度比封裝中半球形透鏡的最大直徑更大，所以可以將更大的LED管芯與圓角正方形透鏡一起使用。于是，利用更大的LED管芯發射了更多光而幾乎沒有或沒有TIR，封裝尺寸沒有增大，朗伯型光模式沒有明顯改變。在實際范例中，可以在新封裝中使用邊長上至I. 4mm的LED管芯，與之相比，現有技術封裝10中LED管芯的最大寬度約為I. 1mm。這使得LED管芯的發光頂表面面積加倍。在范例中，具有圓角正方形透鏡的新封裝可以取代照相機閃光燈應用中的舊封裝10，使光輸出加倍而照相機設計沒有改變。LED管芯頂表面下方的透鏡形狀不是非常重要，因為幾乎沒有光在頂表面下方發射。因此，頂表面下方的透鏡形狀可以具有更銳利的角、凸緣或其他特征，更好地使透鏡能夠固定到封裝主體。LED管芯可以是倒裝芯片，或者具有頂和底電極，或者僅具有頂電極。
圖I是具有半球形透鏡的現有技術LED封裝的頂部透視圖。圖2是圖I的封裝簡化的自頂向下視圖。圖3是沿圖2中的對角線3-3的側視圖，示出了從LED管芯上不同點發射的光線。圖4是另一現有技術封裝的頂部透視圖，與圖I的封裝具有相同寬度和透鏡，但長度更長。圖5是根據本發明一個實施例的圖I的封裝簡化的自頂向下視圖，但結合了圓角正方形透鏡并結合了更大的LED管芯，圓角正方形透鏡的寬度與圖I的半球形透鏡直徑相同。圖6是向圖5中的對角線6-6中看的側視圖，示出了來自不呈現TIR的LED管芯的角的最壞情況光線。圖7是向圖5中的線7-7中看的側視圖，示出了不呈現TIR的LED管芯邊緣附近的最壞情況光線。圖8是具有更加圓化的角的圓角正方形透鏡的自頂向下視圖。圖9是基本圓形光模式的范例，在封裝上方的平坦片上具有等亮度邊界，由圖8的LED管芯和透鏡基本朗伯型光發射生成。用相同的數字標記相同或等效的元件。
具體實施例方式圖5-8示出了本發明。在圖5-7中，封裝24的主體22可以是陶瓷、塑料、硅樹脂或其他材料。主體22的外部尺度可以與現有技術封裝10或20主體的外部尺度精確相同，電極結構可以精確相同，因此可以在任何應用中用封裝24替代封裝10或20。唯一的差異是LED管芯26和透鏡28的尺寸。在一個范例中，LED管芯26包括安裝于具有金屬圖案的陶瓷基臺上的LED半導體層，基臺上的電極連接到封裝電極，如參考圖I所討論的。在另一實施例中，LED管芯26不包括基臺。在實際范例中，圖I和4中現有技術半球形透鏡12的直徑大約為2. 55mm,圖5中圓角正方形透鏡28的寬度是相同尺寸，從而可用于與現有技術封裝10和20尺寸相同的封裝中。正方形封裝24的寬度大約為3mm。封裝24的外部尺度也可以與圖4中的封裝20的相同。
圖6為側視圖，示出了向圖5中的對角線6-6看進去看到的透鏡28的最寬外部尺度(面對LED管芯26和封裝的角)。在向線6-6中觀看時，透鏡28相對于LED管芯26的頂表面形成半圓，使得沿透鏡28的表面的所有點距LED管芯26的中心點是等距的。因此，來自線6-6平面中中心點的所有光線都將垂直于表面與透鏡28的表面相交。由于沿其對角線尺度觀看透鏡28，所以在向圖7中的線7-7觀看時，它比透鏡28更寬。半圓的寬度(即半徑的兩倍)界定其高度(半徑)。沿著對角線方向(圖6)，透鏡28的寬度(Wl)基本是LED管芯26頂表面上方透鏡28的高度(H)的兩倍，以在透鏡對角線尺度附近保持透鏡的半球形狀。在圖7中，在封裝24的直邊觀看，透鏡28的高度(H)與圖6中相同，但寬度(W2)顯著更小。因此，在向線7-7中觀看時透鏡28的形狀更像子彈形狀。透鏡28表面在兩種形狀之間平滑過渡。將透鏡28的角圓化(四分之一圓)以防止從角發生多次內反射，并幫助生成基本朗伯型光發射。將角圓化減小了沿對角線的寬度(W1)。由于透鏡的主要部分接近半球，并且由于圓角的原因，人觀察者能觀察到來自透鏡28的總體光發射是朗伯型的。圖6示出了從LED管芯26的角發射的最壞情況的光線30。光線30的角度大于臨界角，因此沒有TIR。類似地，圖7示出了 LED管芯26的邊附近發射的最壞情況光線32。光線32的角度大于臨界角，因此沒有TIR。由于正方形LED管芯26現在可以具有上至大約
I.4mm的邊(近似等于圖3中最大可允許尺寸LED管芯14的對角線長度)而沒有TIR，由于LED管芯26的頂表面面積近似加倍，所以封裝24的光輸出大約是現有技術封裝10或20的兩倍。圖6和7還示出了封裝24的底電極36和38。在圖6和7中，電極40和42被示為在LED管芯26接觸封裝24中頂部金屬焊盤的底部，通過金屬通孔44或其他金屬路徑將其連接到底部封裝電極36和38。LED管芯26可以具有任何金屬圖案，包括交叉的指、點、條等。同樣的透鏡28和LED管芯26也可以用于圖4所不的封裝20中。在一個實施例中，透鏡28由模制的硅樹脂形成，但可以使用其他透明或半透明材料。在一個實施例中，透鏡28在其底表面中具有腔。可以首先用硅樹脂密封LED管芯26，然后在LED管芯26上放置透鏡28并將其固定到封裝主體，使LED管芯26在透鏡腔之內，以便光學耦合到透鏡28。圖8示出了適當的圓角正方形透鏡48的另一個實施例，類似于透鏡28，但具有更加圓化的角(具有更大的曲率半徑)。這樣的圓化導致光發射更是朗伯型的，但稍微減小了能夠使用的LED管芯26的最大尺寸而沒有TIR。角的曲率半徑例如可以是透鏡寬度的四分之一到六分之一。如果角的曲率半徑足夠大，邊可以稍微呈弓形。在一個實施例中，圓化正方形透鏡的角導致透鏡的對角線長度(在LED管芯頂表面的平面中)大約是透鏡寬度的I. 1-1. 3倍，而具有尖角的正方形透鏡的對角線長度大約是透鏡寬度的I. 414倍。LED管芯頂表面上方透鏡的高度大約是對角線長度的一半，以在對角線平面中管芯頂表面上方生成半圓。因此，對于寬度大約為2. 55mm的透鏡，在一個實施例 中對角線長度介于大約2. 8-3. 3mm之間,最大高度約為I. 4-1. 65mm。圓角正方形透鏡寬度與對角線長度的優選比率約為I. 2。對于寬度大約為2. 55mm的這種透鏡，透鏡的對角線長度約為3mm,透鏡的最大高度約為I. 5mm,封裝主體寬度為3_，最大LED管芯尺寸每邊為I. 41_，如圖8那樣布置。優選實施例透鏡具有稍微弓形的邊。 圖9是基本圓形光模式52的范例，在封裝上方的平坦片上具有等亮度邊界，由圖8的LED管芯和透鏡基本朗伯型光發射生成。由于在圖8中的等亮度邊界外部，光平滑地變得不那么亮，所以人觀察者不會觀察到與圓形模式52的任何偏離。可以改變圓角正方形透鏡的尺寸以用于任何尺寸的封裝和任何尺寸的LED管芯，同時保持透鏡的基本相對尺度，以使封裝的外部尺度最小化，同時仍然實現基本為朗伯型光發射模式，并使LED管芯尺寸最大化以實現最大亮度。透鏡不必是圓角正方形，而可以是兩條邊稍長于另外兩條邊，同時仍然提供基本朗伯型發射。LED管芯也可以是兩條邊稍長于另外兩條邊。這里使用的術語“矩形”包括正方形形狀。盡管已經將透鏡的對角線尺度描述為形成半圓或半球，這樣的形狀是理想的，但工藝公差將導致形狀實際上基本是半圓形。出于本公開的目的，包含現實變化的這種透鏡形狀尺度被認為是半圓。這里描述和主張的相關透鏡尺度僅適用于LED管芯頂表面平面以上的透鏡區域，因為在頂表面平面下方幾乎沒有光發射。LED管芯可以是任何類型的管芯，有或沒有磷光體涂層或基臺。LED管芯可以是倒裝芯片，或者具有頂和底電極，或者僅具有頂電極。盡管已經展示和描述了本發明的特定實施例，但對于本領域的技術人員而言，顯然，可以做出變化和修改而在其更寬方面中不脫離本發明，因此，所附權利要求要在其范圍中涵蓋所有落在本發明真實精神和范圍之內的這樣的變化和修改。
權利要求
1.一種發光二極管(LED)器件,包括 具有頂表面的LED管芯； 包含所述LED管芯的封裝，所述封裝包括主體和連接到所述LED管芯的電極；以及 安裝在所述主體上的圓角矩形透鏡， 所述透鏡具有圓角， 所述透鏡沿所述透鏡的對角線截面具有基本半圓形表面，所述透鏡的對角線截面具有第一寬度，所述基本半圓形表面具有顯著高于所述LED管芯頂表面中心點的最大高度H， 所述透鏡沿二等分所述透鏡的透鏡寬度尺度具有非半圓形子彈形狀表面，所述子彈形狀表面具有小于第一寬度的第二寬度，所述子彈形狀表面在所述LED管芯的頂表面上方具有與所述基本半圓形表面的最大高度H —致的最大高度H， 所述透鏡的表面在基本半圓形表面和非半圓形子彈形狀表面之間平滑過渡，在所述LED管芯頂表面上方沒有尖角， 其中在給所述LED管芯加電時，所述透鏡產生基本朗伯型光發射模式。
2.根據權利要求I所述的LED器件，其中所述圓角矩形透鏡是圓角正方形透鏡。
3.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述LED管芯基本為正方形，其中所述LED管芯的角與所述透鏡的圓角充分分開，使得基本沒有來自所述透鏡的全內反射(TIR)。
4.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述透鏡邊到邊的寬度約為2.5mm，所述LED管芯的邊大于1mm。
5.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述透鏡的對角線寬度大約是所述透鏡邊到邊寬度的I. 1_1· 3倍。
6.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述封裝主體具有大約3_的寬度，所述LED管芯的邊大于1mm。
7.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述透鏡的邊是直的。
8.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述透鏡的邊是弓形的。
9.根據權利要求2所述的LED器件，其中所述封裝主體的寬度大約為3mm，所述透鏡的邊到邊寬度大約為2. 5_，所述透鏡的對角線寬度大約為3_，所述透鏡在所述LED管芯上方的高度大約為I. 5mm。
10.根據權利要求9所述的LED器件，其中所述LED管芯的邊大于I.3mm。
11.根據權利要求10所述的LED器件，其中所述LED管芯的邊大約為I.4_。
全文摘要
在LED封裝中使用圓角正方形透鏡取代半球形透鏡以產生基本朗伯型光發射模式。沿其對角線截取的圓角正方形透鏡的截面圖形成半圓形表面，以模擬接近對角線區域中的半球形透鏡。沿二等分透鏡的透鏡寬度截取的透鏡截面圖形成子彈形狀表面，該子彈形狀表面比半圓形表面窄但與半圓形表面具有同樣的高度。透鏡的四個角被圓化。透鏡的表面在兩種表面形狀之間平滑過渡。由于圓角正方形透鏡的對角線尺度比同樣封裝主體中半球形透鏡的最大可允許直徑更大，所以可以將更大的LED管芯與圓角正方形透鏡一起使用以輸出更多光而無需增大封裝的尺寸，同時維持朗伯型發射。
文檔編號G02B27/09GK102870243SQ201180022974
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月27日 優先權日2010年5月7日
發明者M.布特沃思 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司