TWI587545B - 發光模組以及具有此發光模組的頭燈 - Google Patents

Description

發光模組以及具有此發光模組的頭燈

本發明揭露一種發光模組以及一種頭燈，特別是一種包含透明層的發光模組以及具有此發光模組的頭燈。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種電致發光元件，主要是由磷化稼(Gap)、磷砷化鋅(GaAsP)等半導體材料製成。由於發光二極體具有耗電量低、元件壽命長、反應時間短(fast response time)以及體積小等優點，因而高功率的發光二極體被廣泛地應用在汽車頭燈以及投影機投影燈等照明裝置中。

一般而言，為了提高照明裝置的對比度，在封裝製程中會於發光二極體晶片/晶粒(CHIP/DIE)周圍設置具有低透光度的反射層以提升光準直性。然而，此反射層容易令相鄰的二發光二極體之間形成暗區(Dark Zone)，而使得照明裝置的發光均勻度不佳，同時也降低照明區域的清晰度。

鑒於以上的問題，本發明揭露一種發光模組，有助於消除相鄰二發光二極體之間的暗區以提升發光均勻度。本發明另外揭露具有此發光模組的頭燈。

本發明所揭露的發光模組之半導體元件、光線轉換層與透明層依序堆疊於基板上。藉由半導體元件的頂面射出光線，光線轉換層將半導體元件所射出的光線轉換成波長相異的另一光線。 其中，半導體元件的側面、透明層的側面以及光線轉換層的側面實質上為共一平面。

本發明所揭露的頭燈包含有上述的發光模組。

根據本發明所揭露的發光模組以及應用此發光模組的頭燈，光線轉換層介於半導體元件與透明層之間，並且半導體元件的側面、透明層的側面以及光線轉換層的側面實質上為共一平面。藉此，當光線轉換層出射之光線進入透明層時，透明層有助於將此光線進行混光(Mixed Light)，而能消除相鄰的二半導體元件之間的暗區，進而提升發光模組的發光均勻度以及照明區域的清晰度。此外，透明層亦有助於提升發光模組的光準直性，使得發光模組除了能消除暗區之外，還同時兼具良好光準直性之功效。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧發光模組

2‧‧‧頭燈

3‧‧‧殼體

4‧‧‧燈罩

10‧‧‧基板

20‧‧‧半導體元件

210、430、620‧‧‧頂面

220、230、510、610‧‧‧側面

30、40‧‧‧反射層

310、410‧‧‧本體

320、420‧‧‧光反射粒子

430‧‧‧頂面

50‧‧‧光線轉換層

520‧‧‧貼附面

60‧‧‧透明層

第1圖為根據本發明第一實施例之發光模組的立體示意圖。

第2圖為第1圖中的發光模組沿剖切線A-A剖切之剖切示意圖。

第3圖為根據本發明第二實施例之發光模組的剖切示意圖。

第4圖為根據本發明第三實施例之頭燈的剖切示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明 之範疇。需注意的是，本文在提及X大於或小於N時，除非另有註明，否則X之數值並不包含N本身。

請同時參照第1圖和第2圖。第1圖為根據本發明第一實施例之發光模組的立體示意圖。第2圖為第1圖中的發光模組沿剖切線A-A剖切之剖切示意圖。

本實施例之發光模組1包含一基板10、多個半導體元件20、二反射層30與40、一光線轉換層50以及一透明層60。半導體元件20的數量並不以多個為限。在其他實施例中，半導體元件20的數量可以是單個。

基板10的材質例如但不限於是陶瓷材料，惟按使用於散熱或是成本需求之相異性，基板10亦得由矽、鋁或是其他得以提供晶片承載之用之金屬、非金屬之材料所組成。

半導體元件20例如但不限於是透過覆晶技術(又稱倒晶封裝法，Flip Chip)連接於基板10的一二極體發光晶片(LED DIE)。這些半導體元件20皆設置於基板10上且兩兩相鄰。每一半導體元件20具有一頂面210以及二側面(lateral side)，且半導體元件20主要藉由頂面210射出一光線。也就是說，頂面210具有較大的出光量。

如第2圖所示，反射層30係形成於基板10之表面且圍繞並形成有一空間以供半導體元件20、反射層30、反射層40、光線轉換層50以及透明層60容置於其中。詳細來說，反射層30包含一本體310和多個光反射粒子320，並且光反射粒子320分佈於本體310內。反射層30的本體310設置於基板10上並且環繞這些半導體元件20。而上述多顆半導體元件20當中，有部份半導體元件20係與反射層30相鄰近，並且這些半導體元件20面對且接觸反射層30的側面係被定義為側面220。反射層30的本體310設置於側面220。任二相鄰之半導體元件20的這些側面220皆不 互相面對。其中，反射層30除了避免發光模組1的側邊產生漏光，亦幫助使半導體元件20產生之光朝頂面210之方向射出。

反射層40設置於相鄰二半導體元件20之二側面間。詳細來說，如第2圖所示，反射層40包含一本體410和多個光反射粒子420，並且光反射粒子420分佈於本體410內。半導體元件20的側面230面對相鄰之其他半導體元件20之側面230。而相互面對的二側面230間具有一間隙，反射層40位於相面對的二側面230之間的間隙中，並且反射層40的本體410可佈滿此間隙。以本實施例為舉例來說，本實施例中半導體元件20為矩形，故每一半導體元件20至多具有面對相鄰之多個半導體元件20的四側面230，而任兩相鄰之半導體元件20之間則設有反射層40。反射層40有助於進一步使半導體元件20產生之光線盡可能地朝反射層40之頂面430射出，以提升發光模組1的光準直性。

上述反射層30與反射層40的本體310和410的材質例如但不限於是透光材料，並且光反射粒子320和420的材質例如但不限於是選自氧化鈦(TiO2)、氧化矽(SiO2)、氮化硼(BN)及其組合所組成的群組中之一，如此，反射層30與反射層40係介於半透明與不透明之間。

光線轉換層50的材質例如但不限於是螢光材料(Fluorescent Material)或磷光材料(Phosphorescent Material)。光線轉換層50設置於這些半導體元件20的頂面210，並且反射層40面對光線轉換層50的一頂面430直接接合光線轉換層50。換句話說，光線轉換層50完全覆蓋所有半導體元件20的頂面210以及反射層40的頂面430。光線轉換層50適於吸收部分來自半導體元件20之光線並且射出另一光線，並且自光線轉換層50射出的光線之波長和自半導體元件20射出的光線之波長相異。進一步來說，前述自半導體元件20射出之光線得相對於一處於可視光區間 的波段，惟其不以此為限，此波長亦得相對於如紅外線或是紫外線等非可視光區間之波段。舉例來說，本實施例中的半導體元件20可出射具有藍光波長的光線，並且此光線經過光線轉換層50後射出具有黃光及藍光波長的光線(如第2圖中虛線箭頭所示)而混合成白光。另外，在本實施例中，光線轉換層50貼附於半導體元件20並且不完全包覆半導體元件20，即光線轉換層50未覆蓋半導體元件20的側面220和側面230，而能減少雜散光產生。

透明層60的材質例如但不限於是玻璃、藍寶石水晶玻璃(Sapphire Crystal Glass)、矽膠或可透光陶瓷材料。透明層60設置於光線轉換層50，並且光線轉換層50介於半導體元件20與透明層60之間。反射層30可圍繞並直接接合透明層60。值得注意的是，於本實施例中，在可允許一定製作誤差的情況下，半導體元件20的側面220、光線轉換層50面對反射層30的一側面510以及透明層60面對反射層30的一側面610係實質上(substantially)為共一平面(coplanar)。詳細來說，側面220、側面510以及側面610係為共一垂直平面(vertical coplanar)。其中，當半導體元件20所發出大角度的光照射至透明層60之側面610時，由於側面610與反射層30的邊界為垂直平面，因此可將此大角度的光朝透明層60的頂面620射出，而增加了發光模組1的正向光，也就是提昇了發光模組1發光時的準直性。另外，透過光線在透明層60中的行進，透明層60將形成亮區，藉此，可消除相鄰二半導體元件20之間的暗區。

在一實施例中，當透明層60之折射率大於等於1並且小於等於3且透明層60之厚度在大於0.2毫米(millimeters)時，其準直效果較佳。而權衡光效及準直之效果，前述透明層60之厚度述係建議小於等於3.0毫米。亦即透明層60之厚度係建議為大於0.2毫米並且小於等於3.0毫米。而較佳地，透明層60之 厚度係建議處於大於0.2並且小於等於1.0毫米。藉此，透明層60的折射率以及厚度較為合適，而能於進行混光同時提升發光模組1的光準直性。

在另一實施例中，當透明層60折射率大於等於1並且小於等於3時，可避免入射至透明層60的光線的折射角過大而影響發光模組1的光準直性。另外，當透明層60厚度大於0.2毫米時，透明層60能提供足夠長度的光路徑使出射光進行混光，可避免因混光效果不佳而導致消除暗區效果不佳的問題發生。再者，由於光線進入透明層60時會產生一次折射並且自透明層60出射時會再產生另一次折射，故當透明層60厚度小於等於3.0毫米時，可避免光線於入射至透明層60前的的行進路徑和出射透明層60後的行進路徑產生過大水平偏移量，進而防止透明層60過度降低發光模組1的光準直性。當透明層60厚度小於等於1.0毫米時，能較佳地平衡消除暗區效果和光準直性。因此，透過適當配置透明層60的厚度和折射率，能使發光模組1除了能消除暗區之外，還同時兼具良好光準直性之功效。

又一實施例中，透明層60背對半導體元件20的頂面620可具有一抗反射結構(Anti-reflective Structure)，而有助於避免出射光在通過頂面620時產生光反射而導致能量損失。舉例來說，抗反射結構可以是多個呈規則排列的微米級尺寸錐狀柱，其能產生漸變折射率(Graded Index)，使光線在通過頂面620時會因為折射率變化較為和緩而減少光反射現象。藉此，有助於提升發光模組1的光取出效率。

再者，在本實施例中，半導體元件20的厚度可以是0.030~0.250釐米或是為相對應於功率為1W之發光二極體晶粒。光線轉換層50的厚度可以是0.030~0.30釐米，並且反射層30厚度和基板10厚度之總和可以是0.30~1.50釐米。藉此，本發明的 發光模組1係適合應用於汽車頭燈以及投影機投影燈等需要高照度之照明裝置。

綜上所述，光線轉換層50介於半導體元件20與透明層60之間，並且側面220、側面510以及側面610實質上為共一平面。藉此，透明層60有助於將自光線轉換層50射出的光線進行混光，而能消除相鄰的二半導體元件20之間的暗區，進而提升發光模組1的發光均勻度以及照明區域的清晰度。此外，透明層60亦有助於提升發光模組1的光準直性，使得發光模組1除了能消除暗區之外，還同時兼具良好光準直性之功效。

在第一實施例中，光線轉換層覆蓋所有半導體元件的頂面以及位於相鄰二半導體元件之間的反射層的頂面，但本發明並不以此為限。請參照第3圖，為根據本發明第二實施例之發光模組的剖切示意圖。由於本實施例與第一實施例相似，故以下僅就相異處進行說明。

在本實施例中，發光模組1包含多個光線轉換層50。這些光線轉換層50分別設置於這些半導體元件20的頂面210。相鄰的光線轉換層50之間具有多個間隙，且這些半導體元件20之側邊(Side Edge)定義出這些間隙的位置與形狀。舉例來說，當半導體元件為矩形時，每一半導體元件之四側邊相互垂直，每一光線轉換層50的形狀同樣為矩形，並且光線轉換層50之間的多個間隙同樣以矩形方式排列。藉此，多個光線轉換層50對應多個半導體元件20的設置方式有助於減少出射光的發散角度，而提升發光模組1的光準直性。進一步來說，半導體元件20發出的光線於配置有光線轉換層50的區域才會被轉換成波長相異的出射光射出發光模組1。舉例來說，當半導體元件20發出的光線波長為非可見光波段並且光線轉換層50能將光線波長轉換為可見光波段時，此種光線轉換層50之配置有助於令可見光波段的出射光大部分都位於所 需要的照明區域，而使發光模組1具有良好光準直性。

此外，如第3圖所示，光線轉換層50向內側延伸並突出於半導體元件20的頂面210。也就是說，光線轉換層50貼附於頂面210的一貼附面520之面積可大於頂面210之面積。藉此，有助於使光線轉換層50接收更多半導體元件20出射之光線，而能提升發光模組1的發光強度。

上述各實施例中的發光模組適於應用於頭燈。請參照第4圖，為根據本發明第三實施例之頭燈的剖切示意圖。

在本實施例中，頭燈2包含上述任一實施例中所提及的發光模組1。此外，頭燈2還可以進一步包含一殼體3和一燈罩4。發光模組1設置於殼體3的一容置槽內。燈罩4設置於殼體3，而有助於保護發光模組1以避免受到水氣或油氣損害。

綜上所述，本發明所揭露的發光模組以及頭燈中，光線轉換層介於半導體元件與透明層之間，並且半導體元件的側面、光線轉換層的側面以及透明層的側面實質上為共一平面。藉此，當光線轉換層出射之光線進入透明層時，透明層有助於將此光線進行混光，而能消除相鄰的二半導體元件之間的暗區，進而提升發光模組的發光均勻度以及照明區域的清晰度。另外，透明層亦有助於提升發光模組的光準直性，使得發光模組除了能消除暗區之外，還同時兼具良好光準直性之功效。

此外，透明層之厚度大於0.2毫米並且小於等於3.0毫米，以及透明層之折射率大於等於1並且小於等於3。藉此，透明層的折射率和厚度較為合適，而能於進行混光同時提升發光模組的光準直性，令發光模組除了能消除暗區之外，還同時兼具良好光準直性之功效。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧發光模組

10‧‧‧基板

20‧‧‧半導體元件

210、430、620‧‧‧頂面

220、230、510、610‧‧‧側面

30、40‧‧‧反射層

310、410‧‧‧本體

320、420‧‧‧光反射粒子

50‧‧‧光線轉換層

60‧‧‧透明層

Claims (11)

1. 一種發光模組，包含：一基板；至少一半導體元件，設置於該基板上，該半導體元件包含有一頂面以及一第一側面，且該半導體元件主要藉由該頂面射出具有一第一波長的一第一光線；一透明層，包含有一第二側面；以及一光線轉換層，該光線轉換層包含有一第三側面，該光線轉換層吸收部分具有該第一波長之該第一光線且射出具有一第二波長之一第二光線，該光線轉換層位於該半導體元件與該透明層之間，其中，該透明層之厚度大於0.2毫米且小於等於3.0毫米，且該第一側面、該第二側面以及該第三側面實質上為共一平面。
2. 如請求項1所述之發光模組，其中該至少一半導體元件的數量為多個，該些半導體元件設置於該基板上且兩兩相鄰。
3. 如請求項2所述之發光模組，其中該光線轉換層具有多個間隙，該些半導體元件之側邊定義出該些間隙的位置與形狀。
4. 如請求項1所述之發光模組，其中該透明層之厚度小於等於1.0毫米。
5. 如請求項1所述之發光模組，其中該透明層之折射率大於等於1並且小於等於3。
6. 如請求項1所述之發光模組，更包含一第一反射層，設置於該基板上，該第一反射層位於該第一側面旁。
7. 如請求項2所述之發光模組，更包含一第二反射層，該第二反射層設置於該些半導體元件相鄰之二第四側面之間。
8. 如請求項1所述之發光模組，更包含一第一反射層和一第二反 射層，其中該第一反射層設置於該基板上並且位於該第一側面旁，該第二反射層設置於該些半導體元件相鄰之二第四側面之間，該第二反射層直接接合該光線轉換層，且該第一反射層直接接合該透明層。
9. 如請求項1所述之發光模組，更包含一第一反射層和一第二反射層，其中該第一反射層設置於該基板上並且位於該第一側面旁，該第二反射層設置於該些半導體元件相鄰之二第四側面之間，該第一反射層和該第二反射層皆包含一本體和多個光反射粒子，該些光反射粒子分佈於該本體內，該本體的材質為透光材料，並且該些光反射粒子的材質係選自氧化鈦、氧化矽、氮化硼及其組合所組成的群組中之一。
10. 如請求項1所述之發光模組，其中該至少一光線轉換層朝相對於該共平面的方向延伸且突出於該半導體元件之該頂面。
11. 一種頭燈，包含如請求項1至10任一項所述之發光模組。