TWI400819B - 用於線光源之發光二極體模組 - Google Patents
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Description
本發明係主張2006年7月24日於韓國智慧財產局所提出之第2006-0069262號韓國專利申請案的優先權，於此併入該專利案所揭露之內容供參考。
本發明係有關於一種用於線光源之發光二極體(LED)模組，更詳而言之，是有關於一種用於線光源之發光二極體模組，其增加了光發射效率以及加大了熱輻射(heat radiation)的能力。
一般而言，發光二極體(LED)晶片是由諸如是砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)等化合物材料所製成的半導體裝置，並設成發射不同顏色的光束。該發光二極體晶片是以封裝件的形式來使用，其可作為使用液晶顯示器之平面顯示器的光源。
第1圖顯示的是習用LED模組的剖視圖。
參看第1圖，習用LED模組10是以表面安裝設備(Surface Mount Device；SMD)的形式來製造，並包括了金屬核心印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board；MCPCB)12、形成在該金屬核心印刷電路板上的線路圖案(wire pattern)14以及和該線路圖案電性連接的LED封裝件16。
金屬核心印刷電路板12支撐著該LED封裝件16，並以電路
連接到該封裝件來控制該LED封裝件16的光發射。
該LED封裝件16包括了封裝件本體16a、安裝在該封裝件本體16a上的LED晶片16b以及密封該LED晶片16b的樹脂封裝材料(encapsulant)16c。在此，該LED晶片16b是為產生紅色、綠色或藍色光的點光源，並且紅色、綠色以及藍色LED晶片16b可加以結合以由該LED模組10獲得白光。
然而，因為MCPCB之低的熱輻射，所以具有上述結構的LED模組輻射來自LED晶片的熱是沒有效率的，而且當熱留在封裝件內而沒有輻射時，光的效率會降低。
此外，該LED封裝件佔據大量的空間，阻礙了小型化(miniaturization)，並且LED晶片應由迴焊製程(reflow process)來加以附著，其也增加了成本。
第2a圖顯示應用第1圖之LED模組作為背光單元(backlight unit)的示意圖，而第2b圖是顯示背光單元發光特性的圖片。
一般而言，使用在習用LED模組之LED封裝件16的光束角度最大無法調整超過±120°。因此，如第2a圖以及2b圖所示，暗點(dark spot)30會形成在僅有相當少量的光到達之光導板(light guide plate)20的部分上，並且此種暗點30降低了液晶顯示器之照明的一致性。
再者，習用LED模組在防止光在橫向方向的損失上沒有效率，進一步降低了其照明度。
本發明即在於解決前述習用技術之問題，因此本發明之態樣即在提供一種用於線光源的LED模組，其可改善光發射效率並並加大熱輻射能力。
本發明的另一個態樣則是提供一種用於線光源的LED模組，其有效地防止在橫向方向所發出之光的損失，因此獲得最大的照明度。
根據本發明的態樣，本發明提供了一種用於線光源的LED模組。該LED模組包括：具有線路圖案形成於其上的電路板；直接安裝在該電路板上並電性連接至該線路圖案的複數個發光二極體晶片，該等發光二極體晶片是位在該電路板的縱向方向上；反射壁，其係設置在該電路板上以圍繞該複數個發光二極體晶片，並反射由該複數個發光二極體晶片所發出的光；以及散熱板(heat sink plate)，其係位在該電路板下方以輻射由該發光二極體晶片所產生的熱。
現將參考所附圖式而詳細說明本發明之例示實施例。
在各圖式中，第3圖是根據本發明之實施例之用於線光源的LED模組的平面圖，而第4圖係顯示根據本發明之實施例之用於線光源的LED模組的剖視圖。
如第3圖和第4圖所示，根據本發明用於線光源的LED模組
100包括了電路板102、複數個LED晶片104、反射壁106和散熱板108。
線路圖案103是形成在電路板102上，以供應電力以及電性信號到LED晶片104。
此外，通孔(via)105是形成穿越電路板102以協助將來自LED晶片104的熱輻射到散熱板108。
也就是說，電路板102具有穿透其本身的通孔105，以促進散熱板108的附著，並協助將LED晶片所產生的熱有效地輻射到外部。
複數個LED晶片104是直接地安裝在電路板102上，並設置在該電路板102的縱向方向，以利於和線路圖案103電性連接，因而形成線光源。
例如，每一個LED晶片104可以是選自由氮化鎵基(GaN-based)、砷化鎵基(GaAs-based)、磷化鎵基(GaP-based)、氮化銦鎵基(InGaN-based)、氮化銦鋁鎵基(InAlGaN-based)、磷化銦鎵基(InGaP-based)以及磷砷化銦鎵基(InGaAsP-based)半導體所組成之群組的材料而製成，而且依據其形式以及使用而可以是磊晶側向上(epitaxial-side-up；epi-up)、覆晶黏結(flip bonding)以及垂直類型之任何一者。
在本發明中，電路板102較佳地是陶磁電路板。這是因為在和現存的MCPCB比較後，陶磁電路板經過圖案化以及沈積製程
來形成通孔時是有利的。此外，MCPCB因為其材料特性的關係需要在將被附接在散熱板(稍後描述)之金屬間銲接，但是陶磁電路板僅需以玻璃基(glass-based)之黏膠來簡單的附著在散熱板上。
反射壁106是設置在電路板102上以圍繞複數個LED晶片104，因而反射來自該複數個LED晶片的光。在此時，高度較高的反射壁106可增加光抽取效率(light extraction efficiency)，但會導致大尺寸的LED模組。相反地，高度較低的反射壁106減小了LED模組的尺寸，但卻降低了光抽取效率。因此較佳地則是反射壁106具有範圍0°至180°的角度，以利於平衡光束角度以及光抽取效率。
此外，反射壁106是配置成具有適當的高度以及厚度，以使LED模組可作為背光單元。較佳地，反射壁106協助光以大約180°的輻射樣式(radiation pattern)從LED晶片104發光並穿過樹脂封裝材料107a和107b，以使LED模組能最佳地作用為線光源而不會有任何光的損失。
在實施例中，反射壁106是由一種具有光反射率在90至99%的高度反射金屬層來製成。這種高度反射金屬層是選自由銀、鋁、銠、鎳、銅、鎢、鈦以及其上之合金所組成之群組的其中一種金屬而製成。
在另一實施例中，反射壁106可被製成具有藉著電解液以及非電解液電鍍而塗佈在鄰近於LED晶片104之內側的高度反射金
屬層的非導電性壁結構(未顯示)。該非導電性壁結構是由，例如，聚合物材料或是陶磁材料製成，其具有低反射率而且不昂貴。在此時，若非導電性壁結構是由陶磁材料製成，其可和電路板102一體成形。也就是說，在該電路板102是本發明之實施例中的陶磁電路板的情形下，該非導電性壁結構連同該電路板102可受到塑性加工(plastic working)，然後在其外部表面上塗佈著高度反射金屬層。
在本發明中，反射壁106具有防止在橫向方向上所散發光之損失的優點。也就是說，參看第3圖的平面圖，位在電路板之相對週部之反射壁106將在X軸方向偏離的光集中於所欲發光的方向，並將從該電路板Y軸方向所偏離的光集中向上，以免光的散失，因此在和傳統的LED模組比較下能夠將照明度予以最大化。
散熱板108是形成在電路板102的下方以將由LED晶片104所產生的熱輻射到外部。尤其地，散熱板108以及形成在電路板102上之通孔105強化了LED模組的熱輻射能力。
也就是說，散熱板108將電路板102之LED晶片104所產生的熱傳到該電路板102之下端，以協助將熱輻射到外部。
散熱板108可以由和反射壁106相同的材料製成，並且當然地，為了有效的熱輻射，其亦可由兩種不同的材料的組合來製成。
較佳地，散熱板可以選自由鋁、鎳、銅、鎢、鈦以及上述之至少兩種合金所組成之群組之其中一者來製成。
每一個LED晶片104是由具有上半球形的樹脂封裝材料107a來加以密封，並且該樹脂封裝材料107a可以讓由LED晶片104所發出的光在各方向上都呈現均勻。
第5和6圖顯示的是根據本發明之其它實施例之樹脂封裝材料的剖視圖。
第5圖的樹脂封裝材料107b是配置成將所有的LED晶片104密封在一起。
另一方面，第6圖之樹脂封裝材料107a和107b是由雙層構成，其包括了具有上半球形的第一樹脂封裝材料107a，及將該第一樹脂封裝材料107a密封起來之第二樹脂封裝材料107b。在此時，較佳的是第一樹脂封裝材料107a具有大於第二樹脂封裝材料107b之折射指數(refractive index)n2的折射指數n1(n1>n2)。也就是說，在LED晶片以及外界空氣間的折射指數的差異係經過該第一樹脂封裝材料107a和該第二樹脂封裝材料107b而以逐步的方式減緩。
根據本發明的樹脂封裝材料可藉由施行一種具有含特殊顏色座標混合在其內之磷光劑的透明樹脂來完成。例如，由藍色晶片所發出的光可透過磷光劑以及矽樹脂混合而轉換成白光。也就是說，混合在樹脂封裝材料內之磷光劑的類型以及量均可加以調整，以製造出可發出所需波長或是合併波長之光的LED晶片。
在本發明中，白光的輸出可藉由將藍色、紅色以及綠色LED
晶片；藍色晶片以及黃色磷光劑；紫外線LED晶片以及紅色、綠色和藍色磷光劑；以及藍色、紅色LED晶片與綠色磷光劑的結合而獲得。
根據本發明，較佳地是藍色LED晶片具有430至480nm的峰值波長、綠色LED晶片具有510至550nm的峰值波長，而紅色LED晶片具有610至700nm的峰值波長。
此外，根據本發明，較佳地是綠色磷光劑具有200至500nm的激態波長(excited wavelength)以及500至570的峰值波長，紅色磷光劑具有610至700nm的峰值波長，而藍色磷光劑具有200至500nm的峰值波長。
根據例示實施例，為了能獲得高品質且具有改良的顏色再現性(color reproducibility)的白光，根據本發明的LED晶片是具有370至470nm的峰值波長，並且磷光劑會受到該LED晶片的激發而在由顏色座標(0.556056，0.44084)、(0.625335，0.37419)和(0.734641，0.26536)所界定的三角區域內發光。
為了參考，由根據本發明之樹脂封裝材料所發出的光具有範圍為10至180°的光束角度。
第7a圖是顯示應用根據本發明之用於線光源的LED模組作為背光單元的概念圖，並且第7b圖係顯示背光單元之發光特性的圖片。
根據本發明之用於線光源的LED模組較佳地是可被應用作為
在光導面板(light guide panel)的一側具有至少一個光源之側光式(edge type)背光單元。
如第7a圖和第7b圖所示，LED晶片104是透過晶片直銲基板(chip-on-board；COB)的方法而將LED晶片104直接地安裝在電路板上，而不需要個別的LED封裝件，其可朝上調整光束角度幾乎達到180°。並且，反射壁106有效地防止在橫向方向上(Y軸方向)偏移的光之損失，並允許以大約180°的輻射樣式來發出光，因而解決了形成在光導面板20上之暗點的習知問題。因此，根據本發明的例示實施例，可根本地消除降低液晶顯示器之照明度的因素。
根據前述的本發明，LED晶片是直接安裝在電路板上，而不需要個別的LED封裝件，因此顯著地增加了光束的角度。此外，在橫向方向中所發出的光可有效地反射在所需的發射方向上，也就是說，強化了在一個方向上之光的線性，因此改善了作為背光單元之LED模組的照明度。
因此，在和傳統LED封裝件比較下，可以較少的LED晶片數目而達到足夠程度的照明，尤其地，由LED晶片所產生的熱是輻射到位在電路板下方的散熱板，因此確保了高可靠性。
雖然業已結合例示實施例來顯示及說明本發明，但顯而易見的是，所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離如所附申請專利範圍所定義的本發明之範疇與精神下進行修改及變化。
10‧‧‧LED模組
12‧‧‧金屬核心印刷電路板
14‧‧‧線路圖案
16‧‧‧LED封裝件
16a‧‧‧封裝件本體
16b‧‧‧LED晶片
16c‧‧‧樹脂封裝材料
20‧‧‧光導板、光導面板
30‧‧‧暗點
100‧‧‧LED模組
102‧‧‧電路板
103‧‧‧線路圖案
104‧‧‧LED晶片
105‧‧‧通孔
106‧‧‧反射壁
107a、107b‧‧‧樹脂封裝材料
108‧‧‧散熱板
從上述詳細說明配合所附圖式將使本發明之上述及其他目的、特徵與其他優點更為清楚易懂，其中：第1圖係顯示傳統LED模組的剖視圖；第2a圖係顯示應用傳統LED模組作為背光單元的示意圖，以及第2b圖是顯示背光單元之發光特性的圖片；第3圖係顯示根據本發明之實施例之用於線光源的LED模組的平面圖；第4圖係顯示根據本發明之實施例之用於線光源的LED模組的剖視圖；第5圖和第6圖係顯示根據本發明之另一實施例之LED模組的剖視圖；以及第7a圖係顯示應用根據本發明作為背光單元的LED模組的示意圖，而第7b圖顯示背光單元之發光特性的圖片。
102‧‧‧電路板
103‧‧‧線路圖案
104‧‧‧LED晶片
105‧‧‧通孔
106‧‧‧反射壁
107a‧‧‧樹脂封裝材料
108‧‧‧散熱板
Claims (18)
- 一種用於線光源之發光二極體模組，包括：電路板，具有形成於其上的線路圖案；複數個發光二極體晶片，其係直接地安裝在該電路板上並電性連接至該線路圖案，該等發光二極體晶片是設置在該電路板的縱向方向上；反射壁，其係設置在該電路板上以圍繞該複數個發光二極體晶片，該反射壁是用以將來自該複數個發光二極體晶片的光予以反射；散熱板，其係在該電路板的下方，用以將由該等發光二極體晶片所產生的熱予以輻射；以及穿透該電路板而形成的通孔，以協助將熱輻射到該散熱板，其中，每一貫穿該電路板的該等通孔分別設置在每一該等發光二極體晶片下方，以及各該發光二極體晶片係分別與其中一個通孔至少部分接觸。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該電路板包括陶磁電路板。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該等發光二極體晶片之各者包括選自由氮化鎵基(GaN-based)、砷化鎵基(GaAs-based)、磷化鎵基(GaP-based)、氮化銦鎵基(InGaN-based)、氮化銦鋁鎵基(InAlGaN-based)、磷化銦鎵基(InGaP-based)以及磷砷 化銦鎵基(InGaAsP-based)之半導體所組成的群組中的材料。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該反射壁包括高度反射性金屬層。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該反射壁包括具有塗佈在其內側並靠近於該等發光二極體晶片之高度反射性金屬層的非導電性壁結構。
- 如申請專利範圍第4項之發光二極體模組，其中，該高度反射性金屬層包括選自由銀(Ag)、鋁(Al)、銠(Rh)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鎢(W)、鈦(Ti)以及其合金所組成之群組中的至少一者。
- 如申請專利範圍第5項之發光二極體模組，其中，該非導電性壁結構包括聚合物材料或是陶磁材料。
- 如申請專利範圍第7項之發光二極體模組，其中，該電路板包括陶磁電路板，並且該非導電性壁結構包括該陶磁材料以便和該電路板一體成形。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該散熱板包括選自由鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鎢(W)、鈦(Ti)以及至少兩種上述材料的合金所組成之群組中之一者。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，復包括樹脂封裝材料，用以將所有的該等發光二極體晶片一起密封。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，復包括具有半球形上表面的樹脂封裝材料，用以密封該等發光二極體晶片之各 者。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，復包括雙層的樹脂封裝材料，由第一樹脂封裝材料及第二樹脂封裝材料所構成，該第一樹脂封裝材料具有上半球形表面用於密封該等發光二極體晶片之各者，該第二樹脂封裝材料用於密封該第一樹脂封裝材料。
- 如申請專利範圍第12項之發光二極體模組，其中，該第一樹脂封裝材料具有大於該第二樹脂封裝材料之折射指數的折射指數。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該等發光二極體晶片包括藍色、紅色和綠色發光二極體晶片的結合。
- 如申請專利範圍第10項之發光二極體模組，其中，該樹脂封裝材料包括混合在其中的磷光劑。
- 如申請專利範圍第15項之發光二極體模組，其中，該複數個發光二極體晶片包括藍色發光二極體晶片，而該磷光劑包括黃色磷光劑。
- 如申請專利範圍第15項之發光二極體模組，其中，該等發光二極體晶片之各者具有370nm至470nm的峰值波長，且該磷光劑會受到該發光二極體的激發而在由顏色座標(0.556056，0.44084)、(0.625335，0.37419)和(0.734641，0.26536)所界定的三角區域中發光。
- 如申請專利範圍第1項之發光二極體模組，其中，該發光二極體模組是作為用於側光式背光單元的光源。
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