TWI464915B - 發光裝置及其製作方法、燈泡 - Google Patents

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Description

發光裝置及其製作方法、燈泡
本發明係有關於一種發光二極體裝置及製作方法。
發光二極體裝置廣泛用於各種用途，包括指示燈、光感測器、交通號誌、寬頻資料傳輸及照明應用。發光二極體裝置因為耗電量低與壽命長，在照明應用方面特別受到注目。發光二極體裝置因為放射出的光通常分佈在一相對小的角度，造成狹窄的光射出角且效果不同於自然照明或某些形式的白熾照明，而使照明應用受到限制。
例如，發光二極體裝置常用於可供取代傳統白熾燈泡(如使用在典型燈具的白熾燈泡)的照明裝置。這些照明裝置需要一相對寬廣的光分佈角(light distribution)，與傳統白熾燈泡所提供的相似，故需要一可發散廣角光線及出光與白熾燈泡相似的發光二極體裝置。
本發明一實施例提供一種發光裝置，包括：一發光二極體裝置，位於一基板上；一散熱器，熱能上與該發光二極體裝置連接；以及一覆罩，固定在該基板上且覆蓋該發光二極體裝置，其中該覆罩包括一同時具有散射及反射特性之塗覆材料。
本發明另一實施例提供一種燈泡，包括：一發光二極體裝置，位於一基板上；以及一覆罩，固定在該基板上且覆蓋該發光二極體裝置，其中該覆罩為球形且具有一相對窄的頸部延伸至該發光二極體裝置，其中該覆罩之寬度小於該覆罩之高度；其中該覆罩包括一散射透鏡(diffusion lens)及一塗覆於該散射透鏡一內表面之塗覆材料，其中該散射透鏡包括聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中至少一種材料，其中該塗覆材料包括一混合二氧化鈦(TiO2 )之樹脂。
本發明又一實施例提供一種發光裝置的製作方法，包括：提供一散射透鏡，包括聚碳酸酯(PC)及/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；於該散射透鏡之一內表面被覆一混合樹脂及反射性材料之塗覆材料；硬化(curing)該散射透鏡之塗覆內表面以形成一覆罩；以及放置該覆罩於一發光二極體裝置上方。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明提供數種不同實施態樣(或實施例)，以具體化本發明之不同特徵。元件與配置方式的特定實施例如下述，用以簡化本發明。這些實施例為極少數且發明不侷限於此。本發明之揭示內容可能在不同實施例中使用重複的參考數字及/或字母，該重複是為了簡化，並不代表這些實施例及/或討論之圖示彼此具有關係。
第1圖為一發光裝置100的剖面圖。第2~3圖為根據數個實施例所作之裝設在發光裝置100中的發光二極體裝置俯視圖。第4圖為根據一實施例之數種層面所作之發光裝置100的散熱器俯視圖。第1~4圖共同說明了發光裝置100與製作該裝置的方法。發光裝置100包括一個或數個發光二極體裝置102以作為發光源。發光二極體裝置102連接至電路板112，並貼附於基板114。
發光二極體裝置102可包括一個發光二極體晶片(LED chip)，如第2圖所示；或數個發光二極體晶片，如第3圖所示。當發光二極體裝置102包括數個發光二極體晶片時，該數個發光二極體晶片依所需照明效果而被配置成陣列。例如：排列數個發光二極體晶片，使個別發光二極體晶片之放射光聚集後，得到角度廣、均勻性提升之發射光。在另一實施例中，數個發光二極體晶片中的每一個都被設計成放出不同波長或光譜(spectrum)的可見光，如一放出藍光的第一子集和一放出紅光的第二子集。在不同狀況下，數個發光二極體晶片104根據應用目的，可共同放出白光或其他發光效果。在不同實施例中，數個發光二極體晶片的每一個可更包括一個發光二極體或數個發光二極體。舉例而言，當一發光二極體晶片包括數個發光二極體，這些二極體串聯以用於高壓操作(high voltage operation)，或為了冗餘度(redundancy)及裝置穩定性(device robustness)而進一步將數組串聯偶合二極體(series-coupled diodes)並聯。
在一實施例中，發光二極體裝置102中的發光二極體晶片(或數個發光二極體晶片)進一步說明如下。該發光二極體晶片可放射電磁頻譜上之紫外光區、可見光區或紅外光區之自發性輻射(spontaneous radiation)。在數個不同實施例中，該發光二極體放射出藍光。該發光二極體晶片形成於一成長基板上，如一藍寶石(sapphire)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)或矽(Si)基板。在數個不同實施例中，該發光二極體晶片包括一摻雜n型雜質之披覆層(cladding layer)及一摻雜p型雜質之披覆層形成於n型摻雜披覆層之上。在一實施例中，該n型披覆層包括n型氮化鎵(n-GaN)，該p型披覆層包括p型氮化鎵(p-GaN)。該披覆層可包括磷砷化鎵(GaAsP)、摻氮磷化鎵(GaPN)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs)、摻氮磷砷化鎵(GaAsPN)或砷化鋁鎵(AlGaAs)及其對應摻雜。發光二極體晶片104更包括一多重量子井(multi-quantum well,MQW)結構位於n型氮化鎵與p型氮化鎵之間。該多重量子井結構包括二輪流交替之半導體層(如氮化銦鎵/氮化鎵)，並被設計以調變該發光二極體裝置之放射光譜。發光二極體晶片104更包括電性上各自連接至n型摻雜披覆層及p型摻雜披覆層之電極，一透明導電層如氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)可形成於該p型摻雜披覆層上。一n電極形成並與該n型摻雜披覆層連接，線路可被用以連接載體基板上之電極與端子(terminals)。發光二極體晶片104可透過不同導電材料，如銀膠、焊料或金屬接合，連接至載體基板。在另一實施例中，另一技術，如矽穿孔(through silicon via,TSV)與/或金屬跡線(metal traces)，可被用以連接發光二極體至載體基板。
在某些實施例中，發光二極體裝置102包括螢光粉(phosphor)，使放射出來的光轉換為不同波長。實施例不限於特定類型的發光二極體，亦不限於任何特定色彩方案(color scheme)。在述及之實施例中，一種或一種以上的螢光粉被配置在發光二極體周圍以平移及改變放射光之波長，如：由紫外光變為藍光或由藍光變為黃光。螢光粉通常為粉末狀，並以其他材料如環氧化合物(epoxy)或矽氧樹脂(silicone)承載(即螢光粉凝膠)。螢光粉凝膠被以適當技術塗覆或塑模(mold)至發光二極體裝置102，並可進一步成形為適當形狀及尺寸。
不同實施例可依適當用途使用任意類型之發光二極體。例如：可使用傳統發光二極體如半導體系發光二極體(semiconductor-based LEDs)、有機發光二極體(organic LEDs,OLEDs)、高分子發光二極體(polymer LEDs,PLEDs)及其他相似物。
電路板112連接至發光二極體裝置102，並提供電力及控制發光二極體裝置102。電路板112可為載體基板114之一部分。若使用超過一個發光二極體晶片，這些發光二極體晶片可共同使用一電路板。在本實施例中，電路板112為一散熱基板(heat-spreading circuit board)，使熱能有效流動及逸散。在一實施例中，使用一金屬核心印刷電路板(metal core printed circuit board,MCPCB)。金屬核心印刷電路板可符合大多數的設計，舉例而言，一金屬核心印刷電路板包括：一基底金屬，如鋁、銅、銅系合金及/或其他相似物。一薄介電層位於基底金屬層上方，電性隔離印刷電路板上之電路及下方之基底金屬層，同時導熱。發光二極體晶片104及相關跡線(traces)可被配置於該導熱介電材料上。
在某些實施例中，金屬基底直接與散熱器接觸，反之另外一些實施例中，介於散熱器與電路板112間具有一中間材料。中間材料可包括例如：雙面導熱膠帶(thermal tape)、導熱膠(thermal glue)、導熱膏(thermal grease)及其他相似物。不同實施例可使用其他類型之金屬核心印刷電路板，如包括一個以上跡線層(trace layer)之金屬核心印刷電路板。電路板可使用不同於金屬核心印刷電路板的材料製作。例如：在其他實施例中可使用FR-4、陶瓷及其他相似物製作之電路板。
在另一實施例中，電路板112可更包括一功率轉換模組(power conversion module)。室內照明通常是供應交流電，如在美國為120V/60Hz，在歐洲及亞洲大部分地區超過200V和50Hz，而白熾燈則可直接將交流電施加於燈絲上。發光二極體裝置102需要功率轉換模組將典型室內電壓/頻率(高壓交流電)轉換為適用於發光二極體裝置102(低壓直流電)。在另一實施例中，該功率轉換模組由電路板112分別供給。
基板114為一提供發光二極體裝置102機械性支持之基底。根據不同實施例，基板114包括一金屬，如鋁、銅或其他適合金屬。基板114可使用一適當技術形成，如押出成形(extrusion molding)或模鑄(die casting)。基板114或至少該基板之一部分可為上述之散熱器，即基板112。在一實施例中，散熱器114被設計為：具有避免遮蔽發光二極體裝置102所射出之反向光之第一尺寸的頂部114a，和一提供有效散熱的，具有大於第一尺寸的第二尺寸的底部114b。上述第一和第二部分與期望的熱傳導層相連接，或形成一整片。散熱器114之第一部份114a被設計用以固定發光二極體裝置104和電路板112。
根據第1圖，發光裝置100包括一覆蓋發光二極體裝置102之覆罩126。覆罩126包括一內表面及一外表面。覆罩126可為不同形狀及尺寸，如美國專利號13/194538中之透鏡狀覆罩，在此併入全文作為參考。覆罩126包括一可供發光二極體102之放射光或螢光穿透的材料。在一實施例中，發光二極體裝置102放射光之穿透率約大於90%。下述配合第5a-8圖不同發光裝置之實施例，與第9a-10圖不同材料之實施例，進一步討論覆罩126。
參考第5a及5b圖，上述討論之發光裝置100的一實施例以參考數字130表示。發光裝置130包括一具有圓化頂角之倒梯形覆罩132，該梯形之全寬以變數a表示，全高以變數b表示。在本實施例中，a和b的尺寸關係如下：
b/a<1.0
舉例而言，a和b分別約為50-70mm及35-48mm。
沿著覆罩132側壁有一中點134。該中點134之全高以變數c表示，可藉由選定該中點之位置，提供發光裝置130放射光之最佳峰值強度(peak intensity)。舉例而言，c約為10-15mm。覆罩132之一內表面140a位於中點134上方，有塗覆材料；覆罩之一內表面140b位於中點134下方，無塗覆材料。下面根據第9a-9d圖討論塗覆材料。覆罩132有塗覆材料之上半部同時包括反射(reflection)及散射(diffusion)特性。
操作時，光由發光二極體裝置102發射並向上穿過有塗覆材料之覆罩132內表面140a(中點134上方)，如箭頭144所示。光亦被內表面140a反射，向下穿透無塗覆材料之覆罩132內表面140b(中點134下方)，如箭頭146所示。光146有時被稱為「反向光」(backward light)。因而該發光裝置130有一相對均勻之廣角(>180°)散射光。
參考第6a及6b圖，一發光裝置之另一實施例以參考數字200表示。該發光裝置200包括一具有圓化頂角及等形狀側壁之倒梯形覆罩132，如第5a及5b圖所示。此外，a和b的尺寸關係如下：
b/a<1.0
舉例而言，a和b分別約為50-70mm及35-48mm。
不同於第5a及5b圖中之覆罩132，覆罩202之一內部全表面204塗覆有一材料。該塗覆材料可為第9a-9d圖討論之一種。覆罩202塗覆材料之內表面204同時包括反射及散射特性。
亦不同於第5a及5b圖中之實施例，一內部透鏡210介於覆罩202及發光二極體裝置102之間。在不同實施例中，透鏡210包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚碳酸酯(polycarbonate,PC)或其它適當材料。在某些實施例中，透鏡210可由一與覆罩202之相同材料構成。在某些實施例中，覆罩202與透鏡210可塗覆不同材料或不塗覆。
沿透鏡210之側壁有一中點214。舉例而言，透鏡210的形狀(雖然尺寸較小)可與第6a及6b圖中之覆罩232或本發明中述及之其它覆罩相同。作為另一例，寬度、高度與透鏡210中點可分別具有約20-30mm、10-20mm、2-8mm的尺寸。透鏡210之一內表面216a高於中點214部分塗覆一材料；透鏡之一內表面216b低於中點部分無塗覆材料。塗覆材料可為第9a-9d圖討論之一種。透鏡210有塗覆材料之上半部同時包括反射及散射特性。
操作時，光由發光二極體裝置102發射，向上穿透有塗覆材料之透鏡210內表面216a(位於中點214下方)。然後光穿透護罩202，如箭頭218所示。光同時也被內表面216a反射，向下穿透透鏡210無塗覆材料之內表面216b(在中點214下方)。光穿過覆罩202，如箭頭220所示，造成有一相對均勻之廣角(>180°)散射光。
參考第7圖，一發光裝置之另一實施例以參考數字230表示。發光裝置230包括一橢圓形覆罩232。此外，a與b的尺寸關係如下：
b/a<1.0
舉例而言，a和b分別約為50-70mm及40-50mm。
與第6a及6b圖中之覆罩202相似，覆罩232全部內表面234塗覆有一材料，該塗覆材料可為第9a-9d圖討論之一種。覆罩232塗覆材料之內表面234同時包括反射及散射特性。亦與於第6a及6b圖之實施例相似，內部透鏡210介於覆罩232及發光二極體102之間。某些實施例中，內部透鏡210可不塗覆材料。
操作時，光由發光二極體102發射，穿透透鏡210，如第6a及6b圖所討論。光穿透覆罩232，造成一相對均勻之廣角(>180°)散射光。
參考第8圖，一發光裝置之另一實施例以參考數字300表示。該發光裝置300包括一向下延伸至散熱器114的球型燈泡覆罩302。此外，a及b的尺寸關係如下：
b/a>1.0
a及b分別約為40-60mm及60-90mm。在某些實施例中，相較於其他實施例中之高度b與散熱器之高度，該覆罩具有相對高的高度(尺寸b)，故使散熱器114之高度d相對小，以維持裝置300可接受之整體尺寸。舉例而言，d約為40-60mm。
與第5a-6b圖中之覆罩202相似，覆罩302之全部內表面304有塗覆一材料。該塗覆材料可為第9a-9d圖中之一種。覆罩塗覆材料之內表面304同時包括反射及散射特性。與第5a及5b圖中實施例類似，不具有內部透鏡。
操作時，光由發光二極體裝置102發射並穿透覆罩302。由於覆罩302之形狀及塗覆材料之內表面304，造成一相對均勻之廣角(>180°)散射光。
數個不同實施例可用於製作及塗覆一被覆材料至上述任意覆罩及/或透鏡。根據第9a圖，在一實施例中，覆罩126包括一厚度約小於或等於1.3mm之聚碳酸酯(polycarbonate,PC)材料散射透鏡350，與一相對薄之表面塗層352。在另一實施例中，覆罩126可包括聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)、玻璃或其它適當材料。散射透鏡350可由任意適當技術形成，如射出成型(injection molding)或押出成型(extrusion molding)。相對薄之表面塗層352包括一反射材料與樹脂材料，反射材料的例子為二氧化鈦(TiO2 )，以反射材料比樹脂材料為一比一或一比二的比例混合。
根據第10圖，塗覆材料352可使用一分配器(dispenser)，如噴嘴360，塗覆至該散射透鏡350。噴嘴360塗覆材料352至散射透鏡350之內表面。在第10圖之實施例中，散射透鏡350與第7圖中塗覆全部內表面之覆罩232相當。在另一實施方式中，該覆罩與/或透鏡可部分塗覆，如第5a及5b圖所示。在塗覆材料352後，進行硬化處理。
根據第9b圖，在另一實施例中，散射透鏡350之塗覆為一多步驟製程。第一歩為塗覆上述配合第9a及10圖討論之塗覆材料352。然後，塗覆一螢光粉層364。螢光粉層被用以轉換一部分放射光至不同波長。該螢光粉層可使用如第10圖中討論之一噴嘴或其它傳統製程塗覆。
根據第9c圖，在另一實施例中，塗覆材料與螢光粉層同時被塗覆至散射透鏡350，以形成一單一塗層366。塗層366可使用一噴嘴塗覆，如同配合第10圖之製程或其它傳統製程。
根據第9d圖，在另一實施例中，螢光材料可與聚碳酸酯(PC)結合以形成散射透鏡368。散射透鏡368可以任意適當技術形成，如射出成型或押出成型。然後，塗覆材料352，如上述配合第9a及10圖之討論。
本發明說明數個不同發光裝置與製作方法。在一實施例中，一發光裝置包括基板上一發光二極體裝置。一散熱器熱能上連接至該發光二極體裝置，一覆罩固定於該基板上方並且覆蓋該發光二極體裝置，該覆罩包括一同時具有反射及散射特性之塗覆材料。
在某些實施例中，該覆罩包括一含有聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之散射透鏡。該塗覆材料包括二氧化鈦(TiO2 )與樹脂以提供反射特性。
在某些實施例中，該覆罩具有一中點，在中點上方有塗覆材料(離散熱器較遠)，中點下方不塗覆材料(離散熱器較近)。
在另一實施例中，一發光裝置包括基板上一發光二極體裝置，與一固定於基板上並覆蓋該發光二極體裝置之覆罩。該覆罩具有一球型頂部及一延伸至該發光二極體裝置之相對狹窄頸部，並具有一小於覆罩高度的寬度。該覆罩包括一散射透鏡與一塗覆於透鏡之內表面的塗覆材料。該散射透鏡包括聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中至少一種材料。該塗覆材料包括與二氧化鈦混合之樹脂。
在另一實施例中，用以覆蓋一發光裝置的方法包括：提供一聚碳酸酯(PC)與/或甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成之散射透鏡。一散射透鏡之內表面塗覆包括樹脂與反射性物質之材料，散射透鏡有塗覆之內表面經過固化形成一覆罩，該覆罩被配置於一發光二極體裝置之上。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧發光裝置
102‧‧‧發光二極體裝置
112‧‧‧電路板
114‧‧‧基板/散熱器
114a‧‧‧基板第一尺寸部分
114b‧‧‧基板第二尺寸部分
126‧‧‧覆罩
130、200、230、300‧‧‧方法
132‧‧‧倒梯形覆罩
134‧‧‧覆罩側壁中點
140a‧‧‧塗覆材料之內表面
140b‧‧‧無塗覆材料內表面
144、218‧‧‧穿透光
146、220‧‧‧反射光
202‧‧‧內表面全塗覆之覆罩
204、234、304‧‧‧內部全表面
210‧‧‧內部透鏡
214‧‧‧內部透鏡側壁中點
216‧‧‧內部透鏡內部全表面
232‧‧‧橢圓形覆罩
302‧‧‧球型燈泡覆罩
350‧‧‧聚碳酸酯散射透鏡
352‧‧‧相對薄之塗覆層
360‧‧‧噴嘴
364‧‧‧螢光粉層
366．．．單一塗覆層
368．．．螢光材料與聚碳酸酯形成之散射透鏡
第1圖為根據一實施例，所作一發光裝置之簡圖。
第2~3圖為根據數個實施例，所作裝設在第1圖發光裝置中的一發光二極體裝置之俯視圖。
第4圖為根據本發明之數個實施例，所作該發光裝置之一散熱器的俯視圖。
第5a及5b圖為根據數個實施例，所作一發光二極體照明裝置之側視圖及剖面圖。
第6a及6b圖為根據特定實施例，所作一發光二極體照明裝置之側視圖及剖面圖。
第7~8圖為根據數個實施例，所作一發光二極體發光裝置之側視圖及剖面圖。
第9a~9d圖為一可用於第5a~8圖中發光二極體照明裝置之散射透鏡的不同實施例之側視圖及剖面圖。
第10圖為根據一個或一個以上的實施例，所作一散射透鏡之剖面圖。
100‧‧‧發光裝置
102‧‧‧發光二極體裝置
112‧‧‧電路板
114‧‧‧基板/散熱器
114a‧‧‧基板第一尺寸部分
114b‧‧‧基板第二尺寸部分
126‧‧‧覆罩

Claims (10)

  1. 一種發光裝置，包括：一發光二極體裝置，位於一基板上；一散熱器，熱能上與該發光二極體裝置連接；以及一覆罩，固定在該基板上且覆蓋該發光二極體裝置，其中該覆罩包括一同時具有散射及反射特性之塗覆材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該覆罩的寬度大於高度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該覆罩具有一倒梯形，其靠近該散熱器之尺寸較小；或一橢圓形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該覆罩包括一散射透鏡及一位於該散射透鏡之一內表面之塗覆材料，更包括一螢光材料塗覆於該內表面，其中該塗覆材料及該螢光材料結合為單一塗層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該塗覆材料包括一混合TiO2 之樹脂。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該覆罩包括被該塗覆材料覆蓋之第一部分與不具有該塗覆材料之第二部分。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之發光裝置，其中該覆罩為倒梯形且具有一中點，中點上方(離散熱器較遠處)有該塗覆材料，中點下方(離散熱器較近處)無該塗覆材料。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，更包括一透鏡位於該覆罩內部且位於該發光二極體裝置上方，其中該透鏡亦包括一與該覆罩塗覆材料相同之塗覆材料，其中該透鏡具有一中點，中點上方(距散熱器較遠處)有該塗覆材料，中點下方(距散熱器較近處)無該塗覆材料。
  9. 一種燈泡，包括：一發光二極體裝置，位於一基板上；以及一覆罩，固定在該基板上且覆蓋該發光二極體裝置；其中該覆罩為球形且具有一相對窄的頸部延伸至該發光二極體裝置；其中該覆罩之寬度小於該覆罩之高度；其中該覆罩包括一散射透鏡(diffusion lens)及一塗覆於該散射透鏡一內表面之塗覆材料；其中該散射透鏡包括聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中至少一種材料；其中該塗覆材料包括一混合二氧化鈦(TiO2 )之樹脂。
  10. 一種發光裝置的製作方法，包括：提供一散射透鏡，包括聚碳酸酯(PC)及/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；於該散射透鏡之一內表面被覆一混合樹脂及反射性材料之塗覆材料；硬化(curing)該散射透鏡之塗覆內表面以形成一覆罩；以及放置該覆罩於一發光二極體裝置上方。
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