CN101546795A - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光元件，包含：一壳体、一导热体、一半导体芯片、一封装胶体及一荧光层。该壳体具有一基壁，及一由该基壁的上表面周缘往上凸伸的周壁，于该基壁中央处形成有一穿孔，该基壁与该周壁共同界定一凹槽，且围绕该凹槽的壁面为一漫射面。该导热体设于该基壁的下表面侧，且该导热体的部分区域位于该穿孔底侧，使该穿孔处形成一内槽。该半导体芯片设于该导热体上并位于该内槽中。该封装胶体覆盖于该半导体芯片上，并充满该内槽及该凹槽。该荧光层覆盖于该封装胶体表面。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明是有关于一种照明用的半导体发光元件，特别是指一种使光线漫射以提高出光效率的半导体发光元件。
背景技术
一般照明用的半导体发光元件，通常以发光二极管(LED)为光源，并搭配荧光层，利用光源发出的光线照射荧光层，激发荧光层内的荧光粉发光，以使半导体发光元件可以产生预定颜色的光线。
目前荧光层的设置，一般采用导角涂布(conformal coating)或间接涂布(remote phosphor)的方式。导角涂布是将荧光层分布于发光二极管芯片的四周。间接涂布是使荧光层与发光二极管芯片间隔一定距离，而未直接接触。在Narendran等人的研究(N.Narendran，Y.Gu，J.P.Freyssinier-Nova，and Y.Zhu，“Extracting phosphor-scattered photonsto improve white LED efficiency”，phys.stat.solidi(a)202(6)，R60-R62)揭露，由于荧光粉为点光源，因此，荧光粉被激发的光线大部分朝向发光二极管芯片方向，使得大约60％的光会反射回半导体发光元件内。再者，现有的发光二极管芯片大多设置在一近似于上下倒置的截角锥形的反射体中，利用反射体辐射发光二极管芯片所发射的光束，例如中华民国发明专利公告号第315528号所揭露者。而在荧光层是以间接涂布方式设置的半导体发光元件中，反射体亦可将荧光层被激发的光线往发光二极管芯片方向聚焦。
然而，因为发光二极管芯片亦会吸收反射光，使得往发光二极管芯片聚集的光线大部分被芯片吸收，导致出光效率降低。
此外，由于反射体为光滑表面，与封装胶体的结合性较差，容易渗入湿气，对发光二极管芯片的性能有不良影响。
因此，如何提高间接涂布式的半导体发光元件的出光效率及可靠度，仍有很大的改进空间。
发明内容
因此，本发明的目的，即在提供一种可以提高出光效率及可靠度的半导体发光元件。
于是，本发明半导体发光元件，包含：一壳体、一导热体、一半导体芯片、一封装胶体及一荧光层。该壳体具有一基壁，及一由该基壁的上表面周缘往上凸伸的周壁，于该基壁中央处形成有一穿孔，该基壁与该周壁共同界定一凹槽，且围绕该凹槽的壁面为一漫射面。该导热体设于该基壁的下表面侧，且该导热体的部分区域位于该穿孔底侧，使该穿孔处形成一内槽。该半导体芯片设于该导热体上并位于该内槽中。该封装胶体覆盖于该半导体芯片上，并充满该内槽及该凹槽。该荧光层覆盖于该封装胶体表面。
依据几何光学，光入射一介质时，会有一部分的光被该介质反射、一部分的光可穿透该介质，以及一部分的光被该介质吸收，而定义：
反射率(Reflectance)+穿透率(transparency)+吸收率(absorptivity)＝1；
其中反射率＝镜射率(spectra1)+漫射率(diffused)。
再定义本发明所称的漫射面是指：一种可使入射光反射的表面，且光的反射率中，漫射率大于镜射率。亦即，可使光线的反射率中的漫射率大于镜射率的表面，皆可做为本发明的漫射面。并以能使漫射率较高的漫射面较佳，藉此，可避免该荧光层产生的荧光被聚焦至该半导体芯片而被芯片吸收。适用于漫射面的具体例，例如粗糙表面。以粗糙表面形成漫射面，可增加与该封装胶体的密合性，防止湿气渗入，而能提升产品的可靠度。
本发明的壳体以还具有一由该基壁的上表面沿该穿孔周缘往上凸伸的凸部，并使该内槽往上延伸为较佳。藉由凸部可降低该半导体芯片的反射光及该荧光层产生的荧光入射该半导体芯片的机率，即可降低反射光及荧光被芯片吸收的机率。
再者，本发明半导体发光元件还可包含一设于该壳体上且未与该导热体接触的导线架，用以使该半导体芯片与一外部电路电连接。该导线架与该导热体分开设置，以区隔电性与热传导途径，可避免漏电的危险。
此外，适用于本发明的封装胶体，其折射率小于或等于该荧光层的折射率，及小于或等于该半导体芯片的折射率。较佳地，该封装胶体包括一位于该内槽中的内层及一位于该内槽外的外层，且该外层的折射率小于该荧光层的折射率及该内层的折射率。该内层的折射率小于或等于该半导体芯片的折射率，并以接近该半导体芯片的折射率者较为合适。由于光线由高折射率的介质进入低折射率的介质时，容易产生全反射，因此，该荧光层产生的荧光，进入折射率较低的该外层时，可提高全反射的机率，以增加出光效率，并且，该内层可具有缓冲的功能，以避免该半导体芯片发出的光线进入折射率较低且落差较大的介质，直接反射回芯片而被吸收。
适用于本发明的荧光层，可由荧光体混合于胶体中所形成，该荧光体可泛指荧光粉或磷光粉，可吸收该半导体芯片所产生的一部分光，而产生荧光或磷光。
综合上述，本发明半导体发光元件的壳体具有漫射面及凸部，可降低反射光及荧光被芯片吸收的机率，以提升出光效率。再加上封装胶体的内层与外层折射率的差异，更可增加提升出光效率的效果。此外，藉由漫射面为粗糙表面，可增加与封装胶体的密合性，以防止湿气的渗入，而能增加产品的可靠度。再者，导线架与导热体分开设置，可区隔电性与热传导途径，以避免漏电的危险。
附图说明
图1是一立体图，说明本发明半导体发光元件的一较佳实施例；
图2是一图1的另一角度视图，说明该较佳实施例的底部结构；
图3是一沿图1的III-III直线所取的剖视图，说明该较佳实施例的内部结构；及
图4是一图1的俯视图，说明该较佳实施例。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
参阅图1、图2、图3与图4，本发明半导体发光元件1的一较佳实施例包含：一壳体2、一导热体3、一半导体芯片4、一导线架5、一封装胶体6及一荧光层7。
壳体2具有一基壁21，及一由基壁21的上表面周缘往上凸伸的周壁22，于基壁21中央处形成有一穿孔23，基壁21与周壁22共同界定一凹槽24，且围绕凹槽24的壁面为一漫射面25。此外，壳体2还具有一由基壁21的上表面沿穿孔23周缘往上凸伸的凸部26，及一由基壁21的部分下表面往内凹陷而成的凹部27，凹部27的范围涵盖穿孔23的区域。
导热体3设于基壁21的下表面侧并嵌设于凹部27处，且导热体3的位于穿孔23底侧，使穿孔23处形成一内槽。其中该导热体的位置或大小可视散热或产品设计而定，故以图3为例，该导热体3上表面的部份区域由该穿孔23露出。
半导体芯片4设于导热体3上并位于穿孔23形成的内槽中，半导体芯片4其所产生的热能就可藉由导热体3传导至外界。此外，该半导体芯片4可以为任一种发光二极管芯片，举例来说，其可以为氮化镓(GaN)发光二极管芯片，也可以是做过表面处理的二极管芯片，如氧化硅包覆的氮化镓(GaN)发光二极管芯片，其氧化硅的折射率为1.8。
导线架5设于壳体2上，包括两个分别设于导热体3两侧并与导热体3相间隔的部件51，及多条分别电连接各部件51与半导体芯片4的金属导线52。该等部件51可用以与一外部电路(图未示)电连接。藉由导线架5可使半导体芯片4与外部电路电连接，且导线架5未与导热体3接触，可区隔电性与热传导的途径，以避免漏电的危险。
封装胶体6覆盖于半导体芯片4上，并充满穿孔23形成的内槽及凹槽24，而封装胶体6表面上覆盖了一荧光层7，其中该荧光层7系包含胶体及分布于胶体中的荧光体。
此外，该封装胶体6包括一位于穿孔23形成的内槽中的内层61及一位于穿孔23形成的内槽外的外层62，其外层62的折射率系小于内层61的折射率。
更进一步的说，封装胶体6皆由具有高穿透性的透光材料(如硅胶、环氧树脂等)所制成，故当其内层61可采用折射率约1.5的硅胶，外层62则可采用一折射率约1.4的硅胶。而荧光层7的部分，其折射率须大于封装胶体之外层62，故可由折射率约1.5的硅胶混合有折射率约1.8的钇铝石榴石(YAG)荧光粉(荧光体)所制成，使荧光层7的折射率介于1.5至1.8之间。
本实施例虽使用荧光体与胶体形成荧光层7，但是也可以使用磷光体与胶体形成荧光层，并不以本实施例为限。
在本实施例中，壳体2是由混合有玻璃纤维的高分子材料所制成，可使围绕凹槽24的壁面(即漫射面25)及穿孔23形成的内槽的壁面为粗糙表面，藉此，不仅能提升入射于漫射面25所形成的反射光的漫射率，且能增加漫射面25及穿孔23形成的内槽的壁面与封装胶体6的密合性，以避免湿气渗入而影响半导体芯片4的性能，可提升产品的可靠度。此外，制作壳体2的材料以具有环氧基、C1-C6烷基、苯基或胺基等官能基的材料较佳，藉此能增加壳体2与封装胶体6的密合性。
半导体芯片4经由外部电路提供电能可发出特定波长范围的光线，部分光线可被荧光层7的荧光体吸收而产生荧光，不论是半导芯片4产生的光或者荧光，入射于漫射面25后不会往半导体芯片4聚焦，并且壳体2的凸部26可阻挡射向半导体芯片4的光线，以降低光线被半导体芯片4吸收的机率。再者，封装胶体6的外层62的折射率小于荧光层7的折射率，可增加射向外层62的荧光产生全反射的机会。而利用内层61的折射率高于外层62，且内层61的折射率略低于半导体芯片4的折射率，则可降低半导体芯片4发出的光入射封装胶体6时，产生全反射的机会，以避免再反射回半导体芯片4而被吸收。藉由降低光线被半导体芯片4吸收的机率，以及增加荧光产生全反射的机会，能大幅提升间接涂布荧光层7的半导体发光元件1的出光效率。
归纳上述，本发明半导体发光元件可具有较佳的出光效率及产品的可靠度，并且导线架与导热体分开设置，可避免漏电的危险，具有较佳的安全性，故确实能达成本发明的目的。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种半导体发光元件，包含：
一壳体，具有一基壁，及一由该基壁的上表面周缘往上凸伸的周壁，在该基壁中央处形成有一穿孔，该基壁与该周壁共同界定一凹槽，且围绕该凹槽的壁面为一漫射面；
一导热体，设于该基壁的下表面侧，且该导热体的部分区域位于该穿孔底侧，使该穿孔处形成一内槽；
一半导体芯片，设于该导热体上并位于该内槽中；
一封装胶体，覆盖于该半导体芯片上，并充满该内槽及该凹槽；及
一荧光层，覆盖于该封装胶体表面。
2.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该壳体还具有一由该基壁的上表面沿该穿孔周缘往上凸伸的凸部，并使该内槽往上延伸。
3.依据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，该壳体还具有一由该基壁的部分下表面往内凹陷而成的凹部，该凹部的范围涵盖该穿孔的区域，且该导热体嵌设于该凹部处。
4.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于还包含一设于该壳体上且未与该导热体接触的导线架，用以使该半导体芯片与一外部电路电连接。
5.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该封装胶体的折射率小于或等于该荧光层的折射率。
6.依据权利要求1或5所述的半导体发光元件，其特征在于，该封装胶体的折射率小于或等于该半导体芯片的折射率。
7.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该封装胶体包括一位于该内槽中的内层及一位于该内槽外的外层，且该外层的折射率小于该荧光层的折射率。
8.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该封装胶体包括一位于该内槽中的内层及一位于该内槽外的外层，且该外层的折射率小于该内层的折射率。
9.依据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该内层的折射率小于或等于该半导体芯片的折射率。
10.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该穿孔呈方形。
11.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该封装胶体由具有高穿透性的透光材料所制成。
12.依据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，该透光材料选自环氧树脂或硅胶。
13.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，围绕该凹槽的壁面为粗糙表面以形成该漫射面。
14.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该半导体芯片发出的光线，入射该漫射面产生反射光的反射率中，漫射率大于镜射率。
15.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该半导体芯片为发光二极管。
16.依据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该壳体由具有官能基的材料所制成，该官能基选自环氧基、C1-C6烷基、苯基或胺基中的至少一者。
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