CN101846245A - 光源和控制发光二极管光引擎光谱的方法 - Google Patents

光源和控制发光二极管光引擎光谱的方法 Download PDF

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Abstract

一种发光二极管(LED)光引擎包括支承LED光引擎的衬底。使用各种工艺在衬底上形成导电迹线，这些工艺包括厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法、化学气相淀积法、电解电镀法、印刷电路板制造或无电镀层工艺。导电迹线包括安装焊盘。各LED安装到每个安装焊盘上，以使各个LED电气地互连。各LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。每个蓝色LED至少部分地覆盖有黄色荧光粉涂层复合物。控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使每个蓝色LED发出蓝和黄光谱的光能。组合从红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光能，以使LED光引擎达到目标相关色温和目标现色指数。

Description

光源和控制发光二极管光引擎光谱的方法
对要求国家优先权的声明
本非临时性专利申请要求对2007年11月5日提交的题为“改进RGB发光二极管光引擎的显色指数的方法(Methods for Improving Color Rendering Indexofan RGB LED Light Engine)”的临时专利申请No.60/985,541的优先权，并依照35U.S.C.§120要求对上述申请的优先权。
技术领域
本发明总的涉及一种光发射器件，具体来说，涉及一种具有改进的显色指数的发光二极管(LED)光引擎。
背景技术
发光二极管(LED)已经在需要能耗相对低的指示器灯、数字读出器等应用中使用了几十年。然而，近年来，有些LED的亮度和功率有了很大提高，导致有1瓦和5瓦的器件可供使用。
尽管LED很小，但与传统发光产品相比，LED显现出很高的功效和很长的预期寿命。典型白炽灯泡的功效是每瓦10至12流明，寿命约为1,000至2,000小时；普通荧光灯的功效是每瓦40至80流明，寿命为10,000至20,000小时；典型卤素灯泡的功效是每瓦20流明，寿命为2,000至3,000小时。相比之下，红橙色的LED可发射每瓦55流明，预期寿命约为100,000小时。
在制造LED光引擎时，重要的是，器件输出的光能要具有合适的显色指数(Color Rendering Index，CRI)。光源的CRI提供的是当用该光源照明时特定颜色看上去是如何的客观量度。遗憾的是，因为CRI只是通过评价少数几种颜色是被如何照亮来加以确定的，该度量标准通常并非是评价所感受到的光质量的好量度。事实上，全世界许多照明工程协会以及美国能源部都认识到，为了正确测量LED光源的显色指数，应该开发新的CRI度量标准。然而，在开发出这种新度量标准之前，目前的CRI度量标准仍然是测量光源显色指数的标准。因此，在大多数商业环境中，为了更具有商业竞争力，特定的光源有必要具有高的显色指数。
采用LED，难以制造出具有在商业上有吸引力的CRI的光引擎。例如，在具有红色、绿色和蓝色(RGB)混合LED光引擎的光源中，很难产生高的CRI的光。因此，即使LED光引擎可发出吸引人的光特性，但它的CRI却是低，该低的CRI不能表示出RGB LED光引擎的真实的显色能力或真实的视觉功效。RGB混合白光引擎的CRI之所以低的原因，是缺乏波长为560nm至580nm的黄光谱。遗憾的是，在发出近黄光谱的光区段，泛用的半导体复合物AlGaInP和InGaN都不是具有很高的电光转换效率。尽管可将琥珀色589nm的LED添加到RGB光引擎中来提高近黄光谱的光引擎的CRI，但琥珀色LED的低效率会减小LED光引擎总的流明输出。对于普通的照明发光器件，因为可能要求LED光引擎例如通过能量星V1.0(Energy Star V 1.0)的要求，该标准规定器件的电光转换效率要超过每瓦35流明，所以上述方案并非是可行的可选方案。
CRI是由400nm至700nm的所有可见光谱带中的14个色标所组成：R1、R2、R3至R14。为了得到高CRI，所有这14个色彩元素都必须得分高。图1所示的白炽白光光谱显示了该出光涵盖了全部的可见光谱带因此CRI接近于100分。参照图1，正如在大部分LED光引擎中所发现的，由于缺乏560nm至580nm光谱，会使CRI的得分受到不利的影响。
发明内容
在一实施例中，本发明是一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：提供支承LED光引擎的衬底，以及使用各种工艺在衬底上形成导电迹线，所述工艺包括厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法(PVD)、化学气相淀积法(CVD)、电解电镀法、印刷电路板制造、或无电镀层工艺。导电迹线包括安装焊盘。该方法包括将LED安装到每个安装焊盘上，以使每个LED电气地互连。LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。该方法包括在每个蓝色LED上布置黄色荧光粉涂层复合物，以至少部分地覆盖每个蓝色LED。控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使每个蓝色LED发出蓝和黄光谱的光能。该方法包括将从红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光能进行组合，以使LED光引擎达到目标相关色温(Correlated Color Temperature，CCT)和目标显色指数(CRI)。
在另一实施例中，本发明是一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：提供支承LED光引擎的衬底，以及在衬底上形成导电迹线。导电迹线包括安装焊盘。该方法包括将LED安装到每个安装焊盘上，以使每个LED电气地互连。LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。该方法包括在至少一个蓝色LED上覆盖黄色荧光粉涂层复合物。控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使该至少一个蓝色LED仅发出黄光谱的光能。该方法包括组合从红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光能，以使LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
在另一实施例中，本发明是一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：提供支承LED光引擎的衬底，以及将LED安装到衬底上。各LED电气地互连。LED包括红色LED和蓝色LED。每个蓝色LED至少部分地覆盖有黄色荧光粉涂层复合物。控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使每个蓝色LED发出蓝和黄光谱的光能。组合从红色LED和蓝色LED发出的光能，以使LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
在另一实施例中，本发明是一种发光二极管(LED)光引擎，其包括支承LED光引擎的衬底，以及安装到衬底上的LED。各LED电气地互连。LED包括红色LED和蓝色LED。至少一个蓝色LED覆盖有黄色荧光粉涂层复合物。控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使至少一个蓝色LED仅发出黄光谱的光能。组合从红色LED和蓝色LED发出的光能，以使LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
附图说明
图1显示一曲线图，示出波长范围在约380nm至760nm的白炽白光灯泡的输出光谱；
图2显示一曲线图，示出波长范围在约380nm至760nm的白色发光二极管(LED)的光引擎的输出光谱，该LED光引擎包括红色、绿色和蓝色LED；
图3显示一曲线图，示出波长范围在约380nm至760nm的白色LED的光引擎的输出光谱，该LED光引擎包括红色、绿色、琥珀色和蓝色LED；
图4显示一曲线图，示出波长范围在约380nm至760nm的白色LED的光引擎的输出光谱，该LED光引擎包括涂敷有黄色荧光粉的蓝色LED；
图5显示一曲线图，示出波长范围在约380nm至760nm的白色LED的光引擎的输出光谱，LED光引擎包括红色、绿色和蓝色LED，而蓝色LED包括荧光粉材料；
图6a和6b示出集成有多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的衬底，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物，各LED连接到带有引线接合的衬底上，各LED串联地电气互连；
图7a和7b示出集成有多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的衬底，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物，各LED具有底部接触焊盘，并以并联和串联结构电气地互连；
图8a和8b示出集成有多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的衬底，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物，各LED具有顶部和底部接触焊盘，并以并联和串联结构电气地互连；
图9a和9b示出一光源，该光源包括具有红色LED、绿色LED和蓝色LED的LED光引擎，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物；以及
图10示出一种制造包括LED光引擎的光源的方法，LED光引擎具有红色LED、绿色LED和涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物的蓝色LED。
具体实施方式
下面说明中将参照附图以一个或多个实施例来描述本发明。在附图中，相同的附图标记标示相同或类似的元件。尽管本发明是以实现其目的的最佳方式来描述的，但本领域的技术人员会理解，本发明应涵盖如可包括在由附后权利要求书及其等效物所定义的本发明精神和范围之内的各种替代方式、修改和等效物，所附权利要求书及其等效物可得到以下描述和附图的支持。
LED光源可为众多的应用及场所可提供明亮的光。LED灯效率高、寿命长、总的成本低且环保。LED照明在许多应用中快速成为人们所选择的光源。
LED光源是倚靠LED光引擎来发出的光能。在一实施例中，LED光源的LED光引擎包括安装在衬底上的多个LED器件或芯片。这些LED器件或芯片电气地互连，电源通过连接到衬底的接线端子对各LED器件或芯片通电。多个互连的LED器件或芯片产生大量的光能。在某些情形中，各个LED器件或芯片产生不同颜色的光，它们最终混合在一起产生LED光源的单个输出颜色。因为LED器件或芯片产生热能，所以，含有LED光引擎的光源通常包括高热导功能的结构，诸如多个热沉的组合，以从LED光引擎中提取热能。灯具可包括用于安装LED光引擎的LED光引擎安装端面。光引擎安装端面与热沉热连通。
在制造LED光引擎时，重要的是要控制光引擎产生光谱的CRI和色温。这两个因素都反映了光源的视觉功效，并可确定器件发出的光线是否悦目。光源的CRI提供了特定颜色在该光源照射下看上去如何的一种客观量度。CRI越高，则颜色的再现就越准确。如果器件具有低的CRI，则该器件照亮下的颜色往往出现变色及变调。例如，具有低的CRI的光源照亮下的黄色会变为琥珀色。器件的色温表明特定光源的色相。根据色温，光源看上去会产生或者“暖色”或者“冷色”。
在许多商业应用中必需提供具有相对高的CRI的光源。高CRI代表光源能够准确地再现颜色。例如，CRI值为100的器件就像一个天然的或理想的光源。高CRI常常对顾客有吸引力，这是由于其该光源提供准确的颜色再现使眼睛愉悦，。在专业应用中，例如，诸如摄影或电影制作，就可能需要高CRI的光源来提供必要的颜色再现质量。传统的白炽灯或卤素灯光源具有相对高的CRI(例如，大于98)，因为它们发射光谱涵盖所有可见光波段。
光源的色温是代表光源色相。色温低的光源产生偏黄色和红色的色相，因此具有“较暖”的感觉。相比之下，色温较高的光源产生偏绿色和蓝色的色相，因此具有“较冷”的感觉。
根据制造方法、器件构造或顾客的要求，不同的LED光引擎可提供不同的CRI或色温。例如当制造白色LED光引擎时，可以不同比例的各种LED光色组合来发出可具有特定CRI和色温的光。因此厂商可依据顾客的要求，制造出具有特定的CRI和色温的光源。
对于白光的应用而言，在LED光引擎中可使用两种方法来近似白光源。首先，可使用RGB混合方法，将多个红色、绿色和蓝色LED组合成单个器件。其次，在不同的方法中，采用蓝色LED覆盖黄色荧光粉法，将包括黄色荧光粉沉积层的多个蓝色LED组合成单个LED光引擎。
RGB白光LED光引擎能有效的发出低于约3000K较暖色温的光能。相比之下，白炽灯的CCT约为2700K(开尔文)，而日光的CCT约为5500K。然而，RGB白光LED光引擎的CRI往往相对较低。在某些情形中，例如，RGB白光LED光引擎的CRI约为15。RGB白光LED光引擎的CRI值之所以相对较低，通常是由于缺乏黄光谱所致(见图2，该图示出RGB白光LED光引擎的输出光谱)。即使将琥珀色的LED器件添加到RGB LED光引擎组合之中，在光引擎中生成的LED器件的RAGB的组合也不能完全地填补输出光谱的黄光范围处的间隙。如图3所示，在黄光谱(约为570nm至590nm)内的表现上，RAGB白光LED光引擎对RGB器件而言仅仅是略有改善而已。于是，示例性RAGB白光LED光引擎的CRI比相当的RGB LED光引擎器件仅提高了约35，所得CRI约为50。低CRI是令人遗憾的，这是因为即使RGB和RAGB LED光引擎的CRI相对低，但这些器件发出的光常常被认为是悦目的。
LED光引擎的蓝色LED加上黄色荧光粉法是能有效的发出CCT范围约从4000K至约7000K的白光。在这些器件中，蓝色LED涂敷有荧光粉材料所集成的光引擎由LED发出的部分光子撞击荧光粉材料并转换成较长的波长的黄光，黄光与蓝光混合后的输出就成了白光。根据荧光粉材料的类型和沉积在各个蓝色LED上的量，可控制LED光引擎的输出色以产生不同色温的白光。然而遗憾的是，蓝色LED覆盖黄色荧光粉LED的光引擎不能有效发出低于约3000K的相对较暖的色温的白光LED。即便如此，由于荧光粉发出的较宽范围的光谱，所以CRI值通常较高。如图4所示，蓝色LED覆盖黄色荧光粉LED光引擎的输出光谱相对宽且稳定。遗憾的是，同样参照图4，这种光引擎的实际视觉功效与其相对高的CRI得分并不对应，这是因为蓝色LED覆盖黄色荧光粉法没有在光谱的绿色部分(500-550nm)和红色部分(610-650nm)提供生动的色感应，导致输出的色谱相对偏冷且不悦目。
尽管包含有红色、绿色和蓝色LED的LED光引擎往往产生视觉上令人愉悦的白光，但它们也往往在CRI指数上得分很差。于是，在需要光源有特定CRI的商业环境中，许多RGB LED光引擎器件没有足够高的CRI来成为有效或有竞争力的商业产品。相比之下，蓝色荧LED覆盖黄光粉光引擎却有相对高的CRI得分。遗憾的是，它们通常发出在视觉上不悦目的冷光谱。如上所述因目前的CRI测试方法并非适用于测量LED的器件，所以即使蓝色LED覆盖黄色荧光粉器件可以得分很高，但产生的光不一定悦目。
所以运用包括红色、绿色和蓝色LED的组合，其中部分蓝色LED涂敷有荧光粉或其它磷光的材料可开发出具较暖CCT及高CRI且视觉功效好的高效LED光引擎。
在本实施例之中，不同颜色的多个LED所组合成单个LED光引擎来产生理想的输出色温(CCT)和CRI。光引擎包括衬底。多个LED安装在衬底上并电气地互连。安装在衬底上的多个LED的组合包括x个红色LED、y个绿色LED和z个蓝色LED，其中，三者的比例x∶y∶z可选择成实现特定CCT的白光。荧光粉材料可涂敷在一个或多个蓝色LED的表面上，例如，通过提高LED光引擎在波长约为560nm至580nm的黄光谱内的的光输出，来修正蓝色LED和整个器件的光输出特性，以控制光引擎的CRI和精调CCT。在各种结构中，要管理好荧光粉材料在每个蓝色LED上沉积的百分比，以控制每个蓝色LED管芯发出的蓝光与转化出的黄光之比。在一特定实施例中，沉积在每个蓝色LED的硅半导体材料内的荧光粉的组成百分比不超过60％。在另一些实施例中，也可以将荧光粉或其它磷光材料来部分地覆盖在蓝色LED管芯片上。
一般来说，LED光引擎可以不同比例以及不同数量的LED颜色来产生的理想CCT和CRI。例如，典型的白炽灯泡的CCT约为2700K的光(例如，暖白光)，而荧光灯泡的CCT约为5000K的光。因此，如果要仿效白炽灯泡的光特性，则需在LED光引擎中装置较多个红色LED以发出2700K的光。又在另外一种情形中，为了实现低于2700K的CCT温暖的感觉，在器件内可不装置绿色LED。在另一实例中，LED光引擎可装置较多个荧光粉浓度较低的蓝色LED来实现5000K的光，以仿效荧光灯的光输出特性。根据系统要求，可将许多具有不同波长的LED管芯装置到LED光引擎内以实现特定的CRI或CCT。例如，红色LED(620nm)、绿色LED(525nm)和涂敷有黄色荧光粉的蓝色LED(465nm)的混合比(关于LED数量)约为10∶10∶2或20∶15∶5，这样的混合比可以使LED光引擎实现约为2800K光的光输出。根据另一实施例，红色LED(620nm)、绿色LED(525nm)和涂敷有黄色荧光粉的蓝色LED(465nm)以比例10∶10∶3或15∶15∶5混合，以产生近似为3900K的光。在又一实施例中，在LED光引擎中采用10∶10∶4或10∶10∶5的比例，以实现近似为5000K的光。可以认识到，所例举的混合比取决于LED管芯本身的光强以及它们的波长。
图5示出LED光引擎的光输出谱，该LED光引擎包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的组合，其中蓝色LED涂敷有荧光粉材料。如图5所示，涂敷有荧光粉材料的蓝色LED和其它红色和绿色LED的组合可产生包括RGB LED光引擎的较暖色温的输出光谱，因为源自于蓝色LED覆盖黄-荧光粉发出的黄光谱的波长约为560nm至580nm之间的黄光谱有了改善。因此，使用蓝色LED和荧光粉材料，通过提高器件在波长约为560nm至580nm的黄光谱(RGB器件不完善的光谱部分)内的光输出，可提高LED光引擎总的CRI。除了提高CRI，LED光引擎的光是视觉上悦目的光。
图6a-6b示出集成了多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的示例LED光引擎10，其中，蓝色LED涂敷有荧光粉材料或磷光的材料。图6a示出LED光引擎10的俯视图，而图6b示出LED光引擎10内一个LED 18的剖视图。如图6a和6b所示，LED光引擎10包括支承多个LED器件的衬底或基板12。衬底12可包括层叠的金属衬底，诸如高导热率的介电层，其上形成有带安装焊盘的印刷电路。一般来说，衬底12包括导热材料。例如，衬底12可包括诸如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)之类的陶瓷材料、金属搪瓷(metal enamel)、诸如FR4的纤维玻璃板、金属铠装的电介质板或金刚石膜材料。其它合适的衬底包括各种混合的陶瓷衬底和搪瓷金属(porcelain enamel metal)衬底。此外，通过在衬底上可选地施加白色遮盖面，并对电路镀银，可提高衬底反光能力。电路也可镀以锡、或镍材料来提高反光性能。可将另外的磷光的或荧光的材料沉积在衬底12表面上或形成在衬底12内，以进一步加强LED光引擎10的光输出，并同时促进均匀的光发散，使得衬底12的各部分发荧光。例如，当LED 18发光时，磷光的或荧光的材料吸收某些从LED18发出的光子，并发射具有特殊波长范围的光波。通过调整发出光的波长，磷光的材料或荧光粉材料可促进光输出和光发散。
采用厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法(PVD)、化学气相淀积法(CVD)、电解电镀法、无电镀层工艺、印刷电路板制造或其它合适的金属沉积工艺，使导电迹线14形成在衬底12表面上或衬底层内。迹线14提供电气连通和各排LED 18的互连。导电迹线14也可包括对LED 18形成电气互连的安装焊盘。导电迹线14用导电材料制成，例如，铝、铜、锡、镍、金或银。
使用合适的表面安装技术将LED半导体器件或管芯18安装在衬底12表面上。根据应用情况，LED 18可安装在衬底12的前和/或背表面上。LED 18可使用管芯附连粘结剂或其它管芯安装材料安装到衬底12上。为了在LED 18之间建立起电气互连，在LED 18的接触焊盘与导电迹线14之间形成引线接合24。参照图6b，LED 18的接触焊盘形成在LED 18的顶表面上。在替代的实施例中，其它的表面安装技术包括使用焊球连接或导电的环氧树脂连接进行倒装式的安装，采用这些技术来安装LED 18并将其电气地连接到导电迹线14。
在LED光引擎10的蓝色LED 18表面上涂敷荧光粉材料20(示于图6b上)。荧光粉材料20可包括钇铝石榴石(YAG)基复合物、硅酸盐基复合物、氮化物基复合物或铽铝石榴石(TAG)基复合物、铝酸盐基复合物以及SiAlON型的荧光粉材料。或者，蓝色LED可涂以碱土金属正硅酸盐、其它荧光粉族材料或无机或有机的荧光粉材料。在另一替代实施例中，材料包括二价-铕-活化的碱土金属硅酸盐。荧光粉材料通常呈粉末形式。粉末可混合到透明媒介物内以形成复合物形式，然后进行敷加而全部地或部分地覆盖LED管芯。透明媒介物可以是硅树脂、环氧树脂或其它材料。敷加透明媒介物的方法包括喷嘴分配、丝网印刷、带转印、注塑或喷溅。当光能从LED发出时，它穿过涂层和荧光粉材料，并在那里发生转换。
图6a还示出LED光引擎10的各LED的电气互连性。多个LED半导体器件18被表面安装到衬底12上。跨越端子16施加DC电压。DC电压流过金属导体或迹线14以对LED器件18供应工作电势。LED器件18可以不同的连接法，如引线接合、导电粘结剂连接或钎焊连接互连。LED器件18可连接成电气并联结构或电气串联结构，或两者的组合结构。为图示目的，图6a示出64个电气串联的LED结构。此外，LED器件18可定位成直线图形、圆形或曲线形图形、随机或不确定的图形、或它们的任何组合。LED器件可在多个区域内摆开，每个区域可具有不同的器件图形和数量。
包括在器件内的LED器件18的数量可根据不同的设计考量或设计因素来决定，例如，电源类型、每个LED的正向电压(Vf)或额定功率、以及要求的颜色组合。例如，各LED 18可串联或并联连接，以使LED器件的总的组合的Vf与电气输入匹配。通过使LED的组合正向电压与输入源电压匹配，可简化光引擎的电源，这样，不需使用大体积的、复杂的升压变压器或降压变压器或者都具有一定程度转换损失的切换电源与系统相连接。例如，各LED可以互连，以使LED网络的正向电压与诸如120VAC、220VAC或227VAC电源的整流的AC电源的电压匹配。然而，在某些情形中，可提供恒定电流的切换电源以作为电源。恒定电流源即可提高器件的完整性防止恶性循环发热的可能性，使用恒定电压的电源常会发生恶性循环发热的状况。
不同的透镜22或半透明的保护结构设置在各LED 18上。透镜22可包括清澈的、磨砂或半透明玻璃或塑料材料，并可具有球形、穹顶形或其它几何形结构。
图7a和7b示出一集成多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的衬底，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物。LED具有底部接触焊盘并且以并联和串联结构电气地互连。图7a示出LED光引擎30的一部分的俯视图，而图7b示出LED光引擎30内一个LED38的剖视图。
如图7a和7b所示，LED光引擎30包括支承多个LED器件的衬底或板32。使用厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法、化学气相淀积法、电解电镀法、无电镀层、印刷电路板制造、或其它合适的金属沉积工艺，在衬底32的表面上或各层内形成导电迹线34。迹线34提供电气连通并互连各排LED38。导电迹线34也可包括安装焊盘，安装焊盘形成LED 38的电气互连焊盘。
使用合适的表面安装技术，衬底32上的LED半导体器件或管芯38安装在导电迹线34的安装焊盘上。根据应用情况，LED 38可安装在衬底32的前和/或背表面上。LED 38可使用导电管芯附连粘结剂或其它管芯安装材料安装到衬底32上。使用导电粘结剂、焊凸或其它导电材料，使形成在LED 38底表面上的接触焊盘电气地连接到导电迹线34的安装焊盘上。在替代的实施例中，其它的表面安装技术包括使用焊球连接或导电的环氧树脂连接进行倒装式的安装，采用这些技术来安装LED 38并将其电气地连接到导电迹线34。
在LED光引擎30的蓝色LED 38表面上涂敷荧光粉材料40(示于图7b上)。荧光粉材料40可使用喷嘴分配、丝网印刷、带转印、注塑或喷溅方法沉积在蓝色LED 38上。当从LED发出光能时，它穿过涂层和荧光粉材料，并在那里发生转换。
图7a还示出用于LED光引擎30的LED的可选电气互连网络。多个LED半导体器件38被表面安装到衬底32上。跨越端子36施加DC电压。DC电压流过金属导体或迹线34以对LED器件38供应工作电势。LED器件38可连接成电气并联结构或电气串联结构或者两者的组合结构。为图示目的，图7a示出并联和串联的电气网络的LED结构。
包括在器件内的LED器件38数量可根据多个设计变量或设计考虑项进行选择。例如，LED 38可串联或并联连接，以使LED器件的总的组合的Vf与电气输入相匹配。
可选的透镜42或透明的保护性结构设置在各LED 38上。透镜42可包括清澈的、磨砂或半透明玻璃或塑料材料，并可具有球形、穹顶形或其它几何形结构。
图8a和8b示出集成多个红色LED、绿色LED和蓝色LED的衬底，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的涂层复合物。各LED具有顶部和底部接触焊盘并且以并联和串联结构电气地互连。图8a示出LED光引擎50的一部分的俯视图，而图8b示出LED光引擎50内一个LED 58的剖视图。
如图8a和8b所示，LED光引擎50包括支承多个LED器件的衬底或基板52。使用厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法、化学气相淀积法、电解电镀法、无电镀层、印刷电路板制造或其它合适的金属沉积工艺，在衬底52表面上或各层内形成导电迹线54。迹线54提供电气连通并互连各排LED 58。导电迹线54也可包括安装焊盘，安装焊盘形成LED 58的电气互连焊盘。
使用合适的表面安装技术，各LED 58作为衬底52上的半导体器件或管芯安装到导电迹线54的安装焊盘上。根据应用情况，各LED 58可安装在衬底52的前和/或背表面上。LED 58可使用导电管芯附连粘结剂或其它管芯安装材料安装到衬底52上。使用导电的粘结剂、焊凸或其它的导电材料，将形成在每个LED 58底部面上的接触焊盘电气地连接到导电迹线54的安装焊盘上。引线合连64连接在每个LED58顶表面上形成的接触焊盘与导电迹线54之间以便电气地互连各LED58。在替代的实施例中，其它的表面安装技术包括使用焊球连接或导电的环氧树脂连接进行倒装式的安装，采用这些技术来安装LED58并将其电气地连接到导电迹线54。
在LED光引擎50的蓝色LED 58表面上涂敷荧光粉材料60(示于图8b上)。荧光粉材料60可使用如下方法沉积在蓝色LED 58上，如喷嘴分配、丝网印刷、带转印、注射模制或喷溅。当从LED发出光能时，其穿过涂层和荧光粉材料，并在那里发生转换。
图8a还示出用于LED光引擎50的各LED的可选的电气互连网络。多个LED半导体器件58被表面安装到衬底52上。跨越端子56施加DC电压。DC电压流过金属导体或迹线54以对LED器件58供应工作电势。LED器件58可连接成电气并联结构或电气串联结构或两者的组合结构。为图示目的，图8a示出并联和串联的电气网络的LED结构。
包括在器件内的LED器件58的数量可根据多个设计变量或设计考虑项进行选择。例如，LED 58可串联或并联连接，以使LED器件的总的组合的Vf与电气输入相匹配。
可选的透镜62或半透明的保护性结构设置在各LED 58上。透镜62可包括清澈的、磨砂或透明玻璃或塑料材料，并可具有球形、穹顶形或其它几何形结构。
任何合适类别的LED器件可结合本发明的LED光引擎使用，包括离散管芯、芯片规格的封装物、倒装芯片、常规封装物、表面安装器件(SMD)或任何现在已知或在将来研发出的其它LED器件。各LED可包括半导体材料，例如，GaAsP、GaP、AlGaAs、AlGaInP以及GaInN材料。
图9a和9b示出示例的或灯具的，该外壳包括具有红色LED、绿色LED和蓝色LED的LED光引擎，其中，蓝色LED涂敷有荧光的或磷光的材料。图9a示出外壳或灯具100的立体图，而图9b示出其剖视面图。
外壳100包括装饰边102。热沉104连接到装饰边102，以从装饰边102、外壳100和LED光引擎10中去除热能。LED光引擎10(图9b所示)连接到热沉104上的光引擎安装面109上，并用作器件的光源。外壳100包括用于将LED光引擎10与电源相连的电气灯座106。灯座106可包括E26/E27球形灯座、引线或GU24灯座。根据应用情况，电源可以是标准的120VAC、220VAC、227VAC电源或其它的AC电源或DC电源。如果电源是AC电源而LED光引擎10构造成使用DC电源进行操作，则AC到DC的转换电路可连接在灯座106和LED光引擎10之间以将AC电源转换为DC电源。在一实施例中，转换电路包括安装在热沉104内的电路板107。附连夹子108连接到外壳100，使外壳100安装在筒灯灯具内。
在一实施例中，利用摩擦联接、紧固件或其它附连机构，将不同的光学罩110安装到LED光引擎10上的外壳100。光学罩110可以是透明的或涂敷一种或多种光散射材料，并可包括清澈的、磨砂或半透明玻璃或塑料材料。在一实施例中，涂层使LED光引擎10的各LED所形成的点光扩散成相对柔和的光源。根据应用情况，透镜具有球形、穹顶形或其它几何形结构。透镜可以是透明的、半透明的或磨砂的，并可包括偏振过滤镜、滤色镜或诸如凹面镜、凸面镜、平面镜、“气泡”镜和菲涅耳(Fresnel)透镜之类的其它透镜。如果光源产生具有多个不同颜色的光，则光学罩可构造成将光漫射来提供充分的色混合。
图10示出制造LED光源的方法200。步骤202-206显示一种用来制造集成到光源内的LED光引擎的方法。在步骤202中，提供衬底来支承LED光引擎。该衬底可包括金属铠装的印刷电路板、金属搪瓷板、AlN、Al2O3或纤维玻璃板材料。在步骤204中，在衬底上形成导电迹线。导电迹线可采用以下方法形成：厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法(PVD)、化学气相淀积法(CVD)、电解电镀法、印刷电路板制造或无电镀层工艺。在一实施例中，导电迹线包括多个安装焊盘。在步骤206中，LED安装到衬底上。在一实施例中，LED使用管芯附连粘结剂或多个导电焊凸安装到每个由导电迹线形成的安装焊盘上。各LED电气地互连。各LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。蓝色LED可包括完全地或部分地覆盖每个蓝色LED的荧光粉涂层复合物。红色LED、绿色LED和蓝色LED的组合选择成实现LED光引擎的目标CCT和目标CRI。在步骤202-206中制造了LED光引擎之后，将光引擎集成到灯具外壳内。在步骤208中，提供光源的外壳。灯具外壳包括热沉和光引擎安装面。热沉和光引擎安装面在热传上连通。在步骤210中，LED光引擎安装到外壳的光引擎安装面上。
尽管已经详细地描述了本发明一个或多个实施例，但本领域的技术人员将会认识到，对于这些实施例还可作出各种修改和改变，而不偏离如下权利要求书所阐述的本发明的范围。

Claims (25)

1.一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：
提供支承所述LED光引擎的衬底；
使用各种工艺在所述衬底上形成导电迹线，所述各种工艺包括厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法(PVD)、化学气相淀积法(CVD)、电解电镀法、印刷电路板制造、或无电镀层工艺，所述导电迹线包括安装焊盘；
将各LED安装到每个安装焊盘上，以使每个LED电气地互连，所述各LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED；
在每个所述蓝色LED上布置黄色荧光粉涂层复合物，以至少部分地覆盖每个所述蓝色LED，控制所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使每个蓝色LED发出蓝和黄光谱的光能；以及
组合从所述红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光能，以使所述LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、金属铠装的印刷电路板、金属搪瓷、或纤维玻璃板材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
在所述LED光引擎的所述衬底上沉积白色的遮盖面；以及
在所述LED光引擎的所述衬底的所述导电迹线上沉积银、锡或镍。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述荧光粉材料包括钇铝石榴石(YAG)基复合物、硅酸盐基复合物、氮化物基复合物或铽铝石榴石(TAG)基复合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
对所述LED光引擎提供外壳，所述外壳包括热沉和光引擎安装面，所述热沉和所述光引擎安装面热连通；以及
将所述LED光引擎安装到所述外壳的所述光引擎安装面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度小于60％。
7.一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：
提供支承所述LED光引擎的衬底；
在所述衬底上形成导电迹线，所述导电迹线包括安装焊盘；
将各LED安装到每个安装焊盘上，以使每个LED电气地互连，各LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED；
在至少一个所述蓝色LED上覆盖黄色荧光粉涂层复合物，控制所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使所述至少一个蓝色LED仅发出黄光谱的光能；以及
组合从所述红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光能，以使所述LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述衬底包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、金属铠装的印刷电路板、金属搪瓷、或纤维玻璃板材料。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述荧光粉材料包括钇铝石榴石(YAG)基复合物、硅酸盐基复合物、氮化物基复合物或铽铝石榴石(TAG)基复合物。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度大于60％。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括：
在所述LED光引擎的所述衬底上沉积白色的遮盖面；以及
在所述LED光引擎的所述衬底的所述导电迹线上沉积银、锡或镍。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用各种工艺形成导电迹线，各种工艺包括厚膜丝网印刷术、物理气相淀积法(PVD)、化学气相淀积法(CVD)、电解电镀法、印刷电路板制造、或无电镀层工艺。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括：
提供灯具外壳，所述灯具外壳包括热沉和光引擎安装面，所述热沉和所述光引擎安装面热连通；以及
将所述LED光引擎安装到所述灯具外壳的所述光引擎安装面。
14.一种制造发光二极管(LED)光引擎的方法，该方法包括：
提供支承所述LED光引擎的衬底；以及
将各LED安装到所述衬底上，所述各LED电气地互连，所述各LED包括红色LED和蓝色LED，每个所述蓝色LED至少部分地覆盖有黄色荧光粉涂层复合物，控制黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使每个蓝色LED发出蓝和黄光谱的光能，组合从所述红色LED和蓝色LED发出的光能，以使所述LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述衬底包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、金属铠装的印刷电路板、金属搪瓷、或纤维玻璃板材料。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在所述LED光引擎的所述衬底上沉积白色的遮盖面。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述荧光粉材料包括钇铝石榴石(YAG)基复合物、硅酸盐基复合物、氮化物基复合物或铽铝石榴石(TAG)基复合物。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度小于60％。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括：
对所述LED光引擎提供外壳，所述外壳包括热沉和光引擎安装面，所述热沉和所述光引擎安装面热连通；以及
将所述LED光引擎安装在所述外壳的所述光引擎安装面。
20.一种发光二极管(LED)光引擎，包括：
衬底，所述衬底用于支承所述LED光引擎；以及
多个LED，所述LED安装到所述衬底上，且所述各LED电气地互连，所述各LED包括红色LED和蓝色LED，至少一个所述蓝色LED覆盖有黄色荧光粉涂层复合物，控制所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度，以使所述至少一个蓝色LED仅发出黄光谱的光能，组合从所述红色LED和蓝色LED发出的光能，以使所述LED光引擎达到目标相关色温(CCT)和目标显色指数(CRI)。
21.如权利要求20所述的LED光引擎，其特征在于，所述衬底包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、金属铠装的印刷电路板、金属搪瓷、或纤维玻璃板材料。
22.如权利要求20所述的LED光引擎，其特征在于，所述荧光粉材料包括钇铝石榴石(YAG)基复合物、硅酸盐基复合物、氮化物基复合物或铽铝石榴石(TAG)基复合物。
23.如权利要求20所述的LED光引擎，其特征在于，包括灯具外壳，所述灯具外壳包括热沉和光引擎安装面，所述热沉和所述光引擎安装面热连通，其中，所述LED光引擎安装在所述灯具外壳的所述光引擎安装面。
24.如权利要求20所述的LED光引擎，其特征在于，所述黄色荧光粉涂层复合物的浓度大于60％。
25.如权利要求20所述的LED光引擎，其特征在于，包括在所述LED光引擎的所述衬底上沉积白色的遮盖面。
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