TWI421441B - 多片反射角轉換器 - Google Patents

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TWI421441B TW095139429A TW95139429A TWI421441B TW I421441 B TWI421441 B TW I421441B TW 095139429 A TW095139429 A TW 095139429A TW 95139429 A TW95139429 A TW 95139429A TW I421441 B TWI421441 B TW I421441B
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Description

多片反射角轉換器
本發明係關於發光二極體(light emitting diode；LED)或其他固態光源，特定言之係關於用於此類光源之收集光學元件。
發光二極體晶粒通常以廣泛角度發射光，例如離中心軸最高90度。通常使用透鏡或反射杯重新引導LED所發射的光。此類簡單光學技術對用作指示燈的器件或不需要精確發射圖案的情況係足夠的。
然而當針對一系統，其包括，例如，已識別之有限系統，如用於投影顯示器(例如後投影TV或前投影機)、汽車應用(例如前燈)、光纖、重點照明、緊湊空間內之色彩混合及其他應用，狹窄地指定LED照明系統之光輸出時，必須使用創新光學解決方案。
精度收集光學元件使用多片來產生期望的發射圖案。根據本發明之收集光學元件包括較小反射環，其具有圍繞一或多個LED之反射側壁。較小反射環可採用高精度製造並定位於LED附近。一項具體實施例中，發光二極體係黏著於子基板上的臺面上，而反射環在裝配期間使用臺面作為橫向定位引導物。收集光學元件包括一分離上反射器，其在裝配期間使用反射環作為一橫向定位引導物。上反射器包括反射側壁，其在裝配時係為反射環上之反射側壁之近似連續。
圖1及2說明與發光二極體陣列12一起使用的收集光學元件10之剖面透視圖及斷面圖。收集光學元件10可為，例如，一反射角轉換器，其準直從陣列12發射的光。從圖中可看出，收集光學元件10包括連續反射側壁14。因此，從最接近陣列12之反射側壁的邊緣16至反射側壁之末端18，收集光學元件10係為一片。
為改善效率，需要使反射側壁14的邊緣16盡可能靠近陣列12。此外，為了反射透過LED側壁發射的任何光，邊緣16應為一刃緣。因此，收集光學元件10在製造及收集光學元件10對LED陣列12的配置中皆需要高精度。為在製造及配置中實現期望精度，需要大量時間及能量，因此導致了高成本。
圖3說明根據本發明之一具體實施例的收集光學元件100之側斷面圖。本文中有時將收集光學元件100稱為反射角轉換器裝配件100。根據本發明之一具體實施例，反射角轉換器裝配件100係有利地加以製造，以從多片產生反射側壁；一片係較小反射環102，其可採用高精度來製造並配置；第二片係較大上反射器104，其可採用較寬鬆之公差來製造並配置。相應地，製造及裝配收集光學元件100之時間及成本與(例如)收集光學元件10相比得以減小。
圖4說明較小反射環102及上反射器104之一部分的接近斷面側視圖。可看出，反射環102圍繞LED 106，其係附著於一基板108。基板108可為陶瓷或其他適當材料。基板108係採用電連接引線(未顯示)附著於一直接焊接銅(direct bond copper；DBC)基板109。DBC基板109與散熱器110連接。基板108包括黏著有LED 106之臺面112。反射環102具有近似於臺面112之大小的內徑。將反射環102黏著於基板108，使得反射環102圍繞基板108之臺面112以及LED 106。黏著時，將反射環102配置成距LED(例如)大約0.100 mm或更小。將臺面112作為一引導物，以便將反射環102黏著於基板108。使用臺面112作為引導物有利地簡化了反射環102與LED 106之對準。另外，由於將LED 106黏著於臺面112之頂部表面112a上，反射環102延伸於LED 106下方，其允許反射環102反射來自LED 106的任何側面發射光。此外，由於反射環102之一部分延伸於臺面112之頂部表面112a下方，鄰近臺面112之頂部表面112a的反射環102之角落102a可為鈍角，其與圖1及2所示之刃緣16相反，相對地較易於製造。
應瞭解，也可使用其他組態。例如，圖5A說明類似於圖4所示的斷面側視圖，但其中說明基板108'具有藉由溝槽114形成之一臺面112。反射環102'係配置成黏著於溝槽114內。另一具體實施例中，基板108可能不包括臺面112；然而，此會複雜化製造、黏著及反射環與LED 106之對準。圖5B說明類似於圖4所示之斷面側視圖，但具有反射環102'之一部分覆蓋LED 106陣列之至少一部分的一組態。
LED 106可位於子基板108上的一陣列內。LED 106及子基板108可為Bhat的美國專利第6,885,035號內說明之類型，其整體內容以提及方式併入本文，但本發明並不限於此。若需要，亦可使用其他類型之LED及子基板。在一項具體實施例中，LED 106係覆晶或倒轉設計，其中p及n接觸接點位於LED之相同側面上，並且一般藉由與接觸接點相反之側面上的LED發射光，儘管一些光係透過LED之側面發射，如上所述。例如，LED可為III族氮化物型，其具有一組合物，包括但不限於GaN、AlGaN、AlN、GaInN、AlGaInN、InN、GaInAsN及GaInPN。典型基板材料係藍寶石、碳化矽SiC或III族氮化物，因為在該等基板上集結成核並生長高品質III族氮化物晶體較容易。LED或覆蓋層可包括磷光體塗層，以產生一期望的白光。例如，可採用黃色磷光體塗布藍泵LED晶粒，以產生藍色及黃色光之混合，其看似白色。
例如，藉由金凸塊106a將該p及n接觸接點電性連接至子基板108上或該子基板內。凸塊106a與子基板108上金屬跡線間的互連產生在LED與子基板間之電連接，同時在操作期間提供從LED移除熱之一熱路徑。雖然所說明的具體實施例參考金凸塊，該等互連可由元素金屬、金屬合金、半導體金屬合金、焊料、導熱及導電膏或化合物(例如環氧化物)、在LED晶粒與子基板之間的不相同金屬間的共熔接合處(如Pd－In－Pd)或錫鉛凸塊製成。
子基板108可由(例如)高溫共燒陶瓷或其他適當材料形成，例如薄膜鋁或其他熱封裝材料。子基板上可包括可選介電層，例如SiO2(未顯示)，以便在LED與子基板間建立電絕緣。基板108係附著於提供電連接引線(未顯示)之DBC基板109，且DBC基板109與散熱器110連接。
反射環102可由(例如)熱塑性材料製造，例如General Electric公司製造的Ultem。可藉由注模、壓鑄、轉移模製或以另一適當方式形成反射環102。反射環102之反射表面103可採用反射材料加以塗布，例如保護性銀或鋁。反射環102係(例如)使用高溫環氧化物黏著於基板108。一項具體實施例中，反射環102之高度可為大約1.8 mm，最小內徑可為大約4.15 mm×6.30 mm，外徑大約為12 mm×12.5 mm。該等尺寸僅作為範例，當然亦可使用任何期望的尺寸。
如圖3及4所說明，上反射器104之反射表面105係來自反射環102之反射表面103的一般曲線之連續。然而應瞭解，本發明並不必使用曲線。例如，反射環102之反射表面103及上反射器104之反射表面105可為線性，並可有角度或為直線，如垂直。相應地，反射環102及上反射器104可為雙片整合隧道，其形成一矩形管道。
上反射器104可使用反射環102作為橫向位置參考。然而，若需要，上反射器104可使用子基板108本身作為參考。可(例如)使用將DBC基板109緊靠散熱器110固定的螺栓120、夾具或其他適當連接器，將上反射器104機械耦合至散熱器110。或者，可(例如)使用環氧化物或聚矽氧將上反射器104焊接至散熱器110。從圖4可看出，上反射器104在z方向上不與反射環接觸，即上反射器104不會在反射環及/或基板108上朝散熱器110施加壓縮力。
上反射器104可由熱塑性(如Ultem)或其他適當材料製造。可藉由注模、壓鑄、轉移模製或以另一適當方式形成上反射器。上反射器104之反射表面105可採用反射材料加以塗布，例如保護性銀或鋁。一項具體實施例中，上反射器104具有(例如)離散熱器110(例如)22 mm之高度，出口處內部尺寸大約為9.1 mm×13.6 mm，壁厚度大約為3 mm。該等尺寸僅作為範例，當然亦可使用任何期望的尺寸。
藉由使用兩個分離片來形成反射角轉換器裝配件100，簡化了製造及裝配。僅位於LED 106附近的較小反射環102在製造及配置時需要高度準確性。製造及配置上反射器104之公差較寬鬆。此外，由於上反射器104距LED 106較遠，上反射器104對溫度敏感度具有較寬鬆要求。
圖6、7A、7B及8係根據本發明之一具體實施例之透視圖，其說明一具有收集光學元件210之器件200的裝配件。圖6顯示黏著於子基板204上的LED之一陣列202。子基板204係黏著於DBC子基板206，其包括複數個電性引線208。圖中顯示DBC子基板206位於散熱器209上，但應瞭解在一項具體實施例中，DBC子基板206並未附著於散熱器209，而是藉由上反射器所施加的壓縮力固定於散熱器209，如上所述。然而，若需要，DBC子基板206可能(例如)採用環氧化物或其他適當機制以物理方式附著於散熱器209。
圖7A顯示黏著於子基板202之反射角轉換器的較小反射環212，其使用臺面203(顯示於圖6內)作為橫向定位引導物。應瞭解，雖然圖7A將反射環212說明為一般係矩形，反射環可具有其他替代形狀，例如橢圓形、方形、圓形或任何其他期望的形狀。圖7B藉由範例說明一圓形反射環212'，出於說明性目的，省略了反射環212'之一部分。如圖7B所示，可使用裝配在一起的多片產生反射環212'。與圖7A所示的矩形反射環212相同，圓形反射環212'圍繞陣列202內的複數個LED。如圖7B所說明，可將反射環置放於LED陣列202之一部分上方。
將反射環212黏著於子基板202時，上反射器214係(例如)使用穿過孔209a之螺栓(如圖6及7A所示)黏著於散熱器209，從而產生圖8所說明之結構。出於說明性目的，圖8僅顯示上反射器214之一半。為簡化製造，例如，可按兩片或更多片(如四片)產生上反射器214，其係在黏著於散熱器209前耦合在一起。上反射器214可使用反射環212之外部周邊作為一橫向定位引導物。或者，可使用插入反射環212內之接針孔212a的接針將上反射器214引導至位置中。本發明亦可使用上反射器之其他黏著組態。
雖然基於說明之目的，結合一些特定的具體實施例說明本發明，但本發明並非限於該等特定的具體實施例。不需背離本發明之範疇即可對本發明進行各種調適與修改。因此，不應將所附申請專利範圍之精神與範疇限制於以上說明。
10．．．收集光學元件
12．．．陣列
14．．．反射側壁
16．．．反射側壁邊緣
18．．．反射側壁末端
100．．．收集光學元件
102．．．反射環
102a．．．角落
102'．．．反射環
103．．．反射表面
104．．．上反射器
105．．．反射表面
106．．．發光二極體
106a．．．金凸塊
108．．．基板/子基板
108'．．．基板
109．．．DBC基板
110．．．散熱器
112．．．臺面
112a．．．頂部表面
114．．．溝槽
120．．．螺栓
200．．．器件
202．．．陣列/子基板
203．．．臺面
204．．．子基板
206．．．DBC子基板
208．．．電性引線
209．．．散熱器
209a．．．孔
210．．．收集光學元件
212．．．反射環
212'．．．圓形反射環
212a．．．接針孔
214．．．上反射器
圖1及2說明與發光二極體陣列一起使用的收集光學元件之剖面透視圖及斷面圖；圖3說明根據本發明之一具體實施例的收集光學元件之側斷面圖；圖4說明收集光學元件之較小反射環及上反射器之一部分的接近斷面側視圖；圖5A及5B說明較小反射環及子基板之其他具體實施例；圖6、7A、7B及8係根據本發明之一具體實施例之透視圖，其說明一具有收集光學元件之器件的裝配件。
100．．．收集光學元件
102．．．反射環
104．．．上反射器
106．．．發光二極體
108．．．基板/子基板
109．．．DBC基板
110．．．散熱器
120．．．螺栓

Claims (24)

  1. 一種光學集光(optical collector)裝置，其包含：至少一個發光二極體；一反射環，其圍繞該至少一個發光二極體，該反射環具有一第一組反射側壁；及一上反射器，其圍繞該反射環，該上反射器具有一第二組反射側壁，其中該上反射器及該反射環係獨立的構件，該第一組反射側壁及該第二組反射側壁係近似連續的，及其中該上反射器包含一或多個反射元件，各該反射元件係一單一化(singular)且一體化(unitary)之元件，且具有一第一反射表面及一第二表面，該第二表面係圍繞該反射環之周邊之至少一部分。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一組反射側壁之該等側壁具有一曲線組態，且該第二組反射側壁之該等側壁具有一曲線組態，其中該第一組反射側壁及該第二組反射側壁形成一近似連續曲線。
  3. 如請求項1之裝置，其中該第一組反射側壁係關於該至少一個發光二極體之一平坦表面，其具有一有角度或垂直方向；該第二組反射側壁係關於該至少一個發光二極體之該平坦表面，其具有一有角度或垂直方向。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第一組反射側壁形成圍繞該至少一個發光二極體的一矩形、橢圓形或環形開口之至少一項。
  5. 如請求項1之裝置，其中該反射環至少部分覆蓋該至少一個發光二極體。
  6. 如請求項1之裝置，其中在一陣列內具有複數個發光二極體，且該反射環圍繞該複數個發光二極體。
  7. 如請求項1之裝置，其中將該至少一個發光二極體黏著於一子基板之一表面上，且其中該反射環延伸於該子基板之表面下方。
  8. 如請求項7之裝置，其中該子基板包含一臺面，其具有一頂部表面及周圍側壁，黏著有該至少一個發光二極體的該子基板之表面係該臺面之頂部表面，其中該反射環之一部分圍繞該臺面之該等側壁。
  9. 如請求項1之裝置，其中藉由該子基板內之一溝槽界定該臺面。
  10. 如請求項1之裝置，其中該至少一個發光二極體係耦合至一散熱器，其中將該上反射器黏著於該散熱器。
  11. 如請求項10之裝置，其中該上反射器不會在該反射環上朝該散熱器施加一壓縮力。
  12. 如請求項10之裝置，其中該至少一個發光二極體係耦合至一子基板，其中將該子基板之一部分置放於該上反射器與該散熱器之間，其中該上反射器與該散熱器之該黏著在該子基板上施加一壓縮力。
  13. 如請求項12之裝置，其中該子基板係一第一子基板，且其中將該至少一個發光二極體黏著於一第二子基板上，該第二子基板係黏著於該第一子基板。
  14. 一種用於組合一光學集光裝置之方法，其包含：在一子基板(submount)上提供至少一個發光二極體；將一反射環安裝(mount)於該子基板，該反射環具有一組反射側壁圍繞該至少一個發光二極體；以及使用該反射環作為一引導物來安裝一上反射器，該上反射器具有一組反射側壁，其相對於該反射環之該等反射側壁係近似連續的，其中該上反射器包含一或多個反射元件，各該反射元件係一單一化且一體化之元件，且具有一第一反射表面及一第二表面，該第二表面係圍繞該反射環之周邊之至少一部分。
  15. 如請求項14之方法，其中該反射環之該等反射側壁及該上反射器之該等反射側壁的至少一個具有一曲線組態。
  16. 如請求項14之方法，其中該反射環之該等反射側壁形成圍繞該至少一個發光二極體的一矩形、橢圓形或環形開口之至少一項。
  17. 如請求項14之方法，其中該反射環至少部分覆蓋該至少一個發光二極體。
  18. 如請求項14之方法，其中該子基板包含黏著有該至少一個發光二極體之一臺面，該方法進一步包含使用該臺面作為一引導物以將該反射環黏著於該子基板。
  19. 如請求項14之方法，其中在該子基板上提供複數個發光二極體於一陣列內。
  20. 如請求項14之方法，其進一步包含： 提供一散熱器；以及將該上反射器黏著於該散熱器。
  21. 如請求項20之方法，其中將該子基板之一部分置放於該上反射器與該散熱器之間。
  22. 如請求項21之方法，該方法進一步包含使用來自黏著於該散熱器之該上反射器的壓縮力將該子基板固定於該散熱器。
  23. 如請求項14之方法，其中該上反射器不會在該反射環上施加一壓縮力。
  24. 如請求項14之方法，其中該子基板係一第一子基板，且其中在一子基板上提供至少一個發光二極體，該子基板包含將至少一個發光二極體黏著於一第二子基板上以及將該第二子基板黏著於該第一子基板。
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