专利名称：：浸入式led的制作方法
技术领域：
：本发明涉及并入到类玻璃材料中的发光二极管.
背景技术：
：并入在玻璃中的发光二极管(LED)目前用于构建光辐射元件。在这些元件中，二维发光二极管阵列被夹在两个由聚合体层压而成的玻璃板之间，一般采用的聚合体为PVB(乙烯丁缩醛聚化物).LED安装在一个具有为其提供电流的导体图案的玻璃板上。上述结构的好处在于具有很好的耐久性，从而使其应用范围更加广泛。对于完全浸入类玻璃介质的LED,存在的问题是在玻璃表面和周围空气之间的分界面产生全内反射(TIR)。其结果是，以大于临界角入射的光线将全部被玻璃/空气分界面反射。然而，全反射光将被玻璃/PVB/玻璃系统吸收(经多次内反射)。如果LED被隔离在大玻璃堆叠体中，那么所有全反射光最终将被吸收。然而，当LED达到相对较高的密度时(比如〉0,5cm—2),全反射光会在相邻封装处发生散射，导致无法预测的光耦合输出。当LED系统(如上所述)用于照明时，由于发光效率较低并且闪耀不受约束，其性能表现是不能接受的；也就是说，我们无法阻止LED阵列系统在不希望的方向上发出光。
发明内容本发明目的在于通过提供一种符合权利要求1的LED阵列系统来消除上述问题，该阵列系统包括至少一个LED,其以LED封装形式设置于具有向所述LED封装提供驱动电压的装置的衬底之上，其中所述至少一个LED封装被浸入支撑层。所述LED阵列系统的特征在于LED封装还包括反射器，所述反射器具有用于准直LED所发出的光的反射面。采用反射准直器使得通过降低全内反射(TIR)来增加发光效率成为可能，该全内反射发生在从浸入在折射率大于1的支撑层中的LED发出的光经过所述层和周围介质(通常为空气)之间的界面的时候，这4个反射器同样使得降低闪耀成为可能，也就是将LED阵列系统发出的光保持在对于定向照明目的优选的优选方向附近的角度范围内。LED阵列系统优选地设有顶层，所述顶层被设置为将支撑层夹在顶层与衬底之间。顶层将起到保护LED阵列系统免遭破坏从而延长其使用寿命的作用。所产生的透明发光体具有吸引人的视觉效果，并且所发明的设备使光发射元件集成在透明表面中成为可能。在优选实施例中，衬底和顶层由玻璃制成，支撑层由具有相同折射率的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)制成。所述玻璃和PVB的组合公知为层压玻璃。所述准直器的反射面优选地具有与支撑层法线垂直的橫截面，其随着与LED之间的距离的增加而增加，并且根据一个实施例，反射面包括从LED延伸出的截顶圆锥体。截顶圆锥体并非理想的准直器，但其简单的外形使其相对容易制造，并因此生产成本低廉。为提高发光效率，反射面可包括复合抛物面聚光器(CPC).由于CPC可采用数学方法进行描述，因此使利用光线追踪技术来更精确的考虑斜射光成为可能，采用这种方法，CPC的形状可以通过光线追踪技术进行优化，以满足从LED阵列系统发射的光的期望特性.透明盖可被特别设置为平行于支撑层，位于反射器顶部，由LED、反射面和透明盖限定的空间用气体介质填充。这种设置使预制LED封装相对简单，同时在存放时没有损坏反射面等的风险。依照一个实施例，反射面优选地包括金属反射材料和干涉涂层，反射器可由固体金属或其他材料构成，如陶瓷，所述材料由金属材料涂覆金属涂覆是提高表面反射系数的直接办法，反射面和干涉涂层能进一步提高反射系数.例如在铝的情况下，由金属材料构成的反射器非常坚固并且易于使用，在其它的例如使用银的情况下，反射面需要用例如上述透明盖来密封。在一个实施例中，靠近并放射状分布在反射面外的第一空间由介质填充，所述介质的反射率低于放射状分布在反射面内的第二空间的反射率，因此LED发出的光在所述反射面进行全反射，具有不同折射率的介质之间的界面内的全反射可使系统发光效率达到最大值，这种设置通常具有一个高宽比(高度除以宽度，所述宽度与衬底法线方向相关)，所述高宽比略大于前迷反射面具有涂层的实施例的高宽比。因此在此背景下使用全反射适合于发光效率非常重要同时能够接受略微厚的LED阵列系统的应用.所产生的LED阵列系统将整体上具有比所述反射面包括金属的情况更高的透明度.取决于应用，高透明度的特性不仅技术先进，并且提供美学价值。当第一空间包括折射率为1的气体并且笫二空间包括折射率与支撑层相同(即大于l)的透明材料，可以得到全反射.后一特性降低了折射面数量，降低了系统复杂度，同时提高了系统透明性，虽然很明显全内反射将在某些观察角度产生.利用本发明的系统可以避免全内反射、并因此提高发光效率，以及将在期望指向的锥形之外的闪耀控制在可接受程度上，至少低于500cd/m2.另一方面，本发明的LBD阵列系统的生产基本包括以下步骤-将LED封装设置在具有为LED封装提供驱动电压的装置的衬底板上，-在LED封装上使用聚合体支撑层，-加压时加热堆叠体，并由此将整个准直器浸入到聚合体介质中，上述方法也可包括用聚合体预填充准直器的步骤，以便改进处理过程。图l是已知照明系统的截面示意图，图2是根据本发明第一个实施例的截面示意图。图3是根据本发明第二个实施例的截面示意图。图4是根据本发明第三个实施例的截面示意图.图5是根据本发明笫四个实施例的截面示意图。具体实施例方式图l示意性地示出了系统2的一部分，其中朗伯型LED4设置在玻璃板衬底6上，为LED4提供电流的透明导体8位于衬底6上.LED4夹在村底6和玻璃顶板10之间，并浸入在聚合体12中，所述聚合体12—般为聚乙烯醇缩丁醛(PVB),聚合体12还提供将玻璃板6和10固定在一起的粘合力。PVB的折射率与玻璃相近，在下面描述的计算中，将它设为1.5。夹层系统的近似高度H—般为大约7-8mm。系统一般被空气14包围。箭头A表示LED4发出的光，箭头A'表示经过全内反射的光。上述系统的发光效率n(即从玻璃顶板IO发出的光量除以LED4发出的光总量)较低。当LED浸入在聚合体/玻璃堆叠体中，预期的低发光效率可以用等式l很容易的计算出来。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>垂直于发射平面的LED光强(cd)折射率(1.50)对于折射率n1.50，大约60W的光在朗伯型发射LED的系统内部被吸收。只有在所谓的逃逸锥面(ct〈aJ之内的光构成LED光发射流。当整合在高指标介质中时，大多数LED封装产生宽的(几乎为朗伯型)光束并且损耗大。上述情况中，发射流以2TI的空间角度发射，然而，对于照明目的，闪耀是不能接受的.在此背景下，闪耀对应于发射到优选发射锥体(附图中用2vj/限定)之外的光。一般的规定是在角度\|/>60度时将照明系统的亮度维持在低于500-1000cd/m2,对于典型的从5mn^表面产生10lm光的LED，由等式2算出的整个半球体的亮度是~1Mcd/m2。中rS等式2OLED发射流(lm)S发射面(m2)L亮度(cd/m2)本发明提供一种能相当程度上提高发光效率并且彻底解决闪耀问题的方法。其关键是设计一种具有镜面反射内壁的LED封装，所述LED封装具有特定形状和低高宽比。低高宽比意味着薄的系统，其改善了美学印象，减少所需使用的PVB量，并因此降低了成本。同样，较薄的系统减少PVB的光吸收，防止光吸收过于明显.LED4发出的光应该被准直以优化发光效率和闪耀，本发明提出使用反射元件调整这些参数。本发明LED阵列系统102的第一实施例示于图2中。箭头A仍然指示LED104的出射光。在此实施例中，LED封装IOO被设置在玻璃板衬底106上，透明导体108为LED104提供驱动电流.LED封装100还包括反射侧壁120，所述反射侧壁由LED104延伸出并与LED104成角度辐射状向外分布。侧壁120—般延伸到高度h、宽度w,并相对于夹层法线形成壁角0w。LED封装100浸入在PVB112中，玻璃顶板110设置在PVB层112上。目的是提高发光效率并减少闪耀，并且通过选择合适的高宽比(h/w)和壁角(e，)，所述光以避免全内反射和不发生闪耀的方式被准直，对于二维的情况，参数h/w和e,可以被计算。三维元素(锥形、正方形、六角形)可以随之建立。则使用光线追踪技术可以精确调整光的角度分布.准直元件的楔角e,可以用等式3计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>等式3准直器内反射的最大近似值出射角(弧度)e准直器楔角(弧度)得出准直器的相应高宽比(h/w):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，等式4l+2tan6￡Vd2-tone等式h准直器高(m)w准直器宽(m)d准直器入口尺寸(m)举一个例子，假设W-60度(适当的闪耀防护的需要)，楔角6=13.7度时准直器的高宽比(h/w)是l.18,此时光在120度的锥形中逃逸，同时由于等式6，避免在玻璃108和空气114间的分界面上发生全内反射(TIR)。arcsin啤-RV乂等式6因为TIR被避免并且没有光以大角度(>60度)逃离玻璃108(无闪耀)，所以效率高。在发光效率和光束扩展方面，更有利的反射器外形是CPC。CPC也更加紧凑，从而降低夹层系统的高度.尽管上文只描述了单个LED封装的功能，但应理解LED阵列系统一般包括多个LED封装.本发明的第二个示例性实施例示于图3中。其大体结构部件和第一个实施例的结构部件相似；LED封装200浸入在夹于两块玻璃板206和208之间的PVB层212中。然而，在这个实施例中，LED封装212包括从LED204延伸出来的反射CPC220'透明盖222被设置在CPC220上，这样气体空隙224存在于由LED204、CPC220的壁和所述盖222限定的区域中。CPC220由固态铝或者用金属处理的陶瓷/聚合体组成，并为LED204的出射光提供反射准直。图4示出了根据本发明第三个实施例的发明系统。同样它只有LED封装300与前述实施例不同。在这个实施例中，反射壁包括可被直接安装在LED304顶部的固态CPC结构320(比如PMMA或玻璃或透明陶资)。CPC320基本上是第二个实施例中展示的CPC的倒置，同心状的气体空隙326的内壁限定了利用TIR有效反射LED304的发射光的反射面。根据此实施例的本发明将具有比其他实施例更高的透明度.图5示出了本发明的笫四个实施例.在这个实施例中，通过将LED封装400倒置在玻璃板406(所述玻璃板406上设置有透明导体408)上，第二实施例中的透明盖222被去除。因此玻璃板406充当LED封装400的衬底，以及透明盖。透明导体408和LED封装之间的电接触由电线428提供。LED封装400采用适当的粘合方式与玻璃板406粘结。这种结构和第二个实施例相比降低了系统厚度。一方面电线428要足够坚硬，以便在LED封装400粘合430到玻璃板406上时，足以与透明导体408相挤压.这样无须粘接/焊接便可保证电接触，尤其在整个系统402压制完成之后。其他方面诸如成本、复杂度和尺寸，需要在选择不同解决方法时被考虑。比如，第三实施例提供最佳发光效率但它也是导致最大高宽比的解决方法，并且在目前，也是和第一个实施例描述的解决方法相比，相对较贵的解决方法。已有设备与第二实施例和第三实施例之间的比较示于表1中。表l:已有解决方案与采用光追踪技术计算的本发明之间的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>[*]铝在空气中的反射率，R=92.1%(550mn)所有实施例的生产方式相似，不同之处与LED封装的构造有关。LED封装IOO、200、300、400设有反射光学元件120、220、320、420，并被安装在具有实用透明传导区域的玻璃板106、206、306、406上。在应用了PVB、112、212、312、412和上层玻璃板108、208、308、408之后，此堆叠体在施加-10bar的压力时，典型地一般要加热到100。C。整个准直器120、220、320、420由此浸入到聚合体介质112、212、312、412中.用聚合体预填充准直器112、3U可以改善处理。虽然本文是从一般情况描述，但在许多特定领域中本发明系统的使用受到重视。这些领域包括发光系统，如日光灯、陈列拒灯，发光天花板瓷砖、汽车灯(如刹车灯)等等。同样，除了玻璃外的其他材料，如具有合适光学特性的各种陶瓷等，可以用在本发明系统中'权利要求1、一种LED阵列系统(102；202；302；402)，包括至少一个LED封装(100；200；300；400)，所述至少一个LED封装包括LED(104；204；304；404)并且被设置于具有为所述LED封装提供驱动电压的装置(108；208；308；408)的衬底(106；206；306；406)之上，其中所述至少一个LED封装被浸入在支撑层(112；212；312；412)中，其特征在于所述至少一个LED封装包括具有对LED(104；204；304；404)的发出光进行准直的反射面(120；220；320；420)的反射器。2、根据权利要求1的LED阵列系统，其中，设置一顶层(110;210;310;410)，从而将所述支撑层(112;212;312;412)夹在所述顶层(110;210;310;410)和衬底(106;206;306;406)之间。3、根据权利要求2的LED阵列系统，其中衬底(106;206;306;406)和顶层(110;210;310;410)由玻璃制成，支撑层(112;212;312;412)由PVB制成。4、根据上述任一权利要求的LED阵列系统，其中所述反射面(120;220;320)具有与支撑层(112;212;312;412)的法线垂直的橫截面，其随着与LED(104;2(M;3(M;4(M)之间的距离的增加而增加。5、根据上述任一权利要求的LED阵列系统，其中所述反射面(120)包括截顶圆锥。6、根据权利要求l-4中任一权利要求的LED阵列系统，其中所述反射面(220;320;420)包括复合抛物面聚光器。7、根据上述任一权利要求的LED阵列系统，其中由LED(204;404)、反射面(220;420)和基本平行于支撑层(112;212;312;412)设置的透明盖(222;406)限定的空间(224;424),用气体介质填充，8、根据上述任一权利要求的LED阵列系统，其中所述反射面(120;220)包括金属反射材料.9、根据权利要求1-6中任一权利要求的LED阵列系统，其中邻近并放射状分布于反射面外部的第一空间(326)由一介质填充，所迷介质的折射率小于放射状分布于反射面内部的第二空间的折射率，因此LED发出的光在所述反射面经历全反射，10、根据权利要求9的LED阵列系统，其中第一空间(326)包括折射率为1的气体并且第二空间包括一透明材料，其折射率等于其中浸入有LED封装的材料的折射率。11、根据上述任一权利要求的LED阵列系统，被配置为将在期望指向的锥形2V之外的闪耀保持为低于500cd/m2。12、一种照明系统，包括根据上述任一权利要求的LED阵列系统.13、一种生产根据上述任一权利要求的LED阵列系统的方法，包括步骤-将LED封装设置在具有为LED封装提供驱动电压的装置的衬底上，-在LED封装上应用聚合体支撑层，-加压时加热堆叠体并由此将整个准直器浸入到聚合体介质中。14、权利要求13的方法，其中所述准直器由聚合体预填充以便改善处理。全文摘要本发明涉及包括至少一个LED封装(200)的LED阵列系统(202)，所述至少一个LED封装包括LED(204)，并且被设置在具有为LED封装(200)提供驱动电压的装置的衬底(206)上，其中所述至少一个LED封装浸入在盖于衬底(206)之上的支撑层(212)中。为了提高发光效率并减少闪耀，此LED封装还包括具有准直LED(204)出射光的反射面的反射器(220)。本发明也涉及包括LED阵列系统的照明系统以及生产所述LED阵列系统的方法。文档编号H01L33/60GK101432566SQ200780015058公开日2009年5月13日申请日期2007年4月18日优先权日2006年4月25日发明者E·布恩坎普,J·P·雅各布斯,M·A·H·唐纳斯申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司