TWI469387B - 發光模組 - Google Patents

Description

發光模組

本發明係關於一種發光裝置，尤指一種具高散熱效率之發光模組。

半導體發光元件(例如發光二極體)具有省電、體積小及高亮度等優點，故現今半導體發光元件之應用領域已甚為廣泛，例如按鍵系統、手機螢幕之背光模組、車輛照明系統、裝飾用燈具及遙控領域等產品，都能夠見到半導體發光元件被廣泛應用。

隨著半導體發光元件的功率越來越大，其散發出的熱能亦逐漸增加，舉例而言，大於1W的高功率發光二極體(high power LED)輸出的功率僅有15~20%轉換成光，其餘約80~85%則轉換成熱能，假使這些熱能無法有效地被傳導至外界，將造成半導體發光元件之介面溫度過高而影響發光效率及發光壽命。

此外，目前已有業者將半導體發光元件搭配透明可撓之導光基板使用來達成大角度且兼具均勻度與柔和度的照明效果，然透明可撓之導光基板無法有效導熱或散熱效率不佳，更使得半導體發光元件容易累積熱能。因此，如何將熱能以有效率的方式自發光元件內部傳導至外部已成為亟需重視的課題之一。

有鑒於此，發明人依據多年從事相關產品之製造開發及設計經驗，針對上述之目標詳加設計與審慎評估之後，終於得到一種確具實用性之本發明。

為了有效將半導體發光元件運作時所產生的高熱能排出於發光元件外，且所產生的光線可朝具有透光效果之發光元件基板的方向投射出去，達到大角度發光之照明效果，本發明提供一種發光模組，其包括一透明可撓之導光基板、至少一發光元件、一導光散熱層及至少一垂直導熱結構。

根據本發明之一具體實施例，該透明可撓之導光基板具有一上表面及一下表面，該透明可撓之導光基板具有第一折射率；該發光元件設置於該透明可撓之導光基板的上表面，使該發光元件發出的光線朝該上表面及該下表面的方向進行投射；該導光散熱層設置於該透明可撓之導光基板的下表面，該導光散熱層具有第二折射率；該垂直導熱結構嵌設於該透明可撓之導光基板上，用於導熱性連接該發光元件與該導光散熱層。其中，該透明可撓之導光基板接收該發光元件發出的光線，且光線於該透明可撓之導光基板內橫向傳導。

綜上所述，本發明之發光模組運作時產生之熱能可藉由垂直導熱結構與導光散熱層，以有效率的方式自發光模組內部傳導至外界，可避免因發光模組過熱而產生光衰，因此發光模組的可靠度與使用壽命可獲得改善。

再者，本發明之透明可撓之導光基板可接收發光元件投射入的光線，並藉由透明可撓之導光基板之第一折射率與導光散熱層之第二折射率相互配合，可使入射的一部分光線在透明可撓之導光基板內橫向傳導，可使發光模組達到大角度發光之照明效果。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱 以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

[第一實施例]

請參閱圖1，其顯示本發明之一具體實施例之發光模組10的截面視圖。所述發光模組10包括一透明可撓之導光基板11、至少一發光元件12、一導光散熱層13及至少一垂直導熱結構14。

其中，透明可撓之導光基板11具有一上表面及一下表面，且透明可撓之導光基板11具有第一折射率，發光元件12設置於透明可撓之導光基板11的上表面，使發光元件12發出的光線朝該上表面及該下表面的方向進行投射，導光散熱層13設置於透明可撓之導光基板11的下表面，且導光散熱層13具有第二折射率，垂直導熱結構14嵌設於透明可撓之導光基板11上，用於導熱性連接發光元件12與導光散熱層13。其中，透明可撓之導光基板11接收發光元件12發出的光線，且光線於透明可撓之導光基板11內橫向傳導。

具體而言，透明可撓之導光基板11之材質為可供光線穿透之透明材質，例如高分子材料。發光元件12固設於透明可撓之導光基板11之上表面，且發光元件12具有正、負兩極(圖未示)，在本具體實施例中，發光元件12可為一發光二極體晶片，但不以此為限。此外，發光元件12更包含有一承載基板(圖未示)，為使發光元件12發出的光能夠透過承載基板，於實際應用中，承 載基板可以是藍寶石(sapphire)基板、玻璃基板(SiO₂ )或塑膠基板。

導光散熱層13固設於透明可撓之導光基板11之下表面，導光散熱層13之材質可以是完全透明材質，具體而言，導光散熱層13可以是高透光性樹脂(例如熱固型或熱塑型塑膠)混合鑽石、二氧化矽(SiO₂ )、石墨(Graphene)或氮氧化鋁(AlON)粉末所形成。或者，在一變化實施例中，導光散熱層13之材質可以是非完全透明之材質，例如由高透光性樹脂混合碳化矽(SiC)或三氧化二鋁(Al₂ O₃ )粉末所成型者。此外，於實際使用中，導光散熱層13可為利用化學、機械或其他加工方式形成之圖形化的導光散熱層13。

值得一提的是，透明可撓之導光基板11具有第一折射率，而導光散熱層13具有第二折射率，相互配合之下，透明可撓之導光基板11可接收發光元件12發出的光線，令其中一部分之光線於透明可撓之導光基板11內反射並橫向傳導，另一部分之光線則經由折射或散射以穿透導光散熱層13，進而投射出外界。據此，所述發光模組10可達到大角度發光或全周發光之效果。

另外，為增進光線於透明可撓之導光基板11內橫向傳導之效果，所述發光模組10還包括一導光增益結構(圖未示)，舉例而言，導光增益結構可為利用導光油墨形成的多個網點或多個微結構，而多個網點或多個微結構間隔凸設或凹設於透明可撓之導光基板11之下表面，藉以對入射至透明可撓之導光基板之光線產生均勻反射的增益作用。

垂直導熱結構14嵌設於透明可撓之導光基板11上，且垂直導熱結構14位於發光元件12與導光散熱層13之間，值得一提的是，垂直導熱結構14的數量及位置可依實際需求而設計之，亦即，每一個發光元件12與導光散熱層13之間可依實際需求而設有一或多個垂直導熱結構14，用於導熱性連通每一個發光元件12與導光散熱層13。

更詳細地說，每一個垂直導熱結構14係由一開設於透明可撓之導光基板11上的通孔141及填滿於通孔141的導熱材料142所構成。其中，通孔141可藉由一乾式蝕刻製程或一濕式蝕刻製程形成，導熱材料142可以是導電或不導電的材料，舉例而言，導熱材料可以是陶瓷、金、銀、銅、鐵、鋁、鋁合金、碳、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、硼化鈦、氧化鈹、氧化鋅或碳化矽，但不以此為限。另外，在一變化實施利中，通孔141的內徑自發光元件12朝導光散熱層13的方向逐漸增加，可使發光元件12發出的光線更容易入射至透明可撓之導光基板11內。

所述發光模組10於運作時，發光元件12產生之熱能可順暢地通過垂直導熱結構14傳導至導光散熱層13，並藉由散熱面積較大之導光散熱層13逸散出去，因此可避免發光模組12因過熱而產生光衰，使發光元件12的信賴度與使用壽命都能獲得改善。此外，為進一步增進發光模組10的散熱效率，可在導光散熱層13上導熱性連接多個散熱鰭片及多個導熱管(圖未示)，以持續將熱源分散，或者，可在反射基座15上設置另一圖形化 之散熱層13，且所述圖形化之散熱層13導熱性連接於線路層16可將部分熱能自線路層分散。

復參閱圖1，在本具體實施例中，所述發光模組12還包括一反射基座15、一線路層16及一透鏡層17。其中，反射基座15可透過射出成型的方式形成，反射基座15設置於透明可撓之導光基板11之上表面，且反射基座15與透明可撓之導光基板11圍繞形成一容置空間151。線路層16設置於反射基座15上，所述發光元件12即固設於容置空間151內並透過金屬導線18分別電性連接其正、負極與線路層16，透鏡層17覆蓋發光元件12與線路層16，且透鏡層17之外表面設計為平面。

更詳細地說，透鏡層17之材質可為高透光性樹脂，例如熱固型或熱塑型塑膠，包括環氧樹脂(Epoxy)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚合物(Acrylonitrile-Butadene-Styrene，ABS)、聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethl methacylate，PMMA)、壓克力(Acrylicresin)、矽膠(silicon)或上述之任意組合，且透鏡層17需經由一熱處理程序以緊密接合於透明可撓之導光基板11和反射基座15。

此外，於實際使用時，透鏡層17內可設有磷光或螢光物質等色轉換物質，以產生不同之色光。或者，導光散熱層13之材質同樣是透光材質時，導光散熱層13內亦可設有磷光或螢光物質等色轉換物質，據此，發光元件2產生的部分或全部光源亦可被轉化成不同之色光。

[第二實施例]

請參閱圖2，其顯示本發明之另一實施例之發光模組 10A的截面視圖，與前一實施例的不同之處在於，為使發光模組10A具有範圍較廣的照明效果，所述發光模組10A並不具有反射基座(圖未示)，且透鏡層17的外表面為外凸曲面。此外，發光模組10A還包括多個金屬墊19，線路層16及該些金屬墊19均設置於透明可撓之導光基板11之上表面且彼此電性連接。

據此，發光元件12設置於透明可撓之導光基板11之上表面，並透過金屬導線18電性連通金屬墊19及線路層16，使發光模組10A之電路設計更為靈活。同樣地，發光模組10A於運作時，發光元件12產生之熱能可順暢地通過垂直導熱結構14傳導至導光散熱層13，並藉由散熱面積較大之導光散熱層13逸散出去。

[第三實施例]

請參閱圖3，其顯示本發明之又一實施例之發光模組10B的截面視圖，與前述實施例的不同之處在於，所述發光元件22為一LED封裝體，其包含有一反射基座221、一發光二極體晶片222、多個金屬支架223、一反射杯224及一透鏡層225。

其中，發光二極體晶片222及多個金屬墊223固設於反射基座221上，其中每一個金屬支架223呈U狀，並分別連接反射基座221之上、表面與其中一側表面，發光二極體晶片222藉由金屬導線226電性連接於金屬支架223，反射杯224設置於散熱層221上並包圍發光二極體晶片222，透鏡層225覆蓋發光二極體晶片222、部分金屬墊233與金屬導線226。

另外，透明可撓之導光基板11之上、下表面均設置 有導光散熱層13，而線路層16設置於上表面之導光散熱層13上。據此，發光元件22可直接透過表面黏著的方式設置於透明可撓之導光基板11上，並透過金屬墊223與線路層16達成電性連通。而發光模組10B運作時產生之熱能可經由上表面之導光散熱層13傳導至垂直導熱結構14，再通過下表面之導光散熱層13逸散出去。

[第四實施例]

請參閱圖4，其顯示本發明之再一實施例之發光模組10C的截面視圖，與前述實施例的不同之處在於，線路層(圖未示)係設置於導光散熱層13上且電性連接垂直導熱結構14，其中每一個垂直導熱結構14之導熱材料142能夠同時導電和導熱(例如金屬導熱材料)，而發光元件12元件之正、負極分別連接一垂直導熱結構14，藉以和線路層16達成電性連通。藉此，發光模組10C於運作時所產生之熱能可順暢地通過垂直導熱結構14傳導至導光散熱層13，並藉由散熱面積較大之導光散熱層13逸散出去。

請參閱圖5，為使能更加了解本發明之技術特徵，以下將簡述本發明之第一實施例之發光模組10的製造方法S100，其包括步驟S102至步驟S114。

請參閱圖6A至6C，其分別顯示對應步驟S102、步驟S104及步驟S106之結構示意圖。步驟S102，提供一透明可撓之導光基板11，並依實際使用之需求選擇性在透明可撓之導光基板11上形成一導光增益結構(圖未示)；步驟S104，加工形成一或多個垂直導熱結構14在透明可撓之導光基板11上，其中垂直導熱結構14之一端 連接發光元件12之固焊區(未標示)；步驟S106，設置一反射基座15於透明可撓之導光基板11之上表面，反射基座15與透明可撓之導光基板11圍繞形成一容置空間151，之後，透過網印或其他製程形成一線路層16於反射基座15上。

請參閱圖6D至6F，其分別顯示對應步驟S108、步驟S110、步驟S112及步驟S114之結構示意圖。步驟S108，設置一或多個發光元件12於上述之固焊區且對應垂直導熱結構14，之後，利用金屬導線18連接發光元件12之正、負極與線路層16；步驟S110，透過點膠的方式形成一透鏡層17覆蓋發光元件12與線路層16；步驟S112，形成一導光散熱層13於透明可撓之導光基板11之下表面，且導光散熱層13之材質可依據實際使用之需求而選擇熱傳導或熱輻射之材質。

更詳細地說，導光散熱層13可以是由高透光性樹脂與熱傳導或熱輻射材質之粉末混合所形成，其中熱輻射材質之粉末可選自硼、鉻、鈦、鋯、鋁、鐵、錳、鎳、鈷、上述金屬之合金、上述金屬之化合物粉末的群組或其中之一，而熱傳導材質之粉末可選自金、銀、銅、鈹、上述金屬之合金、上述金屬之化合物粉末的群組或其中之一。此外，選擇性執行步驟S114，設置多個散熱鰭片及多個導熱管(圖未示)於導光散熱層13上，以持續將熱源分散。

綜上所述，本發明相較於傳統的發光模組具有下列之優點：

1、本發明之發光模組運作時產生之熱能可藉由垂直導熱結構 與導光散熱層，以有效率的方式自發光模組內部傳導至外界，可避免因發光模組過熱而產生光衰，因此發光模組的可靠度與使用壽命可獲得改善。此外，導光散熱層上還能夠對應設置散熱鰭片及導熱管，因此可進一步增進發光模組的散熱效率。

2、本發明之透明可撓之導光基板可接收發光元件投射入的光線，並藉由透明可撓之導光基板之第一折射率與導光散熱層之第二折射率相互配合，可使入射的一部分光線在透明可撓之導光基板內橫向傳導。再者，由於導光散熱層為可透光之透明材質所形成，因此入射的另一部分光線可通過導光散熱層射入外界，使發光模組達到大角度發光或全周發光之照明效果。

10、10A、10B、10C‧‧‧發光模組

11‧‧‧透明可撓之導光基板

12‧‧‧發光元件

13‧‧‧導光散熱層

14‧‧‧垂直導熱結構

141‧‧‧通孔

142‧‧‧導熱材料

15‧‧‧反射基座

151‧‧‧容置空間

16‧‧‧線路層

17‧‧‧透鏡層

18‧‧‧金屬導線

19‧‧‧金屬墊

22‧‧‧發光元件

221‧‧‧反射基座

222‧‧‧發光二極體晶片

223‧‧‧金屬支架

224‧‧‧反射杯

225‧‧‧透鏡層

226‧‧‧金屬導線

圖1為本發明之一實施例之發光模組之截面視圖；圖2為本發明之另一實施例之發光模組之截面視圖；圖3為本發明之又實施例之發光模組之截面視圖；圖4為本發明之再一實施例之發光模組之截面視圖；圖5為本發明之一實施例之發光模組之製造方法之流程圖；圖6A為本發明之提供一透明可撓之導光基板之截面視圖；圖6B為本發明之形成垂直導熱結構之截面視圖；圖6C為本發明之形成反射基座及線路層之截面視圖；圖6D為本發明之設置發光元件之截面視圖；圖6E為本發明之形成透鏡層之截面視圖；以及圖6F為本發明之形成導光散熱層之截面視圖。

10‧‧‧發光模組

11‧‧‧透明可撓之導光基板

12‧‧‧發光元件

13‧‧‧導光散熱層

14‧‧‧垂直導熱結構

141‧‧‧通孔

142‧‧‧導熱材料

15‧‧‧反射基座

151‧‧‧容置空間

16‧‧‧線路層

17‧‧‧透鏡層

18‧‧‧金屬導線

Claims (8)

1. 一種發光模組，包括：一透明可撓之導光基板，其具有一上表面及一下表面，該透明可撓之導光基板具有第一折射率；至少一發光元件，其設置於該透明可撓之導光基板的上表面，使該發光元件發出的光線朝該上表面及該下表面的方向進行投射；一導光散熱層，其設置於該透明可撓之導光基板的下表面，該導光散熱層具有第二折射率，其中該導光散熱層為高透光性樹脂與熱輻射材質之粉末混合或為高透光性樹脂與可透光材質之粉末混合而形成；以及至少一垂直導熱結構，其嵌設於該透明可撓之導光基板上，用於導熱性連接該發光元件與該導光散熱層；其中，該透明可撓之導光基板接收該發光元件發出的光線，且光線於該透明可撓之導光基板內橫向傳導。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光模組，其中該垂直導熱結構位於該透明可撓之導光基板與該導光散熱層之間，且該垂直導熱結構係由一開設於該透明可撓之導光基板上的通孔及填滿於該通孔的導熱材料所構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光模組，其中該導熱材料為陶瓷、金、銀、銅、鐵、鋁、鋁合金、碳、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、硼化鈦、氧化鈹、氧化鋅或碳化矽。
4. 如申請專利範圍第2項所述之發光模組，其中該通孔的內徑由該發光元件朝該導光散熱層的方向逐漸增加。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光模組，其更包括一反 射基座、一線路層及一透鏡層，該反射基座設置於該透明可撓之導光基板的上表面且形成有一容置空間，該線路層設置於該反射基座上，該發光元件位於該容置空間內且電性連接該線路層，該透鏡層覆蓋該發光元件與該線路層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光模組，其更包括一圖案化之散熱層，且該圖案化之散熱層設置於該反射基座上且導熱性連接於該線路層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光模組，其更包括一透鏡層及多個金屬墊，該些金屬墊電性連接該線路層，該透鏡層覆蓋該發光元件與部分該些金屬墊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光模組，其更包括一導光增益結構，其包含有多個間隔設置於該透明可撓之導光基板的下表面的微結構。