CN102468407A

CN102468407A - 一种紫外发光二极管

Info

Publication number: CN102468407A
Application number: CN2010105649424A
Authority: CN
Inventors: 周瓴
Original assignee: Qingdao Jason Electric Co Ltd
Current assignee: Qingdao Jason Electric Co Ltd
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明公开了一种紫外发光二极管，包括发射紫外光线的发光芯片；在所述发光芯片的出光面上黏附有间隔层，所述间隔层的紫外波段折射率大于1.3且在紫外波段有大于50％的透过率；在所述间隔层上黏附有透镜，所述透镜在紫外波段有大于50％的透过率。本发明的紫外发光二极管通过在发光芯片的出光面上紧密黏附高紫外透过率的间隔层和透镜，从而大大提高了紫外LED的出光效率，降低了光衰速度，避免了器件的老化问题，延长了其使用寿命。

Description

一种紫外发光二极管

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体地说，是涉及一种能发射紫外光线的发光二极管。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量，从而直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫色的光，而且可以通过芯片组合或涂敷荧光粉发出混合色光，比如白光。

LED从二十世纪60年代研制出来并逐步走向市场化，其封装技术也在不断改进和发展。LED封装是指发光芯片的封装，相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护管芯，而且还要能够透光，所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。

目前，可见光LED的封装普遍采用图1所示的方式，即将发光芯片4的衬底连接在热沉3上，然后将热沉3连接在底座2上，发光芯片4的键合引线通过底座2上制作的两个接触点与正、负极管脚1相连接。在所述底座2上还安装有透镜5，将所述发光芯片4罩扣在其中，以起到保护发光芯片4、避免其遭受外物损坏的作用。在这种常见的LED封装内部填充有稳定的柔性胶凝体6，在常用温度(-40～120℃)范围内，不会因为温度骤变产生的内应力而使金线与框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污。但是，光程为3毫米以上时，这种可见光LED由于其所使用的环氧树脂透镜6和柔性胶凝体6的透过率在300纳米波段以下基本为零，因此，不适合采用该封装方式来制造紫外发光二极管。即使换用高紫外透过率的胶凝体，也会在长期使用中由于紫外辐射加老化而衰减很快。

为了使发光二极管能够发射紫外光线，外国某企业提出了如图2所示的发光二极管封装方式，即将发射紫外光线的发光芯片4安装在热沉3或导热黏附层上，然后一同装入管壳7内，所述管壳7可以是金属TO管壳，也可以是陶瓷管壳等。在管壳7顶面安装透镜5，从而将发光芯片4和热沉3封装于管壳7和透镜5所形成的腔室中，以避免发光芯片4遭受损坏。所述发光芯片4的正、负极引线穿过管壳7与设置在管壳7底部的电极管脚1相连接。这两种封装方式采用裸芯，即气体(如空气或惰性气体)界面，虽然实现了紫外光线的透射，并可以尽量避免老化问题，但是要以大大降低出光效率为代价。原因是气体的折射率接近1，导致芯片/气体界面的全反射现象，降低了芯片的出光效率。

由于紫外波段小于400纳米，在制作紫外发光二极管时，需要紫外透过率高并且有高紫外波段折射率的封装材料和封装方式。透明度直接影响出光强度，而在紫外波段的折射率也决定了半导体发光二极管的提光效率。此外，可见光LED的灌封用材料光程很长，也导致其在紫外线照射下老化，透明度迅速衰减。因此，目前已经普及的红、蓝等可见光LED封装方式显然不能满足以上要求。而国际上采用的远紫外LED封装方式限于把裸芯覆盖在石英玻璃下，因此光提取效率低下。基于此，目前迫切需要找到适合紫外发光二极管的封装方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外发光二极管，通过采用特殊的封装方式，提高了紫外光线的透过率和提取效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种紫外发光二极管，包括发射紫外光线的发光芯片；在所述发光芯片的出光面上黏附有间隔层，所述间隔层的紫外波段折射率大于1.3且在紫外波段有大于50％的透过率；在所述间隔层上黏附有透镜，所述透镜在紫外波段有大于50％的透过率。

其中，所述透镜为非平面透镜，其形状可以是半球体、曲面体、锥体、金字塔形或者不规则体，用于减小与空气界面的全反射现象，优选采用半球体透镜。

优选的，所述透镜采用硬质抗衰老材料制成，其黏附间隔层的底面应大于发光芯片的出光面。为了避免对紫外光线造成衰减，优选采用无机材质的透镜。

进一步的，所述间隔层可以是一层，也可以是多层，且厚度在3毫米以下，优选的封装方式为间隔层整体厚度在0.1毫米以下，以保证该间隔层在紫外波段有大于50％的透过率；当所述间隔层为多层时，每一层间隔层的紫外波段折射率均大于1.3。

作为所述紫外发光二极管的其中一种具体封装方式，可以将所述发光芯片连接在热沉上，将所述热沉安装于底座上，底座上安装透镜罩，所述热沉、发光芯片、间隔层和透镜位于所述底座与透镜罩所形成的腔室内，在所述腔室中可以填充紫外波段透过率大于50％的填充物。

优选的，所述填充物可以是树脂、水、硅胶或者胶凝体等透明介质。

作为所述紫外发光二极管的另外一种具体封装方式，可以将所述发光芯片安装于管壳凹腔的底面上，管壳凹腔的内周壁与凹腔底面形成一定夹角，优选在130°～140°之间，且在所述管壳凹腔的内周壁上设置有反光碗；所述透镜的一部分位于所述管壳的凹腔内，另一部分外露于管壳，且在所述管壳的凹腔内填充有填充物。

优选的，所述填充于管壳凹腔内的填充物可以是硅胶或者树脂等固态介质；所述反光碗优选采用高紫外反射率的材料制成，比如铝或者Teflon等；所述管壳凹腔的内周壁与凹腔底面所成夹角优选为135°，以实现侧光反射。

作为所述紫外发光二极管的第三种具体封装方式，可以将所述发光芯片安装于管壳凹腔的底面上，管壳凹腔的内周壁与凹腔底面形成一定夹角，优选在130°～140°之间，且在所述管壳凹腔的内周壁上设置有反光碗；将所述透镜全部落入所述管壳的凹腔内，且在管壳凹腔的顶面封装透镜罩。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的紫外发光二极管通过在发光芯片的出光面上紧密黏附高紫外透过率的间隔层和透镜，从而大大提高了紫外LED的出光效率，降低了光衰速度，避免了器件的老化问题，延长了其使用寿命。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是现有红、蓝等可见光LED封装方式的结构示意图；

图2是现有远紫外LED封装方式的结构示意图；

图3是本发明所提出的紫外发光二极管的一种实施例的结构示意图；

图4是本发明所提出的紫外发光二极管的另外一种实施例的结构示意图；

图5是本发明所提出的紫外发光二极管的第三种实施例的结构示意图；

图6是本发明所提出的紫外发光二极管的第四种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

实施例一，本实施例的紫外发光二极管为了提高紫外光线的出光效率，在对能够发射紫外光线的发光芯片4进行封装时，改变发光芯片4裸芯的现有状态，而是在发光芯片4的出光面上黏附一个间隔层8，参见图3所示，所述间隔层8要求有大于1.3的紫外波段折射率和在紫外波段有大于50％的透过率，以达到提高紫外光线出光效率的设计目的。另外，在所述间隔层8上还需进一步黏附一个透镜9，所述透镜9在紫外波段也应具有大于50％的透过率。所述透镜9、间隔层8和发光芯片4呈层叠关系，且相邻的两者之间紧密结合，间隔层8可设计得尽量薄，以显著降低光衰。

为了使通过发光芯片4发出的紫外光线能够通过透镜9尽可能多的发射出去，所述透镜9应选择非平面透镜，比如可以选择形状为半球体、曲面体、锥体、金字塔形、密排图案、光子晶体或者不规则体的透镜，以提高紫外光线从透镜9的出射率，即避免降低紫外LED的出光效率。在本实施例中，所述透镜9优选采用半球体透镜，这样可以保证发光芯片4发出的紫外光线以几乎垂直的角度从透镜-空气界面射出，以利于紫外线通过透镜9，获得最高的出光效率。

在选择所述透镜9时，透镜9的大小也应给予适当的考虑。透镜9的尺寸过大会导致整个紫外LED尺寸的变大，从而限制紫外LED的应用领域；透镜9的尺寸过小，若不能覆盖发光芯片4的出光面，则会降低紫外光线的出光效率。基于以上两方面考虑，本实施例在设计透镜9时，应保证透镜9上的底面尺寸略大于或者至少等于所述发光芯片4的出光面的尺寸，在保证具有较高出光率的同时，尽量减小紫外LED的整体尺寸。

为了避免紫外LED在使用过程中的老化问题，所述透镜9的材质最好选择具有高透明度的硬质抗衰老材料，比如石英、蓝宝石、或经过固化处理并具备高紫外透光率的凝胶、硅胶、树脂等，以避免光衰。另外，在制造所述透镜9时，还可以采用铸模方式一次或多次成型，以提高紫外光线的透过率。

对于间隔层8的设计，为了保证间隔层8在紫外波段有大于50％的透过率，其厚度最好控制在3毫米以下，越薄越好，以尽可能地降低紫外光线在透射过程中的光衰速度。本实施例优选采用厚度在0.1毫米以下、紫外波段透过率为70％的透明介质作为所述的间隔层8，比如可以采用硅胶或者胶凝体等制作所述的间隔层8。实际测试证明，本实施例的紫外LED封装方式相比图2所示的现有紫外LED封装方式，在280纳米波段可以提高出光效率1.7-2.5倍。

当然，所述间隔层8可以仅有一层，也可以分成多个更薄的间隔层。如果间隔层8采用分层设计方式，则每层的折射率可以不一样，但是每层都应具有大于1.3的紫外波段折射率，以保证本实施例的紫外LED具有高透过率和高提取效率的设计要求。

本实施例的间隔层8，其表面可以是平面、曲面、锥体，金字塔形或密排规则或不规则图案，并可以通过注模或其他方式制作成光子晶体，具体可以根据透镜9的底面形状和发光芯片4上表面作一致性选择，以实现间隔层8与发光芯片4上表面和透镜9下表面的紧密、充分黏合。

将发光芯片4的衬底安装于热沉3上，将热沉3安装于底座2上，发光芯片4的正、负极引线通过底座2与正、负极管脚1相连接，参见图3所示。如果需要对紫外LED进行保护，在底座2上还可以安装透镜罩10。底座2与透镜罩10形成一个封闭腔室，进而使热沉3、发光芯片4、间隔层8和透镜9刚好位于所述的封闭腔室中，以避免外界物体对管芯造成损坏。此部分封装结构与现有大功率可见光LED的封装结构相同，本实施例在此不作过多说明。

考虑到封闭腔室中若填充空气或惰性气体，由于折射率低，会对紫外光线的出光效率造成损失，因此，本实施例优选在所述封闭腔室中填充紫外波段透过率大于50％的填充物11，比如树脂、水、硅胶或者胶凝体等折射率高的物质，以确保紫外光线的高透过率，但紫外光程应优选越短越好。

实施例二，参见图4所示，图4列举了紫外LED的另外一种封装方式，其中，在发射紫外光线的发光芯片4的出光面上仍然仿照实施例一所述的封装方式黏附间隔层8，并在间隔层8上黏附透镜9。所述间隔层8和透镜9的具体形状、材质、尺寸等要求同实施例一中的相关描述，本实施例在此不再一一说明。本实施例仍以半球体形状的透镜9为例进行说明，当然，所述透镜9也可以设计成其它非平面的形状，以减小与空气界面的全反射现象，比如图5所示的上表面为粗糙的平板形状。

将发光芯片4的衬底连接于管壳12的凹腔中，具体可以安装于管壳12凹腔的底面12-1上，发光芯片4的正、负极引线通过背孔或埋设的引线穿过管壳12与设置于管壳12底面的两个表贴电极13对应连接，如图4所示。管壳12的材料优选为陶瓷导热材料，或局部有绝缘层的金属管壳。

为了实现侧光反射，本实施例对管壳12的凹腔形状进行特殊设计，使凹腔的内周壁12-2与凹腔底面12-1形成一定夹角，所述夹角优选设计在130°～140°之间，然后在管壳12凹腔的内周壁12-2上贴合一反光碗，从而使反光碗的表面与竖直方向形成40°～50°的夹角α，这样可以将发光芯片4侧面发出的紫外光线反射出去，以进一步提高紫外光线的出光效率。

在本实施例中，优选将所述管壳12凹腔的内周壁12-2与凹腔底面12-1形成135°的夹角，即反光碗的表面与竖直方向所成夹角α为45°，以最大限度地反射侧光。所述反光碗优选采用高紫外反射率的材料制成，比如铝或Teflon等材料。

在本实施例中，对所述管壳12凹腔的高度进行限制，使所述透镜9的一部分位于所述管壳12的凹腔内，另一部分外露于管壳12，然后在所述管壳的凹腔内填充填充物14，以实现透镜9、间隔层8、发光芯片4、热沉3与管壳12的固定。

所述填充物14优选采用紫外波段透过率大于50％的透明介质，比如硅胶或者树脂等固态透明介质，以使通过反光碗反射的紫外侧光能够顺利地发射出去。反光碗侧壁的形状，可以是平坦的，或抛物面、半球面等。

实施例三，参见图6所示，本实施例的紫外LED封装方式与实施例二类似，同样包括透镜9、间隔层8和发光芯片4，各部分之间的安装关系同实施例一、二，这里不再重复说明。其中，所述发光芯片4同样安装于管壳15的凹腔中，所述管壳15的形状同实施例二，即管壳15凹腔的内周壁15-2与凹腔底面12-1也形成130°～140°的夹角，且在所述管壳凹腔的内周壁15-2上设置反光碗。优选使反光碗的表面与竖直方向形成45°的夹角α，以提高侧光的出光效率。

将发光芯片4安装于管壳15凹腔的底面15-1上，发光芯片4的正、负极引线穿过管壳15与设置于管壳15底面的两个表贴电极13对应连接。

本实施例的紫外LED封装方式与实施例二的区别之处在于：提高管壳15的凹腔高度，使所述透镜9全部落入管壳15的凹腔内，然后在管壳15凹腔的顶面封装透镜罩16，从而使透镜9、间隔层8、发光芯片4和热沉3位于管壳15与透镜罩16所围成的腔室中。

在本实施例中，所述透镜罩16根据具体用途对出射光斑形状和大小的需要，可以是平面或者曲面硬质透镜。在所述腔室中可以进一步填充氮气、其他惰性气体、或者具有高透明度的弹性体(至少应具有50％的紫外波段透过率，比如硅胶等)，也可以不填充介质而采用局部真空。

对于实施例二和实施例三中所使用的管壳12、15，可以采用陶瓷、树脂、塑料或者金属TO等多种材质制成。

本发明所提出的紫外LED封装方式，由于使用紫外波段折射率大于1.3的介质作为间隔层，附着在发光芯片的出光面上，并在间隔层上附着高紫外透过率的曲面透镜，从而大大提高了紫外LED的出光效率。由于间隔层厚度很薄，即使出现老化，也因为光程显著缩短从而大大降低光衰速度。采用本发明所提出的紫外LED封装方式，无论发光芯片4的出光面是否进行过特殊加工，都可以达到进一步提高紫外光线出光效率的作用。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种紫外发光二极管，包括发射紫外光线的发光芯片；其特征在于：在所述发光芯片的出光面上黏附有间隔层，所述间隔层的紫外波段折射率大于1.3且在紫外波段有大于50％的透过率；在所述间隔层上黏附有透镜，所述透镜在紫外波段有大于50％的透过率。

2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述透镜为非平面透镜。

3.根据权利要求2所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述透镜的形状为半球体、曲面体、锥体、金字塔形或者不规则体。

4.根据权利要求2所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述透镜采用硬质抗衰老材料制成，其底面大于发光芯片的出光面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述间隔层为一层或者多层，且厚度在3毫米以下；当所述间隔层为多层时，每一层间隔层的紫外波段折射率均大于1.3。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于：在所述紫外发光二极管中还包括热沉、底座和透镜罩，所述发光芯片连接在热沉上，热沉安装于底座上，底座上安装透镜罩，所述热沉、发光芯片、间隔层和透镜位于所述底座与透镜罩所形成的腔室内，在所述腔室中填充有紫外波段透过率大于50％的填充物。

7.根据权利要求6所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述填充物为树脂、水、硅胶或者胶凝体。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于：在所述紫外发光二极管中还包括管壳，所述发光芯片安装于管壳凹腔的底面上，管壳凹腔的内周壁与凹腔底面形成一定的夹角，且在所述管壳凹腔的内周壁上设置有反光碗；所述透镜的一部分位于所述管壳的凹腔内，另一部分外露于管壳，且在所述管壳的凹腔内填充有填充物。

9.根据权利要求8所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述填充物为硅胶或者树脂；所述反光碗由高紫外反射率材料制成；所述管壳凹腔的内周壁与凹腔底面所成夹角为45°。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于：在所述紫外发光二极管中还包括管壳，所述发光芯片安装于管壳凹腔的底面上，管壳凹腔的内周壁与凹腔底面形成一定的夹角，且在所述管壳凹腔的内周壁上设置有反光碗；所述透镜全部落入所述管壳的凹腔内，且在管壳凹腔的顶面封装有透镜罩。