專(zhuān)利名稱(chēng)：耦合到低輪廓側(cè)面發(fā)射led的光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用非發(fā)射激光的發(fā)光二極管(LED)的照明裝置，特別地，涉及用于 光學(xué)元件(例如透鏡或反射器)到側(cè)面發(fā)射LED的改進(jìn)的耦合的技術(shù)。
背景技術(shù)：
液晶顯示器(LCD)常用于手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、便攜式音樂(lè)播放器、膝上型 計(jì)算機(jī)、桌面監(jiān)視器和電視應(yīng)用中。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及需要背光照明的彩色或單色 透射式LCD，其中背光源可以使用一個(gè)或多個(gè)發(fā)射白色或彩色光的LED。這些LED與激光二 極管的區(qū)別在于，這些LED發(fā)射非相干光。 在例如用于手機(jī)的許多小的顯示器中，重要的是顯示器和背光源是薄的。此外，由 于這樣的小顯示器通常是電池操作的，因而重要的是來(lái)自LED的光被高效地導(dǎo)向LCD的后 表面。同樣重要的是，來(lái)自LED的光由背光源基本上均勻地發(fā)射，以便不使LCD顯示的圖像 的亮度失真，這可能例如在電視中是有益的。其中使用了薄而高效導(dǎo)向的光源的另一應(yīng)用 是例如用于照相機(jī)以及特別是用于手機(jī)照相機(jī)的閃光燈。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述了一種低輪廓側(cè)面發(fā)射LED，其具有光學(xué)耦合到每個(gè)發(fā)光側(cè)壁的一個(gè)或 多個(gè)諸如反射器或透鏡之類(lèi)的光學(xué)元件。每個(gè)光學(xué)元件具有底部邊緣，其中在底部邊緣之 下導(dǎo)向光學(xué)元件的光不會(huì)進(jìn)入該光學(xué)元件。每個(gè)光學(xué)元件的底部邊緣位于LED的發(fā)光側(cè)壁 的底部之處或者之下。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述側(cè)面發(fā)射LED包括有源層和覆蓋在有源層上的反射層以及 位于有源層與反射器層之間的發(fā)光側(cè)壁。 一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件光學(xué)耦合到LED的所有發(fā)光 側(cè)壁。這些光學(xué)元件包括接收光的入射區(qū)域。LED中反射器層的底面與有源層之間的區(qū)域 完全位于所述至少一個(gè)光學(xué)元件的入射區(qū)域內(nèi)。 在一個(gè)實(shí)施例中，例如在閃光燈配置中，單個(gè)光學(xué)元件(例如反射器)用來(lái)將從每 個(gè)側(cè)壁發(fā)射的光重新導(dǎo)向到向前方向。在另一個(gè)實(shí)施例中，例如對(duì)于背光照明而言，與發(fā)光 側(cè)壁關(guān)聯(lián)的單獨(dú)的光學(xué)元件(例如透鏡)用來(lái)在水平面內(nèi)對(duì)側(cè)面發(fā)射的光準(zhǔn)直。


圖1為安裝到基座(submount)上的薄側(cè)面發(fā)射LED的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。 圖2A和圖2B分別示出了基座上的LED的俯視圖和側(cè)視圖。 圖3A和圖3B分別示出了大的基座上的LED的俯視圖和側(cè)視圖。 圖4示出了大的基座上的LED的側(cè)視圖，其具有將側(cè)面發(fā)射的光重新導(dǎo)向?yàn)橄蚯?br> 方向的光的反射器。 圖5示出了依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的LED和反射器的側(cè)視圖。
圖6示出了依照本發(fā)明另一實(shí)施例的LED和透鏡的側(cè)視圖。
圖7A和圖7B示出了來(lái)自圖6的透鏡的正方形和圓形配置的俯視圖。 圖7C示出了三側(cè)邊緣發(fā)射器LED以及與其一起使用的透鏡的俯視圖。 圖8示出了透鏡的一部分具有入射表面的LED的俯視圖，所述入射表面具有豎直
取向的角度變化的壁以改進(jìn)光的角混合。 圖9A-9C示出了使用模制(molded)引線框架制造透鏡的實(shí)施例。 圖9D和圖9E示出了定形的襯底的實(shí)施例。 圖10示出了包括多個(gè)LED的分布的背光源的俯視圖。 圖11為來(lái)自圖10的背光源的一部分的截面圖。 圖12為具有光學(xué)單元的另一種類(lèi)型的背光源的部分截面圖。 圖13示出了來(lái)自圖12的背光源的頂視圖。 圖14和圖15示出了類(lèi)似于圖13中所示的背光源中的多個(gè)單元，其中LED位于單 元之間的邊界處。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例包括與諸如反射器、透鏡或者準(zhǔn)直元件之類(lèi)的光學(xué)元件結(jié)合的低 輪廓側(cè)面發(fā)射LED。本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用是作為L(zhǎng)CD中的薄背光源，但是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，其 他應(yīng)用也存在并且應(yīng)當(dāng)被認(rèn)識(shí)到。 圖1為薄側(cè)面發(fā)射LED 10的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，該薄側(cè)面發(fā)射LED包括半導(dǎo)體 發(fā)光元件13、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30以及反射膜32。該側(cè)面發(fā)射LED 10安裝到基座22上，該基 座安裝到印刷電路板28上?？梢杂迷诒彻庠磳?shí)施例中的薄側(cè)面發(fā)射LED的其他實(shí)施例可 以見(jiàn)諸OlegShchekin等人2006年6月9日提交的題為L(zhǎng)ow Profile Side Emitting LED 的美國(guó)申請(qǐng)no. 11/423419，該申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本受讓人并且通過(guò)引用合并于此。
在一個(gè)實(shí)例中，LED IO的有源層產(chǎn)生藍(lán)色光。LED 10在諸如藍(lán)寶石、SiC或者GaN 之類(lèi)的開(kāi)始生長(zhǎng)襯底上形成。通常，生長(zhǎng)n層12，接著是有源層14，接著是p層16。 p層16 被蝕刻以便暴露下面的n層14的一部分。然后，在LED的表面上形成反射金屬電極18 (例 如銀、鋁或者合金)以接觸n和p層。當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，有源層14發(fā)射其波長(zhǎng)由該有 源層的成分(例如AlInGaN)決定的光。形成這樣的LED是公知的，不需要進(jìn)一步詳細(xì)地加 以描述。Steigerwald等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 6828596以及Bhat等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 6876008 中描述了形成LED的另外的細(xì)節(jié)，這兩篇專(zhuān)利都轉(zhuǎn)讓給本受讓人并且通過(guò)引用合并于此。
然后，將半導(dǎo)體發(fā)光元件13作為倒裝芯片安裝到基座22上。基座22包含通過(guò)焊 球26焊接或者超聲焊到金屬18的金屬電極24。也可以使用其他類(lèi)型的結(jié)合。如果電極本 身可以超聲焊在一起，那么可以除去焊球26。 基座電極24通過(guò)通孔電連接到基座22底部上的焊盤(pán)，因而基座22可以表面安裝 到印刷電路板28上的金屬焊盤(pán)。電路板28上的金屬跡線將焊盤(pán)電耦合到電源?；?2可 以由任何適當(dāng)?shù)牟牧?例如氮化鋁(alumina nitride)、陶瓷、硅、氧化鋁等等)制成。如果 基座材料是導(dǎo)電的，那么在襯底材料上形成絕緣層，并且在該絕緣層上形成金屬電極圖案。 基座22充當(dāng)機(jī)械支撐，提供LED芯片上的精細(xì)的n和p電極與電源之間的電接口 ，并且提 供散熱。基座是眾所周知的。 為了使得LED 10具有非常低的輪廓，并且為了防止光被生長(zhǎng)襯底吸收，例如通過(guò)
4CMP或者使用激光剝離法去除生長(zhǎng)襯底，其中激光加熱GaN和生長(zhǎng)襯底的界面以產(chǎn)生將襯 底從GaN推開(kāi)的高壓氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，生長(zhǎng)襯底的去除是在將LED陣列安裝到基座 晶片上之后以及在分割(singulate)(例如通過(guò)鋸切)LED/基座之前進(jìn)行的。
在去除生長(zhǎng)襯底之后，將諸如平坦的磷光體層30之類(lèi)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30放置在 LED的頂部上以便對(duì)從有源層14發(fā)射的藍(lán)色光進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。磷光體層30可以被預(yù)先制 成陶瓷片并且附接到LED層，或者磷光體粒子可以例如通過(guò)電泳而被薄膜沉積。該磷光體 陶瓷片可以是燒結(jié)的磷光體粒子或者透明或半透明粘合劑中的磷光體粒子，所述粘合劑可 以是有機(jī)的或無(wú)機(jī)的。由磷光體層30發(fā)射的光在與藍(lán)色光混合時(shí)，產(chǎn)生白色光或者另一希 望的顏色。磷光體可以是產(chǎn)生黃色光的氧化釔鋁石榴石(YAG)磷光體(Y+B二白色)，或者 可以是紅色磷光體和綠色磷光體的組合(R+G+B =白色)。 對(duì)于YAG磷光體(即Ce: YAG)來(lái)說(shuō)，白色光的色溫大體取決于磷光體中的Ce摻雜 以及磷光體層30的厚度。 然后，在磷光體層30上形成反射膜32。反射膜32基本上平行于半導(dǎo)體發(fā)光元件 13的頂面。反射膜32可以是鏡面反射的或漫射的。鏡面反射器可以是由有機(jī)或無(wú)機(jī)層形 成的分布布拉格反射器(DBR)。鏡面反射器也可以是鋁層或其他反射金屬層，或者DBR和金 屬的組合。漫反射器可以由粗糙化表面上沉積的金屬或者漫射材料制成，所述漫射材料例 如適當(dāng)?shù)陌灼峄蛘吖铇?shù)脂中具有Ti02的溶膠-凝膠溶液。磷光體層30還有助于漫射光以 提高光提取效率。在另一實(shí)施例中，反射器與LED分開(kāi)，例如由有源層上的波導(dǎo)支撐的反射 器，從而導(dǎo)致LED仍然為側(cè)面發(fā)射LED，因?yàn)楹苌俚?例如達(dá)到10% )直射光在LED上離開(kāi) 背光源。 盡管側(cè)面發(fā)射透鏡有時(shí)用來(lái)將LED頂面發(fā)射的所有光轉(zhuǎn)向成圓形側(cè)面發(fā)射圖案， 但是這樣的透鏡是LED本身厚度的許多倍并且不適合用于超薄背光源或者其中豎直高度 受限的其他應(yīng)用。 LED半導(dǎo)體層的加工可以出現(xiàn)在將LED安裝到基座22上之前或者之后。 有源層14發(fā)射的大多數(shù)光或者通過(guò)LED的側(cè)面直接發(fā)射，或者在一次或多次內(nèi)反
射之后通過(guò)側(cè)面發(fā)射。如果頂部反射器32非常薄，那么一些光可能通過(guò)頂部反射器32泄漏。 在一個(gè)實(shí)施例中，基座22具有大約380微米的厚度，半導(dǎo)體層具有大約5微米的 組合厚度，磷光體層30具有大約200微米的厚度，并且反射膜32具有大約150微米的厚度， 因而LED加上基座小于lmm的厚度。當(dāng)然，可以將LED 10制造得更厚。LED每側(cè)的長(zhǎng)度典 型地小于lmm，例如，側(cè)面的長(zhǎng)度可以為0. 6mm，但是，例如對(duì)于較高功率的應(yīng)用而言，可以 使用l.Omm的側(cè)面長(zhǎng)度。 當(dāng)用于照明系統(tǒng)中時(shí)，側(cè)面發(fā)射倒裝芯片LED提供了許多優(yōu)點(diǎn)。在背光源中，由于 光更好地耦合到波導(dǎo)中，因而側(cè)面發(fā)射倒裝芯片LED允許利用更薄的波導(dǎo)、更少的LED、具 有更好的照明均勻性以及更高的效率。 在側(cè)面發(fā)射LED的另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，反射材料可以在與半導(dǎo)體LED層 垂直的磷光體層的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面上形成。于是，光通過(guò)磷光體層的未覆蓋的側(cè)面發(fā)射，其 然后可以進(jìn)入背光源波導(dǎo)。在本公開(kāi)中，在LED的頂面和底面之間的主要為窄的區(qū)域和/ 或角度內(nèi)發(fā)射光的任何LED都被看作側(cè)面發(fā)射LED。
圖2A和圖2B分別示出了具有基座22的LED 10的俯視圖和側(cè)視圖。由圖2A可 知，LED 10的側(cè)面的長(zhǎng)度與基座22的側(cè)面近似相同。理想情況下，LED 10和基座22將具 有相同的水平尺寸(或者基座22將更小)，但是在實(shí)踐中，由于需要在不損害LED 10的情 況下切割基座22，因而基座22在水平方向上沿著LED 10的所有發(fā)光邊緣延伸出LED 10之 外5iim至150iim。如圖2B所示，由于基座22的邊緣22a在LED 10的發(fā)光邊緣附近，因而 基座22不妨礙LED 10沿著水平方向發(fā)射的光(如箭頭所示)。 與此相對(duì)照，圖3A和圖3B分別示出了具有大的基座50的LED 10的俯視圖和側(cè) 視圖。由圖可知，基座50在水平方向延伸出LED IO之外相對(duì)較大的量，例如大于150iim。 圖3B示出了基座50如何妨礙LED 10發(fā)射的相當(dāng)數(shù)量的光，例如以向下的軌跡發(fā)射的光。 雖然有可能將LED 10的一個(gè)、兩個(gè)或者甚至三個(gè)發(fā)光側(cè)面置于大的基座50的邊緣附近，但 是從LED 10的至少一個(gè)側(cè)面發(fā)射的光將部分地被基座50阻擋。而且，由于瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管安裝在基座50上，因而附加的光將被阻擋。 圖4說(shuō)明了使用大的基座50的另一問(wèn)題。圖4示出了大的基座50上的LED 10 的側(cè)視圖，其具有將側(cè)面發(fā)射的光重新導(dǎo)向?yàn)橄蚯胺较虻墓獾姆瓷淦?2形式的光學(xué)元件。 LED 10(即半導(dǎo)體發(fā)光元件13、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30和反射層32)具有小于.4mm的豎直高度。 由于反射器52底座53處的"刀刃"形狀的實(shí)際成型問(wèn)題，底座53與LED 10的豎直高度相 比相對(duì)較大。因此，反射器52的底部邊緣54位于有源層14與反射膜32之間，從而導(dǎo)致 LED 10的發(fā)光側(cè)壁的大區(qū)域被反射器52的底座53阻擋。 圖5示出了一個(gè)實(shí)施例，其中LED 10安裝在基座22上，具有反射器62形式的光 學(xué)元件，所述反射器類(lèi)似于圖4中所示的反射器，但是不安裝在基座22上。反射器62可以 安裝在印刷電路板28(示于圖1)上?？商鎿Q地，反射器62可以是模制引線框架68的一部 分。模制引線框架68可以用常規(guī)方法制造，例如由圖案化導(dǎo)體材料(例如銅)制造。塑料 在該導(dǎo)體材料周?chē)蛔⑸涑尚鸵孕纬伤瞿Ｖ埔€框架，并且也被模制以形成所述光學(xué)元 件，例如反射器62。反射器62的內(nèi)表面可以用反射涂層(例如鋁或銀)覆蓋。
例如在照相機(jī)閃光燈配置中，反射器62將側(cè)面發(fā)射的光重新導(dǎo)向?yàn)橄蚯胺较虻?光。由圖5可知，反射器62的底部邊緣64位于基座22的頂面22t。p之下。在一個(gè)實(shí)施例 中，反射器的底部邊緣64與基座22的頂面22t。p位于相同的豎直高度。在另一個(gè)實(shí)施例中， 底部邊緣64可以位于有源層14之處或者之下?？商鎿Q地，底部邊緣64可以位于發(fā)射大多 數(shù)側(cè)面發(fā)射的光的磷光體層30的底面30b。tt。m之處或者之下。因此，LEDIO的例如介于有源 區(qū)域14與反射層32底面之間的發(fā)光側(cè)壁區(qū)域完全位于反射器62的光入射區(qū)域之內(nèi)，從而 從側(cè)壁發(fā)射的光不被反射器62的底座63阻擋。 圖6示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中LED 10安裝在基座22上，具有光學(xué)耦合到LED 10 的側(cè)面的透鏡70形式的光學(xué)元件。透鏡70為在水平面內(nèi)對(duì)側(cè)面發(fā)射的光準(zhǔn)直的準(zhǔn)直光學(xué) 器件，其可以用于背光照明。圖7A和圖7B示出了透鏡70與LED 10的正方形和圓形配置 的俯視圖。由圖可知，透鏡70耦合到LED 10的每個(gè)發(fā)光側(cè)面，并且因而在其中LED 10具 有四個(gè)發(fā)光側(cè)面的當(dāng)前實(shí)施例中，透鏡70包括耦合到每個(gè)側(cè)面的四個(gè)入射表面。如果希望 的話，可以組合每個(gè)單獨(dú)的發(fā)光側(cè)面的單獨(dú)的各透鏡以形成透鏡70。 圖7C示出了三側(cè)邊緣發(fā)射器LED IO'以及與該LED 10' —起使用的適當(dāng)?shù)耐哥R 70'的俯視圖。LED 10'類(lèi)似于四側(cè)邊緣發(fā)射器LED 10，但是可以在一側(cè)包括例如反射層11。透鏡70'被定形成接收來(lái)自所述三個(gè)邊緣發(fā)射側(cè)面的光并且在背光平面內(nèi)產(chǎn)生光的大 發(fā)散(例如±90° )，在正交方向上對(duì)該光準(zhǔn)直，例如±20° 。透鏡70'的彎曲形狀使得它 將使用全內(nèi)反射(TIR)反射來(lái)自側(cè)面發(fā)射器LED 10'的左右側(cè)的所有角度的光。本領(lǐng)域中 已知的是，當(dāng)從& = 1. 45到n2 (例如對(duì)于空氣，為1. 0)，介質(zhì)內(nèi)的入射角> asin (Vn》，即 >43.6°時(shí)，發(fā)生TIR。透鏡70'通過(guò)例如包覆成型(overmolding)或者在側(cè)面發(fā)射器表 面與該透鏡之間使用結(jié)合材料來(lái)與所述3側(cè)面發(fā)射表面光學(xué)接觸。所述結(jié)合材料(例如硅 樹(shù)脂)可以被應(yīng)用和允許在透鏡70'與LED 10'的側(cè)面發(fā)射器材料之間進(jìn)行芯吸(wick)。
圖6中所示的透鏡70包括入射區(qū)域72，其光學(xué)耦合到LED 10的發(fā)光側(cè)面以便接 收側(cè)面發(fā)射的光。入射區(qū)域72為接收來(lái)自LED IO的光的透鏡區(qū)域并且在該實(shí)施例中包括 頂部邊緣72t。p和底部邊緣72b。tt。m。底部邊緣72b。tt。m位于與基座22的頂面22t。p相同的豎 直高度。在另一個(gè)實(shí)施例中，底部邊緣64可以位于有源層14之處或者之下?？商鎿Q地，底 部邊緣64可以位于發(fā)射大多數(shù)側(cè)面發(fā)射的光的磷光體層30的底面30b。tt。m之處或者之下。 頂部邊緣72t。p位于反射膜32的底面之處或者之上。因此，例如介于有源區(qū)域14與反射層 32底面之間的LED 10的發(fā)光側(cè)壁區(qū)域完全位于透鏡70的入射區(qū)域72之內(nèi)，從而從側(cè)壁發(fā) 射的光不被阻擋。 透鏡70還包括一個(gè)或多個(gè)出射表面74，水平準(zhǔn)直的光通過(guò)所述出射表面發(fā)射。如 其中透鏡70具有正方形形狀的圖7A所示，存在四個(gè)出射表面74，而圖7B示出了具有一個(gè) 出射表面的圓弧形(round)透鏡70。出射表面74可以是例如高度大約3mm或者更少，因此 它可以用于薄背光操作。如圖6所示，出射表面74的底部邊緣74b。tt。m可以遠(yuǎn)低于基座22 的頂面22t。p的豎直高度。這種配置在使用例如如圖3A中所示的大基座50時(shí)是不可能的。
透鏡70可以是空心的，具有反射側(cè)壁，或者為實(shí)心的，通過(guò)產(chǎn)生具有希望的形狀 的光學(xué)透明材料(例如硅樹(shù)脂、玻璃或塑料)而形成。實(shí)心透鏡的側(cè)壁于是可以利用反射 材料來(lái)涂敷。當(dāng)透鏡70由固體材料制成時(shí)，假設(shè)在側(cè)面發(fā)射器LED 10與透鏡70之間具有 空氣間隙或者較低折射率材料，那么光將朝更高折射率介質(zhì)的入射表面72的平坦壁的法 線折射，導(dǎo)致LED IO的拐角附近的光強(qiáng)小于LED 10的側(cè)面的正前方的強(qiáng)度。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以利用一定材料76(例如硅樹(shù)脂)填充LED 10與透鏡70之 間的空間，以便提高光提取并且改善光的角混合。舉例而言，具有不同折射率的材料可以用 于填充材料76和透鏡70以便在光進(jìn)入透鏡70時(shí)產(chǎn)生光的希望的角混合或者散布。
圖8示出了透鏡70的一部分具有入射表面72的LED 10的俯視圖，所述入射表面 具有豎直取向的有角度的壁73，其也可以用來(lái)改善透鏡70內(nèi)的光的角混合。入射表面72 的壁73的變化的角度以不同的角度折射LED IO發(fā)射的光，因而光更均勻地散布。由于光 在水平面內(nèi)被準(zhǔn)直，因而無(wú)需產(chǎn)生水平取向的有角度的壁。雖然圖8示出了用于入射表面 72的鋸齒配置，但是也可以使用其他的配置，例如圓弧化的或者扇貝(scallop)形狀。側(cè)壁 的形狀也可以基于波導(dǎo)底面上形成的提取特征的分布來(lái)改變，以便在背光源的光輸出端處 實(shí)現(xiàn)最均勻的亮度分布。 在一個(gè)實(shí)施例中，模制引線框架可以與LED 10和透鏡70—起使用。圖9A和圖 9B示出了依照一個(gè)實(shí)施例利用模制引線框架80制造具有透鏡70的LED 10。模制引線框 架80由圖案化導(dǎo)體材料制造，塑料或者其他適當(dāng)?shù)牟牧显谠搶?dǎo)體材料周?chē)⑸涑尚?。?射成型的材料經(jīng)過(guò)模制以形成透鏡70的底面82并且利用諸如鋁或銀之類(lèi)的反射層84涂敷。接著，可以將LED 10安裝到引線框架80上并且沉積和模制硅樹(shù)脂以形成透鏡70，如 圖9B中所示。然后，可以在透鏡70上沉積反射層86，例如鋁或銀。如果準(zhǔn)直器透鏡70的 設(shè)計(jì)基于透鏡材料內(nèi)的全內(nèi)反射，那么無(wú)需或者不使用反射涂層。在如圖9C所示的一個(gè)實(shí) 施例中，使用了雙包覆成型工藝，其中沉積和模制具有第一折射率(例如1.6)的硅樹(shù)脂材 料88。然后，沉積和模制具有不同折射率(例如1.3)的附加硅樹(shù)脂材料89以形成希望的 透鏡70。如上面所討論的，這些折射率可以被選擇成使得當(dāng)折射率階躍(st印)時(shí)發(fā)生希望 的折射以便實(shí)現(xiàn)光的角混合。而且，可以在第一硅材料88中模制諸如圖8中所示的那些特 征以幫助實(shí)現(xiàn)光的希望的角混合。 圖9D和圖9E分別示出了被定形的襯底90的實(shí)施例的透視圖和截面圖(沿著圖 9D中的直線A-A)，利用該襯底可以直接安裝LED 10而不需要單獨(dú)的基座22。被定形的襯 底90包括導(dǎo)電的n和p底座92和LED10安裝于其上的電極94(如圖9E中所示)。被定 形的襯底90還包括由例如不導(dǎo)電的涂敷樹(shù)脂的銅制造的框架96，并且因而有時(shí)被稱(chēng)為銅 芯襯底?？蚣?6分開(kāi)底座92，形成用于被定形的材料98的框架，所述材料形成準(zhǔn)直器透 鏡90的底面。被定形的材料98可以例如為環(huán)氧樹(shù)脂或塑料，或者可以為用于改進(jìn)散熱的 導(dǎo)體，例如銅。如上面所描述的，可以在被定形的材料98上沉積反射涂層，其后使用例如硅 樹(shù)脂對(duì)透鏡70(圖9D和圖9E中未示出)進(jìn)行包覆成型。在一個(gè)實(shí)施例中，低折射率材料 (例如n = 1. 3)可以用于被定形的材料98或者施加在被定形的材料98上，并且高折射率 材料(例如11 = 1.6)可以用于透鏡70，從而與反射涂層相反，透鏡70可以完全依賴(lài)于全內(nèi) 反射。 圖10示出了包括多個(gè)具有透鏡70的LED 10的分布的背光源100的俯視圖。圖 ll為穿過(guò)LED IO切割的背光源IOO的一部分的截面圖。在圖11中，將透鏡70以及安裝到 基座22和電路板28上的側(cè)面發(fā)射LED 10插入實(shí)心透明波導(dǎo)36中的孔34內(nèi)。在透鏡70 與孔的壁之間存在小的空氣間隙(例如25微米)以便容納定位公差。波導(dǎo)36可以為空心 腔、模制塑料(例如PMMA)或者另一適當(dāng)?shù)牟牧?。鏡膜38覆蓋波導(dǎo)36的底面和側(cè)面。膜 38可以為可從3M公司獲得的增強(qiáng)鏡面反射器(ESR)膜或者外部漫射白色散射板。可選的 是，鏡膜38或者所述外部白色板覆蓋側(cè)面。代替使用反射膜的是，可以在具有反射側(cè)壁的 載體內(nèi)支撐波導(dǎo)36。 波導(dǎo)36的底面具有許多小凹坑40，其用于在向上方向上朝LCD 42后表面散射 光。LCD 42以常規(guī)的方式選擇性地控制顯示屏內(nèi)的像素?？梢栽诓▽?dǎo)36的模制工藝中產(chǎn) 生凹坑40，或者可以通過(guò)蝕刻、噴砂、印刷或者其他手段形成凹坑40。凹坑40可以采取任 何形式，例如棱鏡或者隨機(jī)粗糙化。這樣的特征有時(shí)稱(chēng)為提取特征。在一個(gè)實(shí)施例中，更靠 近LED 10 (其中來(lái)自LED的光更亮)的凹坑40的密度小于更遠(yuǎn)離LED 10的凹坑40的密 度，以便在波導(dǎo)36的頂面上形成均勻的光發(fā)射。關(guān)于有關(guān)背光源和波導(dǎo)的更多信息，請(qǐng)參 見(jiàn)同此提交的SergeBierhuizen等人的題為"Thin Backlight Using Low Profile Side
EmittingLED"的美國(guó)序列號(hào)No._，該文獻(xiàn)通過(guò)引用全部合并于此。 圖12為另一種類(lèi)型的背光源150的部分截面圖，其中每個(gè)LED 10位于光學(xué)單元 152內(nèi)。圖13示出了背光源150的頂視圖。在該實(shí)施例中，背光源150為圖案化漫射器板， 其可以為一維或二維的，并且可以用來(lái)控制光分布。舉例而言，背光源150可以為微蜂窩狀 反射片，例如由古河電工(Furukawa Electric)制造成MCPET的背光源，或者為高鏡面反射
8器或部分反射/散射元件，其具有高反射比和循環(huán)效率。來(lái)自每個(gè)反射單元152的光的一 部分可能泄漏到鄰近的單元，這允許混合來(lái)自不同LED的光混合并且因而改善了光的均勻 性，以及在各段之間產(chǎn)生非突變的邊界。舉例而言，單元之間的光混合可以從相鄰單元貢獻(xiàn) 的光的例如20%變化到80%。 LED 10可以與附加的透鏡154 —起安裝在單元152內(nèi)，所述附加的透鏡幫助控制 側(cè)面發(fā)射的光。由圖可知，散射元件156可以位于LED 10的反射膜32之上。散射元件156 在水平方向上轉(zhuǎn)換前向發(fā)射的光的一部分，例如通過(guò)反射膜32泄漏的光。散射元件156典 型地由透鏡模具形成?？商鎿Q地，噴砂、蝕刻、絲網(wǎng)印刷或者通過(guò)其他手段可以用來(lái)形成將 來(lái)自豎直方向的光重新導(dǎo)向到水平方向的特征。 如圖13所示，LED 10陣列與圖案化漫射器板150 —起使用。在一個(gè)實(shí)施例中，每 個(gè)LED IO可以按行和列獨(dú)立地尋址，以便經(jīng)由控制器160接收來(lái)自電流源160的正向偏置 電流。因此，如反射單元152a中所示，可以向LED 10提供全電流，從而LED打開(kāi)，而在反射 單元152b中，LED 10不接收任何電流，從而LED關(guān)斷。這是有利的，例如從而背光照明可 以用來(lái)改變LCD顯示器的選定部分的亮度。這種基于單元的模塊化方法可以用于2D調(diào)暗 或增強(qiáng)系統(tǒng)，其中背光源釋放低分辨率圖像以便與LCD動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合顯著地局部增強(qiáng)對(duì) 比度(白/黑)比率并且降低功耗。 盡管在圖13中反射單元152被示為正方形，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，可以將這些單元 制成任何希望的形狀。而且，可以控制諸如光學(xué)形狀、底部反射器形狀以及鏡面和漫射部 件、到漫射器元件的距離以及漫射器的圖案化之類(lèi)的設(shè)計(jì)元素以便像希望的那樣調(diào)節(jié)均勻 性或光的散布問(wèn)題。此外，可以使用單元內(nèi)的LED的可替換的布置。舉例而言，圖14示出 了背光源160中的多個(gè)單元162，所述背光源類(lèi)似于圖13中所示，例外之處在于，與位于單 元中心相反的是，LED IO位于兩個(gè)鄰近單元之間的邊界處。因此，來(lái)自每個(gè)LED IO的光在 兩個(gè)主要的單元之間劃分，并且每個(gè)單元包含來(lái)自四個(gè)LED的光，從而改善了單元中的光 混合。類(lèi)似地，圖15示出了背光源170中的多個(gè)單元172，所述背光源類(lèi)似于圖14中所示 的背光源160，例外之處在于，LED位于每個(gè)單元的拐角。相應(yīng)地，來(lái)自每個(gè)LED的光被劃分 到四個(gè)單元。此外，如果希望的話，LED IO可以位于每個(gè)單元的中心，從而來(lái)自五個(gè)LED的 光對(duì)每個(gè)單元172產(chǎn)生貢獻(xiàn)。 盡管出于教導(dǎo)的目的結(jié)合特定實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此。在 不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出不同的適應(yīng)性變化和修改。因此，所附權(quán)利要求書(shū) 的精神和范圍不應(yīng)當(dāng)限于前面的描述。
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權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括側(cè)面發(fā)射的非發(fā)射激光的發(fā)光二極管(LED)，該LED具有多個(gè)發(fā)光側(cè)壁，每個(gè)發(fā)光側(cè)壁具有頂部和底部；其中該LED在不使用側(cè)面發(fā)射透鏡的情況下從其發(fā)光側(cè)壁發(fā)射光；以及光學(xué)元件，所述LED的每個(gè)發(fā)光側(cè)壁光學(xué)耦合到該光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有底部邊緣，其中導(dǎo)向到該光學(xué)元件的底部邊緣之下的光不進(jìn)入該光學(xué)元件；其中該光學(xué)元件的底部邊緣位于所述發(fā)光側(cè)壁的底部之處或者之下。
2. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述光學(xué)元件為將來(lái)自所述LED的側(cè)面發(fā)射的光重新導(dǎo)向?yàn)橄蚯胺较虻墓獾姆瓷淦鳌?br> 3. 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中所述光學(xué)元件為準(zhǔn)直透鏡，其中所述LED的每個(gè)發(fā)光側(cè)壁光學(xué)耦合到該準(zhǔn)直透鏡的入射區(qū)域。
4. 權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述LED安裝在具有被定形的頂面的模制引線框架上，所述 頂面被定形為所述準(zhǔn)直透鏡的底面，該準(zhǔn)直透鏡在所述模制引線框架上被模制。
5. 權(quán)利要求4的設(shè)備，其中所述被定形的頂面涂敷有具有比所述準(zhǔn)直透鏡中的材料更 低的折射率的材料或反射層。
6. 權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述LED安裝在被定形的襯底上，所述襯底被定形為所述準(zhǔn) 直透鏡的底面，該準(zhǔn)直透鏡在所述被定形的襯底上被模制，其中所述LED安裝在所述被定 形的襯底上而沒(méi)有居間的基座。
7. 權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述被定形的頂面涂敷有具有比所述準(zhǔn)直透鏡中的材料更 低的折射率的材料或反射層。
8. 權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述準(zhǔn)直透鏡具有入射區(qū)域，所述LED的側(cè)壁發(fā)射的光透射 通過(guò)該入射區(qū)域，該入射區(qū)域具有底部邊緣和頂部邊緣，其中該入射區(qū)域的頂部邊緣位于 所述發(fā)光側(cè)壁的頂部之處或者之上。
9. 權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括具有頂面的基座，所述LED安裝在該基座的頂面上。
10. 權(quán)利要求9的設(shè)備，其中所述光學(xué)元件的底部邊緣位于所述基座的頂面之處或者 之下。
11. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述LED包括半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其在底面上具有觸點(diǎn)，所述觸點(diǎn)在倒裝芯片配置中安裝到所述基座上，該半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有頂面；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，其在所述半導(dǎo)體發(fā)光裝置的頂面上，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料具有頂面和側(cè)壁，這些側(cè)壁是側(cè)面發(fā)射側(cè)壁；反射器，其在所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的頂面上并且基本上平行于所述半導(dǎo)體發(fā)光裝置的頂面，從而碰撞到該反射器上的基本上所有的光向后重新導(dǎo)向到所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料中。
12. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述LED發(fā)射白色光。
13. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述LED具有小于0. 5mm的厚度。
14. 權(quán)利要求l的設(shè)備，還包括多個(gè)側(cè)面發(fā)射的非發(fā)射激光的LED，其安裝有陣列中的 相應(yīng)的光學(xué)元件；以及光導(dǎo)，其被光學(xué)耦合以接收來(lái)自這些LED的側(cè)面發(fā)射的光。
15. 權(quán)利要求l的設(shè)備，還包括多個(gè)側(cè)面發(fā)射的非發(fā)射激光的LED，其具有陣列中的相 應(yīng)的光學(xué)元件；以及蜂窩狀壁，其圍繞每個(gè)LED，每個(gè)蜂窩狀壁由光漫射材料形成。
全文摘要
描述了一種具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件的低輪廓側(cè)面發(fā)射LED，所述光學(xué)元件例如反射器或透鏡，光學(xué)耦合到每個(gè)發(fā)光側(cè)壁。在一個(gè)實(shí)施例中，例如在閃光燈配置中，反射器(62)用來(lái)將從每個(gè)側(cè)壁發(fā)射的光重新導(dǎo)向到向前方向。在另一個(gè)實(shí)施例中，例如對(duì)于背光照明而言，透鏡(70)用來(lái)在水平面內(nèi)對(duì)側(cè)面發(fā)射的光準(zhǔn)直。透鏡的每個(gè)入射表面被定位成使得底部邊緣位于發(fā)光側(cè)壁的底部之處或者之下，從而透鏡的底座不阻擋LED發(fā)射的光。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101779302SQ200880103348
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者G·W·恩格, S·J·比爾休詹 申請(qǐng)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(shè)備有限責(zé)任公司