TWI409975B - 具大發光角度之光源裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

具大發光角度之光源裝置及其製造方法

本發明係關於一種光源裝置及其製造方法；具體而言，本發明係關於一種可避免光線過度集中之光源裝置及其製造方法。

顯示面板及使用顯示面板之面板顯示裝置已漸漸成為各類顯示裝置之主流。例如各式面板顯示屏、家用的平面電視、個人電腦及膝上型電腦之平板型監視器、行動電話及數位相機之顯示幕等，均為大量使用顯示面板之產品。特別是近年來液晶顯示裝置的市場需求大幅成長，為配合液晶顯示裝置在功能上及外觀上之要求，液晶顯示裝置所使用之背光模組設計也日趨多元化。

為追求更輕薄的尺寸及較節省的用電量，發光二極體元件已被大量使用作為提供光線之來源。無論採用側光式或直下式的背光模組設計，均可使用發光二極體作為光源。如圖1所示，傳統的發光二極體元件包含有基座10，其上設置有發光二極體晶片20。基座10上另形成有封裝膠材30，以對發光二極體晶片20進行封裝。封裝膠材30之表面31通常形成為凸面。

由於凸面之幾合特性，容易使光線集中於發光二極體元件的正向。當與背光模組配合時，此一光線集中的特性易造成背光模組的局部亮點現象，影響顯示裝置之影像品質。為解決此一問題，通常需增加背光模組中混光的距離，進而造成整體厚度的增加。另一解決的方式為增加背光模組中擴散板的數量，但此一方式亦會造成整體厚度及成本的增加。

本發明之一目的在於提供一種光源裝置及其製造方法，可避免光線過度集中。

本發明之另一目的在於提供一種光源裝置及其製造方法，可將光線導引至較偏離中心的角度出光。

光源裝置包含有基座、發光晶片以及封裝鏡體。發光晶片係設置於基座上；封裝鏡體則覆蓋於基座上，並包圍發光晶片。除連接基座之一面外，封裝鏡體曝露於空氣的部分即形成為外表面。外表面主要包含兩個部分：內環凸面及外環凸面。外環凸面包圍在內環凸面外側以圍成一環形。內環凸面形成為喇叭狀之弧面，且圍成一底窄口寬之錐狀空間。內環凸面之外緣與外環凸面之內緣相連接，並被外環凸面之內緣圍繞。

發光晶片係位於內環凸面於基座上之投影範圍內，因此發光晶片產生的光線可有較大部分直接投射至內環凸面上。部分發光晶片產生的光線在內環凸面處產生折射，並直接射出封裝鏡體。而另外有部分發光晶片產生的光線則被內環凸面直接反射至外環凸面，並在外環凸面處直接出射或折射而離開封裝鏡體。藉由內環凸面及外環凸面之配合，可避免發光晶片產生的光線集中在封裝鏡體的中間位置出射，進而有效分散光線出射的角度及範圍。

光源裝置的製造方法主要包含下列步驟：形成基座；設置發光晶片於基座上；形成封裝鏡體覆蓋於基座上；以及於封裝鏡體連接杯壁之外表面上形成內環凸面及外環凸面，使內環凸面直接反射發光晶片產生之部分光線至外環凸面，並使被反射之光線直接自外環凸面離開封裝鏡體。

本發明係提供一種光源裝置及其製造方法。在較佳實施例中，光源裝置係為一發光二極體發光裝置；然而在不同實施例中，亦可以其他發光機制取代發光二極體中之二極體晶片。光源裝置較佳係供背光模組使用，特別是供直下式背光模組使用。以較佳實施例而言，此背光模組係供液晶顯示裝置使用。然而在不同實施例中，此背光模組亦可供電腦鍵盤、行動電話按鍵、看板及其他需要平面光源之裝置使用。進一步而言，本發明更包含使用此光源裝置及背光模組之液晶顯示裝置。在較佳實施例中，本發明之液晶顯示裝置係包含一彩色液晶顯示裝置。然而在不同實施例中，本發明之液晶裝置亦可包含單色之液晶顯示裝置。此外，液晶顯示裝置係泛指使用液晶面板之顯示裝置，包含家用的液晶電視、個人電腦及膝上型電腦之液晶監視器、行動電話及數位相機之液晶顯示幕等。

如圖2所示，光源裝置包含有基座100、發光晶片200以及封裝鏡體300。基座100較佳為一印刷電路板或其他可承載電路的基板，其上並設有連接墊或接塊供與發光晶片200電連接；然而在不同實施例中，基座100亦可為形成為杯體狀，並圍成一容納空間供設置發光晶片200。發光晶片200係設置於基座100上。在較佳實施例中，發光晶片200係包含至少一個二極體晶粒所形成的發光二極體晶片；然而在不同實施例中，亦可以其他發光機制取代發光二極體晶片而做為發光晶片200。發光晶片200較佳係平躺設置於基座100上，並具有發光頂面210朝向基座100之反方向發光。發光頂面210較佳係為矩形平面，但亦可隨發光晶片200之形狀而改變為不同形狀的平面或曲面。

在圖2所示之實施例中，封裝鏡體300係覆蓋於基座100上，並包圍發光晶片200。封裝鏡體300係可採用液態封裝材料或固態封裝材料，材質可選自環氧樹脂、矽樹脂或其他聚合物材質。此外，封裝鏡體300亦可配合不同色彩上或亮度上需求而加入適當的混合物，例如螢光粉等。如圖2所示，在將封裝鏡體300設置於基座100上後，即形成近半球形或近圓盤形之結構。然而在不同實施例中，封裝鏡體300亦可形成為半橢球形或近橢圓盤形之結構。

除連接基座100之一面外，封裝鏡體300曝露於空氣的部分即形成為外表面310。如圖2及圖3所示，外表面310的邊緣連接於基座100之表面。外表面310主要包含兩個部分：內環凸面330及外環凸面350。此處所言之凸面，係指外表面310在此處相對於封裝鏡體300之內部向外突出形成弧面。外環凸面350係包圍在內環凸面330外側以圍成一環形。相對於封裝鏡體300之內部，外環凸面350係向外突出且較佳為連續而無奇點的表面(邊緣位置除外)。在較佳實施例中，外環凸面350係為自外凸球弧面上截取一部分環形區域所形成。此處所言之球弧面係可包含部分之正圓球弧面、橢圓球弧面或其他形式之球弧面。在圖3所示之實施例中，外環凸面350係直接連接至基座100，且在連接處垂直於基座100。此外，此實施例中外環凸面350在徑向截面上形成的弧線係為四分之一的正圓弧線。

如圖2及圖3所示，內環凸面330形成為喇叭狀之弧面，且圍成一底窄口寬之錐狀第一空間339；而內環凸面330即向第一空間339凸出。內環凸面330之外緣與外環凸面350之內緣相連接，並被外環凸面350之內緣圍繞。由於內環凸面330及外環凸面350均為外凸面，因此兩者之接合位置可以選擇性形成為連續或不連續之介面。在圖2及圖3所示之實施例中，內環凸面330及外環凸面350之接合位置為連續，因此無尖點或脊線的產生；然而在不同實施例中，兩者亦可以不連續方式接合，此時即會在接合位置產生脊線。此外，在不同實施例中，內環凸面330及外環凸面350之間亦可夾有其他平面、凸面或凹面之設置，以提供不同的光學效果。

如圖3所示，發光晶片200較佳係位於內環凸面330於基座100上之投影範圍內，因此發光晶片200產生的光線可有較大部分直接投射至內環凸面330上。部分發光晶片200產生的光線410在內環凸面330處產生折射，並直接射出封裝鏡體300。而另外有部分發光晶片200產生的光線430則被內環凸面330直接反射至外環凸面350，並在外環凸面350處直接出射或折射而離開封裝鏡體300。藉由內環凸面330及外環凸面350之配合，可避免發光晶片200產生的光線集中在封裝鏡體300的中間位置出射，進而有效分散光線出射的角度及範圍。

如圖4所示，外環凸面350及內環凸面330在封裝鏡體300之同一徑向截面上分別具有第一曲率半徑R₁ 及第二曲率半徑R₂ 。此徑向截面較佳係以發光晶片200之中心為徑向中心以形成截面；然而在不同實施例中，亦可以發光晶片200邊緣上之任一點作為徑向中心來形成截面。在此實施例中，外環凸面350及內環凸面330之曲率均為固定，因此第一曲率半徑R₁ 及第二曲率半徑R₂ 即為外環凸面350及內環凸面330上各點的曲率半徑。然而在不同實施例中，若外環凸面350及內環凸面330之曲率不固定，則第一曲率半徑R₁ 及第二曲率半徑R₂ 即為外環凸面350及內環凸面330上各點之平均曲率半徑。在較佳實施例中，第一曲率半徑R₁ 及第二曲率半徑R₂ 之總合介於整個封裝鏡體300在同一徑向截面上的半徑D/2及直徑D之間，且第一曲率半徑R₁ 係與第二曲率半徑R₂ 相異，以造成外環與內環間的不對稱。以此一關係來看，當第一曲率半徑R₁ 增加時，第二曲率半徑R₂ 較佳即隨之減小，以控制兩者間之關係符合上述要求。此外，在較佳實施例中，第一曲率半徑R₁ 係大於第二曲率半徑R₂ ，以增加設計及運用上的便利性。

如圖4所示，封裝鏡體300在同一徑向截面上具有一最大高度H。在此實施例中，由於外環凸面350在此徑向截面上係形成四分之一的正圓弧，且內環凸面330與外環凸面350係以連續方式相連接，因此最大高度H係產生於外環凸面350及內環凸面330交界處與基座100之間。在較佳實施例中，第一曲率半徑R₁ 與最大高度H之比值R₁ /H係介於0.6到1之間。藉由達成此一關係，可有效提高內環凸面330將光線直接反射至外環凸面350的效果。

藉由此設計，亦可將光源裝置之主要出光角度導至與中心線偏離60度以上之角度。如圖5所示，當第一曲率半徑R₁ 係為0.95mm，第二曲率半徑R₂ 為1.15mm，最大高度H為1.25mm，徑向截面之直徑D為小於5mm時，即可得到如圖5所示之出光角度分佈。由圖5可知，出光量/光線強度最高之出射角度係介於60度至70度之間。

在圖6所示之實施例中，光源裝置進一步包含螢光粉層700覆蓋發光晶片200；而封裝鏡體300則包圍於螢光粉層700外側。螢光粉層700之厚度較佳係小於100μm。藉由較集中於發光晶片200外側且較薄之螢光粉層700，可有效控制並減小光源裝置在不同出光角度上的出射光線間所產生的色差。螢光粉層700較佳係可由黃綠螢光粉所組成，例如YAG螢光粉；然而在不同實施例中，亦可由紅綠螢光粉所組成。

在圖7A所示之實施例中，螢光粉層700可形成為杯狀，且包含有杯底710及杯壁730。杯狀之螢光粉層700覆蓋於發光晶片200上，亦即，發光晶片200係為杯底710以及杯壁730所包覆，而發光晶片200所產生的光線需於穿過杯底710，或者穿過杯底71與部分杯壁730後始能向外射出。杯底710可選擇性為圓形、方形、矩形或其他形狀。杯壁730係圍繞在杯底710之上部，且杯壁730與杯底710的外緣圍成一第二空間750，供封裝鏡體200填入。在此實施例中，杯壁730在接近杯底710之中央位置時具有較小厚度，亦即杯壁730之外緣表面朝杯底710中央傾斜。因此杯壁730與杯底710外緣所圍成之第二空間750係為朝杯底710中央收縮的餅形空間。換言之，螢光粉層700之厚度係呈外側厚而中央薄的設計。然而在圖7B所示之實施例中，杯壁730較厚朝杯底710傾斜幅度較明顯，因此第二空間750即形成為朝杯底710中央收縮的錐形空間。藉由上述螢光粉層700之形狀與內環凸面330及外環凸面350搭配，可更有效控制並減小光源裝置在不同出光角度上的出射光線間所產生的色差。

另外在圖7C所示之實施例中，螢光粉層700亦可形成為半球狀，且表面係突向封裝鏡體300。在圖7D所示之實施例中，螢光粉層700則形成為凸錐狀，且突向內環凸面330所圍成底窄口寬之第一空間339。換言之，螢光粉層700之厚度係呈外側薄而中央厚的設計。此二實施例中之螢光粉層700之形狀與內環凸面330及外環凸面350搭配，亦可有效控制並減小光源裝置在不同出光角度上的出射光線間所產生的色差。

本發明同時包含了光源裝置的製造方法。在圖8所示之實施例流程圖中，步驟810包含：形成基座。在較佳實施例中，基座係形成為印刷電路板，其上並設有接塊或連接墊供與發光晶片電連接。步驟830包含：設置發光晶片於基座上。在較佳實施例中，發光晶片係由發光二極體晶粒所形成；然而在不同實施例中，發光晶片亦可由其他材質所形成。設置發光晶片時並同時將其與基座上之接塊或連接墊電連接，以供傳遞訊號。

步驟850包含：形成封裝鏡體覆蓋於基座上，並包圍發光晶片。在較佳實施例中，係以注入方式將封裝鏡體之液態材質形成於基座及發光晶片上，接著再以光硬化、熱固或其他硬化方法使封裝鏡體硬化。此外，在注入封裝鏡體之材質時，較佳需注意注入之體積，以控制最終形成封裝鏡體之各部分尺寸。

步驟870包含：於封裝鏡體連接杯壁之外表面上形成內環凸面及外環凸面，使內環凸面直接反射發光晶片產生之部分光線至外環凸面，並使被反射之光線直接自外環凸面離開封裝鏡體。在較佳實施例中，係可將封裝鏡體之材質注入具有與其外表面對應形狀之模具中，以於封裝鏡體之外表面上形成底窄口寬之空間，並形成內環凸面和外環凸面之形狀。接著再將模具及封裝鏡體覆蓋於基座及發光晶片上，並以光硬化、熱固或其他硬化方式使封裝鏡體硬化。然而在不同實施例中，亦可先使封裝鏡體硬化後，再以打磨或其他方式於封裝鏡體之外表面上形成內環凸面。

在進行步驟870時，較佳需決定出內環凸面及外環凸面在同一徑向截面上所分別具有之第一曲率半徑及第二曲率半徑。在較佳實施例中，第一曲率半徑及第二曲率半徑係不相同，以使內環凸面與外環凸面不對稱。為得到較佳之光學效果及光線分佈，需限制第一曲率半徑及第二曲率半徑之總合介於同一徑向截面之半徑及直徑之間。以此一關係來看，可以反比關係調整第一曲率半徑及第二曲率半徑之值；換言之，當增加第一曲率半徑時，即隨之減小第二曲率半徑之值；反之亦然。此外，在較佳實施例中，第一曲率半徑R₁ 係大於第二曲率半徑R₂ ，以增加設計及運用上的便利性。

在較佳實施例中，亦可同時限制第一曲率半徑與封裝鏡體之最大高度比值係介於0.6到1之間。當選定一比值後，亦可藉由反比關係調整第一曲率半徑及封裝鏡體之最大高度。藉由達成此一關係，可有效提高內環凸面330將光線直接反射至外環凸面350的效果。

在圖9所示之實施例中，光源裝置之製造方法進一步包含890：覆蓋螢光粉層於發光晶片外，封裝鏡體則包圍於螢光粉層外側，且螢光粉層之厚度較佳係小於100μm。藉由較集中於發光晶片外側且較薄之螢光粉層，可有效控制並減小光源裝置在不同出光角度上的出射光線間所產生的色差。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100．．．基座

200．．．發光晶片

210．．．發光頂面

300．．．封裝鏡體

310．．．外表面

330．．．內環凸面

339．．．第一空間

350．．．外環凸面

410．．．光線

430．．．光線

700．．．螢光粉層

710．．．杯底

730．．．杯壁

750．．．第二空間

圖1為傳統直下式背光模組使用之發光二極體元件示意圖；

圖2為本發明光源裝置之實施例示意圖；

圖3為光源裝置之實施例剖面圖；

圖4為光源裝置之實施例光線路徑圖；

圖5為光源裝置之實施例光線分佈圖；

圖6為光源裝置包含螢光粉層之實施例示意圖；

圖7A至圖7D為螢光粉層之不同實施例示意圖；

圖8為光源裝置製造方法之實施例流程圖；

圖9為光源裝置製造方法之另一實施例流程圖。

100．．．基座

200．．．發光晶片

210．．．發光頂面

300．．．封裝鏡體

310．．．外表面

330．．．內環凸面

339．．．第一空間

350．．．外環凸面

Claims (27)

1. 一種光源裝置，包含：一基座；一發光晶片，設置於該基座上；以及一封裝鏡體，覆蓋於該基座上並包圍該發光晶片；該封裝鏡體具有一外表面，該外表面包含一內環凸面及一外環凸面，該外環凸面係圍繞該內環凸面；其中，該內環凸面係圍成底窄口寬之一第一空間；其中，該發光晶片係位於該內環凸面於該基座上之投影範圍內，該發光晶片產生之部分光線經由該內環凸面直接反射至該外環凸面，並直接自該外環凸面離開該封裝鏡體；該外環凸面於該封裝鏡體之一徑向截面上具有一第一曲率半徑，且該第一曲率半徑與該封裝鏡體於該徑向截面上最大高度之比值介於0.6及1之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該內環凸面於該封裝鏡體之該徑向截面上具有一第二曲率半徑，該第一曲率半徑及該第二曲率半徑之總合介於該徑向截面之半徑及直徑之間，且該第一曲率半徑係異於該第二曲率半徑。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該最大高度係產生於該內環凸面與該外環凸面之交界位置與該基座之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該外環凸面係連接至該基座，且在連接處垂直於該基座。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光源裝置，其中該第一曲率半徑係大於該第二曲率半徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，進一步包含一螢光粉層覆蓋該發光晶片，該封裝鏡體係包圍於該螢光粉層外；其中該螢光粉層之厚度係小於100μm。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成杯狀，具有一杯底及一杯壁，該發光晶片係位於該杯底與該杯壁內，該杯壁係圍繞於該杯底上部，且該杯壁與該杯底之外緣圍成一第二空間，該封裝鏡體係充填該第二空間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光源裝置，其中該杯壁於接近該杯底中央時具有較小厚度，並圍成該第二空間為朝該杯底中央收縮之錐形空間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之光源裝置，其中該杯壁於接近該杯底中央時具有較小厚度，並圍成該第二空間為朝該杯底中央收縮之餅形空間。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成為半球狀，且突向該封裝鏡體。
11. 如申請專利範圍第6項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成為凸錐狀，且突向該內環凸面係圍成之該第一空間。
12. 一種光源裝置，包含：一基座；一發光晶片，設置於該基座上；以及一封裝鏡體，覆蓋於該基座上並包圍該發光晶片；該封裝鏡體具有一外表面，該外表面包含一內環凸面及一外環凸面，該外環凸面係圍繞該內環凸面；其中，該內環凸面係圍成底窄口寬之一第一空間； 其中，該發光晶片係位於該內環凸面於該基座上之投影範圍內，該外環凸面及該內環凸面於該封裝鏡體之同一徑向截面上分別具有一第一曲率半徑及一第二曲率半徑，該第一曲率半徑及該第二曲率半徑之總合介於該徑向截面之半徑及直徑之間，且該第一曲率半徑係異於該第二曲率半徑，且該發光晶片產生之部分光線經由該內環凸面直接反射至該外環凸面，並直接自該外環凸面離開該封裝鏡體。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光源裝置，其中該第一曲率半徑與該封裝鏡體於該徑向截面上最大高度之比值介於0.6及1之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光源裝置，其中該最大高度係產生於該內環凸面與該外環凸面之交界位置與該基座之間。
15. 如申請專利範圍第13項所述之光源裝置，其中該外環凸面係連接至該基座，且在連接處垂直於該基座。
16. 如申請專利範圍第12項所述之光源裝置，其中該第一曲率半徑係大於該第二曲率半徑。
17. 如申請專利範圍第12項所述之光源裝置，進一步包含一螢光粉層覆蓋該發光晶片，該封裝鏡體係包圍於該螢光粉層外；其中該螢光粉層之厚度係小於100μm。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成杯狀，具有一杯底及一杯壁，該發光晶片係位於該杯底與該杯壁內，該杯壁係圍繞於該杯底上部，且該杯壁與該杯底之外緣圍成一第二空間，該封裝鏡體係充填該第二空間。
19. 如申請專利範圍第18項所述之光源裝置，其中該杯壁於接近 該杯底中央時具有較小厚度，並圍成該第二空間為朝該杯底中央收縮之錐形空間。
20. 如申請專利範圍第18項所述之光源裝置，其中該杯壁於接近該杯底中央時具有較小厚度，並圍成該第二空間為朝該杯底中央收縮之餅形空間。
21. 如申請專利範圍第17項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成為半球狀，且突向該封裝鏡體。
22. 如申請專利範圍第17項所述之光源裝置，其中該螢光粉層係形成為凸錐狀，且突向該內環凸面係圍成之該第一空間。
23. 一種光源裝置製造方法，包含下列步驟：形成一基座；設置一發光晶片於該基座上；以及形成一封裝鏡體覆蓋於該基座上並包圍該發光晶片；於該封裝鏡體之一外表面上形成一內環凸面及一外環凸面，該外環凸面係圍繞該內環凸面，該內環凸面係圍成底窄口寬之一第一空間，包含：於同一徑向截面上決定該外環凸面具有之一第一曲率半徑；使該第一曲率半徑與該封裝鏡體於該徑向截面上最大高度之比值介於0.6及1之間；其中，該內環凸面直接反射該發光晶片產生之部分光線至該外環凸面，並使該部分光線直接自該外環凸面離開該封裝鏡體。
24. 如申請專利範圍第23項所述之製造方法，其中該內環凸面及該外環凸面形成步驟包含： 於該徑向截面上決定該內環凸面具有之一第二曲率半徑；其中，該第一曲率半徑係異於該第二曲率半徑；以及使該第一曲率半徑及該第二曲率半徑之總合介於該徑向截面之半徑及直徑之間。
25. 如申請專利範圍第23項所述之製造方法，其中該內環凸面及該外環凸面形成步驟包含：使該最大高度產生於該內環凸面與該外環凸面之交界位置與該基座之間。
26. 如申請專利範圍第24項所述之製造方法，其中該內環凸面及該外環凸面形成步驟包含：以反比方式調整該第一曲率半徑及該第二曲率半徑之值。
27. 如申請專利範圍第23項所述之製造方法，進一步包含下列步驟：覆蓋一螢光粉層於該發光晶片外，使該封裝鏡體係包圍於該螢光粉層外；其中該螢光粉層之厚度係小於100μm。