发光二级管灯泡及其制造方法

摘要

一发光二级管灯泡及其制造方法，其包含一基板，基板上至少有一发光二级管(LED)晶片，灯罩、金属接头及一塑胶灯壳，该塑胶灯壳为一体成型且具有高表面阻抗(绝缘)，可通过射出成型。该塑胶灯壳与基板接触处具有至少一孔洞，可埋入金属以促进塑胶散热鳍片对基板的热传导。本发明以高表面阻抗的导热塑胶做为灯壳，使LED驱动元件不须包覆塑胶而能以接触或通过空气传热的方式将热传至导热塑胶灯壳，且塑胶灯壳的内侧为导热塑胶，而不是金属，以达到促进LED驱动元件散热，延续使用寿命及安全的效果，并且因塑胶灯壳是塑胶组成易加工或成型，不但质轻也可降低成本与售价。

说明书

技术领域

本发明有关于一种发光二级管灯具，特别是指一种具塑胶灯壳及塑胶散热鳍片的发 光二级管灯泡及其制造方法。

背景技术

节能减碳议题及油电双涨议题近来发烧，我国照明产业也不断开发新技术，除了早 已普及的日光灯管及市占率愈来愈高的省电灯泡外，具有寿命高达20,000小时以上及 单位瓦数高流明特性的LED灯，自然是人们所能想到用以对抗高电价的主要候选者之一。

LED灯相对于传统灯管及萤光灯管具有更长的使用寿命，然而，要具有长的使用寿命 前提为LED驱动元件、晶片及基板散热良好。LED灯具的晶片尽管是属于低温发光。但是， LED灯具或灯管通常得由多颗LED来达成面光源，又因典型的作法是将LED晶片贴附于一 印刷电路板(PCB)，印刷电路板的背面再贴于铝板及连接铝挤型或压铸型散热鳍片。因此， 只要LED晶片注入电流所产生的热量散热困难，就会使得LED灯所产生的热在灯壳内累 积，而提早光衰。因此，LED灯泡几乎都包含了铝挤型或铝压铸型散热鳍片来提供散热， 上述的种种，是LED灯价格仍高的主要原因。

如前所述，LED照明目前多以压铸型散热鳍片做为散热元件，铝虽是相对轻金属，但 是，此材料制作的散热鳍片仍相当有份量，此外，如前所述加工成型不易，另铝本身也 是电的良导体。因此，虽然，单颗LED的驱动电压不到4V，在使用上多数是将多颗LED 晶片串、并联使用，以达到照明使用所需的流明。因此，LED的驱动元件整体电流电压(功 率)并不低。为考虑有触电等安全上的问题，部分厂商为确保电器使用上的安全，采取以 绝缘塑胶包覆或隔离式驱动元件。请参考图1-1的LED灯炮的截面图。由上而下包括： 灯罩10、LED晶片20、陶瓷基板(或PCB)30、电线40、绝缘包覆塑胶50、LED驱动元件(变 压器)60、铝灯壳80(包括铝制散热鳍片81)及金属接头(灯头)70。

这样的结构，除造成费用提高(包装LED驱动元件的绝缘包覆塑胶50，铝灯壳80(包 括铝制散热鳍片81)材料与制造费用)也容易使LED驱动元件散热不良，导致减损LED驱 动元件的使用寿命或必须加强铝制散热鳍片的面积。上述的种种都是LED灯价格仍高不 易大幅下滑的主因。

另有如图1-2及图1-3的LED灯泡的截面图，虽由塑胶做为灯壳，但塑胶灯壳85内 侧为金属片、金属环或金属套环92，该金属片、金属环或金属套环92可以为环状中管或 π型中管，当LED的基板30温度高于LED驱动元件60，基板30与LED驱动元件60间产 生温度梯度，热能将通过塑胶灯壳85内侧的金属传递给LED驱动元件60，反易造成LED 驱动元件60温度升高而减少使用寿命。

发明内容

本发明的目的为提供一种发光二级管灯泡，以高表面阻抗的导热塑胶做为灯壳，使 LED驱动元件不须包覆塑胶而能以接触或通过空气传热的方式将热传至导热塑胶灯壳，且 塑胶灯壳的内侧为导热塑胶，而不是金属，以达到促进LED驱动元件散热，延续使用寿 命及安全的效果，并且因塑胶灯壳是塑胶组成易加工或成型，不但质轻也可降低成本与 售价。

本发明的另一目的是提供一种发光二级管灯泡的制造方法，该方法制成的发光二极 管灯泡，以高表面阻抗的导热塑胶做为灯壳，使LED驱动元件不须包覆塑胶而能以接触 或通过空气传热的方式将热传至导热塑胶灯壳，且塑胶灯壳的内侧为导热塑胶，而不是 金属，以达到促进LED驱动元件散热，延续使用寿命及安全的效果，并且因塑胶灯壳是 塑胶组成易加工或成型，不但质轻也可降低成本与售价。

本发明提供一种发光二级管灯泡，包括：

一基板，其具有LED电路图案；

一个以上发光二级管晶片，其位于该基板上的LED电路图案上；

一LED驱动元件，其连接一外部电源，该LED驱动元件转换输出该外部电源为该 LED电路图案上该些发光二级管晶片驱动所需的输入电源；

一塑胶灯壳，其内容置该基板及该LED驱动元件，该塑胶灯壳由阻燃导热的电绝 缘材质制成，该塑胶灯壳具有一和该基板相贴合的灯壳上平面，该灯壳上平面设有出线 孔，该LED驱动元件的电源输出线穿过该出线孔连接该基板，该灯壳上平面还设有孔洞， 该孔洞内埋入金属片、金属环或金属套环，增加散热能力，该塑胶灯壳的内侧为塑胶；

一灯罩，其衔接于该塑胶灯壳上部，并位于该些发光二级管晶片上方，以提供出 光；及

一金属接头，其衔接于该塑胶灯壳下部，该外部电源由该金属接头输入，并输入 于该LED驱动元件的输入端。

在优选的实施方式中，所述塑胶灯壳的材料包含塑胶材料及填充材料，其中塑胶材 料选自聚碳酸酯（PC）及聚烯烃（polyolefin）其中的一种，填充材料选自由金属、金 属氧化物、非金属氧化物、非金属碳化物、非金属氮化物粉末、及其任意混合所组成的 群组中的任一种，该塑胶灯壳具备UL94V2以上的阻燃能力，表面阻抗达到大于1E+9Ω /sq，热导率超过1W/m-K，绝缘耐电压大于4KV。

在优选的实施方式中，所述塑胶灯壳还包含多个形成于其上的塑胶散热鳍片，该塑 胶灯壳与该些塑胶散热鳍片一体成型，该塑胶散热鳍片下缘与该金属接头间有0.1厘米 以上的圆柱高度。

在优选的实施方式中，所述金属片、金属环或金属套环埋在塑胶灯壳内且小于塑胶 灯壳的纵面高度。

在优选的实施方式中，所述LED驱动元件与塑胶灯壳间具有促进散热的散热片或散 热胶。

本发明还提供一种发光二级管灯泡的制造方法，至少包含以下步骤：

提供塑胶粒，该些塑胶粒是由塑胶材料、及填充材料粉末混合经加工而成，其中， 塑胶材料及填充材料粉末的重量比依据塑胶灯壳至少能够达到UL94V2以上的阻燃能力， 表面阻抗达到大于1E+9Ω/sq，热导率至少大于1W/m-K的要求而选定；

提供一塑胶灯壳成型模具，预置第一金属片于该成型模具的预设处，该第一金属 片的剖面选自由ㄇ字型及π字型所组成的群组中的一种；

以该塑胶灯壳成型模具为模具，对该些塑胶粒施以射出成型技术，以一体成型含 该第一金属片的塑胶灯壳（埋入成型/模内成型）；

将一包含发光二级管晶片的基板安装于该塑胶灯壳的灯壳上平面；

将一LED驱动元件，由塑胶灯壳下部出口安装于该塑胶灯壳内部，并将一电源线 穿过该灯壳上平面连接该基板；

衔接一金属接头于该塑胶灯壳下部，一外部电源通过该金属接头输入于该LED驱 动元件的电源输入端；及

连接一灯罩于该塑胶灯壳的灯壳上平面，以形成该发光二极管灯泡。

在优选的实施方式中，还包含混合染料于该塑胶粒的步骤，以使得成型的该塑胶灯 壳具有预定的颜色。

在优选的实施方式中，所述塑胶材料及填充材料粉末以聚碳酸酯（PC）及聚烯烃 （polyolefin）其中的一种为主材料，该填充材料选自由金属、金属氧化物、非金属氧 化物、非金属碳化物、非金属氮化物粉末、及其任意混合所组成的群组中的任一种

本发明还提供一种发光二级管灯泡的制造方法，至少包含以下步骤：

提供塑胶粒，该些塑胶粒是由塑胶材料、填充材料粉末，及染料混合而成，其中， 塑胶材料及填充材料粉末的重量比依据塑胶灯壳至少能够达到UL94V2以上的阻燃能力， 表面阻抗达到1E+9Ω/sq，热导率至少大于1W/m-K的要求而选定，该染料提供最后成品 的颜色；

提供一塑胶灯壳成型模具，该塑胶灯壳成型模具包含有散热鳍片结构，该散热鳍 片结构一体成型于该塑胶灯壳成型模具，在该塑胶灯壳成型模具的预定处预留有孔洞；

以该塑胶灯壳成型模具为模具，对该些塑胶粒施以射出成型，以一体成型该塑胶 灯壳；

将一包含发光二级管晶片的基板安装于该塑胶灯壳的灯壳上平面；

将一LED驱动元件，由塑胶灯壳下部出口安装于该塑胶灯壳内部，并将一电源线 穿过该灯壳上平面连接该基板；

衔接一金属接头于该塑胶灯壳下部，一外部电源由该金属接头输入于该LED驱动 元件的电源输入端；及

连接一灯罩于该塑胶灯壳的灯壳上平面，以形成该发光二极管灯泡。

在优选的实施方式中，还包含将一第一金属片压制于该塑胶灯壳上预留的孔洞处的 步骤，以增加散热能力，该第一金属片选自一金属环、多个金属片及两者所组成的群组 中的一种。

本发明的发光二级管灯泡及其制造方法的特点及优点是：该发光二级管灯泡包括一 铝基板，基板上至少有一发光二级管(LED)晶片，灯罩、金属接头及一塑胶灯壳，该塑胶 灯壳具有导热绝缘的效果，因此不需于LED驱动元件上额外包覆绝缘材料，该塑胶灯壳 甚至可达到优异散热性能及阻燃效果(UL94 V1以上，该塑胶灯壳可由聚碳酸酯(PC)或聚 烯烃(polyolefin)填充金属、金属氧化物粉末或其他非金属氧化物构成，塑胶灯壳有一 灯壳上平面与基板接触贴合，塑胶灯壳的灯壳上平面在成型过程中放入金属片、金属环 或金属套环于欲设位置的模具中后，将塑胶射出使金属片、金属环或金属套环埋入塑胶 灯壳中(埋入成型/模内成型insert molding)，形成一体成型含金属的塑胶灯壳，灯壳上 平面可以涂布散热膏、散热胶或使用散热片以加强散热及密接于基板能力。灯壳上平面 也可以于塑胶灯壳成型后选择性埋入金属片、金属环或金属套环。所述的金属片、金属 环或金属套环纵面埋在塑胶灯壳内(没有到塑胶灯壳底面)。此外，塑胶灯壳的上外侧壁 可选择性埋入金属片以促进塑胶灯壳对基板的热传导，该塑胶灯壳不管包不包含塑胶散 热鳍片都可以一体成型且具有高表面阻抗(绝缘)，可通过射出成型，并可回收重复使用； 灯罩为平面、凹面或凸面或光照涵盖角度可到达270度(全周式灯罩)，具透光性可以为 雾面或透明。

本发明的特点在于利用塑胶灯壳取代一般的金属铝壳及铝质散热鳍片，LED驱动元件 不须包覆绝缘材料，所以没有散热不良的问题，且具有易加工成型、质量轻、低成本、 个性化色彩、环保再利用等优点。

附图说明

图1-1显示现有LED灯具剖面图。

图1-2显示现有LED灯具剖面图。

图1-3显示现有LED灯具剖面图。

图2显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的发光二极管灯泡剖面图。

图3显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的发光二极管灯泡剖面图。

图4显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的发光二极管灯泡剖面图。

图5显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的发光二极管灯泡剖面图。

图6显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的发光二极管灯泡剖面图。

图7显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的立体示意图以图示灯壳上平面的环形孔 洞。

图8显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的立体示意图。

图9显示依据本发明所制造的具塑胶灯壳的剖面图，显示环形孔洞或凹洞内的金属 片、金属环或金属套环。

元件符号说明

10……灯罩                     20……LED晶片

30……基板                     40……电线

50……绝缘包覆塑胶             60……LED驱动元件

80……铝灯壳                   81……铝质散热鳍片

85……塑胶灯壳                 90……环形孔洞

86……塑胶散热鳍片             88……出线孔

92……金属片、金属环或金属套环 87……螺丝孔

91……圆柱体        70……金属接头

85A……灯壳上平面

具体实施方式

请参阅图2所示的本发明具塑胶灯壳的LED灯具剖面图。如图2所示，本发明的LED 灯具由上而下包括：灯罩10、LED晶片20、基板30、电线40、LED驱动元件(变压器)60、 塑胶灯壳85(包括塑胶散热鳍片86一体成型)及金属接头70。上述灯罩10是LED出光面， 可以是雾面，以减少LED的点光源性。基板30可以是一PCB(印刷电路板)基板具有LED 晶片承载座及电路图案，PCB基板30下部再贴于一铝基板上以提供更佳的热传导能力。

本发明的塑胶灯壳85上部是一和铝基板平行的平面(以下称灯壳上平面85A)。塑胶 灯壳的灯壳上平面85A在成型过程中放入金属套圈于欲设位置的模具中后，将塑胶射出 使金属埋入塑胶灯壳中(埋入成型/模内成型insert molding)，形成一体成型含金属的塑 胶灯壳(如图2、图3的剖面视图)。灯壳上平面85A也于塑胶灯壳成型后选择性埋入金属 片、金属环或金属套环92，例如图2中，金属片、金属环或金属套环92的截面是ㄇ形， 图3中金属片、金属环或金属套环92的截面是π形，图4中金属片、金属环或金属套环 92的截面呈现双T形，图5中金属片、金属环或金属套环92的截面呈向外延伸的倒L 形，图6中的金属片、金属环或金属套环92则是金属片或金属环。这里所述的水平面则 是灯壳上平面与基板30直接接触，纵面(由上至下)埋入于塑胶灯壳85内(没有到塑胶灯 壳底面)。

金属片、金属环或金属套环92不接触驱动元件的理由是LED晶片发光所产生的热使 基板温度通常高于驱动元件，由于温度的差异使基板与驱动元件间产生温度梯度，热通 过灯壳内部的金属传递到驱动元件，反而使驱动元件温度升高而减少寿命。为了避免上 述问题的产生，本发明的金属片、金属环或金属套环埋/嵌入塑胶灯壳内，但并没有到塑 胶灯壳底面，LED晶片发光所产生的热传到基板及金属片、金属环或金属套环92后，可 通过塑胶灯壳的塑胶散热，LED驱动元件60所产生的热则通过塑胶灯壳85内侧的塑胶传 到塑胶灯壳85外侧。此外，LED驱动元件的下侧与LED基座间可以选择性使用导热胶或 导热片促进LED驱动元件的散热。灯壳上平面85A可以涂布散热膏、散热胶或使用散热 片(未图示)以加强散热及密接于基板30能力。基板30以螺丝锁于灯壳上平面85A前， 基板30可以是金属基板或陶瓷基板。灯壳上平面85A可选择性涂上一些散热膏，以加强 密接能力。基板30也可以是金属基板而本发明的塑胶灯壳85的灯壳上平面85A正好可 以提供上述金属基板30的支撑，请参考图7所示包含灯壳上平面85A的塑胶灯壳85的 立体图。图7中灯壳上平面85A设有一出线孔88、四个螺丝孔87，及一环形孔洞90。

请注意，上述结构中，本发明并无现有的绝缘包覆塑胶50。这是因为本发明是采用 塑胶灯壳85(包含塑胶散热鳍片86，如图8所示)。塑胶灯壳85是由塑胶材料填充金属、 金属氧化物粉末或非金属碳化物、氮化物或氧化物粉末所组成，具电绝缘性。上述的塑 胶材料可以选自聚碳酸酯(PC)或聚烯烃(polyolefin)，而填充材料选自银、铝、金、铜、 镍、锌、氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、氧化锌、碳化钨等金属或金属氧化物或碳 化钨粉末。而非金属氧化物或碳化物、氮化物粉末则包括氮化硼、钻石、石墨、碳化硅、 氮化硅等其中的一种或多种粉末。塑胶灯壳85由塑胶材料混合上述填充材料粉末所组成 具有耐电压大于4KV，表面阻抗大于1E+9Ω/sq的绝缘特性，并合乎UL94 V2以上标准的 阻燃效果；UL94 V2是指美国保险商所制定的防燃标准，燃烧试验时必须在30秒内熄灭， 但滴垂塑胶可点燃外科棉花。更高的标准是UL94 V1及V0，UL94 V1与UL94 V0分别是 指燃烧试验时必须在30与10秒内熄灭，但滴垂塑胶不可点燃外科棉花。本发明所述的 塑胶灯壳85材料也符合UL94 V1及V0标准。

例如，上述的塑胶材料及填充材料的重量百分率混合比例如聚烯烃约为5～45%，填 充材料为35～95%，更多细节讨论，请参考申请人的另一专利申请案，中国台湾专利申请 案号为100140804。

灯壳与金属接头70间有0.1厘米以上的圆柱体91高度(请参见图2～图6)，以提高 塑胶灯壳造型美感。由于是塑胶灯壳85，成本、重量都会比现有铝制灯壳减少。灯壳不 管是简单的或特别造型的都可以很简易制作，因为本发明是塑胶灯壳85，凡是现有的塑 胶加工技术都可以很容易转移以制作本发明的塑胶灯壳85。出线孔88和塑胶灯壳85一 次成型。例如，塑胶灯壳85外部可以有多片塑胶散热鳍片86，也可以完全不以塑胶散热 鳍片86呈现。现有铝加工成本高，特别造型相对成本更高而不合经济效益。

在另一实施例中，如图9所示，灯壳上平面85A设有一些孔洞，或环形孔洞90。再 将一环型柱状金属片、金属环或金属套环92或多片组合的柱状金属片或长形金属环片压 入环形孔洞90中。柱状金属片可以增加散热面积，本发明中的绝缘导热塑胶具有良好的 导热能力(导热系数约1W/m-K至3W/m-K)。金属片、金属环或金属套环92并不需要额外 的导线，它们是埋入塑胶灯壳85内，所接收的热量可以直接通过大面积的塑胶灯壳85 再散热出去。

本发明也提供发光二级管灯泡的制造方法，步骤如下：

首先，将上述的塑胶材料、及填充材料粉末及染料混合再经加工及切削以制成塑胶 粒。其中，塑胶材料及填充材料粉末的重量比使得塑胶灯壳至少能够达到UL94 V2以上 的阻燃能力，表面阻抗达到大于1E+9Ω/sq，耐电压大于4KV，热导率至少大于1W/m-K 等要求而选定，染料混合于塑胶粒内，射出成型后，塑胶灯壳85直接就具有预定的颜色， 而无需再另外上色。

接着，准备一塑胶灯壳成型模具，并预置金属套圈于成型模具的预设处，金属套圈 的剖面为ㄇ字型(如图2)，π字型(如图3)。而上述成型模具的预设处，例如是灯壳上平 面85A的环形孔洞，或者是灯壳上平面85A预设的洞等，以使得塑胶灯壳在塑胶射出后 就含有金属套圈(埋入成型/模内成型)。因此，可以降低再加工的成本。当然，也可以在 塑胶灯壳成型后再另外压入金属片(环)。当然，这就会增加额外成本。

紧接着，对塑胶粒施以射出成型技术以射出一塑胶灯壳于模具上。

将塑胶灯壳自模具上分离，随后，将一包含发光二级管(LED)晶片的基板安装于塑胶 灯壳的灯壳上平面，其中，基板下方和塑胶灯壳的上平面涂布一些散热膏、散热胶或使 用散热片，以使得两者贴合的更好。接着，将一LED驱动元件，由塑胶灯壳下部出口安 装于塑胶灯壳内部，并将一电源线穿过该灯壳上平面连接于该基板。

随后，以粘胶将一金属接头衔接于塑胶灯壳下部，以提供外部电源由此输入于该LED 驱动元件的电源输入端；最后，再连接一灯罩于该塑胶灯壳的上平面，以形成发光二极 管灯泡成品。

本发明发光二级管灯泡具有以下优点：

1）使用塑胶灯壳85，具有塑胶的高表面阻抗，但却有接近金属散热性能及阻燃效果。

2）塑胶灯壳85上的塑胶散热鳍片也是阻燃导热塑胶，可通过射出成型，并可回收 重复使用。

3）以塑胶灯壳85替代铝壳体及铝质散热鳍片，重量相对更轻，材料成本及加工成 本都低。

4）灯壳上平面85A所埋入的金属片、金属环或金属套环可促进LED晶片、基板及LED 驱动元件将热传至塑胶散热鳍片。

5）LED驱动元件直接接触于塑胶灯壳，完全绝缘，不需要额外的塑胶壳体包装也没 有触电的危险。

6）塑胶灯壳使用埋入成型/模内成型一次完成(一体成型)，可减少加工、人力及节 能省碳。

7）塑胶散热鳍片与金属接头间有0.1厘米以上的圆柱体高度，以做为塑胶灯壳造型 上的美感。

8）塑胶灯壳的颜色，在塑胶粒阶段就可以依需要消费者喜好，混合已预定的染料， 不需另外再上色，减少成本，也可增加卖相。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于上 述实施例。凡熟悉此项技术的人员，当可轻易了解并利用其它元件或方式来产生相同的 功效。是以，在不脱离本发明的精神与范畴内所作的修改，均应包含在权利要求的范围 内。