CN101545615B - 发光二极管面光源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种发光二极管面光源装置，包含一基板与多数成阵列式排列设置于该基板的发光二极管晶片。基板厚度为1mm至3mm。所述发光二极管晶片面积介于0.08mm2-0.25mm2之间，且每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片尺寸的2倍以上。本发明借由使用小尺寸晶片并且控制晶片间距及基板厚度，除了可以达到利用小尺寸的晶片让整个面光源装置的发光效率提升以外，也可以使晶片温度维持在较低的状态，降低所需散热的幅度，进而较有利于接下来整个发光二极管面光源装置的散热设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管装置，特别是涉及一种多数颗发光二极管排列成面光源的发光二极管面光源装置。
背景技术
请参阅图1所示，是现有技术的台湾公告号289947的立体示意图。在台湾公告号289947一案中，所揭露的是一种将多数颗发光二极管晶片91(以下简称晶片)设置在基板92而构成一面光源的技术，且晶片91尺寸是在40mil以下(特别是在8mil～14mil之间)，借此增加出光效率，并提高导热性。
但是实际上，面光源除了晶片91尺寸以外，晶片91之间的间距以及基板92本身的厚度也都会影响到整个面光源的散热性，进而影响到晶片的发光效率，而这一部分在前述现有习知的一案中并未做探讨。
有鉴于上述现有的发光二极管面光源装置存在的问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及其专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的发光二极管面光源装置，能够改进一般现有的发光二极管面光源装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的发光二极管面光源装置存在的问题，而提供一种新型结构的小尺寸晶片的发光二极管面光源装置，所要解决的技术问题是使该发光二极管面光源装置是利用小尺寸其发光面积介于0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mil2)的发光二极管晶片，并且具有可使晶片温度较低的晶片间距值以及基板厚度，既可以有高取光率的表现，也可以降低面光源装置以后所需的散热困难度，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种发光二极管面光源装置，包含一基板与多数颗呈阵列式排列设置于该基板的发光二极管晶片；其中：该基板厚度为1mm至3mm，且该基板包括一高导热的金属层；以及所述发光二极管晶片面积介于0.08mm2-0.25mm2之间，且每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的晶片在该晶片面积为0.08mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的晶片在该晶片面积为0.25mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的3倍以上。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的晶片在该晶片尺寸为0.28mm×0.28mm的情况下，每两发光二极管之间的间距为0.6mm以上。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的金属层是由铝材质所构成。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的金属层是由铜材质所构成。
前述的发光二极管面光源装置，其中该发光二极管面光源装置还包含一反射盖及多数个透光体，该反射盖设置于该基板上方并且具有多数个分别对应所述发光二极管晶片的凹口，每一凹口具有一围绕于该发光二极管晶片周围的反射内壁面，所述透光体分别设置于所述凹口内而封装所述发光二极管晶片。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的反射内壁面用以反射该发光二极管晶片发射的光线。
前述的发光二极管面光源装置，其中该发光二极管面光源装置还包含多数个分别设置于所述反射内壁面的反射层，所述反射层为借由电镀、蒸镀或溅镀而附着于所述反射内壁面的金属材料。
前述的发光二极管面光源装置，其中该发光二极管面光源装置还包含多数个分别设置于所述反射内壁面的反射层，所述反射层是选自白色热固型树脂、耐高温树脂或高反射率陶瓷材料。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的反射盖为铝材。
前述的发光二极管面光源装置，其中该发光二极管面光源装置还包含一设置于该基板与该反射盖之间而用以胶合该基板与该反射盖的粘胶层。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的粘胶层的材质为热固型导热薄膜或高导热胶材。
前述的发光二极管面光源装置，其中所述的透光体包括用以产生白光的荧光粉。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种发光二极管面光源装置，包含一基板与多数颗呈阵列式排列设置于该基板的发光二极管晶片，其中该基板厚度为1mm至3mm，且该基板包括一高导热的金属层。所述的发光二极管晶片面积介于0.08mm2-0.25mm2之间，且每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上。
依据本发明发光二极管面光源装置，其中，在该晶片面积为0.08mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上；在该晶片面积为0.25mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的3倍以上。
依据本发明发光二极管面光源装置，其中，在该晶片面积为0.08mm2的情况下，每两发光二极管之间的间距为0.6mm；在该晶片面积为0.25mm2的情况下，每两发光二极管之间的间距为1.2mm。
目前白光发光二极管主要为利用InGaN蓝光晶片搭配荧光粉而成。
由于晶片面积过小会有操作困难的问题，且当晶片面积尺寸小于0.08mm2(121mil2)时，晶片的长或宽会小于0.3mm，而现有习知产品的一般高亮度InGaN小晶片皆为双焊垫，一般焊垫大小为0.1mm左右，两个焊垫的总长度则为0.2mm，已超过晶片长或宽的一半以上，遮掉大部分的出光。
借由上述的技术方案，本发明发光二极管面光源装置至少具有下列的优点及有益效果：由于晶片过大则取光效率降低，且热的集中度较高，散热不易。因此，本发明的有益效果在于：通过使用发光面积介于0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mil2)的小尺寸晶片，并且控制晶片间距及基板厚度，除了可以达到利用小尺寸的晶片让整个面光源装置的发光效率提升以外，也可以使晶片温度维持在较低的状态，降低所需散热的困难度，进而较有利于接下来整个发光二极管面光源装置的散热设计。
综上所述，本发明是有关于一种发光二极管面光源装置，包含一基板与多数成阵列式排列设置于该基板的发光二极管晶片。基板厚度为1mm至3mm。所述发光二极管晶片面积介于0.08mm2～0.25mm2之间，且每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片尺寸的2倍以上。本发明藉由使用小尺寸晶片并且控制晶片间距及基板厚度，除了可以达到利用小尺寸的晶片让整个面光源装置的发光效率提升以外，也可以使晶片温度维持在较低的状态，降低所需散热的幅度，进而较有利于接下来整个发光二极管面光源装置的散热设计。因此利用小尺寸发光面积介于0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mil2)的发光二极管晶片，具有可使晶片温度较低的晶片间距值以及基板厚度的功效，既可以有高取光率的表现，也可以降低面光源装置以后所需的散热困难度，非常适于实用。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的发光二极管面光源装置具有增进的突出功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是现有技术的台湾公告号289947的立体示意图。
图2是本发明发光二极管面光源装置一较佳实施例的剖视图。
图3是基板尺寸与晶片温度的关系曲线图。
图4是晶片面积比值与晶片温度的关系曲线图。
图5是晶片面积为0.28mm×0.28mm的晶片间距与晶片温度的关系曲线图。
图6是晶片面积为0.5mm×0.5mm的晶片间距与晶片温度的关系曲线图。
图7是基板厚度与晶片温度的关系曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的发光二极管面光源装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
下面结合附图及一个具体实施例对本发明进行详细说明：
请参阅图2所示，是本发明发光二极管面光源装置较佳实施例的剖视图。本发明一个较佳实施例的发光二极管面光源装置1，包含一基板11、多数颗呈阵列式排列设置于基板11上而构成一面光源的发光二极管晶片12(以下简称晶片12)、一设置于基板11上的反射盖13、一设置于基板11与反射盖13之间而用以胶合基板11与反射盖13的粘胶层15，以及多数个透光体14。利用目前的白光发光二极管制作技术，该透光体14可以包含荧光粉，借以产生白光。该发光二极管面光源装置1是可供作为照明用的发光源或其他需要面光源的场合，并且可以搭配增设有助于散热的散热结构等等。
在本实施例中，该基板11，包括一金属层111及一设置于金属层111上的绝缘层112。该反射盖13，具有多数个凹口131，每一凹口131具有一反射内壁面132，当反射盖13设置于基板11上，所述的凹口131分别对应于所述发光二极管晶片12，并且每一个凹口131的反射内壁面132围绕于晶片12的周围。所述的透光体14，分别设置于所述凹口131内而封装所述的发光二极管晶片12。
除此之外，在本实施例中，发光二极管面光源装置1更包含一电路层17及多数个反射层18；该电路层17，设置在基板11的绝缘层112上而介于绝缘层112与反射盖13之间，所述发光二极管晶片12可以金属线固晶打线技术或以覆晶封装等方式设置在电路层17上。在本实施例中，反射层18为借由电镀、蒸镀或溅镀的加工方式附着于反射盖13的所述反射内壁面132的金属材料。
但是在其他的实施态样中，所述的反射层18的材质也可以是白色热固型树脂、耐高温树脂或高反射率的陶瓷材料等等。或者，反射盖13可以是具有高反射特性的塑胶材质或金属材质，使其凹口131的反射内壁面132直接形成一反射面而达到反射的功效。
在本实施例中，所使用的晶片12的尺寸、晶片12之间的间距以及所使用的基板11的厚度，是依据下列三组热流及温度分布的模拟实验所获得。
先行一提的是，本实施例在三组实验进行之前，更进行了一组前置实验，以决定所采用的基板面积，如下面的表1所示，该前置实验是取厚度为0.5mm的铝材作为金属层111以及厚度为0.1mm的绝缘层112，且面积分别为100mm2、400mm2、625mm2、900mm2的四块基板，每一块基板设置面积为1mm×1mm的晶片，进而测量晶片温度。
请参阅图3所示，是基板尺寸与晶片温度的关系曲线图。图3为以表1的基板面积为横轴，所测得的晶片温度为纵轴所绘出的曲线图，由图3可知，基板面积大约在550mm2(此时晶片温度约101℃)之后，晶片温度已经没有太大的下降趋势，因此，基板面积选择在550mm2以上为较佳的尺寸，在以下的实验中，是取基板面积为550mm2为基准面积。
| 基板面积(mm2) | 100 | 400 | 625 | 900 |
| 晶片温度(℃) | 117 | 104 | 99 | 98 |
表1
第一组实验：取较佳的晶片尺寸范围。在第一组实验中，以输入相同功率条件，共设置五组实验样本，每一组实验样本的基板面积相同，但变化晶片面积大小：
第一组：基板面积为550mm2，晶片面积为1mm×1mm，且晶片之间的间距为1mm。
第二组：基板面积为550mm2，晶片面积为0.7mm×0.7mm，晶片之间的间距为0.7mm，且第二组的晶片面积与第一组的晶片面积比值约为0.5(0.49mm2/1mm2)。
第三组：基板面积为550mm2，晶片面积为0.5mm×0.5mm，晶片之间的间距为0.5mm，且第三组的晶片面积与第一组的晶片面积比值约为0.25(0.25mm2/1mm2)。
第四组：基板面积为550mm2，晶片面积为0.34mm×0.34mm，晶片之间的间距为0.34mm，且第四组的晶片面积与第一组的晶片面积比值约为0.11(0.1156mm2/1mm2)。
第五组：基板面积为550mm2，晶片面积为0.5mm×0.2mm，晶片之间的间距为0.2mm，且第五组的晶片面积与第一组的晶片面积比值约为0.1(0.1mm2/1mm2)。
请配合参阅下面的表2与图4所示，图4是晶片面积比值与晶片温度的关系曲线图，其中，图4是以第二组到第五组实验样本的晶片面积与第一组实验样本的晶片面积比值为横轴，所测得的晶片温度为纵轴所绘制的曲线图。由图4中可知，当晶片面积越小，晶片温度越低。但是当晶片面积过小时，其设置在基板上的作业困难度越高，且晶片面积过小，也会有制程困难的问题，当晶片面积尺寸小于0.08mm2(121mil2)时，晶片的长或宽会小于0.3mm，因一般高亮度InGaN小晶片皆为双焊垫，一般焊垫(pad)的大小为0.1mm左右，两个焊垫的加总长度达0.2mm，将超过晶片长或宽度的一半，严重遮住晶片的出光。因此，在考量可接受的晶片温度以遮光影响也不至于太高的情况下，在0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mi12)之间都是可以接受的晶片面积值范围，而以本实施例而言，上限的晶片面积比值约为0.25，其实际值约0.25mm2(400mil2)。
| 晶片面积(mm2) | 晶片面积比值 | 晶片间距(mm) | 晶片温度(℃) |
| 1×1 | 1 | 1 | 103 |
| 0.7×0.7 | 0.5 | 0.7 | 101 |
| 0.5×0.5 | 0.25 | 0.5 | 99 |
| 0.34×0.34 | 0.11 | 0.34 | 95 |
| 0.5×0.2 | 0.1 | 0.2 | 92 |
表2
第二组实验：取较佳的晶片间距范围。基于第一组实验所得的结果，在第二组实验中，选择晶片面积分别为0.28mm×0.28mm、0.5mm×0.5mm的二种实验样本，铝基板面积同样为550mm2。
请结合参阅图5所示，是晶片面积为0.28mm×0.28mm的晶片间距与晶片温度的关系曲线图。在晶片面积为0.28mm×0.28mm(0.08mm2，11mil×11mil)的该实验样本中，由以下的表3可知，当晶片间距越大，所测得的晶片温度越低，通过图5的曲线图可取得，当晶片间距超过0.6mm以上时，也就是晶片间距为晶片尺寸的2.1倍(0.6mm/0.28mm)以上时，晶片温度下降的幅度已经缓和，但由于晶片间距越大，所占用的基板面积越大材料成本及需求空间也会因增高而不利，因此，基于基板的成本考量，当晶片面积为0.08mm2时，约0.6mm为较佳的间距值。上述晶片间距为晶片尺寸的2.1倍中，所指的晶片尺寸为晶片的边长尺寸而非面积尺寸。
| 晶片面积(mm2) | 晶片间距(mm) | 晶片温度(℃) |
| 0.28×0.28 | 0 | 103 |
| 0.28×0.28 | 0.2 | 98 |
| 0.28×0.28 | 0.4 | 96 |
| 0.28×0.28 | 1 | 93.5 |
| 0.28×0.28 | 1.5 | 93 |
表3
请结合参阅图6所示，是晶片面积为0.5mm×0.5mm的晶片间距与晶片温度的关系曲线图。相同的，由以下的表4可以得知，在晶片面积为0.5mm×0.5mm(0.25mm2，20mil×20mil)的该种实验样本中，通过图6的曲线图可以取得，当晶片间距超过1.2mm以上时，也就是晶片间距为晶片尺寸的2.4倍(1.2mm/0.5mm)以上时，晶片温度下降的幅度已经缓和，因此，基于基板的成本考量，当晶片面积为0.5mm×0.5mm时，约1.2mm为较佳的间距值。
综合以上两种实验模拟分析的结果，可以归纳出晶片间距应保持在晶片尺寸(长或宽)的两倍以上较佳。
| 晶片面积(mm2) | 晶片间距(mm) | 晶片温度(℃) |
| 0.5×0.5 | 0.1 | 151.33 |
| 0.5×0.5 | 0.2 | 150.2 |
| 0.5×0.5 | 0.5 | 148.68 |
| 0.5×0.5 | 1 | 147.34 |
| 0.5×0.5 | 1.5 | 146.59 |
| 0.5×0.5 | 2 | 145.77 |
| 0.5×0.5 | 2.5 | 145.55 |
| 0.5×0.5 | 3 | 145.45 |
表4
第三组实验：取较佳的基板厚度。第三组实验取晶片面积为0.08mm2(0.28mm×0.28mm)的一组实验样本进行，如下面的表5所示，为取晶片面积为0.08mm2(0.28mm×0.28mm)，并且变化基板厚度所得到的结果，请结合参阅图7所示，是基板厚度与晶片温度的关系曲线图，而图7是以表5的基板厚度为横轴，晶片温度为纵轴所绘出的曲线图，由图7中可知，虽然基板厚度约在0.9mm以后，晶片温度随基板厚度增加而下降的趋势已渐趋缓，故基于材料成本的考量，基板厚度选在1mm至3mm，即可达到让晶片温度维持在较低温的状态。
| 铝基板厚度(mm) | 0.5 | 0.72 | 1.5 | 2 | 3 |
| 晶片温度(℃) | 89 | 83 | 80.5 | 80 | 80 |
表5
基于上述第三组实验所取得的数据，在整体考量上，本发明的发光二极管面光源装置1的晶片12面积取在0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mil2)之间、晶片间距在晶片边长尺寸的2倍以上，并且配合基板厚度在1mm至3mm时，晶片温度可以维持在一较低的状态，除了具有较佳的取光效率以外，同时也可以降低整个发光二极管面光源装置1所需外加散热的幅度。
需要补充说明的是，在上述实施例中选用的基板11材质为铝，但是实际上，基板11的材质相对于发光二极管晶片大小以及晶片间距所造成的散热性影响较小，因此，基板11的材质也可以是铜或其他高散热性的金属材料等。此外，每一颗发光二极管晶片12也可以再与一基纳二极管并联以作为静电保护。
综上所述，由于小尺寸晶片的外部量子效率较高，并且较不容易存在有热堆积的现象，本发明借由将晶片面积限制在0.08mm2(121mil2)-0.25mm2(400mil2)之间，并且配合将晶片间距限制在晶片边长尺寸的2倍以上、基板厚度限制在1mm至3mm，除了可以达到利用小尺寸的晶片让整个面光源装置1的发光效率提升以外，也可以使晶片温度维持在较低的状态，降低整个发光二极管面光源装置1以后所需散热的幅度，进而较有利于接下来整个发光二极管面光源装置1的散热设计，并且反射盖13的反射层132也有助于提高发光效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (14)
1.一种发光二极管面光源装置，包含一基板与多数颗呈阵列式排列设置于该基板的发光二极管晶片；其特征在于：
该基板厚度为1mm至3mm，且该基板包括一高导热的金属层；以及
所述发光二极管晶片面积介于0.08mm2-0.25mm2之间，且每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上。
2.如权利要求1所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的晶片在该晶片面积为0.08mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的2倍以上。
3.如权利要求1所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的晶片在该晶片面积为0.25mm2的情况下，每两发光二极管晶片之间的间距为该晶片边长尺寸的3倍以上。
4.如权利要求2所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的晶片在该晶片尺寸为0.28mm×0.28mm的情况下，每两发光二极管之间的间距为0.6mm以上。
5.如权利要求1所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的金属层是由铝材质所构成。
6.如权利要求1所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的金属层是由铜材质所构成。
7.如权利要求1所述的发光二极管面光源装置，其特征在于该发光二极管面光源装置还包含一反射盖及多数个透光体，该反射盖设置于该基板上方并且具有多数个分别对应所述发光二极管晶片的凹口，每一凹口具有一围绕于该发光二极管晶片周围的反射内壁面，所述透光体分别设置于所述凹口内而封装所述发光二极管晶片。
8.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的反射内壁面用以反射该发光二极管晶片发射的光线。
9.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于该发光二极管面光源装置还包含多数个分别设置于所述反射内壁面的反射层，所述反射层为借由电镀、蒸镀或溅镀而附着于所述反射内壁面的金属材料。
10.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于该发光二极管面光源装置还包含多数个分别设置于所述反射内壁面的反射层，所述反射层是选自白色热固型树脂、耐高温树脂或高反射率陶瓷材料。
11.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的反射盖为铝材。
12.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于该发光二极管面光源装置还包含一设置于该基板与该反射盖之间而用以胶合该基板与该反射盖的粘胶层。
13.如权利要求12所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的粘胶层的材质为热固型导热薄膜或高导热胶材。
14.如权利要求7所述的发光二极管面光源装置，其特征在于其中所述的透光体包括用以产生白光的荧光粉。
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