TWI458144B - 分佈型發光二極體光源 - Google Patents

Description

分佈型發光二極體光源

本發明關於一種發光二極體光源，尤指一種分佈型發光二極體光源。

發光二極體(LEDs，Light emitting diodes)為轉換電能為光線的一種重要的固態裝置之類別。這類裝置的改良已經使得它們可用於設計成取代習知白熱及螢光光源之照明裝置。發光二極體具有比白熱燈泡與日光燈管顯著較長的壽命。此外，電能轉換為光線的效率目前已達到日光燈所能達到的相同水準。最後，因為發光二極體得以相當低的電壓操作，關於日光燈操作時所需要之高電壓的問題可實質地降低。

發光二極體之電能轉換效率與壽命與發光二極體的操作溫度息息相關。溫度的增加造成發光二極體之轉換效率損失及壽命減少。因此將來自發光二極體的熱量傳遞到周遭空氣對於考慮利用發光二極體光源來取代既有的高功率照明系統時相當重要。基本上在既有的日光燈光源或白熱燈具的功率範圍內的發光二極體光源需要大的熱傳遞表面。熱傳遞基本上藉由將發光二極體安裝在具有一熱傳導底面的一載具的前側上來達成，其係附著至最終燈具中的一較大的熱輻射表面。該最終熱輻射系統之設計造成燈具製造商的挑戰。

本發明包括一種具有一基板的光源，在基板之上安裝有複數組個部件發光二極體光產生器。該基板具有一第一金屬表面，其特徵在於具有指向一垂直方向的一法線。該第一金屬表面接觸於在該第一金屬表面上方的空氣。該等組部件發光二極體光產生器直接安裝在該第一金屬表面上。每個該組部件發光二極體光產生器包括一特徵在於操作溫度的發光二極體。每個發光二極體光產生器可產生大於0.5瓦的熱量。該等發光二極體放射出在該垂直方向上離開該光源的光線。該複數等組部件發光二極體光產生器在該第一金屬表面上彼此間隔，使得該操作溫度維持在低於室溫之上75℃。在本發明一種態樣中，環繞每個該組部件發光二極體光產生器的第一金屬表面輻射的熱量等於由該組部件發光二極體光產生器所產生的熱量。

本發明能夠提供其好處的方式可參照第一圖而更為容易地瞭解，其為一種先前技術中用於大面積照明系統與背光應用之分佈型光源之一部份的橫截面圖。光源20包括複數個發光二極體21，其安裝在一導熱基板22上，例如做為一印刷電路板之一部份的一金屬層。該基板22具有一絕緣層23，在其上提供有圖案化的金屬跡線24用於供電給該等發光二極體。該等發光二極體藉由打線(wire bond)連接至該等跡線，例如打線25。

該光源20亦包括在該等發光二極體之上的一螢光層，其轉換來自該等發光二極體之全部或部份光線為具有不同光譜的光線。例如，經常在一藍光發光二極體之上使用一黃色螢光層來產生「白色」光源。為了簡化圖示，已經省略該螢光層。

在使用該光源20取代一延伸照明源(extended illumination source)的應用當中，例如用以提供一大面積之照明的日光燈管或這些燈管的組合，必須利用大量的發光二極體來達到同等的照明位準。因為該等發光二極體的成本很高，較佳地是使用高功率發光二極體來最小化所需要之發光二極體數目。因此，該等發光二極體所產生的大量熱量必須被移除來確保該等發光二極體之操作溫度在符合要求的範圍內。例如，T12或T8日光燈管基本上其每英吋燈管產生70到100流明，而每英吋燈管消耗大約0.9瓦的電力。因此，一發光二極體替代光源需要每英吋的光源產生70到100流明。目前GaN藍光發光二極體型的白色光源每瓦產生70到100流明。因此，該發光二極體替代光源在沿著該光源之每英吋將產生大約1瓦的熱量，用於提供較高效率之日光燈管的替代品。如果要替代的是較低效率的日光燈管，必須要散逸的熱量可能低達0.5瓦。另一方面，一發光二極體替代光源能夠比所要替代的該長度的既有日光燈管能夠提供更多的光線，因此會需要超過每英吋日光燈管為2瓦的散熱量。

此熱量需要被散逸，以避免該等發光二極體的溫度升高至造成該等發光二極體之電能轉換效率有不可接受的降低，或是高於會降低該發光二極體之壽命的溫度的程度。基本上，最高溫度70℃為操作極限；但是，一些發光二極體可於較高溫度下使用，例如可限制100℃或150℃為極限溫度。

在先前技術的高功率發光二極體照明應用中，熱量主要經由第一圖所示之該基板22來移除。基本上，該光源20被安裝在另一傳導熱量的表面上，該熱量係透過連接該光源20與周遭環境的一表面27而流動通過該基板20至一散熱表面。為了將熱量轉移至最終的散熱表面，需要在該等發光二極體的溫度與環境之間有一顯著的溫度差。此溫度差根據該最終散熱表面的細節與環繞該表面之氣流而定。

基本上，該散熱系統之最終細節必須由照明系統設計者來提供，而並非該光源20的製造商。此會複雜化該照明系統設計程序，並同時增加了該照明系統的成本以及引進一新的照明系統進入市場上所需要的時間。另外，在一既有的延伸光源(例如複數日光燈管)被改造為一發光二極體式照明系統的應用當中，設計者會受限於可利用的散熱表面。例如，在該光源20必須安裝在一導熱不良的表面(例如木頭或塑膠)的應用當中，該安裝表面不能用於傳遞熱量，也無法散逸熱量。

本發明克服此問題的方式為提供一種光源，其能夠提供符合替代日光燈管的功率密度，及一種能夠直接地移除熱量到周遭空氣而不需要熱量傳送通過該光源之底面的散熱系統。

現在請參照第二圖與第三圖，所示為根據本發明之一種發光二極體光源的具體實施例。第二圖為光源30的上視圖，而第三圖為該光源30通過線3-3的橫截面圖。該光源30由複數個典型之發光二極體31所構成。在此具體實施例中，該等晶粒放射藍光，並經一螢光層32覆蓋。該螢光層32可轉換一部份由該相對應晶粒產生的光線成為在光譜的黃光區域中的光線，使得離開該螢光層的光線被人類觀察者感知為預定色溫的白光。在此具體實施例中，該等發光二極體利用在一絕緣層33上形成的跡線34、35並聯地連接。但是，亦可考慮具體實施例中該等發光二極體為串聯連接或為更複雜的電路型式。每個發光二極體亦安裝在一散熱結構36上，其可輔助傳遞由該等發光二極體產生的熱量到周遭環境。散熱的方式將在以下更詳細討論。

該等跡線33、34由連接至外部電源的一介面電路37來供電。該介面電路37可為該光源30的一部份或為一獨立部件。在本發明一種態樣中，該介面電路37亦安裝在該散熱結構36上以移除來自該介面電路37的熱量。在本發明一種態樣中，該散熱結構36提供充份的熱傳遞至周遭空氣來將該等發光二極體的溫度維持在合適的操作溫度範圍內，而不需要經由該底表面47傳遞熱量。根據每個該發光二極體專用的該散熱結構36之大小，可實現每個發光二極體範圍在0.5瓦到2瓦的散熱，而維持不大於產生相同光線量的習用日光燈管所佔用的面積。在每個該發光二極體2瓦時，該輸出光線明顯地大於由一習用日光燈管產生的輸出光線。

該熱量需要被散逸，以避免該等發光二極體的溫度升高至造成該等發光二極體之電能轉換效率有不可接受的降低，或是高於會降低該等發光二極體之壽命的溫度的程度。測量在其上附著有發光二極體晶片的之基板的溫度所得之該等發光二極體的操作溫度係根據在該等發光二極體中散逸的功率、熱量被傳遞至周遭環境的效率，及該周遭環境的溫度而定。基本上，最高溫度70℃為操作極限；但是，一些發光二極體可於較高的溫度下使用，例如可限制100℃或150℃為極限溫度。

在本發明一種態樣中，該等發光二極體被分佈在該散熱結構36上，使得做為該散熱結構的表面積足以散逸每個發光二極體的大部份熱量至該周遭空氣，而不需要使用散熱片狀散熱器或直接連接至較大的熱輻射表面。在一具體實施例中，該等發光二極體被分佈成使得在該散熱結構36之上表面之每平方英吋表面積上產生的熱量小於1瓦。此種配置可良好地匹配於既有的日光燈管。T12日光燈管之直徑為1.5英吋；因此，可提供相當於被替代之日光燈管之每一英吋大約1.5平方英吋的熱輻射表面。若該等發光二極體沿著該散熱結構36的長度而彼此間隔，每平方英吋的表面積已經實驗證實可以散逸0.5到1瓦之間的熱量，而不會使得該等發光二極體的溫度升高超過周遭溫度之上30℃。

請參照第三圖，如果需要額外的散熱，且該光源30的背面要被安裝使得熱量可由該背面移至環境中，可以利用在該光源之背側上的一額外的底表面47。在本發明一種態樣中，該光源30包括一金屬層39，其藉由一絕緣層33與該散熱結構36隔開。在本發明一種態樣中，一金屬層由垂直導熱區域例如在45所示之填充金屬介層窗(metal filled via)而連接至該散熱結構36。在本發明另一種態樣中，該散熱結構36為該金屬層39的一部份。在此例中，該絕緣層33不在該散熱結構36之下的區域中。但是，對於許多應用而言，不需要此額外的熱傳遞。

請再次參照第二圖。例如，如果該基板具有一熱輻射表面，其可散逸熱量至周遭空氣中，例如該散熱結構36的表面，本發明限制該發光二極體的密度，使得在每平方英吋之該散熱表面上產生的熱量小於2瓦，較佳地是小於1瓦；而可容納每秒散逸至少0.5瓦熱量的發光二極體。必須注意到該散熱結構36與該等跡線33、34的相對尺寸並未依比例顯示。實際上，該散熱結構36的寬度實質上等於該光源的寬度。因此，如果每個功率散逸為1.5瓦的該等發光二極體被安裝在該散熱結構36上相隔一英吋，且該散熱結構36為1.5英吋寬，每個該發光二極體將被環繞面積為1.5平方英吋的散熱表面。此可維持每平方英吋1瓦位準的功率密度，而在該發光二極體上與光線離開該晶粒之相同側面上將所有熱量實質地散逸至空氣中。

上述本發明之具體實施例係採用將該等發光二極體之溫度上升保持在小於周遭之上75℃的設計需求。但是，設計需求高於或低於此75℃的具體實施例亦可被採用。例如，該等替代光源能夠建構成使得溫度高於周遭之最大升高值為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃或70℃。

在上述的具體實施例中，該等光源利用個別的發光二極體晶粒分佈在該散熱結構的表面上，而將該等晶粒直接地附著至該散熱結構。但是，亦可利用發光二極體的小叢集使得所產生的局部熱量小於會造成該區域溫度增加到一不可接受之位準之功率。

請再次參照第二圖與第三圖。在本發明一具體實施例中，該光源30由一金屬包層印刷電路板(metal clad printed circuit board)構成，其中該上方金屬被圖案化來同時提供該等電氣跡線與該散熱結構。因此，該散熱結構為一種簡單的平坦表面，其不需要額外的製造步驟或複雜的結構，例如用於輻射熱量的散熱片。如果使用任選的金屬層39，可利用具有兩層的電路板。此外，該等電氣跡線可被實施在該印刷電路板內部的一或多個金屬層之上。

上述本發明之具體實施例利用在該散熱結構上之一發光二極體的一維陣列。但是，亦可建構在該散熱結構上放置一發光二極體的二維陣列之具體實施例。現在請參照第四圖，所示為根據本發明之光源的另一具體實施例。光源50包括一典型發光二極體51的二維陣列。該等發光二極體晶粒被安裝在該散熱結構56上，其係設置在該絕緣層53的上表面之上的一金屬層。該等發光二極體由來自一電源轉接器54的跡線52上的信號所供電。在此具體實施例中，所有該等發光二極體為並列地驅動；但是如上所述，可利用其它的連接組態。在此具體實施例中，該等LEDs之間隔的選擇使得由每個該發光二極體產生的熱量可藉由環繞該發光二極體之該金屬層部份被散逸到該散熱結構56之上的空氣中，而不會使得該發光二極體在超過75℃的溫度下操作。在此具體實施例中，該等LEDs產生的熱量在0.5瓦與2瓦之間。

在上述的具體實施例中，該等光源利用個別的發光二極體分佈在該散熱結構的表面上，其藉由利用一導熱接合(thermal conducting bond)而將該等晶粒直接地附著至該散熱結構。但是，亦可利用發光二極體的小叢集使得所產生的局部熱量小於會造成該區域溫度增加到一不可接受位準之功率。

上述本發明之具體實施例已提供用於例示本發明之多種態樣。但是，應可瞭解到在不同特定具體實施例中所示之本發明的不同態樣可被組合來提供本發明之其它具體實施例。此外，對於本發明之多種修改可由前述的說明及附屬圖式中將可更加瞭解。因此，本發明僅受限於以下申請專利範圍所定義之範疇。

20．．．光源

21．．．發光二極體

22．．．導熱基板

23．．．絕緣層

24．．．金屬跡線

25．．．打線

27．．．表面

30．．．光源

31．．．發光二極體

32．．．螢光層

33．．．絕緣層

34．．．跡線

35．．．跡線

36．．．散熱結構

37．．．介面電路

39．．．金屬層

45．．．填充金屬介層窗

47．．．底表面

50．．．光源

51．．．發光二極體

52．．．跡線

53．．．絕緣層

54．．．電源轉接器

56．．．散熱結構

第一圖為一種先前技術中用於大面積照明系統與背光應用之分佈型光源之部份橫截面圖。

第二圖與第三圖為根據本發明之一種發光二極體光源的具體實施例。

第四圖為根據本發明之光源的另一具體實施例。

30．．．光源

31．．．發光二極體

33．．．絕緣層

34、35．．．跡線

36．．．散熱結構

37．．．介面電路

Claims (6)

1. 一種光源，其包含：一基板，其具有一金屬表面，該金屬表面接觸到該金屬表面上方的空氣；及複數個部件發光二極體光產生器，其直接安裝在該金屬表面上，每個該部件發光二極體光產生器包含一特徵在於一操作溫度的發光二極體，每個該發光二極體產生器產生超過0.5瓦的熱量，其中該等部件發光二極體光產生器在該金屬表面上彼此間隔，使得該操作溫度維持在低於該金屬表面上方空氣的一室溫之上30℃。
2. 如申請專利範圍第1項之光源，其中環繞每個該部件發光二極體光產生器的該金屬表面輻射的熱量等於由該部件發光二極體光產生器所產生的熱量。
3. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該等部件發光二極體光產生器係彼此間隔，使得在該金屬表面之任何平方英吋上產生的熱量小於2瓦。
4. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該等部件發光二極體光產生器係彼此間隔，使得在該金屬表面之任何平方英吋上產生的熱量小於1瓦。
5. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該金屬表面為一第一金屬表面，且其中該光源更包含一第二金屬表面，該第二金屬表面熱導通於該第一金屬表面，並設置以散逸來自該第一金屬表面之額外熱量。
6. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該金屬表面為平 面狀。