TWI413742B - With the promotion of luminous and thermal efficiency of the light-emitting diode structure and its LED lamps - Google Patents

Description

具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構及其LED燈具

本發明係關於一種發光二極體結構及其LED燈具，尤其一種透過一第一膠體設在一基板的凹槽與複數LED晶片間，及一第二膠體設在該基板對接的一透鏡與第一膠體之間的結合設計，使得有效增加整體出光效率及散熱效率的具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構及其LED燈具。

近年來，隨著發光二極體(Light-emitting diode，以下簡稱LED)新興照明產業發展迅速，使LED在亮度、功率、壽命、耗電量、反應速率等方面已經超過或接近傳統燈泡的節能光源，以使LED目前已漸漸開始取代傳統燈泡，其中以大功率LED在路燈、景觀、洗牆、室內照明等領域早已經大量廣泛應用。

而目前已在市面上推出單顆大功率LED晶片的最大功率為5瓦(W)，而在路燈等大功率應用領域，通常是上百個大功率LED或者上千個0.1瓦(W)左右低功率封裝的LED組合在一起形成一LED模組，來達到所需的光通量及照度，但相對的LED模組之尺寸需較大，且其所需的散熱結構設計更為複雜，進而直接限制了它的應用範圍。

另外，由於單顆LED封裝熱阻可以做到小於每瓦攝氏12度，但是因複數顆LED集成後的前述LED模組的熱阻卻很難控制，使得LED模組其內各LED晶片在長時間的工作下，因前述熱阻無法穩定的控制，以導致LED晶片的結溫超過允許範圍而損壞LED晶片的性能及壽命，如LED晶片的發光效率降低、發光波長變短等。此外，由於分散的點光源，給具體應用時的外部光學設計會帶來很大難度，所以使得很難得到一個理想的光束分佈。

並且，由於LED燈具中係利用多顆LED晶片集成所述LED模組作為光源得到了廣泛的關注及應用，且其雖結構簡潔、導熱介面少、發光面小且集中及易於配光設計等優點；但由於LED模組的熱功率密度大，容易有聚熱的效應難以解決，因此LED燈具需考慮LED模組的散熱管理，且LED模組在各種不同的應用場合需要不同的配光，如一般常用的LED燈具上加裝二次配光透鏡，以讓整個LED燈具所發出的光能滿足設計需求，可是卻延伸另一問題，即光在LED模組外部介面及配光透鏡內部介面上反射或散射會影響LED燈具的出光效率。

以上所述，習知技術中具有下列之缺點：

1.散熱不佳；

2.出光效率不佳；

3.散熱面積有限。

緣是，有鑑於上述習用品所衍生的各項缺點，本案之發明人遂竭其心智，以從事該行業多年之經驗，潛心研究加以創新改良，終於成功研發完成本件「具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構及其LED燈具」案，實為一具功效增進之創作。

爰此，為有效解決上述之問題，本發明之主要目的，係提供一種藉由一第一膠體設在一基板的凹槽與複數LED晶片間，及一第二膠體設在該基板對接的一透鏡與第一膠體之間的結合設計，得有效增進整體出光(或發光)效率及散熱效率的具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構。

本發明之次要目的，係提供一種具有增進出光效率及提升散熱效果的LED燈具。

本發明之次要目的，係提供一種具有增加散熱面積的LED燈具。

為達上述目的，本發明係提出一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其包括：複數LED晶片；一基板具有一凹槽，該凹槽容設有該LED(Light-emitting diode)晶片，並該基板對接一透鏡；一第一膠體係設在該凹槽與前述LED晶片間；及一第二膠體則設在該透鏡與第一膠體間，並所述第一膠體與第二膠體及該LED晶片係包覆在該凹槽內，且與該基板及透鏡結合一體，亦此藉由本發明之基板、透鏡、LED晶片及第一、二膠體的結合一體設計，使得不但有效增加散熱效率，更進而有效增加(或提升)出光效率者。

本發明另提出一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，該發光二極體結構包括複數LED晶片、一基板、一第一膠體及一第二膠體，其中該基板端面設有至少一框架，該框架界定一凹槽，該凹槽係容設有前述LED晶片， 並且該基板對接一透鏡，而該第一膠體係設在該凹槽內並包覆該LED晶片，該第二膠體則設在該透鏡與第一膠體之間，且其位在該框架與第一膠體的上方處，並所述透鏡罩蓋該框架，以與該基板結合一體，所以藉由前述第一、二膠體有效增進整體出光效率及散熱效率。

本發明另提出一種LED燈具，係包括一LED模組、一基座及一散熱模組，該LED模組包含複數LED晶片、一基板、一第一膠體及一第二膠體，其中該基板具有一凹槽容設複數LED晶片，並該基板對接一透鏡，該第一膠體係設在前述凹槽與LED晶片間，該第二膠體則設在該透鏡與第一膠體間，而前述基座具有一容置槽，該容置槽容設有LED模組，前述散熱模組具有複數導熱管穿接該基座，所以藉由該第一、二膠體不僅能夠增加整體出光及散熱效率外，又可透過該等導熱管增加整體散熱面積及散熱效果者。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

請一併參閱第1、2、3圖所示，係本發明一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構及其LED燈具，在本發明之第一較佳實施例中，該發光二極體結構包括複數LED(Light-emitting diode，簡稱LED)晶片10、一基板11、一第一膠體41及一第二膠體42，前述基板11係以純銅材質所製成，且其具有一凹槽111，該凹槽111容設有前述LED晶片10，一透鏡13係對接該基板11並罩蓋在該基板11之凹槽111上方處，與該基板11緊密貼觸一起，該透鏡13之材質係選擇為矽膠、矽樹脂、光學PC、玻璃及亞克力其中任一；另者，前述透鏡13的折射率小於該第一、二膠體41、42的折射率。

前述第一膠體41係為矽膠，且其係設在該凹槽111與該LED晶片10間，以利用矽膠其自身特性能有效保留原有對可見光譜的高透光率與透明性，及減少了光路中的折射率變化，進而有助於提升LED燈具2整體出光效率，如提高LED燈具2效率10%~20%。

前述第二膠體42係選擇為透明矽膠及散熱液其中任一，若該第二膠體42為散熱液時係用以增加發光二極體結構整體的散熱效果，以有效降低LED晶片10的溫度；若該第二膠體42為透明矽膠時則用以改善LED晶片10發出之白光的色溫(color temperature)在不同出光角度上的分佈均勻性，且所述透明矽膠的折射率小於1.43。此外，於本較佳實施例，該第二膠體42係以透明矽膠做說明，但並不侷限於此，合先陳明。

前述第二膠體42設在該透鏡13與第一膠體41之間，並與該第一膠體41及該LED晶片10包覆在該凹槽111內，進而與該基板11及透鏡13結合一體構成一LED模組1(即所述發光二極體結構)。

前述凹槽111更具有一第一容置部112及一第二容置部113，該第一容置部112係容置有前述LED晶片10與該第一膠體41，該第二容置部113則容置有前述第二膠體42，並相對該第一容置部112；而前述透鏡13與基板11間係設有一蓋板14，該蓋板14的一側凸伸設有一抵壓件141抵壓固定在該透鏡13上，前述抵壓件141係從相對該透鏡13方向延伸構成；前述蓋板14具有至少一穿孔142供一固定件3(如螺絲)貫穿，並藉由該固定件3與基板11鎖固一起。

請復參閱第1、2、3圖所示，前述LED燈具2包括所述LED模組1、一基座5及一散熱模組6，該基座5係以純銅材料所製成，其材料為純度大於99.9%的銅，並在銅表面鍍銀，並該基座5具有一容置槽52用以容設該LED模組1，並以表面貼裝(或黏著)技術(Surfacd Mounting Technolegy，簡稱SMT)，令該LED模組1與該基座5結合成一體。

而前述散熱模組6具有複數導熱管61，該等導熱管61穿接該基座5，以使LED模組1產生的熱量經由該基座5傳導至該等導熱管61，再藉由該等導熱管61引導至外界熱交換，以有效達到絕佳的散熱效果。

前述基座5更具有呈蜂窩狀之複數細孔51，該等細孔51係形成在該容置槽52的任一側，並連通該容置槽52，於本較佳實施例，該等細孔51設在所述容置槽52內的周側及底側上做說明，但並不侷限於此，於本發明實際實施時，亦可依使用需求及LED燈具2空間的設計選擇設在該容置槽52內的周側或底側上，或是設在該容置槽52內的周側及底側上。

該等每一導熱管61分別對接該等每一細孔51，且連通各該細孔51與容置槽52；前述容置槽52內設有一第三膠體(圖中未示)，該第三膠體係為矽膠，其浸入至該等細孔51及前述導熱管61之間，以使該第三膠體從該容置槽52內的各該細孔51浸潤至各該導熱管61內，以增加該第三膠體與該基座5的接觸面積，以有效降低LED模組1在正面的散熱路徑中的有效熱阻，進而擴大傳熱面積。

請一併參閱第1、3圖所示，前述導熱管61更連接一燈具殼體8，進而與前述基座5結合成一體，當前述LED模組1發出可見光時，伴隨LED晶片10的光源產生熱量，其中前述光源依序通過該第一膠體41、第二膠體42，並藉由前述第一、二膠體41、42自身的特性，來增加發光效率，並在前述光源通過該第二膠體42後，經由該透鏡13將光源投射出去外界； 該等LED晶片10所產生的熱量，透過該容置槽52內的第三膠體將前述熱量分別引導至所述導熱管61及基座5上，使得部分熱量傳導到該基座5上散熱，但絕大部分的熱量則藉由該等導熱管61傳導到該燈具殼體8上，以透過較大的散熱面積來散熱，俾使有效增進LED燈具2整體的出光效率，進而達到絕佳的散熱效果者。

請參閱第4、5圖所示，係本發明之第二較佳實施例，該發光二極體結構包括複數LED(Light-emitting diode，簡稱LED)晶片10、一基板11、一第一膠體41及一第二膠體42，前述基板11端面設有至少一框架115由環氧樹脂 製成，該框架115界定一凹槽111，該凹槽111容設有前述LED晶片10，並該基板11對接一呈波浪狀之透鏡13，該透鏡13罩蓋並包覆該基板11之框架115，並與該基板11緊密貼觸一起；其中該透鏡13之材質係選擇為矽膠、矽樹脂、光學PC、玻璃及亞克力其中任一。

前述第一膠體41係為矽膠，其折射率介於1.43至1.58之間，藉由矽膠的特性，除了保留原有對可見光譜的高透光率與透明性，並減少了光路中的折射率變化；該第一膠體41係採用模鑄法(Molding)的方式形成在該凹槽111內包覆該LED晶片10。

該第二膠體42係為透明矽膠，用以改善LED晶片10發出之白光的色溫(color temperature)在不同出光角度上的分佈均勻性，且所述透明矽膠的折射率小於1.43，如應用菲涅爾公式計算，在正入射時，根據前述菲涅爾公式，自然光的反射比由,n =n ₂ /n ₁ 。

而LED膠面折射率1.5~1.58，空氣折射率n ₂ 1.0，透鏡13折射率1.48~1.6；經上述計算後，可知所述第二膠體42的折射率n ₄ 1.4。

前述第二膠體42設在該透鏡13與第一膠體41之間，並位在該框架115與第一膠體41的上方處，即前述第二膠體42係採用模鑄法(Molding)的方式形成在第一膠體41的上方處，且恰位於框架115的中央位置處，並前述透鏡13罩蓋該框架115，以與該基板11結合一體，以構成一LED模組1(即所述發光二極體結構)。

請復參閱第4、5圖所示，該透鏡13係相對該凹槽111，並具有一第一隆起部131及一第二隆起部132，該第一隆起部131與第二隆起部132之間形成一凹處133；而前述基板11係固設在一由鋁材製成之基座5上，且所述基板11與基座5之間的固定方式，係採用表面貼裝技術(Surfacd Mounting Technolegy，簡稱SMT)；並前述基座5內埋設有至少一線路56，該每一線路56的一端分別電性連接該基板11，其另一端則電連接該基座5。

將該基座5容置固定在一LED燈具上(圖中未示)，當所述LED模組1之LED晶片10發出光源時，前述光源係依序通過該第一膠體41、第二膠體42，並藉由前述第一、二膠體41、42的特性，增加發光效率，並在前述光源通過該第二膠體42後，藉由該透鏡13將光源投射出去外界，俾使有效提高輸出白光的色溫及顯色係數，進而提升出光效率者。

請參閱第4、6圖所示，係本發明之第三較佳實施例，該較佳實施例大致與前第二較佳實施例相同，在此不另外贅述相同處，第三較佳實施例的不同處在於：前述基座5更具有複數散熱鰭片53及一容置槽52，該等散熱鰭片53從該基座5的周側向外延伸形成，且每一散熱鰭片53之間界定一對流孔55，而前述容置槽52係供所述LED模組1容設，當前述LED晶片10發出光源的時候伴隨熱量的產生，藉由該基座5吸收前述熱量，並傳導至該等散熱鰭片53，進而通過該對流孔55與外面的流體進行熱交換散熱令LED模組1維持在較佳的工作溫低(即較低的工作溫度)，以有效增進發光效率及散熱效果者。

請參閱第7圖所示，係本發明之第四較佳實施例，該較佳實施例大致與前第二較佳實施例相同，在此不另外贅述相同處，第四較佳實施例不同處在於：前述基座5相反該基板11的端面設有一螺紋部9，該螺紋部9的一端固接該基座5，其自由端與匹配對應的一LED燈具(圖中未示)相鎖合；並且前述每一線路56的一端分別電性連接該基板11，其另一端則分別與該螺紋部9一端及其另一端相電性連接。

以上所述，本發明係一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構及其LED燈具，其具有下列優點：

1.具有提升出光(或發光)效率；

2.具有提升散熱效果；

3.具有提高輸出白光的色溫及顯色係數；

4.具有增加散熱面積。

按，以上所述，僅為本發明的較佳具體實施例，惟本發明的特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明領域內，可輕易思及的變化或修飾，皆應涵蓋在以下本發明的申請專利範圍中。

1．．．LED模組

10．．．LED晶片

11．．．基板

111．．．凹槽

112．．．第一容置部

113．．．第二容置部

115．．．框架

13．．．透鏡

131．．．第一隆起部

132．．．第二隆起部

133．．．凹處

14．．．蓋板

141．．．抵壓件

142．．．穿孔

2．．．LED燈具

3．．．固定件

41．．．第一膠體

42．．．第二膠體

5．．．基座

51．．．細孔

52．．．容置槽

53．．．散熱鰭片

55．．．對流孔

56．．．線路

6．．．散熱模組

61．．．導熱菅

8．．．燈具殼體

9．．．螺紋部

第1圖係本發明之第一較佳實施例之剖面示意圖；

第2圖係本發明之第一較佳實施例之基座立體示意圖；

第3圖係本發明之第一較佳實施例之實施態樣示意圖；

第4圖係本發明之第二較佳實施例之剖面示意圖；

第5圖係本發明之第二較佳實施例之另一剖面示意圖；

第6圖係本發明之第三較佳實施例之基座俯視圖；

第7圖係本發明之第四較佳實施例之剖面示意圖。

1．．．LED模組

10．．．LED晶片

11．．．基板

111．．．凹槽

112．．．第一容置部

113．．．第二容置部

13．．．透鏡

14．．．蓋板

141．．．抵壓件

142．．．穿孔

3．．．固定件

41．．．第一膠體

42．．．第二膠體

Claims (22)

1. 一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，包括：複數LED晶片；一基板，具有一凹槽容設有前述LED晶片，並對接一透鏡，且該透鏡與基板間設有一蓋板，該蓋板一側凸伸設有一抵壓件，該抵壓件固定在該透鏡上；一第一膠體，設在該凹槽與該LED晶片間；及一第二膠體，設在該透鏡與該第一膠體之間，且該第一膠體與第二膠體及該LED晶片包覆在該凹槽內，並與該基板及該透鏡結合一體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該凹槽具有一第一容置部容置有前述LED晶片與該第一膠體，及一第二容置部容置有該第二膠體，該第二容置部係相對該第一容置部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該蓋板上形成有至少一穿孔供一固定件穿入，該固定件貫穿該蓋板與該基板鎖固一起。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該第一膠體係為矽膠。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該第二膠體係選擇為透明矽膠及散熱液其中任一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該透鏡之材質係選擇為矽膠、 矽樹脂、光學PC、玻璃及亞克力其中任一。
7. 一種具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，包括：複數LED晶片；一基板，其端面設有至少一框架，該框架彼此間界定一凹槽容設有前述LED晶片，並該基板對接一透鏡；一第一膠體，設在該凹槽內包覆該LED晶片；及一第二膠體，設在該透鏡與該第一膠體之間，且位在該框架與第一膠體的上方處，並前述透鏡罩蓋該框架，以與該基板結合一體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該透鏡具有一第一隆起部及一第二隆起部，該第一隆起部與第二隆起部彼此間形成一凹處，並該透鏡係相對該凹槽。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該基板係固設在一基座上，該基座內埋設有至少一線路，每一線路的一端分別電性連接該基板。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該基座相反該基板的端面設有一螺紋部，該螺紋部的一端固接該基座，其自由端與對應一LED燈具相鎖合，並該每一線路的另一端分別與前述螺紋部一端及其另一端電性連接。
11. 如申請專利範圍第9項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該基座更具有複數散熱鰭片 從該基座的周側向外延伸形成，且每一散熱鰭片之間界定一對流孔。
12. 如申請專利範圍第8項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該透鏡之形狀係呈波浪狀。
13. 如申請專利範圍第9項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該基板與基座之間係採用表面貼裝技術的固定方式。
14. 如申請專利範圍第7項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該第一膠體係為矽膠。
15. 如申請專利範圍第14項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該矽膠的折射率介於1.43至1.58之間。
16. 如申請專利範圍第7項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該第二膠體係為透明矽膠。
17. 如申請專利範圍第7項所述之具有增進發光及散熱效率之發光二極體結構，其中該透鏡之材質係選擇矽膠、矽樹脂、光學PC、玻璃及亞克力其中任一。
18. 一種LED燈具，包括：一LED模組，包含複數LED晶片，及一基板具有一凹槽容設有該等LED晶片，並對接一透鏡，及一第一膠體與一第二膠體，該第一膠體係設在該凹槽與LED晶片間，該第二膠體則設在該透鏡與該第一膠體間；一基座，具有一容置槽係容設該LED模組；及一散熱模組，具有複數導熱管穿接該基座。
19. 如申請專利範圍第18項所述之LED燈具，其中該基座更具有呈蜂窩狀之複數細孔，其貫通形成在該容置槽的任一側上，並該導熱管對接該細孔，且連通該細孔與該容置槽。
20. 如申請專利範圍第19項所述之LED燈具，其中該容置槽內設有一第三膠體浸入至該等細孔及前述導熱管之間。
21. 如申請專利範圍第18項所述之LED燈具，其中該導熱管與基座間設有一燈具殼體，該等導熱管貫穿該基座及燈具殼體結合一體。
22. 如申請專利範圍第20項所述之LED燈具，其中該第三膠體係為矽膠。