CN102859259B - 基于 led 的基座型照明结构 - Google Patents

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Abstract

公开了基于LED的灯及灯泡，包括具有多个LED的基座，其中基座至少部分地包含导热材料。包括散热器结构，其中基座热耦接至该散热器结构。远程荧光体相对于LED布置，使得来自LED的至少一些光穿过远程荧光体并转换成不同波长的光。一些灯或灯泡实施例可发射来自LED和远程荧光体的光组合成的白光。这些可包括发射蓝光的LED，其中远程荧光体具有吸收蓝光并发射黄光或绿光的材料。可以包括扩散器，以将发射光扩散成期望的图案，诸如全向图案。

Description

基于LED的基座型照明结构
本申请要求于2010年3月3日提交的序列号为61/339,516的美国临时专利申请和于2010年3月3日提交的序列号为61/339,515的美国临时专利申请的权益。
本发明的背景
技术领域
本发明涉及固态灯及灯泡，具体地涉及能够提供与基于灯丝的光源的辐射图案类似的全向辐射图案的基于发光二极管（LED）的灯及灯泡。
背景技术
发光二极管（LED或LEDs）是将电能转换成光的固态器件，并且通常包括夹在相对的掺杂层之间的一个或多个半导体材料有源层。当在整个掺杂层上施加偏压时，空穴和电子被注入到有源层，空穴和电子在有源层内重新结合以产生光。从有源层以及从LED的所有表面发射光。
为了将LED芯片用于电路或其他类似配置中，已知方法是将LED芯片包围在封装件中以提供环境和/或机械保护、颜色选择和聚光等。LED封装件还包括用于将LED封装件电连接至外部电路的电引线、触头或迹线（trace）。在图1所示的典型LED封装件10中，单个LED芯片12通过焊接粘合剂或导电环氧树脂安装在反射杯13上。一根或多根焊线11将LED芯片12的欧姆触头连接至引线15A和/或15B，所述引线可连接至反射杯13或与其集成在一起。反射杯可填充有可含有波长转换材料（诸如荧光体）的密封材料16。由LED发射的第一波长的光可被荧光体吸收，作为响应荧光体可发射第二波长的光。整个组件随后被密封在透明保护树脂14中，该保护树脂可模制成透镜形状以校准从LED芯片12发射的光。尽管反射杯13可沿向上方向引导光，但是当光被反射时（即，由于实际反射器表面的反射率小于100%，一些光可能被反射杯吸收），可能发生光损耗。另外，对于封装件（诸如图1a所示的封装件10）而言，热滞留可能是问题，因为可能难于通过引线15A、15B来提取（extract）热量。
图2所示的传统LED封装件20可能更适于大功率操作，这会产生更多的热量。在LED封装件20中，一个或多个LED芯片22安装在载体上，诸如印刷电路板（PCB）载体、衬底或子安装件（submount）23。安装在子安装件23上的金属反射器24环绕LED芯片22并将LED芯片22发射的光远离封装件20反射。反射器24还对LED芯片22提供机械保护。一根或多根焊线连接线11形成在LED芯片22上的欧姆触头与子安装件23上的电迹线25A、25B之间。安装的LED芯片22随后被密封剂26覆盖，密封剂可对芯片提供环境和机械保护，同时还用作透镜。金属反射器24通常通过焊料或环氧树脂粘合剂连接至载体。
LED芯片（诸如图2的LED封装件20中发现的LED芯片）可涂覆以包括一种或多种荧光体的转换材料，其中这些荧光体吸收至少一部分LED光。LED芯片可发射不同波长的光，使得其发射来自LED和荧光体的光组合成的光。LED芯片可利用多种不同的方法涂覆以荧光体，其中一种合适的方法在属于Chitnis等人的题为“Wafer Level Phosphor CoatingMethod and Devices Fabricated Utilizing Method（晶片级荧光体涂覆方法以及利用该方法制造的器件）”并且系列号为11/656,759和11/899,790的美国专利申请中进行了描述。替换地，LED可利用其他方法（诸如电泳沉积法（EPD））涂覆，其中一种合适的EPD方法在属于Tarsa等人的题为“CloseLoop Electrophoretic Deposition of Semiconductor Devices（半导体器件的闭环电泳沉积）”的第11/473,089号美国专利申请中进行了描述。
在这些实施例中，荧光体材料位于LED外延层上或者非常接近LED外延层，并且在某些情况中包括LED上方的共形涂层（conformal coat）。在这些配置中，荧光体材料可能受到芯片的直接热量的影响，这会导致荧光体材料发热。随着时间的推移，这种升高的工作温度会造成荧光体材料的降解（degradation）。还会导致荧光体转换效率的降低以及转换颜色的色偏。
已经开发了利用固态光源（诸如LED）的灯，其中转换材料与LED隔开或远离LED，这种配置在属于Tarsa等人的题为“High Output RadialDispersing Lamp Using a Solid State Light Source（利用固态光源的高输出径向散射灯）”的第6,350,041号美国专利中进行了公开。该专利中所描述的灯可包括固态光源，该固态光源将光通过分离器传输至具有荧光体的散射器（disperser）。散射器可将光散射成期望的图案和/或通过荧光体转换至少一部分光来改变其颜色。在某些实施例中，分离器将光源与散射器隔开足够的距离，使得当光源输送室内照明所需的高电流时来自光源的热量不会传递至散射器。
已经开发了基于LED的灯泡，其利用安装至三维表面的多个低亮度LED（例如，5mm的LED），以实现广角型照明。然而，这些设计不提供落在标准的均匀性要求范围内的最佳全向辐射。这些灯泡还包括大量的互相连接的LED，这使它们变得非常复杂、昂贵并且不可靠。这使得这些LED灯泡对于大多数照明目的通常不实用。
还开发了利用光源的台面（mesa）式设计的其他LED灯泡，其中顶面上具有一个LED，而台面的侧壁上具有七个以上LED。（参考C.Crane提供的 ）。然而，这种配置不会提供全向辐射图案，相反地会提供基本上向前偏置的图案。用于该灯泡的台面还包括可能限制灯泡的从发射体消散热量的能力的中空壳体。这会限制可施加至LED的驱动电流。利用几个LED的这种设计也相对复杂，并且不符合大批量制造低成本LED灯泡的需求。
发明内容
本发明提供高效、可靠、成本合算并能够布置为提供全向辐射图案的灯及灯泡的各种实施例。不同实施例可以包括固态发射体，所述固态发射体布置在具有热管理特征以控制发射体内的热积聚的基座上。这些实施例还可以包括成形的（shaped）远程荧光体，所述远程荧光体也可以具有热管理特征以控制远程荧光体内的转换热积聚。不同实施例还可以具有扩散器（diffuser）特征以产生用于灯及灯泡的期望的辐射图案。
根据本发明的灯的一个实施例包括基座以及位于基座上的固态光源。成形的荧光体布置为远离固态光源，使得来自固态光源的至少一些光穿过远程荧光体并转换成不同波长的光。包括扩散器，以将灯发射的光扩散成全向辐射图案。
根据本发明的基于LED的灯泡的一个实施例包括具有多个面的细长基座。包括多个LED，每个LED可安装至一个面，其中基座包括导热路径，以便从LED导热。扩散器相对于LED布置，使得来自LED的光穿过扩散器，其中扩散器改变（modify，调节）LED的辐射图案以形成期望的灯泡辐射图案。
根据本发明的固态灯的另一实施例包括具有多个固态光源的基座，其中基座至少部分地包含导热材料。包括散热器结构，其中基座热耦接至该散热器结构。来自固态光源的热量通过基座传导至散热器结构。包括热耦接至散热器结构的远程荧光体，其中来自远程荧光体的热量传导至散热器结构中。
根据本发明的基于LED的灯泡的另一实施例包括具有多个LED的基座，其中基座至少部分地包含导热材料。包括散热器结构，其中基座热耦接至该散热器结构。远程荧光体相对于LED布置，使得来自LED的至少一部分光穿过远程荧光体并转换成不同波长的光。该灯泡发射来自LED和远程荧光体的光组合成的白光。
根据本发明的灯泡或灯光源的一个实施例包括多个固态发射体以及具有顶面的基座。该基座还具有多个第一侧面和多个第二侧面。第一侧面可处于与顶面形成大于90度的角度的位置，并且第二侧面可处于与顶面形成小于90度的角度的位置。固态光源安装至至少一些第一和第二侧面。
本领域技术人员从下文结合附图的详细说明将会明白本发明的这些以及其他的特征和优势，附图中：
附图说明
图1示出现有技术LED灯的一个实施例的截面图；
图2示出现有技术LED灯的另一个实施例的截面图；
图3是根据本发明的基座的一个实施例的侧视图；
图4是根据本发明的LED灯的一个实施例的透视图；
图5是根据本发明的LED灯的另一个实施例的透视图；
图6是图5所示LED灯的透视图，示出来自其光源的光线；
图7是根据本发明的LED灯的另一个实施例的截面图；
图8是示出用于根据本发明的LED灯的一个实施例的辐射图案的极坐标图；
图9是根据本发明的LED灯的另一个实施例的透视图；
图10是根据本发明的基座的另一个实施例的侧视图；
图11是图10中所示基座的透视图；
图12是根据本发明的灯的另一个实施例的透视图；
图13是根据本发明的基座的另一个实施例的透视图；
图14是根据本发明的LED灯的另一个实施例的透视图；以及
图15是根据本发明的基座的另一个实施例的透视图。
具体实施方式
本发明涉及提供安装至导热基座的LED芯片的灯结构的不同实施例。这允许LED灯几乎形成模仿传统白炽灯泡的全向光辐射图案。根据本发明的一些LED灯泡尤其适合用作A级灯泡替换LED灯。根据本发明的实施例由形状特殊并具有适合安装固态发射体的表面的基座构成，并且基座可由导热材料制成或者具有提供远离发射体的热传导的元件。基座的一些实施例可含有多个基于LED的发射体，至少一些发射体在远离基座的不同方向上发光。当与远程荧光体和扩散器圆顶（dome）一起使用时，LED的特殊角度和辐射图案可使得灯具有全向辐射图案。
根据本发明的一些基座可安装至散热器结构，使得远离发射体传导的热量可扩散到散热器结构，热量可从散热器结构消散到周围环境中。这种配置还允许基座顺利地与具有良好的特殊颜色均匀性的成形的远程荧光体结合，其中远程荧光体也安装至散热器。远程荧光体可具有多种不同的形状，诸如基座至少部分地布置在球形荧光体内的普通球形。这提供了使基座产生改进的更好的颜色均匀性并且其发射体在远程荧光体内提供近似点光源的配置。从基座发射体发射的光以几乎相同的角度穿过荧光体材料并且几乎穿过相同量的荧光体。即，来自基座发射体的光子的通过荧光体的光子的光路几乎相同，使得LED灯泡具有更好的发射颜色均匀性。
这种近似点光源的配置还提供了从不同观察角度观看的更均匀的辐射，使得一些实施例特别适用于代替标准的基于白炽灯的光源。如下文进一步讨论的，由于具有改进的热管理，远程荧光体配置的特征还在于具有更高的光子转换效率。
基座上可包括不同的固态发射体，诸如LED、LED芯片或其他LED封装件/元件（“LED芯片”或者“多个LED芯片”）。在一些实施例中，基座可用于发射白光的灯中，其中灯发射来自基座上的LED的光和来自远程荧光体中的一种或多种荧光体的光组合成的白光。在一些实施例中，基座可包括蓝色发射LED芯片，并且成形的远程荧光体可包括吸收蓝光并发射黄光的荧光体材料。在操作过程中，一部分蓝色LED芯片光穿过远程荧光体，而其余的光由黄色荧光体吸收并再发射为黄光或绿光，其中这些灯发射蓝色LED光和荧光体光组合成的白光。根据本发明的灯还可包括发射不同颜色光的不同LED和转换材料，吸收光并且再发射不同颜色的光，使得灯发射具有期望特征（诸如色温和显色性（color rendering））的光。
根据本发明的灯可具有更少的元件，并且更易于制造、成本更低。例如，由于具有远程荧光体，基座上的LED芯片可以由更高的驱动电流驱动，而不会有来自LED芯片的热量降解荧光体的风险。因此，需要更少的LED芯片即可实现期望的灯光通量。基座还提供以成本合算的方式安装多个发射体，同时提供热路径来消散来自发射体的热量。
此处参考特定实施例来描述本发明，但是应理解的是，本发明可以采用多种不同的形式并且不应理解为限于此处阐述的实施例。具体地，下文关于不同配置中的具有LED、LED芯片或LED元件（“LED芯片”）的特定灯或照明元件对本发明进行描述，但是应理解的是，本发明可用于具有诸多不同配置的诸多其他灯。元件可以具有图示之外的不同形状和尺寸，并且可以包括不同数量的LED或LED芯片。
还应理解的是，当提及诸如层、区域或基板的元件位于另一元件“上”时，该元件可以直接位于其他元件上，或者也可以存在中间元件。此外，诸如“内部”、“外部”、“上部”、“上方”、“下部”、“下方”以及“之下”的关系术语和类似术语在此处可用于描述一个层或另一个区域的关系。应理解的是，这些术语旨在包含器件的除了附图所示方位之外的不同方位。
尽管术语第一、第二等在此处可用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区别开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可称为第二元件、部件、区域、层或部分。
在此处参考作为本发明实施例的示意性图示的横截面图来描述本发明的实施例。这样，层的实际厚度可能不同，例如，由于制造技术和/或公差，图示的形状上的变化是可预见的。本发明实施例不应理解为限于此处所述的区域的具体形状，而应理解为包括例如由于制造造成的形状上的偏差。由于正常的制造公差，图示或文中描述为正方形或矩形的区域通常具有圆形或弯曲特征。因此，附图所示的区域实质上是示意性的，并且其形状不在于示出器件区域的精确形状并且不旨在限制本发明的范围。
图3示出了根据本发明的LED基座50的一个实施例，该基座布置为将LED芯片52保持在LED灯或灯泡（“LED灯”）内，其中基座50及其LED用作LED灯的光源。基座50通常是细长的并且可具有可从不同角度保持多个LED芯片的多个表面。在所示实施例中，基座50具有顶面54，LED芯片52安装至顶面54。当基座50竖直安装时，顶面几乎是水平的。基座还包括多个基座发射体表面56，至少一些基座发射体表面还布置为保持LED芯片52。应理解的是，基座50可具有多种形状和不同数量以及尺寸的发射体表面56，这些发射体表面可以与顶面54成不同角度进行布置。在所示实施例中具有6个发射体表面，每个发射体表面都位于基座的上部并且每个发射体表面基本上具有相同的尺寸和相同的角度。在示出的实施例中，侧面处于与顶面54形成大于90°的角度的位置，使得基座50的厚度从顶面54向下减小。在一些实施例中，侧面与顶面的角度可以约为95°或更大，而在其他实施例中，侧面与顶面的角度可以约为100°或更大。在另外的其他实施例中，侧面与顶面的角度可以约为105°或更大。在一个实施例中，侧面与顶面的角度约为105°。
LED芯片52可包括在至少一些发射体侧面56上，并且在示出的实施例中，LED芯片52包括在三个侧面56上。可以使用市场上可买到的诸多不同的LED芯片或LED封装件，包括但不限于市场上可买到的来自北卡罗来纳州达勒姆的Cree公司的LED芯片或LED封装件。LED芯片通过利用下文所述的已知方法和材料安装在适当的位置。在该实施例中，裸露侧面56a包括在具有LED芯片52的侧面56之间，但应理解的是，在其他实施例中，LED芯片52可安装至某些或全部的裸露侧面56a，因此在一些或全部LED芯片之间没有裸露侧面。包括在顶面和侧面上的LED芯片的数量取决于LED芯片52的光通量以及利用基座50的LED灯的期望的光通量和光辐射图案。在不同实施例中顶面和侧面54、56中的每个可没有LED芯片或具有一个以上的LED芯片。通过在顶面54和侧面56上设置发射体，光从基座向上发射并以稍向下的角度到达侧面。当光以下文所述方式散射时，这种发光方向的组合符合提供全向灯辐射的要求。
基座50还包括侧面56和56a下方的底部侧面58，并且在示出的实施例中，具有相同数量的底部侧面58以及发射体侧面56和56a，其中底部侧面58包括发射体侧面56的延续部分。应理解的是，在其他实施例中，可能具有不同数量的底部侧面58或者基座在该区域中可采用不同的形状，诸如圆柱形。在示出的实施例中，底面与顶面54形成小于90°的角度，使得基座的宽度在该区域中向下增大。应理解的是，底部侧面58与顶面54可形成多个不同的角度，适当的角度约为70°或更大。在一些实施例中，该角度可能大于90°。在一些实施例中，根据期望的LED灯光通量和辐射图案，底部侧面也可具有LED芯片。在示出的实施例中，侧面不具有LED芯片。
基座50还可包括用于将电信号施加至LED芯片52所必需的电导体（未示出）。这可包括导电迹路、焊线或绝缘涂层线。LED芯片可以以不同的串联和并联配置互相连接，并且在一些实施例中，LED芯片互相连接使得单个电信号可使所有的LED芯片52发光。
基座50可至少部分地包含导热材料，并且可以使用多种不同的材料，诸如不同的金属，包括铜、铝或金属合金。基座50的不同实施例应布置为具有足以远离LED芯片传导热量的必要特征。在一些实施例中，基座50可具有提供热路径的内部实心部分，其中基座比实心部分大50%。在其他实施例中，基座可比实心部分大70%，而在另外的实施例中，基座可约为实心部分的100%。在基座基本上是空心的实施例中，可以包括诸如热管的散热装置，以传导LED芯片的热量。基座可利用下文所描述的诸多不同的已知方法制造，诸如压铸（die cast）或金属冲压。
基座50的表面应包括反射层/表面，特别是在未被LED芯片52覆盖的区域中。在下文描述的利用远程荧光体的LED灯的实施例中，由于荧光发射的各向同性特征，大约50%的荧光发射朝着基座向后。在利用扩散圆顶的其他实施例中，一些穿过圆顶的光可朝着基座50散射回来。表面具有良好反射率的基座50可以提高灯发射效率，反射至少一些向回发射/散射的光子，使得这些光子有利于LED灯的发射。由于提取损失和/或较低的表面反射率，LED芯片和元件基板通常具有较低的有效反射率。设置未被LED芯片覆盖的反射表面提高了LED灯的发射效率。应理解的是，反射层/表面可包含多种不同的材料和结构，包括但不限于白漆、反射粒子、反射金属或多层反射半导体，诸如分布式布拉格反射器（DBR）。在一些实施例中，表面可涂覆以对灯光具有大约75%或更高的反射率的材料，而在其他实施例中，材料可以对灯光具有大约85%或更高的反射率。在另外的其他实施例中，材料可以对灯光具有大约95%或更高的反射率。
基座50可安装在根据本发明的可具有多个不同特征的诸多不同的LED灯中。图4示出了包括类似于上述基座50的基座72的LED灯70。基座72安装至散热器结构74，基座和散热器结构之间具有良好的热接触。LED芯片76安装至基座72的表面并通过导体互相连接，如上所述。
散热器结构74可至少部分地包含导热材料，并且可以使用多种不同的材料，诸如不同的金属，包括铜、铝或金属合金。散热器结构74还可包括其他散热特征，诸如增大散热器的表面积的热翅片，以有利于更有效地散热到周围环境中。散热器反射层或材料也可设置在散热器结构74的表面上，以按照如上所述的基座50的反射层/表面的方式反射光。在一个实施例中，环绕基座72的散热器结构74的顶面82可包括反射层，该反射层可由上述材料制成并可利用已知方法形成在散热器结构74上。
基座72可利用不同的已知方法或材料（诸如导热粘合材料或热油脂）安装至散热器结构74。传统的导热油脂可含有诸如氧化铍和氮化铝的陶瓷材料或者诸如胶体银的金属微粒。在其他实施例中，基座72可通过导热装置安装至散热器结构，诸如通过夹紧机构、螺钉或热粘合剂。这些装置和材料可将基座72紧密地固定至散热器结构74，以使导热率最大化。在一个实施例中，使用具有约100μm的厚度和k=0.2W/m·k的导热率的热油脂。这种配置提供了有效的导热路径，用来将热量从基座72传导至散热器结构。
散热器结构74还可包括用于将电源连接至不同电插座的特征。在一些实施例中，散热器结构可包括插入传统电插座中的类型的特征。例如，其可包括安装至标准螺口插座的特征，并且可包括可旋入螺口插座的螺纹部分。在其他实施例中，其可包括标准插头，并且电插座可以是标准插座或者可以包括GU24基本单元。在其他实施例中，其可包括夹子，并且电插座可以是容纳并保持该夹子的插座（例如，诸多荧光灯中所使用的）。这些只是散热器结构和插座的少数选择，并且也可以使用其他配置。
在一些实施例中，散热器结构74可包括用于将电信号从电插座施加至基座72并且然后施加至其LED芯片76的电导体。还可包括供电单元（未示出），以在来自插座的电信号施加至基座72之前调节或修改该电信号。这可以包括信号转换（例如，模拟到数字的转换）、信号整流和/或信号放大或缩小。
图5示出了根据本发明的LED灯90的一个实施例，包括类似于上述和图4所示的相同特征布置的基座92、散热器结构94和LED芯片96。在该实施例中，LED灯90包括环绕基座92布置的成形的远程荧光体98，使得来自LED芯片96的至少一部分光穿过远程荧光体。根据本发明，远程荧光体98可采用多种不同的形状，诸如半球形、椭球形、锥形等，并且可以具有多种不同的尺寸。在一些实施例中，远程荧光体可在基座92上方提供不完全覆盖。在示出的实施例中，远程荧光体98为安装至散热器结构94的球形，其中基座92及其LED芯片96至少部分地布置在球形荧光体98内。灯90还包括用于将灯90安装至螺口插座的螺纹部分95。
多种不同的荧光体可用于成形的荧光体98，本发明特别适于发射白光的灯。（荧光体层或其混合）。如上所述，在根据本发明的一些实施例中，LED芯片96可发射蓝色波长光谱的光并且成形的荧光体98可吸收至少一些蓝光并再发射黄光（或绿光）。这允许灯发射蓝光和黄光组合成的白光。在一些实施例中，蓝色LED光可由黄色转换材料利用市场上可买到的YAG:Ce荧光体转换，但是利用基于(Gd,Y)3(Al,Ga)5O12:Ce系（诸如Y3Al5O12:Ce(YAG)）的荧光体制成的转换颗粒也可以实现全方位的黄色光谱发射。当与基于蓝光LED的发射体一起使用时，也可使用其他的黄色荧光体来形成白光，包括但不限于：
Tb3-xRExO12:Ce(TAG)；RE=Y，Gd,La,Lu；或者
Sr2-x-yBaxCaySiO4:Eu
成形的荧光体98可包括第二荧光体材料，该第二荧光体材料或者可与成形的远程荧光体98混合或者可包括在成形荧光体上作为第二层。在一些实施例中，两种荧光体中的每个可吸收LED光并可再发射不同颜色的光。在这些实施例中，来自两个荧光体层的颜色可以结合以形成不同白色调的更高的CRI白光（暖白光）。这可以包括来自以上黄色荧光体的光，该光可以与来自红色荧光体的光结合。可使用不同的红色荧光体，包括：
SrxCa1-xS:Eu,Y；Y=卤化物；
CaSiAlN3:Eu；或者
Sr2-yCaySiO4:Eu
可使用其他的荧光体，以通过基本上将所有的光转换成特定的颜色而生成彩色发光。例如，可使用下面的荧光体来生成绿光：
SrGa2S4:Eu；
Sr2-yBaySiO4:Eu；或者
SrSi2O2N2:Eu
下面列举了一些其他的适用荧光体，但也可以使用别的荧光体。每种荧光体均展示出激发蓝色和/或UV发射光谱，提供期望的峰值发射，具有有效的光转换，并且具有可接受的斯托克司频移（Stokes shift）：
黄色/绿色
(Sr，Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+
Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+
Gd0.46Sr0.31Al1.23OxF1.38:Eu2+0.06
(Ba1-x-ySrxCay)SiO4:Eu
Ba2SiO4:Eu2+
红色
Lu2O3:Eu3+
(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4
Sr2Ce1-xEuxO4
Sr2-xEuxCeO4
SrTiO3:Pr3+,Ga3+
CaAlSiN3:Eu2+
Sr2Si5N8:Eu2+
可使用不同尺寸的荧光体颗粒，包括但不限于范围在10纳米（nm）至30微米（μm）或更大的颗粒。较小的颗粒尺寸通常比较大尺寸的颗粒能更好地分散并混合颜色，以提供更均匀的光。与较小的颗粒相比，较大的颗粒通常更有效地转换光，但是发射不太均匀的光。
在一些实施例中，可提供球形的透明材料，并且荧光体可沉积在内侧层或外侧层上或者两者上。为了形成层，荧光体可设置在粘结剂（binder）中，并且荧光体在粘结剂中还可具有不同的浓度或荧光体材料装载量。典型的浓度范围按重量计为30-70%。在一个实施例中，按重量计的荧光体浓度约为65%，并且优选地均匀分布于整个远程荧光体。成形的荧光体98还可以具有不同的区域，其中设置不同的转换材料和不同的转换材料浓度。
不同材料可用于粘结剂，材料优选地为固化之后坚固并且在可见波长光谱中基本上是透明的。适当的材料包括硅树脂、环氧树脂、玻璃、无机玻璃、电介质、BCB、聚酰胺、聚合物及其混合物，优选的材料为硅树脂，因为它在高功率LED内具有高透明度和可靠性。市场上可买到的适当的苯基和甲基硅树脂来自 化学公司。根据诸如所使用的粘结剂类型的不同因素，可利用多种不同的固化方法来固化粘结剂。不同的固化方法包括但不限于加热、紫外线（UV）、红外线（IR）或空气固化。
荧光体层可以通过使用不同的工艺施加，包括但不限于旋涂、溅射、印刷和粉末涂敷。如上所述，荧光体层可与粘结剂材料一起应用，但应理解的是，粘结剂不是必需的。在另外的其他实施例中，荧光体层可单独地制造并且然后安装至透明球体。
成形的远程荧光体98还可包括改进的热管理特征以减少荧光体转换热量。荧光体在操作期间仅仅从光转换过程中产生热量。在远程荧光体配置中，如果远程荧光体不具备适当的导热路径来消散荧光体转换热量，则这种热量会积累至不可接受的水平。如果没有有效的热消散通路，热隔离的远程荧光体可能承受升高的工作温度，这会导致荧光体降解、转换效率低和色偏。
在一些实施例中，成形的远程荧光体98可包含导热材料的透明材料并且形式是期望的远程荧光体形状。在示出的实施例中，远程荧光体为球形，但是如上文所述，荧光体可以具有多种其他形状。荧光体可作为层设置在球形透明材料上或者可与球形材料混合。在LED灯90的操作期间，荧光体转换热量集中在荧光体材料中。球形载体的导热性能有助于朝着在示出的实施例中与散热器结构94接触的球形边缘横向分布这些热量。优选地，球形通过诸如热油脂层的导热材料安装至散热器结构，并且热量从球形流入散热器结构中并在散热器结构中有效地消散到周围环境中。
成形的透明材料可包括不同的材料，诸如玻璃、石英、碳化硅（SiC）、蓝宝石或其他材料。成形的透明材料还可以具有不同的厚度，适当的厚度范围为0.1mm至10mm或更大。应理解的是，根据用于载体层的材料的特性，也可以采用其他厚度。材料应该足够厚，从而为特定操作条件提供足够的横向热量扩展。通常，材料的热导率越高，可提供必要的热消散的材料越薄。这些材料可有效地横向分布热量，结果是不需要较低导热率的材料所需的较大的面积。不同因素可影响所使用的材料，包括但不限于成本以及对光源光的透明度。
除了上文所讨论的基座92的转换效率和成形荧光体98的配置，该配置还可提供转换均匀性。现在参考图6，示出了类低于LED灯90的LED灯100，并且类似的特征使用相同的参考标号。LED芯片96密集布置在基座92的顶部上并位于成形荧光体98内，优选地，位于成形荧光体的中心或附近。该配置允许LED芯片96近似于成形荧光体98内的点光源，使得光线102以几乎相同的角度照射成形荧光体98并且通过远程荧光体（例如，覆盖的球形）行进穿过相同的光路长度。假设成形荧光体总体上具有几乎相同的厚度，则光线将经历类似量的荧光体材料和类似级别的光转换。这允许对于发射的光保持颜色均匀性，因为远程荧光体具有空间一致的荧光体涂层。
应理解的是，根据本发明，远程荧光体和基座可以按照多种不同的方式布置。在一些实施例中，远程荧光体可以包括或者在成形的远程荧光体上的层中与荧光体材料混合或者与透明导热材料混合的散射粒子。这些散射粒子可包括多种不同的材料，包括但不限于：
硅胶；
氧化锌（ZnO）；
氧化钇（Y2O3）；
二氧化钛（TiO2）；
硫酸钡（BaSO4）；
氧化铝（Al2O3）；
熔融石英（SiO2）；
煅制氧化硅（SiO2）；
氮化铝；
玻璃珠；
二氧化锆（ZrO2）；
碳化硅（SiC）；
氧化钽（TaO5）；
氮化硅（Si3N4）；
氧化铌（Nb2O5）；
氮化硼（BN）；或者
荧光体颗粒（例如，YAG:Ce、BOSE）。
可以在材料的各种组合中或在相同材料的不同形式的组合中使用一种以上的散射粒子，以达到特定的散射效果。成形的远程荧光体或扩散器圆顶还可包括粗糙化或成型化表面以增强光提取。
图7示出了根据本发明的LED灯120的实施例，其类似于图5所示的LED灯90并且包括LED芯片124安装至其顶面和侧面的基座122。基座122安装至散热器结构126，成形的远程荧光体128也在基座122上方安装至散热器结构126。灯120还包括也安装至散热器结构126的成形扩散器圆顶130，但应理解的是，其可以多种不同方式安装在灯120内。扩散圆顶130可包括诸如上文所述的扩散或散射粒子。散射粒子可设置在形成为普通的圆顶形状的可固化粘结剂中。在一些实施例中，白色散射粒子可与将荧光体的颜色隐藏在成形的远程荧光体内的白色的圆顶一起使用，以赋予LED灯大体上白色的外观。扩散器圆顶布置为扩散或散射来自远程荧光体的光，使得LED灯发射期望的光图案，诸如全向光。灯120还包括用于将灯120安装至螺口插座的螺纹部分132。
根据本发明，扩散器圆顶可具有多种不同的形状并可以多种不同的方式布置在灯中。在一些实施例中，扩散器圆顶和荧光体材料可包括单一元件。在一些实施例中，荧光体包括扩散器或荧光体上的层，并且扩散器材料可以混合。在灯具有蓝光LED芯片的情况下，可使用具有荧光体材料和中性散射粒子的扩散圆顶，从而灯发射来自荧光体和LED芯片的光组合成的白光。
如上所述，根据本发明的LED灯可布置为在不同发射角度提供具有有限发射变化的全向辐射图案。图8是示出根据本发明的LED灯的一个实施例的远场（far field）相关照明强度在角空间上的分布的极坐标图140。在极坐标图140中，θ是与如图3所示的z轴的倾斜角，而 是与x轴的方位角。环绕圆圈的数字142表示倾斜角θ，其中0°表示直接位于基座顶面上方。从0°至180°的分布与从360°至180°的分布对称。方位角 在极坐标图中由多个部分（slice）表示，其中这些部分形成连续的带。特定角度θ处的带宽度反应了在该角度θ处360°方位角周围的强度变化大小。方位角平均线144表示每个角度θ处的方位角平均强度。根据本发明，基座、远程荧光体和扩散球形的使用可以有效地消除 周围的变化。在示出的实施例中，对于从0°至150°的θ， 平均（相对）强度在0.920至0.696范围内变化。这对应于平均值0.808周围的a+13.8%的强度变化。应理解的是，根据本发明的其他实施例可提供高于和低于该值13.8%的不同强度变化。
在一些灯的实施例中，较大的成形的远程荧光体可提供较高的高反射率表面与LED芯片/元件表面面积之比，即，较高的空腔反射率和效率。较大的远程荧光体还可以降低转换密度和相关热量。也就是说，具有较大面积的远程荧光体趋于降低每单位荧光体面积的入射光子通量密度。较大的远程荧光体还允许更容易地对产生热量的荧光体进行热管理，使得荧光体工作温度可保持为接近周围环境，进而提高荧光体效率并延长使用寿命。然而，这些较大的荧光体可能导致对较大的远程荧光体和灯的封装而言产生较高的材料成本。
应理解的是，多种不同的基座可用于根据本发明的不同实施例中。图9示出了根据本发明的LED灯160的另一实施例，包括安装至散热器164的基座162。在该实施例中，基座通常是具有顶面166和三个侧面168的三角形。LED芯片170安装至每个面166、168，其中LED芯片之间形成电连接（未示出），使得LED芯片响应电信号而发光。LED灯160还可包括上述的成形的远程荧光体或扩散器圆顶。
图10和图11示出了根据本发明的基座180的另一实施例，基座具有顶面182、三个发射体侧面184和三个开放侧面186。LED芯片188安装在顶面182上，在每个发射体侧面184上安装一个LED芯片，这样基座总共具有四个LED芯片。同上述实施例，LED芯片188包括电连接，使得LED芯片188响应电信号而发光。在基座180中，发射体侧面184与顶面182形成大于90°的角度，其中在一个实施例中，与顶面形成约105°的角度。应理解的是，发射体面184与顶面182可形成多种不同的角度。在该实施例中，开放侧面186与顶面182的角度小于90°。
图12示出了根据本发明的LED灯190的另一实施例，利用了图10和图11中所示的基座180。。基座180安装至散热器结构192，其中远程成形荧光体194由与上述成形的远程荧光体相同的材料制成。成形的远程荧光体也安装至散热器结构192，其中基座180布置在远程荧光体194内。该实施例还可包括进一步将光散射或扩散成全向图案的扩散器圆顶。
图13示出了根据本发明的基座210的再一实施例，基座具有顶面212和四个发射体侧面214。LED芯片216设置在这些面中的每个上并按照上述方式互相连接，以响应电信号而发光。在该实施例中，每个发射体侧面214与顶面212形成小于90度的角度。在该实施例中，侧面214与顶面212形成大约80°的角度，但应理解的是，侧面214与顶面212可形成多个其他角度，其中包括但不限于约90°、100°和105°。根据本发明的其他基座可以具有不同角度和方位的不同数量的表面，以形成期望的辐射图案。在示出的实施例中，基座210包括基本上固态的导热材料，但应理解的是，其他实施例可以包括空心或具有其他散热特征（诸如热管）的基座。基座210可用于根据本发明的不同LED灯内，包括具有如上所述的散热器结构、远程成形荧光体和扩散器圆顶的LED灯。
图14示出了根据本发明的LED灯230的一个实施例，利用了类似于图13所示的基座210及其LED芯片216。灯230包括散热器结构232和封闭件234，该封闭件可以是如上所述的远程成形荧光体或扩散器圆顶。LED灯230还包括用于安装至螺口插座的螺纹部分236。在该实施例中，基座210通过热管238安装在封闭件234内，热管从基座210传导热量，以将热量传导至入散热器结构232，热量在散热器结构中可更有效地消散到周围环境中。应理解的是，其他导热元件也可用于根据本发明的实施例中。
应理解的是，多种不同的基座可布置在如图14所示的热管上。图15示出了具有顶面252和五个发射体侧面254的基座250的另一实施例，每个面都具有可以按照上述方式连接至其他的LED芯片256。在该实施例中，发射体侧面254与顶面252形成小于90°的角度，但在其他实施例中，一些或全部侧面与顶面252可形成大于90°的角度。基座安装至从基座传导热量以将热量消散到周围环境中的热管258，诸如通过上述的散热器结构。
根据本发明的灯可以按照上述实施例之外的多种不同的方式布置。在一些实施例中，安装至基座的LED芯片可以是白色发射体，诸如暖白色发射体。在这些实施例的其中一些中，成形的远程荧光体可能不必转换来自LED芯片的光。扩散器圆顶可含有中性散射元件，以将LED芯片光扩散成期望的辐射图案。然而，应理解的是，成形的远程荧光体还可用于基座上具有白色发射体的实施例中，以进一步改变发射体发射的光。在另外的其他实施例中，基座可含有白色发射体和不同颜色的发射体，这些灯的不同实施例使用远程荧光体和扩散器，以产生期望的灯发射。
根据本发明的基座可利用不同的方法制造。如上所述，基座可从金属板冲压然后弯曲成基座形状。这种制造方法成本合算，但是形成的基座是空心的并且可能不具备在不使用附加装置（诸如热管）的情况下从发射体传导热量的必备能力。然而，应理解的是，可提供具有额外的热管理特征的冲压基座，以提供期望的热量消散。
可选地，基座可以是压铸件，但是这需要花费初期的加工成本，利用工具进行大批量制造使得这些基座在大批量时成本较合算。使用压铸法，铝质材料可用于基座，并且基座可以是在待安装LED芯片的位置具有凹部的压铸件。凹部区域应具有与LED芯片印迹（footprint）相同的形状，并且稍大于LED芯片印迹，并且凹部深度应能保持其LED芯片，使得LED芯片不会轻易地滑出凹部。进而，基座可使其表面电镀以薄的Ni/Cu或Ni/Ag层，以具有再次流动性（reflowability）。随后，可将干膜压制到凹部区域的表面中，并且整个基座可涂覆以反射涂层，诸如白漆、反射粒子、反射金属、DBR等。然后可将干膜从凹部区域除去，以露出凹部内的Cu或Ag表面，然后可将焊膏涂在表面上。然后可将LED芯片通过取放法放置在凹部中。在一些实施例中，LED芯片可具有电绝缘的背面金属化表面。凹部和焊膏的表面张力可以在回流焊（reflow）之前将LED芯片保持在适当位置。对于倾斜表面而言，基座可定向成使得重力有助于将LED芯片保持在其凹部中。在基座表面与顶面形成超过90°角度的基座的情况下，基座应该倒置，以将LED芯片保持在侧面凹部中。然后基座可以回流焊，并且顶面上具有LED芯片的基座可能需要再次回流焊。可形成正面的电引线以互相连接LED芯片。
应理解的是，根据本发明的不同制造方法可具有比上文所述更多或更少的步骤，并且在利用不同的元件时可具有不同的步骤。例如，在金属芯印刷电路板上具有表面安装LED的情况下，可使用不同的方法来安装基座。在金属芯PCB中可以切出凹槽，从而允许其弯曲以便能够环绕基座。可使用共晶焊料将金属芯PCB粘合至基座。
尽管已经参考本发明的某些优选配置详细描述了本发明，然而其他变化形式也是可行的。因此，本发明的精神和范围不应限于上述形式。

Claims (41)

1.一种灯，包括：
基座；
固态光源，位于所述基座上；
成形荧光体，远离所述固态光源，使得来自所述固态光源的至少一部分光穿过所述成形荧光体并转换为不同波长的光；以及
扩散器，将所述灯发射的光扩散成全向辐射图案，其中所述成形荧光体远离所述扩散器，
其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于90度的角度的多个侧面。
2.根据权利要求1所述的灯，其中，所述扩散器扩散来自所述固态光源的光以及来自所述成形荧光体的光。
3.根据权利要求1所述的灯，其中，所述扩散器包括扩散器圆顶。
4.根据权利要求1所述的灯，还包括散热器结构，其中，来自所述固态光源的热量穿过所述基座并进入所述散热器结构。
5.根据权利要求4所述的灯，其中，所述成形荧光体还安装至所述散热器结构。
6.根据权利要求4所述的灯，其中，所述成形荧光体包含导热材料，其中，转换热量传导至所述散热器结构。
7.根据权利要求1所述的灯，其中，所述基座是细长的，并且所述固态光源安装在所述基座的上部上。
8.根据权利要求1所述的灯，其中，所述基座至少部分地包含导热材料。
9.根据权利要求1所述的灯，其中，所述基座包括多个表面，并且所述固态光源包括多个发射体，每个所述发射体安装至一个所述表面。
10.根据权利要求9所述的灯，其中，这些侧面中的至少一些具有所述多个发射体中的一个。
11.根据权利要求1所述的灯，其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于105度的角度的多个侧面。
12.根据权利要求1所述的灯，其中，从所述光源沿不同方向发射的光线穿过所述成形荧光体的相同厚度。
13.根据权利要求1所述的灯，包括强度变化±20％或更少的全向辐射图案。
14.根据权利要求1所述的灯，包括强度变化±15％或更少的全向辐射图案。
15.根据权利要求1所述的灯，其中，所述光源包括蓝色发射体，并且所述成形荧光体包括吸收蓝光并再发射不同波长的光的荧光体，所述灯发射蓝色发光二极管LED光和转换材料光组合成的白光。
16.一种基于发光二极管LED的灯泡，包括：
细长的基座，具有多个表面，其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于90度的角度的多个侧面；
多个LED，每个所述LED能够安装至一个所述表面，所述基座包括将热量远离所述LED传导的导热路径；以及
扩散器，相对于所述LED布置，使得来自所述LED的光穿过所述扩散器，其中所述扩散器改变所述LED的辐射图案，形成期望的灯泡辐射图案，其中，所述扩散器将所述灯泡的辐射图案改变成全向图案。
17.根据权利要求16所述的灯泡，其中，所述扩散器将所述LED的辐射图案改变成全向图案。
18.根据权利要求16所述的灯泡，其中，所述扩散器包括扩散器圆顶。
19.根据权利要求16所述的灯泡，还包括布置为远离所述LED的成形荧光体，使得来自所述LED的至少一些光穿过所述成形荧光体并转换为不同波长的光。
20.根据权利要求16所述的灯泡，还包括散热器结构，其中所述导热路径热耦接至所述散热器结构。
21.根据权利要求20所述的灯泡，还包括安装至所述散热器结构的远程荧光体，来自所述远程荧光体的热量传导至所述散热器结构。
22.根据权利要求16所述的灯泡，其中，所述基座至少部分地包含导热材料。
23.根据权利要求16所述的灯泡，所述多个侧面中的至少一些具有一个所述LED。
24.根据权利要求16所述的灯泡，其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于105度的角度的多个侧面。
25.根据权利要求19所述的灯泡，其中，从所述LED沿不同方向发射的光线穿过所述成形荧光体的相同厚度。
26.根据权利要求19所述的灯泡，其中，所述LED近似于所述成形荧光体内的点光源。
27.根据权利要求17所述的灯泡，包括强度变化±20％或更少的全向辐射图案。
28.根据权利要求17所述的灯泡，包括强度变化±15％或更少的全向辐射图案。
29.一种固态灯，包括：
基座，包括多个固态光源，其中所述基座至少部分地包含导热材料；
散热器结构，所述基座热耦接至所述散热器结构，其中来自所述固态光源的热量通过所述基座传导至所述散热器结构；
远程荧光体，热耦接至所述散热器结构，其中来自所述远程荧光体的热量传导至所述散热器结构；以及
扩散器，布置成将来自所述固态灯的光散射成全向辐射图案，
其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于90度的角度的多个侧面。
30.根据权利要求29所述的固态灯，其中所述扩散器将来自所述远程荧光体和所述光源的光散射成全向图案。
31.根据权利要求29所述的固态灯，其中，来自所述固态光源的至少一些光穿过所述远程荧光体并转换成不同波长的光。
32.根据权利要求29所述的固态灯，所述侧面中的至少一些具有所述固态光源中的一个。
33.根据权利要求29所述的固态灯，其中，从所述光源沿不同方向发射的光线穿过所述远程荧光体的相同的厚度。
34.根据权利要求29所述的固态灯，其中，所述光源近似于所述远程荧光体内的点光源。
35.根据权利要求30所述的固态灯，其中，所述全向辐射图案具有±20％或更少的强度变化。
36.根据权利要求29所述的固态灯，其中，所述基座还包括热管。
37.一种基于发光二极管LED的灯泡，包括：
基座，包括多个LED，其中，所述基座至少部分地包含导热材料；
散热器结构，所述基座热耦接至所述散热器结构；
远程荧光体，相对于所述LED布置，使得来自所述LED的至少一些光穿过所述远程荧光体并转换成不同波长的光，其中，所述灯泡发射来自所述LED和所述远程荧光体的光组合成的白光；以及
扩散器，布置成将来自所述灯泡的光散射成全向辐射图案，其中所述远程荧光体远离所述扩散器，
其中，所述基座具有顶面和与所述顶面形成大于90度的角度的多个侧面。
38.根据权利要求37所述的灯泡，还包括用于将所述灯泡安装至螺口插座的螺纹部分。
39.根据权利要求37所述的灯泡，包括A级灯泡替换。
40.根据权利要求37所述的灯泡，所述扩散器包括扩散器圆顶。
41.根据权利要求37所述的灯泡，其中，所述LED发射蓝光，并且所述远程荧光体包含吸收蓝光并再发射黄光或绿光的荧光体材料。
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