TWI482929B

TWI482929B - Strengthen the heat of the LED lights

Info

Publication number: TWI482929B
Application number: TW102126379A
Authority: TW
Inventors: 游誌明
Original assignee: 游誌明
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2015-05-01
Also published as: TW201350747A

Description

強化散熱的LED燈

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第一電極，以幫助將熱能從該燈芯傳導至該第一電極，以及將燈罩黏著在該燈頭上，以幫助將熱能從該第一電極傳導至該燈罩。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。

10‧‧‧燈頭

12‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

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。

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，其具有第一電極12和第二電極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，第一電極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的一端焊接至第二電極14，另一端藉導線32焊接至交流電LED裝置20，導線34的兩端分別焊接至第一電極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係串聯在第一電極12和第二電極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，在連接至第一電極12和第二電極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和第一電極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第一電極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連接在第一電極12和第二電極14之間。電路板28可以選用強化玻璃纖維(ER4)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，如右測的局部放大圖所示。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焊接至第一電極12。電阻器30焊接在第二電極14及電路板28之間，因此電阻器30與交流電LED裝置20串聯在第一電極12和第二電極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焊接至第一電極12，電阻器30焊接在第二電極14及電路板28之間，因此電阻器30與交流電LED裝置20串聯在第一電極12和第二電極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的元件焊接在第一電極12和第二電極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。