CN102376843A - Led封装透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有反射膜的LED封装透镜，该LED封装透镜包含：一平凸透镜，所述平凸透镜的底平面镀有一反射膜，该所述底平面中央具有一凹槽，因此封装该所述平凸透镜置于LED的载板时，该所述凹槽可容置该所述LED。反射膜位于LED封装透镜的底平面，以提高LED的发光亮度。封装透镜可搭配滤光片，选择光源波段。此外，封装透镜可搭配增透膜，增加LED透光率。

Description

LED封装透镜

技术领域

本发明系关于一种LED(Light Emitting Diode)封装透镜，特别是一种具有反射膜的LED封装透镜。

背景技术

LED芯片长时间暴露在大气中，会受到水汽或其他环境中的化学物质影响而老化，造成特性的衰退，选用适合的基材可提供LED芯片足够的机械保护。主要用于LED的基材，有导线架、金属基板、低温共烧陶瓷基板等。其中，以低温共烧陶瓷基板的热膨胀系数与半导体最为接近，可提供一个可靠度高的LED基材。

利用高透明度的环氧树酯与硅胶封装材料包覆发光二极管，是一种广为使用的封装方法。为了提升LED组件的聚光性、耐热性，耐变色性与强化机械强度与防止湿气进入影响萤光粉的特性，许多封装大厂使用玻璃透镜作为封装材料。

图1A至图1B为现有技术的LED封装透镜示意图。图1A为传统平凸透镜10，透镜具有一透光平面与一透光弧面，透光平面中央有一凹槽。LED芯片20贴于导线架(载板30)后，与封装透镜10结合，使LED芯片位于凹槽内，(如图1B所示)。常见的LED封装载板30为陶瓷、金属板等。其中，LED芯片20产生的光线，部分经由透镜穿透射出，另一部分光线经由透镜界面反射，光线反射后被载板30表面吸收，并没有办法穿过透镜，造成LED发光亮度的损耗(图1B)。

为了减少LED光源的损耗，LED封装完成后，搭配一外部反射片70，降低光源损耗，但是外部反射结构70无法降低LED封装透镜10造成的光源损耗(图1C)。

因此，如何提供更好的封装材料，又能减少内反射光源的损失，同时兼顾光源强度与机械强度。是本发明所欲解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的系提供一种具有内反射膜的LED封装透镜，使部分的光线可藉由反射膜射出。因此，相较于传统的封装透镜，使用具有反射膜的封装透镜光源亮度较高。

本发明的另一目的系提供一种具有滤光片的LED封装透镜，滤光片位于透镜凹槽，LED芯片的光源发光处。藉由滤光片对光源进行过滤，选择LED光源波段。此外，于封装透镜弧面外缘可增加增透膜，增加透光率，提高LED发光亮度。

关于本发明所述的LED封装透镜，可以藉由以下发明详述及所附图式，得到进一步的了解。

附图说明

图1A为现有技术LED封装透镜剖面示意图；

图1B为现有技术LED封装透镜、LED芯片与载板的剖面示意图；

图1C为现有技术LED与反射片的示意图；

图2为本发明LED封装透镜的剖面示意图；

图3为本发明具有增透膜与滤光膜的LED封装透镜剖面示意图；

图4为在基板(NS)上镀一层厚度为d、折射率为N的薄膜的剖面示意图；以及

图5为薄膜反射率与光学厚度的变化关系图。

附图标号

10        LED封装透镜

20        LED芯片

30        载板

40        反射膜

50A、50B  增透膜

60        滤光片

70        外部反射结构

具体实施方式

为了能更清楚描述本发明所提出的LED封装透镜的特征，以下将配合图式详细说明之。在本发明中，以一LED封装透镜作为一实施例，配合图示作详细的叙述。

LED上游外延晶片经过切割后成为芯片，之后将芯片粘贴在导线架上，进入下游LED封装工艺。依照不同LED产品的应用，有不同LED芯片封装技术与材料。

一般而言，LED封装透镜为平凸透镜10，形状为半球形、圆顶(dome)、半椭圆形或圆顶的截头体(frustum，如切去头端(truncated)的圆顶)等。透镜材料可为玻璃、石英或塑胶等。其中，常见的塑胶透镜材料为：环氧树脂(epoxy)、聚碳酸酯(PC)、硅胶(silicone)等。

图2为本发明提出的LED封装透镜示意图，平凸透镜具有一透光平面与一透光弧面，透光平面中央有一凹槽，利用电浆离子法、涂布法或蒸镀法，于平凸透镜10的平面形成反射膜40于其上。较宜者，反射膜40可为金属膜或无机材料膜或金属膜加无机材料膜，金属膜材料可选自下列的一者：金、银、铝及其合金。上述的无机材料膜可为二氧化钛层与二氧化硅层交替组合而成的多层膜。

LED芯片20贴于导线架(载板30)后，与封装透镜10结合，使LED芯片20位于凹槽内，因此凹槽处不应具有反射膜。LED芯片有两种基本结构，横向结构(Lateral)和垂直结构(Vertical)。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-类型和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。

上述的LED芯片20产生的光线穿过凹槽，部分光线经由平凸透镜10的透光弧面向外透光，另一部分未穿透透光面的光线，于透光弧面反射至反射膜40，经由反射膜40反射射出透光弧面，有效提高光源亮度。

如图3所示，于透光弧面表面可更包含增透膜(AR)50A，增加透光弧面的透光率。较佳者，在透镜的凹槽内表面具有增透膜50B。增透膜50A、50B材料可为二氧化钛(TiO₂)与二氧化硅(SiO₂)多层薄膜、氟化镁(MgF₂)、二氧化锆(ZrO₂)与二氧化硅(SiO₂)多层薄膜等。

为了使封装后的LED可产生特定波段光源，于透镜的凹槽内可形成滤光片60(图3)。藉由滤光片60，可使LED过滤出不同波段的光线。于本实施例中，滤光片60的材料可为二氧化钛(TiO₂)与二氧化硅(SiO₂)多层薄膜。光学薄膜基本原理如下：

依照马克士威(Maxwell)电磁场理论，可以解释变化的电磁场在空间中的传播现象，光波亦包括在电磁场之中。研究薄膜系统的光学特性，从理论观点而言，就是研究平面电磁波通过分层介质的传播现象。

折射率为N，厚度为d的单层膜，在基板折射率为NS上，构成两个界面a与b，λ为波长。为了方便讨论，假设所有的介电质材质均匀且具均向性，其界面平行且无限延展(图4)。

由膜矩阵的概念，可以解释随着不同的薄膜，其光学特性将有不同的表现的原因。在一个薄膜系统中，光束将在每一个界面上多次反射，因此涉及到大量光束的干涉现象，若薄膜内吸收情形无法忽略，则计算更加复杂，故直接由多光束干涉特性来计算似乎相当的繁琐。因此通常采用膜矩阵的方法，其中每一个(2×2)矩阵代表一个薄膜，可写成为

$M=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \frac{1}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\δ}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]$

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{Nd}$

a、b介面上的电磁场关系可以写成

$\left[\begin{array}{c}{E}_a\\ H_a\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \frac{1}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\δ}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_b\\ H_b\end{array}\right]$

在讨论光学薄膜系统的特性分析和计算方法时，主要是采用特征导纳的矩阵法，此方法也构成了光学薄膜的计算与设计的基础。

当光垂直入射单层膜时，且光学薄膜厚度N_d为(2λ₀/2)、λ₀、(3λ₀/2)…，膜层对波长的反光强度不变；若光学薄膜厚度N_d为(λ₀/4)、(3λ₀/4)、(5λ₀/4)…，反射率将为极大值或极小值，且其值决定于膜的折射率是大于还是小于基板的折射率，当n＞n_s时，反射率为极大值，在n＜n_s时，反射率为极小值，如图5所示。

由上述分析可见，一层光学薄膜厚度为四分之一波长，且折射率够低的薄膜，可作为抗反射膜，使表面反射率降低，例如在玻璃(BK7，n＝1.53)表面镀上单层氟化镁(MgF₂，n＝1.38)，即为一种简单结构的抗反射膜。相对的，若在玻璃表面镀上一层折射率足够高的材料，它将大大增加玻璃表面的反射率，因此这种薄膜可作为一种很好的分光镜，单层的二氧化钛(TiO₂，n＝2.2)或硫化锌(ZnS，n＝2.35)薄膜常作为这种用途，反射率约可达30％左右。

多层膜基本上为单层膜的迭加，因此计算多层膜的电磁场行为亦可重复利用单层膜的矩阵行列式，其整组的膜矩阵为各单层膜的乘积。其膜矩阵可以写为

$M=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{M}_j=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_j& \frac{1}{{\mathrm{\η}}_j}\sin {\mathrm{\δ}}_j\\ i{\mathrm{\η}}_j\sin {\mathrm{\δ}}_j& \cos {\mathrm{\δ}}_j\end{array}\right]$

而多层膜介面电磁场关系亦可写成

$\left[\begin{array}{c}{E}_0\\ H_0\end{array}\right]=M_1{M}_2\·\·\·M_m\left[\begin{array}{c}{E}_m\\ H_m\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{E}_m\\ H_m\end{array}\right]$

由此便可进一步推算出多层膜的穿透率与反射率。

依据上述的公式，配合所需的用途(反射膜或增透膜)，以光源波长(λ)计算薄膜层数与各层厚度的关系，以制备所需光学薄膜。

于本实施例的一较佳范例，针对波长区段400nm至500nm的高反射光学薄膜结构如下表：

层数	材料	厚度(nm)
			基材(Substrate)	玻璃或石英玻璃或塑胶
1	TiO2	73.59
			2	SiO2	111.91
3	TiO2	72.59
			4	SiO2	133.73
5	TiO2	59.06
			6	SiO2	129.86
7	TiO2	47.77
			8	SiO2	129.63
9	TiO2	59.73
			10	SiO2	116.02
11	TiO2	71.54
			12	SiO2	117.87
13	TiO2	62.79
			14	SiO2	120.2
15	TiO2	57.76
			16	SiO2	131.78
17	TiO2	58.16
			18	SiO2	115.36
19	TiO2	67.6
			20	SiO2	82.93
21	TiO2	62.21
			22	SiO2	92.32
23	TiO2	57.66
			24	SiO2	89.5
25	TiO2	51.71
			26	SiO2	88.6
27	TiO2	48.18
			28	SiO2	98.1
29	TiO2	59.72
			30	SiO2	86.46
31	TiO2	52.36
			32	SiO2	87.71
33	TiO2	53.81
			34	SiO2	85.67
35	TiO2	54.52
			36	SiO2	87.34
37	TiO2	46.28
			38	SiO2	78.33
39	TiO2	46.34
			40	SiO2	60.74
41	TiO2	41.98
			42	SiO2	64.92
43	TiO2	47.99
			44	SiO2	60.85
45	TiO2	51.43
			46	SiO2	57.34
47	TiO2	50.68
			48	SiO2	57.26
49	TiO2	49.3
			50	SiO2	56.96
51	TiO2	41.67
			52	SiO2	74.24
53	TiO2	39.28
			54	SiO2	129.28
介质	空气

上述的LED封装透镜其形成方法如下，首先，利用玻璃模造成型法或塑胶射出成型法，于模具内形成平凸透镜，平凸透镜具有底平面，且底平面中央有一凹槽。为了避免薄膜形成过程中，遮蔽物因温度过高而变形，一般使用金属类的材质遮蔽凹槽处，常见的遮蔽物为铝片、白铁等。遮蔽凹槽处后，于平凸透镜平面形成反射膜40。接着，于弧面表面形成增透膜50A。移除凹槽的遮蔽物，并遮蔽反射膜40，接着，于凹槽表面形成增透膜50B或\与滤光片60，增透膜50B可位于滤光片60之上或之下。上述的薄膜的形成方法可为电浆离子法、涂布法或蒸镀法。

以一较佳的实施例而言，光学薄膜制作方法为蒸镀法，其方法为：将薄膜材料由固态转化为气态或离子态，而气态或离子态的材料藉由蒸发方式，抵达透镜表面。当气态或离子态材料抵达玻璃表面后，逐渐沉积形成薄膜。为了使薄膜能拥有高纯度，较宜者应于高真空环境下沉积。

以另一较佳的实施例，薄膜可利用离子电浆辅助电子槍方式沈积而成。离子源的功率须视透镜(基板)材料性质调整强弱，材质较坚硬的透镜功率较高，但材质较软的透镜离子源的功率较低一些，以免伤到透镜。如果透镜的厚度较厚，则需增加透镜的预热时间，同理较不易受热的透镜材料预热时间较长。详情可参考发明人另一中国台湾专利申请案99114564，相关的反应条件如下。

材料	起始真空pa	样品托盘温度	放氧后的真空pa	镀膜速率	电子枪电流
						SiO2	2×10-3	230℃	9*10-3	8A/sec	250mA
Ti3O5			2.2*10-2	4A/sec	500mA

离子源

其中，中和器作用是放电中和离子源的电荷，因此有匹配的比例。假如离子源的电流为900mA，中和器匹配的比例为150％，中和器所放的电流值为1350mA。

综上，本发明所提供的LED封装透镜10，利用内反射膜40，达到减少光源损耗，提高LED光源亮度。再者，透镜的透光面可具有增透膜，增加光源透光率，提高LED光源亮度。另外，使用具有滤光片的透镜，可选择光源波段，产生所需波段的光线。

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。凡本领域技术人员，当可轻易了解并利用其他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内。

Claims (8)

1.一种LED封装透镜，其特征在于，所述透镜包含：

一平凸透镜，所述平凸透镜的底平面镀有一反射膜，所述底平面中央具有一凹槽，因此封装所述平凸透镜置于LED的载板时，所述凹槽可容置所述LED。

2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜材料选自下列的一者：玻璃、石英玻璃、塑胶。

3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜更包含一透光弧面，所述透光弧面更具有一增透膜。

4.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜更包含一增透膜，于所述凹槽内表面。

5.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜更包含一滤光片，于所述凹槽内表面，以选择特定波段光源。

6.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述反射膜为金属膜，所述金属膜材料选自下列的一者及其任意组合：金、银、铝。

7.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述反射膜为二氧化钛层与二氧化硅层交替组成的多层膜。

8.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜形状选自下列的一者：半球形、圆顶、半椭圆形、圆顶的截头体，切去头端的圆顶。

Images