TW201537773A - 半導體發光元件及其發光裝置 - Google Patents

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Abstract

半導體發光元件包含一透光基板、一發光二極體結構與一光學單元。該透光基板具有相對設置的支撐面及第二主表面。該發光二極體結構設置在該支撐面，且與未和發光二極體結構重疊的至少部分支撐面形成可出光的第一主表面。該光學單元設置在該第一主表面，並包含一覆蓋邊及對應之一光發散邊，其中該覆蓋邊面向該透光基板。該光學單元還包含至少一光學結構，設置在該光發散邊，以根據光線之波長將該覆蓋邊所接收光線的至少一部分發散到不同方向。

Description

半導體發光元件及其發光裝置
本發明係提供一種半導體發光元件及其發光裝置，尤指一種可提供多向性光源的半導體發光元件、及具有此種半導體發光元件的發光裝置。
發光二極體(light emitting diode,LED)本身所發出來的光是一種指向性的光源，並非如傳統燈泡為一種發散型的光源。因此，發光二極體在應用上會受到限制。舉例而言，傳統發光二極體在一般室內/室外的照明應用無法或難以達到所需要的發光效果。另外，傳統發光二極體的發光裝置僅可單面發光，因此其發光效率(luminance efficiency)較傳統一般室內/室外照明的發光裝置低。
為了克服傳統發光二極體在照明應用上的弱點，本發明提供一種一種半導體發光元件，其包含一透光基板、一發光二極體結構與一光學單元。透光基板具有相對設置的一支撐面以及一第二主表面，而發光二極體結構設置在該支撐面，並與未和該發光二極體結構重疊之至少部分該支撐面形成一可出光的第一主表面，其中該發光二極體結構產生之至少部分光線通過該透光基板且從該第二主表面出光。光學單元設置在該第一主表面，並包含一覆蓋邊以及一光發散邊，該覆蓋邊面向該透光基板，且該光發散邊之位置對應於該覆蓋邊。該光學單元還包含至少一光學結構，設置在該光發散邊，以根 據光線之波長將該覆蓋邊所接收光線的至少一部分發散到不同方向。
本發明之一較佳實施例中的半導體發光元件，其還包含一波長轉換層，該波長轉換層設置在該光學單元與該透光基板之間，且該光學單元之該覆蓋邊的表面平行於該波長轉換層之一對應表面。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元還包含一第一發散部以及一第二發散部，分別覆蓋在該透光基板的該第一主表面與該第二主表面上。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元還包含一連接部，連接該第一發散部與該第二發散部。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該連接部之一表面係面向該透光基板之一端面，且具有一凹處。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該連接部之該凹處的一剖視面具有角度在70度至140度之間的一凹陷角。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該該凹陷角的角度等於或接近90度。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學元件之該連接部包含至少一光學結構，設置在從該第一發散部之光發散邊延伸或從該第二發散部之光發散邊延伸形成的一表面。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學結構 之一剖視面為近似於或等於三角形，且包含角度在30度至140度之間的一頂角。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學結構之一剖視面為近似於或等於三角形，且包含角度在50度至140度之間的一頂角。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該頂角的角度為等於或接近70度。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學結構之數量多於一個，且該些光學結構以陣列、交錯排列或同心排列設置。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該連接部包含一凸起部。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該凸起部之一曲率半徑在0.01mm至10mm之間。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該凸起部之該曲率半徑等於或接近3mm。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元的至少一部份直接接觸該波長轉換層。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該波長轉換層間有一距離在0mm至2mm之間。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該波長轉換層間之該距離等於或接近0.2mm。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元之該連接部和該透光基板間有一距離在0mm至2mm之間。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元之該連接部和該透光基板間之該距離等於或接近0.2mm。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元的至少一部份直接接觸該發光二極體結構。
本發明之另一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該發光二極體結構間有一距離在0mm至2mm之間。
本發明之又一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該光學結構為近似於或等於角錐形。
本發明還提供一種半導體發光元件，其包含一立方形發光單元以及一光學單元。該光學單元設置在該立方形發光單元之的至少一發光面上，並包含一覆蓋邊以及一光發散邊，其中該覆蓋邊面向該立方形發光單元，且該光發散邊之位置對應於該覆蓋邊。該光學單元還包含至少一光學結構，設置在該光發散邊，以根據光線之波長將該覆蓋邊所接收之光線發散到不同方向。
本發明之一較佳實施例中的半導體發光元件，其中該立方形發光 單元包含相對的至少二發光面，且該光學單元還包含一第一發散部以及一第二發散部，分別覆蓋該立方形發光單元之該些發光面。
本發明還提供一種發光裝置，其包含本發明提供之半導體發光元件及一水晶構件。該水晶構件設置在靠近該半導體發光元件之位置，用來接收該半導體發光元件發出之光線。
本發明之一較佳實施例中的發光裝置，其中該半導體發光元件和該水晶構件間有一距離在0cm至20cm之間。
1、1’、310‧‧‧半導體發光元件
1a‧‧‧第一群發光元件
1b‧‧‧第二群發光元件
11、10、10’、50、301、302‧‧‧發光裝置
12M‧‧‧非平面結構
14‧‧‧發光二極體結構
141‧‧‧基底
142‧‧‧N型半導體層
143‧‧‧主動層
144‧‧‧P型半導體層
18‧‧‧第二連接導線
2‧‧‧透光基板
2a‧‧‧端面
20‧‧‧第一連接導線
22‧‧‧第二連接導線
210‧‧‧支撐面
21A‧‧‧第一主表面
21B‧‧‧第二主表面
23A‧‧‧連接導線
23B‧‧‧第二連接導線
25、9‧‧‧類鑽碳膜
26‧‧‧承載座
28‧‧‧晶片結合層
28A‧‧‧第一晶片結合層
28B‧‧‧第二晶片結合層
3‧‧‧發光二極體結構
30、32‧‧‧電極
31A、16‧‧‧第一電極
31B、18‧‧‧第二電極
311A‧‧‧第一連接電極
311B‧‧‧第二連接電極
322‧‧‧裝置基座
330‧‧‧缺口
34‧‧‧發光面
341‧‧‧承載座
342‧‧‧條狀部
4‧‧‧波長轉換層
5、26‧‧‧承載座
5a‧‧‧對稱中心
51、62、321‧‧‧支架
52、63‧‧‧元件接合層
6‧‧‧電路基板
60‧‧‧承載機構
61‧‧‧插槽
62‧‧‧支架
7‧‧‧燈罩
8‧‧‧濾光器
70‧‧‧光學單元
72‧‧‧覆蓋邊
74‧‧‧光發散邊
76‧‧‧光學結構
78‧‧‧第一發散部
80‧‧‧第二發散部
82‧‧‧連接部
821‧‧‧內表面
823‧‧‧外表面
84‧‧‧凹處
86‧‧‧凸起部
88‧‧‧水晶構件
90‧‧‧發光單元
92‧‧‧發光面
θ1‧‧‧第一夾角
θ2‧‧‧凹陷角
θ3‧‧‧頂角
V+、V-‧‧‧驅動電壓
L‧‧‧光線
P‧‧‧電路圖案
H‧‧‧孔洞
G‧‧‧缺口
D1、D2、D3‧‧‧距離
第1圖與第2圖為本發明之一較佳實施例之半導體發光元件的結構示意圖。
第3圖、第4圖與第5圖為本發明之一較佳實施例之不同形式的發光二極體結構3與導線之耦接示意圖。
第6圖與第7圖為本發明之一較佳實施例之波長轉換層之配置示意圖。
第8圖為本發明之另一較佳實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
第9圖為本發明之另一較佳實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
第10圖為本發明之另一較佳實施例之半導體發光元件的立體示意圖。
第11圖為本發明之一較佳實施例之承載座之示意圖。
第12圖為本發明之一較佳實施例之電路板之示意圖。
第13圖為本發明之一較佳實施例之反射鏡之示意圖。
第14圖為本發明之一較佳實施例之類鑽碳膜之示意圖。
第15圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第16圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第17圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第18圖、第19圖與第20圖為本發明之一較佳實施例之透光基板插接或黏接於承載座之示意圖。
第21圖與第22圖為本發明之一較佳實施例之透光基板黏接於具支架的承載座之示意圖。
第23圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第24圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之裝置基座之示意圖。
第25圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置的立體示意圖。
第26圖、第27圖、第28圖與第29圖為本發明之一較佳實施例之透光基板以點對稱或線對稱形式設置於承載機構之示意圖。
第30圖為本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第31圖與第32圖為本發明之一較佳實施例之燈罩之示意圖。
第33圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第34圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第35圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第36圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第37圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。
第38圖至第40圖為本發明第33圖至第37圖所示實施例之光學單元之較佳態樣之示意圖。
請參考第1圖與第2圖，第1圖與第2圖為本發明之一較佳實施例之半導體發光元件的結構示意圖。如第1圖與第2圖所示，半導體發光元件1係包括：一透光基板2；一支撐面210；一第一主表面21A；一第二主表面21B以及至少一發光二極體結構3。平板或薄片狀的透光基板2本身具有兩個主要表面，其中之一係為支撐面210，具有發光功能的發光二極體結構3可設置於此支撐面210之上。發光二極體結構3未被透光基板2遮蔽的一發 光面34與未設置發光二極體結構3之部分支撐面210共同形成可發光的第一主表面21A。透光基板2未設有發光二極體結構3的另一主要表面則為第二主表面21B。前述佈置方式反之亦可，且亦可於透光基板2兩個面均設置發光二極體結構3。在本發明之一實施例中，發光二極體結構3可設置於透光基板2之支撐面210，並與設置於第二主表面21B之其它發光二極體結構3相應交錯，使透光基板2的各面上的發光二極體結構3發光時，光線不被透光基板2另一面上的其它發光二極體結構3遮蔽，如此可相應增加半導體發光元件1之發光強度。透光基板2如藍寶石基板、陶瓷基板、玻璃基板、塑膠或橡膠基板等等的材質可包括選自於氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釷、氧化鋯、鋯鈦酸鉛鑭、砷化鎵、硫化鋅、硒化鋅、氟化鈣、氟化鎂、碳化矽(SiC)或化學聚合物等的材料，其中，本發明較佳實施例之一係採用藍寶石基板作為透光基板2，因為藍寶石基板大體上為單晶結構，不但具有較好的透光率，且散熱能力佳，可延長半導體發光元件1的壽命。然而，使用傳統藍寶石基板於本發明中會有易碎裂的問題，故本發明經實驗驗證，本發明之透光基板2較佳係選用厚度大於或等於200微米(um)的藍寶石基板，如此可達成較佳的可靠度，並有較佳的承載以及透光功能。為了使半導體發光元件1有效地發出多向性光線，例如雙向性或全向性光線，本發明之半導體發光元件1至少有一發光二極體結構3較佳可選用出光角度大於180度者。相應地，設置於透光基板2上的發光二極體結構3可從發光面34發出往遠離透光基板2方向行進的光線，發光二極體結構3亦會發出至少部分進入透光基板2之光線。而進入透光基板2之光線除可從透光基板2的第二主表面21B出光外，亦可從未設置發光二極體結構3之部分支撐面210與基板2的其他表面出光。半導體發光元件1可以至少雙面出光、多方向出光或全方向出光。於本發明中，第一主表面21A之面積或第二主表面21B之面積係為設置於其表面上的所有發光二極體結構3之一發光面34之總和面積的五倍以上，此係兼顧到發光效率以及散熱等條件而為較佳的配置比例。
另外，本發明之另一較佳實施例是半導體發光元件1之第一主表 面21A與第二主表面21B發出之色溫差異等於或小於1500K，使半導體發光元件1有更全面一致之發光效果。尤其，當透光基板2之厚度如前所述，並使用出光之波長範圍在大於或等於420奈米，且/或小於或等於470奈米的發光二極體結構3時，透光基板2之光穿透率可大於或等於70%。
本發明並不以上述實施例為限。下文將依序介紹本發明之其它較 佳實施例，且為了便於比較各實施例之相異處並簡化說明，在下文之各實施例中使用相同的符號標注相同的元件，且主要針對各實施例之相異處進行說明，而不再對重覆部分進行贅述。
請參考第3圖、第4圖與第5圖，本發明為了獲得供電以進行發 光，發光二極體結構3包括第一電極31A與第二電極31B。第一電極31A與第二電極31B分別與透光基板2上之第一連接導線23A及第二連接導線23B電性連接。其中，第3圖、第4圖與第5圖分別揭示了不同形式的發光二極體結構3與導線之耦接方式。第3圖係為橫式發光二極體結構，其發光二極體結構3係形成於透光基板2之支撐面210上，第一電極31A與第二電極31B係以打線方式分別電性耦接於第一連接導線23A與第二連接導線23B。第4圖係為覆晶式發光二極體結構3，係將橫式發光二極體結構3倒置並藉第一電極31A與第二電極31B使發光二極體結構3與透光基板2耦接。第一電極31A與第二電極31B係以焊接或黏接方式分別電性耦接於第一連接導線23A與第二連接導線23B。如第5圖所示，第一電極31A與第二電極31B設置於發光二極體結構3之不同面，發光二極體結構3以直立方式設置，使第一電極31A與第二電極31B可以焊接或黏接方式分別與第一連接導線23A以及第二連接導線23B相連接。
請參考第6圖與第7圖，本發明之半導體發光元件1可更包括一 波長轉換層4，其係選擇性設置於第一主表面21A或/與第二主表面21B之上，或是直接設置於發光二極體結構3上。波長轉換層4可直接接觸發光二極體結構3，或是與發光二極體結構3相鄰一段距離而不直接接觸。波長轉換層4係含有至少一種螢光粉，例如石榴石系、硫酸鹽系或矽酸鹽系等等無機或有機材質之螢光粉。波長轉換層4用以將至少部份發光二極體結構3發出光線轉換為另一種波長範圍的光線。例如，當發光二極體結構3發出藍光，波長轉換層4可轉換部分藍光為黃光，而使半導體發光元件1在藍光與黃光混合之下最後發出白光。另外，因第一主表面21A的光源主要來自發光二極體結構3直接發出的光線，而第二主表面21B之光源是來自發光二極體結構3的光線穿過透光基板2發出的光，故第一主表面21A之光線強度(照度)會不同於第二主表面21B之光線強度(照度)。因此，本發明之另一較佳實施例之半導體發光元件1，第一主表面21A與第二主表面21B上的波長轉換層4之螢光粉含量係相應配置。較佳來說，在第一主表面21A的波長轉換層4之螢光粉含量相對於在第二主表面21B的波長轉換層4之螢光粉含量的比例範圍較佳的可從1比0.5至1比3，或是在第二主表面21B的波長轉換層4之螢光粉含量相對於在第一主表面21A的波長轉換層4之螢光粉含量的比例範圍較佳的可從1比0.5至1比3。如此，本發明之半導體發光元件1的照度或光形可以符合不同的應用需求，且半導體發光元件1之第一主表面21A與第二主表面21B發出之色溫差異可控制在等於或小於1500K，以提升半導體發光元件1之波長轉換效率與發光效果。
請參考第8圖。第8圖繪示了本發明之另一較佳實施例之半導體 發光元件的剖面示意圖。如第8圖所示，本實施例之半導體發光元件1包括一透光基板2、與提供多向性出光功能的至少一發光二極體結構14。透光基 板2具有彼此相對設置的一支撐面210與一第二主表面21B。發光二極體結構14設置於透光基板2之支撐面210上。發光二極體結構14包括一第一電極16與一第二電極18，以電性連接其它裝置。發光二極體結構14未被透光基板2遮蔽的一發光面34、與未設置發光二極體結構14之部分支撐面210共同形成一第一主表面21A。
發光二極體結構14可包括一基底141、一N型半導體層142、一 主動層143與一P型半導體層144。在此實施例中，發光二極體結構14的基底141可藉晶片結合層28與透光基板2耦接。出光亮度可因為晶片結合層28的材料特性最佳化而提高。舉例來說，晶片結合層28的反射率較佳地介於基底141的反射率和透光基板2的反射率之間，藉以增加發光二極體結構14的出光亮度。此外，晶片結合層28可為透明黏膠或其它適合的結合材料。 第一電極16與第二電極18設置在發光二極體結構14的另一側與晶片結合層28相對。第一電極16與第二電極18分別電連接P型半導體層144與N型半導體層142(第二電極18和N型半導體層142的連接關係未示於第8圖)。第一電極16之上表面與第二電極18之上表面的水平標準係實質相同。第一電極16與第二電極18可為金屬電極，然不限於此。此外，半導體發光元件1還包括第一連接導線20、第二連接導線22以及一波長轉換層4。第一連接導線20與第二連接導線22設置在透光基板2。第一連接導線20與第二連接導線22可為金屬導線或其它導電圖案，但不限於此。第一電極16與第二電極18以打線或焊接方式分別連接到第一連接導線20與第二連接導線22，但不限於此。波長轉換層4設置在透光基板2上並覆蓋發光二極體結構14。此外，波長轉換層4亦可設置於透光基板2的第二主表面21B上。
除此之外，在此實施例中為了增加光線從透光基板2離開之出光量並使出光的分布均勻，透光基板2之表面還可選擇性地設置非平面結構 12M。非平面結構12M可為各式凸出或凹陷的幾何結構，例如金字塔、圓錐體、半球體或三角柱等，並可為規則性排列或隨機性排列。再者，透光基板2之表面也可選擇性設置一類鑽碳(diamond-like carbon,DLC)膜25以增加導熱及散熱效果。
請參考第9圖，第9圖繪示了本發明之另一較佳變化實施例之半 導體發光元件的示意圖。相較於第8圖所示之實施例，在本實施例的半導體發光元件1中，第一電極16、第二電極18與第一晶片結合層28A設置於發光二極體結構14的相同面。第一電極16與第二電極18利用覆晶方式電連接於第一連接導線20與第二連接導線22。其中，第一連接導線20與第二連接導線22可分別從相應的第一電極16與第二電極18的位置延伸生成。第一電極16與第二電極18可藉由一第二晶片結合層28B分別電連接於第一連接導線20與第二連接導線22。第二晶片結合層28B可為導電凸塊，例如金質凸塊或銲料凸塊，也可為導電膠，例如銀膠，亦可為共熔合金層，例如金錫(Au-Sn)合金層或低熔點(In-Bi-Sn)合金層，然不限於此。在此實施例中，第一晶片結合層28A可為空缺或包含波長轉換層4。
請參考第10圖，第10圖繪示了本發明之另一較佳實施例之半導 體發光元件的立體示意圖。如第10圖所示，本發明之半導體發光元件310包括透光基板2、至少一發光二極體結構3、一第一連接電極311A、一第二連接電極311B與至少一波長轉換層4。發光二極體結構3係設置於透光基板2之支撐面210上，且形成可發光之一第一主表面21A。在此實施例中，發光二極體結構3之一出光角度係大於180度，且發光二極體結構3所發出之至少部分光線會射入透光基板2，而射入光線的至少一部分會從對應第一主表面21A之一第二主表面21B出光，且射入光線的其餘部分從透光基板2的其他表面出光，進而達到半導體發光元件310的多向性出光的發光效果。第一 連接電極311A以及第二連接電極311B係分別設置於透光基板2的不同側或相同側(未示於第10圖)。第一連接電極311A與第二連接電極311B可分別為透光基板2上之半導體發光元件310之一第一連接導線與一第二連接導線所延伸的晶片對外電極，故第一連接電極311A與第二連接電極311B係相應地電性連接於發光二極體結構3。波長轉換層4係至少覆蓋發光二極體結構3、並暴露至少部分的第一連接電極311A與第二連接電極311B。波長轉換層4係至少部分吸收發光二極體結構3及/或透光基板2所發出之光線，並轉換成另一波長範圍之光線，然後與未被波長轉換層4吸收之光線混光，以增加半導體發光元件310的發光波長範圍，改善半導體發光元件310的發光效果。 由於本實施例之半導體發光元件310具有分別設置於透光基板2的第一連接電極311A與第二連接電極311B，傳統的發光二極體封裝製程可省略，半導體發光元件310可獨自完成製作後再與適合之承載座進行結合，因此可達到提升整體製造良率、簡化結構以及增加所配合之承載座設計變化等優點。
請參考第11圖，本發明之一實施例係使用至少一前述半導體發光元件之發光裝置11。發光裝置11包括一承載座5與前述的半導體發光元件。半導體發光元件之透光基板2除可平放於此承載座5，亦可立設於其上並耦接於此承載座5。透光基板2與承載座5之間具有一第一夾角θ1，第一夾角θ1可為固定或根據發光裝置的光形需要而變動。第一夾角θ1的範圍較佳地係介於30度至150度之間。
請參考第12圖，本發明之發光裝置11的承載座5還可包括一電路板6，其係耦接於外部電源。電路板6並電性耦接於透光基板2上的第一連接導線以及第二連接導線(未示於第12圖)，而與發光二極體結構3電性連接，使外部電源透過電路板6供應發光二極體結構3發光所需電源。在本發明之其它較佳實施例中，若無設置此電路板6，發光二極體結構3亦可透 過第一連接導線以及第二連接導線(未示於第12圖)直接電性連接於承載座5，使外部電源可經由承載座5對發光二極體結構3供電。
請參考第13圖，本發明之發光裝置11還可包括一反射鏡或一濾 光器8，設置於透光基板2的第二主表面21B或支撐面210。反射鏡或濾光器8可反射該發光二極體結構3所發出的至少部分穿透該透光基板2的光線，而使部份被反射光線改由該第一主表面21A射出。反射鏡8可包括至少一金屬層或一布拉格反射鏡(Bragg reflector)，但不以此為限。布拉格反射鏡可由多層具有不同折射率的介電薄膜所堆疊而構成，或是由多層具有不同折射率的介電薄膜與多層金屬氧化物所堆疊而構成。
請參考第14圖，本發明之發光裝置11還可包括一類鑽碳 (diamond-like carbon,DLC)膜9，其中類鑽碳膜9係設置於透光基板2之支撐面210及/或第二主表面21B上，以增加導熱及散熱效果。
請參考第15圖。第15圖繪示了本發明之另一較佳實施例之發光 裝置之示意圖。如第15圖所示，本實施例之發光裝置10包括一承載座26與至少一前述的半導體發光元件。半導體發光元件包括透光基板2與至少一發光二極體結構14。半導體發光元件可部份嵌入承載座26內。承載座26之電極30、32電性連接半導體發光元件的連接導線20、22。一電源可透過電極30、32相應地提供驅動電壓V+,V-以驅動發光二極體結構14發出光線L。發光二極體結構14包括一第一電極16與一第二電極18，以打線方式分別電連接第一連接導線20與第二連接導線22，然不限於此。另外，發光二極體結構14之出光角係大於180度或具有多個發光面，使得發光裝置10可從第一主表面21A及第二主表面21B出光。再者，因部分光線亦會由發光二極體結構14及/或透光基板2的四個側壁所射出，發光裝置10可相應具有多面發光、 六面發光或全方向出光的特性。
半導體發光元件更包括波長轉換層4，選擇性設置於發光二極體 結構14、第一主表面21A或第二主表面21B上。波長轉換層4可吸收發光二極體結構14所發出之至少部份光線並轉換為另一波長範圍的光，以使發光裝置10發出特定光色或波長範圍較大的光線。舉例來說，當發光二極體結構14產生藍光，部分的藍光在照射到波長轉換層4後可轉換成為黃光，而發光裝置10即可發出由藍光與黃光混合成的白光。此外，透光基板2可以平行方式或非平行方式直接地或非直接固定在承載座26。舉例來說，藉由將透光基板2之一側壁固定在承載座26，透光基板2可直立地固設於承載座26、或是透光基板2可水平設置於承載座26，然不限於此。透光基板2較佳包括高熱傳導係數的材料，且發光二極體結構14產生之熱量可經由透光基板2相應地散逸到承載座26，因此高功率的發光二極體結構可應用在本發明之發光裝置。另外，在本發明之較佳實施例中之一，在同樣功率條件下，本發明的發光裝置的透光基板12上形成多個較小功率的發光二極體結構，以充分利用透光基板12的熱傳導特性，例如本實施例之各發光二極體結構14之功率可等於或小於0.2瓦特，但不以此為限。
請參考第16圖。第16圖繪示了本發明之另一較佳實施例之發光 裝置之示意圖。相比於第15圖所示的發光裝置，本實施例的發光裝置10’包括複數個發光二極體結構14，且至少一部份的發光二極體結構14以串聯方式彼此電性連接。各發光二極體結構14包括第一電極16與第二電極18。其中一個發光二極體結構14的第一電極16係設置在串聯之一外端並電性連接於第一連接導線20，且另一個發光二極體結構14的第二電極18係設置在串聯之另一端並電性連接於第二連接導線22，然不限於此。複數個發光二極體結構14可以串聯或並聯方式彼此電性連接。複數個發光二極體結構14可發 出相同色光，例如都是藍光二極體；或是複數個發光二極體結構14分別發出不同色光，以符合不同應用需求。本發明之發光裝置10’還可藉由波長轉換層4發出更多種不同的色光。
請參考第17圖。第17圖繪示了本發明之另一較佳實施例之發光裝置之示意圖。相比於第15圖與第16圖所示的發光裝置，本實施例之發光裝置50可更包括一支架51，用以連結半導體發光元件與承載座26。半導體發光元件之透光基板2係藉由一元件接合層52固定於支架51之一側，而支架51之另一側可嵌設於或插入承載座26。另外，支架51具有彈性而可在透光基板2與承載座26之間形成一夾角，且夾角介於30-150度之間。支架51的材料可包括選自於鋁、銅、複合式金屬、電線、陶瓷、印刷電路板或其他適合的材料。
請參考第18圖、第19圖與第20圖，當本發明中的透光基板2設置於承載座5之上時，較佳實施例之一可透過插接或是黏接的方式來達成透光基板2與承載座5的接合。
如第18圖所示，當透光基板2設置於承載座5之上時，透光基板2係插接於承載座5的單一插槽61，而使半導體發光元件透過連接導線電性耦接於插槽61。透光基板2上的發光二極體結構(未示於第18圖)係透過承載座5電性耦接於電源，且透光基板2上的至少部份導電圖案或連接導線延伸連接至透光基板2的邊緣，並整合為具有複數個導電觸片的金手指結構或電性連接埠，例如電性連接埠可為前述的連接電極311A和連接電極311B(未示於第18圖)。當透光基板2插接於插槽61，發光二極體結構(未示於第18圖)可藉由承載座5獲得供電，且透光基板2可相應固定於承載座5的插槽61。
請參考第19圖，第19圖為透光基板2插接於承載座5之複數個插槽之結構示意圖。在此實施例中，透光基板2具有一雙插腳結構，其中一個插腳為半導體發光元件的晶片正極，另一個插腳則為半導體發光元件的晶片負極。兩個插腳皆具有至少一導電觸片以分別作為連接埠。對應地，在承載座5則具有與插腳插入面尺寸相符的至少兩個插槽61，使得透光基板2可順利接合於承載座5，並讓發光二極體結構獲得供電。
請參考第20圖。透光基板2藉由元件接合層接合於承載座5。在接合的過程中，可以透過金、錫、銦、鉍、銀等金屬材料做焊接輔助而接合透光基板2與承載座5。或者，還可使用具導電性的矽膠或是環氧樹脂輔助固定透光基板2於承載座5上，使半導體發光元件之導電圖案或連接導線可透過元件接合層相應地電性連接於承載座。
請參考第21圖與第22圖。本實施例之發光裝置11之承載座5可為一基板，基板材料可包括選自鋁、銅、含有鋁的複合金屬、電線、陶瓷或印刷電路板等。承載座5的表面或是側邊具有至少一支架62。支架62為與承載座5可為相互分離的兩機構件，或是一體化之機構件。半導體發光元件可透過黏接的方式與支架62相耦接，也就是藉由元件接合層63將透光基板2固定於承載座5。承載座5與透光基板2之間具有如前述之第一夾角θ1。承載座5無支架的表面亦可設置半導體發光元件，以提昇發光裝置11之發光效果。另外，半導體發光元件亦可透過插接方式連接支架62(未示於第21圖與第22圖)，也就是藉由連接器結合半導體發光元件與支架(及/或支架與承載座)，以將透光基板2固定於承載座5。因為承載座5與支架62是可彎折機構件，因此增加了本發明在應用時的靈活性；同時亦可透過使用不同發光波長之半導體發光元件組合出不同光色，使發光裝置11出光具有變化性以滿足不同需求。
請參考第23圖。如第23圖所示，本實施例之發光裝置包括至少 一半導體發光元件1及一承載座5。承載座5包括至少一支架62以及至少一電路圖案P。半導體發光元件1之透光基板之一端與支架62相耦接，以避免或減少支架62對半導體發光元件1出光的遮蔽效果。承載座5的材料可包括選自鋁、銅、含鋁複合式金屬、電線、陶瓷或印刷電路板等材料。支架62係自承載座5之一部分加以切割並彎折一角度(如第21圖與第22圖所示之第一夾角θ1)而成。電路圖案P係設置於承載座5上，電路圖案P並具有至少一組電性端點以電性連接一電源。電路圖案P另有一部分延伸於支架62上以電性連接半導體發光元件1，使半導體發光元件1可透過承載座5之電路圖案P電性連接於電源。此外，承載座5可更包括至少一孔洞H或至少一缺口G，使固定件如螺絲、釘子或插銷等等可透過該孔洞H或缺口G將承載座5與其他組件依發光裝置應用情形作進一步構裝或安裝。同時，孔洞H或缺口G的設置亦增加承載座5之散熱面積，提昇發光裝置之散熱效果。
請參考第24圖。第24圖繪示了本發明之另一較佳實施例之發光 裝置之裝置基座的立體示意圖。如第24圖所示，本實施例之裝置基座322包括一承載座5以及至少一支架62。相較於第23圖之實施例，本實施例之支架62包括至少一條狀部342與一缺口330。電極30、32係分別設置於缺口330的兩側，條狀部342至少構成缺口330的一邊牆。本發明的半導體發光元件係對應缺口330與支架62耦接。半導體發光元件的連接導線係電性連接於電極30、32，使半導體發光元件可透過支架62及承載座5上的電路圖案與一電源電性耦接而被驅動。缺口330的尺寸可不小於半導體發光元件之一主要發光面，使半導體發光元件的出光不會被支架62遮蔽。支架62與承載座5之間的連接處可為一可活動設計，使支架62與承載座5之間夾角可視需要進行調整。
請參考第24圖與第25圖。第25圖繪示了本發明之另一較佳實施 例之發光裝置的立體示意圖。相比於第24圖之實施例，第25圖所示之發光裝置302更包括具有複數個缺口330的至少一支架62。複數個缺口330係分別設置於支架62的兩相對邊，且條狀部342至少構成各缺口330的一邊牆。 複數個半導體發光元件310係與複數個缺口330對應設置，且各半導體發光元件310之電路圖案或連接電極(未示於第25圖)係分別與電極30以及電極32對應設置並電性連結。本實施例之發光裝置302更進一步可包括複數個支架62，支架62設置於半導體發光元件1與承載座5之間。支架62之長度可實質介於5.8-20微米(um)。每個設置有半導體發光元件之支架62與承載座5之間的夾角可視需要各自進行調整。換句話說，承載座5與至少一個支架62之間的夾角可不同於承載座5與其它個支架62之間的夾角，以達到所需之發光效果，但並不以此為限。另外，亦可在相同支架或不同支架設置具有不同發光波長範圍之半導體發光元件的組合，使發光裝置之色彩效果更豐富。
為了提高亮度與改善發光效果，本發明之另一較佳實施例的發光 裝置係將複數個具有透光基板的半導體發光元件同時佈置於諸如前述實施例之承載座或其他承載機構之上，此時可採點對稱或線對稱排列方式佈置，即多個具有透光基板的半導體發光元件以點對稱或線對稱的形式設置於承載機構之上。請參考第26圖、第27圖、第28圖與第29圖的發光裝置11俯視圖，各實施例之發光裝置11係在各種不同形狀的承載機構60上設置複數個半導體發光元件，並且以點對稱或線對稱的形式配置，使本發明之發光裝置11的出光能夠均勻(發光二極體結構省略示意)。發光裝置11的出光效果還可藉由改變上述之第一夾角的大小而再做進一步的調整與改善。如第26圖所示，半導體發光元件之間係以點對稱方式夾90度角排列，此時從發光裝置11的四面中的任一面往發光裝置11看均正對至少二個半導體發光元件。如第27圖 所示，發光裝置11的半導體發光元件之間夾角係小於90度。如第28圖所示，發光裝置11的半導體發光元件係延承載機構60的邊緣設置。如第29圖所示，發光裝置的半導體發光元件之間夾角係大於90度。在本發明之另一較佳實施例(未示於圖中)，多個半導體發光元件可以非對稱佈置方式，且多個半導體發光元件的至少一部分會集中或分散設置，以達成發光裝置11於不同應用時的光形需要。
請參考第30圖。第30圖繪示了本發明之另一較佳實施例之發光 裝置的剖面示意圖。如第30圖所示，發光裝置301包括一半導體發光元件310以及一支架321。支架321包括一缺口330，且半導體發光元件310係與缺口330對應設置。本實施例中，支架321之外部亦可當作插腳或彎折成表面焊接所需接墊，以固定或/及電性連接於其他電路元件。半導體發光元件310之一發光面係設置於缺口330內，不論支架321是否為透光材料，發光裝置301皆可保有多面或六面發光的發光效果。
請參考第31圖，為本發明具體實施例之一發光裝置。發光裝置包 括一管形燈罩7、至少一半導體發光元件1以及一承載機構60。半導體發光元件1設置於承載機構60上，且至少一部分的半導體發光元件1位於管形燈罩7所形成之空間內。請再參考第32圖的剖面示意。當多個半導體發光元件1設置於燈罩7之內時，各半導體發光元件1的第一主表面21A之間是以不互相平行的方式分開排列。另外，多個半導體發光元件1的至少一部分會設置於燈罩7所形成之空間內，且不緊貼燈罩7的內壁。較佳的實施例為，半導體發光元件1與燈罩7之間的距離D可相等或大於500微米(μm)；但亦可以灌膠方式形成燈罩7，並使燈罩7至少部分包覆並直接接觸於半導體發光元件1。
第33圖至第37圖為本發明不同實施例之用以發出炫光之發光裝 置10的示意圖。如第33圖所示，發光裝置10可包含支架62、設置在支架62上的半導體發光單元1、以及設置在半導體發光單元1上的光學單元70。 半導體發光單元1可包含如本發明前述實施例所示至少雙面出光的多向性光源的結構。半導體發光單元1可為卡片型、條狀型、棍棒型、立方型或燭狀型。光學單元70可包含覆蓋邊72以及光發散邊74。覆蓋邊72與光發散邊74彼此係相對且對應設置。光學單元70設置在半導體發光單元1時，覆蓋邊72面向半導體發光單元1。光學單元70還包含至少一個光學結構76，設置在光發散邊74。光發散邊74未設置光學結構76的至少部分表面可為平坦面。光學結構76可以近似或等於角錐形或菱形的至少一部分。光學結構76的數量依需求效果而定可以是一個或多個。當光學結構76的數量多於一個時，光學結構76可以陣列、交錯排列或同心排列設置，如第38圖至第40圖所示。光學結構76可將覆蓋邊72所接收光線的至少一部分從不同方向發散出去。光線通過光學結構76時的折射角會根據光線波長和光學結構76與環境介質(如空氣)間折射率的差異而相應改變。具體來說，本實施例半導體發光單元1包含具有支撐面210與相對設置的第二主表面21B的透光基板2，以及設置在透光基板2之支撐面210上的發光二極體結構14。發光二極體結構14與未設置發光二極體結構14之至少部分支撐面210共同形成可出光的第一主表面21A。發光二極體結構14發出的至少部分光線可穿過透光基板2並由第二主表面21B出光。發光二極體結構14的數量可以是一個或多個。光學單元70設置在半導體發光單元1的第一主表面21A上，且一波長轉換層4可設置在光學單元70與透光基板2之間。覆蓋邊72的一表面係實質平行於波長轉換層4之對應表面。
此外，如第33圖所示，光學單元70還可包含第一發散部78、第 二發散部80以及連接部82。連接部82連接在第一發散部78與第二發散部 80之間，使光學單元70的剖視圖可為U型結構。光學單元70結合半導體發光單元1時，第一發散部78與第二發散部80分別覆蓋透光基板2的第一主表面21A及第二主表面21B。連接部82的內表面821面向透光基板2的端面2a，且在內表面821可形成凹處84。連接部82之凹處84的剖視圖具有凹陷角θ2，其角度可在70度至140度之間。凹陷角θ2較佳可等於或接近於90度。在此實施例中，連接部82的外表面823係自光發散邊74延伸且可為一平面。光線可經由連接部82的外表面823與第一發散部78及第二發散部80的光發散邊74向外出光。
相較於第33圖所示實施例，如本發明第34圖所示之另一實施例 的發光裝置10的光學單元70還可選擇性包含設置在連接部82的外表面823上的至少一個光學結構76，意即在光學單元70的連接部82、第一發散部78以及第二發散部80上均設有光學結構76，使發光裝置10產生的光線可經由光學單元70的外表面823和光發散邊74向外發散。在本發明第35圖所示之另一實施例中，光學單元70的連接部82可包含凸起部86。凸起部86之曲率半徑的範圍可介於0.01mm至10mm，且凸起部86之曲率半徑的較佳值係等於或接近3mm。凸起部86可用來將半導體發光單元1(或發光二極體結構14)出射並經光學單元70頂端的光線向外發散。
如第33圖至第35圖所示，設置在第一發散部78或第二發散部 80上的光學結構76的剖視圖可為近似於或等於三角形，且所述三角形具有頂角θ3，其角度可在30度至140度之間。進一步地，設置在連接部82之外表面823上的光學結構76也可為近似於或等於三角形，且所述三角形具有頂角θ3，其角度可在50度至140度之間。設置在第一發散部78、第二發散部80及/或連接部82上的光學結構76的頂角θ3較佳可等於或接近70度。
依本發明提及的數個實施例所述，至少部分的光學單元70可以直 接接觸波長轉換層4。然而在本發明的其它實施例中，光學單元70之覆蓋邊72與波長轉換層4之間係存在範圍在0mm至2mm之間的距離D1。光學單元70之覆蓋邊72與波長轉換層4之間距離D1的較佳值可等於或接近0.2mm。相似地，光學單元70之連接部82與透光基板2之端面2a之間也可存在範圍在0mm至2mm之間的距離D2。連接部82與端面2a之間距離D2的較佳值可等於或接近0.2mm。另外，光學單元70之覆蓋邊72與發光二極體結構14之間也可存在範圍在0mm至2mm之間的距離D3。因波長轉換層4可鋪設在發光二極體結構14上之故，距離D3通常近似於距離D1。
請參閱第36圖，第36圖為本發明另一較佳實施例之發光裝置11 之示意圖。相比於本發明第23圖所示實施例，發光裝置11還可包含設置在半導體發光單元1的光學單元70，以及包覆光學單元70和半導體發光單元1並具有與水晶相同或近似光學效果的水晶構件88。具體來說，本實施例的發光裝置11可包含承載座5、連接於承載座5的三個支架62、分別設置在該些支架62的半導體發光單元1、以及用來包覆半導體發光單元1的水晶構件88。具有半導體發光單元1的該些支架62可對稱設置在承載座5上。該些半導體發光單元1的任一個可包含相對設置的至少兩個發光面，且具有複數個光學結構76的光學單元70可設置在半導體發光單元1的該些發光面上，即半導體發光單元1係夾設在光學結構76之間。如第38圖至第40圖所示，光學單元70可為貼附在半導體發光單元1上的片狀元件。水晶構件88可具有用來容納半導體發光單元1及光學結構76的空間。各半導體發光元件1和水晶構件88間之距離可在0cm至20cm之間。半導體發光元件1產生的光線可經由光學單元70的光學結構76發散，再通過水晶構件88折射，使得本發明之發光裝置11能提供耀眼炫目的視覺效果而可應用於例如水晶燈的裝飾吊燈。
請參閱第37圖，第37圖為本發明另一較佳實施例之半導體發光 單元1’之元件爆炸圖。半導體發光單元1’可包含立方形發光單元90以及光學單元70。立方形發光單元90可包含相對設置的至少兩個發光面92。光學單元70設置在立方形發光單元90之至少一個發光面92上。當光學單元70立方形發光單元90與結合時，光學單元70的第一發散部78與第二發散部80分別覆蓋兩個相對的發光面92，且光學單元70的覆蓋邊72面向立方形發光單元90。複數個光學結構76設置在光學單元70的光發散邊74上與覆蓋邊72相對，以將覆蓋邊72所接收的光線的至少一部分依據光波長及光學結構76與環境介質之間的折射率差異往不同方向發散。
在光學單元70與立方形發光單元90之間的距離D1、D2、D3內 的介質可為黏膠、空氣或是真空態。光學單元70由導光材料製作，用來傳導發光單元90產生的光線，並透過設置在光發散邊74與外表面823的光學結構76將光線從第一發散部78、第二發散部80及連接部82導出。因此，光學單元70具有導光及光發散功能以展現華麗的炫目效果。光學結構76可為多角形錐體，如三角錐、四角錐等。通過光學單元70的光線係透過光學結構76向外發散，故半導體發光單元1發出的光線具有無向性光學特性，而可用以提供炫麗的光影效果。
在本發明之上述多個實施例中，任一實施例與其它實施例之具有相同編號之元件具有相同的結構與說明，故不重複加以說明。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧發光裝置
1‧‧‧半導體發光單元
2a‧‧‧端面
62‧‧‧支架
70‧‧‧光學單元
72‧‧‧覆蓋邊
74‧‧‧光發散邊
76‧‧‧光學結構
78‧‧‧第一發散部
80‧‧‧第二發散部
82‧‧‧連接部
821‧‧‧內表面
823‧‧‧外表面
84‧‧‧凹處
θ2‧‧‧凹陷角
θ3‧‧‧頂角
D1、D2、D3‧‧‧距離

Claims (27)

  1. 一種半導體發光元件，包含：一透光基板，具有相對設置的一支撐面以及一第二主表面；一發光二極體結構，設置在該支撐面，並與未和該發光二極體結構重疊之至少部分該支撐面形成一可出光的第一主表面，該發光二極體結構產生之至少部分光線通過該透光基板且從該第二主表面出光；一光學單元，設置在該第一主表面，該光學單元包含一覆蓋邊以及一光發散邊，該覆蓋邊面向該透光基板，且該光發散邊之位置對應於該覆蓋邊；其中，該光學單元還包含至少一光學結構，設置在該光發散邊，以根據光線之波長將該覆蓋邊所接收光線的至少一部分發散到不同方向。
  2. 如請求項1所述之半導體發光元件，還包含：一波長轉換層，設置在該光學單元與該透光基板之間，該光學單元之該覆蓋邊的表面平行於該波長轉換層之一對應表面。
  3. 如請求項1或2所述之半導體發光元件，其中該光學單元還包含一第一發散部以及一第二發散部，分別覆蓋在該透光基板的該第一主表面與該第二主表面上。
  4. 如請求項3所述之半導體發光元件，其中該光學單元還包含一連接部，連接該第一發散部與該第二發散部。
  5. 如請求項4所述之半導體發光元件，其中該連接部之一表面係面向該透光基板之一端面，且具有一凹處。
  6. 如請求項5所述之半導體發光元件，其中該連接部之該凹處的一剖視面具有角度在70度至140度之間的一凹陷角。
  7. 如請求項6所述之半導體發光元件，其中該該凹陷角的角度等於或接近90度。
  8. 如請求項4所述之半導體發光元件，其中該光學元件之該連接部包含至少一光學結構，設置在從該第一發散部之光發散邊延伸或從該第二發散部之光發散邊延伸形成的一表面。
  9. 如請求項1或2所述之半導體發光元件，其中該光學結構之一剖視面為近似於或等於三角形，且包含角度在30度至140度之間的一頂角。
  10. 如請求項8所述之半導體發光元件，其中該光學結構之一剖視面為近似於或等於三角形，且包含角度在50度至140度之間的一頂角。
  11. 如請求項10所述之半導體發光元件，其中該頂角的角度為等於或接近70度。
  12. 如請求項1或2所述之半導體發光元件，其中該光學結構之數量多於一個，且該些光學結構以陣列、交錯排列或同心排列設置。
  13. 如請求項5所述之半導體發光元件，其中該連接部包含一凸起部。
  14. 如請求項13所述之半導體發光元件，其中該凸起部之一曲率半徑在0.01mm至10mm之間。
  15. 如請求項14所述之半導體發光元件，其中該凸起部之該曲率半徑等於或接近3mm。
  16. 如請求項2所述之半導體發光元件，其中該光學單元的至少一部份直接接觸該波長轉換層。
  17. 如請求項2所述之半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該波長轉換層間有一距離在0mm至2mm之間。
  18. 如請求項17所述之半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該波長轉換層間之該距離等於或接近0.2mm。
  19. 如請求項4所述之半導體發光元件，其中該光學單元之該連接部和該透光基板間有一距離在0mm至2mm之間。
  20. 如請求項19所述之半導體發光元件，其中該光學單元之該連接部和該透光基板間之該距離等於或接近0.2mm。
  21. 如請求項1或2所述之半導體發光元件，其中該光學單元的至少一部份直接接觸該發光二極體結構。
  22. 如請求項1或2所述之半導體發光元件，其中該光學單元之該覆蓋邊和該發光二極體結構間有一距離在0mm至2mm之間。
  23. 如請求項1所述之半導體發光元件，其中該光學結構為近似於或等於角錐形。
  24. 一種半導體發光元件，包含：一立方形發光單元；以及一光學單元，設置在該立方形發光單元之的至少一發光面上，該光學單元包含一覆蓋邊以及一光發散邊，該覆蓋邊面向該立方形發光單元，且該光發散邊之位置對應於該覆蓋邊；其中，該光學單元還包含至少一光學結構，設置在該光發散邊，以根據光線之波長將該覆蓋邊所接收之光線發散到不同方向。
  25. 如請求項24所述之半導體發光元件，其中該立方形發光單元包含相對的至少二發光面，該光學單元還包含一第一發散部以及一第二發散部，分別覆蓋該立方形發光單元之該些發光面。
  26. 一種發光裝置，包含：一如請求項1、2或24所述之半導體發光元件；以及一水晶構件，設置在靠近該半導體發光元件之位置，用來接收該半導體發光元件發出之光線。
  27. 如請求項26所述之發光裝置，其中該半導體發光元件和該水晶構件間有一距離在0cm至20cm之間。
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