CN100401163C - 设有发光二极管及光学突出物的光源 - Google Patents

Abstract

一种设有发光二极管及光学突出物的光源，其包含一光学板及至少一个光学载板。此光源可搭配使用一散热器或一光学组件，以提高其效能。此光学板形成一设有多个光学突出物的光学表面，以反射和组合从发光二极管发射出的光。此光学载板被插入在光学板上的至少一个插槽里。此光学载板包含—散热核心板及至少一个电子电路层。此电子电路层可附着在散热核心板的单边或双边。本发明使得组合后的光有较佳均匀度及高强度，且可具有想要的色均匀度。

Description

设有发光二极管及光学突出物的光源

技术领域

本发明涉及发光二极管(light emitting diode，LED)的发光系统，尤其是关于一种设有发光二极管及光学突出物(protrusion)的光源。

背景技术

设有照明信息源的光源在许多应用上是经常被需要的。特别是液晶显示器(liquid crystal display，LCD)，其在许多电子媒体中的应用已越来越流行。液晶显示器具有各式各样的应用，诸如桌上型计算机、显示监视器、影像相机、自动柜员机显示器、电视以及航空显示器等。通常液晶显示器需要用背光模块来照明欲被显示的信息。用于背光模块的光源是各式各样的，如日光灯及发光二极管。日光灯价钱低廉且不需要复杂的控制电路，但有时不适合某些需要好的色彩质量及长的灯泡寿命的应用上。将发光二极管用作液晶显示器背光模块的光源有许多原因。与日光灯泡相比，发光二极管光源的优点包括：寿命较长、替代容易、机械特性稳健、和色彩质量较佳。在某些应用(如航空类)中需要从液晶显示器背光模块发射出的色均匀度(chromaticity)是明确的。然而大多数商用可取得的发光二极管，其色均匀度的选择是有限的且色均匀度会随时间改变。

图1所示为一种揭示于美国第6,666,567号专利的撑高式发光二极管100的发光二极管光源，用来改进组合光(combined light)的色均匀度。此撑高式发光二极管100包括一发光二极管101。此发光二极管101被包在发光二极管封装102里。此发光二极管封装102被支撑在光学共振腔板(floor of opticalcavities)103上方。此撑高式结构容许光从发光二极管基底部发射出。此外，具有反射性的突出物可置于此撑高式发光二极管的下方，来协助导正光行进于轨道。一种由日光灯泡及发光二极管组合成的结构也被提出来，以形成一种混合式光源(hybrid light source)。然而所有这些技术增加了光源的复杂度和成本。

如图2和图3所示，其揭示于美国第6,608,614号专利的液晶显示器200，该液晶显示器200包含一个提供光第一色均匀度的第一发光二极管数组201及一个提供光第二色均匀度的第二发光二极管数组202。从发光二极管数组201和202发射出的光穿过光组合组件301(例如，波导管)，然后朝向液晶显示器堆栈302投射。发光二极管晶粒发射的光通常近似垂直于晶粒表面的方向。从发光二极管数组201及202发射出的光的方向几乎各自垂直及平行于镜板表面。此光源需要各自的光组合组件301。组合光的色均匀度的调整仅能通过穿过一个控制系来改变第二发光二极管数组202的色均匀度，因此，色均匀度的调整是有弹性限制的。

根据另一现有技术所揭示的内容，如图4所示，是一种具有封装发光二极管晶粒的Luxeon侧式-发射器(side-emitter)。Luxeon侧式-发射器可提供组合光好的均匀度，但光强度较差。另外，封装发光二极管晶粒的结构通常比本发明的裸晶粒结构占用更大的面积。

众所皆知，大多数从发光二极管晶粒发射的光其行进方向近似垂直于晶粒表面。因此，发光二极管晶粒在某种程度上需要被调整，使得从发光二极管晶粒发射的光在到达显示屏幕前，有机会组合及混合成想要的色均匀度。本发明的主要目的是使用一种低复杂度及低成本的系统，来实现光的高强度和好的色彩质量。

发明内容

本发明可实现发光二极管光源的多种优点。其主要目的是提供一种设有发光二极管及光学突出物的光源。其省掉了封装发光二极管晶粒的需要，因而降低了成本及空间。由于发光二极管的高封装密度(packaging density)，所以还可实现高的光强度。

在本发明的第一实施例中，发光二极管光源包含一光学板(optical panel)及至少一个光学载板(optical plate)。此光源可搭配使用一散热器(heat sink)，以提高其效能。此光学板形成一具有多个光学突出物的光学表面，以反射及组合从发光二极管发射出的光。此光学载板被插入于光学板上的至少一个插槽(slot)。此光学载板包含一个散热核心板(heat dissipation core plate)及至少一层电子电路层。电子电路层包含一个发光二极管及至少一个用来控制发光二极管裸晶粒工作的电子电路。

在本发明的第二实施例中，发光二极管光源包含一个光学组件(opticalelement)。此光学组件用来导引先前提到的组合光朝向显示屏幕。此光学组件可以是散光器(light diffuser)或波导管(wave guide)。

此光学载板可以包含一个散热核心板及两层电子电路层。两层电子电路层分别附着在散热核心板的每一边。光学载板也可以包含一个散热核心板及一层电子电路层。此电子电路层附着在散热核心板的单边。

根据本发明，发光二极管经由倒装芯片(flip chip)或打线接合(wirebonding)附着于电子电路层。发光二极管以其晶粒表面面向光学突出物的方式来附着。因此，从不同发光二极管晶粒发射出的光在到达显示屏幕前，有机会被反射及组合成想要的色均匀度。这些发光二极管可用透明物质(transparent material)封起来，以避免和空气反应。此控制电路用来提供发光二极管电源、控制发光二极管亮度、提供发光二极管静电保护(electrostaticdischarge protection)、以及调整组合后的光的色均匀度，以符合应用需求。此控制电路可以是堆栈式(stacked)或是印制(printed)于电子电路层。

仿真结果显示组合后的光有较佳均匀度及高强度，且具有想要的色均匀度。组合光可被散光器或波导管来导引。此外，散热核心板通常连接至散热器，以提高其散热效能及增加光源寿命。本发明的发光二极管光源可被当作液晶显示器背光模块来使用。

现配合下列附图及实施例的详细说明，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1是一公知撑高式发光二极管的结构图。

图2是另一公知的以发光二极管为基底的液晶显示器背光结构图。

图3是图2中液晶显示器背光结构侧面的正视图。

图4是一Luxeon侧式-发射器。

图5A是本发明第一实施例中一种设有发光二极管及光学突出物的光源的俯视图。

图5B是图5A中光学载板的放大图。

图6是本发明第二实施例中一种设有发光二极管及光学突出物的光源的结构图。

图7A是倒装芯片接合图。

图7B是边缘打线接合图。

图7C是中心打线接合图。

图8是组合光在屏幕表面由左/底至右/顶的强度图。

其中，附图标记说明如下：

100撑高式发光二极管      101发光二极管

102发光二极管封装        103光学共振腔板

201第一发光二极管数组    202第二发光二极管数组

301光组合组件            302液晶显示器堆栈

500光源                  501光学板

502散热器                503光学突出物

504发光二极管            505光学载板

506电子电路层            507控制电路

508散热核心板            509插槽

600光源                  602光学组件

601显示屏幕              701发光二极管晶粒

702发光二极管晶粒        703发光二极管晶粒

具体实施方式

图5A和图5B所示为根据本发明的一种设有发光二极管及光学突出物的光源500的一个较佳实施例。参考图5A，光源500包含一个光学板501及至少一个光学载板505。此光学板501形成一具有多个光学突出物503的光学表面，用来反射及组合从发光二极管504发射出的光，光的行进几乎平行于光学板501的表面。光学载板505被插入于光学板501上的至少一个插槽509，插槽509可横跨一镜板边缘(panel edge)至另一镜板边缘，光源500可搭配使用一散热器，以提高其效能，例如，一散热器502(以虚线显示)附着于光学板501，以提高其散热。

如图5B所示，光学载板505还包含一散热核心板508及至少一个附着在散热核心板508上的电子电路层506。电子电路层506还包含至少一个发光二极管504及至少一个用来控制发光二极管504的裸晶粒(bare chip)工作的控制电路507。

组合后的光可进一步地被导引至散光器或波导管。此外，散热核心板508通常连接至散热器502，以提高其散热效能并增加光源500的寿命。本发明的光源500可被当作液晶显示器背光模块来使用，其省掉封装发光二极管晶粒的需要，因而降低了成本及空间。然而，此光源也可使用封装后的发光二极管灯(LED lamp)，其并不限于使用发光二极管裸晶粒。

电子电路层506分别附着在散热核心板508的每一边，在电子电路层上的发光二极管504暴露于光学表面，以发射光。发光二极管504是以其晶粒表面面向光学突出物503的方式，附着于电子电路层506。因此，大部分发光二极管晶粒发射的光朝向光学突出物503发射。通过光学突出物503，光可在光学表面反射及组合。此外，也可以是，一层电子电路层506附着在散热核心板508的单边。邻接的发光二极管发射出相同或不同的颜色可视不同的应用来决定。

控制电路507用于提供发光二极管504的电源、控制发光二极管504的亮度、提供发光二极管的静电保护、以及调整组合光的色均匀度，以符合应用需求。控制电路507可以是堆栈式或是印制于电子电路层506。

图6所示为根据本发明的一种设有发光二极管及光学突出物的光源600的第二实施例。光学组件602被置于一显示屏幕601及光源500之间，光学组件602被用来导引组合光朝向显示屏幕601，如液晶显示器堆栈。光学组件602可以是散光器或波导管。

根据不同的应用，光学突出物可用任何适合的材料，以任何的方式及形状来形成。光学突出物的形状没有限制，可以是金字塔型(pyramidal)或圆锥形(conic)或抛物线形(parabolic)或半球面形(semispherical)。电子电路层是由一绝缘层(insulating layer)制成，例如印刷电路板(PCB)、氧化物(oxide)、陶瓷材料(ceramic material)等。这些发光二极管可用透明材料封起来，以避免和空气反应。再者，选择适合折射率的透明材料可以避免全反射(total reflection)。透明材料可以从环氧化物(epoxy)或硅氧聚合物(silicone)的族群里选择。散热核心板材料可以从介电材料(dielectric material)、电性导体(electrical conductor)或热传导导体(thermal conductor)的族群里选择。

根据本发明，发光二极管经由倒装芯片或打线接合附着于电子电路层。图7A所示为一倒装芯片接合的情形，发光二极管晶粒701以浆糊(paste)或焊锡(solder)黏合于电子电路层506的基座(substrate)上，倒装芯片接合省掉传统打线接合的将芯片电性连接至外部电路的需要。倒装芯片的接合垫(bonding pads)也当作是电性连接至控制电路的接头。倒装芯片接合常被用于需要小型式(small form factor)或具有高密度的接合垫(bonding pads)。打线接合包括边缘打线接合及中心打线接合。图7B及图7C分别表示边缘打线接合及中心打线接合。其中发光二极管晶粒702或发光二极管晶粒703先以浆糊或焊锡黏合于电子电路层506的基座上，再以金属打线接合来完成至控制电路的连接。

在屏幕表面的组合光的一个仿真后的色彩图里，说明了本发明的设有发光二极管及光学突出物的光源，其组合光的色均匀度能吻合符合目标白色(targeted white color)。光强度也比传统结构强。图8进一步显示在屏幕表面由左/底至右/顶的组合光强度。水平轴表示屏幕的位置，实线表示光强度的水平成分，虚线表示光强度的垂直成分。结果显示在水平及垂直方向，组合光都有较佳的均匀度及高强度且可以具有想要的色均匀度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明实施的范围。凡根据本发明公开的范围所作的均等变化与修饰，都应属于本发明申请保护的范围。

Claims (22)

1.一种设有发光二极管及光学突出物的光源，包含有：

一光学板，其上设有至少一个插槽，且设有多个光学突出物以反射和组合光；以及

至少一个光学载板，该光学载板被插入于该光学板上的至少一个插槽里，每个光学载板设有一散热核心板，该散热核心板的至少一边设有一层电子电路层，且该电子电路层设有至少一个发光二极管和至少一个用来控制该发光二极管工作的控制电路。

2.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该发光二极管是用透明材料封起来的裸晶粒。

3.如权利要求2所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该透明材料从环氧化物或硅氧聚合物的族群中选出。

4.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该发光二极管是一封装发光二极管。

5.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该散热核心板的材料从介电材料、电性导体或热传导导体的族群中选出。

6.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光学突出物的形状包括金字塔形、圆锥形、抛物线形以及半球面形。

7.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该电子电路层是一绝缘层。

8.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该控制电路堆栈于该电子电路层上。

9.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该控制电路印制于该电子电路层上。

10.如权利要求2所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该发光二极管裸晶粒经由一倒装芯片附着于该电子电路层。

11.如权利要求2所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该发光二极管裸晶粒是经由打线接合附着于该电子电路层。

12.如权利要求2所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该发光二极管裸晶粒是以其晶粒表面面向光学突出物的方式附着于电子电路层。

13.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中邻接的发光二极管发射出不同颜色的光。

14.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中邻接的发光二极管发射出相同颜色的光。

15.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光源还包含一散热器，该散热器附着于该光学板，以强化散热。

16.如权利要求1所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光源还包含一用来导引该组合光朝向一显示屏幕的光学组件。

17.如权利要求7所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该电子电路层由印刷电路板制成。

18.如权利要求7所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该电子电路层由氧化物或陶瓷材料制成。

19.如权利要求16所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光学组件是一散光器。

20.如权利要求16所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光学组件是一波导管。

21.如权利要求16所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光学载板设有两层电子电路层，该散热核心板的每一边均附着一层电子电路层。

22.如权利要求16所述的设有发光二极管及光学突出物的光源，其中该光学载板设有一层电子电路层，该电子电路层附着在该散热核心板的单边。

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