TWI409407B - Strengthen the heat of the LED lights - Google Patents
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Description
本發明係有關一種電燈，特別是關於一種可直接替換傳統鎢絲、鹵素或省電燈泡的發光二極體(LED)燈。
使用直流電LED裝置作為燈芯的LED燈，必須使用電源轉換器將交流電轉換成直流電供應該直流電LED裝置，因此會增加LED燈的成本。此外，電源轉換器很難完全藏放在傳統燈泡的標準燈頭內，因此需要另行開發模具製作不同於傳統燈泡的機構件，不但更增加成本，也增加LED燈的體積。直流電LED裝置在通電時會產生熱能，故必須額外設計散熱機構處理這些熱能。若無法有效散熱，高溫會造成LED的發光效率降低、壽命減少及波長偏移等不利效果。電源轉換器在將交流電轉換成直流電的過程中，也會產生熱能，特別是其中的電感與積體電路，高溫也會損壞此類元件，造成產品無法運作。特別是在高功率的應用上，例如照明用途的燈具，直流電LED裝置產生的熱能較高，因此散熱不足而引起的情況更嚴重。有些產品採用多顆低功率的砲彈型LED，並且使用簡單的橋式整流電路，以便適應小體積的傳統燈頭。但是低功率的LED亮度普遍過低，市場接受度有限，而且此類產品往往因為散熱不佳，光衰現象嚴重。
近年來，使用交流電的LED裝置的技術日漸成熟，亮度也日益提升，已具有商業利用價值。交流電LED裝置係將串、並聯的多個LED製作在同一個磊晶片上，此磊晶片封裝後串聯具有某個電阻值的電阻器，可以直接承受市電如110伏特或220伏特等高電壓使用，因此省去直流電LED裝置所需的電源轉換器或整流電路，有效降低成本及減少電路造成的品質問題。雖然交流電LED裝置方便應用在小體積的空間內，但是仍有散熱的問題必須處理。尤其是在高功率的應用上，例如照明用途的燈具，其產生的熱能較高，如果增設散熱器，會加大LED燈的體積與成本，如果不幫助交流電LED裝置散熱，又會造成LED的發光效率降低、壽命減少及波長偏移，甚至燒毀LED磊晶片。
本案申請人曾在我國專利申請案號第098115441號提出一種LED燈，其在燈頭內填充導熱絕緣材料，藉以將熱能從LED燈芯傳導至該燈頭，因而藉該燈頭的電極幫助該LED燈芯散熱。本申請案係該前案的進一步改良。
本發明的目的之一，在於提出一種強化LED燈芯散熱的LED燈。
本發明的目的之一，在於提出一種提高出光率的LED燈。根據本發明，一種強化散熱的LED燈包括含有至少一個交流電LED裝置的燈芯，具有腔室的燈頭，導熱絕緣材料填充在該腔室內，機械性地接觸該燈芯與該燈頭的一個電極，以幫助將熱能從該燈芯傳導至該電極，以及將燈罩黏著在該燈頭上，以幫助將熱能從該電極傳導至該燈罩。該燈罩用來擴大散熱面積，進一步提高散熱效果。
較佳者，該導熱絕緣材料有一部分介於該燈芯與該燈罩之間，幫助將熱能從該燈芯傳導至該燈罩。較佳者，此部分的導熱絕緣材料具有白色的表面以提高出光率。
圖1係本發明的第一實施例的示意圖。為了凸顯本發明的特點，此實施例使用小燈泡用的標準燈頭10，其具有電極12和14供連接交流電源。如本技術領域之具有通常知識者所熟悉的，電極12係具有螺旋紋外形16的金屬殼，其內有腔室18。此實施例使用一顆交流電LED裝置20作為燈芯，其係將交流電LED磊晶片22固定在支架24上，並於其上覆蓋封膠26。LED的封裝係習知技術，為了簡化圖式，此處未繪出交流電LED裝置20的詳細封裝構造。電阻器30的一端焊接至電極14，另一端藉導線32焊接至LED裝置20，導線34的兩端分別焊接至電極12及交流電LED裝置20。此LED燈的等效電路如圖2所示，交流電LED磊晶片22和電阻器30係串聯在電極12和14之間。如本技術領域之具有通常知識者所熟悉的，所謂交流電LED磊晶片，含有兩個相反的方向配置的LED並聯在兩支接腳之間，每一該方向上具有至少一個LED，該兩個相反的方向配置的LED分別在交流電源的正、負半週期被點亮。電阻器30的電阻值R的大小係根據設計需求的電流值而選擇的。電阻器30也具有保護交流電LED磊晶片22的功能，在連接至電極12和14的交流電源發生突波時，電阻器30會吸收大部分的突波電壓。回到圖1，本發明的特點之一，係在腔室18中填充導熱絕緣材料36，其位於該燈芯下方的第一部分機械性地接觸支架24和電極12，提供第一熱通道將交流電LED磊晶片22因為通電發光產生的熱能傳導至電極12進行散熱。如本技術領域之具有通常知識者所熟悉的，支架24通常含有幫助交流電LED磊晶片22散熱的金屬片，因此，支架24貼在導熱絕緣材料36上，會有良好的熱導效果。除了幫助交流電LED磊晶片22散熱，導熱絕緣材料36也幫助電阻器30散熱，因為電阻器30埋在導熱絕緣材料36中。如圖1右側的局部放大圖所示，導熱絕緣材料36的第二部分78將燈罩40黏著在燈頭10上，因而提供第二熱通道將熱能從燈頭10傳導至燈罩40，導熱絕緣材料36的第三部分80介於燈芯與燈罩40之間，因而提供第三熱通道將熱能從燈芯傳導至燈罩40。因為藉燈罩40擴大散熱面積，所以可以提供更好的散熱效果。較佳者，導熱絕緣材料36的第三部分80具有白色的表面82，以減少光的吸收及增加光的反射，因此提高LED燈的出光率。
導熱絕緣材料36可以選用環氧樹酯，或者導熱粉末，例如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或其他導熱材料，或者二者的混合物。要形成白色的表面82，可以在導熱絕緣材料36的第三部分80上塗佈白色顏料，或將鈦白粉摻入導熱絕緣材料36中。
傳統燈泡使用的是標準燈頭，例如E12、E14、E17、E26及E27是傳統鎢絲燈泡的燈頭，MR16及GU10是傳統鹵素燈泡的燈頭。
如圖1所示，此LED燈的大小約與燈頭10相同，又具有良好的散熱能力，可以達成習知技術做不到的高功率應用。在傳統鹵素燈泡的燈頭中，一個電極是柱狀金屬殼，被絕緣物與另一個電極分隔開。某些標準燈頭則是使用兩根彼此絕緣的針狀電極。不論是傳統鎢絲燈泡、傳統鹵素燈泡的燈頭或其他標準燈頭，都有腔室可以填充導熱絕緣材料，因此至少有一個電極可以用來幫助LED燈的燈芯散熱。因為燈頭的電極是向外曝露的，所以可以提供不錯的散熱效果。
可以選用內含較多LED數量的交流電LED磊晶片22來提高LED燈的亮度。圖3係幾種交流電LED磊晶片22的示意圖，第一種係在兩支接腳之間並聯兩串方向相反的LED，每一串包含兩個以上的LED；第二種係在兩支接腳之間串聯兩對以上的LED對，每一對LED對含有兩個方向相反的LED並聯在一起；第三種係五個以上的LED配置成橋式結構。這些都已經有商品化的產品可以選用。
燈罩40作為保護蓋，防止水氣、灰塵或外力施加在LED燈的內部元件上。燈罩40亦有光學元件的功能，可透過霧化、幾何形狀設計等方式產生各種所需的光學效果。燈罩40的霧狀結構可以利用噴砂、蝕刻、靜電粉體塗裝、塗佈矽膠、噴漆或射出成型方式製作。
圖4係本發明的第二實施例的示意圖。此實施例的燈芯包含電路板28及其上的交流電LED裝置20，交流電LED裝置20含有至少一個交流電LED磊晶片22。串聯電阻器38改為安裝在電路板28上，並藉導線34及32將電路板28連接在電極12和14之間。電路板28可以選用強化玻璃纖維(FR4)或金屬基板(IMS)的元件；交流電LED裝置20和串聯電阻器38可以選用表面安裝型元件(SMD)，使用表面黏著技術(SMT)安裝在電路板28上。因為電阻器38係焊接在電路板28上，因此可以使用可變電阻器增加應用的彈性，例如方便調整通過交流電LED裝置20的電流值。導熱絕緣材料36的量填充至其覆蓋到電路板28上，因此導熱絕緣材料36的第三部分80在電路板28的上方，如右側的局部放大圖所示。其他特徵和圖1的實施例相同。如果要提高LED燈的亮度，可以使用更多交流電LED裝置20串聯、並聯或串並聯。例如圖5所示的多磊晶片燈芯，係在電路板28的焊墊52及54之間並聯三排交流電LED裝置20，每一排含有三個交流電LED裝置20。如果每一個交流電LED裝置20的功率為1瓦的話，則此燈芯可以達到9瓦。
圖1、圖4及圖5的燈芯係將交流電LED裝置20貼在電路板28上，也可以改為在電路板28上封裝交流電磊晶片22，其係將交流電磊晶片22的裸晶直接貼在電路板28上，打線後再覆蓋封膠26。
圖6係本發明的第三實施例的示意圖，交流電LED裝置20焊接在導熱件50的盤面上，導熱件50的另一端埋入導熱絕緣材料36中，利用其埋入導熱絕緣材料36中的深淺來調整交流電LED裝置20的高度。其他特徵和圖1的實施例相同。
圖7係本發明的第四實施例的示意圖，使用具有穿孔60的電路板28，導熱件50的一端在電路板28的上方，另一端經過穿孔60埋入導熱絕緣材料36中，交流電LED裝置20焊接在導熱件50露出的一端上。交流電LED裝置20的接腳66焊接至電路板28，電路板28的貫孔64中有焊錫70焊接至電極12。電阻器30焊接在電極14及電路板28之間，因此電阻器30與交流電LED裝置20串聯在電極12和14之間。電路板28可以選用強化玻璃纖維或金屬基板的元件。較佳者，電路板28也機械性地接觸導熱絕緣材料36。在不同的實施例中，也可以將電阻器30改為焊接在電路板28上的電阻器，或在電路板28上增加電阻器與電阻器30串聯。較佳者，電路板28的上表面塗佈白色顏料，以提高LED燈的出光率。其他特徵和圖4的實施例相同。
圖8係本發明的第五實施例的示意圖，使用具有穿孔60的電路板28，其上焊接交流電LED裝置20，導熱絕緣材料36的第一部分經穿孔60機械性地接觸交流電LED裝置20的底部，導熱絕緣材料36的第三部分80覆蓋在電路板28上，較佳者，其儘量蓋滿電路板28的表面，除了交流電LED裝置20以外。導熱絕緣材料36的第三部分80具有白色的表面以提高出光率。其他特徵和圖7的實施例相同。
圖8的LED燈改用半罩式燈罩40，如圖9所示，燈罩40的內表面可以鍍膜或塗佈反光材料而形成反光面86。其他特徵和圖8的實施例相同。
圖10的實施例使用具有金屬基板的電路板28。這種電路板28具有鋁層、銅層及導熱層介於二者之間，散熱能力高於強化玻璃纖維基板。交流電LED裝置20以COB封裝結構焊接在電路板28上，焊錫70將電路板28焊接至電極12，電阻器30焊接在電極14及電路板28之間，因此電阻器30與交流電LED裝置20串聯在電極12和14之間。在不同的實施例中，也可以將電阻器30改為焊接在電路板28上的電阻器，或在電路板28上增加電阻器與電阻器30串聯。電路板28有穿孔84供填充導熱絕緣材料36到腔室18中。其他特徵和圖8的實施例相同。
如圖11所示，除了電阻器30以外，可以增加一個安裝在電路板28上的電阻器38串聯在電阻器30及交流電LED裝置20之間。電阻器38可以採用可變電阻器，根據需求調整其電阻值。其他特徵和圖4的實施例相同。
圖12係將交流電LED磊晶片22和晶片電阻器90包裝在同一封裝內的結構，交流電LED磊晶片22和兩個晶片電阻器90貼在墊片88上，接合線92連接交流電LED磊晶片22和晶片電阻器90，接合線94連接接腳66和晶片電阻器90，封膠26包覆所有的電路結構，其等效電路如圖13所示。圖14的實施例係將圖12的元件焊接在電極12和14之間形成迴路，其他特徵和圖1的實施例相同。
在上述各實施例中，一般而言，藉導熱絕緣材料36的第二部分78和第三部分80建立的散熱機制，可幫助交流電LED裝置20的工作溫度再降低1至5℃。
根據實際的應用，採用的交流電LED裝置20，其功率介於0.3至5W之間，較佳者為1至3W，選擇50至50000歐姆的電阻器30或38。交流電LED裝置20的使用電壓介於12至240伏特之間，如果使用單一交流電LED裝置20的話，則其使用電壓依據交流電源選擇為110伏特或220伏特者；如果串聯多個交流電LED裝置20的話，則其使用的電壓可以選用較低者，例如12伏特。
除了上述各實施例展示的各種封裝結構，其他不同型態或封裝的元件亦可適用本發明。
10．．．燈頭
12．．．電極
14．．．電極
16．．．螺旋紋外形
18．．．腔室
20．．．交流電LED裝置
22．．．交流電LED磊晶片
24．．．支架
26．．．封膠
28．．．電路板
30．．．電阻器
32．．．導線
34．．．導線
36．．．導熱絕緣材料
38．．．電阻器
40．．．燈罩
50．．．導熱件
60．．．穿孔
64．．．貫孔
66．．．接腳
70．．．焊錫
78．．．導熱絕緣材料的第二部分
80．．．導熱絕緣材料的第三部分
82．．．白色的表面
84．．．穿孔
86．．．反光面
98．．．墊片
90．．．晶片電阻器
92．．．接合線
94．．．接合線
圖1係本發明的第一實施例的示意圖；
圖2係圖1的LED燈的等效電路的示意圖；
圖3係幾種交流電LED磊晶片的示意圖；
圖4係本發明的第二實施例的示意圖；
圖5係多磊晶片燈芯的示意圖；
圖6係本發明的第三實施例的示意圖；
圖7係本發明的第四實施例的示意圖；
圖8係本發明的第五實施例的示意圖；
圖9係本發明的第六實施例的示意圖；
圖10係本發明的第七實施例的示意圖；
圖11係本發明的第八實施例的示意圖；
圖12係將交流電LED磊晶片和晶片電阻器包裝在同一封裝內的結構；
圖13係圖12的元件的等效電路的示意圖；以及
圖14係使用圖12的元件的實施例的示意圖。
10．．．燈頭
12．．．電極
14．．．電極
16．．．螺旋紋外形
18．．．腔室
20．．．交流電LED裝置
22．．．交流電LED磊晶片
24．．．支架
26．．．封膠
30．．．電阻器
32．．．導線
34．．．導線
36．．．導熱絕緣材料
40．．．燈罩
78．．．導熱絕緣材料的第二部分
80．．．導熱絕緣材料的第三部分
82．．．白色的表面
Claims (6)
- 一種強化散熱的LED燈，包括：至少一LED燈芯；一燈頭具有第一及第二電極，該燈頭內界定一腔室；一電阻器，與該燈芯串聯在該第一及第二電極之間；一導熱絕緣材料填充在該燈頭之腔室中；一導熱件，其一端機械性地接觸該LED燈芯，另一端埋入該導熱絕緣材料中；以及一燈罩，安裝於該燈頭上，用以圍繞包覆該LED燈芯；其中，該導熱絕緣材料具有第一部分機械性地接觸該導熱件及該第一電極，因而提供第一熱通道幫助該燈芯經由該導熱件及導熱絕緣材料散熱至該第一電極，以及第二部分將該燈罩黏著在該燈頭上，因而提供第二熱通道將熱能從該第一電極傳導至該燈罩。
- 如請求項1之LED燈，其中該燈芯包括電路板承載該至少一個交流電LED裝置，且機械性地接觸該導熱件。
- 如請求項2之LED燈，其中該電路板的一部分上表面塗佈有白色顏料。
- 如請求項1之LED燈，其中該導熱絕緣材料包括環氧樹酯，或導熱粉末，或其混合物。
- 如請求項1之LED燈，其中該導熱絕緣材料具有白色 的表面。
- 如請求項1之LED燈，其中該導熱絕緣材料包括鈦白粉。
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| TW201126107A (en) | 2011-08-01 |
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