TWI626773B - 發光模組以及具有此發光模組的頭燈 - Google Patents

Abstract

一種發光模組及具有此發光模組的頭燈，發光模組包含基板、多個半導體元件、光線轉換層以及透明層，半導體元件設置於基板上並且具有頂面和側面，半導體元件主要透過頂面射出光線，光線轉換層設置於半導體元件的頂面，且能吸收半導體元件射出的光線並射出具有和半導體元件射出光線之波長不同之另一光線，透明層設置於基板上且不具有光反射粒子，並且透明層實質上佈滿於相鄰之二半導體元件的相鄰二側面間之間隙。

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(或照明對象)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包含基板、多個半導體元件、光線轉換層以及透明層。半導體元件和光線轉換層依序堆疊於基板上。藉由這些半導體元件的頂面射出之光線，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。透明層不具有光反射粒子，並且透明層實質上(substantially)佈滿於任二相鄰之這些半導體元件的相鄰二側面間之間隙。

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，透明層設置於基板上，且透明層實質上佈滿於任二相鄰之這些半導體元件的相鄰二側面間之間隙。不同於傳統發光模組是將低透光度的反射層設置於相鄰的二半導體元件間，本發明所揭露的發光模組係將高透光度的透明層設置並佈滿於相鄰二半導體元件間之間隙。藉此，當光線入射至透明層時，透明層將形成亮區以及消除相鄰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。

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、410、610‧‧‧頂面

220、230、510、820‧‧‧側面

30‧‧‧反射層

310‧‧‧本體

320‧‧‧光反射粒子

40、60、70、80‧‧‧透明層

50‧‧‧光線轉換層

810‧‧‧外表面

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發光模組的剖切示意圖。

第5圖為根據本發明第四實施例之發光模組的剖切示意圖。

第6圖為根據本發明第五實施例之發光模組的剖切示意圖。

第7圖為根據本發明第六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。

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。

在本實施例中，一發光模組1包含一基板10、多個半導體元件20、一反射層30、一透明層40以及一光線轉換層50。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。每一半導體元件20具有一頂面210以及多個側面。頂面210背對基板10，並且半導體元件20係主要藉由頂面210射出一光線。也就是說，頂面210具有較大的出光量。

反射層30係形成於基板10之表面且圍繞有一空間以供半導體元件20、透明層40以及光線轉換層50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，而半導體元件20面對且接觸反射層30的側面係被定義為側面220。任二相鄰之半導體元件20的這些側面220皆不互相面對。藉此，反射層30反射由半導體元件20產生之光朝向光線轉換層50的頂面射出至發光模組1的外部，亦可避免發光模組1的側邊產生漏光現象。上述本體310的材質例如但不限於是透光材料，並且光反射粒子320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係介於半透明與不透明之間。在本實施例中，反射層30的本體310直接接合這些側面220，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，反射層30可和這些側面220保持一距離。

透明層40的材質例如但不限於是矽膠，而有製程簡單之優點，惟按產品設計之不同，基板10亦可以是玻璃材料。透明層40設置於基板10上，且透明層40實質上佈滿於任二相鄰之這些半導體元件20的相鄰二側面間之間隙。詳細來說，每一半導體元件20面對相鄰之其他半導體元件20的側面係被定義為側面230。相互面對的二側面230間具有一間隙，並且透明層40實質上佈滿於此間隙。也就是說，透明層40和這些半導體元件20間無空隙存在。以本實施例為舉例來說，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。反射層30圍繞半導體元件20與透明層40。其中，半導體元件20之側 面230所射出的光線可直接行進於相鄰之透明層40而形成亮區，或一些由光線轉換層50所折射的光亦將行進於透明層40而形成亮區，以上將可消除相鄰二半導體元件20間之暗區。上述透明層40並不具有光反射粒子，並且透明層40的透光能力遠大於反射層30。也就是說，透明層40的光穿透率(Transmittance)明顯高於反射層30。更進一步地，透明層40的光穿透率可以大於等於70%。更佳地，可適當選用特定材質而使透明層40的光穿透率大於等於90%。又更佳地，可適當選用特定材質而使透明層40的光穿透率大於等於96%。另一方面，反射層30的光穿透率可以小於等於35%。更佳地，可適當選用特定材質而使反射層30的光穿透率小於等於20%。又更佳地，可適當選用特定材質而使反射層30的光穿透率小於等於8%。

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直接接合這些半導體元件20的頂面210，並且透明層40面向光線轉換層50的一頂面410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以及透明層40的頂面410，並且半導體元件20和透明層40皆介於光線轉換層50和基板10之間。反射層30圍繞光線轉換層50。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。

此外，如第2圖所示，這些半導體元件20與透明層40具有共一水平平面的頂面。詳細來說，在可允許一定製作誤差的情況下，每一半導體元件20的頂面210和透明層40的頂面410實質上可為同水平面。藉此，可較佳地配置自頂面210出射的光線角度以及決定光入射於透明層40的角度，以加強透明層40的亮度，進而更進一步地消除相鄰的二半導體元件20間的暗區。

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。藉此，發光模組1較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，透明層40設置於基板10上，且透明層40實質上佈滿於任二相鄰之這些半導體元件20的相鄰二側面230間之間隙。不同於傳統發光模組是將低透光度的反射層設置於相鄰的二半導體元件間，本實施例的發光模組1係將高透光度的透明層40設置並佈滿於二半導體元件20間的間隙。藉此，半導體元件20之側面230所射出的光可直接行進於相鄰之透明層40而形成亮區，或一些由光線轉換層50所折射的光亦將行進於透明層40而形成亮區，以上將可消除相鄰二半導體元件20間之暗區，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。

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更包含一透明層60。透明層60例如但不限於是矽膠，基板10可以是玻璃材料。透明層60設置於基板10上，且透明層60實質上佈滿於反射層30相鄰半導體元件20之間隙。詳細來說，在本實施例中，靠近反射層30的半導體元件20之側面220與反射層30的本體310保持一距離，並且透明層60實質上佈滿於側面220和本體310之間的一間隙。也就是說，半導體元件20和反射層30的本體310之間皆無空隙存在。透明層40和透明層60可以是一體成型，並且透明層60面對光線轉換層50的一頂面 610可直接接合光線轉換層50。自半導體元件20出射之光線行進至透明層60時，透明層60將產生亮區，進一步提升發光模組1的發光均勻度。

此外，這些半導體元件20、透明層40與透明層60具有共一水平平面的頂面。詳細來說，在可允許一定製作誤差的情況下，每一半導體元件20的頂面210、透明層40的頂面410以及透明層60的頂面610實質上可為同水平面。藉此，自頂面210出射的光線角度、自頂面410出射的光線角度以及自頂面610出射的光線角度皆較為合適，而能加強透明層40的亮區效果，進而消除相鄰的二半導體元件20之間的暗區。

請參照第4圖，為根據本發明第三實施例之發光模組的剖切示意圖。由於本實施例與第二實施例相似，故以下僅就相異處進行說明。

在本實施例中，發光模組1更包含一透明層70。透明層70例如但不限於是矽膠，基板10可以是玻璃材料。透明層70實質上佈滿於這些半導體元件20之這些頂面210與光線轉換層50之間。換句話說，透明層70介於半導體元件20和光線轉換層50之間，並且透明層70與半導體元件20之間無空隙存在。透明層70可佈滿於透明層40的頂面410與光線轉換層50之間以及透明層60的頂面610與光線轉換層50之間。透明層40、透明層60和透明層70可以是一體成 型。藉此，半導體元件20所射出的光可直接行進於相鄰之透明層60以及透明層70而形成亮區，或一些由光線轉換層50所折射的光亦將行進於該透明層70而形成亮區，或是由透明層70所折射的光行進於透明層60而形成亮區，以上將可消除相鄰二半導體元件20間之暗區，進一步提升發光模組1的發光均勻度。

請參照第5圖，為根據本發明第四實施例之發光模組的剖切示意圖。由於本實施例與第三實施例相似，故以下僅就相異處進行說明。

在本實施例中，發光模組1更包含一透明層80。透明層80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80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的頂面210與透明層80之間。反射層30可圍繞並直接接合透明層80。藉此，自光線轉換層50出射的光行進至透明層80時，透明層80會產生亮區以及消除相鄰二半導體元件20之間的暗區。

此外，在本實施例中，光線轉換層50以及透明層80具有共一平面的側面。詳細來說，在可允許一定製作誤差的情況下，光線轉換層50面對反射層30的一側面510以及透明層80面對反射層30的一側面820實質上為共一垂直平面(vertical coplanar)。藉此，透過調整側面510與側面820 的厚度搭配反射層30能適當調整光入射至透明層80的角度而能加強亮區效果。

另外，透明層80背對半導體元件20的一外表面810可具有一抗反射結構(Anti-reflective Structure)。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)，使光線在通過外表面620時會因為折射率變化較為和緩而減少光反射現象，而有助於提升發光模組1的光取出效率。

請參照第6圖，為根據本發明第五實施例之發光模組的剖切示意圖。由於本實施例與第四實施例相似，故以下僅就相異處進行說明。

在本實施例中，半導體元件20、光線轉換層50以及透明層80其至少一側面實質上為共一平面。詳細來說，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的側面510以及透明層80面對反射層30的側面820係為共一鉛直平面(vertical plane)。藉此，自光線轉換層50出射的光線將行進於透明層80而產生亮區，而能消除相鄰二半導體元件20之間的暗區。

此外，在本實施例中，當透明層80之折射率大於等於1並且小於等於3且透明層80之厚度在大於0.2釐米(millimeters)時，其準直效果較佳。而權衡光效及準直之效果，透明層80之厚度述係建議小於等於3.0釐米。亦即透明 層80之厚度係建議為大於0.2釐米且小於等於3.0釐米之間。而較佳地，透明層80之厚度係建議處於大於0.2並小於等於1.0釐米之間。藉此，透明層80的折射率以及厚度較為合適，且於形成亮區時提升發光模組1的光準直性。

進一步來說，當透明層80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80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80厚度大於0.2釐米時，透明層80能提供足夠長度的光行進路徑，而提昇亮區效果，以避免亮區效果不佳而導致消除暗區效果不佳的問題發生。再者，由於光線在進入透明層80時會產生折射並且自透明層80出射時會再產生折射，故當透明層80厚度小於等於3.0釐米時，可避免光線入射至透明層80前的行進路徑和自透明層80出射後的行進路徑彼此之間存在過大水平偏移量，進而防止透明層80過度降低發光模組1的光準直性。當透明層80厚度小於等於1.0釐米時，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80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。

此外，通過透明層80的發散角度較大的出射光能藉由反射層30再次聚集，亦有助於提升發光模組1的光準直性。

上述各實施例中的發光模組適於應用於頭燈。請 參照第7圖，為根據本發明第六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中，透明層設置於基板上，且透明層實質上佈滿於任二相鄰之這些半導體元件的相鄰二側面間之間隙。不同於傳統發光模組是將低透光度的反射層設置於相鄰的二半導體元件間，本發明所揭露的發光模組係將高透光度的透明層設置並佈滿於相鄰二半導體元件間之間隙。藉此，當光線入射至透明層時，透明層將形成亮區，除能消除相鄰二半導體元件之間的暗區外，進而能提升發光模組的發光均勻度以及照明區域的清晰度。

此外，每一半導體元件的頂面和透明層面向光線轉換層的頂面實質上可為同水平面。藉此，有助於加強透明層產生亮區的效果，而能進一步消除相鄰的二半導體元件之間的暗區。

此外，部分透明層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。

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。

Claims (12)

1. 一種發光模組，包含：一基板；複數個半導體元件，設置於該基板上，該些半導體元件分別具有一第一頂面和至少一第一側面，該半導體元件主要透過該第一頂面射出具有一第一波長之光線；一光線轉換層，適於吸收部分具有該第一波長之光線且射出具有一第二波長之光線；以及一第一透明層，不具有光反射粒子，該第一透明層設置於該基板上，且該第一透明層實質上佈滿於任二相鄰之該些半導體元件的相鄰二該第一側面間之間隙；其中，該些半導體元件的該些第一頂面與該第一透明層的一第二頂面共一水平平面。
2. 如請求項1所述之發光模組，其中該光線轉換層直接接合該些半導體元件之該些第一頂面。
3. 如請求項1所述之發光模組，更包含一反射層，其中該反射層設置於該基板上，且該反射層位於該些半導體元件中互不相鄰的一第二側面附近。
4. 如請求項3所述之發光模組，其中該反射層圍繞該些半導體元件、該第一透明層和該光線轉換層。
5. 如請求項3所述之發光模組，更包含一第二透明層，其中該第二透明層設置於該基板上，且該第二透明層實質上佈 滿於該反射層與相鄰該半導體元件間之間隙。
6. 如請求項5所述之發光模組，其中該第一透明層和該第二透明層皆直接接合該光線轉換層。
7. 如請求項1所述之發光模組，更包含一第三透明層，其中該第三透明層實質上佈滿於該些半導體元件之該些第一頂面與該光線轉換層之間。
8. 如請求項1所述之發光模組，更包含一第四透明層，其中該光線轉換層位於該些半導體元件之該些第一頂面與該第四透明層之間。
9. 如請求項8所述之發光模組，其中該光線轉換層的一第三側面以及該第四透明層的一第四側面共一平面。
10. 如請求項8所述之發光模組，其中該半導體元件的一第二側面、該光線轉換層的一第三側面以及該第四透明層的一第四側面共一垂直平面。
11. 如請求項5所述之發光模組，其中該些半導體元件的該些第一頂面、該第一透明層的一第二頂面與該第二透明層的一第三頂面共一水平平面。
12. 一種頭燈，包含如請求項1至11任一項所述之發光模組。