CN104332551B - 一种红外发光二极管封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外发光二极管封装结构,包括固定架、安装在固定架上的红外发光二极管芯片、包裹所述红外发光二极管芯片表面的透光层以及穿透透光层而将红外发光二极管芯片连接至电源的正极导线和负极导线,其特征在于:所述透光层包括由多个透明筒状体堆叠而成的密封罩以及填充在密封罩及红外发光二极管芯片间的透明聚光介质层;所述多个筒状体其外径由下至上递减;所述密封罩顶部的筒状体上低面设有一个底面半径等于该筒状体外径的透明圆锥体。
Description
技术领域
本发明涉及红外发光二极管技术领域,具体涉及一种红外发光二极管封装结构及其制备方法。
背景技术
红外发光二极管在通电的情况下能够产生红外辐射,由于红外辐射不受自然界可见光的影响、信噪比高,通常与红外接收二极管配合用于近距离的数据传输、信号控制等领域。现有的红外发光二极管封装结构大多包括一固定架、设置在固定架中的红外发光二极管芯片,一半球形的透明环氧树脂包裹于芯片外侧,球顶与芯片发光部位的中心对应,芯片通过穿透环氧树脂的导线连接至电路中。在实际应用重,由于环氧树脂形状的畸变以及环氧树脂微观晶型的影响,使经过环氧树脂折射后的红外管其出射角度发生偏转,影响红外接收二极管对信号的接受。随着红外发光二极管与接收二极管的距离的增加,红外光将越来越偏离红外接收二极管,最终使红外接收二极管无法接收其搭载的信息。上述红外发光二极管产生的红外辐射角度精度低的问题,正是限制现有红外发光二极管用于远距离通信的主要障碍。特别是环氧树脂长期使用容易老化,使其内部产生不同程度的裂纹,进一步加剧上述红外辐射角度偏移的程度。
发明内容
有鉴于此,本发明公开一种红外光辐射角度精确的红外发光二极管封装结构。本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种红外发光二极管封装结构,包括固定架、安装在固定架上的红外发光二极管芯片、包裹所述红外发光二极管芯片表面的透光层以及穿透透光层而将红外发光二极管芯片连接至电源的正极导线和负极导线,所述透光层包括由多个透明筒状体堆叠而成的密封罩以及填充在密封罩及红外发光二极管芯片间的透明聚光介质层;所述多个筒状体其外半径由下至上递减;所述密封罩顶部的筒状体上底面设有一个底面半径等于该筒状体外半径的透明圆锥体。
本发明中,所述密封罩的作用主要是包裹发光二极管芯片以及透明聚光介质层。所述透明聚光介质层可优选任一种高透光的透明介质制成,在工作时二极管芯片所产生的红外光可以充盈于整个透明介质层,并均匀地进入密封罩内。同时本发明的密封罩由多个外半径由下至上递减的筒状体构成,红外光从透明介质层辐射至密封罩之中后,由于红外光所具有的的波粒二象性,红外光将被聚集而从下向上垂直地在密封罩中辐射,减小红外光在密封罩中的折射角度,使穿透密封罩的红外光最大程度地垂直于二极管芯片,并聚集在轴心处。同时,每一个筒状体的上端面都会辐射出一环状的红外光,增加红外光的辐射范围。顶端的透明圆锥体可以聚集密封罩顶部的筒状体上底面的红外光,防止其散射,从而增强中心部位的红外光辐射强度,进一步提高红外光的辐射距离。在近距离的通信中,由于多个筒状体端面辐射出的环状红外光有较大的辐射范围,即拓展了接收二极管的接收信号范围,无需将接收二极管完全对准红外发光二极管芯片。而在远距离的通信中,由于密封罩可将红外光聚集在轴心处,使得辐射出的红外光中心部位辐射强度较高,且垂直于红外发光二极管芯片。只需将接收二极管设置在垂直于红外发光二极管芯片的位置,便可毫无障碍地与之进行通信接收红外光搭载的数据。
所述固定架包括一杯型体,所述杯型体内壁表面设有反光层;所述杯型体内壁还设有多个与杯型体同心的环状聚光槽;所述聚光槽的截面为半圆形;所述多个聚光槽截面的半径由下至上递增。
本发明中,所述固定架实质上是现有的发光杯,能够收拢散射的红外光,使之聚集在发光二极管芯片中心处,提高红外光的辐射角度的精度。为提高杯型体的聚光效果,杯型体内壁还设有环状聚光槽,半圆形的聚光槽能够增加反射红外光的面积,并使反射后红外光尽量以垂直于发光二极管芯片的角度辐射出,防止反射的红外光偏转。
进一步的,杯型体下部的内壁向杯型体的中心延伸出多个矩形的固定桥,所述多个固定桥将所述红外发光二极管芯片承托在杯型体中部;还包括设置在固定桥下方、连接所述多个固定桥的多个引流环;所述引流环与所述杯型体同心;所述固定桥和所述引流环的上表面均设有波浪形的阻流槽。
红外发光二极管芯片可采用胶水粘合的方式固定在固定桥上,所述阻流槽能够固定胶水,防止未固化的胶水流动导致红外发光二极管滑动而偏离位置。
更进一步的,所述透明圆锥体的侧面上有多个沿其母线设置的导光槽。
导光槽为刻划在透明圆锥体侧面上的V形凹槽,依据光的波粒二象性,导光槽可以矫正透明圆锥体内红外光的辐射方向,使之最终聚集在圆锥体的顶部,并以垂直于红外发光二极管芯片的角度辐射出去。
特别优选的,所述透明聚光介质层为高透光聚碳酸酯材料制成,所述高透光聚碳酸酯材料其原料按重量计包括50~70份聚碳酸酯、0.1~0.2份阻燃剂、0.5~0.9份相容剂以及0.4~1份的石墨烯。
本发明特别将透明聚光介质层设计为高透光的聚碳酸酯,聚碳酸酯其分子结构排列较为整齐,大约是一种层状、线性的排列方式,能够使进入聚碳酸酯材料中的红外光沿一定的方向传递。而石墨烯更是有整齐的单层片状层状结构,当石墨烯分散在聚碳酸酯中,由于石墨烯间范德华力(van der waals force)的作用,石墨烯将相互平行地分散在聚碳酸酯中,引导红外光沿一定的方向传导。更为优选的,本发明选用磺酰化处理的石墨烯,比如带有甲苯磺酰基的石墨烯(具体见Ping Wen, Peiwei Gong等人2014年7月发表于RSCAdvances期刊的“Scalable fabrication of high quality graphene by exfoliationof edge sulfonated graphite for supercapacitor application”)。磺酰基为石墨烯分子间提供更强的范德华力,一方面有助于保持聚碳酸酯中石墨烯间平行的层状分布状体,另一方面也有助于提高石墨烯在聚碳酸酯中的分散性,防止其沉淀。石墨烯会使红外光被遮挡,因此本发明特别限定石墨烯的浓度,在报聚碳酸酯材料透光性的同时最大程度地提高红外光的定向辐射。所述阻燃剂、相容剂均可选用市售的聚碳酸酯用阻燃剂和相容剂实现。相容剂主要用于连接聚碳酸酯分子和石墨烯分子,保持石墨烯-聚碳酸酯体系的稳定性。除此以外,发明人发现添加有石墨烯的聚碳酸酯材料具有优秀的抗老化性能,长期使用仍具有良好的透光度,无裂痕、雾化等瑕疵产生。
进一步的,本发明还提供一种制备所述红外发光二极管封装结构的方法,具体包括以下步骤:
a.将带有正极导线和负极导线的红外发光二极管芯片固定在所述多个固定桥的末端;
b.加热所述高透光聚碳酸酯材料,使之熔化;在密封罩内填充满所述熔化的高透光聚碳酸酯材料,将所述密封罩倒扣在红外发光二极管芯片上,压紧并使红外发光二极管芯片陷入所述密封罩中,并使所述正极导线及负极导线的末端裸露在密封罩外部,制成封装结构坯体;
c.将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却;
d.将所述封装结构坯体烘干固化,制得所述红外发光二极管封装结构。
本发明中,引流环和阻流槽可以使熔化状态的高透光聚碳酸酯材料牢固、均匀地附着,防止在后续的压紧操作中聚碳酸酯材料流动、变形,导致密封罩内的高透光聚碳酸酯材料密度不均匀、存在气泡等瑕疵。
所述将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却是指将所述封装结构坯体置于1~3℃的低温冷水中冷却5~10S。
将封装好的坯体置于低温冷水中短暂地冷却有助于固定高透光聚碳酸酯中石墨烯,防止在缓慢的降温过程中石墨烯发生剧烈的布朗运动而影响其分子间整齐的排列方式。此外,短时间的低温处理也有助于固定高透光聚碳酸酯的形状,防止其在缓慢的冷却过程中发生形变,甚至渗出密封罩。
所述将所述封装结构坯体烘干固化是指将所述封装结构坯体置于30~35℃温度的无光条件下烘干固化1~3小时。
附图说明
图1是本发明 的结构示意图。
图2是本发明 透光层的剖面图。
图3是本发明 圆锥体的局部放大图。
图4是本发明 固定架的剖面图。
图5是本发明 固定架的俯视图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解,下面将结合附图以及实施例对本发明作进一步详细描述:
实施例1
本实施例提供一种红外发光二极管封装结构,如图1和图2所示,包括固定架1、安装在固定架上的红外发光二极管芯片2、包裹所述红外发光二极管芯片表面的透光层以及穿透透光层而将红外发光二极管芯片连接至电源的正极导线和负极导线,所述透光层包括由3个透明筒状体堆叠而成的密封罩以及填充在密封罩3及红外发光二极管芯片间的透明聚光介质层4;所述3个筒状体其外半径由下至上递减;所述密封罩顶部的筒状体上底面设有一个底面半径等于该筒状体外半径的透明圆锥体31。
针对不同的设计方案,还可将本发明提供的红外发光二极管封装结构连接为条状,以用于安装在灯条(light bar)线路板上。上述的连接可以采用将封装结构依次固定在线型固定架上或者采用粘合剂将多个封装结构粘结起来的方式实现。此外,多个灯条可以与同一个MPD通信连接,MPD可以单独控制任意一个灯条上LED的开闭。
本实施例中,如图3,所述透明圆锥体31的侧面上有4个沿其母线设置的导光槽311。
如图4和图5,本实施例中,固定架包括一杯型体11,所述杯型体内壁表面设有反光层;所述杯型体内壁还设有4个与杯型体同心的环状聚光槽12;所述聚光槽的截面为半圆形;所述4个聚光槽截面的半径由下至上递增。
进一步的,杯型体下部的内壁向杯型体的中心延伸出2个矩形的固定桥13,所述多个固定桥将所述红外发光二极管芯片承托在杯型体中部;还包括设置在固定桥下方、将连接所述多个固定桥的多个引流环14;所述引流环与所述杯型体同心;所述固定桥和所述引流环的上表面均设有波浪形的阻流槽。
特别的,所述透明介质层为市售的聚碳酸酯。所述密封罩由市售的聚碳酸酯制成,上述反光层为二氧化钛涂料层。
实施例2
本实施例供一种红外发光二极管封装结构,其构造与实施例1一致。本实施例中,所述透明聚光介质层为高透光聚碳酸酯材料制成,所述高透光聚碳酸酯材料其原料按重量计包括60份聚碳酸酯、0.1份阻燃剂0.9份相容剂以及0.4份的石墨烯。
本实施例中,所述石墨烯为带有甲苯磺酰基的石墨烯。
本实施例红外发光二极管封装结构的方法,具体包括以下步骤:
a.将带有正极导线和负极导线的红外发光二极管芯片固定在所述多个固定桥的末端;
b.加热所述高透光聚碳酸酯材料,使之熔化;在密封罩内填充满所述熔化的高透光聚碳酸酯材料,将所述密封罩倒扣在红外发光二极管芯片上,压紧并使红外发光二极管芯片陷入所述密封罩中,并使所述正极导线及负极导线的末端裸露在密封罩外部,制成封装结构坯体;
c.将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却;
d.将所述封装结构坯体烘干固化,制得所述红外发光二极管封装结构。
进一步的,所述将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却是指将所述封装结构坯体置于1℃的低温冷水中冷却6S。
更进一步的,所述将所述封装结构坯体烘干固化是指将所述封装结构坯体置于30~35℃温度的无光条件下烘干固化2小时。
本实施例中,上述反光层为二氧化钛涂料层
实施例3
本实施例供一种红外发光二极管封装结构,其构造与实施例1一致。本实施例中,所述透明聚光介质层为高透光聚碳酸酯材料制成,所述高透光聚碳酸酯材料其原料按重量计包括70份聚碳酸酯0.2份阻燃剂、0.8份相容剂以及0.9份的石墨烯。
本实施例中,所述石墨烯为市售的商品石墨烯。
本实施例红外发光二极管封装结构的制备方法与实施例2一致。
实施例4
本实施例供一种红外发光二极管封装结构,其构造与实施例1一致。本实施例中,所述透明聚光介质层为市售的透明环氧树脂。
对比例1
本对比例提供一种红外发光二极管封装结构,其包括反光杯,以及设置在反光杯中心的红外发光二极管芯片。红外发光二极管芯片上覆盖有半球形的环氧树脂层。
对比例2
本对比例提供一种红外发光二极管封装结构,其包括反光杯,以及设置在反光杯中心的红外发光二极管芯片。红外发光二极管芯片上覆盖有柱形的环氧树脂层。
近距离通信中红外光辐射角度测试
将红外发光二极管封装结构树立在一平面上。选用一市售的红外接收二极管,将其放置在红外发光二极管封装结构前方5米处。红外发光二极管的功率为50mw,波长为830~850nm。使红外接收二极管沿一平行于红外发光二极管封装结构的平面左右移动,记录红外接收二极管可以接收红外光信号的最左端及最右端,测得红外发光二极管封装结构的最大辐射角度。其结果如表1所示。
表1 最大辐射角度
实验组 | 最大辐射角度(°) |
实施例1 | 101 |
实施例2 | 102 |
实施例3 | 93 |
实施例4 | 88 |
对比例1 | 20 |
对比例2 | 39 |
有效通信距离测试
将红外发光二极管封装结构竖立在一平面上。选用一市售的红外接收二极管,将其放置在红外发光二极管封装结构正前方中心线处。红外发光二极管的功率为50mw,波长为830~850nm。使红外接收二极管沿所述中心线移动,记录可接受红外光信号的最远距离。再将红外发光二极管封装结构暴露在波长240~500nm的紫外光照射下,辐射强度为50j/cm2,处理300小时。再次测试其最远通信距离。其结果如表2所示。
表2 最远通信距离
以上为本发明的其中具体实现方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种红外发光二极管封装结构,包括固定架(1)、安装在固定架上的红外发光二极管芯片(2)、包裹所述红外发光二极管芯片表面的透光层以及穿透透光层而将红外发光二极管芯片连接至电源的正极导线和负极导线,其特征在于:所述透光层包括由多个透明筒状体堆叠而成的密封罩以及填充在密封罩(3)及红外发光二极管芯片间的透明聚光介质层(4);所述多个筒状体其外半径由下至上递减;所述密封罩顶部的筒状体上底面设有一个底面半径等于该筒状体外半径的透明圆锥体(31)。
2.根据权利要求1所述的红外发光二极管封装结构,其特征在于:所述固定架包括一杯型体(11),所述杯型体内壁表面设有反光层;所述杯型体内壁还设有多个与杯型体同心的环状聚光槽(12);所述聚光槽的截面为半圆形;所述多个聚光槽截面的半径由下至上递增。
3.根据权利要求2所述的红外发光二极管封装结构,其特征在于:杯型体下部的内壁向杯型体的中心延伸出多个矩形的固定桥(13),所述多个固定桥将所述红外发光二极管芯片承托在杯型体中部;还包括设置在固定桥下方、将连接所述多个固定桥的多个引流环(14);所述引流环与所述杯型体同心;所述固定桥和所述引流环的上表面均设有波浪形的阻流槽。
4.根据权利要求1所述的红外发光二极管封装结构,其特征在于:所述透明圆锥体(31)的侧面上有多个沿其母线设置的导光槽(311)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的红外发光二极管封装结构,其特征在于:所述透明聚光介质层为高透光聚碳酸酯材料制成,所述高透光聚碳酸酯材料其原料按重量计包括50~70份聚碳酸酯、0.1~0.2份阻燃剂、0.5~0.9份相容剂以及0.4~1份的石墨烯。
6.一种制备如权利要求5所述红外发光二极管封装结构的方法,具体包括以下步骤:
a.将带有正极导线和负极导线的红外发光二极管芯片固定在所述多个固定桥的末端;
b.加热所述高透光聚碳酸酯材料,使之熔化;在密封罩内填充满所述熔化的高透光聚碳酸酯材料,将所述密封罩倒扣在红外发光二极管芯片上,压紧并使红外发光二极管芯片陷入所述密封罩中,并使所述正极导线及负极导线的末端裸露在密封罩外部,制成封装结构坯体;
c.将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却;
d.将所述封装结构坯体烘干固化,制得所述红外发光二极管封装结构。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述将所述封装结构坯体置于低温冷水中冷却是指将所述封装结构坯体置于1~3℃的低温冷水中冷却5~10S。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:所述将所述封装结构坯体烘干固化是指将所述封装结构坯体置于30~35℃温度的无光条件下烘干固化1~3小时。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: 518000, 95, Fifth Industrial Zone, Mashan village, Gongming Town, Shenzhen, Guangdong, Baoan District Applicant after: SHENZHEN LIGHT ELECTRONICS CO., LTD. Address before: 518000, 95, Fifth Industrial Zone, Mashan village, Gongming Town, Shenzhen, Guangdong, Baoan District Applicant before: Shenzhen LIGHT Electronics Co., Ltd. |
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COR | Change of bibliographic data | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |