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TWI580076B - 具有斜向或垂直發光二極體之發射器封裝體 - Google Patents

具有斜向或垂直發光二極體之發射器封裝體 Download PDF

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TWI580076B
TWI580076B TW100130234A TW100130234A TWI580076B TW I580076 B TWI580076 B TW I580076B TW 100130234 A TW100130234 A TW 100130234A TW 100130234 A TW100130234 A TW 100130234A TW I580076 B TWI580076 B TW I580076B
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TW100130234A
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大衛 托德 艾默生
陳志強
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科銳公司
科銳香港有限公司
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Description

具有斜向或垂直發光二極體之發射器封裝體
本申請案係2009年12月11日所提出之發明名稱“Side View Surface Mount white LED”的美國專利申請案公開第2010/0090233號之部分延續，該公開美國專利申請案係2007年4月24日所提出之發明名稱亦為“Side View Surface Mount White LED”的美國專利申請案第11/739,307號(目前專利第7,649,209號)之延續，該美國專利申請案主張2006年4月24日所提出之美國臨時申請案第60/745,478號之利益。
本發明係有關於發光二極體封裝及利用發光二極體封裝做為它們的光源之顯示器。
發光二極體(LED或LEDs)係將電能轉換成光之固態裝置，以及大體上包括一或多個夾在相反摻雜層間之半導體材料的主動層。當施加一偏壓橫跨該等摻雜層時，將電洞及電子注入該主動層，該等電洞及電子在該主動層再結合，以產生光。從該主動層及從該LED之所有表面發射光。
經過最近十年或更多年之技術的進步已造成LED具有較小的覆蓋區、高發射效率及低成本。LED相較於其它發射器亦具有高操作壽命。例如，LED之操作壽命可超過50,000小時，而白熾燈泡之操作壽命為約2,000小時。LED亦比其它光源更強固及消耗少的功率。基於這些及其它理由，LED變得更受歡迎及現在被使用至越來越多在白熾、螢光、鹵素及其它發射器之傳統範圍中的應用。
為了在傳統應用中使用一LED晶片，知道將一LED晶片封入一封裝體中，以提供環境及/或機械保護、顏色選擇、光聚焦等等。一LED封裝體亦包括用以電連接該LED封裝體至一外部電路之電導線、接點或接觸線。在圖1所述之典型2-接腳LED封裝體/組件10中，藉由焊料黏著劑或傳導性環氧樹脂在一反射杯13上安裝單一LED晶片12。一或多條焊線11連接該LED晶片12之歐姆接點至導線15A及/或15B，該等導線15A及/或15B可以附著至該反射杯13或與該反射杯13整合。可以以一封裝材料16填充該反射杯13，以及可以在該LED晶片上或在該封裝材料中包含一波長轉換材料(例如，磷光體)。該LED以一第一波長所發射之光可以被磷光體吸收，該磷光體可以響應地以一第二波長來發射光。接著，將整個組合件封裝在一透明保護樹脂14中，該透明保護樹脂14可以被塑造成透鏡之形狀，以引導從該LED晶片12所發射之光。
圖2顯示一相似於圖1所示之封裝體10及包括一安裝在一反射杯24之底部的LED晶片22之傳統LED封裝體20的上視圖。包含焊線26a及26b，以連接至該LED晶片22之歐姆接點，以及以一封裝材料28填充該反射杯24。在封裝體20中，該反射杯24係橢圓形及該LED晶片22係矩形，且使該LED晶片22與該反射杯24在縱向上對準。亦即，使該LED晶片之較長邊緣與沿著該反射杯之延長方向行進之反射杯軸線對準。
不同的LED封裝體(諸如圖1及2所示之那些LED封裝體)可用以做為大的及小的兩者顯示器之光源。大型螢幕LED顯示器(常常稱為巨大螢幕(giant screen))在許多戶內及戶外場所(諸如運動場所、跑馬場、音樂廳)及大型公共場所(諸如紐約市的時代廣場)中變得更常見。以目前技術，這些顯示器或螢幕之部分可大至60英尺高及60英尺寬之程度。當技術進步時，期望發展出更大的螢幕。
這些螢幕可包括數千個“像素”或“像素模組”，它們的每一者可包含複數個LED。該等像素模組可使用高效率及高亮度LED，該等高效率及高亮度LED可允許在白天經歷日光之情況中從相對遠處看到顯示。該等像素模組可具有少至3或4個LED(紅色、綠色及藍色)之程度，它們允許像素自紅光、綠光及/或藍光之組合發射許多不同顏色之光。在最大型螢幕中，每一像素模組可具有數十個LED。該等像素模組係配置成為一矩形網格(grid)。在某一型態之顯示器中，該網格可以是640個模組寬及480個模組高，且螢幕之尺寸係依該等像素模組之實際尺寸而定。
由一接收一進入信號(例如，TV信號)之電腦系統來控制大部分傳統LED顯示器，以及根據該像素模組所需之以形成總顯示影像的特定顏色，該電腦系統決定在該等像素模組之每一者中哪一個LED要發射光及有多亮。亦可包含一電源系統，該電源系統提供電源至該等像素模組之每一者，以及可調變該等LED之每一者的電源，以致於它以期望亮度來發射。提供導線，以施加適當電源信號至該等像素模組中之每一個LED。
LED顯示器很少安裝在觀看者之眼睛的高度上及比較常安裝在眼睛上方的高度(諸如在建築物之側面或運動場之正面看臺的上方)。參考圖3，顯示一傳統LED顯示器30係安裝在觀看者32之眼睛高度上方的高處。該觀看者32通常位於該顯示器30下方及往上觀看該顯示器，以致於該觀看者至該顯示器30之視線34相對該顯示器之垂直發射方向36具有一角度θ。圖3之LED顯示器通常包括像圖1及2所示者之複數個發射器38，它們呈現一在水平及垂直軸線之中心附近的尖峰發射。
具有包括複數個LED封裝體38之顯示器會造成朝所示垂直方向36發射之顯示器尖峰發射特性。該LED顯示器30之Iv及遠場圖形(FFP)尖峰發射特性會沿著該垂直軸線36垂直於該顯示器。當該顯示器30安裝在某一高處時，該觀看者之視線34係在垂直線下方；由該顯示器所發射之許多光線無法被該觀看者看到及被浪費掉了。這對於在該顯示器下方及該顯示器之側邊的觀看者來說是確實的。一種減少浪費光量的方法係將該顯示器安裝在一更適合於該觀看者之視線34的角度上，但是特別是對於安裝在高處之非常大型顯示器來說，這需要很難使用之複雜且昂貴的安裝硬體。
當觀看時一LED顯示器時，觀看者常常不是直接在該LED顯示器前面。依觀看者所在位置而定，水平視角會是不同的。再者，當人在一LED顯示器旁邊移動(諸如走動)時，以許多不同水平角度來觀看該LED顯示器。在中心附近具有尖峰發射的典型LED顯示器在不同的水平角度會經歷發射強度之下降(drop-off)。在每一像素中之不同LED封裝體的遠場圖形(FFP)亦會是不同的，以致於當從不同角度觀看時，該LED顯示器會經歷影像品質變動。
因為這樣，所以使LED顯示器像素中所使用之紅光、綠光及藍光LED封裝體的FFP發射特性儘可能廣泛平順及在紅色、綠色及藍色間匹配是很重要的。圖1及2所示之標準幾何LED封裝體容許該反射杯之最長反射表面(寬視角)與該晶片之最長發射側(寬視角)平行。此幾何亦允許該反射杯之最短反射表面(窄發射角度)與該晶片之最短發射側(窄觀看角度)平行。此幾何亦最小化焊線長度，此可有助於最小化焊線故障率。關於此配置之挑戰在於：它需要該LED晶片遠場圖形、該反射遮蔽及該LED圓蓋間之幾近完美匹配。沒有此完美的匹配，在該圓蓋或封裝材料中需要大量擴散板(diffuser)。然而，擴散板會吸收從該等封裝體所發射之光，以及因此，會降低發射亮度。
本發明係有關於LED封裝體及使用該等LED封裝體之LED顯示器，其中在該等封裝體中之LED晶片係朝獨特方位配置，以提供期望封裝體或顯示器FFP特性。依據本發明之一LED封裝體的一具體例包括一反射杯及一安裝在該反射杯中之LED晶片。該反射杯具有一第一軸線及一與該第一軸線正交之第二軸線，其中使該LED晶片在該反射杯中旋轉，以致於該LED晶片沒有與該第一軸線對準。
依據本發明之一LED封裝體的另一具體例包括一基板及一安裝在該基板上之LED晶片。該基板具有一第一縱軸線，以及該LED晶片安裝在該基板上，以致於該LED晶片沒有與該第一軸線對準。
依據本發明之一LED封裝體的另一具體例包括一具有一晶片縱軸線之矩形LED晶片及一具有一杯縱軸線之橢圓形反射杯。該LED晶片以使該晶片縱軸線偏離該杯縱軸線有一個角度之方式安裝在該反射杯中。
依據本發明之LED封裝體可配置在LED顯示器中，以提供期望顯示器FFP。從下面詳細敘述及用以經由範例來描述本發明之特徵的所附圖式將使本發明之這些及其它態樣及優點變得明顯易知。
本發明係有關於LED封裝體及使用LED封裝體之LED顯示器，其中可使封裝體中之LED晶片或晶片相對於封裝體(或下面所述之其它特徵)偏向或旋轉，以提供期望發射特性。在一些具體例中，該等期望特性可包括該等LED封裝體之較寬水平及/或垂直FFP，而在其它具體例中，該等期望特性可包括在該FFP中之期望位置設置FFP不對稱。當以不同視角觀看該等封裝體及/或顯示器時，這些可提供改良圖像強度及品質。相較於具有傳統定向LED晶片之LED封裝體，旋轉該LED晶片亦可造成一較平順且更均勻FFP。旋轉該等晶片亦允許晶片遠場發射與反射杯特性之較佳匹配，以提供具有相似期望發射特性之LED封裝體的可重複製造。亦即，一LED封裝體可設有一更均勻FFP圖形，同時對於封裝體發射均勻性允許更一致的封裝體。
本發明亦提供一些其它優點。藉由旋轉依據本發明之LED封裝體中之LED晶片，亦可減少用以最佳化該FFP所需之擴散板的數量。因為由該擴散板吸收較少的LED光，所以此可導致一具有更鮮視頻螢幕之LED顯示器。旋轉該LED晶片及減少該擴散板之數量亦可提供一具有平順視角發光圖形之LED晶片。
在一具有圖2所示之橢圓形反射杯及矩形LED晶片之具體例中，旋轉該LED晶片以垂直於或正交於該反射杯之縱軸線，此可允許該反射杯之最長反射表面(寬視角)與該晶片之最短發射側(窄視角)平行。它亦允許該反射杯之最短反射表面(窄視角)與該晶片之最長發射側(寬視角)平行。此會導致較長焊線，該等較長焊線需要較近的製造焦距(closer fabrication focus)，以提供具有良好可靠性之封裝體。然而，此封裝體幾何可提供放寬傳統LED封裝體在該LED晶片遠場圖形、反射杯及LED圓蓋間之匹配準則的優點。它亦可減少大量擴散板之需求。一些具體例可包括一橢圓形反射杯及一矩形LED晶片，其中該LED晶片沒有與該反射杯之縱軸線對準。
依據本發明之LED封裝體的其它具體例可具有不同形狀(諸如圓形、方形、矩形或其它多邊形)之反射杯。在不同封裝體中所使用之LED晶片可具有不同形狀(諸如方形、圓形、橢圓形或其它多邊形)。例如，在依據本發明之另一具體例中，該反射杯可以是圓形及該等LED晶片可以是方形，且該LED晶片被旋轉及相對於該反射杯或該LED封裝體之軸線具有一角度。亦了解到，可在沒有反射杯之情況下配置依據本發明之LED封裝體，其中在一基板或底座(submount)上安裝該LED晶片，以及其它LED封裝體可包括LED晶片陣列，以取代單一LED晶片。
在此描述關於具有比其正交軸線長之軸線的反射杯之上述具體例。然而，本發明可同樣地應用至具有比其正交軸線長之軸線的封裝體、基板、底座或透鏡之具體例。換句話說，了解到，本發明可應用至具有較長及較短正交軸線之封裝體、基板及底座或一具有透鏡之封裝體，其中該透鏡具有較長及較短正交軸線。在這些具體例中，使該LED晶片旋轉成不與該較長軸線對準或旋轉成不與該等較長及較短軸線兩者對準。
在此描述關於某些具體例之本發明，但是了解到，本發明可以許多不同形式來具體化及不應該被解讀成限制在此所述之具體例。特別地，可超越上面所述者來提供許多不同LED、反射杯及導線架配置，以及該封裝材料可提供另外的特徵，以改善該等LED封裝體及使用該等LED封裝體之LED顯示器的可靠性及發射特性。雖然在此描述關於一反射杯之一些具體例，但是了解到，本發明可同樣地應用至具有任何型態之反射腔或不具有反射杯之任何具體例。雖然下面所論述之LED封裝體的不同具體例係有關於在LED顯示器中之使用，但是它們可分別使用於許多其它應用中或使用於具有相同或不同峰值發射偏向(peak emission tilt)之其它LED封裝體的許多其它應用中。
亦了解到，當提及一像層、區域或基板之元件是在另一元件“上(on)”時，它可直接在該另一元件上或亦可能存在有中介元件。再者，在此可以使用像”在...上方(above)”及“在...下方(below)”之相關術語及相似術語來描述一層或另一區域之關係。了解到，除了在圖式中所述的定位之外，這些術語還意欲包含該裝置之不同定位。
雖然在此可以使用術語第一、第二等來描述各種元件、組件、區域、層及/或區段，但是這些元件、組件、區域、層及/或區段不應該受限於這些術語。這些術語只用以區分一元件、組件、區域、層或區段與另一區域、層或區段。因此，可將下面所論述之一第一元件、組件、區域、層或區段稱為一第二元件、組件、區域、層或區段，而不脫離本發明之教示。
在此描述關於剖面圖圖解之本發明的具體例，其中該等剖面圖圖解係本發明之具體例的示意圖解。就其本身而論，該等層之實際厚度可以是不同的，以及因例如製造技術及/或容許度所造成之該等圖解之形狀的變動係可預期的。本發明之具體例不應該被解讀成對在此所述之區域的特定形狀之限制，而是將包括因例如製造所造成之形狀的變動。由於正常的製造容許度，一被描述成方形或矩形之區域通常具有圓形或彎曲特徵。因此，在圖式中所述之區域在本質上係概要的，及它們的形狀沒有意欲描述一裝置之一區域的準確形狀及沒有意欲限制本發明之範圍。
圖4顯示依據本發明之LED封裝體50的一具體例，其大體上包括一反射杯54且在該反射杯54之底部上安裝有一LED晶片56。在接腳安裝具體例中，該LED封裝體包括一2-接腳導線框(未顯示，但是相似於圖1所示者)，其係使用已知製造方法由傳統材料所製成。可經由該導線架區段之兩個接腳施加電信號至該LED晶片56，且以焊線58a、58b提供該導線架與該LED晶片56間之電路徑，以攜帶電信號至該LED晶片56，進而使該LED晶片56發光。
可在該封裝體50中使用許多不同型態之LED或LED晶片，以及傳統LED晶片之製造大體上係已知的及在此僅做簡要論述。可使用已知製程來製造LED晶片，其中一合適製程使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)。該等LED晶片之層通常包括一夾在第一與第二相反摻雜磊晶層間之主動層/區域，其中所有層係相繼形成於一成長基板上。LED晶片可形成於一晶圓上及然後被單顆化，以便安裝在一封裝體中。了解到，該成長基板可保留做為最後單顆化LED晶片之部分或可完全或部分移除該成長基板。
亦了解到，在LED晶片56中亦可包含額外層及元件，其包括但不侷限於緩衝(buffer)、成核(nucleation)、接觸(contact)及電流分散(current spreading)層以及光萃取層及元件。該主動區域可包括單量子井(SQW)、多重量子井(MQW)、雙異質結構或超晶格結構。該主動區域及摻雜層可能由不同材料系統所製造，其中較佳材料系統係第三族氮化物基材料系統。第三族氮化物意指氮與週期表之第三族中的元素(通常是鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In))間所形成之那些半導體化合物。該術語亦意指三元及四元化合物(諸如氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN))。在一較佳具體例中，該等摻雜層係氮化鎵(GaN)及該主動區域係InGaN。在替代具體例中，該等摻雜層可能是AlGaN、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷磷化鋁鎵銦(AlGaInAsP)。
該成長基板可以是由像藍寶石、碳化矽、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)之許多材料所製成，其中一合適基板係4H多型體之碳化矽，但是亦可使用其它碳化矽多型體，其包括3C、6H及15R多型體。碳化矽具有某些優點(諸如相較於藍寶石，其對第三族氮化物具有較接近晶格匹配)以及導致較高品質之第三族氮化膜。碳化矽亦具有非常高熱導率，以致於在碳化矽上之第三族氮化物裝置的總輸出功率不會受限於該基板之散熱(對於在藍寶石上所形成之一些裝置可能會有此情況)。SiC基板可從Cree Research,Inc.,of Durham,North Carolina取得及用以製造它們之方法已陳述於科學文獻及美國專利第Re. 34,861；4,946,547；及5,200,022號中。
LED晶片亦可包括一導通電流分散結構及在上表面之焊墊，該兩者係由一可使用已知方法來沉積之導電材料所製成。可用於這些元件之一些材料包括Au、Cu、Ni、In、Al、Ag或其組合以及導電氧化物及透明導電氧化物。該電流分散結構可包括在LED晶片56上配置成網格(grid)之導電指狀物(conductive fingers)，其中該等指狀物係隔開的，以提高從該等焊墊至該LED晶片之上表面的電流分散。在操作中，如下面所述，經由一焊線施加一電信號至該等焊墊，以及該電信號經由該電流分散結構之指狀物及該上表面分散至該等LED晶片。電流分散結構常常用於LED晶片中，其中該上表面係p-型，但是亦可以用於n-型材料。
在此所述之LED晶片之一些或全部可塗佈有一或多個磷光體且該等磷光體吸收至少一些該LED晶片之光及發射一不同波長之光，以致於該LED晶片發射來自該LED晶片與該磷光體之光的組合。在依據本發明之一具體例中該等白光發射LED晶片具有一發射藍色波長光譜之光的LED晶片及該磷光體吸收該藍光之部分及再發射黃光。該等LED晶片發射藍光與黃光之白光組合。在其它具體例中，如美國專利第7,213,940所述，該等LED晶片發射藍光與黃光之非白光組合。在一些具體例中，該磷光體包括市場上可購得之YAG：Ce，但是使用根據(Gd,Y)3(Al,Ga)5O12：Ce系統(諸如Y3Al5O12：Ce(YAG))之磷光體所製成之轉換粒子，使全範圍之寬黃色光譜發射成為可能。其它可用於白光發射LED晶片之黃色磷光體包括：Tb3-xRExO12：Ce(TAG)；RE=Y,Gd,La,Lu；或Sr2-x-yBaxCaySiO4：Eu。
不同的LED晶片亦可包括紅光、綠光及藍光發射LED，其由可允許直接從該主動區域發射期望光之結構及材料所製成。例如，可直接從由像AlInGaP之某些材料所製成的LED中之主動區域發射紅光。在另一情況中，在其它具體例中，該等LED晶片可塗佈有期望的轉換材料(例如，磷光體)，該轉換材料提供期望的發射。例如，紅光發射LED晶片可包括由一磷光體覆蓋之LED晶片，其中該磷光體吸收該LED晶片之光及發射紅光。該等LED晶片可發射藍光或UV光及一些適用於這些結構之磷光體可包括：Lu2O3：Eu3+；(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4；Sr2-xEuxCeO4；SrTiO3：Pr3+,Ga3+；CaAlSiN3：EU2+；以及Sr2Si5N8：Eu2+。
如以上所述，該等紅光、綠光及藍光LED晶片可使用於個別LED封裝體中及使用於LED顯示器像素中。在另一情況中，該等LED晶片可在具有多個紅光、綠光及藍光LED晶片之封裝體中。這些LED封裝體具體例之部分可具有所有該等紅光、綠光及藍光LED晶片，它們之每一者具有它自己的強度控制，以允許該封裝體發射紅光、綠光及藍光之許多不同顏色組合。
塗佈有磷光體之LED晶片可使用許多不同方法來塗佈，其中一合適方法被描述於美國專利申請案序號第11/656,759及11/899,790號中，該兩個專利申請案之發明名稱為“Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Method”，以及在此以提及方式併入該兩個專利申請案。在另一情況中，可使用其它像電泳沉積(EPD)之方法來塗佈該等LED，其中一合適EPD方法被描述於發明名稱為“Close Loop Electrophoretic Deposition of Semiconductor Devices”之美國專利申請案第11/473,089號，在此亦以提及方式併入該美國專利申請案。了解到，依據本發明之LED封裝體亦可具有多個不同顏色之LED，它們之一或多個LED可以發射白光。
在所示之具體例中，該反射杯54係橢圓形。亦即，當從上方觀看該反射杯54時，它具有一比第二軸線62(亦即，它的垂直軸線)長之第一或縱軸線60。如以下所述，依據本發明之反射杯可具有許多不同大小及尺寸。在所示之具體例中，該LED晶片56係矩形，以及沒有安裝成與該反射杯54之第一(縱)軸線60對準，但是取而代之，安裝成與該反射杯之第二軸線62對準。在此配置中，該LED晶片56之較長側64與該反射杯54之較短側66對準，以及較短LED側68與該反射杯54之較長側70對準。
如上所論述，此對準可提供某些期望LED封裝體發射特性，以及如上所論述可放寬該等LED封裝體組件之匹配需求。相較下，依據本發明之LED封裝體對於會造成傳統LED封裝體之FFP有非常大負面影響的製造變動會更有容許度。這樣的製造變動可包括該反射杯及LED晶片之形狀、該LED晶片在該反射杯中之設置或該等焊線之設置及該封裝材料之變動。
相較於以水平定向LED晶片之LED封裝體，如所示在該反射杯54中旋轉該LED晶片56亦可提供改良遠場圖形發射特性。圖5及6顯示一如上面圖2所示之不具有透鏡及具有傳統定向LED晶片的LED封裝體之發射強度特性的範例。圖5顯示在約70度水平輻射角處具有50%發射強度82的水平遠場圖形(FFP)80。圖6顯示在約58度垂直輻射圖形處具有50%發射強度86的垂直FFP 84。相較下，圖7及8顯示一如圖4所示之具有垂直定向LED晶片且在相同於提供圖5及6所示之發射特性的LED封裝體之反射杯中的LED封裝體之發射強度特性的範例。圖7顯示在約76度水平輻射角處具有50%發射強度90的水平FFP 88。圖8顯示在約65度垂直發射強度處具有50%發射強度94的垂直FFP 92。
如所述，藉由比較圖5及6與圖7及8，該具有垂直定向LED晶片之封裝體具有較寬視角及在水平及垂直輻射角皆有50%強度。該發射圖形亦包括較少非均勻性及在整個不同發射角度具有輻射強度之平順下降(drop-off)。該等差異歸因於不同因素，諸如該LED晶片在水平方向上發射較大積分強度之較長發射表面。於垂直發射強度之增加亦可歸因於一些因素，諸如該LED晶片之邊緣在垂直方向上較靠近該反射杯。注意到，在旋轉或垂直LED晶片配置之FFP發射間具有其它差異。一可能差異是：垂直晶片LED封裝體之尖峰發射強度可能會較窄，但是輻射強度在小於某一角度時下降(在較大角度時較緩慢下降)。
圖9及10顯示一在錫焊及封裝後如圖2所示之具有傳統定向LED晶片之傳統LED封裝體的發射強度特性之範例。圖9顯示在約94度水平輻射角處具有50%發射強度102的水平FFP 100。圖10顯示在約44度水平輻射圖形處具有50%發射強度106的垂直FFP 104。這些FFP相似於LED發射不同顏色之光，該等FFP 100及104係用於一以綠光發射LED晶片之LED封裝體。對於以一在相似反射杯配置中之藍光發射LED晶片的LED封裝體，FFP及50%輻射發射強度在約95度水平及43度垂直處幾乎是相同的。
相較下，圖11及12顯示如圖4所示之具有垂直定向LED晶片的依據本發明之LED封裝體的發射強度特性之範例。該LED晶片係配置在相同或相似於提供圖9及10所示之發射特性的LED封裝體之反射杯中。圖11顯示在約101度水平輻射角處具有50%發射強度110的水平FFP 108。圖12顯示在約48度垂直發射強度處具有50%發射強度114的垂直FFP 112。所顯示之發射圖形係用於具有綠光發射LED晶片之LED封裝體。具有發射其它顏色光之LED晶片的LED封裝體將會有相似發射圖形。對於具有藍光發射LED晶片之LED封裝體，FFP及50%輻射發射強度在約102度水平及48度垂直處幾乎是相同的。
藉由在不同反射杯中配置不同LED晶片，可達成較寬50%視角發射圖形。在具有紅光、綠光及藍光發射LED晶片之LED封裝體的一些具體例中，該50%水平發射強度角度可以達到120度，而該50%垂直發射強度角度可以達到70度。在具有綠光及藍光LED晶片之封裝體的一具體例中，該50%水平強度角度係115度，以及該50%垂直強度角度係係65度。在具有紅光LED晶片之封裝體的一具體例中，該50%水平強度角度係108度，以及該50%垂直強度角度係係58度。在上面所示之不同具體例中，相較於具有水平定向LED晶片之傳統LED封裝體，發射強度角度之增加可在0至5%範圍內。在其它具體例中，該增加可在0至10%範圍內，而在另外的具體例中，該增加可在0至15%範圍內。
本發明可應用至具有許多不同形狀及大小之封裝體及LED晶片。圖13至15顯示一可使用於依據本發明之LED封裝體的橢圓形反射杯120之一具體例。反射杯120具有約1.26mm×1.01mm之長寬。該反射杯120具有一長度約0.9mm長及0.65寬之底部122以及一約0.15mm高及約100度開口之斜向反射表面124。圖16至18顯示一具有相似於反射杯120之形狀的反射杯130之另一具體例。反射杯130具有一與反射杯120之底部122的相同大小之底部132。然而，斜向表面134具有約0.25mm高及約80度開口。此導致一1.32mm長及1.07mm寬之封裝體。這些只是可使用於依據本發明之LED封裝體中的許多不同形狀及大小的反射杯之兩個範例。
該等LED封裝體可具有不同形狀及大小之LED晶片，其中該等矩形LED晶片之長度大於其寬度。在一些具體例中，長度可達到1000μm及寬度可達到500μm。在還有其它具體例中，長度可達到500μm及寬度可達到300μm。在一具體例中，該LED晶片可具有約480μm長及約260μm寬。
依據本發明之LED封裝體可用以形成LED顯示器，其中該等LED顯示器具有一改良遠場圖形。具有改良發射特性與該等LED封裝體之可重複製造性的依據本發明的多個LED之累加效果導致LED顯示器呈現相同改良發射。
LED顯示器依據本發明可設有許多不同數目之LED模組或像素。在一些具體例中，該等LED顯示器可具有1至100,000個模組或像素。在其它具體例中，該等LED顯示器可具有介於100,000至200,000個模組或像素，而在另外的具體例中，該等LED顯示器可具有介於200,000至300,000個模組或像素。在還有其它具體例中，該等LED顯示器可具有300,000個以上之像素或模組。該等像素或模組係配置成一矩形網格(grid)。例如，一網格可以是640個模組/像素寬及480個模組/像素高，其中螢幕之末端尺寸係依該等模組/像素之實際尺寸而定。依據本發明之顯示器可以有許多不同形狀及尺寸，其中許多顯示器大至60英尺高及60英尺寬之程度。
圖19顯示一使用依據本發明之LED封裝體的LED顯示器之一具體例的水平FFP之發射強度曲線140。該等螢幕在高達120度水平視角之整個範圍大致呈現平坦發射強度特性。此在較大範圍之角度提供該LED顯示器之觀看的改良，其中在法線之任一側上，LED影像在正常0°視角上具有相同於在高達60°之任何視角的強度。於是，相較於傳統LED顯示器，該影像在較大範圍之角度保持它的品質。
圖20顯示一使用依據本發明之LED封裝體的LED顯示器之一具體例的垂直遠場圖形之螢幕曲線150。相較於上述且在不具有增加之垂直發射角度的顯示器中所使用之LED封裝體，該垂直圖形更是依照藍伯特(Lambertian)圖形。了解到，在其它具體例中，可配置該等LED封裝體之部分或全部，以具有較高垂直視角，其中該垂直螢幕曲線呈現相似於圖19所示之平坦部分。
使用依據本發明之LED封裝體的本發明之LED顯示器亦可呈現在一垂直視角範圍內匹配之改良發射強度曲線。要在這些不同視角提供更一致的影像品質，依據本發明之LED顯示器在這些角度提供該等紅光、綠光及藍光LED之匹配螢幕曲線及遠場圖形。雖然當視角增加時，光強度可能較低，但是以具有相同發射曲線之發射器來維持圖像之色彩品質。
依據本發明之顯示器亦可包括不同組合之LED封裝體。亦即，在不同顯示器中之LED封裝體不需要皆具有要增加發射角度之相同特徵。依據本發明之LED封裝體亦可使用於LED顯示器以外的許多不同發光應用中，以及特別是使用需要增加之發射角度的小尺寸高輸出光源之那些應用。這些應用之部分包括但不侷限於街燈、建築燈、家庭及辦公室照明、顯示器照明及背光源。
除了上述發射角度的增加之外，本發明亦可用以補償某些不良發射特性。該LED封裝體之特徵(諸如接合墊非對稱性、焊線尺寸及位置、電流分散指狀物幾何等等)會造成FFP非均勻性或非對稱性。一LED晶片亦可發射一非對稱性FFP。這些FFP非均勻性及非對稱性會是最小的及可能是終端使用者可接受的。在這些是不可接受之情況中，在一反射杯中之LED晶片的旋轉亦可允許控制將瑕疵放置在FFP中之一最可接受位置上。終端使用者可能要將遠場中之瑕疵放置在模組或固定裝置中之某一位置，以使它們多少有些明顯。在傳統LED封裝體中，為了達成該等遠場非對稱性之適當位置，該等封裝體可包括特殊光學系統(optics)、特殊焊料板(solder boards)或以一旋轉定向來安裝該封裝體。依據本發明之LED封裝體亦可藉由旋轉在該反射杯或封裝體中之LED晶片來達成該等遠場非對稱性之選擇性位置。
如以上所述，亦可在具有除了橢圓形之外的不同形狀之反射杯中旋轉該矩形LED晶片。該等LED晶片可採用矩形以外之許多不同形狀，以及可將這些不同形狀LED安裝在具有許多不同形狀之反射杯中。在所有這些中，旋轉將導致在不同位置之FFP非對稱性。
圖21顯示依據本發明之一LED封裝體200的另一具體例，該LED封裝體200係一相似於圖4所示之具體例的2-接腳型封裝體。它包括一安裝至一反射杯204之底部的LED晶片202，其中焊線206a、206b連接於該等封裝體接腳與該LED晶片間，用以施加一電信號至該LED晶片。然而，在此具體例中，該LED晶片202係方形及該反射杯204係圓形。該反射杯204包括一通常與封裝體接腳對準之第一軸線210及一與該第一軸線210正交之第二軸線212。該LED晶片202係安裝在該反射杯204中而沒有與該第一及第二軸線210、212對準。亦即，該LED晶片202之側面邊緣沒有與該第一或第二軸線210、212對準。取而代之，該LED晶片202相對於該兩個軸線210、212旋轉一個角度。相較於一具有與軸線對準之LED晶片的封裝體，藉由使該LED晶片202在該反射杯204中斜向或旋轉，FFP非對稱性可在FFP中之一不同位置上。
了解到，可以在0至90度範圍內之許多不同角度來旋轉該LED晶片202。在所示具體例中，以相對於該軸線210、212之約45度角度來旋轉該LED晶片202。
圖22及23顯示依據本發明之一表面安裝LED封裝體220的另一具體例，其包括一基板222、一安裝至該基板222之反射杯224及一在該反射杯224內安裝至該基板222之方形LED晶片226(圖23所示)。如以上所述，該LED晶片226可以是除了方形之外的不同形狀。該LED封裝體220進一步包括一在該反射杯224上方之透鏡227。該LED封裝體220係配置成相似於可在XLamp XR-E及XLamp XR-C型號指標下從Cree,Inc.,in Durham,North Carolina購得之LED封裝體。該LED封裝體220具有一行經封裝體接點232a、232b間之第一軸線231及一與該第一軸線231正交之第二軸線234。不像市場上可購得之相似LED封裝體，使該LED晶片226在該反射杯中斜向或旋轉，以致於它的邊緣沒有與該第一或第二軸線231、234對準。如以上所述，這樣做可改變該等FFP非對稱性之位置。像該LED封裝體200，該LED晶片226可在0至90度範圍內以相對於該軸線231、234有許多不同角度方式來配置。在所示具體例中，該LED晶片可以它的邊緣相對於該軸線231、234有45度角方式來配置。
圖24及25顯示依據本發明之一LED封裝體240的另一具體例，其包括一基板242且有一LED晶片244安裝至該基板242。可在該LED晶片244上方以半球形方式在該基板242上模製一透鏡246。該LED封裝體240係配置成相似於可在XLamp XP-E及XLamp XP-G型號指標下從Cree,Inc.,in Durham,North Carolina購得之LED封裝體。該LED封裝體240包括一行經封裝體接點250a、250b間之第一軸線248及一與該第一軸線248正交之第二軸線252。像上述封裝體，使該LED晶片以它的邊緣不與該第一及第二軸線248、252對準方式斜向或旋轉。範圍或旋轉可以是0至90度，其中所示之具體例使一LED晶片旋轉約45度。
上述LED封裝體具體例具有單一安裝在反射杯中或安裝至一基板之LED晶片。了解到，其它LED封裝體具體例可具有1個以上之安裝在一反射杯中或在一基板上之LED晶片。可使這些具體例中之多個LED晶片的全部或部分旋轉，以及在另外的具體例中，每一LED晶片可具有相同旋轉角度或一些LED晶片可具有不同旋轉角度。每一LED晶片之特定角度可以一些因素來規定，其中一個因素係該特定晶片之特定FFP非對稱性及該FFP圖形非對稱性之期望位置。
圖26及27顯示依據本發明之一多晶片LED封裝體260的一具體側，其包括一基板262及一安裝至該基板262之4-晶片LED陣列264(圖27所示)。在該LED陣列264上方將一透鏡266安裝在該基板262上。該LED封裝體260係配置成相似於可在XLamp MC-E型號指標下從Cree,Inc.,in Durham,North Carolina購得之LED封裝體。該LED封裝體260包括一行經在該基板262之一側上的第一接點270a與在相對側上的第二接點270b間之第一軸線268。該封裝體260亦包括一與該第一軸線268正交之第二軸線272。在此具體例中，該LED陣列264包括以方形陣列配置之方形LED晶片，但是了解到，該等LED晶片可具有許多不同形狀及該陣列亦可具有許多不同形狀。使該LED陣列264在該基板262上斜向或旋轉，以便該陣列之邊緣沒有與任一軸線268、270對準。像上述旋轉LED晶片，可使該LED陣列264在0-90度範圍內以相對於該軸線之任何角度旋轉，其中所顯示之陣列相對於該軸線具有約45度之角度。
雖然已詳細描述關於某些較佳配置之本發明，但是其它版本係可能的。因此，本發明之精神及範圍不應該侷限於上述版本。
10．．．典型2-接腳LED封裝體/組件
12．．．LED晶片
13．．．反射杯
14．．．透明保護樹脂
11．．．焊線
15A．．．導線
15B．．．導線
16．．．封裝材料
20．．．傳統LED封裝體
22．．．LED晶片
24．．．反射杯
26a．．．焊線
26b．．．焊線
28．．．封裝材料
30．．．傳統LED顯示器
32．．．觀看者
34．．．視線
36．．．垂直發射方向
38．．．發射器(LED封裝體)
50．．．LED封裝體
54．．．反射杯
56．．．LED晶片
58a．．．焊線
58b．．．焊線
60．．．第一或縱軸線
62．．．第二軸線
64．．．LED晶片56之較長側
66．．．反射杯54之較短側
68．．．較短LED側
70．．．反射杯54之較長側
80．．．水平遠場圖形(FFP)
82．．．50%發射強度
84．．．垂直FFP
86．．．50%發射強度
88．．．水平FFP
90．．．50%發射強度
92．．．垂直FFP
94．．．50%發射強度
100．．．水平FFP
102．．．50%發射強度
104．．．垂直FFP
106．．．50%發射強度
108．．．水平FFP
110．．．50%發射強度
112．．．垂直FFP
114．．．50%發射強度
120．．．橢圓形反射杯
122．．．底部
124．．．斜向反射表面
130．．．反射杯
132．．．底部
134．．．斜向表面
140．．．發射強度曲線
150．．．螢幕曲線
200．．．LED封裝體
202．．．LED晶片
204．．．反射杯
206a．．．焊線
206b．．．焊線
210．．．第一軸線
212．．．第二軸線
220．．．表面安裝LED封裝體
222．．．基板
224．．．反射杯
226．．．方形LED晶片
227．．．透鏡
231．．．第一軸線
232a．．．封裝體接點
232b．．．封裝體接點
234．．．第二軸線
240．．．LED封裝體
242．．．基板
244．．．LED晶片
246．．．透鏡
248．．．第一軸線
250a．．．封裝體接點
250b．．．封裝體接點
252．．．第二軸線
260．．．多晶片LED封裝體
262．．．基板
264．．．4-晶片LED陣列
266．．．透鏡
268．．．第一軸線
270a．．．第一接點
270b．．．第二接點
272．．．第二軸線
θ．．．角度
圖1係一傳統發光二極體封裝體之側視圖；
圖2係一傳統發光二極體封裝體之上視圖；
圖3係顯示一LED顯示器及一典型視角之示意圖；
圖4係依據本發明之一LED封裝體的一具體例之上視圖；
圖5係顯示一傳統LED封裝體之水平遠場圖形(FFP)的曲線圖；
圖6係顯示一傳統LED封裝體之垂直FFP的曲線圖；
圖7係顯示依據本發明之一LED封裝體的一實施例之水平FFP的曲線圖；
圖8係顯示依據本發明之一LED封裝體的一實施例之垂直FFP的曲線圖；
圖9係顯示一傳統LED封裝體之水平遠場圖形(FFP)的曲線圖；
圖10係顯示一傳統LED封裝體之垂直FFP的曲線圖；
圖11係顯示依據本發明之一LED封裝體的一具體例之水平FFP的曲線圖；
圖12係顯示依據本發明之一LED封裝體的一具體例之垂直FFP的曲線圖；
圖13係一可使用於依據本發明之LED封裝體中的反射杯之側視圖；
圖14係圖13所示之反射杯的上視圖；
圖15係圖13所示之反射杯的側視圖；
圖16係使用於依據本發明之LED封裝體中的另一反射杯之側視圖；
圖17係圖16所示之反射杯的上視圖；
圖18係圖16所示之反射杯的側視圖；
圖19係顯示依據本發明之一LED顯示器的FFP之曲線圖；
圖20係顯示依據本發明之一LED顯示器的FFP之曲線圖；
圖21係依據本發明之一LED封裝體的另一具體例之上視圖；
圖22係依據本發明之一LED封裝體的另一具體例之立體圖；
圖23係圖22所示之LED封裝體的上視圖；
圖24係依據本發明之一LED封裝體的另一具體例之立體圖；
圖25係圖24中之LED封裝體的上視圖；
圖26係依據本發明之一LED封裝體的又另一具體例之立體圖；以及
圖27係圖26中之LED封裝體的上視圖。
28．．．封裝材料
50．．．LED封裝體
54．．．反射杯
56．．．LED晶片
58a．．．焊線
58b．．．焊線
60．．．第一或縱軸線
62．．．第二軸線
64．．．LED晶片56之較長側
66．．．反射杯54之較短側
68．．．較短LED側
70．．．反射杯54之較長側

Claims (14)

  1. 一種發光二極體(LED)封裝體，包括：一反射杯及一安裝在該反射杯中之LED晶片，其中該反射杯具有一第一軸線及一與該第一軸線正交之第二軸線，其中該第一軸線比該第二軸線長，其中使該LED晶片在該反射杯中旋轉，以致於該LED晶片沒有與該第一軸線對準；及其中該LED晶片具有一晶片長軸線，該晶片長軸線垂直於該第一軸線。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片沒有與該第二軸線對準。
  3. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片具有邊緣，其中該等邊緣沒有與該第一及第二軸線對準。
  4. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片與該第二軸線對準。
  5. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該反射杯係橢圓形或圓形。
  6. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片係矩形。
  7. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片以一在0至90度間之角度沒有與該第一軸線對準。
  8. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，其中，該LED晶片係一LED晶片陣列之一部分。
  9. 如申請專利範圍第1項之LED封裝體，發射一具有比另一LED封裝體寬之50%發射強度角度的遠場圖形，其中該LED晶片與該第一軸線對準。
  10. 一種發光二極體(LED)封裝體，包括：一基板及一安裝在該基板上之LED晶片，其中該基板具有一第一縱軸線，以及其中該LED晶片安裝在該基板上，以致於該LED晶片沒有與該第一軸線對準；其中該LED晶片為一LED晶片陣列之部分；及其中該LED封裝體發射一具有比當該LED晶片與該第一軸線對準時寬之50%發射強度角度的遠場圖形。
  11. 如申請專利範圍第10項之LED封裝體，其中，該第一軸線行經該基板之接點間。
  12. 如申請專利範圍第10項之LED封裝體，進一步包括一與該第一軸線正交之第二軸線，其中該LED晶片沒有與該第二軸線對準。
  13. 一種發光二極體(LED)封裝體，包括：一矩形LED晶片，其具有一晶片縱軸線；以及一橢圓形反射杯，其具有一杯縱軸線，該LED晶片以使該晶片縱軸線垂直該杯縱軸線之方式安裝在該反射杯中。
  14. 一種發光二極體(LED)顯示器，包括： 複數個LED封裝體，該等LED封裝體之至少部分具有一安裝在一非圓形反射杯中之LED晶片，該封裝體具有一與一第二軸線正交之第一軸線，該LED晶片係安裝成不與該第一軸線對準；其中該LED晶片為一LED晶片陣列之部分；及其中每一LED封裝體發射一具有比當該LED晶片與該第一軸線對準時寬之50%發射強度角度的遠場圖形。
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