TW201204163A - LED array with improved color and flux consistency - Google Patents

Description

201204163 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種發光二極體複合光源及其建構方法。 【先前技術】 發光二極體（LEDs ’ “Light-emitting diodes”)為取代白熾 燈與其它光源的優良候選者。LEDs比白熾燈具有較高的電 光，換效率，並具有較長的壽命。此外，LEDs在相當低的 電壓之下運作，因此較適合用於許多以電池供電的裝置。 另外:LEDs為點光源，因此比日光光源更適用於需要由一 光學系統瞄準或聚焦的點光源之照明系統。 為了與白熾燈競爭，LED的輸出光譜必須經改變來提 仏人類觀察者感知為「白色」的光譜。概言之，產生 ”Ϊ係在較小的波長頻帶中。因此，為了建構可被感知 ^白色的光源，來自單色光LED的光線基本上由—榮光粉 二，下轉換，以提供在可見光譜中額外區域内的光線。最 H式及轉換部份的藍光成 挥育— Μ粉層。如果藍光對黃光的比例經適當地選 光與黃光的結合將由人類觀察者感知為白色。 uU 7 1白色光源的色溫主要根據該光源輸出中藍光對黃光的 如產生的黃光量根據下層藍光源之峰值波長而定。 “Ϊ會3變因：^光粉層被轉換為黃光的該小部分 θ ^因此破感知的該光源之色溫亦改變。 固定光Τ曰光源if主要限制其中之-為能夠提供 與轄射功率當中皆有力。目則’在LEDS之峰值波長 射功率之峰值者的變化。LEDS之峰值波長與總輕 β文變±l〇nm，而其輕射功率可改變±2〇 201204163 %。因此’除非採取補償措施，最終白光LEDs之色溫與 會有顯著變化。例如’在此問題的一種解決: 、晶4被·，並減該峰錢長與該輸出功 . 率被为類^不同的槽㈣中。然後製造商調整製造參數以 匹配一特定的槽。 在另-種補償策略中，結合白光源，並調節強度，以 提供具預定色溫與強度的白光源。例如美國專利7,568,815 中描述-種方案’其中使用三個具有不同光譜的白光 LE= ’以藉由調整該等三個白光LEDs之相對強度來建構 八有一特定色溫的白光源。雖然此種方法提供製造參數不 需要由於該等LEDs中的變化而做改變之光源，但提供 制器與調整該等LEDs之相對輸出的成本顯著地增加了^ 光源的成本。據此，需要一種光源設計，其不需要對於2 ，LED槽有不_參數，同時避免了提供—控制器與調整 母個LED之輸出的成本。 【發明内容】 、本發明包括由複數個組成光源所建構的一種複合光 源二及其建構方法。該複合光源之特徵在於位在由第—與 第=目標光譜值所定義的一光譜測度設計範圍内的一輸出、 光=測$，及位在由第一與第二強度值所定義的一輸出強 度設計範圍内的每個組成光源之一平均光線強度。該等組 成光源包括其光譜測度與輸出強度位在該光譜測度設計範 圍之外與該輸出強度設計範圍之外的光源。該等組成光源 係由針對每個光源的該光譜測度與輸出強度分類該等組成 光源所得到的一些預定群組中選出，使得該複合光源具有 位在該等對應設計範圍内的一光譜測度與輸出強度。 201204163 【實施方式】 本發明係基於觀察到許多有關的LED式光源必須由複 數個LEDs晶粒建構，因為單一晶粒之光線輸出對於這些應 用而言並不足夠。藉由將該等晶粒分類成少數的群組，並 由那些群組組合晶粒，即可達到強度與中心波長之變化少 於該等晶粒中所遭遇之分散的一種光源。 請參照第一圖，例示良率分佈為於一些不同晶圓上所 製造之LED晶粒之集合的中心波長與光線強度之函數的散 射圖。為了簡化該圖式，代表該等晶粒的「黑點」已經從 部份圖式中省略。概言之，製程之目的在於在一預定操作 電流之下提供具有相同中心波長與強度的晶粒。目標 中心波長與強度係在該散射圖的原點處。環繞該原點有一 些區域’標明為區域35 ’其中該等晶粒中的變化可被接受， 因為來自區域35之複數個晶粒所建構的一光源在光色與強 度上會比由來自此區域相同數目晶粒所建構的另一光源更 充分靠近。位在區域35之外的晶粒將稱之為偏遠晶粒。 光源與光源之間該可接受的變化係根據該特定應用而 定。例如如果該兩個光源同時由一觀察者觀視且彼此靠 近，其可容忍的變化程度將低於如果該等光源彼此隔開時 可容忍的變化程度。但是對於許多應用而言，區域35夠小， 而有相當多數目的晶粒位在此區域之外。如果不利用這此 晶粒，會發生良率的明顯降低，造成對於可使用晶粒之成 本增加。 要利用該等偏遠晶粒之一種解決方案係要將位在區域 35之外的該等晶粒「槽化(bin)」成其特性充份類似之晶粒 的群組，其中每個晶粒群組可視為特徵在於中心波長與平 201204163 均強度的不同種類之LED，其可用於建構使用不同光源設 計的光源。例如，在區域31中的晶粒可視為具有平均峰值 波長λ!與強度1丨之不同種類的晶粒。 ' 可惜的是，此種解決方案需要設計與建構光源者對於 : 一特定光源必須具有不同的設計，所以該光源可由群組31 或群組3 5之晶粒來建構。如果中心波長的差異量太大，這 種方案即不可能實行。另外，即使當這種方式有可能，對 該光源所增加的成本將造成製造商的問題。 現在請參照第二圖，其例示根據本發明之光源的一個 具體實施例。光源20包括圖示為21-24之四個LED晶粒， 其係裝設在一基板25上。晶粒21-24串聯連接，並由焊墊 26及27供電。該等晶粒經選擇使得平均而言，光源20放 射的光線之波長會比由隨機選擇的四個晶粒所建構之光源 要更接近於一預定設計波長與目標光線輸出。 在本發明之一個態樣中，當一預定電流通過該晶粒 時，該等晶粒根據每個晶粒效能被分類成四個群組。現在 請參照第三圖，其例示討論中的該等群組。該群組32由放 射光線之中心波長大於該目標波長且其強度小於該目標強 度的晶粒構成。該群組33由放射光線之中心波長小於該目 標波長且其強度小於該目標強度的晶粒構成。該群組34由 放射光線的光線強度高於該目標強度且其中心波長小於該 目標波長的晶粒構成。該群組31由放射光線的目標強度高 於該目標強度且其中心波長大於該目標波長的晶粒構成。 光源20包括來自每個群組的一晶粒。因為該等晶粒為 串聯連接，通過每個晶粒的電流相同，並由一單一電源控 制。對於每個放射強度大於該目標強度之晶粒，有一晶粒 的放射強度小於該目標強度。因此，該等晶粒之結合的光 線輸出之強度會比隨機選擇的四個晶粒要更接近於該設計 201204163 強度。 同樣地，對於每個放射波長大於該目標波長之晶粒， 有一晶粒的放射波長小於該目標波長。因此，該輸出光雄 將會稍微加寬，且將具有更接近於該設計中心頻率的 心頻率。在需要具有一良好光色呈現光譜（a g⑽d rendering spectrum)之光源的應用中’該較寬的輸出光譜可 提供改善的效能。 °a 上述之該等具體實施例假設最終光源之輸出強度為兮 晶粒目標強度之四倍。在某些應用中，此限制會造成問題: 此限制可藉由將該等晶粒分類成五個群組來克服。現在請 參照第四圖’其例示將該等晶粒分類成五個群組。於45 ^ 所示之遠第五群組係集中在該目標波長與強度值，並由已 經位在該目標設計規格内的所有該等晶粒構成。該等其餘 的晶粒為偏遠者’其被分類成該等四個群組，如41_44、所 不。一光源可由來自該等不同群組之晶粒的組合來建構。 — 在本發明之此態樣中，四個晶粒由群組41-44中選出， 2個群組選出一個。來自群組45中一或多個額外的晶粒被 入到该等光源之每一者，以調整強度至所需要的強度。 例如’如果需要其公稱強度(nominal intensity)為單一晶粒的 五倍之光源，來自群組45之一個額外的晶粒被加入到每一 光源，並與來自前四個群組的該等晶粒為串聯地放置。同 =的’如果需要公稱強度為單一晶粒的六倍，則加入兩個 額外的群組45之晶粒，依此類推。因為群組45的該等晶 粒已經是在該設計規格之内，該等額外的晶粒將不^造: ，光源超出該設計規格。事實上，該等額外的晶粒必須進 —步降低中心波長與強度值中的分散。 ' 亦應注意由來自群組41的一個晶粒與來自群組43的 個晶粒所構成的一光源中每個晶粒之該平均強度將在區 201204163 域45之内。同樣的，由來自群組42的一個晶粒與來自群 組44的一個晶粒所構成的一光源中每個晶粒之該平均強度 將在區域45之内。因此，本發明可用於提供一光源，其強 度為該設計強度的兩倍。 此外，強度為1〇之六倍的一光源亦可藉由利用來自群 組41-44或如上述之群組31-34中每一者的一個晶粒構成， 加上自群組41與43或自群組42與44中選出的兩個額外 晶粒。 現在請參照第五圖，其例示具有六個晶粒的一光源。 該等晶粒係裝設在一基板59上，並串聯連接。該光源經由 焊墊57與58來供電。在此示例中，晶粒52與55由第四 圖所示之區域45中選出，而晶粒51、53、54、56分別由 區域41-44中選出。 該等上述具體實施例已經利用晶粒具有其中單一LED 係放射在相對較窄的波長頻帶中的光線。但是，本發明之 原理可被應用到由其它型式之組成光源所建構的光源。對 於此處討論的目的，一組成光源可視為一種光源，其特徵 在於其輸出光譜，該光譜特徵在於根據所放射光線之波長 的一些光譜測度，以及在一組預定的驅動條件之下所產生 的輸出光線強度。 例如，螢光粉轉換的LEDs由被一螢光粉層覆蓋的― LED所構成，其可轉換由該LED放射的部份光線成為具有 不同光譜的光線。大多數的「白光LEDs」係依此方式建構， 其係藉由使用具有由一黃色螢光粉覆蓋的一藍光LED之@ 粒。由此種光源所放射的該光線由人類觀察者感知為白 光。所放射的該光線之特徵在於色溫，其將該輸出光譜關 連於在該溫度下操作的一黑體所放射的該光譜。由螢光粉 轉換的白光LED所放射之光線的色溫根據螢光粉轉換的光 201204163 線對於餘留在該最終光譜中的藍光之強度的比例而定。一 些製造因素會引進晶粒與晶粒之間色溫的變化。這些因素 亦會影響晶粒與晶粒間強度的變化。因此，生產白光LEDs 的製造設備基本上其特徵在於該等最終的白光LEDs中色 溫與光線強度皆會有顯著的變化。 本發明可用於將該等組成光源結合成較大的光源，其 可具有顯著較低的變異性，因此可改善製程之良率。至於 白光LEDs，該等晶粒以類似於上述分類成四或五個群組之 方式被分類成群組。每個晶粒之特徵在於其色溫，以及當 使用一預定電流來供電給該晶粒時所產生的光線強度。該 等群組係針對一目標色溫與輸出光線強度來定義。 現在請參照第六圖，其例示其中晶粒基於色溫與強度 被分類成五個群組的實例中之晶粒群組。於65處所示之第 一群組由其色溫與強度係在對應於該設計色溫T〇與設計強 度1〇的可接受變化内之該等晶粒所構成。群組61-64包括群 組65之外的該等晶粒。群組61由其色溫大於TG且強度大 於1〇之晶粒所構成。群組62由其色溫大於T〇且強度小於 1〇之晶粒所構成。群組64由其色溫小於T〇且強度大於1〇 之晶粒所構成。群組63由其色溫小於T〇且強度小於10之 晶粒所構成。 在由螢光粉轉換之LED的更為一般性的實例中，其並 不需要為「白光」LED，該光譜測度可對於兩個或更多波長 之下的該輸出光線強度來定義。例如，可利用在一預定藍 色波長頻帶内的輸出強度對於具有一預定黃色或綠色波長 頻帶的輸出強度之比例。亦可利用涉及在額外的波長之下 的強度之其它光譜測度。 根據本發明一個具體實施例之光源具有由群組61-64 選出的至少兩個晶粒。一個晶粒可由群組61選出，而另一 201204163 個由群組63選出，或是一個晶粒可由群組62選出，而另 一個由群組64選出。在另一具體實施例中，該光源具有自 群組61-64之每一者中選出的一個晶粒。在又另一具體實施 例中，這些具體實施例其中之一包括來自群組65的一或多 個晶粒。 該等上述本發明之具體實施例係關於由單一半導體晶 粒構成之複數個組成光源所建構的複合光源。但是，亦可 建構出其中該等組成光源本身為由複數個半導體晶粒所構 成的複合光源的本發明之該等具體實施例。該等複合光源 可為如上述之根據本發明的複合光，或是特徵在於兩個參 數中有變化之其它光源。 該等上述本發明之具體實施例已提供用於例示本發明 之多種態樣。但是，請瞭解在不同特定具體實施例中所示 之本發明的不同態樣可經組合來提供本發明之其它具體實 施例。此外，對於本發明之多種修改可經由該前述的說明 及附屬圖式而更加瞭解。據此，本發明僅由該等後附申請 專利範圍之該範®壽所限定。 .¾ 11 201204163 【圖式簡單說明】 第一圖為例示良率分佈為於一些不同晶圓上所製造之 LED晶粒之集合的中心波長與光線強度之函數的散射圖。 第二圖例示根據本發明之光源的一個具體實施例。 第三圖例示討論中的群組。 第四圖例示將晶粒分類成五個群組。 第五圖例示具有六個晶粒的一光源。 第六圖例示其中晶粒基於色溫與強度被分類成五個群 組的該實例中之晶粒群組。 【主要元件符號說明】 20 光源 21-24晶粒 25 基板 26-27焊墊 31 區域 31-34群組 35 區域、群組 41-44群組 45 區域、群組 51_ 5 6晶粒 57-58焊墊 59 基板 61-64群組 65 群組 12

Claims (1)

1. 201204163 七、申請專利範圍·· 1. 一種包含複數個組成光源的複合光源，該複合光 源之特徵在於位在由第一與第二目標光譜值所定義的一光 譜測度設計範圍内的一輸出光譜測度，及位在由第一與第 二強度值所定義的一輸出強度設計範圍内的每個組成光源 之一平均光線強度，該等組成光源包含： 第一與第二組成光源，每一組成光源之特徵在於一光譜 測度與一輸出強度，該等第一與第二組成光源其中之一的 該光譜測度係在該光譜測度設計範圍之外，或是該等第一 與第二組成光源其中之一的該輸出強度係在該輸出強度設 計範圍之外，其中該等第一與第二組成光源之特徵在^位 在該光譜測度設計範圍内的一組合式光譜測度，且該等第 一與第二組成光源之特徵在於位在該輸出強度設計範圍内 的一平均輸出強度。 …2.如申請專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複合光源，其中該等第一與第二組成光源兩者之該光譜測 度係在該光譜測度設計範圍之外，且其中該等第一與第二 組成光源兩者之該輸出強度係在該輸出強度設計範圍之 外。 ^ 3·如申請專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複合光源，其中該第一組成光源之該輸出強度大於該第二 強度值」且戎第二組成光源之該輸出強度小於該第一強度 值，該第二強度值係小於該第二強度值，且其中該第—ς 成光源之該光譜測度大於該第二目標光譜值，且該第二組 成光源之該光譜測度小於該第一目標光譜值，該第一目庐 光譜值係小於該第二目標光譜值。 知 、4.、如申請專利範圍第丨項之包含複數個組成光 複合光源，·«•中該第一组成光源之該輸出強度大於該第二 13 201204163 強度值，且該第二組成光源之該輸出強度小於該第—強产 值，該第一強度值係小於該第二強度值，且其中該第—組 成光源之該光譜測度小於該第一目標光譜值，且該第_組 成光源之該光譜測度大於該第二目標光譜值，該第—目梗 光譜值係小於該第二目標光譜值。 τ 5_如申請專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複合光源，進一步包含一第三組成光源，其特徵在於—光 譜測度與一輸出強度，該第三組成光源之該光譜測度係在 該光譜測度設計範圍之内，且該第三組成光源之該輪出強 度係在該輸出強度設計範圍之内。 6 如申請專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複合光源，其中該等第一與第二組成光源包含多個J^EDS， 5玄等LEDs之特徵在於一輸出光譜，該輸出光譜的特徵在於 一中心波長’且其中該光譜測度為該中心波長的函數。 7·如申凊專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複合光源，其中該等第一與第二組成光源包含螢光粉轉換 Lros。 、 8·如申請專利範圍第7項之包含複數個組成光源的複 合光源’其中該等螢光粉轉換的LEDs之特徵在於一色溫， 且其中該光譜測度係關於該色溫。 人9.如申請專利範圍第7項之包含複數個組成光源的複 合光源’其中該光譜測度由在兩個不同波長之下測量的一 輸出強度所決定。 、—人1〇_如申請專利範圍第1項之包含複數個組成光源的 複&光源，其中該等第一與第二組成光源為串聯連接。 、—種用於建構包含複數個組成光源的複合光源之 方法丄該複合光源之特徵在於位在由第一與第二目標光譜 值所定義的一光譜測度設計範圍内的一輸出光譜測度，及 201204163 與第二強度值所定義的一輸出強度設計範圍内 的母個組成光源之一平均光線強度，該方法包括： ，選擇第-與第二組成光源，每―組成光源之特徵在於— ^晋測度與—輸出強度，該等第—與第二組成光源其中之 一的该光譜測度係在該光譜測度設計範圍之外， $第二組成光源其中之一的該輸出該： 度設計範圍之外，其中該等第一與第二組成光源之特= =士該j譜測度設計範圍内的一組合式光譜測度，且該 U歧紐之特徵在於位在該輸出強度設計範 圍内的一平均輪出強度； 裝設該等第一與第二光源在一基板上；及 將該等第一與第二組成光源連接在一起，以形成該複 合光源。 …12· $申請專利範圍帛U項之用於建構包含複數個組 成光源的複合光源之方法，其中該選擇包含將複數個組成 光源分類成第一與第二群組，該第一群組包含具有大於第 一強度值之该輸出強度，且具有大於該第二目標光譜值之 該光譜測度的組成光源，而該第二群組包含具有小於該第 一強度值之該輸出強度，且具有小於該第一目標光譜值之 s亥光谱測度的組成光源，該第一目標光譜值小於該第二目 標光譜值’且該第一強度值小於該第二強度值。 13·如申請專利範圍第12項之用於建構包含複數個組 成光源的複合光源之方法’其中該選擇進一步包含將該等 組成光源分類成第三與第四群組，該第三群組包含具有小 於該第一強度值之該輸出強度，且具有大於該第二目標光 谱值之該光譜測度的組成光源，而該第三群組包含具有大 於該第二強度值之該輸出強度，且具有小於該第一目標光 譜值之該光譜測度的組成光源。 15 201204163 14.如申請專利範圍第13項之用於建構包含複數個組 成光源的複合光源之方法，其中該選擇進一步包含將該等 組成光源分類成一第五群組，該第五群組包含具有在該光 譜測度設計範圍内之該光譜測度，且具有在該輸出強度設 計範圍内之該輸出強度的組成光源。 16