TWI518875B - 光電晶片直接封裝(chip-on-board)模組之塗佈方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於:一種用於塗佈包含經配備有一或多個光電組件之平面載體之光電晶片直接封裝模組的方法,該光電晶片直接封裝模組具有由聚矽氧製成之透明的耐UV且耐熱之塗層;一種對應光電晶片直接封裝模組;及一種具有複數個光電晶片直接封裝模組之系統。
舉例而言,通用光電晶片直接封裝模組用作發光元件、高容量UV LED燈具、光伏打模組、感測器或其類似者。在本發明之範疇內,舉例而言,其中所使用之光電組件包括(但不限於)呈晶片之形式的LED或光電二極體,或配置於晶片直接封裝模組中之平面載體(亦即,金屬、陶瓷或矽基板、金屬核心或FR4印刷電路板、玻璃載體、塑膠載體或其類似者)上的其他組件。必須保護此等晶片直接封裝模組以免於機械損壞及腐蝕。為了達成此保護,尋找儘可能地緊致且簡單之解決方案。
在各種實施例中,存在具有發光二極體陣列及微透鏡陣列之已知先前技術發光二極體模組。US 7,638,808 B2、US 20100065983 A1、US 20070045761 A1或US 7,819,550 B2中描述此等發光二極體模組以及其製造方法之實例。後公開之德國專利申請案第DE 10 2010 044 470號亦描述一種用於製造用於光電模組之微透鏡陣列之方法。
對晶片直接封裝模組之呈外殼之形式的保護在技術方面常常係昂貴且複雜的。用於保護晶片直接封裝模組之可實行替代例為遍佈組件之表面用以塑膠為基礎之灌注材料來灌注該等組件。藉由塗佈來保護晶片直接封裝模組中之光電組件連同其他功能組件(諸如,PCB軌道及接觸元件)以及平面載體以免於機械損壞及腐蝕。
通常,使用藉由環氧樹脂之射出成形方法或鑄造方法以達成此保護。在第一步驟中,將此等環氧樹脂作為液體灌注材料進行塗覆,且接著使其熱固化及/或以輻射誘發性方式固化。因為灌注材料最初為液體,所以必須防止灌注材料流走。通常,藉由塑模或固體框架來達成此防止。
其替代例為被稱為「障壁及填充」(dam-and-fill)方法之替代例,其中在第一步驟中,將塑膠障壁塗覆至晶片直接封裝模組之載體上,該塑膠障壁圍封隨後經填充有由環氧樹脂組成之液體填充材料的載體之表面。使此填充材料固化。障壁及填充材料一起形成模組之塗層。在此方法中,藉由用施配裝置來塗覆或滑動黏性聚合物且接著使黏性聚合物固化而產生障壁,因而可將灌注材料澆注至藉由障壁圍封之表面上而無灌注材料流走。
然而,如此產生之塑膠障壁不透明。出於此原因,光電晶片直接封裝模組(亦即,經配備有光電組件(諸如,LED或光電二極體)之晶片直接封裝模組)在其發光強度及其發光敏感性方面朝向邊緣削弱。
當使用環氧樹脂時,此等上述方法較不適合於光電應用,此係因為環氧樹脂既不耐UV亦不耐熱。出於此原因,舉例而言,環氧樹脂在高容量UV LED模組中或在具有UV含量之密集型太陽輻射的狀況下不穩定,正如環氧樹脂在光伏打模組中所發生的情況那樣。環氧樹脂在UV曝光下快速地耗損且將被毀壞。
其他解決方案(諸如,黏附透明且耐UV且耐熱之玻璃框架或玻璃圓蓋)需要框架之高度複雜的組裝及難以生產的框架之緊致性。再者,用此解決方案所招致之重量高於灌注解決方案之重量。另一障礙為化合物材料之熱膨脹係數之調整,在大多數狀況下,該調整為剛性玻璃材料所需要(尤其是在未來產品曝露於熱循環時)。
若使用由玻璃框架組成且用合適的以非環氧樹脂為基礎之材料(諸如,耐熱且耐UV之聚矽氧)進行灌注之組合式解決方案,則框架與基板之間的小型間隙可引起聚矽氧(其具有強蠕動能力)在灌注期間流出。另外,必須在基板上提供用於框架之空間。此情形影響基板表面之最佳可能利用及/或並列地安裝之所要能力。
因為有必要防止液體鑄造材料流走,所以已知射出成形方法及鑄造方法需要使模組之邊緣緊密的真空密封件。此情形引起模組上之可用面積的損失,此係因為必須使邊緣區保持無組件。
到目前為止,不存在實施用於晶片直接封裝模組之平面塗層之已知方法,其中將既耐UV亦耐熱且另外對於自紫外線至紅外線光譜範圍之電磁輻射亦透明的材料既用於灌注之表面中亦用於灌注之邊緣區中。
EP 1 657 758 A2揭示一種用於支撐結構上之LED單元之對應鑄造方法,其用於生產用於LED單元之透鏡,其中將液體聚矽氧填充至用於透鏡結構之陰塑模(negative mould)中,且將包括LED之支撐結構置放至塑模上,因而將LED浸沒至液體透鏡材料中。圍繞模組及塑模之支撐結構附接真空密封件,其中該真空密封件嚙合支撐結構之邊緣,或更確切地,嚙合模組及塑模之基板,且在高壓力下使該兩者相互擠壓,以便防止液體材料流出。以此方式,圍繞LED模製透鏡,而本質上,LED之間的面積保持未被鑄造材料(惟蠕動進入之材料除外)弄濕。
此方法不允許提供具有透明以及耐UV且耐熱之塗層且可在需要時經配備有光電組件(特別地是在完整面積之完全利用的情況下)的光電晶片直接封裝模組。
在消除所提及之缺點的情況下,平面灌注對於使用晶片直接封裝技術來製造具有平面輻射之高容量UV LED模組或使用光電二極體陣列更有利。出於光學效率之原因且為了允許模組以最佳可能方式並列地安裝,灌注應在表面及邊緣區兩者中係透明的。高溫度及UV穩定性對於對應光電組件之製造及長期穩定之功能性兩者同樣地相關。
因此,相比於先前技術,本發明旨在提供一種用於製造光電晶片直接封裝模組之方法及一種對應光電晶片直接封裝模組,其中可遍及整個表面在載體上實施透明的耐UV且耐熱之塗層,且完整載體面積可用於配置光電組件。
此問題係藉由一種用於塗佈包含經配備有一或多個光電組件之平面載體之光電晶片直接封裝模組的方法解決,該光電晶片直接封裝模組具有由聚矽氧製成之透明的耐UV且耐熱之塗層,該方法包含以下程序性步驟:
a) 將液體聚矽氧灌注至塑模中,該塑模在頂部處敞開且包含對應於或超過該載體之外部尺寸的外部尺寸;
b) 將該載體插入至該塑模中,其中該光電組件或該等光電組件完全地浸沒至該聚矽氧中,且該載體之表面遍及其整個面積觸碰該聚矽氧,或該載體遍及該整個面積至少部分地浸沒至該聚矽氧中;
c) 使該聚矽氧與該等光電組件及該載體固化且交聯;及
d) 自該塑模移除具有由該固化聚矽氧組成之該塗層之該載體。
與根據EP 1 657 758 A2之先前技術對比,由於該方法而塗覆至該光電晶片直接封裝模組上之該塗層呈現為一直至且在必要時超出該載體之邊緣達足夠用於腐蝕保護及機械保護之厚度。此塗層遍及該載體之整個經塗佈面積透明以及耐UV且耐熱。因為該塗層到達該載體之該邊緣且超出該邊緣,所以該等光電組件可在需要時配置於該載體上。因為圍繞該載體及該適當塑模沿圓周塗覆之真空密封件並非必要的且因此不存在必須被保持無光電組件之邊緣,所以可以最佳方式利用該面積。
根據本發明之該方法利用該聚矽氧之蠕動性質,此係因為該等性質確保有效率地弄濕且因此有效率地保護該等光電組件之該載體以及配置於該載體上之其他附接件及組件。在根據本發明之該方法中,將液體聚矽氧灌注至該塑模中,隨後,該載體被頭向前地插入至該塑模中。其中,選擇聚矽氧填充高度,使得該載體剛好觸碰該聚矽氧之表面或剛好浸沒於其中。此後,舉例而言,使包括該塑模之該液體聚矽氧與基板進行熱交聯。作為其替代例或除了其以外,亦有可能使用輻照交聯。一旦該聚矽氧已完全地固化,隨即自該塑模移除包括現已固化、黏附且透明之灌注的該基板。此情形引起晶片直接封裝模組之耐UV且耐熱之保護高達數十W/cm2或甚至數百W/cm2之強度及大約200℃。此保護遍及整個表面及邊緣區透明且均一,且提供該載體及該等附接件之機械保護。
較佳地,在增加之大氣壓力下,特別地是在4巴與10巴之間的大氣壓力下,更特別地是在5巴與7巴之間的大氣壓力下進行該等程序性步驟a)及/或b)及/或c)及/或d)。並非該載體對抗該塑模之機械壓力的該增加之大氣壓力引起聚矽氧材料中之氣泡的大小縮減,直到該等氣泡完全地閉合及氣體擴散通過該聚矽氧材料且擴散至外部。
另外,較佳地規定,在填充之前,將該聚矽氧曝露至真空(例如,在大約10毫巴下),以便使氣體自氣體囊袋釋放。此情形允許獲得可隨後填充至該塑模中之無氣體聚矽氧材料。
較佳地,若光學功能材料,更佳地為磷光及/或發散材料或粒子已被混合至或被混合至該液體聚矽氧中,則可進一步修改該等光電晶片直接封裝模組之光學性質。舉例而言,磷光材料可用以使波長移位且改變所發射光之顏色,而散射材料或粒子造成該所發射光之均質化。
較佳地,在該塗層之表面上產生藉由該塑模界定或隨後添加之表面結構。舉例而言,此表面結構可為隆凸或凹座,其(例如)係在該完工模組之灌注的表面上由該塑模反向地模製。以此方式,可將巨觀及微觀主光學系統或一般表面結構(諸如,透鏡(更特別地是微透鏡)或光散射表面起皺)直接施加至該模組上。
有利地,該載體經配備有或已經配備有光電組件至一或多個邊緣。以此方式,最佳地利用現有載體面積。此情形之額外優勢係在於:由並列地配置之複數個晶片直接封裝模組組成的系統允許遍及甚至超出該等載體之間的邊界之大面積均一地配置該等光電組件。舉例而言,該至少一光電組件可包含一或多個光電二極體及/或一或多個發光二極體(LED)。詳言之,該載體可經配備有光電組件,使得此情形引起光電二極體陣列及/或發光二極體陣列。
有利地,塗佈該載體而無任何邊緣及/或不超出該邊緣。以此方式,在無邊緣塗層之狀況下維持完全設計自由度,而超出該邊緣且因此完全地或部分地圍封該載體之側向面之塗層另外防止裂紋或雜質自側滲透至該塗層與該載體之該表面之間的間隙中。
除了該方法允許遍及整個面積達成該載體之透明的耐UV且耐熱之塗層的優勢以外,根據本發明之該方法及其進一步開發之額外優勢因此係在於:設計在該載體上該等光電組件之配置的自由度得以最大化,且並列無縫地安裝晶片直接封裝模組之可能性得以改良。
該方法可用以藉由形成該表面且藉由將光學功能材料混合至灌注材料中而特定地設定光學功能性。可選擇該聚矽氧之硬度,使得歸因於載體、晶片直接封裝組件及連接材料之不同膨脹係數而發生之熱誘發性張力受到阻尼。其中,典型肖氏硬度(Shore hardness)係在自凝膠之硬度至接近於100之肖氏硬度的範圍內。
詳言之,可以如下方式應用該方法:模製該聚矽氧,使得在該聚矽氧中形成至少一光學組件,更特別地是至少一透鏡及/或至少一透鏡陣列,例如,至少一微透鏡及/或至少一微透鏡陣列。舉例而言,可藉由如下操作來達成此方式:在藉由適當地設計該塑模而使該聚矽氧固化及交聯時,及/或在藉由適當地設計該塑模而使該聚矽氧已固化及交聯之後,在該聚矽氧上壓印適當形式,例如,呈向該聚矽氧之該表面給出該至少一光學組件之對應效應之表面結構的形式。
另外,亦有可能藉由使該塑模適當地結構化來達成在該光電模組或其部件中熱誘發性張力之阻尼。詳言之,可在固化程序期間發生或歸因於在操作該模組(例如,該陣列)時溫度改變而發生此等熱誘發性張力。為了阻尼此等熱誘發性張力,亦有可能使用(例如)亦被稱為灌注塑模之該塑模的特定結構化,例如,藉由在光學作用之較厚聚矽氧層之間的截面中提供薄聚矽氧層。舉例而言,後一可能性類似於築路中之已知膨脹接點原理。
此外,可應用該方法,使得該晶片直接封裝模組包含鄰近於該至少一光電組件之至少一主光學系統,且視需要包含至少一次光學系統,其中至少一光學系統形成於該聚矽氧中,該光學系統係選自由該主光學系統及該次光學系統組成之群組。
在本發明之範疇內,其中,光學系統應被理解為包含對光射束之會聚及/或準直及/或發散效應的元件。舉例而言,該光學系統(特別地是該主光學系統及/或該次光學系統)可包含至少一光學元件,該至少一光學元件係選自由透鏡、反射器、擴散器、光學光柵、全息圖組成之群組。亦可設想該等所提及光學元件及/或其他光學元件之組合。
舉例而言,光學系統可包含至少一會聚透鏡及/或至少一發散透鏡及/或至少一反射器(例如,具有會聚或發散效應之鏡面)及/或至少一擴散器。亦可設想該等所提及效應及/或結構之組合。舉例而言,會聚透鏡可包含粗糙表面,因而,儘管光準直,但該光在較小局部區中發散,且因此(例如)混合。在可(例如)配置於複數個光學組件上方且可(例如)包含複數個LED之較大透鏡結構的狀況下,同樣地可設想局部發散及會聚區之區段性組合物。
舉例而言,會聚光學系統亦可經整個地或部分地設計為凸形光學系統。舉例而言,發散光學系統亦可經整個地或部分地設計為凹形光學系統。舉例而言,會聚透鏡可為凸透鏡,且發散透鏡可為凹透鏡。
或者或另外,此外亦有可能提供擴散器之功能。為了達成此情形,可(例如)提供一或多個規則或不規則結構,特別地是在具有(例如)在次毫米範圍內且通常在微米範圍內之尺寸的受限制空間中,其中(例如)可實施凹形形式與凸形形式之間的快速變化,特別地是呈粗糙輪廓之形式。
再次,作為其替代例或除了其以外,已經提及之複數個或所有該等光學元件(該光學系統,更特別地是該主光學系統及/或該次系統)此外亦可包含其他類型之繞射結構。特別地是對於呈二極體雷射之形式的光電組件,而且對於其他類型之光電組件,該光學系統(更特別地是該主光學系統及/或該次光學系統)亦可包含一或多個繞射光學元件(其可包含光散射效應(諸如,振幅繞射)及/或可(例如)在光之波長之尺度上結構化的相位光柵結構(諸如,呈透射或反射之線光柵、呈透射或反射之相位光柵))、體積全息圖,或該等所提及繞射光學元件或其他繞射光學元件之組合。作為該主光學系統及/或該次光學系統之光學元件,此等繞射光學元件可(例如)適用於呈窄帶單色光源之形式的光電組件。
若該光學系統(更特別地是該主光學系統及/或該次光學系統)包含至少一反射器,則可以各種方式來設計該反射器。舉例而言,可特別地使用該反射器之不同輪廓,亦即,反射器幾何形狀及/或反射器輪廓。特別地是在平行於反射器之光軸的截面平面中,該反射器可(例如)至少在截面中包含至少一輪廓,該輪廓係選自由直線輪廓、拋物線輪廓、橢圓形輪廓、圓錐形截面輪廓、自由形式輪廓、梯形輪廓組成之群組。
因此,主光學系統應被理解為經配置成緊接地鄰近於該至少一光電組件之光學系統,因而自該光電組件離開之光緊接地進入至該主光學系統中,或因而進入至該光學組件中之光在進入至該光電組件中之前緊接地通過該主光學系統。舉例而言,該主光學系統可包含一或多個透鏡(更特別地是微透鏡),其(例如)形成於該聚矽氧及/或包含該聚矽氧之該塗層中,且其緊接地置放於該至少一光電組件上或其中經完全地或部分地嵌入有該光電組件。或者或另外,該主光學系統可包含一或多個反射器,在該一或多個反射器上,自該光電組件離開之該光被反射,在其中得以準直或發散,或在該一或多個反射器上,進入至該光電組件中之該光得以準直或發散或以其他方式偏轉。
此意謂該主光學系統之概念使在光路上相鄰於該光電組件而無另外光學組件配置於該主光學系統與該光電組件之間的至少一射束成型元件特性化,其中使用該主光學系統之該概念而不管另外光學系統(更特別地是次光學系統)是否可用。
因此,次光學系統應被理解為配置於該光電晶片直接封裝模組中以使得該光必須在該次光學系統與該至少一光電組件之間的光路上通過至少一另外光學系統的光學系統。舉例而言,自該光電組件離開之光最初可在該光通過次光學系統之前通過主光學系統。或者,進入至該光電組件中之光最初可通過該次光學系統,且隨後在該光最後進入至該光電組件中之前通過該主光學系統。
舉例而言,該至少一可選主光學系統可包含至少一透鏡,更特別地是複數個透鏡,更特別地是微透鏡。舉例而言,該光電晶片直接封裝模組可包含經配置成矩陣及/或陣列(例如,發光二極體陣列及/或光電二極體陣列)之複數個光電組件。主光學系統之複數個元件可被分配至此複數個光電組件,例如,使得該主光學系統之恰好一個組件及/或該主光學系統之一個經界定組件群組各自被分配至一個光電組件或一個光電組件群組。舉例而言,恰好一個透鏡可擱在每一光電組件上,或用於群組之共同透鏡可擱在此光電組件群組上。
舉例而言,該至少一可選次光學系統可包含至少一反射器及/或至少一透鏡。舉例而言,該次光學系統之元件可再次被分配至光電組件,例如,該次光學系統之一或多個元件各自再次被分配至該等光電組件之陣列的每一元件或元件群組。舉例而言,該次光學系統可包含複數個反射器,例如,可(例如)經配置成矩陣及/或陣列之複數個凹形鏡面。舉例而言,光電組件及/或光電組件群組可被分配至每一凹形鏡面,例如,藉由將該光電組件完全地或部分地配置於該凹形鏡面內。
一般而言,亦可應用該方法,使得該主光學系統及該次光學系統係完全地或部分地由不同材料(例如,所描述之類型之不同聚矽氧)製造。詳言之,該主光學系統及該次光學系統可(例如)藉由所描述之類型之連續灌注方法而完全地或部分地由包含不同折射率之材料製造。舉例而言,該主光學系統可完全地或部分地使用具有第一折射率n1之聚矽氧而製造,且該次光學系統可完全地或部分地使用具有第二折射率n2之聚矽氧而製造。
舉例而言,包含主光學系統(例如,具有材料n1之主光學透鏡陣列)以及次光學系統(其(例如)可包含至少一反射器及至少一聚矽氧透鏡之組合)之光電晶片直接封裝模組可以此方式得以製造,其中(例如)該聚矽氧透鏡可形成於該反射器之界限側之間。舉例而言,該次光學系統之該聚矽氧透鏡可由具有折射率n2之第二灌注材料製造,其中n1可不等於n2。一般而言,該主光學系統及/或該次光學系統可根據本發明而製造。
形成本發明之基礎的問題係藉由一種包含經配備有一或多個光電組件之平面載體之光電晶片直接封裝模組解決,該光電晶片直接封裝模組具有由聚矽氧製成之透明的耐UV且耐熱之塗層,特徵在於:該載體之表面經塗佈有該聚矽氧而無任何邊緣,該表面經配備有一或多個光電組件。
根據本發明之此光電晶片直接封裝模組包含與上文所描述之根據本發明之該方法相同的優勢,此係因為其經塗佈有透明以及耐UV且耐熱之聚矽氧而無任何邊緣。該載體之完整面積可用於配置光電組件,因而設計自由度得以最大化。
較佳地,該載體亦至少部分地在其側向面上經塗佈有該聚矽氧,因而進一步增加該晶片直接封裝模組之該保護。
在有利的進一步開發中,該聚矽氧包含光學功能材料之混合物,更特別地是磷光及/或發散材料或粒子之混合物。此情形允許調整該材料之波長及顏色性質(特別地是在該等光電晶片直接封裝模組為光產生模組(例如,LED模組及/或UV LED模組)時)。
同樣有利地,該塗層包含表面結構,特別地是透鏡(較佳地為微透鏡)或光散射表面起皺。此表面結構可藉由自該塑模進行模製或藉由後續處理而產生。
在可或者或另外被實施之另外實施例中,該塗層包含至少一光學組件。關於該光學組件之潛在實施例,可參考以上描述。詳言之,可含有一或多個光學元件,例如,作為包含至少一效應之主光學元件及/或次光學元件,該至少一效應係選自由會聚效應、發散效應、擴散效應及繞射效應組成之群組。舉例而言,可含有一或多個光學元件作為主光學元件及/或次光學元件,其係選自由會聚透鏡(更特別地是凸透鏡)、發散透鏡(更特別地是凹透鏡)、反射器、擴散器、光學光柵、全息圖組成之群組。亦可含有該等所提及光學元件及/或其他光學元件之組合。詳言之,該等所提及光學元件中之一或多者可經配置成陣列。舉例而言,該塗層可包含含有等同或不等同類型之複數個該等所提及光學元件的至少一陣列。在本發明之範疇內,可藉由自該塑模進行模製而以表面結構之形式產生該陣列。詳言之,該塗層可包含至少一透鏡及/或至少一透鏡陣列。
舉例而言,該塗層可包含至少一透鏡陣列。此透鏡陣列可包含複數個透鏡,其尺寸可根據特定應用予以調整。舉例而言,可包含透鏡,在如於該載體之俯視圖中所見的該等透鏡之直徑或等效直徑中,該等透鏡可包含可在自數微米或數百微米至若干分米之範圍內的尺寸。詳言之,該透鏡陣列可經完全地或部分地設計為微透鏡陣列,且可包含(例如)具有在次毫米範圍中之尺寸的一或多個微透鏡。一般而言,該光學系統可(例如)包含至少一微光學元件及/或至少一微光學系統。如上文已陳述,通常可根據應用而調整該光學系統及/或該等光學元件之尺寸。舉例而言,可含有一或多個光學元件,例如,一或多個透鏡(特別地是在透鏡陣列內),該等透鏡包含對於光電組件(諸如,LED)係典型的1 mm至10 mm之直徑,更特別地是2 mm至4 mm之直徑。舉例而言,典型高容量LED包含1 mm2之發射面積,其可經完全地或部分地覆蓋有該等所提及尺寸之該等光學元件。
該光學系統(更特別地是該主光學系統及/或該次光學系統之一或多個光學元件)可包含曲率改變(尤其是在局部面積或部分面積上,例如,在次毫米範圍內之尺度上)。在此次毫米尺度上,該光學系統可因此影響平行入射光之局部相鄰光徑。舉例而言,具有在次毫米範圍內之等效局部半徑的曲率結構可用作該主光學系統及/或該次光學系統之一或多個光學有效元件。
如上文在該方法之描述之範疇內已解釋,該晶片直接封裝模組可包含鄰近於該至少一光電組件之至少一主光學系統,且視需要包含至少一次光學系統。選自由該主光學系統及該次光學系統組成之群組的至少一光學系統可至少部分地形成於該塗層中,更特別地是形成於該塗層之表面結構中。
如上文已陳述,詳言之,該至少一塗層(例如,第一塗層及/或第二塗層)可包含至少一聚矽氧。詳言之,該塗層及該光電晶片直接封裝模組可藉由根據本發明之方法而製造及塗佈。一般而言,該主光學系統及該可選次光學系統可形成於該同一個至少一塗層中。或者,該主光學系統亦可形成於至少一第一塗層中,且該次光學系統可完全地或部分地形成於至少一第二塗層中,該第二塗層可與該第一塗層不同。詳言之,該主光學系統及該可選次光學系統亦可藉由使用具有不同折射率之不同塗佈而形成。如上文已描述,該主光學系統可(例如)完全地或部分地形成於具有第一折射率n1之至少一第一塗層(例如,第一聚矽氧塗層)中,且該次光學系統可完全地或部分地形成於可包含第二折射率n2≠n1之至少一第二塗層中。舉例而言,可在不同塗佈步驟中相繼地塗覆該等塗層,其中(例如)可藉由使用根據本發明之塗佈方法而將一個或任一個塗層塗覆至該光電晶片直接封裝模組上。
對於該主光學系統及/或該次光學系統之另外潛在實施例,可參考該方法之以上描述,該等光學系統中之一者或其兩者可完全地或部分地形成於該塗層中。
較佳地,該載體經配備有光電組件一直至邊緣或至邊緣之前的不遠處。此情形亦包含如下可能性:該載體經配備有光電組件至複數個或所有邊緣或至此等邊緣之前的不遠處。此情形允許有效地利用該載體之整個可用表面,此係因為:由於可不施加諸如自先前技術已知之真空密封件的真空密封件,故不必保持無該邊緣。結果,甚至在超出相鄰模組之間的邊界的情況下,仍可維持光電組件之不變間距。
較佳地,根據本發明之該光電晶片直接封裝模組係或可根據如上文所描述之根據本發明之方法而製造。
此外,形成本發明之基礎的問題亦係藉由一種具有上文所描述之兩個或兩個以上光電晶片直接封裝模組之系統解決,其中該等光電晶片直接封裝模組之該等載體經配置成並列、齊平或彼此分開達經界定距離,其中,詳言之,甚至在超出相鄰載體之間的邊界的情況下,該等載體邊際地配備有光電組件仍會引起光電組件之規則配置及間隔。其中,經界定距離應被理解為兩個相鄰模組之間的選定距離,該距離固定且通常相對於位置恆定。舉例而言,必須針對考量材料容限來選擇該距離,以便確保可製造性或以便達成該系統(例如,燈具)之特定長度。
針對本發明之標的(亦即,根據本發明之該方法、根據本發明之該光電晶片直接封裝模組,及根據本發明之該系統)所提及之性質、特徵及優勢亦適用於本發明之特定其他標的而無任何限制。
該所提議方法、該光電晶片直接封裝模組及該系統可有利地以各種方式而使用。以此方式,具有高輻照強度之輻照裝置可(例如)以晶片直接封裝技術而實施。歸因於LED之間的通常所需要之短距離(被稱為間距),僅存在根本可用以經由灌注材料而在LED陣列之個別LED上方實施射束成型微透鏡的少許已知先前技術方法。同樣地,目前方法實務上不允許經由在LED發射器前方且亦在邊緣區中呈陣列配置之個別微透鏡(光學系統)之輻照特性的位置相依調整而進行選擇性操縱。然而,該所提議方法允許此等結構而無任何問題。詳言之,有可能實施用於LED陣列之微透鏡主光學系統及/或微透鏡次光學系統,其中該等次光學系統可最佳地適應於該等主光學系統及/或該等主光學系統可最佳地適應於該等次光學系統。藉由將此主光學系統途徑與一或多個次光學系統連結,可開發用於在相對於LED發射器之光離開窗的大於10 mm之有效工作距離處增加輻照強度的新概念。
詳言之,該所提議方法允許在一個、複數個或所有光電組件(更特別地是LED陣列組態之LED)上方個別地形成單透鏡(更特別地是微透鏡)。以此方式,舉例而言,有可能特定地操縱完整LED陣列之輻照特性,例如,用於均質化及/或射束準直。
如上文已陳述,詳言之,該所提議方法可用於製造包含至少一主光學系統且在適當時包含至少一次光學系統之光電晶片直接封裝模組及系統。其中,該主光學系統及/或該次光學系統可完全地或部分地根據本發明藉由在該聚矽氧或該塗層中形成該主光學系統及/或該次光學系統而製造。
原則上,具有主光學系統及次光學系統之先前技術系統在概念上係自其他領域所知且現可根據本發明而實施及製造。舉例而言,將次光學系統用於已經封裝之LED(例如,在SMD外殼中之LED)被稱為基本原理。此外,在反射器外殼中使用(組裝)LED,且用灌注材料來閉合外殼,該灌注材料包含用於射束成型(諸如,形成該灌注材料以獲得透鏡)之光學性質。此等外殼部分地已經購自市場。然而,在大多數有外殼之LED產品中,該外殼之光學功能性僅包含射束成型光學系統變體,其為藉由經插入有LED之凹座實施之反射器,或為透鏡,其中通常將該LED置放至平坦基板上。對於此等組件,在需要時,接著將另外次光學系統(透鏡或反射器,或該兩者之組合)置放於有外殼之LED上方。US 7,638,808中描述將微反射器用於LED陣列。其中,使用包含經插入有LED之空腔的基板。此等個別空腔之側壁充當可以經調整方式而設計之反射器。該描述亦涵蓋供閉合該等空腔用之額外射束成型灌注之使用。因此,此情形為由用於呈陣列配置之個別LED之主微透鏡及主微反射器組成的組合。根據本發明所提議之該方法亦可用以容易地且可靠地實施可僅在比較高之複雜性之情況下用習知方法來實施的此等已知概念。
此外,可實施具有主光學系統及次光學系統的根據本發明之概念,其中使用進一步準直(例如)具有經適當地分配之主微光學系統之複數個發光二極體之光的一或多個次光學系統。舉例而言,此等光學系統可置放至LED陣列、LED陣列區段、光電二極體陣列或光電二極體陣列區段上,因而(例如)次光學系統含有具有微光學系統之LED陣列之複數個LED。
詳言之,本發明可用於輻照技術及成像技術之領域中,例如,用於工業程序中。工業程序與大量LED成像及輻照應用有關(尤其是在紫外線及紅外線光譜範圍中)。在此內容背景中,可提及眾多實例,例如,墨水之乾燥、在UV固化(例如,黏附劑、墨水、油漆、噴漆及灌注材料)之領域中輻照之應用,以及在成像應用中之使用。
詳言之,可藉由本發明完全地滿足通常適用於輻照應用之要求。其中,通常且基本上要求可在所使用之波長範圍中達成高輻照強度或根據特定應用而調整之輻照強度,其中通常可在通常為數毫米直至一公尺或一公尺以上之可調整距離處實施數十μW/cm2直至數十或數百W/cm2之輻照強度。同時,通常應有可能達成特定程序所需要之特定光分佈。其中,該光分佈可(例如)為在特定程序窗或窄線中之均質場分佈。舉例而言,印刷工業中之當前應用包含噴墨、饋紙式平版印刷、網版印刷、凹版印刷及柔版印刷方法之領域。通常,針對在360 nm至420 nm之範圍內的紫外線LED光於20 mm至200 mm之距離處的2 W/cm2至20 W/cm2之高輻照強度為饋紙式印刷方法所需要。
通常,該特定程序所需要之針對該輻照強度之最小要求亦取決於該材料。舉例而言,光引發劑通常用於UV固化應用。在大多數狀況下,該等光引發劑允許足夠快速以用於僅在已超過該輻照強度之臨限值之後交聯單體(聚合)的反應,因而達成良好固化結果。在本文中,藉由氧氣之抑制抵消聚合,例如,當進行表面固化時。
可包含複數個LED晶片且光學功率可在自數W至數十kW之範圍內且通常必須另外滿足針對特定照明輪廓之特殊要求之高容量LED發射器之有效率實施的基礎為儘可能地高且自被需要為最小值之輻照面積獲得的有效率光輸出。有效率且緊致之發射器包含自數cm2至數百cm2之發射面積。為了達成此目的及範圍所需要之高封裝密度(例如,高達大小為1 mm2之20個LED晶片/cm2)且為了能夠使隨同在1%至50%之範圍內UV LED之典型效率的高熱負荷保持儘可能地低,可完全地使用根據本發明之光電晶片直接封裝模組及具有複數個光電晶片直接封裝模組的根據本發明之系統。舉例而言,晶片直接封裝模組目前經開發成具有呈具有1.3×1.3 mm2之面積之晶片之形式的光電組件。未來開發很可能達成晶片具有若干mm2之晶片面積的模組。
通常,藉由發光二極體發射之光歸因於對於LED係典型之輻照特性而發散。通常,現代LED為發射至半空間中且通常具有朗伯(Lambertian)發射器之輻照特性的表面發射器。此發散輻照特性引起輻照強度對工作距離(亦即(例如),在待輻照物件與光電晶片直接封裝模組(更特別地是LED發射器)之間的距離處)之強相依性。然而,根據本發明,可有效率地使用藉由呈LED陣列組態之LED發射之光,且可甚至在長工作距離處實施高輻照強度。詳言之,可實施經調適之光學系統,一方面,該等光學系統可使該光自該等光電晶片直接封裝模組(更特別地是該等LED晶片)之耦合輸出最大化,且另一方面,該等光學系統可在特定工作距離處產生高輻照強度及經界定場分佈。
若工作距離極長(例如,為至少20 mm之工作距離),則可尤其將所發射光準直達高程度。然而,通常,使用主光學系統而無任何另外光學系統會到達其限度,此係因為:在微透鏡光學系統之狀況下,LED不能被視為點光源。詳言之,此情形係由如下事實造成:包含通常為1 mm至10 mm之直徑的透鏡之大小與通常包含1 mm之邊緣長度的LED之大小係可比較的。基於此原因,通常不能完全地準直光,且再者,歸因於透鏡中之反射損失,透鏡之效率隨著準直增加而降低。為了在輻照強度及工作距離要求極高時達成最佳化解決方案,因此有可能根據本發明來實施(例如,除了至少一最佳化主光學系統以外)至少一額外次光學系統,以便達成高準直或甚至達成光之聚焦且使系統效率最大化。
詳言之,有可能實施以具有至少一反射器之反射器光學系統之形式或以由至少一反射器光學系統及至少一透鏡光學系統組成之組合之形式而提供的至少一次光學系統。在此組合中,不能直接傳遞通過該主光學系統且傳遞至受輻照面積中之光可(例如)藉由該反射器「收集」且轉向至受輻照面積中。在根據本發明之實施中,此外有可能相對於次光學系統使主光學系統最佳化且相對於該主光學系統使該次光學系統最佳化,因而可達成該主光學系統與該次光學系統之相互調整。
根據本發明,詳言之,可使用至少一光學系統以用於操縱方向特性,更特別地是藉由該等LED發射之該光之輻照特性。如上文已陳述,根據本發明之該光電晶片直接封裝模組及/或根據本發明之該系統可因此包含至少一光學系統。如上文已陳述,當使用複數個光學系統時,其中可在該主光學系統與該次光學系統之間進行區別。舉例而言,該主光學系統可包含由可(例如)藉由根據本發明之方法直接塗覆至經配備有該等光電組件(例如,該等LED)之該載體上之透明灌注材料組成的透鏡陣列,因而該主光學系統可(例如)永久地連接至該等LED晶片。對於UV LED,舉例而言,可使用耐UV之熱固化聚矽氧製成,其中,或者或另外,亦可設想使用其他材料,例如,使用光固化丙烯酸酯、PMMA、聚碳酸酯或其他材料,或該等所提及材料及/或其他材料之組合。如上文已陳述,使用該主光學系統之概念而不管此主光學系統是否與另外光學系統組合。
根據本發明,可實施眾多光學功能幾何形狀,例如,透鏡形狀及/或發散形狀。可調整此等幾何形狀,使得可產生特定應用所需要之輻照強度輪廓。實施通常困難之僅有形狀為具有顯著底切之形狀,此係因為根據本發明之方法為鑄造方法。然而,完全地有可能實施(例如)選自以下各者之形狀:具有對稱及非對稱形狀兩者之球面透鏡光學系統,更特別地是呈圓柱形及/或旋轉對稱光學系統之形式;具有對稱及非對稱形狀兩者之非球面光學系統,更特別地是呈圓柱形及/或旋轉對稱光學系統之形式;具有對稱及非對稱形狀兩者之自由形式光學系統,更特別地是呈圓柱形及/或旋轉對稱光學系統之形式;具有對稱及非對稱形狀兩者之菲涅耳(Fresnel)光學系統,更特別地是呈圓柱形及/或旋轉對稱光學系統之形式;具有對稱及非對稱形狀兩者之多邊形及/或琢面化光學系統,更特別地是呈圓柱形及/或旋轉對稱光學系統之形式;(例如)用於光散射或用於統計分佈之光繞射之粗糙結構;具有結構化表面之結構。該等所提及形狀及/或其他形狀之組合亦係可能的。
實施主光學系統之可能性提供複數個功能及優勢。舉例而言,至少一透鏡可尤其直接定位於光電組件上方,例如,直接定位於LED上方。與通常意義上之透鏡對比,該透鏡藉此僅具有離開側且無進入側,此係因為自該LED離開之光可緊接地進入至該透鏡之材料中。此情形引起使該光自該LED及/或該系統耦合輸出之效率增加,此係因為該光必須較少地通過一個邊界表面且該LED與該灌注之間的折射率之調整造成在該LED內部之全內反射縮減(亦相比於在平面灌注之狀況下之全反射)。
此外,該透鏡之幾何形狀允許特定地使在灌注與空氣之間的邊界表面處之反射損失最小化。此情形造成效率進一步增加(例如,相比於平面灌注)。對於聚矽氧,相比於平面灌注,耦合輸出效率增加達大約2倍通常係可能的。
可針對每一個別光電組件(例如,針對每一個別LED)產生根據目標設定而調整之射束成型,因而可在考量將光直接導引至受輻照目標面積中的情況下且關於耦合輸出效率及亦關於對次光學系統之性質之調整而使該光學系統之幾何形狀(例如,透鏡幾何形狀)最佳化。
此外,透鏡面積可在實體上經配置成極接近於該等光電組件(例如,該等LED),例如,在小於1 mm之距離處。藉此,可利用大立體角範圍(更特別地是高達大於70°之立體角範圍)之光;此情形可造成效率增加且允許高功率密度。
此外,該灌注或該塗層(更特別地是該所灌注之聚矽氧)保護該等光電組件(更特別地是該等LED)以免於外部影響,諸如,汙跡、濕氣及機械影響。
此外,該灌注材料相比於空氣通常包含較高折射率。舉例而言,該灌注材料之折射率通常為n>1,例如,n=1.3至1.6。出於此原因,在該等光電組件之半導體材料(更特別地是該等LED晶片,其折射率通常為n=3至4)與該灌注材料之間通常存在折射率調整。結果,以經改良方式使該光自該光電晶片直接封裝模組耦合輸出,且存在對總效率之正面效應。
作為在該主光學系統中使用一或多個透鏡之替代例或除了在該主光學系統中使用一或多個透鏡以外,該主光學系統亦可此外包含一或多個反射器。舉例而言,該主光學系統可包含微反射器陣列,其中(例如)每一光電組件(例如,每一LED)可配置於小空腔中,該空腔之反射壁形成微反射器。包含至少一微透鏡及至少一微反射器之組合的陣列主光學系統亦係可能的。
以類似方式,亦有可能實施該至少一可選次光學系統,例如,呈一或多個折射元件(例如,一或多個透鏡元件)之形式,及/或呈一或多個反射元件之形式。
取決於應用程序,針對所發射光之要求亦可變化。若(例如)在流程程序中使用基板或載體之配置,則通常重要的是橫向於流程方向而實施均質且密集型之輻照強度,而在流程方向上使待得到之劑量輸出最大化通常且基本上係重要的。在線發射器之狀況下,舉例而言,此意謂:實務上,可能有利的是在一個空間方向上將該等LED定位成極接近於彼此(例如,在0.05 mm至5 mm之距離處),而在與該空間方向正交地延伸之空間方向上,可能更合理的是增加該等LED之間的距離(例如,增加至大於1 mm),以便獲得(例如)用於有效率準直主及/或次光學系統之空間。另一方面,該等光電組件之均一分佈(例如,均一LED分佈)通常易於有利於實施將用以均質地照明面積之表面發射器。
根據本發明,通常有可能實施相同或不同幾何形狀或相對於位置不同之幾何形狀。舉例而言,可在一個或兩個空間方向上於一個陣列內實施該等光電組件(例如,該等LED)及/或該等微透鏡之間的距離。因此,有可能在有效率組件(例如,有效率LED發射器)之開發中考慮及使用該等光電組件之分佈及/或該主光學系統及/或該次光學系統之該等元件之分佈,例如,微透鏡分佈。
此外,亦有可能(例如)根據特定應用而可變地調整該主光學系統及/或該次光學系統之結構大小,例如,該主光學系統及/或該次光學系統之該等透鏡之結構大小。其中,有可能個別地實施或以任何所要組合來實施各種可能性。舉例而言,該等光電組件(例如,該等LED)以及該主光學系統及/或該次光學系統之組件(例如,該等透鏡)可包含可比較結構大小。舉例而言,此可意謂每一光電組件(例如,每一LED)處理該主光學系統及/或該次光學系統之關聯元件(例如,關聯透鏡)。其中,該主光學系統及/或該次光學系統之該等元件之最大結構大小(例如,該特定透鏡之最大結構大小)通常受到該等光電組件(例如,該等LED)之間距限制。
或者或另外,此外亦有可能實施如下實施例:其中個別、複數個或所有光電組件之結構大小小於該光學系統(例如,該主光學系統)之結構大小。舉例而言,可實施如下實施例:其中該LED之結構大小小於該關聯透鏡之結構大小。舉例而言,此可意謂該主光學系統及/或該次光學系統之透鏡及/或另一組件延伸橫越複數個光電組件,例如,橫越複數個LED。
或者或另外,此外亦有可能實施如下實施例:其中個別、複數個或所有光電組件之結構大小超過該光學系統(例如,該主光學系統)之結構大小。舉例而言,可實施如下實施例:其中該LED之結構大小超過該關聯透鏡之結構大小。舉例而言,此可意謂該主光學系統及/或該次光學系統之複數個元件(例如,複數個透鏡或透鏡陣列)可安置於光電組件之前方,例如,安置於LED之前方。
此外,該等光電組件及/或該光學系統之結構大小之關係亦可在一個或兩個空間方向上變化。舉例而言,在兩個空間方向上之關係可相同或不同,或遍及進程而改變。
如上文已陳述,該光學系統可包含發散及/或準直及/或聚焦功能。舉例而言,可提供該主光學系統之透鏡功能,該透鏡功能經設計成使得其發散、準直或聚焦。若使用僅一個主光學系統,則在該主光學系統經設計成使得其準直或聚焦時通常係有利的。然而,若將反射器用作次光學系統,則該反射器可(例如)適於整個系統之效率及功能性以將該主光學系統設計成使得其發散,以便能夠以最佳可能方式利用該反射器。
通常,該光電組件(例如,該LED)與該主光學系統之間的距離亦決定該光(例如,藉由該等LED發射之該光)之哪一部分可受到該主光學系統(更特別地是該等透鏡)影響及對此光之效應如何。該距離可為針對該光是發散或是準直之額外決定性因素。在陣列內,該光電組件(例如,該LED)與該透鏡之間的距離可相同或不同。在給定透鏡大小的情況下,該透鏡之受光角(亦被稱為數值孔徑NA)可取決於自該光電組件(例如,該LED)之距離。在此受光角外所發射之光在該透鏡或相鄰透鏡之邊緣處發散及/或以不受控制方式折射,因而此情形將被評定為損失。此為該光電組件(例如,該LED)與該主光學系統之表面之間的距離可相關的另一原因。
此外,立體角(在該立體角內,該主光學系統及/或該次光學系統可具有對該所發射光或入射光(例如,藉由該等LED發射至該半空間中之光)之光徑的效應)之大小通常為針對該光學系統之效率的相關量測。為了改良此效率,應因此在大多數狀況下使該光學系統之光學有效基本面積最大化。可根據本發明而實施之一個措施可為考量矩形或多邊形表面及截面面積,而非易於形成之圓形表面面積及旋轉對稱水平截面面積,該等矩形或多邊形表面及截面面積在最大程度上利用在相鄰光電組件之間(例如,在相鄰LED之間)可用的面積。在關注在兩個空間方向上具有等同間距之陣列的情況下,此對應於(例如)正方形基本形狀。藉由在最大程度上利用該(例如)正方形基本形狀,可使光學作用面積最大化,此在效率之增加方面或甚至在效率之最大化方面得以反映。
該主光學系統之表面可為平滑的、粗糙化的或以其他方式結構化的,其中,在後一狀況下,該表面亦可(例如)具備菲涅耳光學系統。若該表面為平滑的,則(例如)通常不存在對實際透鏡效應之效應。在特定形成(例如,準直)之狀況下,可有可能在許多狀況下用此表面來達成最高效率。若該結構已為粗糙化的及/或為微結構,則額外發散效應通常被添加至該實際透鏡效應。
若在該光學系統(例如,該主光學系統)中使用透鏡,則可以各種方式使此等透鏡對準朝向該等所分配之光電組件。舉例而言,可以集中或分散方式使該主光學系統之透鏡的透鏡中心對準朝向所分配之光電組件,例如,LED。其中,分散(例如,在微米至毫米範圍或更大範圍中)可對於所有透鏡有意地相同或以滑動方式偏移。舉例而言,此等偏移可用以使藉由該主光學系統形成之光錐傾斜。藉此,舉例而言,有可能達成被稱為偏斜效應(squinting effect)之效應以增加在該LED陣列之前方之中心的輻照強度,例如,藉由此相對偏移而將定位於邊緣處之該等LED之光錐對準至該中心。然而,LED陣列內之統計分佈之相對偏移亦可用以使該光均質化。
如上文已陳述,至少一主光學系統可與至少一次光學系統組合。舉例而言,該次光學系統可包含至少一反射器及/或至少一透鏡,其中該等所提及元件可被分離地配置或經配置成陣列。舉例而言,該次光學系統可包含反射器陣列及/或透鏡陣列。尤其是在長距離的情況下,當僅僅使用該主光學系統時,通常是僅相對小立體角範圍之光促成照明。該次光學系統亦允許利用增加之立體角範圍之光,藉以可增加整個系統之效率。結果,可達成兩個效應或自該兩個效應混合之效應。因此,該次光學系統允許相當大地改良該光之聚焦。此情形之優勢係在於:在光電組件之數目保持不變的情況下(例如,在LED之數目保持不變的情況下),可增加最大輻照強度。若意欲使最大輻照強度保持於相同位準,則可縮減該等光電組件之數目(例如,該等LED之數目),此係因為可藉由該次光學系統更有效率地利用可用光。
舉例而言,該主光學系統亦可與作為次光學系統之至少一反射器及/或至少一另外透鏡陣列組合。藉此,通常有可能進一步變換藉由該主光學系統產生之場分佈。舉例而言,藉此有可能達成經改良聚焦,以便以此方式增加最大輻照強度。
取決於應用程序,該次光學系統亦可經組態成使得其在一個或任一空間方向上起作用。在線發射器之狀況下,實務上,此對於流程程序可意謂該次光學系統可經配置成正交於流程方向且用來增加在流程方向上之劑量輸出及在目標面積中之最大輻照強度。在平面發射器中,舉例而言,該主光學系統亦可經設計為光柵,或在線發射器中,該主光學系統可經形成為平行於彼此而延伸之線(反射器)輪廓。此可意謂亦可變地調整該次光學系統之結構大小。其中,可實施複數個可能性。
a.該主光學系統及該次光學系統具有可比較結構大小。
b.該主光學系統之該結構大小小於該次光學系統之該結構大小。
c.該主光學系統之該結構大小大於該次光學系統之該結構大小。
在該發射器內,在兩個空間方向上該等結構大小之關係可相同或不同,或遍及進程而改變。
為了能夠使用不同程序領域,可設計各自在大小上被調適之載體(更特別地是基板)。然而,為了使成本及費用最小化,通常合理的是並列地安裝相同基板(例如,具有在1 cm2或更大之範圍中的面積)。其中,可實施根據本發明之該系統(例如,該LED系統)之模組化結構及光學概念。再次,亦存在關於此實施之複數個變體。舉例而言,可在一個空間方向上或在兩個空間方向上並列地安裝根據本發明之兩個或兩個以上光電晶片直接封裝模組。可針對一個、兩個或兩個以上光電晶片直接封裝基板或晶片直接封裝模組同時實施灌注。舉例而言,可將該灌注塗覆至該載體(例如,該基板)上而無任何側向重疊,因而可並列地安裝載體而無任何間隙。
此外,舉例而言,亦有可能在一或多個冷卻元件上配置根據本發明之一或多個光電晶片直接封裝模組及/或其載體及/或一或多個系統,或根據本發明之一個光電晶片直接封裝模組及/或一個系統可包含一或多個冷卻元件。舉例而言,可在冷卻元件/載體上定位具有LED之一或多個晶片直接封裝基板。在灌注程序期間,舉例而言,至少一冷卻元件可具備灌注,因而(例如)可同時灌注定位於其上之所有該等載體。亦可設想通常同時灌注複數個冷卻元件,其中該等冷卻元件可充當模組基底。
其中,一般而言,該次光學系統之模組性亦可對應於該等光電組件之模組性(例如,該LED陣列之模組性),因而(例如)光電組件陣列(例如,LED陣列)含有次光學系統模組。
若提供次光學系統模組,則其可大於或小於該等光電組件之陣列(例如,LED陣列),因而(例如)次光學系統模組可定位於並列地配置之兩個、三個或三個以上光電組件陣列(例如,LED陣列)上方。在相反狀況下,兩個、三個或三個以上次光學系統模組可(例如)為該等光電組件之每一陣列(例如,每一LED陣列)所需要。
關於該等光電組件之距離,(例如)在根據本發明之系統中視需要並列地安裝光電晶片直接封裝模組及/或其載體及/或並列地安裝次光學系統可為間距保留的(亦即,直接並列地進行安裝),或非間距保留的(亦即,以中間距離進行並列安裝)。
在光電晶片直接封裝模組或系統內(例如,在LED發射器內),可使用不同形成之次光學系統。舉例而言,可在光電晶片直接封裝模組之邊緣處(更特別地是在該發射器之邊緣處)使用將光(例如)以角度反射至在LED發射器之前方之中心的反射器(例如,類似於上文所描述之「偏斜」主光學系統)。其中,該等中心反射器亦可將該光反射至在該發射器之前方之該中心。
此外,可使用相對於位置不同之次光學系統,例如,至少一反射器、至少一透鏡,或至少一反射器及至少一透鏡之至少一組合。或者,取決於該位置,亦可完全地省略次光學系統。
總而言之,可根據本發明實施光電晶片直接封裝模組,該等光電晶片直接封裝模組較佳地包含至少一主光學系統,該至少一主光學系統(例如)包含僅一個離開側。可以此方式防止在進入側處之反射損失。此外,可形成可縮減反射損失之形狀,例如,可使用透鏡之光學形式。可針對每一個別光電組件(例如,針對每一個別LED)產生根據目標設定而調整之射束成型。該光學系統與該等光電組件之實體近接(例如,該等透鏡與該等LED之實體近接)之可能性允許利用寬立體角範圍之光。
此外,該等光電組件(例如,該等LED)可接收保護性、透明、耐UV且耐熱之灌注。以此方式,詳言之,有可能亦改良長期穩定性且歸因於對抗濕氣之增加緊密性及其他環境影響而開發新應用領域。
此外,在一個或兩個空間方向上該等光電組件之間(例如,該等LED之間)的可變可調整距離之可能性允許仍根據特定要求而精確地調整可用光輸出。舉例而言,許多LED可配置於相對受限制空間中,或比較低數目個LED可經配置以產生用於特定光學系統之空間。
歸因於該主光學系統之該等元件(例如,該主光學系統之該等透鏡)之不同潛在結構大小,可有效率地使用該可用光輸出。舉例而言,僅僅在需要時,該主光學系統之透鏡功能可經設計成使得其發散、準直或聚焦。舉例而言,在需要時,該主光學系統之該表面可經設計為平滑的、粗糙化的或以其他方式結構化的。
因為有可能使該主光學系統之該等元件相對於該等所分配之光電組件移位(例如,藉由使該主光學系統之該等透鏡相對於該LED移位),所以如上文所描述,射束錐可傾斜(偏斜)。
藉由使用一或多個可選次光學系統,可相當大地增加該光電晶片直接封裝模組之效率及/或該系統之效率。以此方式,詳言之,有可能實施發散光之「再循環」(recycling)。藉此,舉例而言,有可能達成較高輻照強度及/或有可能節省光電組件,更特別地是LED。
本發明之另外優勢係在於:其允許實施較高模組性。舉例而言,有可能實施光電晶片直接封裝模組,其各自具有一或多個一維或二維光電組件陣列,其中此等陣列可被相同地組態。複數個此等光電晶片直接封裝模組(更特別地是具有相同光電組件陣列)可在一個或兩個空間方向上並列地安裝。該等光電組件之該等陣列(例如,該等LED陣列)之相同性可有利於簡單且具成本效益之生產程序。總而言之,可以此方式實施關於對不同程序幾何形狀之調整的優勢。
可根據本發明而實施之此等個別優勢或此等優勢之組合可造成該光電晶片直接封裝模組及/或該系統(例如,該發射器)之效率的直接增加。藉此,舉例而言,有可能在同時均質輻照強度分佈之情況下達成極高輻照強度(甚至遍及長距離)。該等所列出優勢可成對地進行組合或經組合成任何所要群組,甚至在需要時彼此進行組合。藉此,待實施之可能性之範圍高,此情形引起滿足複數個需求之可能性。
在下文中,將藉由例示性實施例且參看圖式來描述本發明而不限制一般發明性思想,其中關於未以文字更詳細地說明的根據本發明之所有細節而明確地參看圖式。
在以下諸圖中,相同或等效元件及/或對應部件具備相同參考符號,使得避免適當重複呈現。
本發明將基於晶片直接封裝LED模組(亦即,發光元件)而被說明為用於光電晶片直接封裝模組之實例。在本發明之範疇內,亦有可能將光伏打電池或其他組件中之光電二極體用作光電組件以代替LED模組。
圖1為無塗層之晶片直接封裝LED模組1之示意性橫截面圖,其中PCB軌道3、3'及經設計為無外殼之LED晶片之LED 4、4'以規則距離而配置於經並列地配置之兩個載體2、2'或基板上。出於清楚原因,圖1及以下諸圖之並非所有複現元件皆具備參考符號,然而,該等參考符號指代所有等同元件。在圖1中,對於兩個晶片直接封裝LED模組1、1'中每一者,僅一個LED 4、4'各自具備參考符號。其他組件各自等同。
舉例而言,載體2、2'可為以剛性、半可撓性或可撓性基板技術而構成之金屬、陶瓷或矽基板、金屬核心或FR4印刷電路板、玻璃載體,或塑膠載體。
LED 4、4'之光錐5、5'被表示成線。LED大致為朗伯發射器,其輻射在120°之孔徑角內所輸出之完整輻射光的大約75%。若經配備有LED 4、4'之面積相比於測試距離延伸且該距離充分地大於LED晶片之距離(亦被稱為「間距」),則量測具有與均質面積發射擴散光之性質類似之性質的均質強度分佈。
在圖1所示之狀況下,均質強度分佈繼續甚至超出相鄰模組1、1'之間接點6,此係因為:歸因於載體2、2'規則地且邊際地配備有LED 4、4'及不存在光學障礙,光錐5、5'之重疊區7完全地形成於此點處。
圖2為根據本發明之晶片直接封裝LED模組11之示意圖,其亦包含在載體2上之PCB軌道3及LED晶片4。其具備在邊緣區13中甚至超出載體2之邊際的聚矽氧塗層12且因此在周圍保護載體2。
圖2所示之根據本發明之晶片直接封裝LED模組2可經配置成並列地齊平,因而可達成具有如圖1所示之輻照特性的均一重疊輻射區。
圖3A)及3B)為如何產生圖2所示之根據本發明之晶片直接封裝LED模組11的示意圖。為了達成此情形,在第一步驟中,將未經塗佈之晶片直接封裝LED模組1頭向前地浸沒至塑模20中,塑模20含有已自一或多個聚矽氧供應件22填充至該塑模中之液體聚矽氧21之浴液。在圖3A)中之中心展示箭頭之方向上進行浸沒。
選擇聚矽氧填充高度,使得載體2用其表面剛好觸碰聚矽氧之表面或剛好浸沒於其中。為了達成此情形,選擇塑模之尺寸及內部淨尺寸,使得晶片直接封裝模組1之載體2被完全地收納於塑模中。在必要時,在塑模20之側壁與載體2之外部側之間存在小間隙,其中聚矽氧21能夠滲透至該間隙中。
隨後,使液體聚矽氧21固化,且在其中與模組交聯(例如,熱交聯)。一旦聚矽氧已完全地固化,隨即自塑模移除包括現已固化、黏附且透明之灌注的基板作為新的經塗佈之晶片直接封裝LED模組11。此情形在圖3B)中係藉由中心箭頭展示。
圖4、圖5及圖6展示根據本發明之光電晶片直接封裝模組11'、11"、11'''之三個變體,其在載體、PCB軌道及LED之組件方面與圖2所示之晶片直接封裝LED模組11並無不同。
在圖4中,塗層12之表面包含呈由聚矽氧製成且安置於個別LED之上之透鏡(更特別地是微透鏡)之形式的表面結構,該表面結構係由自最初經引入有聚矽氧之塑模反向地模製該結構引起。取決於設定幾何形狀,此等透鏡具有對藉由LED發射之光的準直或發散效應。
圖4所示之結構亦可用於光伏打模組,以便準直對應光電二極體上之入射光。
在圖5中,改變光電晶片直接封裝LED模組11"之表面,使得此情形引起粗糙化表面結構16。據此,藉由LED發射之光散射至不同方向上且光分佈整個地係均質化的。
在圖6中,對應於圖4所示之表面結構且具有在LED晶片上方之個別透鏡15的塗層12之表面結構經設定用於根據本發明之晶片直接封裝LED模組11'''。另外,磷光材料17經添加至聚矽氧材料,其造成所發射光或所發射光之部分的波長移位,此情形係藉由具有在透鏡15上方所表示之不同波長的波狀箭頭展示。此等箭頭用符號表示具有不同波長且因此具有不同顏色之光子。舉例而言,小波狀箭頭可對應於來自紫外線範圍之光子,而較大箭頭可對應於在可見光範圍中之光子。
所提及之所有特徵(包括僅在圖式中所發現之特徵及結合其他特徵而揭示之個別特徵)既單獨地亦組合地被視為本發明所必需。可藉由個別特徵或藉由複數個特徵之組合來滿足根據本發明之實施例。
圖7A至圖15C展示根據本發明之晶片直接封裝模組之各種另外實施例,其在此等圖中係用參考符號11指明而無對另外潛在實施例之任何限制。關於此等晶片直接封裝模組11之結構及製造,可參考以上描述中之實例。
如上文已展示,晶片直接封裝模組11可(例如)包含一或多個光學系統,一般而言,該一或多個光學系統在下文中將藉由參考符號23指明。上述透鏡15呈現此等光學系統23之實例。然而,作為透鏡之替代例或除了透鏡以外,亦可使用其他光學系統,例如,反射器。其中,下文將在主光學系統24與次光學系統25之間進行一般區別。如上文已陳述,主光學系統24應被理解為定位於光路上以使得相鄰於光電組件(例如,在所示例示性實施例中之LED 4)之光學元件,因而具有發散、會聚或準直性質之另外光學組件未配置於主光學系統24與光電組件(更特別地是LED 4)之間。然而,次光學系統25應被理解為相對於光電組件(此處為LED 4)而配置以使得具有發散、會聚或準直性質之至少一另外光電元件配置於此等元件與光電組件之間的光路上之光學組件。其中,主光學系統24及/或次光學系統25可根據本發明藉由根據本發明之方法而設計。主光學系統24及/或次光學系統25可各自包含一或多個光學組件,諸如,透鏡及/或反射器。
圖7A及圖7B展示各自獨佔式地包含主光學系統24之光電晶片直接封裝模組11之例示性實施例。其中,圖7A展示將一個透鏡15分配至LED 4之陣列中之每一LED的例示性實施例。其中,LED 4及主光學系統24之特定分配透鏡15具有可比較結構大小。
然而,圖7B展示主光學系統24除了包含透鏡15以外亦包含反射器26之例示性實施例。舉例而言,此等反射器26可經設計為微反射器。舉例而言,反射器26可各自經設計為凹座(例如,經設計為在載體2中之凹座),其中此等凹座之表面可包含反射性質。舉例而言,在圖7B所示之例示性實施例中反射器26及/或透鏡15之結構大小可再次與LED 4之晶片之大小可比較。
圖8A及圖8B展示各自包含主光學系統24之光電晶片直接封裝模組11之另外例示性實施例。在此例示性實施例中,與圖7A所示之例示性實施例類似,主光學系統24再次各自包含透鏡15。然而,在本文中,一個透鏡15各自經分配至複數個LED 4。因此,LED 4之結構大小小於主光學系統24之特定分配透鏡15之結構大小。其中,圖8A展示具有恆定間距(在相鄰LED 4之中心之間的距離)之實施例(亦即,被稱為間距保留變體之實施例),且圖8B展示具有變化間距之例示性實施例(亦即,間距變化變體)。
圖9再次展示圖7A所示之例示性實施例之修改。再次,提供包含複數個透鏡15之主光學系統24。然而,在所示例示性實施例中,複數個透鏡15經分配至每一LED 4。因此,LED 4之結構大小大於主光學系統24之透鏡15之結構大小。
圖10A及圖10B展示光電晶片直接封裝模組11之各種例示性實施例或此等晶片直接封裝模組11之細節之各種例示性實施例,其關於主光學系統24相對於LED 4之配置係不同的。原則上,舉例而言,該等例示性實施例可以其他方式對應於圖7A所示之例示性實施例。
舉例而言,圖10A展示如下例示性實施例:其中透鏡15之光軸27與LED 4之光軸28重合,因而,在晶片直接封裝模組11之俯視圖中,透鏡中心及LED 4之中心可經定位成一者在另一者之頂部上。然而,圖10B展示透鏡之光軸27及LED 4之光軸28相對於彼此偏移的例示性實施例。不同實施例亦係可能的,例如,軸線27、28之傾斜實施例。
圖11展示光學系統23除了包含主光學系統24以外此外亦包含次光學系統25之例示性實施例。此次光學系統25可再次包含一或多個透鏡,或如圖11所示,包含一或多個反射器26。舉例而言,圖7A至圖10B中之一或多者所示之例示性實施例可與一或多個反射器組合。其中,次光學系統25之一或多個元件可經分配至複數個或所有LED 4。
圖12展示圖11所示之例示性實施例之修改。代替如圖11所示之反射器,此例示性實施例展示次光學系統或者或另外亦可包含一或多個透鏡。
圖13展示在圖11所示之例示性實施例內光徑之實例。最初,自LED 4離開之光通過主光學系統24之透鏡15之彎曲表面,該透鏡經分配至此LED 4且折射發生於該表面處,因而此表面充當主光學系統24之實際光學元件。隨後,自主光學系統24離開之光在次系統25處部分地折射及/或會聚及/或準直。在展示例示性光徑之所示例示性實施例中,通過主光學系統24離開之射束在輻射方向30之方向上在次光學系統25之反射器26之表面上反射,因而可增加有用立體角範圍。
圖14展示再次含有至少一主光學系統24及至少一次光學系統25之組合的例示性實施例。然而,在此例示性實施例中,次光學系統25包含複數個元件,亦即,至少一反射器26及至少一透鏡15中每一者。雖然在主光學系統24中一個LED 4各自具有分配至該LED 4之一個透鏡15,但此例示性實施例(例如)展示LED群組(在此狀況下為3個LED或3個以上LED)可各自具有分配至該群組之共同次光學系統25,諸如,共同反射器26及/或共同透鏡15。再次藉由實例指示不同光徑。其中,如同樣地藉由實例在圖14中所示,具有共同次光學系統25之複數個單元可在一個或兩個空間方向上並列地安裝。
圖15A及圖15C展示不同例示性實施例,其展示實施光學系統23之表面(更特別地是聚矽氧塗層12)的各種可能性。該等例示性實施例展示用於實施主光學系統24之表面結構之實例。然而,或者或另外,根據本發明之方法亦可用以設計一或多個可選次光學系統25之表面結構。
舉例而言,圖15A展示本質上可對應於圖7A所示之例示性實施例的例示性實施例。在此狀況下,提供透鏡15之平滑表面結構。透鏡15可包含球面光學系統。
雖然圖15A所示之例示性實施例藉由實例而展示主光學系統24之相同元件(更特別地是相同透鏡),但在光電模組11內之光學系統23之元件亦可為變化的。此情形在圖15B中係藉由實例展示。在此例示性實施例中,光學系統23包含具有不同光學性質之複數個光學元件(在此狀況下為複數個透鏡)。
最後,圖15C展示圖5所示之粗糙化表面結構16亦可與一或多個光學系統23組合。在所示例示性實施例中,此情形係針對複數個透鏡15而藉由實例展示,其中在所說明例子中,藉由實例,該等透鏡15待分配至主光學系統24,且在所說明例子中,藉由實例,該等透鏡15經設計成與圖15B所示之例示性實施例類似。然而,原則上,其他實施例亦係可能的,例如,在圖15A所示之例示性實施例中的粗糙化表面結構16。作為粗糙化表面結構16之替代例或除了粗糙化表面結構16以外,亦可使用其他表面結構化物,例如,呈菲涅耳透鏡之形式的表面結構化物。
1、1'...未經塗佈之晶片直接封裝LED模組
2、2'...載體
3、3'...PCB軌道
4、4'...LED
5、5'...光錐
6...接點
7...重疊區
11-11'''...經塗佈之晶片直接封裝LED模組
12...聚矽氧塗層
13...在載體之側向面上之塗層
15...由聚矽氧製成之透鏡
16...粗糙化表面結構
17...磷光材料
18...變化波長之光
20...鑄造塑模
21...液體聚矽氧
22...聚矽氧供應件
23...光學系統
24...主光學系統
25...次光學系統
26...反射器
27...透鏡之光軸
28...LED之光軸
30...輻射方向
圖1為兩個晶片直接封裝LED模組之示意圖;
圖2為根據本發明之晶片直接封裝模組LED模組之示意圖;
圖3A)、圖3B)為根據本發明之方法之示意圖;
圖4為根據本發明之另外晶片直接封裝LED模組之示意圖;
圖5為根據本發明之另外晶片直接封裝LED模組之示意圖;
圖6為另外晶片直接封裝LED模組之示意圖;
圖7A及圖7B展示具有不同主光學系統的根據本發明之晶片直接封裝模組之例示性實施例;
圖8A及圖8B展示可根據本發明而實施之晶片直接封裝模組之另外例示性實施例,其具有用於複數個光電組件的不同類型之主光學系統;
圖9展示具有主光學系統之晶片直接封裝模組之另外例示性實施例,主光學系統具有用於每一光電組件之複數個透鏡;
圖10A及圖10B展示具有對準之主光學系統(圖10A)及呈偏移配置之主光學系統(圖10B)的晶片直接封裝模組之例示性實施例;
圖11展示可根據本發明而實施之晶片直接封裝模組之例示性實施例,其具有主光學系統及次光學系統;
圖12展示為圖11之替代例之例示性實施例,其具有主光學系統及次光學系統;
圖13為根據圖11之例示性實施例中之光路之視圖;
圖14展示具有複數個次光學系統之晶片直接封裝模組之例示性實施例;及
圖15A至圖15C展示根據本發明之光電模組之不同實施例,其具有不同表面結構。
11...經塗佈之晶片直接封裝LED模組
20...鑄造塑模
Claims (17)
- 一種用於塗佈包含經配備有一或多個光電組件(4)之平面載體(2、2')之光電晶片直接封裝模組(1、11-11''')之方法,該光電晶片直接封裝模組(1、11-11''')具有由聚矽氧製成之透明的耐UV且耐熱之塗層(12),該方法之特徵在於下述程序性步驟:a)將液體聚矽氧(21、22)灌注至塑模(20)中,該塑模(20)在頂部處敞開且包含對應於或超過該載體(2、2')之外部尺寸的外部尺寸;b)將該載體(2、2')插入至該塑模(20)中,其中該光電組件(4)或該等光電組件(4)完全地浸沒至該聚矽氧(21)中,且該載體(2、2')之表面遍及其整個面積觸碰該聚矽氧(21),或該載體(2、2')遍及該整個面積至少部分地浸沒至該聚矽氧(21)中;c)使該聚矽氧(21)與該等光電組件(4)及該載體(2、2')固化且交聯;及d)自該塑模(20)移除具有由該固化聚矽氧(21)組成之該塗層(12)之該載體(2、2')。
- 如請求項1之方法,其中在增加之大氣壓力下進行該等程序性步驟a)及/或b)及/或c)及/或d)。
- 如請求項1或2之方法,其中光學功能材料(17)已被混合至或被混合至該液體聚矽氧(21、22)。
- 如請求項1或2之方法,其中在該塗層(12)之表面上產生藉由該塑模界定或隨後添加之表面結構(15、16)。
- 如請求項1或2之方法,其中該載體(2、2')經配備有或已經配備有光電組件(4)至一或多個邊緣。
- 如請求項1或2之方法,其中塗佈該載體(2、2')而無任何邊緣及/或超出該邊緣。
- 如請求項1或2之方法,其中模製該聚矽氧(21),使得在該聚矽氧(21)中形成至少一光學組件。
- 如請求項1或2之方法,其中應用該方法,使得該晶片直接封裝模組(1、11-11''')包含鄰近於該至少一光電組件(4)之至少一主光學系統(24),且視需要包含至少一次光學系統(25),其中至少一光學系統(23)形成於該聚矽氧(21)中,該光學系統(23)係選自由該主光學系統(24)及該次光學系統(25)組成之群組。
- 一種光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其可根據如請求項1至8中任一項之方法而製造,該光電晶片直接封裝模組(11-11''')包含經配備有一或多個光電組件(4)之平面載體(2、2'),該光電晶片直接封裝模組(11-11''')具有由聚矽氧(21、22)製成之透明的耐UV且耐熱之塗層(12),其特徵為該載體(2、2')之表面經塗佈有該聚矽氧(21、22)而無任何邊緣,該表面經配備有一或多個光電組件(4)。
- 如請求項9之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該載體(2、2')亦在其側向面上至少部分地經塗佈有該聚矽氧(21、22)。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該 聚矽氧(21、22)包含光學功能材料(17)之混合物。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該塗層(12)包含表面結構(15、16)。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該塗層(12)包含至少一光學組件。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該晶片直接封裝模組(11-11''')包含鄰近於該至少一光電組件(4)之至少一主光學系統(24),且視需要包含至少一次光學系統(25),其中至少一光學系統(23)至少部分地形成於該塗層(12)中,該光學系統(23)係選自由該主光學系統(24)及該次光學系統(25)組成之群組。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該載體(2、2')經配備有光電組件(4)一直至邊緣或至邊緣之前的不遠處。
- 如請求項9或10之光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該請求項9或10涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其中該光電晶片直接封裝模組(11-11''')係或可根據如請求項1至6中任一項之方法而製造。
- 一種系統,其具有如請求項9至16中任一項之兩個或兩個以上光電晶片直接封裝模組(11-11'''),該等請求項9至 16涉及光電晶片直接封裝模組(11-11'''),其特徵為該等光電晶片直接封裝模組(11-11''')之該等載體(2、2')經配置成並列、齊平或彼此分開達一界定距離,其中,甚至在超出相鄰載體(2、2')之間的邊界的情況下,該等載體(2、2')邊際地配備有光電組件(4)仍會引起光電組件(4)之規則配置及間隔。
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