CN101510581B - 发光二极管及其相关背光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管，其包含一发光二极管芯片、一基底结构、一荧光粉层，以及一透镜(lens)。其中该基底结构具有一凹槽使该发光二极管芯片与该荧光粉层同时设置于该凹槽内，而该透镜则设置于该基底结构上，其具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥(cone)结构的凹锥。
Description
技术领域
本发明提供一种发光二极管及其相关背光模块，尤指一种具有透镜(lens)的发光二极管，使发光二极管具有侧向光场以及相关背光模块。
背景技术
近年来发光二极管(以下简称LED(light emitting diode))的应用领域不断地被开发。LED系属冷发光，具有耗电量低、组件寿命长、无须暖灯时间、反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、适合量产，容易配合应用需求制成极小或数组式的组件等优点。发光二极管(LED)装置为符合应用的需求，往往需要在光束场型(beam pattern)、视角(view angle)、或出光角度上加以配合；故当LED以矩阵排列，需将间距与欲照射平面距离考虑好才可在欲照射表面有均匀亮度分布。
一般LED的发光场形为(朗伯)Lambertian发散，其发散角约120度左右，且LED表面法线方向之光线(中心光源)最强。也正因为如此，在组成背光模块时，如欲缩短与照射平面距离或拉大LED间距，照射平面上便会呈现亮点型式之分布。
为了解决上述问题，一般背光模块皆以全侧向发光之LED为主，目前已有许多现有技术陆续被公开，包含美国专利4,907,044、2006/0076568以及2007/0195534等，其均在LED封装体上加上一透镜结构并在透镜表面中心附近镀上反射层，利用透镜曲率折光至贴近水平方向之大角度出光，以得到接近水平发散的发光场形，但此种LED在法线方向的光强度极弱，几乎没有任何出射光线。
美国专利2006/0102914进一步揭露了具有翅膀形光场的发光二极管结构，其利用两层曲面中间含有沟槽(gap)的结构，可达到大角度的翅膀形光场，其法线方向的光场强度为与法线夹70-80度的光场强度的5-33％。此外，请参考第1图，第1图为美国专利公告第2007/0187705A1号所揭露习知发光二极管的剖面示意图。为调整发光二极管100的发光场形，使其呈现翅膀场形，利用芯片110上方具有凹槽130的透镜120型式以达成不同形状的发光场形。但上述LED侧向光强度与侧向角度控制却不尽理想，故当LED欲组成背光模块时，其组成的数组间距亦受限于一定距离以内，以避免造成亮度不够与亮度不均等问题，但这样的解决方法却造成LED数量必须增加，成本也随之提高。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管及其相关背光模组，该发光二极管具有侧向光场，其不仅使得具有该发光二极管的相关背光模组的亮度增加，且控制了制造成本。
本发明提供的发光二极管是这样实现的：
一种发光二极管，其包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，该基底结构具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；
一荧光粉层，于该凹槽内覆盖于该发光二极管芯片上；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥。
本发明更提供了一种背光模组，其是这样实现的：
一种背光模块，其包含有：
一反射板；
一扩散板，设置于该反射板上方；
复数个发光二极管，设置于该反射板与该扩散板之间，任两相邻发光二极管的设置间距介于20毫米至40毫米，其中每一发光二极管包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，其具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥。
本发明亦提供了另一种背光模组，其是这样实现的：
一种背光模块，其包含有：
一反射板；
一扩散板，设置于该反射板上方；
复数个发光二极管，设置于该反射板与该扩散板之间，任两相邻的该发光二极管设置间距的高度与宽度比介于0.5至1之间，其中每一发光二极管包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，其具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥。
相较于现有技术，本发明发光二极管及其相关背光模组具有以下优点：
本发明揭露的发光二极管，其利用特殊外型的透镜以及凹槽与透镜间相对特殊比例作用，藉以调整发光二极管的发光场形特征，形成具有侧向光场的发光二极管，其场形强度最大值约介于与法线夹40-70度角间，而法线方向的光强度约为最大光强度极大值的40％至70％。本发明的发光二极管可有效改变发光二极管芯片的发光光场，其翅膀形状的发光场形可使发光二极管具有大视角发光及较大的照射半径的特性。
本发明所提供的背光模块，可利用本发明具有侧向光场的发光二极管，在不影响照明均匀度及亮度的情况下，将发光二极管设置的数组间距加大，可有效减少发光二极管使用数目以达到降低成本的目的。此外，为因应目前背光市场朝向轻薄发展，本案的发光二极管可应用于在直下式背光模块的设计上，使其达到厚度薄形化的目的。且本发明更可应用于路灯或一般光源应用上，使其达到更大的设计弹性，并使模块成本更低，且极具竞争力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：
图1为习知发光二极管的剖面示意图。
图2为本发明发光二极管第一实施例的剖面图。
图3为本发明发光二极管第二实施例的剖面图。
图4为本发明透镜的剖面图。
图5为本发明发光二极管第一实施例的第一基板示意图。
图6为本发明发光二极管第一实施例的第二基板示意图。
图7为本发明发光二极管第一实施例的第三基板示意图。
图8为本发明发光二极管第一实施例加入透镜的示意图。
图9为本发明发光二极管第一实施例的基板底视图。
图10为本发明发光二极管C与现有技术发光二极管D光强度与发光角度关系的曲线图。
图11为本发明发光二极管C与现有技术发光二极管D照射于平面上的亮度分布图。
图12为本发明背光模块的示意图。
具体实施方式
请参考图2、图3。本发明发光二极管20、30包含一基底结构200、300、一发光二极管芯片252、352、一荧光粉层254、354以及一透镜(lens)240、340，其中基底结构200、300具有一凹槽250、350，可使发光二极管芯片252、352置于其中，而荧光粉层254、354设置于凹槽250内且覆盖于发光二极管芯片252、352上，用以将芯片发光波长转换为其它发光波长并增加发光二极管20、30的出光光色均匀性，透镜240、340设置于基底结构200、300上，用以调整发光二极管芯片252所发出的光线，改变其发光场形，而基底结构200、300更包含至少一导电端子202、203、302、303，用以提供发光二极管芯片252、352发光所须的电压。
此外，基底结构为一多层基板堆栈结构，也就是说，基底结构200、300至少为一第一基板210、310以及一位于第一基板210、310上的第二基板220、320迭合而成，换言之，基底结构200、300亦可包含一第三基板230，迭合于第二基板220、320上方。
此外，导电端子202、203、302、303为一多层金属导电架构的一部分，也就是说，基底结构200、300为该多层金属导电架构与多层基板堆栈结构结合而成，其中以图2为例，该多层金属导电架构至少包含一第二金属层222用以形成其正负导电端子202、203以及一位于第一基板210与第二基板220间的第一金属层212，进而提供一个热电合一的架构，使得发光二极管芯片252发光所产生的热可藉由第二金属层222导出；其中该多层金属导电架构形成方法可藉由披覆(coating)、电镀(plating)、印刷(printing)、金属薄片夹层或引线框架的方式设置二金属层212、222；并更包含连接二金属层212、222的一导体260，该连接方式可为一体成型的引线框架360或于该多层基板间设置至少二穿孔(如图5所示第一孔洞214、215及图6所示第二孔洞224、225)，并于该些穿孔中填充一金属物(如图2及图3所示导体260、360)，进而其中一该穿孔用以提供第一金属层212与第二金属层222电性连接，故该些穿孔亦可称为导电孔，而填充金属物的方法系可藉由电镀或灌入金属浆或金属胶的方式以达到填充目的。
此外，为使发光二极管芯片252、352与基底结构200、300电性连结，则设置至少一导线270、370连接发光二极管芯片252、352及导电端子202、203、302、303。其中引线框架360、第一金属层212及第二金属层222的材料为以铜/镍/银合金(Cu/Ni/Ag)或铜/镍/金(Cu/Ni/Au)合金所组成，导体层260材料由银(Ag)所组成。
此外，基底结构200、300(亦即第一基板210、310，第二基板220、320以及第三基板230)由散热板、导电板、电路板或陶瓷板所构成，其组成材料可为硅材料、陶瓷材料或金属材料等个别或混合材料。
此外，基底结构200、300更包含一散热块280、380，发光二极管芯片252、352位于散热块280、380上，其中散热块280、380的材质系为铜(Cu)或银(Ag)，于发光二极管芯片252、352作用而产生热能时，散热块280、380藉由热传导的特性可将发光二极管芯片252、352所产生的热能传递出去，于本发明的实施例中，散热块280、380亦可视为第一基板210、310的一部分。
请参考图4，本发明所述的透镜240具有一独特外形，包括具有一曲面侧壁242，透镜240顶部具有一平面244，且顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥(conical concave portion)246，透镜240可调整发光二极管芯片252、352的发光场形，使其呈现侧向光场。此外请一并参照图2及图3，本发明所述的发光二极管20、30的基底结构200、300的凹槽250、350边长A尺寸系小于透镜240、340直径B三分之一，因此发光二极管芯片252、352在凹槽250、350中可以呈现类似点光源的形式发光。
此外，以本发明实施例而言，于发光二极管20底部更包含一第三金属层，用以形成一驱动电路(图未示)，也就是提供至少一对应的正负电压于该驱动电路，再藉由与发光二极管芯片252电性导通的二正负导电端子202、203而使其产生光源。参考图5至图8且搭配图2为例，当第一基板210与第二基板220堆栈时，第一孔洞214、215、216、217与第二孔洞224、225、226、227填充该金属物使其与第三金属层形成的相对应该驱动电路产生电性连接，以单一芯片为例，发光二极管芯片252的正极可利用导线270连接导电端子202后，透过任一第一孔洞215、217与该任一第一孔洞相对的第二孔洞225、227内的该金属物外接相对应该驱动电路的正极接点；同理，发光二极管芯片252的负极可利用导线270连接导电端子203后，透过任一第一孔洞214、216与该任一第一孔洞相对的第二孔洞224、226内的该金属物外接相对应该驱动电路的负极接点，如此完成。其中，发光二极管芯片252的正负极亦可利用导线270分别连接另一导电端子202、203。
请参考图9，图9为本发明发光二极管20第一实施例的第一基板210底视图。发光二极管20的第一基板210底部具有一第三金属层，其包含复数个金属垫218，至少二第一基板210底部四端的金属垫218与发光二极管芯片252的正负极相连接，并提供该正负电压于该驱动电路，且与发光二极管芯片252电性导通产生光源。此外，亦可于该发光二极管20中置入复数个发光二极管芯片252于凹槽250中(如图2所示)，其中该复数个芯片电性连接关系可视需求为串联或并联。更进一步的说，该芯片间的串并联关系可藉由该些金属垫218搭配外接相对该应该驱动电路的正负极接点以及导线270搭配导电端子202、203加以调整。举例来说，与外部驱动电路电性连接该些金属垫218，仅提供一对正负电性，将该二芯片藉由该些导线270与该些导电端子202、203电性联接，或者，将一芯片正极与另一芯片负极直接另一导线连接该二芯片，则可提供二芯片的电性串联关系；其中正负极可视需求互换。
请图2且由第5图至图8，一第一基板210具有至少第一金属层212，其中第一金属层212具有复数个第一孔洞214、215、216、217。由图6可知，一第二基板320具有至少一第二金属层322，其中第二金属层222具有复数个第二孔洞224、225、226、227。为提供发光二极管芯片252与外部电源的电性连接，则第一孔洞214、215、216、217与第二孔洞224、225、226、227两两相对相互重迭，并填充入一金属物形成一贯穿第一基板与第二基板的导体260(又称导电孔)，使正负导电端子202、203可藉由导体260与外部电源电性连接，此外，部份的第二孔洞224、225中的导体260更用以提供第一金属层212与第二金属层222电性连接。由图7可知，第三基板230迭合于第二基板220上方，且第三基板230具有一容置空间，可容置连接于发光二极管芯片252以及第二金属层222之间的导线270，以保护发光二极管20的线路。最后由图8可知，透镜240迭合于第三基板230上方，可调整发光二极管芯片252的发光场形。
本发明利用透镜240、340结构改良发光二极管20、30的发光场形，使发光二极管20、30具有一翅膀形状的发光场形，同时搭配将发光二极管芯片252、352设置于凹槽250、350内，且凹槽250、350与透镜240、340具有特殊比例的尺寸关系，使发光二极管芯片252、352以近似点光源的形式发光，如此一来，发光二极管20、30可以产生中心强度较斜向光强度稍弱的翅膀状发光场形，因此当发光二极管20、30之设置间距拉大后，或与欲照射面距离拉近时，两发光二极管20、30间的亮度与发光二极管20、30上方的亮度不至于相差太多，因此在提供均匀光强度的条件下，本发明所揭露的发光二极管20、30可以更大之间距配置。换言之，当将发光二极管20、30应用于直下式背光模块的背光源时，具有大视角的发光二极管20、30可以有效缩短背光模块与薄膜晶体管-液晶显示器模块的距离。此外，本发明所揭露的发光二极管20、30结构所发出的光线的波长范围介于300奈米(nm)至700奈米之间，请参照图10及图11，图10为本发明发光二极管C与现有技术发光二极管D光强度与发光角度关系的曲线图，图11为发光二极管C与现有技术发光二极管D照射于平面上亮度分布图。由图10可知，现有技术发光二极管D结构所提供发光场形的最大强度在中心法线方向，而偏离中心法线方向越远，其光强度呈现递减现象。然本发明发光二极管C结构所提供发光场形，其场形强度最大值约介于与法线夹40-70度角间，而法线方向的光强度约为最大光强度极大值的40％至70％。由图11可知，现有技术发光二极管D的光亮度半径较本发明发光二极管C小。故由上述可知，本发明的发光二极管20、30可有效改变发光二极管芯片252、352的发光光场，其翅膀形状的发光场形可使发光二极管20、30具有大视角发光及较大的照射半径的特性。
请参考图12。图12为应用本发明所揭露的发光二极管20、30背光模块400的示意图。其中背光模块(back light unit)400包含一反射板(reflective sheet)420、一扩散板(diffuser plate)440以及复数个发光二极管20(或发光二极管30)。其中扩散板440设置于反射板420上方，复数个发光二极管20则设置于反射板420与扩散板440之间。此外，扩散板440上方可另增设一第一扩散膜(diffuser film)442、一第一增亮膜(brightness enhancement film-BEF)460、一第二增亮膜462以及一第二扩散膜444。其中发光二极管20所产生的光线由扩散板440散射至显示面板(图未显示)，于发光二极管20下方的反射板420则可将发光二极管20向下散射的光线反射至扩散板440，以有效利用发光二极管20发出光线。而扩散板440上的扩散膜460则具有导光功能。在背光模块400中，由于发光二极管20具有如前述翅膀状的发光场形，因此在背光模块400内任两相邻发光二极管20的设置间距可介于20毫米(mm)至40毫米(mm)之间，较佳为25毫米(mm)至29毫米(mm)之间。除此之外，任两相邻的发光二极管20设置间距的高度与宽度比介于0.5至1之间，故利用本发明的发光二极管20所组成的背光模块400，可有效减少发光二极管20的数量，同时符合背光模块400的光强度及均匀度需求。此外，发光二极管20与扩散板440的距离H亦因发光二极管20的侧向光场特性可进一步缩小，进而达到背光模块400薄型化的目的。
本发明揭露的发光二极管，其利用特殊外型的透镜以及凹槽与透镜间相对特殊比例作用，藉以调整发光二极管的发光场形特征，形成具有侧向光场的发光二极管，其中，本发明的技术内容特征不仅局限于图2、图3中利用打线技术(wire bounding)将芯片与基底结构上的导电端子连接以提供发光二极管芯片所需发光电压，本发明亦适用于覆晶封装(Flip-Chip)技术，于芯片上生成至少一凸块(bump)，再将芯片翻转(flip)使该凸块与基底结构直接连结，也就是说，不论应用于何种封装技术，只要于基底结构上装设本发明特殊形状的透镜皆为本发明的技术内容特征，而本发明所提供的背光模块，可利用本发明具有侧向光场的发光二极管，在不影响照明均匀度及亮度的情况下，将发光二极管设置的数组间距加大，可有效减少发光二极管使用数目以达到降低成本的目的。此外，为因应目前背光市场朝向轻薄发展，本案的发光二极管可应用于在直下式背光模块的设计上，使其达到厚度薄形化的目的。且本发明更可应用于路灯或一般光源应用上，使其达到更大的设计弹性，并使模块成本更低，且极具竞争力。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (12)
1.一种发光二极管，其包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，该基底结构具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；
一荧光粉层，于该凹槽内覆盖于该发光二极管芯片上；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥；
其中，该凹槽边长小于该透镜直径的三分之一，而使该发光二极管所发出光强度最大值界于与法线夹40-70度角间，法线向量的光强度为最大光强度值的40％至70％。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该基底结构包含一散热块，该发光二极管芯片位于该散热块上。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该基底结构包含一第一基板与一第二基板，该第一基板具有一第一金属层，该第二基板具有一第二金属层，该第一金属层具有至少一第一孔洞，该第二金属层具有至少一第二孔洞，至少一该第一孔洞与该第二孔洞相互重迭。
4.如权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，该发光二极管更包含一金属物，填充于该第一孔洞及该第二孔洞内，电性连接该第一基板的该第一金属层及该第二基板的该第二金属层。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该基底结构包含具有一第一金属层的一第一基板、具有一第二金属层的一第二基板与一第三基板，该第三基板具有一容置空间并迭合于该第二基板上，用以容置电性连接该发光二极管芯片及该第二基板的该第二金属层之一导线。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该基底结构更包含一与其结合的引线框架。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，该基底结构包含一第一基板、一第二基板与一第三基板，该第三基板具有一容置空间并迭合于该第二基板上，用以容置电性连接该发光二极管芯片及该引线框架的一导线。
8.如权利要求3或5或7所述的发光二极管，其特征在于，该凹槽藉由该第二基板与该第一基板迭合而成。
9.一种背光模块，其包含有：
一反射板；
一扩散板，设置于该反射板上方；
复数个发光二极管，设置于该反射板与该扩散板之间，任两相邻发光二极管的设置间距介于20毫米至40毫米，其中每一发光二极管包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，其具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥；
其中，该凹槽边长小于该透镜直径的三分之一。
10.如权利要求9所述背光模块，其特征在于，该每一发光二极管更包含一荧光粉层，于该凹槽内覆盖于该发光二极管芯片上。
11.一种背光模块，其包含有：
一反射板；
一扩散板，设置于该反射板上方；
复数个发光二极管，设置于该反射板与该扩散板之间，任两相邻的该发光二极管设置间距的高度与宽度比介于0.5至1之间，其中每一发光二极管包含有：
一发光二极管芯片；
一基底结构，其具有一凹槽，该发光二极管芯片设置于该凹槽内；以及
一透镜，设置于该基底结构上，该透镜具有一曲面侧壁，顶部具有一平面，顶部中央具有一倒圆锥结构的凹锥；
其中，该凹槽边长小于该透镜直径的三分之一。
12.如权利要求11所述的背光模块，其特征在于，该每一发光二极管更包含一荧光粉层，于该凹槽内覆盖于该发光二极管芯片上。
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