利用區(qū)段式LEDs來補償個別區(qū)段式LED在光輸出上的制造工藝差異的光源的制作方法
【專利說明】利用區(qū)段式LEDs來補償個別區(qū)段式LED在光輸出上的制造工藝差異的光源
[0001]本申請是申請日為2010年01月26日，申請?zhí)枮?01080007439.7，發(fā)明名稱為“利用區(qū)段式LEDs來補償個別區(qū)段式LED在光輸出上的制造工藝差異的光源”的專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明與一種光源及其制作方法有關(guān)。具體而言，其是關(guān)于一種含有多個區(qū)段式LEDs并聯(lián)至電力匯流排與控制器的光源及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0003]發(fā)光二極管(Light emitting d1des, LEDs)是一種可以將電能轉(zhuǎn)換成光的重要固態(tài)元件類型。這些元件上的改良已使其被用在那些設(shè)計來取代傳統(tǒng)白熾光源與螢光光源的燈具中。LED具有極長的壽命，在某些情況下，其將電能轉(zhuǎn)換成光的效率也較傳統(tǒng)光源高的多。
[0004]為了本文討論的目的，文中的LED會被視為具有三層結(jié)構(gòu)，其為一主動層(activelayer)夾在其他的兩層之間。當來自外層的空穴與電子在該主動層中結(jié)合時該主動層會發(fā)出光線。這些空穴與電子是藉由將該LED通以電流而生成。該LED是透過位在頂層上的一電極來供能以及一接觸來提供與底層的電性連接。
[0005]LEDs的成本與能量轉(zhuǎn)換效率是為判定此種新技術(shù)將取代傳統(tǒng)光源并被用在高能應(yīng)用中比例的重要因素。一個LED的轉(zhuǎn)換效率被定義成該LED所發(fā)出位于光譜中所欲光波段的光能與光源所耗費的電力之間的比例。該所耗費的電力取決于LED的轉(zhuǎn)換效率以及那些可直接用來將交流電(AC)轉(zhuǎn)為直流電(DC)供予LED晶粒電能的電路系統(tǒng)。未轉(zhuǎn)換成光離開LED的電力會被轉(zhuǎn)換成熱能而使得LED的溫度上升。散熱問題常常會使得LED得以運作的電力層級受到限制。此外，LED的轉(zhuǎn)換效率會隨電流的增加而減少。因此當LED為了增加其整體光輸出量而增加電流時，其電能轉(zhuǎn)換效率亦會跟著降低。再者，LED的壽命亦會因為在高電流環(huán)境下運作而減少。
[0006]單一的LED光源在許多應(yīng)用中并不能夠生成足以取代傳統(tǒng)光源的光。一般而言，在可接受的能量轉(zhuǎn)換效率下，LED每單位區(qū)域?qū)嶋H上所能生成的光有其限制在。此限制是由于LED的散熱以及其材料體系的電能轉(zhuǎn)換效率。因此為了提供較高強度的單一 LED光源，勢必采用面積較大的LED芯片(或晶粒)；然而，制作LED所用的制造工藝會使單一 LED芯片的大小受到限制。當芯片的尺寸增加時，芯片的良率會下降。因此，一旦芯片尺寸超過預(yù)定的大小時，每個LED的成本增加的速度會超過其光輸出增加的速度。
[0007]故此，在許多應(yīng)用中，LED式的光源必須采用多個LEDs來提供所欲的光輸出值。舉例言之，要取代傳統(tǒng)照明應(yīng)用中所使用的100瓦白熾燈泡約需要25個大小為1_2(平方毫米)的LED。其所需數(shù)量會視所欲的色溫(color temperature)以及LED芯片的實際大小而變。
[0008]再者，光源一般會含有電源供應(yīng)器來將115V或240V的交流電力轉(zhuǎn)換成適合用來驅(qū)動LED的直流電平。這類電源供應(yīng)器的轉(zhuǎn)換效率在價格上具有競爭力的商品中通常僅為80%或更低，此現(xiàn)象亦降低了光源整體的電轉(zhuǎn)光轉(zhuǎn)換效率。為了要提供最大的能量轉(zhuǎn)換效率，電源供應(yīng)器的輸出應(yīng)該要接近交流電源的峰值電壓，且要將光源中經(jīng)由多種導(dǎo)體傳送的電流降到最低以避免這些導(dǎo)體中的電阻損耗。典型的氮化鎵(GaN)LED需要約3.2-3.6V的驅(qū)動電壓。因此從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，前文所述的25個LEDs光源會建構(gòu)成一個單一的LED串，其25個LEDs是以串聯(lián)方式與來自電源供應(yīng)器約80伏特的輸出電壓串聯(lián)在一起。
[0009]然而除了電轉(zhuǎn)光轉(zhuǎn)換效率外，還有如光源的成本暨可靠性等因素需加以考量。從可靠性的觀點來看，單一的串聯(lián)式LEDs串會是最差的選擇。一般來說，LEDs比較可能會因為開路(open)而非短路(short)而失效。舉例言之，如LED中連接接墊與外部電路的打線(wire-bond)失效。故此，串聯(lián)式LED串中如果有單個LED故障將會導(dǎo)致整個光源毀滅性的失效。
[0010]從可靠性的觀點來看，在LED的故障機制主因是開路因素的前提下，其內(nèi)部的LED以并聯(lián)方式連接的光源會是最佳的。假使今有單個LED故障而一恒定的電流源被用來驅(qū)動并聯(lián)式LEDs，則經(jīng)過其他LEDs的電流會稍微增加，因此這些其他的LEDs會一起補償因其中的一個LED故障所造成的光能損失。可惜的是從能量供應(yīng)效率的觀點來看，這類設(shè)置的效率并不好，且需要具有能夠處理大電流又不會造成顯著傳輸成本的導(dǎo)體。
[0011]除了可靠性與能量轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計者必須要提供可適用于各個LEDs間光生成效率的差異的設(shè)計。LEDs是在晶圓上制造的，其整片晶圓以及晶圓與晶圓之間一定會有些許程度上的不均。如此，對商業(yè)上可用的LEDs而言，其LED與LED之間所生成的光量會有顯著的差異。最終光源的光輸出所能允許的差異是由要使其所有光源生成等量的光并具有相同外觀的需求而定。一般而言，如果不進行一些LEDs分類動作來使彼此間的差異變小，這些LEDs間光輸出的差異會大到無法滿足光源制造商的需求。但這些分類流程會增加光源的成本。此外，許多的光源不能采用那些強度未落在制造時LEDs的強度分布范圍內(nèi)的LEDs。如此，未在目標范圍內(nèi)的LEDs的市場較小，其復(fù)又增加了位于所欲范圍內(nèi)的LEDs的成本以及減少了該范圍外的LEDs的價值。
[0012]平衡LED可靠性與其供能效率之間的固有問題可透過建構(gòu)具有多個組成式光源(component light source)并聯(lián)在一起的光源而獲得解決。該每個組成式光源是由多個LEDs串聯(lián)在一起而組成，因此其所使用的驅(qū)動電壓比個別的LED大的多。舉例而言，典型的氮化鎵系LED需要約3.2伏特的驅(qū)動電壓與0.35安培的電流。要提供約2000流明(lumen)的光源需要驅(qū)動25個這類的LEDs。該光源可以并聯(lián)五個上述的組成式光源的方式來建構(gòu)，其每個組成式光源是由五個串聯(lián)的LEDs所組成。因此其驅(qū)動電壓會改善約5?16伏特。假如其中一個LED因開路而故障，剩余的4個組成式光源仍然可作用，因此光源可以持續(xù)運作，盡管是在較低的亮度下運作。然而由于這些剩余的LEDs必須讓原本要通過該開路的組成式光源的電流通過，故這些LEDs會被超載20%。如此這些剩余LEDs的壽命會明顯減短許多。
[0013]不幸的是，此設(shè)計并未使業(yè)界中只采用LED生產(chǎn)線中的一子生產(chǎn)線來制作所有給定的最終光源的作法需求減少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明包含一種光源及其制作方法。該光源含有多個區(qū)段式LEDs (segmentedLEDs)以并聯(lián)方式連接到一電力匯流排與一控制器。該電力匯流排接受不同數(shù)目的所述區(qū)段式LEDs，其數(shù)目選成可提供光源預(yù)定的光輸出量。該控制器接收交流電力并在該電力匯流排上提供一電力信號。在本發(fā)明一態(tài)樣中，每個該區(qū)段式LED的特征在于其驅(qū)動電壓值會大于與所述區(qū)段式LEDs相同材料體系中所制作出的傳統(tǒng)LED的驅(qū)動電壓的三倍。該光源中所述區(qū)段式LEDs的數(shù)目選成可補償制造工藝差異所導(dǎo)致在個別區(qū)段式LEDs光輸出上的差異。在發(fā)明的另一態(tài)樣中，連接至該電力匯流排的所述區(qū)段式LEDs的數(shù)目在該光源組裝后可以變更。
[0015]本發(fā)明還提供一種制作具有大致相同的目標輸出強度的多個光源的方法，所述方法包括:
[0016]根據(jù)每一區(qū)段式LED所測量出的光強度將所述區(qū)段式LEDs分類成群組，每一所述群組的特征在于其平均光源強度與所述群組中光強度的分布；
[0017]制作具有所述目標輸出強度的第一光源與第二光源，所述第一光源與第二光源包含:
[0018]一第一基板，其具有第一電力軌與第二電力軌；
[0019]一控制器，其在所述第一電力軌與第二電力軌上生成一電力信號；及
[0020]來自一個所述群組的多個區(qū)段式LEDs，并聯(lián)連接在所述第一電力軌與第二電力軌之間，所述區(qū)段式LEDs會生成強度大致為所述目標輸出強度的一集體光輸；
[0021]其中所述第一光源包含多個來自與所述第二光源不同群組的區(qū)段式LEDs，且