纵横比大于1的led阵列光源的制作方法
【专利摘要】一种用于LED照明设备的LED光源(10)，包括包含纵横比大于1的LED组装区(11)的子基底(20)，一位于LED组装区上的LED阵列(13)以及一子基底上覆盖LED组装区的透镜(30)。还公开了促进优选侧照明的多种实施例，例如，用于道路照明。
【专利说明】纵横比大于1的LED阵列光源
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及LED照明设备领域，尤其涉及，应用在设备中的具有特殊光分布要求的基于LED的光源。
【背景技术】
[0002]近年来，发光二极管(LED)在各种常规照明用途中的使用日益增加，而LED，LED阵列以及特殊组件的进步更加速了这种趋势。的确，以前典型使用所谓高强度放电(HID)灯的设备的照明应用如今已采用LED照明设备。这种照明应用包括道路照明，工厂照明，停车场照明和商业建筑照明，以及很多其他照明。
[0003]在很多此类产品中，在大面积上实现具有特殊光分布要求的高水平照明非常重要。其中一个例子是道路照明设备，在应用中，设备通常被放置于沿着道路边缘，但期望光沿着道路长度的绝大部分分布，当然，要求分布于道路自身上——通常要防止光线明显偏离道路。在这样的情况下，需要将对大的复杂反射器的使用减到最少和/或改变多个光源的取向以实现所需的照明图案。
【发明内容】
[0004]本发明为一种LED光源，其满足所有上面提及的目的和用途。本发明的LED光源包括包含纵横比大于I的LED组装区的子基底，位于LED组装区上的LED阵列以及所述子基底上的位于LED组装区上方的透镜。
[0005]在此，术语“LED组装区”是指一个区域(即，子基底上的区域)，其外部边界包括任意方向上最外部LED(LED阵列中的)的最外部边缘。在此，术语“纵横比”是指LED组装区域的最大横断面尺寸与与该最大横断面尺寸正交的最大横断面尺寸的比值。
[0006]在本发明LED光源的某些实施例中，阵列中LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约1/3。在一些实施例中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约2/3，在一些这种实施例中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约90%。
[0007]在此，术语“LED总区域”是指LED阵列中紧接在每个LED下面的子基底区域的总和。
[0008]在某些其他实施例中，阵列中LED之间的间距不大于大约I毫米(mm)，在一些这样的实施例中，LED之间的间距不大于大约0.5_，有时不大于大约0.1_。在某些其他实施例中，该间距不大于大约0.075mm,甚至不大于大约0.05mm。
[0009]在本发明的其他实施例中，LED组装区的纵横比为至少大约1.25。在一些这样的实施例中，该纵横比为至少大约1.5，在其他实施例中，纵横比为至少大约2。
[0010]在一些实施例中，LED组装区为矩形。例如，一个这种实施例包括LED的矩形阵列，至少包含排成两行每行4个LED的8个LED。另一例中，该阵列包括排成4行每行12个LED的48个LED。在某些其他实施例中，LED组装区是非对称的。
[0011]“非对称”在此是关于LED组装区而使用，当未通过任何进一步限定性描述更改的情况下，是指一区域，该区域的边界是具有不多于一个如下轴的几何形状，围绕该轴而存在左右对称。因此，可以理解的是，矩形LED组装区不是非对称的，因为其具有两个关于其左右对称的轴。
[0012]在本发明的某些实施例中，LED光源被配置为将LED发出的光折射向一个优先方向。LED阵列限定发射器轴，在某些实施例中，透镜具有外表面和中心线，中心线从发射器轴向着优先方向偏离。在一些这种实施例中，透镜构型为将LED发出的光折射向优先方向。透镜可以是非对称的。
[0013]在此，术语“发射器轴”是指与LED组装区限定的平面正交的线，其穿过限定LED组装区的最小面积的矩形的几何中心，即，包含所有LED组装区的最小面积的矩形的中心。
[0014]术语“非对称”在此是关于透镜使用的，当未通过任何进一步限制性描述更改的情况下，是指透镜的形状不关于任何垂直于其基部平面的轴旋转对称。非对称透镜的种类包括但不限于左右对称的透镜。
[0015]在一些实施例中，光源被设计成将LED发出的光折射向优先方向，LED组装区具有正交的较大和较小横断面尺寸，优先方向沿着较小横断面尺寸，从而可以提供相对于发射器轴向着优先方向偏离的照明图案。
[0016]在本发明的某些实施例中，透镜模塑在子基底上。该子基底可以包含陶瓷材料，也可以是氮化铝。该子基底包括前表面和后表面，且LED组装区可以位于前表面上，而电极位于后表面上作连接用。
[0017]本发明的光源还可以被描述成包括(a)子基底，包含LED组装区，其上具有发光二极管(LED)阵列，LED组装区具有第一和第二相互正交的最大横断面尺寸，其中第一横断面尺寸比第二横断面尺寸大，以及(b)子基底上位于LED组装区上方的透镜。
[0018]本发明的说明书以及下面的权利要求书中，术语“包括”，“包含”和“具有”(以及他们的各种不同形式)以及术语“带有”应当被理解为开放式的，而不是限制性的术语。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是根据本发明一个实施例的LED光源的放大透视图，包含8个LED 二极管阵列以及模塑在LED阵列上的非对称主透镜。
[0020]图2是根据本发明的另一实施例的LED光源的放大透视图，包含48个LED阵列以及模塑在LED阵列上的非对称主透镜。
[0021]图3是根据本发明的变换例的具有非对称形状的LED阵列的放大平面图。
[0022]图4是图1所示LED光源中的LED阵列的放大平面图，示出了 LED阵列的主要尺寸。
[0023]图5和6是其每一个根据本发明配置的更多变换例的LED阵列放大平面图。
[0024]图7是根据本发明的另一变换例的具有非对称形状的LED阵列放大平面图。
[0025]图8是根据本发明的另一个实施例的LED光源的放大透视图，其包含模塑在LED阵列上的半球形主透镜。
[0026]图9是图1的LED光源的放大平面图。
[0027]图10是图1的LED光源的放大前视图。
[0028]图11是图1的LED光源的放大侧视图。
[0029]图12是图1的LED光源的子基底的放大前视图，显示了子基底上的8个LED。
[0030]图13是图12的子基底的侧视图。
[0031]图14是图12的子基底的后视图。
[0032]图15是根据本发明的另一变换例的LED阵列的放大平面图。
[0033]图15A是图15的LED阵列的LED组装区外部边界的示例性示意图。
[0034]图15B是图15的LED阵列的发射器轴的位置的示例性示意图，且示例性展示了用于确定图15A中的LED组装区的纵横比的两个正交的最大横断尺寸。
具体实施例
[0035]图1-15示出了本发明的LED光源10。光源10包括子基底20，其包含纵横比大于I的LED组装区11，LED组装区11上的LED13的阵列12，以及子基底20上面位于LED组装区11上方的透镜30。
[0036]图15A示出了 LED组装区11的外部边界111的一个例子。图15B为用于确定特定LED组装区11的纵横比的两个正交的最大横断尺寸的示例性示意图。
[0037]图1-8还示出每个LED组装区11上的LED13的间距和排列被设置为总的LED区域占LED组装区11的至少大约1/3，如图3和15所示。在图7和8中，LED 13的间距和排列被设置为总的LED区域分别占LED组装区Ilf和Ilg的至少大约2/3。在图1，2，4_6中，LED 13的间距和排列被设置为总的LED区域占LED组装区11a，lib, Ild和lie的至少大约90%。
[0038]图3示出了阵列Ilc中LED13之间的间距为大约0.1mm。在图4中，阵列Ila中的LED13之间的间距为大约0.075mm。而图5中，阵列Ild中LED13之间的间距为大约0.05mm。
[0039]图1-8和15示出了纵横比为至少大约1.25，至少大约1.5以及至少大约2的LED组装区lla-h的各种构型。图1，4和9示出了 LED光源10a，包括具有8个LED (排列成两行每行4个LED13)的矩形的LED组装区11a。图6中，尺寸以括号中的毫米数和括号下的英寸数表示，第一最大横断面的尺寸为[2.08]，即，2.08毫米。图2示出了 LED发射器10b，包含每行12个LED13排列为8行的48个LED13。LED组装区Ila的纵横比大约为2，LED组装区Ilb的纵横比大约为3。
[0040]图3和7示出了 LED阵列Ilc和llf，每个都具有排列成非对称配置，且其纵横比大于I。
[0041]图1，2和7-11示出了 LED光源10的各种形式，其被配置为将LED所发出的光向优先方向2折射。每个LED阵列定义发射器轴14。图1，2和7-11示出了透镜30，其被配置为将LED发出的光向着优选侧2折射。图1，2和9-11示出了透镜外表面31，被构形为将LED发出的光折射向优选侧2。图4，7和9示出了透镜外表面31，其具有自发射器轴14向着优选侧2偏离的中心线32。图1，2和9-11示出了 LED光源10，其具有中心线32自发射器轴14向着优选侧2偏离的透镜外表面31,同时被构形为将LED发出的光折射向优选侧2。在图1和2中，示出的透镜30是非对称的。
[0042]图4示出了 LED组装区11a，具有第一横断面尺寸15和与横断面尺寸15正交的第二横断面尺寸16，其中第一横断面尺寸15大于第二横断面尺寸16。优先方向2沿着较小横断面尺寸15，从而提供相对于发射器轴14向着优先方向2偏离的照明图案。这种照明图案的例子是非对称照明图案，例如由照明工业协会(IES)所规定的用于道路照明的III型或IV型光分布图案。
[0043]图15B也示例性的示出了穿过限定LED组装区11的最小面积矩形14b的几何中心14a的发射器轴14的位置。
[0044]在图1，2和7-9中，透镜30模塑于子基底20上。图12_14示出了子基底20包括陶瓷材料21。图12-14可以进一步看出，子基底20具有前表面22和后表面23，LED组装区域11位于前表面22上。光源10具有位于后表面23上的电极24,用于LED光源10的电连接。
[0045]图12最佳地示出了子基底20在其前表面22上包括三个接触衬垫:正极接触衬垫211p ;中间接触衬垫211i ;以及负极接触衬垫211η。每个这种接触衬垫都通过金属化工艺沉积在陶瓷层21上。三个接触衬垫211p，211i和211η的几何构形使得LED阵列12可以方便地布置在图1和2所示的矩形图案中。按照多种其他接触衬垫的几何构形，许多其他图案也是可行的。此类其他构形和图案并不限于所示出的实施例。
[0046]图13最佳地示出了其上沉积有接触衬垫211(211p，211i和211η)的陶瓷层21。
[0047]图14示出了在子基底20的后侧23上，安装衬垫231，23Ip和231η也通过金属化工艺沉积在陶瓷层21上。安装衬垫231ρ和231η利用金属化分别通过穿过陶瓷层21的通孔25电连接到接触衬垫21 Ip和211η，从而使得安装衬垫231ρ和231η电连接到印刷电路板26或光源10的其他结构。安装衬垫231与安装衬垫231ρ和231η电绝缘，用于从LED13传导热。安装衬垫231的电绝缘可以通过焊接掩模实现。
[0048]接触衬垫的金属化层包括位于氮化铝陶瓷层21的一部分上的钛层，铜层和银层。银层可以是前侧和后侧上的最外层。铜层是银和钛之间的中间层。而钛层可以是直接施加到陶瓷21的最内层。近似层厚可以如下:铝陶瓷层309为或大约为0.50毫米；钛层315为或大约为0.06微米；铜层317为或大约为50微米；而银层319为或大约为3.5微米。
[0049]图12进一步示出了具有8个LED13的LED阵列12a，其中4个LED13p接合到正极接触衬垫211p，4个LED13i接合到中间接触衬垫211i。LED13通过阳极侧(p型材料)接触接触衬垫而接合到相应的接触衬垫上。每个LED13的相反侧为阴极侧(η型材料)，阴极侧线线接合到其他的接触衬垫以完成LED光源10的电连接。接触衬垫211之间的间隙28提供之间的电绝缘。
[0050]图12还示出了每个LED13的线接合连接27如下:接合到正极接触衬垫21 Ip的4个LED13p的每一个的阴极侧通过两条接合线接合27线接合到中间接触衬垫211i ;而接合到中间接触衬垫21 Ii的4个LED13i的每一个的阴极侧通过两条线接合连接27线接合到负极接触衬垫211η。
[0051]因此,每一个LED13p在接触衬垫211p处被连接到正电端子,这种正极电连接首先实现在安装衬垫231p处，接着通过通孔25连接到接触衬垫211p。然后，电流流过每个LED 13p，流经线接合连接27到中间接触衬垫21 Ii。电流接着流过在阳极侧处接合到中间接触衬垫211i的每个LED13i。电流然后接着流过负极接触衬垫211i，然后流到通过通孔25连接到负极接触衬垫211η的负极安装衬垫231η。
[0052]大体上，LED阵列12a的连通是四组串联的LED13相互之间并联连接。正接触衬垫21 Ip连接到DC驱动电路(未示出)的正极端子，负接触衬垫211η连接到该驱动电路的负极端子。
[0053]每个LED13上的双线接合连接为每个LED13提供了电冗余，从而最小化任意LED13的整体损坏，即，如果一条线接合失效，则另一条线接合将提供需要的电连接。
[0054]结合详细的实施例展示和描述了本发明的原理，可以理解的是，这种实施例是示意性的而绝非限制性。
【权利要求】
1.一种LED光源，包含子基底，所述子基底包括纵横比大于I的LED组装区，LED组装区上的LED阵列，以及子基底上的位于LED组装区上方的透镜。
2.如权利要求1所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约1/3。
3.如权利要求1所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约2/3。
4.如权利要求3所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约90%。
5.如权利要求3所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约1mm。
6.如权利要求5所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.5mm。
7.如权利要求6所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.1_。
8.如权利要求7所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.075mm。
9.如权利要求8所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.05mm。
10.如权利要求1所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约1.25。
11.如权利要求10所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约1.5。
12.如权利要求11所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约2。
13.如权利要求1所述的LED光源，其中，LED组装区为矩形。
14.如权利要求13所述的LED光源，其中，所述阵列包括布置成两行每行4个LED的至少8个LED。
15.如权利要求13所述的LED光源，其中，所述阵列包括布置成四行每行12个LED的48 个 LED。
16.如权利要求1所述的LED光源，配置为将LED发出的光折射向一个优先方向。
17.如权利要求16所述的LED光源，其中: -LED阵列限定发射器轴；并且 -所述透镜具有外表面和中心线，所述中心线从所述发射器轴向所述优先方向偏离。
18.如权利要求16所述的LED光源，其中，所述透镜构形为用于将LED发出的光向所述优先方向折射。
19.如权利要求18所述的LED光源，其中，所述透镜是非对称的。
20.如权利要求16所述的LED光源，其中，LED组装区具有正交的较大和较小横断面尺寸，且优先方向沿着较小横断面尺寸，从而提供相对于发射器轴向所述优先方向偏离的照明图案。
21.如权利要求1所述的LED光源，其中，所述透镜模塑在子基底上。
22.如权利要求1所述的LED光源，其中，所述子基底包括陶瓷材料。
23.如权利要求22所述的LED光源，其中，所述陶瓷材料为氮化铝。
24.如权利要求1所述的LED光源，其中，所述子基底具有前表面和后表面，LED组装区位于前表面上，而光源进一步包括在后表面上的电极。
25.如权利要求1所述的LED光源，其中，LED组装区是非对称的。
26.—种LED光源，包括: -子基底，包括其上具有发光二极管LED阵列的LED组装区，该LED组装区具有相互正交的第一和第二最大横断面尺寸，其中，第一横断面尺寸大于第二横断面尺寸；以及 -子基底上的位于LED组装区上方的透镜。
27.如权利要求26所述的LED光源，其中，LED组装区的第一横断面尺寸与第二横断面尺寸的比值为至少大约1.25。
28.如权利要求27所述的LED光源，其中，该比值为至少大约1.5。
29.如权利要求28所述的LED光源，其中，该比值为至少大约2。
30.如权利要求26所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约1/3。
31.如权利要求30所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约2/3。
32.如权利要求31所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约90%。
33.如权利要求26所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约1mm。
34.如权利要求33所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.5mm。
35.如权利要求34所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.1mm。
36.如权利要求35所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.075mm。
37.如权利要求36所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.05mm。
38.如权利要求26所述的LED光源，其中，LED组装区为矩形。
39.如权利要求38所述的LED光源，其中，所述阵列包括布置成两行每行4个LED的至少8个LED。
40.如权利要求38所述的LED光源，其中，所述阵列包括排列成四行每行12个LED的48 个 LED。
41.如权利要求26所述的LED光源，配置为将LED发出的光折射向一个优先方向。
42.如权利要求41所述的LED光源，其中，所述透镜构形为将LED发出的光向所述优先方向引导。
43.如权利要求41所述的LED光源，其中: -LED阵列限定发射器轴；并且 -所述透镜具有外表面和中心线，所述中心线从所述发射器轴向所述优先方向偏离。
44.如权利要求43所述的LED光源，其中，所述透镜构形为用于将LED发出的光向所述优先方向引导。
45.如权利要求26所述的LED光源，其中，所述透镜模塑在子基底上。
46.如权利要求26所述的LED光源，其中，所述子基底包括陶瓷材料。
47.如权利要求46所述的LED光源，其中，所述陶瓷材料为氮化铝。
48.如权利要求26所述的LED光源，其中，所述子基底具有前表面和后表面，所述LED组装区位于前表面上，而所述光源进一步包括在后表面上的电极。
49.如权利要求26所述的LED光源，其中，LED组装区是非对称的。
50.一种LED光源，包含子基底，所述子基底包括纵横比大于I的LED组装区，LED组装区上的LED阵列，以及子基底上的位于LED组装区上方的非对称透镜。
51.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约1/3。
52.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约2/3。
53.如权利要求52所述的LED光源，其中，所述LED的间距和排列使得LED总区域至少占LED组装区域的大约90%。
54.如权利要求52所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约1mm。
55.如权利要求54所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.5mm。
56.如权利要求55所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.1mm。
57.如权利要求56所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.075mm。
58.如权利要求57所述的LED光源，其中，LED之间的间距不大于大约0.05_。
59.如权利要求50所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约1.25。
60.如权利要求59所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约1.5。
61.如权利要求60所述的LED光源，其中，该纵横比为至少大约2。
62.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述LED组装区为矩形。
63.如权利要求62所述的LED光源，其中，所述阵列包括布置成两行每行4个LED的至少8个LED。
64.如权利要求62所述的LED光源，其中，所述阵列包括布置成四行每行12个LED的48 个 LED。
65.如权利要求50所述的LED光源，其中: -LED阵列限定发射器轴；并且 -所述透镜具有外表面和中心线，所述中心线从所述发射器轴向所述优先方向偏离。
66.如权利要求50所述的LED光源，其中，LED组装区具有正交的较大和较小横断面尺寸，且所述优先方向沿着较小横断面尺寸，从而提供相对于所述发射器轴向优先方向偏离的照明图案。
67.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述透镜模塑在子基底上。
68.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述子基底包括陶瓷材料。
69.如权利要求68所述的LED光源，其中，所述陶瓷材料为氮化铝。
70.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述子基底具有前表面和后表面，LED组装区位于前表面上，而所述光源进一步包括在后表面上的电极。
71.如权利要求50所述的LED光源，其中，所述LED组装区为非对称的。
72.如权利要求71所述的LED光源，其中，所述透镜模塑在子基底上。
73.如权利要求71所述的LED光源，其中， -所述LED阵列限定发射器轴；并且 -所述透镜具有外表面和中心线，所述中心线从所述发射器轴向优先方向偏离。
74.如权利要求71所述的LED光源，其中，所述子基底包括陶瓷材料。
75.如权利要求74所述的LED光源，其中，所述陶瓷材料为氮化铝。
76.如权利要求74所述的LED光源，其中，所述子基底具有前表面和后表面，LED组装区位于前表面上，而所述光源进一步包括在后表面上的电极。
【文档编号】F21V5/08GK104350327SQ201380024946
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年4月4日 优先权日:2012年4月6日
【发明者】K·S·威尔考克斯, B·凯勒, T·罗维斯, P·N·安德鲁斯 申请人:克里公司