专利名称：照明模块的制作方法
照明模块本发明涉及照明模块。更具体而言，本发明涉及包括发光二极管芯片的照明模块。
背景技术：
发光二极管(LED)是在被电能激励时发射光的半导体器件。通常，LED包括设置在封装内的LED芯片。LED芯片是用杂质浸渍或掺杂以产生p-n结的半导体材料(或材料组合)。当电流正向偏置地通过LED芯片时，电子“跳过(jump)”p-n结并发射光。该封装通常是具有电连接以将LED芯片耦合到电流源的塑料或陶瓷材料。LED封装的主要缺点是封装的热阻可能相当大(即，大于100°C /W)，这降低LED芯片的寿命和性能。术语“发光二极管芯片”、“LED芯片”、“芯片”或“LED管芯”用来指示半导体p-n结，并从而与术语LED区别开，术语LED通常包括芯片及其封装两者。LED是比白炽灯光源更加高效的光源。然而，针对使用LED作为用于一般照明应用的光源的一个挑战在于从单独LED芯片中取出充分的光。换言之，单独LED芯片与诸如例如钨丝的其它光源相比未提供足够的光。然而，当多个LED被组合成LED阵列时，阵列中的所有LED芯片的组合和累积效应产生具有足够光的光源。LED在照明应用中的使用越来越多。照明器材中LED的早期使用趋向于在一般称为照明模块的物体中采用被分组在一起的高功率LED (通常为IW芯片)。然后，在照明器材中可以采用一个或多个照明模块。为了产生均勻光源，可以将LED放置为足够接近以通过扩散器将光“混合”。另外，对使照明器材的厚度最小化的需求增加，要求将LED —起放置得甚至更加紧密。随着LED被一起移动至更加紧密，对外来热管理解决方案(例如，风扇、散热片、热导管等)的需求增加。除加热问题之外，必须将使用LED的照明模块设计为解决诸如色彩均勻度和合并 (binning)的光学问题。例如，根据所使用的半导体材料，LED芯片可以递送不同色彩的光。 为了产生白光，通常采用两种技术。在一种技术中，将三个LED芯片(一个红色、一个蓝色和一个绿色)捆绑在一起，使得累积输出导致白色光源。第二技术采用用荧光粉涂敷或封装的 UV/蓝色LED芯片。LED芯片发射特定波长(在UV或蓝色区中)的光。发射的光激励荧光粉，这导致白光的发射。然而，当制造LED芯片时，单个半导体晶片可以产生变化波长的LED 芯片。然后，LED芯片制造商必须采用昂贵的合并过程来以波长对LED芯片进行组织(或合并)。为了保证均勻度，LED照明模块的制造商将要求来自小范围的合并的LED芯片。此类限制增加了照明模块的生产成本。
发明内容
本文提出的是通常包括基板和被直接附着于基板的多个发光二极管(LED)芯片的照明模块。提出了此一般概念的各种实施例。另外，提出了制备照明模块的方法和照明模块的系统组件。
结合到本说明书中并构成其一部分的附图举例说明本发明的实施例。连同提供的描述一起，附图用于解释本发明的原理并从而使得所属领域的技术人员能够完成和使用本发明。图1是依照一个实施例的照明模块的示意图。图2示出依照一个实施例的照明模块200。图3示出替换照明模块布置的部分侧视图。图4示出替换照明模块布置的部分侧视图。图5示出替换照明模块布置的部分侧视图。图6示出图5的照明模块布置的部分平面图。图7示出替换照明模块布置的部分侧视图。图8示出替换照明模块布置的部分侧视图。图9示出图8的光盘的侧视图。图10示出光杯的透视图。图1IA示出替换光杯的透视顶视图。图IlB示出图IlA的光杯的透视底视图。图12示出举例说明依照本发明产生照明模块的方法的流程图。图13举例说明制备照明模块的方法。图14举例说明用于使用本文所述的任何照明模块来为客户提供服务的方法。图15A 15C提供支持本文提出的另一实施例的图示。
具体实施例方式本文提出的是通常包括基板和被直接附着于基板的多个发光二极管(LED)芯片的照明模块。提出了此一般概念的各种实施例。另外，提出了制备照明模块的方法和照明模块的系统组件。参考附图来描述所提供的实施例，其中相同的附图标记通常指示相同或在功能上类似的元件。并且，每个附图标记最左侧的数字通常对应于其中首先使用该附图标记的图。虽然讨论了特定配置和布置，但应当理解的是这仅仅是出于说明性目的进行的。所属领域的技术人员将认识到在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可以使用其它配置和布置。图1是依照本文提出的一个实施例的照明模块100的示意图。照明模块100包括设置在基底或基板111上的LED芯片110的阵列。LED芯片110被直接附着于基板111。如本文所使用的，术语“直接附着”或“直接地附着”意图广泛地指示在没有基础封装的情况下的LED芯片到基底的粘附或以其它方式附着。在一个实施例中，使用充Ag胶将LED芯片 110粘附于基板111。可以使用其它技术将LED芯片110直接附着于基板111。例如，可以使用共晶焊接将LED芯片110直接附着于基板111。在所示的实施例中，LED芯片110被以并联电路电耦合到第一和第二导电迹线112 和114。虽然以并联电路示出LED芯片110，但本领域的技术人员将容易知道如何以等效串联电路布置LED芯片110。如图1所示，LED芯片110被直接附着于基板111与第一导电迹线112接触并被丝焊(wire bond) 120电耦合到第二导电迹线114。然后将第一和第二导电迹线112、114耦合到电流调节器130，电流调节器130从电源140接收功率。电源140通常是AC电源。来自电源140的AC功率然后在电流调节器130处被转换成DC电流。本领域的技术人员将理解本文所使用的术语“电源”意图广泛地指示用于向LED芯片递送所需电流或电压的任何装置。照此，适当的电源可以是单个DC电源或与AC/DC转换器和/或电流调节器组合的AC电源。 电流调节器130、电源140和导电迹线112、114及等效结构充当用于通过对被递送到照明模块100的电流量设限(cap)并提供可靠的低噪声电流来向LED芯片110递送降额电流的装置。在一个实施例中，例如，电流调节器130被设计为提供低到0. 050安培的电流，该电流具有至多约0.010安培的噪声变化。可以采用替换等效结构，最终结果是产生具有被电耦合到电源的阴极/阳极连接的多个LED芯片110的电路。LED芯片110通常是小的低功率LED芯片。例如，LED芯片110可以小到约260 μ m 宽X约450 μ m长，并具有约20mA的额定电流，正向电压约为3. 2V。在替换实施例中，LED 芯片110可以大到约500μπι宽X约500 μ m长，并具有约88mA的额定电流和约3. 2V的正向电压。在一个实施例中，基板111是具有导电迹线112和114的印刷电路板(PCB)。如本领域的技术人员将已知的，可以采用各种基底作为用于保持多个LED芯片的装置。基底材料的选择部分地取决于照明模块的所需性质，并且更具体而言取决于照明应用和/或将容纳照明模块的照明器材的结构要求。例如，一个照明应用可能要求电绝缘陶瓷基底，而替换照明应用可能要求导热金属或陶瓷基底。此外，还可以针对特定的应用来调整基底的厚度。示例性基底包括铝箔、阳极化铝、金属包层印刷电路板、氮化铝和各种其它金属或陶瓷基底。替换实施例包括在基底上的涂层。例如，在一个实施例中，基底可以由具有涂敷在顶部的电介质层的阳极化铝形成。该电介质层可以是Al2O3的阳极化层。在替换实施例中，可以用聚合物电介质来涂敷基底。聚合物电介质可以是填充有诸如A1203、SiO2或TiO2的陶瓷颗粒的硅树脂(silicone)。在另一实施例中，可以用嵌入TiO2的硅树脂来涂敷基底。在一个实施例中，依照特定的封装密度(pack-density)，用LED芯片110来填充基板111。与趋向于使用少量的高功率封装LED的常用LED照明模块相反，本文提出的照明模块通过采用相对大量的低功率LED芯片来解决热和光学问题。LED芯片被直接附着于基板并通过向LED芯片递送“降额”电流来供电。芯片的降额从而保持大体上较低的总操作温度并增加单独芯片的输出效率。照明模块100的封装密度考虑到当仅将对流和辐射视为热损失机制时，存在对给定区域的热输入(和温升)的限制。换言之，可以根据最大热通量或每单位面积的热输入用 LED芯片110来填充基板111。在一个实施例中，例如，封装密度是依照以下数学关系式
(QZA)max = m(Tb4 鬆 T04) + hair(Tb - T0)。对于例如60°C的最大板温度(Tb)和例如20°C的恒定环境温度(T。)而言，此类等式使左侧的每单位面积的热输入(Q/A)与右侧的辐射和对流平衡。在等式的辐射部分，符号是ο (Stefan-Boltzmarm常数)和ε (发射率，其为常数且被任意地假设为0. 5 ；或者对于黑体而言被设置为1)。在等式的对流部分中，符号是对流系数，并被假设常数，并且被任意地选择为15 ff/m2K (但是可以从10W/m2K变化至100W/m2K)。
上述分析仅仅是示例，因为其过于简化并依赖于发射率和对流系数的任意值。然而，上述分析允许估计每单位面积的最大热输入作为设计指南。例如，每单位面积的热输入 (Q/A)可以是约0. 5 W/in2。在替换实施例中，每单位面积的热输入(Q/A)可以从约0. Iff/ in2变化至约0. 7W/in2。此估计然后“固定”每单位面积的芯片的最大数目，如果在其额定电流下对其进行驱动的话。通过使用较小的芯片并减小每个芯片的驱动电流，在不增加板温度的情况下，可以在给定区域中设置更多芯片。例如，典型的Imm “高功率”芯片在350mA 的额定正向电流下操作，其中正向电压(Vf)约为3.2V，导致1. 12W的输入功率。通常，Imm 芯片在此正向电流下处于约20%的效率，因此必须将约0. 9W作为热量消散。根据上述分析， 此芯片要求约1.8 in2以通过对流和辐射来消散热量并从而使板温度限于约60°C。(顺便说一句，从板至LED芯片存在约10 20°C的附加温度升高，因此芯片的实际温度(称为结温度(Tj))上升至约70 80°C。照此，Imm芯片的封装密度约为每1.8 in2—个芯片。使用 0.5mm “低功率”芯片并将正向电流降额至约45 mA，导致约0. 14W的每芯片的热输入。使用低功率芯片将可容许封装密度增加至每平方英寸约四个芯片。净效果是具有多个单独光源(每两平方英寸八个芯片对比每两平方英寸一个芯片)的照明模块。此外，此类照明模块不要求辅助散热技术。 在例如图13中提供的方法中可以采用上述分析。图13举例说明制备具有基板和多个LED芯片的照明模块的方法1300，其中照明模块被设计为具有低于60°C的操作温度。 方法1300从步骤1301开始，其中根据辐射和对流来计算每单位面积的热输入。在步骤1303 中，基于LED芯片的额定正向电流来计算LED芯片的热输入。在步骤1305中，LED芯片被直接附着于基板。在步骤1307中，向多个芯片递送降额电流。在替换实施例中，依照特定的流明密度度量(metric)来用LED芯片110填充基板 111。如本文所使用的，“流明密度度量”被缩写为“LD”并被定义为
LD =: (AbZAh)(A^AeraKyAeill)(LPW)。其中Ab是基板的面积，Ah是总对流面积，Aem是发射面积(S卩，芯片的尺寸乘以芯片的总数)，L是流明，并且LPW是流明/瓦。在一个示例性实施例中，提供了一种具有被直接附着于约四英寸X四英寸的基板的二十五个LED芯片的照明模块。每个LED芯片约为 500 μ mX 500 μ m，具有约3. 2 +/- 0. 3伏的正向电压和约0. 080 +/- 0.010安培的额定电流。估计此类照明模块具有约2.9X106流明平方/面积瓦特(lm2/mm2W)的LD。相反，本发明人已估计到现有技术照明模块具有小于约1. OX IO6 lm2/mm2W的LD。例如，估计IXD背光模块具有约 7. OX IO5 8. IXlO5 ImVmm2W 的 LD。OSTAR LE W E3B、即由 OSRAM Opto Semiconductors GmbH出售的照明模块具有约1，500 lm2/mm2W的估计LD。出于比较的目的，以下图表概述与用于各种现有技术照明模块的估计流明密度度量相比的用于上述示例性实施例的估计流明密度度量。
权利要求
1.一种照明模块，包括 基板；以及多个发光二极管芯片，被直接附着于所述基板，与导电迹线进行电通信； 其中所述基板的至少一部分具有大于1. OX IO6 Im2Aim2W的流明-密度度量。
2.权利要求1的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片包括具有小于约600微米的宽度和小于约600微米的长度的芯片。
3.权利要求1的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片包括具有小于约300微米的宽度和小于约475微米的长度的芯片。
4.权利要求1的照明模块，还包括电源，被耦合到导电迹线。
5.权利要求4的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片中的至少一个具有额定电流，并且其中所述电源适合于递送小于额定电流的约75%的驱动电流。
6.权利要求4的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片中的至少一个具有额定电流，并且其中所述电源适合于递送小于额定电流的约50%的驱动电流。
7.权利要求4的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片包括具有约260微米的宽度、约450微米的长度和约20毫安的额定电流的芯片。
8.权利要求7的照明模块，其中所述电源适合于递送等于或小于约14毫安的驱动电流。
9.权利要求1的照明模块，还包括多个杯，其中每个杯环绕芯片。
10.权利要求9的照明模块，其中至少一个杯具有反射涂层。
11.权利要求9的照明模块，其中至少一个杯包括通风开口。
12.权利要求9的照明模块，其中至少一个杯具有设置在其中的荧光粉掺杂的混合物。
13.权利要求9的照明模块，还包括设置在至少一个杯内的荧光粉掺杂的盘。
14.权利要求13的照明模块，其中所述荧光粉掺杂的盘至少部分地由硅树脂形成。
15.权利要求13的照明模块，其中所述荧光粉掺杂的盘由LSR-70形成。
16.权利要求1的照明模块，其中至少一个芯片包括荧光粉掺杂的涂层。
17.权利要求1的照明模块，还包括设置在至少一个芯片上的荧光粉掺杂的圆顶。
18.权利要求1的照明模块，其中所述流明密度度量大于2.OX IO6 ImVmm2W0
19.权利要求1的照明模块，其中所述流明密度度量约为2.9X IO6 ImVmm2W0
20.一种照明模块，包括 基板；以及其中约四英寸宽且约四英寸长的基板的区域包括与导电迹线进行电通信的、被直接附着于基板的约二十五个发光二极管芯片，其中每个发光二极管芯片为约500ym宽X约 500μπι长；以及电源，递送约3. 2 +/" 0.3伏的正向电压。
21.一种照明模块，包括 基板；以及其中约四英寸宽且约四英寸长的基板的区域包括与导电迹线进行电通信的、被直接附着于基板的约二十五个发光二极管芯片，其中每个发光二极管芯片为约500ym宽X约500μπι长；以及电源，递送约0.080 +/" .010安培的额定电流。
22.—种制备照明模块的方法，包括依照流明-密度度量将多个发光二极管芯片附着于基板；以及将发光二极管芯片耦合到导电迹线。
23.权利要求22的方法，其中所述流明密度度量大于1.OX IO6 ImVmm2W0
24.权利要求22的方法，其中所述流明密度度量大于2.OX IO6 ImVmm2W0
25.权利要求22的方法，其中所述流明密度度量约为2.9 X IO6 ImVmm2W0
26.权利要求22的方法，还包括 将导电迹线耦合到电源；以及使电源适合于向所述多个发光二极管芯片递送降额电流。
27.一种照明模块，包括 基板；设置在基板上的多个导电迹线；以及多个发光二极管芯片，与所述导电迹线进行电通信并被布置成串联配置； 其中所述基板的至少一部分具有大于1. OX IO6 Im2Aim2W的流明-密度度量。
28.权利要求27的照明模块，还包括 电源，被耦合到所述导电迹线中的至少一个。
29.权利要求观的照明模块，其中所述多个发光二极管芯片包括具有约500μ m的宽度和约500 μ m的长度的芯片。
30.权利要求四的照明模块，其中所述光源向所述多个发光二极管芯片递送约50mA 的电流。
31.一种照明模块，包括 基板；以及基板的18mmX 18mm部分，包括四个发光二极管芯片，其中每个发光二极管芯片为约 500 μ m宽和约500 μ m长并以串联配置与导电迹线进行电通信；以及电流源，向所述发光二极管芯片递送约50mA的电流。
全文摘要
一种包括基板和被直接附着于基板的多个发光二极管(LED)芯片的照明模块。LED芯片与基板上的导电迹线进行电通信，所述导电迹线向LED芯片递送电流。还提出了此一般描述的照明模块的各种实施例。另外，提出了制备此类照明模块的方法和该照明模块的系统组件。
文档编号H01L33/00GK102160198SQ200980136256
公开日2011年8月17日 申请日期2009年7月23日 优先权日2008年9月16日
发明者A·M·斯科奇, D·汉比, J·塞尔弗里安 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司