TWI398186B - 照明系統 - Google Patents

Description

照明系統

本發明係關於一種照明系統，其包括一配備複數個發光二極體之安裝基板。

該等照明系統自身為吾人所習知。該等照明系統尤其用作(影像)顯示裝置之背光照明，舉例而言，用於電視接收器及監視器之背光照明。該等照明系統可尤其適於用作非發光式顯示器之背光，例如用作在(可攜式)電腦或(無繩)電話中所用之液晶顯示裝置(亦稱作LCD面板)之背光。本發明照明系統之另一應用領域係在用於投影影像或顯示電視節目、電影、視訊節目或DVD或此類影像之數位投影儀或所謂影像機中用作照明源。此外，該等照明系統用於一般照明目的，例如點光源、重點照明、泛光燈，及用於大面積直視式發光面板，例如用於(舉例而言)標記系統、輪廓照明及廣告牌中。於其他應用中，將該等照明系統所發出之光饋送入一光導、光纖或其他光束整形光學器件內。

一般而言，該等照明系統包括許多發光器，例如發光二極體(LED)。LED可係不同原色之光源，例如(舉例而言)眾所習知之紅(R)色發光器、綠(G)色發光器或藍(B)色發光器。此外，該發光器可將(舉例而言)琥珀色(A)、紅紫色或藍綠色作為原色。該等原色可直接由發光二極體晶片產生，或者可在以來自發光二極體晶片之光照射時由一磷光體產生。在後一情況下，亦可將混合顏色或白色光作為該等原色之一。一般而言，該等發光器所發出之光在透明及/或半透明元件內混合，以獲得均勻之光分佈、同時消除照明系統所發出之光與一具體發光體之相關性。此外，吾人習知使用一具有一感測器及某種回饋演算法之控制器來獲得高顏色精確度。

美國所頒予之專利US 6,513,949揭示一種用於產生白光之混合照明系統，其包括至少一個發光二極體(LED)及磷光體發光二極體。該混合照明系統呈現出優於使用LED或磷光體－LED產生白光之習用LED照明系統之經改良效能。特定而言，本發明混合系統允許藉由改變LED及/或磷光體LED之磷光體之顏色及數量來定址及最佳化不同之照明系統效能參數，而此被視為很重要。習知照明系統之缺陷係各LED之功效不夠高。

本發明之目的係全部或部分地消除上述缺陷。根據本發明，該目的藉由一種照明系統達成，該照明系統包括：一用於安裝並電接觸複數個發光二極體之安裝基板，一第一類發光二極體，其包括一第一半透明基板，在該第一半透明基板的面向該安裝基板之一外表面上配備一作用層，於面向該安裝基板的一側上配備電觸點；一第二類發光二極體，其包括一佈置於一第二半透明基板上之作用層，於一背向該安裝基板之側上配備至少一個電觸點，每一該第一類別之發光二極體皆設置於一第一子基板上，每一該第二類別之發光二極體皆設置於一第二子基板上，該第一及該第二子基板設置於該安裝基板上。

根據本發明，在該照明系統中每一類發光二極體皆佈置於一子基板上。藉由以此方式安裝該等LED，該照明系統之功效得以改良。此外，藉由以此方式安裝該等LED，可增加該照明系統之封裝密度。較佳地，該第一類發光二極體包括InGaN LED，而該第二類發光二極體包括AlInGaP LED。

於該照明系統之一較佳實施例中，該第一類發光二極體包括所謂之覆晶InGaN LED，及該第二類發光二極體包括透明基板式AlInGaP LED。於該照明系統之一較佳實施中，該第二類發光二極體包括呈所謂之截頭倒置棱椎形狀之透明基板式AlInGaP LED。AlInGaP LED之此種形狀顯著提高光抽取效率。

該第一類發光二極體包括綠色及藍色LED。該等綠色及藍色LED晶片通常安裝在一子基板上。該第一類發光二極體包括一第一半透明基板，在該第一半透明基板的一面向該安裝基板之外表面上配備一作用層。

焊線提供介於該第一類發光二極體與該安裝基板(例如(金屬芯)印刷電路板)之間的電連接。另一選擇係，藉由子基板之側表面或在該側表面處提供之電連接提供介於該第一類發光二極體與該安裝基板之間的電連接，其中一第一導電材料提供介於LED晶片與該子基板之間的電連接，而一第二導電材料提供介於該子基板與該安裝基板之間的電連接。

該第二類發光二極體包括紅色或琥珀色LED。該第二類發光二極體包括一佈置於一第二半透明基板中之作用層。焊線提供介於該第二類發光二極體至該安裝基板之間的電連接。另一選擇係，第二類發光二極體之子基板導電並提供LED之一電極至該安裝基板之電連接，而無需使用焊線。

對於第二類發光二極體，通常該等焊線之一係自該第二半透明基板之一上表面發出。藉由亦在一子基板上安裝該第二類發光二極體，第一類發光二極體與第二類發光二極體之間LED面向PCB之表面之任何高度差皆予以減小。因此，改良系統效能。此外，第二類LED之子基板可被成形而促使增強熱擴散，藉此避免LED所產生之熱到達具有一較低熱傳導係數之層，以此方式減小LED之接面溫度並改良LED之功效。雖然在一子基板上安裝該第二類發光二極體並非該等面朝上式(即，兩個電觸點皆處於LED之上側，背向該安裝基板)或垂直結構式(即，一個電觸點處於LED之上側上，背向該安裝基板，而一個電觸點位於LED之下側上，面向該安裝基板)LED晶片正確運作之必要條件，但藉由在一子基板上佈置該等LED而改良照明系統之效能。

於習知照明系統中，紅色LED安裝於一較綠色及藍色LED為低之位置處。結果，紅色或琥珀色LED之效率變低，乃因紅色或琥珀色LED所發出之光被綠色及藍色LED之自安裝座(之側面)所吸收。

較佳地，與LED面向安裝基板之一側相比，LED之子基板在一平行於該安裝基板之平面內具有一更大之平均橫截面積且在一面向該安裝基板之側上具有一更大之表面積。因此，由LED產生的經由安裝基板傳遞至環境之熱量在到達一具有更高熱阻之媒體(對於電絕緣材料通常即係如此)之前會更好地擴散，以此方式，使LED接面與一散熱器件或環境之間的總熱阻得以減小。此與在增加接面溫度時會顯示出照明輸出極大降低之AIInGaP LED尤其相關。

為進一步改良照明系統之效能，將子基板製作成反射性。為此，本發明照明系統之一較佳實施例之特徵在於，第二子基板之背向該安裝基板之外表面之至少一部分為反射性或配備一反射塗層。銀頂層係一種極適合之反射塗層。此外，本發明照明系統之一較佳實施例之特徵在於，第一及/或第二子基板之側表面為反射性或配備一反射塗層。

對該照明系統之效能的另一改良係藉由改變該等子基板之側表面之取向來獲得。為此，本發明照明系統之一較佳實施例之特徵在於，第一及/或第二子基板之側表面傾斜，以引導在該等側表面處所反射之光背離印刷電路板。較佳地，子基板的面向該安裝基板之側面之表面積大於面向LED之側面。另一優點係在經過電絕緣層之前達成額外之熱擴散。當各LED係受到串聯驅動時，熱擴散較佳。

根據上文所述實施例易知本發明之該等及其他態樣且上文已參照所述實施例闡明瞭該等及其他態樣。

圖1示意性地顯示本發明照明系統一第一實施例之剖面圖。該照明系統包括一安裝基板4，在本實例中係一金屬芯印刷電路板。於圖1之實例中，該印刷電路板包括一鋁安裝基板41、一介電材料層42(舉例而言，經玻璃填充之環氧樹脂、陶瓷、或其一組合)及一由若干導電層(舉例而言由Cu製成)形成之預定圖案43。該預定圖案提供通往發光二極體之電連接。該照明系統進一步包括複數個發光二極體R、A、G、B，該複數個發光二極體R、A、G、B沿一背向該等LED之發光表面之方向發光。

LED可為不同原色之發光器，例如在圖1所示實施例中係眾所習知之紅色R發光器、琥珀色A發光器、綠色G發光器或藍色B發光器。另一選擇係，發光器可將(舉例而言)深紅色或藍綠色作為原色。該等原色可由發光二極體晶片直接產生，或者可在以來自發光二極體晶片之光照射時由一磷光體產生。在後一情況下，亦可將混合顏色或白色光作為該等原色之一。一般而言，LED具有相對高之源亮度。較佳地，在以標稱功率受到驅動且產生光之LED接面處於室溫下時，每一LED皆具有至少25 mW之輻射功率輸出。具有此一高輸出之LED亦稱作LED功率封裝。使用此等高效、高輸出LED具有如下特定優點：在需要相當高光輸出之情況下，LED之數量可相當地少。此對欲製造之照明系統之緊湊性及效率有積極作用。若LED功率封裝安裝在此一(金屬芯)印刷電路板上，則LED所產生之熱量可易於藉由經PCB之熱傳導來消散。於該照明系統之一較佳實施例中，(金屬芯)印刷電路板藉由一熱傳導連接與該照明系統之殼體(未顯示於圖1中)相接觸。

該照明系統可配備一光出射窗口(未顯示於圖1中)。較佳地，該光出射窗口呈穹頂形式設置。較佳地，覆蓋該等LED之穹頂包括一較佳具有大於1.3之折射率之透明或半透明介電質。另一選擇係，該等LED覆蓋有會一種會使光抽取增強的封裝劑。為清晰起見，在圖1之實例中僅顯示一個為第一類發光二極體之LED(參考符號G、B)及僅顯示一個為第二類發光二極體之LED(參考符號R、A)。

第一類發光二極體G、B包括一第一半透明基板11，在第一半透明基板11的面向印刷電路板4之外表面13上配備一作用層1。較佳地，該第一半透明基板係由藍寶石所製成。較佳地，該第一類發光二極體G、B包括InGaN發光二極體。第一類發光二極體G、B藉由一導電晶粒附著材料(參考符號51，例如為焊料，例如PbSn、AuSn、In或銦合金)設置於一第一子基板21上，在第一子基板21上及/或中配備一電路。第一子基板21由導熱良好之材料(例如Si或陶瓷，例如AlN)製成，該導電材料能夠應用所需電路來電連接LED，並具有會使晶粒能夠堅固、可靠地安裝之熱膨脹係數。第一子基板21藉由熱互連材料31設置於印刷電路板4上，熱互連材料31例如為焊料，例如In、In合金、PbSn、或AuSn，或為導熱良好之膠合劑，例如經銀填充之環氧樹脂，或為具有夠低熱阻之電絕緣膠合劑，例如藉由達成一極薄的晶粒附著層。焊線26、27經由各自之導電層36、37在LED與由若干導電層形成之預定圖案43之間提供電接觸。

包括一作用層2之第二類發光二極體R、A佈置於一第二半透明基板12中。根據本發明，第二類發光二極體R、A係經由一導電性晶粒附著材料(參考符號52)而設置於一第二子基板22上。第二子基板22係藉由一熱互連材料32而設置於安裝基板4上。較佳地，第二類發光二極體R、A包括AlInGaP發光二極體。焊線28、29提供介於LED與由若干導電層形成之預定圖案43之間的電接觸。焊線(參考符號28)之間的接觸係經由一導電層(參考符號38)來提供。

較佳地，第一類發光二極體包括覆晶InGaN LED，而第二類發光二極體包括透明基板式AlInGaP LED。較佳地，第二類發光二極體包括呈截頭倒置棱椎形的透明基板式AlInGaP LED。AlInGaP LED之此種形狀顯著增加光抽取效率。

為進一步增強該照明系統發出光之效率，第二子基板22之背向安裝基板4之外表面16為反射性或配備一反射塗層18。此外，第二子基板22之側表面16'、16"為反射性或配備一反射塗層18'、18"。於一替代實施例中，第一子基板21之側面亦為反射性或配備一反射塗層(未顯示於圖1中)。

為進一步增強該照明系統所發出光之效率，使第二子基板22之側表面16'、16"傾斜，使得於該等側表面處反射之光被引導背離該安裝基板4。於一替代實施例中，第一子基板21之側表面以一類似方式傾斜。

圖2A及2B示意性地顯示該光源中發光器之較佳組態之實例。該兩種組態之最大尺寸係直徑為6 mm。每一實例皆包括9個LED，其中各自顏色R、G、B之晶片比率為4：4：1。該組態取決於各LED之功效並可適當地加以調節。於圖2A及2B所示之實例中，發光器R、G、B佈置成使各原色基本旋轉對稱地分佈。藉由使發光器R、G、B之佈置具有一相對高之旋轉對稱性，實質上改良該照明系統所發出光之顏色均質性。

圖2A及圖2B中所示兩種設計之直徑皆約係6 mm。子基板之間的最小距離約係100 μm。於本實例中，InGaN LED安裝在六角形子基板上，且AlInGaP LED安裝在正方形子基板上，從而形成具有良好總體效能之緊湊多晶片組態。作為一實例，在Luxeon封裝中，AlInGaP LED直接安裝在散熱器件上，而InGaN LED安裝在Si子基板上。針對一種其中InGaN LED及AlInGaP LED二者皆佈置於單獨子基板上之照明系統來量測本發明照明系統之功效，並將其與一具有相同LED組態但僅有InGaN LED佈置於一子基板上之照明系統相比較。表I顯示關於該照明系統之功效及顏色均質性之結果。

表I在圖2A所示組態中紅色LED之三種不同子基板高度情況下之效率及顏色均質性。所有子基板皆配備一反射頂面。藍色及綠色LED之子基板高度係250 μm。

根據表I可得知，對於圖2A所示LED組態，與未使用子基板安裝紅色LED之組態相比較，在子基板高度為250 μm情況下紅色效率增加10%以上，同時綠色效率僅降低約2%且藍色效率僅降低約3.5%。在該三種解決方案中，照明系統所發出光束之顏色均質性相當。一般而言，總效率增益相依於用於三種彩色組件之通量比。特定而言，對於具有低色溫(例如2500 K或3000 K)之白光，藍色比例相對有限，且總效率增益很顯著。表I中所提供之結果係針對各照明系統(即具有AlInGaP LED之子基板及無AlInGaP LED之子基板)中具有相同之LED接面溫度的情況。AlInGaP LED之子基板中之額外熱擴散使該LED之功效提高得到進一步提高，從而進一步提高了總體系統效能。藉由將本發明照明系統內每一類別之發光二極體皆安裝於一子基板上，該照明系統之功效會得以改良。此外，可增加照明系統之封裝密度。

應注意，上述實施例係舉例說明而非限制本發明，熟習此項技術者將能夠設計出許多替代實施例，此並不背離隨附申請專利範圍之範疇。在申請專利範圍中，置於括號中的任何參考符號皆不應視為對申請專利範圍之限定。所用動詞"包括(comprise)"及其變化形式並不排除存在除一請求項中所述元件或步驟之外的其他元件或步驟。元件前之冠詞"a"或"an"並不排除存在複數個該等元件。本發明可藉由包括若干不同元件之硬體及藉由一經恰當程式化之電腦實施。於列舉若干構件之裝置申請項內，該等構件中之若干構件可由同一個硬體來實施。在互不相同的附屬請求項中陳述某些措施此一事實本身並不表明不能有益地組合使用此等措施。

1．．．作用層

2．．．作用層

4．．．印刷電路板/安裝基板

11．．．第一半透明基板

12．．．第二半透明基板

13．．．外表面

16．．．外表面

16'．．．側表面

16"．．．側表面

18．．．反射塗層

18'．．．反射塗層

18"．．．反射塗層

21．．．第一子基板

22．．．第二子基板

26．．．焊線

27．．．焊線

28．．．焊線

29．．．焊線

31．．．熱互連材料

32．．．熱互連材料

36．．．導電層

37．．．導電層

38．．．導電層

41．．．鋁安裝基板

42．．．介電材料層

43．．．預定圖案

51．．．導電晶粒附著材料

52．．．導電晶粒附著材料

於圖式中：圖1係本發明照明系統之一實施例之剖面圖，及圖2A及圖2B顯示光源中發光器之較佳組態之實例。

該等圖式完全係示意性而非按比例繪製。應注意，為清晰起見，以非常誇大之形式顯示某些尺寸。各圖式中相同之組件盡可能使用相同之參考編號標示。

1．．．作用層

2．．．作用層

4．．．印刷電路板/安裝基板

11．．．第一半透明基板

12．．．第二半透明基板

13．．．外表面

16．．．外表面

16'．．．側表面

16"．．．側表面

18．．．反射塗層

18'．．．反射塗層

18"．．．反射塗層

21．．．第一子基板

22．．．第二子基板

26．．．焊線

27．．．焊線

28．．．焊線

29．．．焊線

31．．．熱互連材料

32．．．熱互連材料

36．．．導電層

37．．．導電層

38．．．導電層

41．．．鋁安裝基板

42．．．介電材料層

43．．．預定圖案

51．．．導電晶粒附著材料

52．．．導電晶粒附著材料

Claims (8)

1. 一種照明系統，其包括：一用於安裝並電接觸複數個發光二極體(R，A，G，B)之安裝基板(4)，一第一類該等發光二極體(G，B)，其包括一第一半透明基板(11)，在該第一半透明基板(11)的一面向該安裝基板(4)之外表面(13)上配備一作用層(1)，於一面向該安裝基板(4)之側上配備多個電觸點；一第二類該等發光二極體(R，A)，其包括一佈置於一第二半透明基板(12)上之作用層(2)，於一背向該安裝基板(4)之側上配備至少一個電觸點，該第一類別之每一發光二極體(G，B)皆設置於一第一子基板(21)上，該第二類別之每一發光二極體(R，A)皆設置於一第二子基板(22)上，該第一子基板(21)及該第二子基板(22)設置於該安裝基板(4)上。
2. 如請求項1之照明系統，其中該第一類發光二極體(G，B)包括InGaN發光二極體，且該第二類發光二極體(R，A)包括AlInGaP發光二極體。
3. 如請求項1之照明系統，其中該第一類發光二極體(G，B)包括覆晶(flip-chip)InGaN發光二極體，且該第二類發光二極體(R，A)包括透明基板式AlInGaP發光二極體。
4. 如請求項1之照明系統，其中該第二類發光二極體(R， A)包括呈截頭倒置棱椎形的透明基板式AlInGaP發光二極體。
5. 2、3或4之照明系統，其中該第二子基板(22)的一背向該安裝基板(4)之外表面(16)之至少一部分為反射性或配備一反射塗層(18)。
6. 2、3或4之照明系統，其中該第一及/或該第二子基板(21，22)之側表面(16'，16")為反射性或配備一反射塗層(18'，18")。
7. 如請求項6之照明系統，其中該第一及/或該第二子基板(21，22)之該等側表面(16'，16")傾斜，使得在該等側表面處所反射之光被引導背離該安裝基板(4)。
8. 2、3或4之照明系統，其中在以標稱功率受到驅動且該等發光二極體(R，G，B)之該光產生接面處於室溫時，該等發光二極體(R，G，B)中之每一個皆具有一至少25 mW之輻射功率輸出。