TW295731B - - Google Patents

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2 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（1 ) 發明背景 爹明領域 本發明係關於發光二極體，尤指用以產生發光二極體之 高強度輸出的光透鏡系統。 .習知技術歷史 發光二極體（Light emitting diodes，L.EDs)之製造已歷 經多年，並因多種目的而被使用。發光二極體具有特別適 用於多種情況之特徵。它所需之能量較少，因此使用的昂 貴接線較少。與白熾燈相較下，發光二極體的反應非常迅 速。它們比其它型態的光源還不容易被損壞，在做爲—些 其它型態光源如白熾燈泡時，於正常的使用狀態中不會燒 壞。它們所需要的空間比大部份其它型態的光源小。 發光二極體所具有的主要問題爲其所輸出之光強度與比 其它型態光源小。因此，它們被廣泛使用於周圍光源緩和 之情況中。一般而言，它們並不被使用於提供其它目的用 的光源，但只用於顯示一顏色，該顏色可指出一特定情況 存在。一種主要目的係用於提供不同種類的顯示。例如， 發光二極體被用於定義計算機之數位輸出。 不同於其低強度輸出，發光二極體適用於一些目前使用 其它較昂貴型態光源的目的。爲了提供足夠的光源以便符 合这些目的，大量的發光二極體被聚集在一起。此聚集增 加其強度，但也增加其費用至與其它產品無法比較的地步 。近來，發光二極體被使用於產生車輛用之中央高架設訊 _____ - 4 - 、 本紙張尺度ϋ ,¾中國u __準（CNS )74規格（210χ2ϋ; ~ ------ -----------装------,-3T------i (請先閱讀背面之注意事項為填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ——----------_______ 五、發明説明（2 ) — 號光（center high mounted signal lights，CHMSL)。複 數個由15至20個發光二極體串連而成之模組，提供一個足 以如同尾燈（tail light)型態般動作的光鏈，以便警告靠近 車輛後方之駕駛者。然而，這似乎顯示了這種需要任何實 質光強度之目的的發光二極體在目前使用的範圍。 我們希望能夠提供新的發光二極體組件，以允許發光二 極體被用於目前受限於需要較大光強度之情況。 發明综合説明 因此，本發明之一目的在於提供一種裝置及方法，用以 提供比目前存在之發光二極體至少大一階級（〇rder)的發光 度的新發光二極體组件。 本發明之另一目的在提供一種组件，其可允許發光二極 體被使用在目前受限於較貴，低效率，及較不可靠之光源 型態的狀況中。 本發明的這些及其它目的將藉由一組件實現之，該組件 其利用一設置於一基板上之裸二極體，該基板具一本質平 坦材料之表面並爲一透鏡所覆蓋，該透鏡係用於集中發光 一極體所發射之光線，以此方式加強所產生之光線強度。 基板I表面被塗覆，以便反射二極體發射之光線，並再次 導引被反射之光線朝向強化透鏡。已發現此種發光二極體 組件能產生由一正常發光二極體所產生之人眼所見之光線 的25倍強度的光線，並可被利用於許多之前受限於其它較 貴及較不可靠之光源型態的目的。 本紙張尺度制 裝 ^ 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明説明（3 ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本發明這些及其它目的與特徵將藉由參照詳細説明伴隨 圖式而獲較佳了解，於數個圖式中，相同的元件藉由相同 的圖式標號而被參照。 1_式簡要説明 圖1係依據習知技術所設計之發光二極體之方塊圖。 圖2係依據本發明所設計之一發光二極體組件。 圖3係依據本發明所設計之另一發光二極體組件。 圖4係依據本發明所設計之又一發光二極體组件。 圖5係依據本發明所設計之另一發光二極體組件。 圖6係依據本發明而設計之貼附透鏡組件（m〇unting 16如 assemblies)用之裝置。 詳細説明 參照圖1，其表示習知技術中—個典型的發光二極體組件 10。组件10包括一形成發光二極體之半導體材料晶方（die) 1 2。晶方1 2的材料可以是產生黃綠光的磷化鎵（gamum phosphide )，產生紅光的坤化鎵銘（aiumjnum gai丨匕爪) ，產生肓光的蹲化鎵鋁銦（indium aiuminum gaiHum ph〇sphide) ，產生監光的碳化矽（silicon carbide)或氮化鎵（gallium nitride)，或其它類似的已知材料。晶方以本技藝之人士所 習知之方法而被製造於大晶圓上，以便提供發光二極體之 發光特性。該晶圓被分成多數個獨立晶方。 圖11晶方1 2 —般被設置於一個有助於儘量累積二極體所 ___ ~ 6 ~ 本纸張尺度適用中國國家猱率,:CNS ) A4既格（：H}X 297^^ ' 装-----^-I訂.------^ (請先閱讀背面之注意事項—填寫本頁) A7 A7 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 五、發明説明（4 ) ' —— - · _ 發射<光線的金屬拋物線集中裝置13。晶方12於其上表面 及下表面通常具有金屬打線接點（b〇nding pads)，以便提 供二極體之陽極與陰極連接。晶方12之陰極打線接點通常 貼附在金屬拋物線集中裝置13的表面，而陽極打線接點則 以導線連接至金屬導引框1 5。整個組件係封閉於—單純的 裱氧基樹酯17，自該環氧基樹酯帽17連接至金屬拋物線聚 焦裝置及導引框突出。當足夠的電恩（如15_25伏特）被施 加於金屬引框15與集中裝置！ 3之間，以便於順向產生電流 穿過二極體時，二極體產生光。由二極體所產生的光被抛 物線集中裝置1 3集中，並於—般方向路徑自環氧基樹酯帽 17之頂部發散於外。 必需注意的是，光線集中裝置i 3係特別爲了儘可能收集 由二極體所產生的全部光線而設計的。然而，裝置1 3 一個 不冗美的光收集器；同時，如同將被注意之圖t所表示之光 束1 8的路徑，光的某些實質部份於二極體之侧邊有漏失的 傾向。一般而舌，所產生的光量是足以當做電子設備或類 似設備心指示使用，但並不足以當做點亮外部物體使用。 因此這種组件傾向於室内指示使用。然而，近年來，這種 組件被串連成一串而於某些車輛中被當做中央高架設訊號 光使用。這些光組件處於被相當接近注視之處時是有用的 ’但無法使用於需要較強光源的地方。 最近有一種發光二極體爲使用於產生大型顯示用之彩色 像素而被設計，該顯示係於相當遠之距離，如穿越—房間 或一规赛場，而被觀看。爲提供此目的用之足夠強度，大 ( cns ) ------ I---------^-----^、玎------^ (請先閲讀背面之注意事項4填寫本頁) A7 B7 295731 五、發明説明（5 ) 量的發光二極體包裝被一起聚集在一個設置於背面具有驅 動電路之印刷電路板的管體（tube)内。於一些情況中，多 個.紅光、緣光及藍光二極體被聚集在單一管體内；且每— 管體被提供獨立的定址裝置。例如，聚集於—管體内之4個 紅光二極體，7個綠光二極體，及9個藍光二極體可被用於 選擇任何數目的色彩，該色彩視每一個同時被致能的三種 顏色的強度而定。聚集二極體的管體提供相當於陰極射線 管上之一單一像素（pixel)。於另一方式中，三個此種管體 ,每一管體包含一束單一顏色（紅、綠或藍光二極體）二椏 體，可相鄰設置；然後，藉由每—種顏色獨立的位址裝置 選擇紅色，綠色，及藍色的量，—個獨立顏色之相似寬度 迷擇可以藉二個管體一起表示—單一像素而被產生。利用 大量設置於複數個電路板的這些獨立管體，可以產生觀看 用（大型像素顯示。而就吾人所了解，這㈣示是很昂貴 的。然而，它比每-像素由三個不同顏色之獨立陰極射線 管表示之競爭顯示（competitlVe dispUy)還便宜。 配合模組化二極體組件’例如圖i所示之組件1〇，而使用 光收集透鏡的㈣已被嘗試進行。^，光收集透鏡血這 些二極體模組並未被證明有用，因爲—部份來自二極 的實質光線已經由集中费罟,，、n ,, 一 田果甲裝置13心拋物線形態而被集中 行光束’因此來自這歧光+ 0古^、 一尤采/、有極少邵份的額外光線被收 集；且因未被平行之井击狃卢=*丄 分離，其無法藉由一光 τ勒作而 九收集透鏡而被再度集中。因此，祐 產生^光線於感知強度切加目對地較小。 297公釐） --------—装-----—-玎------^ (靖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 經濟部中央棟準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消费合作杜印製 五'發明説明（6 本發明提供一種組件，其可允許發光二極體被利用於許 夕先則受限於大量發光二極體束，或是較強光源，如白熾 燈’陰極射線管，及類似光源，的情況中。 本發明使用一個表示於圖2之新組件，其中一裸發光二極 體21被設置於—實質平坦的表面23中央之基板2 2。表面23 於一圓形圖案上被塗覆一反射性導電材料24，如鍚或鎳， 圓形直徑最好大約爲二極體長度1〇倍。二極體被設置於反 射塗覆層之中央，並連接至基板之表面上的追縱電極25與 26，而一光收集透鏡27被設置於中心以便於二極體上方形 成一逆向的钵（bowl)。來自裸發光二極體21的光線自二極 體的所有方向分散。透鏡27收集來自二極體21及來自反射 面24的光線以便提供一極大強度的輸出。這種輸出，如同 人眼所感知’大約是使用習知组件之發光二極體所提供之 輸出強度的2 5倍。 爲產生此結果，已經發現如美國第4，3 3 7，7 5 9號專利，名 稱·藉由元全光學内反射之無射能量集中，發明人Popovich 等’ 1982年7月6日發證，所描述之光收集透鏡可供良好的 結果。雖然本發明描述利用透鏡以本發明之方式導引來自 目k物的光線’這些通常被稱爲冗全内反射（t〇tal internal reflection, TIR)透鏡的透鏡係爲了導引來自外部源頭之光線 至一目標物而設計的。當相關的一個裸二極體，而非已封 裝（encapsulated)之二極體’直接被放置於反射表面上時， 可發現透鏡的集光特性極爲有用。此種情況的產生是因爲 ，與產生如圖1所示之實質上·自二極體向上方平行之光束， 本紙艮尺度遄用中國國家標準（r：NS ) A4规格（2丨0 X 297公釐） n I I I I ^ 訂 I I I (請先閱讀背面之注意事^再填寫本頁) 經濟部中央揉準局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 或是經過光束藉環氧基樹酯帽17之折射而散開的光束的已 封裝之二極體相比較之下，來自bare二極體之光線於所有 方向被傳輸，且因此被透鏡2 7收集，以便產生一高強度光 線。 透鏡2 7係爲提供反射及折射表面給每一自一光源發射之 光束而設計的，如此所有光束之路徑可以被集中，例如， 圖2之放大部份表示來自二極體21之二不同光束之路徑，如 圖所示’於來自二極體21及反射表面24的每一個可能的角 度，一第一透鏡表面（a)實質上對撞擊光束成直角設置，因 此當光束進入透鏡材料時不會產生折射，而一第二透鏡表 面（b)被設置以便反射並導引二極體所產生之原始光束再度 向上穿過一實質上與撞擊光線成直角之第三透鏡表面（c)， 因此光束的折射將不會產生。一般而言，這產生極強烈的 平行光。直接位於二極體21上方，在區域（d)透鏡27係一夫 累涅爾透鏡（Fresnel Lens)，其籍由單獨折射而於一小角 度向上集中並改變光束之路徑。可以了解的是，爲了以此 種方式利用透鏡2 7，二極體2 1必需非常準確地相對於透鏡 27放置。 藉由改變透鏡27之内部反射或折射角度，可以得到分散 的不同角度。因此單一二極體可以產生取代大量個別二極 體的強平行光束。另一情況是，二極體可以被做成產生任 何被選擇角度的分散光束，該角度可適合該二極體被設置 之目的。 分散由透鏡組件產生之光束的較佳方式係利用一分散表 _______ - 10 - 本紙張尺度逋用f國國家標‘（CNsTL^^~r2T^<297公釐' ---- ---------装------^------0 (請先閱讀背面之注意事繆為填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 -------------B7 五、發明説明（8 ) -- 'tet·^ 一 · 面，如全像分散器（h〇l〇graphic diffuser)或如圖5所示之 位於透鏡27出口表面被設計於一選擇的圖案中分散光線之 棱鏡28。這種透鏡易於產生受控之分散角，並易於被製造 成一相對透鏡27之較高準位平面以取代如圖2之出口表面。 這種透鏡28於光線經TIR透鏡27之内表面的作用而平行時 ，以想要的方式分散光束。這允許光線被收集以便提供想 要的強度，然後用已選擇的方式分散。一且光線被平行， —分散表面，如一喷砂表面，將產生比一正常發光二極體 模組大許多之光強度。 圖3係本發明之另一裝置3〇。於裝置3〇中，複數個發光二 極體被聚集在單一基板上。每一個發光二極體21具有一獨 又的光收集透鏡37設置於其上。這群發光二極體允許一個 由组件所產生之非常強大的輸出。這種發光二極體可以很 方便地於使用相同的紅光二極體之組件中被提供，並可以 產生例如，車輛主要尾燈的功效。這些組件比白熾燈组件 焭，較不易破碎，需要能量較少，回應煞車較快，並產生 —較明亮的輸出。產生這些組件的部份成本較低。塑膠透 1¾可以被輕易成型以產生光收集透鏡，且事實上可以被成型 於一尾燈表面内或儀表板之訊息部份。 圖4係本發明發光二極體之组件40之另一實施例。組件4〇 包括複數個不同顏色的發光二極體。例如，一紅光二極體 42，一綠光二極體43，以及一藍光二極體被聚集於—基 板45之上，利用前面所描述之方式，每一二極體具有自己 的分散透鏡，如右上之局部放大圖所示。另一種方式 餐 ,iT------^ (請先閲讀背面之注意事亨再填寫本頁) A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（s 個秦色—極體可以被聚集於單一透鏡，如圖4右下方之局部 放大圖所示。如果二極體42-44之陰極被一起連接至—電^ 二而陽極分開，因此另一個致能電位可以被轉換以便選擇 多個二極體’然後想要的色彩輸出可以藉由此組件而產生 。連接至二極體42-44是如習知型態之分離定址電路仞與 47。组件45可以被製造成產生類似陰極射線管内之單—像 素。藉由將相同的組件聚集在一起，在本技藝目前之狀態 中可以產生每英吋丨至⑺線的色彩顯示。對產生相似於彩2 電視或可從一遠距離，如穿過一房間或—比赛場地，觀察 之電腦顯示器而言，這特別有用。這種顯示器產生足夠二 強度，事實上，可以很方便且便宜的產生如球場上所使用 的顯示器。 圖6表示依據本發明所設計之貼附透鏡組件用之一裝置， 以便加強所提供之光線表面強度。如果二極體組件27被使 用於白天或是其它包含高周圍光狀態之環境中，其可被設 置一用於遮蔽實際二極體以隔離周圍光線的遮罩6〇，因 提高組件所產生之光線與其所處環境之對此。單一二極組件或一陣列中的複數個二極體或類似的裝置可以依如 設置。 爲了製造本發明的這些二極體，可以依循下列製程。 先，藉由使晶方上具有貼附於每一晶方頂部及底部之打線 接點，而選擇及準備打線用之被製造之發光二極體用之合 適數目與合適顏色的晶方。然後準備一基板，如一片具 適合完成每—晶方之陽極與陰極之連接型態的合適金屬 此 體 此 首 有 ----------装------II------線 (請先閱讀背面之注意事V再填寫本頁) 1? 氏&尺度適用中國國家梯準（CNS )八4規格（21〇父297公釐 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 、發明説明（10 - I .. . - · 跡的印刷線路板。如果晶方被_聯，每一陰極端及陽極端 必需被分別連接至獨立的導電軌跡。 如果晶方被並聯，所有的陰極（或陽極，視二極體設計而 定）端則被一起連接至單一導體。於此種狀況中，反設表面 事實上係形成此一導體。然後提供圓形反射區域之塗覆層 被電鍍（plate)或沉積（evaporate)於基板上合適的尺寸，以 便提供每一二極體之反射表面。其中複數個二極體被組合 於單一基板上，獨立的反射塗覆層不需爲圓形，一反射塗 農層可覆蓋一全部表面之大部份。其次，晶方藉由一定位 機器而被獨立選擇，並被放置於基板上，其中每一晶方之 下邵打線端被打線於該基板上。上部端隨後被打線至合適 的導體以便完成連接。最後，透鏡被放置於該等二極體之 上。於某些情況中，具有已被打線晶方之基板實際上被放 置於對應透鏡之合適位置。最終，執行二極體之陰極與陽 極的合適電性連接，如果使用時需要的話則提供定址電路 ’而組件以習知的方式被佈局於電路。 當需要塗覆一個大表面時，組件之反射平面可以藉由一 種稱爲熱生氣水平測量（h 〇 r a i r 1 e V e I i n g)的技術來準備。 此種技術爲已知，且一般用於施加在印刷線路板之鍚/鉛 薄塗層。此種技術可以提供可利用於本發明之極正確的反 射塗覆層。此過程之詳細描述由一技術論文提供，名稱： 蠢_^氣水平到量-表面黏著接點及組合過葙，IPC-TP-928 GoodellandBanks，1990年10月7_12日發表，由伊利諾州林’ 肯郡之交互連接與包裝電子電路學會（Insthme如 13 張尺度適用中國國家棹準（CNS )八4規洛（210 & 297公廣_ 装 ,1T-^ (請先閲讀背面之注意事彳再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____________ B7 五、發明説明（11 )

Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, Lincolnwood, Illinois)出版。 簡而言之，製程包括，預清潔，預熱，助焊劑，焊接， 立氣刀’冷卻及後段清潔步驟，預清潔步驟可以使用微蝕 刻（microetch)實質上移走1微米的銅，以確保原始污染被降 低至足以焊接，清水洗滌，及熱空氣乾燥子步驟。預熱步 驟通常於基板上於典型l30»c_16(rc &出口溫度下施加紅外 線以預熱基板之頂部及底部。助焊劑係使用具有典型的焊 料水平校正助焊劑之上下溢流毛滚柱施加。此過程可以利 用一水平或垂直焊接步驟實現。水平焊接節面包括於大約 260 C熔合錫/鉛焊接。與fUx相容之乙二醇被使用以限制 桿料所形成之浮渣。電路板藉由錐型滾輪被推經焊料，因 此其被暴露約2秒的停留時間。當電路板自焊料浮起時，它 們互刻被暴露於高溫的空氣刀。空氣刀被設置於電路板頂 邵及底邵從垂直大约i度並以〇25毫米偏移，並提供溫度在 20 0-220 C <間的空氣。空氣刀與電路板之間一般相距 0.38-0.76毫米。冷卻步驟使用空氣床及一翼片滚筒風扇裝 置（muffin fan unit)。後段清潔步驟利用子步驟，包括清 潔劑清洗，高壓熱水洗濯以熱空氣乾燥。 雖然本發明係以一較佳實施例之形式而爲描述’應了解 的是熟悉本技藝之人士於不達背本案申請專利範圍之猜神 及範圍下得有不同之修飾及改變。本發明應以下列之申請 專利範圍爲其權限。 本紙張尺,丈適;國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ 297公釐^ 装------,玎------'^ (請先閱讀背面之注意事if再填寫本頁)

Claims (1)

1. 2

   申請專利範圍 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 丄·-'種提供來自發光二極體之直線光線用之組件，包括： —實質平坦材料之基板； 第一及第二導體，設置於該基板上； —裸發光二極體，位於該基板之一表面並連接至導體 f —反射表面，位於設置該二極體之該基板的表面_上； 以及 —完全内部反射（TIR)透鏡，位於該二極體之上，以便 集中自發光二極體所發射之光線，以強化由二極體所產 生之光線及由該表面所反射的光。 2·根據申請專利範圍第i項之組件，其中該TIR透鏡之形狀 係爲分散來自該裸二極體之光線而形成。 3.根據申請專利範圍第1項之組件，其中該Tir透鏡之—表 面被設計爲將光線以一種選定的圖案予以分散。 4·根據申請專利範圍第3項之组件，其中該TIR透鏡表面被 設計為一全息照相的分散器。 5·根據申請專利範圍第3項之組件，其中該被設計爲分散光 線之該TIR透鏡表面係被設計爲一稜鏡透鏡。 6·根據申請專利範圍第1項之組件，更包括複數個裸二極體 ，及複數個TIR透鏡，每一該透鏡被置於每一該二極體之 上。 7.根據申請專利範圍第6項之組件，其中該二極體及該TIR 透鏡被設置爲不同顏色的群組，當該群组之所有二極體 被導通時可產生白色。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇x297)i^7 裝------訂------線 (請先閲讀背面之注意事乎再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 ____ D8 、申請專利範圍 .·—- —.. . · 8. 根據申請專利範圍第7項之組件，更包括定址電路用以選 擇性地導通每一群組中之二極體。 9. 根據申請專利範圍第1項之組件，更包括一遮蔽該組件用 之遮罩設於該组件之上，以便增加來自該TIR透鏡之光線 與一周圍區域之光線的對比。 瓜一種提供來自發光二極體之光線用之組件，包括： 具有實質平坦表面之基板； 導體，設於該基板上，用以傳導電流至/自發光二極 體； 裸發光一極體’設置於該基板之該平坦表面上，並 連接至導體； 反射塗覆層’设於该基板之該平坦表面上，直接位 於該二極體之下並自該處延伸；以及 —光收集透鏡，位於該二極體之上以便集中自發光二 極體所發射之光線’以強化由二極體所產生之光線及由 該表面所反射的光。 11·根據申請專利範圍第1 〇項之組件，其中位於該基板之平 坦表面上之反射塗覆層包括一熱空氣水平測量塗覆層。 12. 根據申請專利範圍第1丨項之组件，其中該塗覆層包括錫 /鉛焊料。 13. 根據申請專利範園第1 〇項之組件，其中該基板平坦表面 上之塗覆層寬度大約爲裸二極體長度之10倍。 14. 根據申請專利範圍第〗〇項之組件，其中該光收集透鏡係 一完全内部反射（TIR)透鏡。 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x2‘;7/i^-y I I 裝 訂 I 务 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   '申請專利範圍 l5·根據申請專利範圍第Μ項之組件，其中該TIR透鏡之形 狀係爲分散來自該裸二極體之光線而形成。 1&根據令請專利範圍第14項之組件，其中該tir透鏡之一 表面被設計爲將光線以一種選定的圖案予以分散。 17.根據申請專利範圍第1 0項之組件，更包括： 複數個裸二極體，位於該基板之平坦表面上並連接至 導體，以及 複數個光收集透鏡，位於該等二極體之上。 迟根據申請專利範圍第丨7項之組件，其中該等裸二極體被 聚集成爲提供紅色，綠色及藍色光而設計之群组；且更 包括足址電路，用以選擇性地致能二極體，以產生來自 獨立群组之不同顏色的光。 19. 根據申請專利範圍第1〇項之組件，其中該光收集透鏡被 内建於該組件用之帽。 20. 根據申請專利範圍第1 〇項之組件，更包栝一遮罩，用以 遮蔽該組件以阻隔周圍光線。 裝— ^ 1 ~線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作柏印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2Ι0Χ297公釐）