TWI232001B - Uniform color-mixing package device - Google Patents

Description

1232001 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種方便替換之高均勻混色封裝裝置模 組，可方便調變光源單元配光角度以及提高混色之均勻 度，降低光源整體色差的均勻混色封裝裝置。 【先前技術】 以.目前白光發光二極體（LED)製作方式，最常見的技術則 是利用藍色或紫外光發光二極體配合螢光粉激發來混合成 白光，但此方法由於螢光粉本身轉換效率不佳等因素，所 以利用此類方法製作之白光LED光的效率不佳，而且一般 利用藍光激發螢光粉之白光LED—般之演色性均不佳，再 者、以這類螢光粉激發的手段達成的白光LED都是日本曰 亞化學（NICHI A)的基礎專利，無法突破。 而除了以上的螢光粉激發方式外，另一方式則是使用多顆 紅色、綠色、藍色發光二極體晶片來參與混色，並藉由調 變各自電流強度，來改變最後LED呈現之顏色，以達成所 需要的白光或全彩光。此種方式隨著晶片顏色不同，調制 成白光的LED顆數至少可為兩顆以上，而當LED之晶粒加多 後，演色指數可以達到9 5以上，再者、此種方式的混色不 需要螢光粉激發，所以本身的效率（流明/瓦）會較高，而 最重要的是，藉由多晶片混色的方式可以達成全彩化的目 標，各種顏色都可以藉由調變LED的強度比例調配出，以 LED作為光源來混色時，由於LED的頻譜窄，顏色純，其色 域（COLOR GAMUT)非常廣，以目前技術可以達到143% NTSC 以上，可以達成未來LCD TV等顯示器非常高需求的飽和

第5頁 1232001 五、發明說明（2) 隹 度而且此日守白點可以调整。且這些都是以螢光粉激發來 此色之方式所不能達成的技冑。但是由於利用多顆LED方 全衫光’目丽都遇到混色均勻的瓶頸，所以市面上較少這 種產品。目前此習知的技術乃是利用傳統封裝方式（砲彈 型封裝），將RGB三顏色之晶片封裝成全彩RGB LED，如專 利號US5 2 6 6 8 1 7使用的技術，利用三晶粒於碗杯内反射後 聚光，但是此專利由於利用砲彈型封裝聚光的效果，根據 幾何光學中成像的原理，可以發現，經光學模擬分析與實 際實驗測量’最後於所觀察之成像面所看到的各色光斑會 各自分離’各個晶片顏色各自分開，因此這樣的RGB [ED 無法形成均勻的白光，整體將會無法完全重合，而混出來 的顏色其色座標之分佈將會無法均勻，所以整體混色後之 色差將會非常大。這是市面上多顆RGB晶片利用傳統方式 封裝混成白光LED時，其顏色非常不均勻的共同缺點。而 專利號ϋ S 5 8 4 1 1 7 7此篇專利針對r g B L E D均勻度不佳作了改 良’因為仍利用傳統之模力（Μ 〇 1 d i n g )設計方式，因此在 強調其光源指向性的同時亦損失了光源均勻度。且其對光 源均勻度的定義不明確。在US6 6 1 0 5 9 8此篇專利討論利用 微結構製程製作在模力表面製作微結構以取代傳統砲彈型 之模力設計。微結構之幾何形狀包括了波浪形型、同心圓 等。該專利強調為利用此微結構之表面模力處理可使單澤員 表面黏著型 LED (SMD LED)增加晶片出光的光學效率，但 未提到如何改善多晶粒封裝時的光源顏色均勻度，而其封

1232001 五、發明說明（3) 裝是採一體封裝，且實際之權利要求的圓球形、同心圓等 微結構形狀經光學模擬分析也了解也不能達成均勻混色的 目的。所以目前市面上的RGB多顆晶粒混色的LED封裝結 構，都未能對多晶片LED均勻的混光提出重大而創新的設 計。在經過許多文章與實驗驗證下，已經可以了解，同時 要求光源顏色均勻地混光和擁有小角度的配光角度是互相 違背的，也就是說大角度的配光光源，如一般採用RGB多 晶粒封裝的S M D L E D常會呈現為接近於朗伯（Lambertion) 光源，其特色是半功率全角約1 2 0度，亮度（L u m i n a n c e )在 各種視角下，幾乎不改變，強度（Intensity )則呈現餘弦 函數變化。而此種SMD LED在人眼所關心的視角範圍内， 它可以擁有很好的混光均勻度。但由於現實之需求，LED 之光源常常需要小角度的配光半功率全角，才可以增強 LED亮度，但是如果設計一種配光角度稍為小一點的LED封 裝形式，此LED顏色的均勻度會劇烈地變差，也就是目前 市面上RGB白光LED配光半功率全角的小角度需求，和混光 之顏色均勻度剛好是互相抑制地。就是半功率全角角度大 時混色就好；半功率全角角度小時其混色就差了。 【發明内容】 以上習知之多晶粒混色之L E D，由於需要小角度配光，而 必須改變LED模力封裝來聚光，但是角度一但變小後，便 無法再將各色光斑緊密重合，造成成像面上色彩分布極不

第7頁 1232001 五、發明說明（4) 均勻，以此種RGB多色LED混色成的模擬白光或全彩之光 源，打在物體上後會在照光邊緣處會看到RGB不同色暈， 而當人眼睛直視此混色不佳之全彩光源，由於直接成像在 視網膜時更容易看出各顏色之空間、角度分離。 本發明則提供一個有效降低混光後色差分布的光源裝置， 其原理是藉由非傳統使用的成像之光學來達成混光機制， 從不均勻各顏色光源體所發出的光線，部分大角度的光線 經由本發明之混色單元結構折光後會往反方向打回，相當 於是作空間滤波器（S p a t i a 1 f i 11 e r )的動作，而等效上增 加了各顏色之光程，而光線可以經LED之反射杯再利用回. 收，以增加光學效率。而混色單元由於利用表面微結構體 能更有效的降低混色裝置結構之最後體積。更有意義地 是，最後呈現的配光角度可以縮小許多。縮小之後的LED 光源色差在人眼視角範圍内不但不會增加，還會降低許 多，也比之前大角度SMD LED來的更好，色差更為減小許 多。再者、藉由組合光源單元以及混色單元各種不同型式 搭配更換，可以調變所需要的配光角度，達成模組化、方 便性，以及輕易量產的混色裝置模組。

I 【實施方式】 本發明混色封裝裝置包括：至少一個光源單元、結合單 元、混色單元等，如下的說明與圖式可進一步瞭解該實施

第8頁 1232001 五、發明說明（5) 例與各單元的結構與功能。 請參照圖一 A及圖一 B，為前案之混色光源裝置，RGB LED 晶片2藉由導線3提供不同的電流、電壓而發光，而光線由 晶片2之電子、電洞對於活性層（A c ΐ i v e 1 a y e r )處結合而 發出光子。部份朝後方的光線射向反射杯4，反射杯4一般 提供配光、聚光以及改變光線方向之功能。而模力1則再 次提供類似反射杯4的聚光配光之功能，藉由模力1與反射 杯4之同時設計，可以設計出光源需要的配光型式。圖一 A 與圖一 B為傳統RGB LED混色的基本架構，此種RGB LED由 於晶片藉由模力1與反射杯4的作用，根據幾何光學成像之 物像關係，所以各晶片有各自的成像，相對地最後混色極 不均勻。請參照圖二，為本發明之裝置模組，包含以LED 為主的光源單元，一結合單元，一混色單元。圖二中本發 明所使用的光源單元可為各種需要混色之發光光源體，如 各色螢光燈管，霓虹燈管等皆可，其中光源最適合使用各 種有機、無機發光二極體（0LED，LEDs)的各種變化之封裝 如，傳統砲彈型5 m m，3 m m或表面黏著型LED(SMD LED)、 SMT、CHIP ON BO ARD( COB)、食人魚型，等各種形式之LED 封裝體。本實施例採用紅色（R)、綠色（G )、藍色（B )之多 顆LED晶片，以食人魚型以及SMD封裝之LED作為本發明實 驗之光源，而多顆同類型或不同類型之LED晶片可經由固 晶、打線、或以覆晶（F 1 i p c h i p )方式以樹脂封裝之後黏 接合併，可成為一個光源單元使用、參照圖三A〜J為本光 源單元常見各種類型之封裝型式，並配合合適的散熱基板

第9頁 1232001 五、發明說明（6) 和驅動電路及機構，由於LED封裝類型實在太多樣，圖三 A〜J列舉常見的封裝，包含高功率之封裝LED、傳統砲彈型 LED、食人魚型LED、SNAP型LED、SMD LED等封裝型式。參 照圖四A為本混色單元之一種非對稱金字塔型的結構本 體，本混色單元其材質為透光性材質，本混色單元其中一 表面乃由微結構體所組成，圖四顯示的混色單元表面幾何 結構為微小之特定幾何結構重複隨機或規則地排列而成。 請參照圖五，圖五A為圓錐型結構、圖五B為圓錐截頭結 構、圖五C為金字塔、圖五D為截頭金字塔、圖五E為非對 稱金字塔型、圖五F圖為六邊形角錐，圖五G為截頭帶曲率 變化之圓錐。各圖中顯示出混色單元之微結構幾何形狀與 種類，微小結構中每個結構體的長度、寬度尺寸範圍約為 1 0〜3 0 0微米，其尺度乃隨目前使用的LED晶片結構尺寸而 配合地改變，微結構體可以隨機或規則地重複排列，隨機 排列更可以增加均勻度，本發明混色單元結構本體之材質 可以為聚碳酸脂（PC)，壓克力（PMMA)，樹脂（EPOXY)等透 光性材質，本實施例採用PC製造，其混色單元之製造可以 藉由微製程之技術等達成。 再請參照圖六A〜D，圖中顯示本模組中之結合單元如何連 結光源單元以及混色單元的方式，本結合單元介於混色單 元以及光源單元之間，為連結兩者之單元，藉由結合單 元，可以將光源單元以及混色單元連接固定，並可以藉由 結合單元之優點，隨意更換不同之光源單元以及混色單 元。本結合單元更可以在製作光源單元和混色單元時，以

第10頁 1232001 五、發明說明（7)

射出成型等方式同時製作，以達成未來模組結合時之方便 性。參照圖六，結合單元實際形式如圖六A，為公母相對 級成對應之卡榫凹槽，藉由卡榫直接相對卡住彼此而固 疋。或如圖六B如抽履般之滑動式插槽，則可以以類似抽 取磁片的方式更換。結合單元構造或可為圖六C中常見的 螺紋狀結構和螺紋溝，轉動鎖定。若不考慮更換光源與混 色單元時’結合單元可以用圖六D所示，以樹脂類為材料 之混合物直接黏接固定光源單元與混色單元。圖六E顯示 出藉由此結合單元可以快速地更換光源單元和混色單元來 達成混色裝置之配光角度模組化功能’此外Μ由έ士人置分 存在後，更可以在光源單元以及混色單元之= 介質單元。此緩衝介質單元之特性在於提供一種異於光源 單元和混色單元接合之間的媒介介質，提供聚光的能力， 圖六F中的七張小圖之光學模擬分析圖顯示出，藉由結合 單元並更換不同混色單元於相同類型之SMD led^光^ 元後，其產生的配先曲線結果圖，圖六F中 囝 橫座標單位為角度，縱座標為相對的強度。 本發明之均勻混色封骏裝置的聚光能力優 :I 以經由設計來控制。在圖七种顯示一種特殊 模力之外觀，此種：殊模力以效率高和聚光力強著名，若 以此模力搭配一般SMD之RGB LED時’圖則為實驗所得 之RGB三晶粒各自配光曲線，可以看出三顏色角产^八八 離，實際上由此實驗計算出角度色差相當之大，X色"^差^^十77管 乃根據CIE 1 9 64之UV座標計算出，測量頰譜及強度便可5以^

1232001 五、發明說明（8) 推异出’結果並以光軸零度為基準黠作各角度之相對色差 計算。而圖七C為一般傳統封裝之透鏡架構於RGB之SMD LED上所測量出之配光曲線，可以看出三顏色的配光曲線 雖然沒有之前使用T I R - R的結果那樣地分開，但仍然是明 顯分離’對於人的眼睛，還是可以/眼看出各色分離的混 色不均勻結果。而參看圖七D，則為以RGB SMD LED的同樣 LED架構於本發明之混色單元形成的均勻混色封裝裝置， 可以看到RGB的配光曲線幾乎重疊在〆起，代表RGB之各顏 色的角度分布幾乎都能完全符合一致。而半功率全角角度 也能有效縮小到6 0度左右，代表這樣的混色裝置及聚光效 果均非常優良。參照圖七E，可以了解到以SMD LED當為光 源單元時使用T I R-R模力與使用本發明之均勻混色封裝裝 置最後相對的色差變化，可以看出，使用本發明的最後相 對色差是三者中最小的。

而當我們選用的光源單元變成食人魚封裝形式的RGB LED 時，參看圖八A，為紅光食人魚LED之配光曲線在各種 ZENITH角0度、45度、及90度下的配光曲線，圖八B為綠光 晶片於ZENITH角0度、45度、及90度之配光曲線，圖八C為 藍光晶片於ZENITH角0度、45度、及90度配光曲線。可以 明顯看出不但RGB三色配光曲線本身就各自有差異、不會 重疊，就連RGB各自配光都不會是旋轉軸向對稱，所以如 果使用此種R G B晶片，其混光的色差必定非常大’貫際上 人眼可以不能分辨的色差（de 11 a UV )差值約0 . 0 0 8以下，

第12頁 1232001 五、發明說明（9) 以此種食人魚封裝的LED的色差約都大於0 · 0 3以上，所以 眼睛就很容易看出各顏色分離的不均勻情況，所以市面上 常看到的這類食人魚型RGB LED商品都是有這樣的缺點。 最後請參照圖八D，則是顯示以原本光型不好的食人魚型 LED當為光源單元，再搭配本發明中由不同尺寸圓錐形微 構 體 構 成 的 混 色 口口 一 早兀 之 後 與原食 人 备 型 LED 、不加混 ‘單 元 時 各 種 光 源 色差 比 較 圖 。可以 看 出 本 發明 均勻混色 裝 裝 置 的 色 差 都 明顯 降 低 1 而根據 以 上 之 實驗 驗證了解 .發 明 -均勻混色封裝裝置具有有效降低色差並且還具備 t適 當 修 正 光 型 的 優點 〇 :上 以 上 所 述 j 本 發明 之 混 色 封裝裝 置 確 可 達成 發明之目 符 合 發 明 專 利 的要 件 但 以上所 述 僅 為 本發 明之較佳 施 例 而 已 凡 依 據本 發 明 所 為之各 種 變 化 ，仍 應包含於 ‘專 利 中 請 範 圍 内 〇 標 號 對 昭 /、、、 ] 1 LED 模 力 2 RGB L E D晶片 3 導 線 4 反 射 杯 5 混 色 單 元 6 結 合 單 元 7 光 源 單 元 8 微 結 構 體 9 卡 榫 結 構 10 滑 槽 結 構 11 螺 紋 溝 結 構 12 微 結 構 體 13 支 架 14 光 線 ❶

第13頁 1232001 圖式簡單說明 第一圖A與第一圖B為前案傳統之RGB多晶粒LED混色光源裝 置，其特色為聚光但有非常不均勻的混色。 第二圖為本發明均勻混色封裝裝置所包含的一光源單元、 混色單元、結合單元圖。 第三圖A〜J為本發明均勻混色封裝裝置之光源單元示意 圖。其中圖三A為高功率封裝之LED，圖三B為傳統砲彈 型LED，圖三C為食人魚LED，圖三D為BUTTERFLY型LED， 圖三E〜J為SMD LED之各種封裝。 第四圖為本發明均勻混色封裝裝置之混色單元結構體之一 種非對稱塔金字塔型的微結構。 第五圖為本發明均勻混色封裝裝置之混色單元表面結構體 之形狀示意圖，其圖五A為圓錐狀、圖五B為截頭圓錐、 圖五C為金字塔型、圖五D為截頭金字塔、圖五E為非對 稱金字塔、圖五F為六邊形角錐、圖五G為截頭帶曲率之 圓錐型之微結構體。 第六圖A〜D為為本發明均勻混色封裝裝置之結合單元示意 圖，圖六A為結合單元之一種公母對應的卡榫結構、圖 六B為滑動式槽結構、圖六C及六D為兩種公母對應之螺 ?狀結構及凹溝，圖六E為光源單元與混色單元藉結合 單元更換達成模組之示意圖，圖六F則為經光學設計分 析之混色單元搭配RGB SMD LED的多種配光曲線結果。 第七圖A為LED光源常用來聚光的TIR-R透鏡模力外觀結構 圖，第七圖B為使用此模力下的RGB SMD LED光源所呈現 出的各顏色配光曲線圖，各顏色配光明顯不同疊。第七

第14頁 1232001 圖式簡單說明 圖C為以一般傳统球狀模力封裝於RGB SMD LED的配光曲 線圖’第七圖D為本發明均勻混色封裝裝置之配光曲線 圖。第圖七E則顯示本發明之均勻混色封裝裝置和以 TIR-R的模力架構於SMD LED上的呈現之顏色色差比較 圖。 第八圖A為RGB之食人魚型LED，紅光0度45度90度ZENITH角 的的配光曲線圖。第八圖B為R G B食人魚型L E D綠光0度4 5 度9 0度ZENITH角的配光曲線圖。第八圖C為RGB食人魚型 LED藍光的〇度45度90度ZENITH角的配光曲線圖。第八圖 D則是顯示以原光型就不佳的食人魚型LED當為光源單 元搭配本發明中由不同尺寸圓錐形微結構體的混色單元 後與原食人魚型LED不加混色單元的各種光源色差比較 圖0

Claims (1)

1232001 六、申請專利範圍 1 · 一種混色封裝裝置， ^ . 而搭配合適的基板 一光源單元，包含福叙 3 · 與驅動電路以驅動發頻發光光^ 刀^先光源； Χ3Χ3 一 早兀 生的光 穿透微 專利範 可為複 專利範 為同類 專利範 顆發光 旱70。 專利範 顆發光 專利範 混色單 接固定 專利範 、混色 專利範 、混色 元0 一混色 光源產 線折射 2·如申請 單個或 3·如申請 元可以 4·如申請 為複數 之光源 5·如申請 為複數 6.如申請 單元、 可以連 7·如申請 源單元 8·如申請 源單元 介質單 M 一表面包含複數個微結構體，使發光 線經此混色單元之微結構體後，大部份光 、結構體，部分之光線產生反射及散射。 圍第1項所述之光源單元，光源單元可為 數個。 圍第1項或第2項所述之光源單元，光源單 型，不同類型的複數顆發光光源所組成。 圍第3項所述之光源單元，光源單元可以 光源獨立封裝之後再合併組成陣列所構成 圍第3項所述之光源單元，光源單元 光源同時一起封裝之所構成之光源單一以 圍第1項所述混色封裝裝置，除包八70。 元之外 爲包含一社人-- ^ 3光碌 、外，冉Ο 3 、、、〇合早兀，而結人 光源單元以及混色單元。 〇早元 圍第1項所述之混色封裝裝置，除 單元之外，再包含一緩衝介質單、元^。3光 ^第5項所述之入昆色封裝裝置’除光 〜外，結合早元之外，…

1232001 六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第7項所述之混色封裝裝置，所包含之 緩衝介質單元之材料可為氣體、液體、固體所組成。 1 〇.如申請專利範圍第7項所述之緩衝介質單元，其緩衝介 質單元可為氣體所組成。 1 1.如申請專利範圍第7項所述緩衝介質單元，其緩衝介質 單元可為液體所組成。 · 1 2.如申請專利範圍第7項所述緩衝介質單元，其緩衝介質 單元可為固體所組成。 1 3.如申請專利範圍第7項所述緩衝介質單元，其緩衝介質 單元若為氣體組成時，其組成之氣體至少包含氧氣、 氮氣、氦氣、氖氣、氬氣等以上任一種之氣體。 1 4.如申請專利範第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為具黏合附著著力之樹脂類膠體。 1 5.如申請專利範圍第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為具黏合和附著力之固態混合物。 1 6.如申請專利範圍第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為公母對應之卡榫。 1 7.如申請專利範圍第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為公母對應之滑動插槽。 1 8.如申請專利範圍第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為公母對應之螺紋狀之結構體和螺溝。 1 9.如申請專利範圍第6項所述結合單元，其結合單元實際 組成可以為具黏合和附著力之固態混合物。 2 〇.如申請專利範圍第1項所述混色單元之實際本體結構，

第17頁 1232001 六、申請專利範圍 其微結構體組成可以為圓錐形。 2 1.如申請專利範圍第1項所述混色單元之實際微結構本 體，每個單一微結構體的深寬比（aspect ratio)約從 0. 3〜4，且其高度之實際尺寸為10〜3 0 0微米（um)。 2 2.如申請專利範圍第1項所述混色單元之實際本體結構， 其微結構體組成可以為非對稱金字塔。 2 3.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為五邊形錐。 2 4.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為六邊形錐。 2 5.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭圓錐。 2 6.如申請專利範圍第1項所述之混色單元實際本體結構， 其微結構體組成可以為截頭非對稱金字塔。 2 7.如申請專利範圍第1項所述之混色單元實際本體結構， 其微結構體組成可以為截頭五邊形錐。 2 8.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭六邊形錐。 2 9.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭帶曲率之圓錐。 3 0.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭帶曲率之非對稱金字塔。 3 1.如申請專利範圍第1項所述之混色單元實際本體結構， 其微結構體組成可以為截頭帶曲率之五邊形錐。

第18頁 1232001 六、申請專利範圍 3 2.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭帶曲率之六邊形錐。 3 3.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為對稱之金字塔。 3 4.如申請專利範圍第1項所述混色單元實際本體結構，其 微結構體組成可以為截頭對稱之金字塔。 3 5,如申請專利範圍第1項所述混色單元，其微結構體組成 可以為截頭帶曲率之對稱金字塔。 3 6.如申請專利範圍第1項所述混色單元，其微結構體組成 可以為複數個不同尺寸或不同類型之微結構體組所成 單一之混色單元。 I

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