TWI384177B - 具高發光效率之光源裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

具高發光效率之光源裝置及其製造方法

本發明係關於一種光源裝置及其製造方法；具體而言，本發明係關於一種可避免光線過度集中且可增加光線使用效率之光源裝置及其製造方法。

顯示面板及使用顯示面板之面板顯示裝置已漸漸成為各類顯示裝置之主流。例如各式面板顯示屏、家用的平面電視、個人電腦及膝上型電腦之平板型監視器、行動電話及數位相機之顯示幕等，均為大量使用顯示面板之產品。特別是近年來液晶顯示裝置的市場需求大幅成長，為配合液晶顯示裝置在功能上及外觀上之要求，液晶顯示裝置所使用之背光模組設計也日趨多元化。

為追求更輕薄的尺寸及較節省的用電量，發光二極體元件已被大量使用作為提供光線之來源。無論採用側光式或直下式的背光模組設計，均可使用發光二極體作為光源。如圖1A所示，傳統的發光二極體元件包含有空心杯座10，其內部設置有發光二極體晶片20。空心杯座10內另有灌入之封裝膠材30，以對發光二極體晶片20進行封裝。封裝膠材30之表面31通常可形成為平面、凹面或凸面。如圖1A所示，由於封裝膠材之折射率較外部空氣之折射率為大，因此當發光二極體晶片20之光線以較大角度射至封裝膠材30形成為平面或凹面之表面31時，容易造成全反射。此時光線需在封裝膠材30內經多次反射後再行出射，因此使光線之使用效率降低。

在如圖1B所示之傳統發光二極體元件中，封裝膠材30之表面形成為凸面。由於凸面之幾合特性，此一設計可使光線產生全反射的機會降低。然而在此傳統設計中，容易使光線集中於元件的正向。當與背光模組配合時，此一光線集中的特性易造成背光模組的局部亮點現象，影響顯示裝置之影像品質。此外，由於封裝膠材30之凸面中心點較為突出，易於與導光板或其他元件接觸而變形，進而影響光源輸出的表現。

本發明之一目的在於提供一種光源裝置及其製造方法，可增加光源裝置之光線使用效率。

本發明之另一目的在於提供一種光源裝置及其製造方法，可避免光線過度集中。

本發明之另一目的在於提供一種光源裝置及其製造方法，可對封裝體之表面提供保護。

光源裝置包含有杯座、發光晶片以及封裝體。杯座具有杯壁環繞圍成容置空間；而發光晶片則設置於杯壁所圍成的容置空間內，並位於杯座內的底部上。封裝體係充填於容置空間內，並包圍發光晶片。在將封裝體充填進入容置空間後，其曝露於杯壁開口的部分即形成有外表面。外表面主要包含兩個部分：中央凹面及環狀凸面。環狀凸面包圍在中央凹面外側以圍成一環形；中央凹面則形成為連續無奇點之內凹球弧面。中央凹面與環狀凸面接合位置即會串連成為環狀凸脊。

發光晶片產生的光線係經由封裝體向外射出，因此封裝體的外表面形狀即為與外部介質間的介面。於封裝體外表面的中央位置採用中央凹面可使經由此部分射出的光線較為分散，避免產生光線過於集中的狀況，進而可增加光線分佈的均勻性。而在封裝體外表面的周圍部分採用環狀凸面，則可減少光線在封裝體內部產生全反射，增加發光效率。

本發明光源裝置的製造方法包含下列步驟：形成杯座，其中杯座之杯壁環繞圍成容置空間；於容置空間內設置發光晶片；形成封裝體充填於容置空間內，並包圍發光晶片；於封裝體連接杯壁之外表面上形成中央凹面及環狀凸面。環狀凸面係圍繞在中央凹面外，且兩者之接合位置形成為環狀凸脊，因此此步驟中亦需決定環狀凸脊之位置。

本發明係提供一種光源裝置及其製造方法，以及使用此光源裝置之背光模組。在較佳實施例中，光源裝置係為一發光二極體發光裝置；然而在不同實施例中，亦可以其他發光機制取代發光二極體中之二極體晶片。此外，以較佳實施例而言，此背光模組係供液晶顯示裝置使用。然而在不同實施例中，此背光模組亦可供電腦鍵盤、行動電話按鍵、看板及其他需要平面光源之裝置使用。進一步而言，本發明更包含使用此光源裝置及背光模組之液晶顯示裝置。在較佳實施例中，本發明之液晶顯示裝置係包含一彩色液晶顯示裝置。然而在不同實施例中，本發明之液晶裝置亦可包含單色之液晶顯示裝置。此外，液晶顯示裝置係泛指使用液晶面板之顯示裝置，包含家用的液晶電視、個人電腦及膝上型電腦之液晶監視器、行動電話及數位相機之液晶顯示幕等。

如圖2所示，光源裝置包含有杯座100、發光晶片200以及封裝體300。杯座100具有杯壁110環繞圍成容置空間130。在較佳實施例中，杯壁110係分為相互垂直的四面，以圍成六面體之容置空間130；然而在不同實施例中，杯壁110亦可呈環狀分佈，以合圍容置空間130為圓柱或圓椎體。如圖2所示，杯壁110之內面較佳係向內傾斜，使容置空間130於靠近開口的位置具有較大的口徑。

如圖2所示，發光晶片200係設置於杯壁110所圍成的容置空間130內，並位於杯座100上。在較佳實施例中，發光晶片200係包含至少一個二極體晶粒所形成的發光二極體晶片；然而在不同實施例中，亦可以其他發光機制取代發光二極體晶片而做為發光晶片200。發光晶片200較佳係平躺設置於容置空間130內，並具有發光頂面210面向容置空間130之開口方向。發光頂面210較佳係為矩形平面，但亦可隨發光晶片200之形狀而改變為不同形狀的平面或曲面。

在圖2所示之實施例中，封裝體300係充填於容置空間130內，並包圍發光晶片200。封裝體300係可採用液態封裝材料或固態封裝材料，材質可選自環氧樹脂、矽樹脂或其他聚合物材質。此外，封裝體300亦可配合不同色彩上或亮度上需求而加入適當的混合物，例如螢光粉500等。如圖2所示，在將封裝體300充填進入容置空間130後，其曝露於杯壁110開口的部分即形成有外表面310。如圖2及圖3A所示，外表面310的邊緣連接於杯壁110之內面或頂端。外表面310主要包含兩個部分：中央凹面330及環狀凸面350。環狀凸面350係包圍在中央凹面330外側以圍成一環形。相對於封裝體300之內部，環狀凸面350係向外突出且較佳為連續而無奇點的表面(邊緣位置除外)。在較佳實施例中，環狀凸面350係為自外凸球弧面上截取一部分環形區域所形成。此處所言之球弧面係可包含正圓球弧面、橢圓球弧面或其他形式之球弧面。

如圖2及圖3A所示，中央凹面330形成為連續無奇點(邊緣位置除外)之內凹球弧面。此處所言之球弧面係可包含正圓球弧面、橢圓球弧面或其他形式之球弧面。中央凹面330之外緣與環狀凸面350之內緣相連接，並被環狀凸面350之內緣圍繞。由於中央凹面330為內凹面，而環狀凸面350為外凸面，因此兩者之接合位置在圖圖3A之立體示意圖上即會形成為環狀凸脊370。而由圖2之剖視圖觀之，環狀凸脊370則會形成為一尖點。

在較佳實施例中，如圖3B所示，環狀凸脊370係切齊於杯壁110頂端117所在之平面；換言之，環狀凸脊370並未突伸於杯壁110外，而是被容納於容置空間130內。藉由此一設計，可避免封裝體300外表面310之最外突部分與導光板或其他元件碰觸而產生變形。另外，在如圖3C所示之實施例中，環狀凸脊370亦可低於杯壁110頂端117所在之平面，以受到杯壁110頂端117之保護。但在不同實施例中，環狀凸脊370亦可突伸於杯壁110之頂端外。

在上述的設置中，發光晶片200產生的光線係經由封裝體300向外射出，因此封裝體300的外表面310形狀即為與外部介質間(例如：空氣)的介面，其形狀會對光線的行為產生影響。於封裝體300外表面310的中央位置採用中央凹面330可使經由此部分射出的光線較為分散，避免產生光線過於集中的狀況，進而可增加光線分佈的均勻性。而在封裝體300外表面310的周圍部分採用環狀凸面350，則可減少光線在封裝體300內部產生全反射的比例，增加發光效率。此外，由於封裝體300外表面310之中央部份採用凹面設計，因此也可減少外表面310整體向外突出的程度，進而減少在使用時與導光板或其他元件碰觸變形的機會。

為達成不同的效果，中央凹面330及環狀凸面350之幾合性質均可加以調整，例如曲率半徑及弧面本身投影面積的半徑等。此外，中央凹面330及環狀凸面350的相接之處，亦即環狀凸脊370之位置，亦可隨之調整。例如環狀凸脊370之投影位置可全部或部分落在發光晶片200的發光頂面210內；但在不同實施例中，環狀凸脊370之投影位置亦可落在發光頂面210外。

在圖4所示之實施例中，係於發光晶片200之發光頂面210上定義一中心點211位置，在中心點211有一垂直發光晶片200之發光頂面210之中心法線217。在決定環狀凸脊370之位置時，即以此中心點211發出之光線作為環狀凸脊370位置判斷的標準。也就是說，中心點211發出之光線投射於中央凹面330上時，與中心法線217有一距離，較接近於中心法線217的光線會具有較小的折射角度；越遠離中央凹面330中心位置的光線則會具有較大的折射角度。當投射到中央凹面330上的光線具有90度的折射角度時，即產生所謂的全反射；此時中央凹面330之位置即定義為中央凹面330之邊緣，亦即環狀凸脊370之所在位置。換言之，由於中心點211產生之光線在中央凹面330上超過環狀凸脊370之位置會產生全反射，因此外表面310在此會產生全反射的部分上即以環狀凸面350來取代中央凹面330，以減少全反射的發生並增加光線使用效率。當光線投射至環狀凸脊370外側的環狀凸面350時，由於介面的法線方向與中央凹面330的法線方向大幅扭轉，因此光線可順利出射而不會產生全反射。

在不同於圖4所示之其他實施例中，亦可以發光晶片200之側壁或發光頂面210之不同位置產生之光線作為參考光線，來決定環狀凸脊370之位置。如圖5所示，係採用發光頂面210於邊緣位置附近產生之光線作為參考光線。產生此參考光線之位置可在發光頂面210上、發光頂面210之邊緣或發光晶片200之側壁230上。與圖4所示之實施例類似，當此參考光線於中央凹面330上產生全反射時，即決定此為位置為環狀凸脊370之位置。特別需說明的是，如圖5所示，由發光晶片200之中心法線217將圖5所示之徑向截面分為左右兩側，左側之環狀凸脊370位置係由發光晶片200左側邊緣之參考光線決定；而右側之環狀凸脊370位置則由發光晶片200右側邊緣之參考光線決定。此外，每一徑向截面之環狀凸脊370位置係由每一徑向截面上發光晶片200邊緣之參考光線所決定。當每一截面之環狀凸脊370位置決定後，即可連接形成完整而封閉的環狀凸脊370。

如圖6所示，在較佳實施例中，中央凹面330具有虛擬之曲率中心331，該曲率中心331係為中心法線217與中央凹面330中心點之延伸。曲率中心331可與中央凹面330之邊緣，亦即環狀凸脊370的位置連線並於曲率中心331處形成一頂角θ。此頂角θ係相對於曲率中心331與中央凹面330中心之連線而言。頂角θ之範圍較佳係介於5度至30度之間。此外，曲率中心331至中央凹面之曲率半徑R較佳係判於0.5mm至5mm之間。

如圖7所示，杯座100之杯壁110可區分為上杯壁111及下杯壁113。下杯壁113之底端與杯座100之底部115連接，而下杯壁113之頂端則與上杯壁111的底端相接。如圖7所示，下杯壁113較上杯壁111為厚，因此向容置空間130突出於上杯壁111之內表面外，進而於上杯壁111的底端形成為台面117。台面117與下杯壁113之內面夾角α較佳係小於或等於90度。於設置封裝鏡面300時，封裝鏡面300外表面310之邊緣即連接至台面117與下杯壁113內面連接之邊緣。由於台面117與下杯壁113之夾角α小於或等於90度，因此可提供封裝鏡面300外表面310較佳之表面張力。

如圖7所示，環狀凸脊370之位置較佳係低於上杯壁111之頂端。藉由此一設計，上杯壁111可保護封裝體300之外表面310，避免封裝體300外表面310之最外突部分與導光板或其他元件碰觸而產生變形。在此實施例中，如圖7所示，上杯壁111之內面頂端形成有向外的斜面170，以形成一導角。藉由此導角之設置，可減少上杯壁111對於光線向外射出時產生的阻礙，並增加整體光線射出之角度。

本發明同時包含了光源裝置的製造方法。在圖8所示之實施例流程圖中，步驟810包含：形成杯座，其中杯座之杯壁環繞圍成容置空間。在較佳實施例中，杯座係以射出成型的方式製作；然而在不同實施例中，亦可以其他不同的製程製作。步驟830包含：於容置空間內設置發光晶片。在較佳實施例中，發光晶片係由發光二極體晶粒所形成；然而在不同實施例中，發光晶片亦可由其他材質所形成。

步驟850包含：形成封裝體充填於容置空間內，並包圍發光晶片。在較佳實施例中，係以注入方式將封裝體之液態材質充填進入容置空間，接著再以光硬化、熱固或其他硬化方法使封裝體硬化。此外，在注入封裝體之材質時，較佳需注意注入之體積，使其於固化後之高度不至於突出於杯壁頂端。

步驟870包含：於封裝體連接杯壁之外表面上形成中央凹面及環狀凸面。環狀凸面係圍繞在中央凹面外，且兩者之接合位置形成為環狀凸脊，因此此步驟中亦需決定環狀凸脊之位置。在較佳實施例中，係可於封裝體硬化前，使用外突圓弧面之模具抵觸封裝體外表面的中心位置以形成中央凹面之形狀，接著再以光硬化、熱固或其他硬化方式使封裝體硬化。然而在不同實施例中，亦可先使封裝體硬化後，再以打磨或其他方式於封裝體之外表面上形成中央凹面。

在進行步驟870時，為確定中央凹面之尺寸，需決定出環狀凸脊之所在位置。在較佳實施例中，係根據封裝體之折射率及厚度來決定環狀凸脊之位置。請同時參考圖4及圖5並以發光晶片之發光頂面中心作為參考光線發射點，由於封裝體之折射率會影響光線離開中央凹面時之折射角，因此亦會對全反射的起始發生位置造成影響。當封裝體之折射率較大時，光線離開中央凹面時之折射角也較大；換言之，中央凹面上起始產生全反射之位置或較靠近於中央凹面之中心。此時環狀凸脊之位置亦會隨之較接近於中央凹面之中心；反之亦然。此外，如圖9所示，由於幾合上的相對關係，對於中央凹面330上同一投影點700而言，當封裝體300之厚度增加而折射率不變時，光線之入射角α₂ 會較原來的入射角α₁ 減小，因此產生之折射角β₂ 也較原來的折射角β₁ 小。換言之，中央凹面330上起始產生全反射之位置及相應之環狀凸脊370位置亦會隨之較遠離於中央凹面330之中心。

此外，在不同實施例中，亦可根據封裝體300之折射率及厚度來決定中央凹面之曲率半徑及相對曲率中心之頂角。如同前述，封裝體300之折射率及厚度均會對中央曲面上產生全反射之位置產生影響。在上段所述實施例中，並未對中央凹面330本身弧面性質，例如曲率半徑，來進行調整。然而本段之實施例中，則可藉由調整曲率半徑及相對曲率中心之頂角來因應不同封裝體之折射率及厚度。當中央凹面330之曲率半徑較小而封裝體300厚度不變時，其產生全反射之位置較接近於中央凹面之中心；此時可考慮搭配厚度較厚或折射率較低之封裝體300，使得產生全反射之環狀凸脊370位置較遠離於中央凹面330之中心。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100．．．杯座

110．．．杯壁

111．．．上杯壁

113．．．下杯壁

115．．．底部

117．．．台面

130．．．容置空間

170．．．斜面

200．．．發光晶片

210．．．發光頂面

211．．．中心點

217．．．中心法線

300．．．封裝體

310．．．外表面

330．．．中央凹面

331．．．曲率中心

350．．．環狀凸面

370．．．環狀凸脊

500．．．螢光粉

700．．．投影點

圖1A及圖1B為傳統發光二極體元件之示意圖；

圖2為本發明光源裝置之實施例剖面圖；

圖3A為光源裝置之實施例示意圖；

圖3B為圖3A所示實施例之剖面圖；

圖3C為另一實施例剖面圖；

圖4為光源裝置之實施例光線路徑圖；

圖5為光源裝置之另一實施例光線路徑圖；

圖6為中央凹面之幾合示意圖；

圖7為光源裝置之另一實施例剖面圖；

圖8為光源裝置製造方法之實施例流程圖；

圖9為封裝體厚度改變時之光線路徑示意圖。

100．．．杯座

110．．．杯壁

130．．．容置空間

200．．．發光晶片

210．．．發光頂面

300．．．封裝體

310．．．外表面

330．．．中央凹面

350．．．環狀凸面

370．．．環狀凸脊

Claims (16)

1. 一種光源裝置，包含：一杯座，具有一杯壁環繞圍成一容置空間；一發光晶片，設置於該容置空間內；以及一封裝體，充填於該容置空間內並包圍該發光晶片；該封裝體具有一外表面，該外表面之邊緣係連接該杯壁且包含一中央凹面及一環狀凸面，該環狀凸面係圍繞該中央凹面，該環狀凸面及該中央凹面之接合位置形成一環狀凸脊；其中，該中央凹面係形成為連續無奇點之內凹球弧面，且該環狀凸脊之形成減少自發光晶片投射至中央凹面的光線產生全反射。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該封裝體包含螢光粉。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該發光晶片具有一發光頂面，該環狀凸脊係為該發光頂面中心點產生之光線相對於該中央凹面產生全反射之臨界位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該發光晶片具有一發光頂面，該環狀凸脊係為最相近之該發光頂面邊緣位置產生之光線相對於該中央凹面產生全反射之臨界位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該中央凹面之曲率中心相對於該環狀凸脊之位置形成一頂角，該頂角係於5度至30度之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該中央凹面之曲率半徑介於0.5mm至5mm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該環狀凸面係形 成為連續之外凸球弧面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該環狀凸脊容納於該容置空間內，且切齊或低於杯壁頂端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該杯壁包含一上杯壁及一下杯壁，其中該下杯壁向該容置空間內突出於該上杯壁並形成一台面，該台面與該下杯壁內面之夾角小於或等於90度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光源裝置，其中該環狀凸面之外緣係連接該台面與該下杯壁內面之連接邊緣。
11. 一種光源裝置製造方法，包含下列步驟：形成一杯座，該杯座具有一杯壁環繞圍成一容置空間；設置一發光晶片於該容置空間內；形成一封裝體充填於該容置空間內並包圍該發光晶片；以及於該封裝體連接該杯壁之一外表面上形成一中央凹面及一環狀凸面，並使該環狀凸面係圍繞該中央凹面，該環狀凸面及該中央凹面之接合位置形成一環狀凸脊；其中，該中央凹面係形成為連續無奇點之內凹球弧面，且該環狀凸脊之形成減少自發光晶片投射至中央凹面的光線產生全反射。
12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該中央凹面及該環狀凸面形成步驟包含：根據該封裝體之折射率及厚度決定該環狀凸脊之位置。
13. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該環狀凸脊位置之決定步驟包含：計算該發光頂面中心點產生之光線相對於該中央凹面產生全反射之一臨界位置，並以該臨界位置為該環狀凸 脊之位置。
14. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該中央凹面及該環狀凸面形成步驟包含：根據該封裝體之折射率及厚度決定該中央凹面之曲率半徑及相對曲率中心之頂角。
15. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該封裝體形成步驟包含：使該環狀凸脊容納於該容置空間內，且未突伸於該杯壁頂端之外。
16. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該中央凹面及該環狀凸面形成步驟包含：以一模具於該封裝體硬化前抵觸該外表面形成該中央凹面；以及使該封裝體硬化。