CN102983245A - 一种紫外发光二极管的封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外发光二极管的封装结构，包括一个多管脚的TO型金属管座和一个金属管帽，在所述金属管座上安装有发射紫外光线的发光芯片，所述发光芯片的正负电极通过导线分别对应焊接在金属管座的正负极管脚上；所述金属管帽固定在金属管座上，在金属管帽上安装有透光窗体，所述透光窗体在紫外波段有大于50%的透过率。本发明提出了一种稳定的抗干扰能力强的紫外发光二极管封装结构，具有气密性好、结构牢固等优点，可以对紫外发光芯片起到很好的保护以及防止氧化和防水的作用，从而切实保证了采用此封装结构的紫外光源在任何环境条件下均可正常使用，且避免了由于封装材料而导致的器件老化问题，延长了紫外发光二极管的使用寿命。

Description

一种紫外发光二极管的封装结构
技术领域
本发明属于固态半导体发光器件的封装工艺技术领域，具体地说，是涉及一种紫外发光二极管的封装结构。
背景技术
对于紫外线光源产品来说，其发光波长一般从200纳米到350纳米之间，这些短波长发光光源可以应用在空气或者水的净化处理、皮肤病的治疗、生物检测以及军事通讯等领域。而且，通常这个波段的紫外光源器件的应用环境相对复杂，有可能需要在水下工作，或者在恶劣的气候甚至高低压等条件下工作，因此对于这个波段的紫外线光源器件的封装要求也很特殊，必须能够保证在特殊条件下紫外光源不会受到外界环境的干扰，保持其稳定的工作状态。另外，不同的应用环境对于紫外线光源器件的出光角度要求也是不一样的，比如水和空气的消毒净化需要大发射角度，而光谱分析测试则需要聚光小角度，因此有必要因需设计。
传统的紫外线光源产品都是由水银灯或者高压汞灯来提供，但是由于这些传统光源有着体积大、寿命短、有毒有害物质污染环境和人体安全、耗能高等缺点，因此，近年来开始了基于半导体材料的固态半导体紫外或短波长发光二极管的研究，并出现了可以发射紫外光线的二极管芯片。
通常，一个传统的发光二极管要作为独立的光源使用，为了更为有效的获取出光效率，提高散热能力，并对发光芯片及电极进行有效的保护，需要将发光芯片24封装在塑胶透镜38与金属基板20（或陶瓷基板）结合形成的腔室中，如图1所示。为了提高出光效率，还需要进一步在所述腔室中注入一种有机树脂，以覆盖在发光芯片24的上面，并充满整个腔室。这是目前可见光发光二极管所广泛使用的封装方式。
但是，对于紫外发光二极管来说，图1所示的传统可见光发光二极管的封装方式并不适用，原因之一是可见光发光二极管封装所使用的塑胶透镜对紫外线具有强烈的吸光性，这些有机材料构成的塑胶在紫外线照射下会发生反应变质，变得不再透明，从而使得紫外光线无法透过封装材料发射到空气中。若去除塑胶透镜38，则又有悖于二极管光源的封装原则，失去了对二极管芯片的保护，使其易发生氧化反应，无法继续使用。
为了解决紫外发光二极管的封装问题，有人提出了一种使用无机液态玻璃胶2涂覆在发光二极管晶粒1上，以形成隔离保护层，然后再灌注环氧树脂3的封装方法，如图2所示。采用这种封装结构，由于目前世界上现有的环氧树脂材料在紫外线的辐照下很快就会变质，因此也不利于紫外光线的透射。而且这种封装形式也比较脆弱，很难在水下以及高低压条件下确保光源能够稳定正常的工作。
因此，如何设计一种稳定的抗干扰能力强的紫外发光二极管的封装结构，以保证在任何环境条件下紫外光源都能正常使用，是目前迫切需要解决的一项主要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种牢固实用的紫外发光二极管的封装结构，以解决传统二极管的封装方式气密性差、稳定性差、不能适应恶劣应用环境的问题。
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的封装结构，包括一个多管脚的TO型金属管座和一个金属管帽，在所述金属管座上安装有发射紫外光线的发光芯片，所述发光芯片的正负电极通过导线分别对应焊接在金属管座的正负极管脚上；所述金属管帽固定在金属管座上，在金属管帽上安装有透光窗体，所述透光窗体在紫外波段有大于50%的透过率。
进一步的，所述透光窗体为平板透明窗体或者为透镜，例如半球透镜或者全球透镜，且在金属管帽上的安装位置与发光芯片的出光面正对。
为了避免透光窗体在紫外光线的照射下变质，阻碍紫外光线的向外透射，本发明优选采用硬质抗衰老材料制作所述的透光窗体，比如蓝宝石或者石英玻璃等材料，或者其他无机材质，以避免对紫外光线造成衰减。
又进一步的，所述发光芯片采用导电胶贴片的方式或者回流焊的方式固定在金属管座上。
再进一步的，所述透光窗体与金属管帽采用熔融焊接的方式密封成型；所述金属管帽与金属管座通过高压压焊的方式密封在一起，以提高紫外发光二极管的气密性。
为了提高紫外光线的出光率，在所述金属管帽与金属管座形成的腔室内安装有用于将发光芯片发出的紫外光线反射到透光窗体的反光杯。
为了将发光芯片产生的热量迅速地散发出去，以提高发光芯片的工作效率，优选在所述金属管座上进一步安装一个散热装置，以达到冷却发光芯片的效果。
更进一步的，在所述金属管帽与金属管座形成的腔室内填充有紫外波段透过率大于80%且折射系数大于1小于1.65的填充物，所述填充物在紫外光线的照射下应具有高稳定性，即在紫外光线的长期照射下不会变质变得不透明，或者满足变质过程非常缓慢以至于不会影响紫外光源的长期稳定工作的特性。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出了一种稳定的抗干扰能力强的紫外发光二极管封装结构，具有气密性好、结构牢固等优点，可以对紫外发光芯片起到很好的保护以及防止氧化和防水的作用，从而切实保证了采用此封装形式的紫外光源在任何环境条件下均可正常使用，且避免了由于封装材料而引起的器件老化问题，延长了紫外发光二极管的使用寿命。
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是传统可见光发光二极管的一种封装结构示意图；
图2是现有的短波长发光二极管的一种封装结构示意图；
图3是本发明所提出的紫外发光二极管封装结构的一种实施例的结构分解图；
图4是本发明所提出的紫外发光二极管封装结构的另外一种实施例的结构分解图；
图5是本发明所提出的紫外发光二极管封装结构的第三种实施例的结构分解图；
图6是反光杯的一种实施例的结构示意图；
图7是反光杯的另外一种实施例的结构示意图；
图8是反光杯的第三种实施例的结构示意图；
图9是反光杯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，本实施例为了提高紫外发光二极管封装的气密性以及抗多种恶劣环境的能力，针对发射紫外光线的发光芯片31提出了一种全新的封装结构，参见图3所示，包括TO型金属管座32和金属管帽37。在所述金属管座32上设置有至少两个管脚，分别定义为正极管脚35和负极管脚36，分别与管座电极33、34对应连接。所述管座电极33、34各自通过一根导线31A、31B（优选采用金线）与发光芯片31的正负电极对应连接，从而将发光芯片31的正负电极通过金属管座32的管脚35、36引出，实现发光芯片31与外部电源的间接连通，通过施加外部电源控制发光芯片31发射紫外光线。
当然，所述TO型金属管座32也可以包含更多管脚，当管脚数目为3个时，第3个管脚可以定义为接地管脚，连接地线；若管脚数目多于3个，则可以分配多个管脚作为正极管脚，多个管脚作为负极管脚，以提高外部电源与发光芯片正负电极之间连接的可靠性。本实施例对TO型金属管座32的管脚分配方式不作具体限制。
将所述发光芯片31安装在TO型金属管座32上，优选安装在TO型金属管座32台面的中间位置，可以采用导电胶贴片的方式或者回流焊的方式实现发光芯片31在金属管座32上的安装固定，当然，本实施例并不仅限于这两种固定方式。将金属管帽37固定在TO型金属管座32上，优选采用高压压焊的方式将金属管帽37与金属管座32密封在一起，这样不仅可以对内置于其中的发光芯片31起到很好的保护作用，而且也可以有效防止发光芯片31氧化，且具有防水的效果。为了使紫外光线能够顺利地透射出来，在所述金属管帽37上安装有透光窗体39，其位置最好与发光芯片31的出光面正对，以利于紫外光线向外透射。
为了提高紫外发光二极管封装的气密性，所述金属管帽37与透光窗体39之间优选采用熔融焊接的方式密封成型。其中，金属管帽37可以采用镍钴合金材料制成，表面可以镀镍或者镀金；透光窗体39最好选择具有高透明度的硬质抗衰老材料制成，比如石英玻璃、蓝宝石或者其他在紫外波段具有大于50%的透过率的无机材质制成，以避免在紫外光线的照射下发生变质，进而影响紫外光线的正常透射。
作为本实施例的一种优选设计方案，优选采用在紫外波段具有大于90%透过率的硬质抗衰老材料制作所述的透光窗体39，以提高紫外光线的透光率。
考虑到不同的应用环境可能会对紫外光线的出光角度提出不同的要求，因此，本实施例对于透光窗体39的形状提出了多种设计方案，比如可以设计成平板状，如图3所示，即窗体表面为平面，可采用平板石英玻璃制成；当然，也可以采用表面为弧面的透镜作为所述的透光窗体39，例如半球透镜（如图4所示）或者全球透镜（如图5所示）等，以达到改变紫外光线出光角度的目的。
采用本实施例上述所提出的紫外发光二极管封装结构相比传统的二极管封装方式，结构更牢固，气密性更好，可以对发光芯片起到很好的保护作用，使其可以稳定工作在各种恶劣的环境条件下。可是这种结构设计在出光效率上并没有优化，因为采用这种封装结构，通过发光芯片31侧面发出的紫外光线绝大多数会被金属管帽37的金属侧壁所吸收，因而在一定程度上影响了紫外光线的透过率。
为了提高紫外光线的出光率，本实施例在上述封装结构的基础上做进一步优化设计，即在由金属管座32与金属管帽37所形成的腔室中增设反光杯41，如图6至图9所示，以用于对发光芯片31射向金属管帽37侧壁的紫外光线进行反射，进而通过透光窗体39向外界透射。所述反光杯41可以由金属铝或者其它对紫外光线反射效率比较高的材料制成，优选通过导热胶或者焊接的方式固定在金属管座32上。反光杯41的反射杯面可以设计成多种多样，例如无底碗状（如图6所示）、带底碗状（如图7所示）、料斗状（如图8所示）或者无底圆台状（如图9所示）等等，目的是将发光芯片31侧面发出的紫外光线最大程度地反射到透光窗体39上，以提高出光率。反光杯41在设计上还应考虑不能影响到管座电极33、34，也不能压在连接发光芯片31正负电极的导线上，以免破坏电极的引线。
为了提高紫外发光二极管器件工作的稳定性，本实施例优选在二极管器件中设置散热装置，比如半导体制冷芯片TEC（thermal electric cooling）、微通道制冷器MCC或者液态金属散热器等，优选固定在金属管座32上，发光芯片31可以安装在所述散热装置的表面，利用散热装置将发光芯片31工作时产生的热量转换出去，以实现发光芯片31的快速冷却，从而达到提高器件工作效率，延长器件稳定工作时间的设计目的。
为了进一步增大紫外发光二极管器件的出光角度，还可以在由金属管座32与金属管帽37所形成的腔室中填充一种具有较低折射系数的填充物，其折射系数优选大于1且小于1.65，以获取更好的出光效果。为了避免由于填充物在紫外光线的照射下发生变质，变得不再透明，进而阻碍紫外光线的顺利透射，在选择所述填充物时，应选择紫外透过率好（最好在紫外波段有大于80%的透过率）且在紫外光线长期照射下仍能保持稳定特性的物质，或者满足变质过程非常缓慢以至于不会影响紫外光源长期稳定工作的物质，例如硅胶树脂材料、氟树脂材料或者玻璃水等液态物质，这些物质在紫外光线的照射下都具有很高的稳定性。
本实施例所提供的紫外发光二极管封装结构具有气密性好、抗压能力强、出光性好等特点，可以大幅提高紫外发光二极管的抗干扰能力，满足了紫外二极管发光芯片在特殊环境（如高低压或水中等特殊条件）下的正常工作要求。
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 (10)

1.一种紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：包括一个多管脚的TO型金属管座和一个金属管帽，在所述金属管座上安装有发射紫外光线的发光芯片，所述发光芯片的正负电极通过导线分别对应焊接在金属管座的正负极管脚上；所述金属管帽固定在金属管座上，在金属管帽上安装有透光窗体，所述透光窗体在紫外波段有大于50%的透过率。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述透光窗体为平板透明窗体或者为透镜，且在金属管帽上的安装位置与发光芯片的出光面正对。
3.根据权利要求2所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述透光窗体为半球透镜或者全球透镜。
4.根据权利要求1所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述透光窗体采用硬质抗衰老材料制成。
5.根据权利要求4所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述透光窗体采用蓝宝石或者石英玻璃制成。
6.根据权利要求1所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述发光芯片采用导电胶贴片的方式或者回流焊的方式固定在金属管座上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：所述透光窗体与金属管帽采用熔融焊接的方式密封成型；所述金属管帽与金属管座通过高压压焊的方式密封在一起。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：在所述金属管帽与金属管座形成的腔室内安装有用于将发光芯片发出的紫外光线反射到透光窗体的反光杯。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：在所述金属管座上还安装有散热装置。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的紫外发光二极管的封装结构，其特征在于：在所述金属管帽与金属管座形成的腔室内填充有紫外波段透过率大于80%且折射系数大于1小于1.65的填充物，所述填充物在紫外光线的照射下具有高稳定性。
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