CN110416391A - 发光二极管封装元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光二极管封装元件，其包括提供基板，发光芯片、固晶胶、反射结构以及封胶层。发光芯片设置于所述基板上，以产生具有初始峰值波长的初始光束。固晶胶设置于发光芯片与基板之间，且发光芯片通过固晶胶固定于基板上。反射结构设置于基板上，围绕发光芯片，并定义出一容置空间。封胶层设置于容置空间内并覆盖发光芯片。固晶胶包括第一波长转换材料。其中一部份入射固晶胶的初始光束激发第一波长转换材料，而产生具有一第一峰值波长的一第一受激发光束，第一受激发光束被基板反射回发光芯片，再入射于封胶层，且第一峰值波长大于初始峰值波长。如此，当第一受激发光束由发光芯片入射封胶层内时，被全反射而损失的几率降低，可提高发光二极管封装元件的光取出效率。

Description

发光二极管封装元件
技术领域
本发明涉及一发光二极管封装元件，特别是涉及一种可提高光取出效率的发光二极管封装元件。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，简称LED)是一种能将电能转化为光能的半导体电子装置。发光二极管因具有高亮度、低功耗、寿命长、启动快、发光效率高、无闪烁、不容易产生视角疲劳，而被广泛应用于显示器或是照明装置中。
在照明领域中，白光是最常被使用的光源色。因此，目前常应用蓝光发光二极管配合黄色或其他混合荧光粉来产生白光。现有用以产生白光的LED封装元件中，通常包括发光芯片以及覆盖于发光芯片上的荧光胶层。
然而，由于覆盖发光芯片的荧光胶(通常为硅胶)的折射系数小于发光芯片的本身材料(通常为氮化镓)的折射系数，导致由发光芯片内部所产生的光束进入至荧光胶层内时，有一部份光束被全反射而损失。如此，会降低发光二极管封装元件的光取出效率。因此，现有应用发光二极管所制造的照明装置在亮度以及光取出效率仍有待进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的其中一技术问题在于，如何进一步减少因发光芯片与荧光胶层之间的折射率差异所造成的光损失，以提高发光二极管封装元件的光取出效率。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种发光二极管封装元件，其包括提供一基板，一发光芯片、一固晶胶、一反射结构以及一封胶层。发光芯片设置于基板上，以产生具有一初始峰值波长的一初始光束。固晶胶设置于发光芯片与基板之间，且发光芯片通过固晶胶固定于基板上。反射结构设置于所述基板上，围绕发光芯片，并定义出一容置空间。封胶层设置于容置空间内并覆盖发光芯片。固晶胶包括一第一波长转换材料。其中一部份入射固晶胶的初始光束激发第一波长转换材料，而产生具有一第一峰值波长的一第一受激发光束，第一受激发光束被基板反射回发光芯片，再入射于封胶层，且第一峰值波长大于初始峰值波长。
更进一步地，封胶层包括一第二波长转换材料，其中另一部份入射于封胶层的初始光束激发第二波长转换材料，而产生一第二受激发光束，且第二受激发光束为复合光束。
更进一步地，第一波长转换材料包括荧光粉以及量子点的至少其中一者。优选地，第一受激发光束为绿光，且第一峰值波长是介于515nm至570nm。
更进一步地，固晶胶的厚度是介于5至20μm之间。
更进一步地，发光芯片为一蓝光芯片，初始峰值波长介于420nm至470nm之间，且第一波长转换材料选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、镏铝石榴石荧光粉、镓钇铝石榴石荧光粉、钇铝石榴石荧光粉、镏钇铝石榴石荧光粉及其任意组合所组成的群组其中之一种。
更进一步地，发光芯片为一紫光芯片，初始峰值波长介于380nm至420nm之间，且第一波长转换材料选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、卤磷酸盐及其任意组合所组成的群组其中之一种。优选地，固晶胶还包括一基质，第一波长转换材料被埋入于基质内，且基质为甲基硅树脂。
更进一步地，第一波长转换材料的粒径是介于5μm至20μm。
更进一步地，封胶层具有一出光表面，出光表面与反射结构的一顶表面切齐。
综上所述，在本发明实施例所提供的发光二极管封装元件中，通过“固晶胶包括一第一波长转换材料”，可使其中一部份入射于固晶胶的初始光束激发第一波长转换材料，而产生峰值波长较长的第一受激发光束。如此，当第一受激发光束由发光芯片入射封胶层内时，被全反射而损失的几率降低，可提高发光二极管封装元件的光取出效率。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明第一实施例的发光二极管封装元件的剖面示意图。
具体实施方式
请参照图1。图1为本发明第一实施例的发光二极管封装元件的剖面示意图。
如图1所示，发光二极管封装元件M1包括基板1、发光芯片2、固晶胶3、反射结构4以及封胶层5。
基板1具有一反射表面10，且在反射表面10上定义出一固晶区域。在一实施例中，基板1的材料可以选择具有高导热性，且对于可见光束具有高反射率、以及低透光率的材料，例如：金属或者是陶瓷。在其他实施例中，基板1也可以包括一高导热基材以及涂布于高导热基材上的反射层。也就是说，只要基板1具有导热性，且用于设置发光芯片2的表面可用以反射可见光束，本发明并未限制基板1的材料为单一材料或者复合材料。
在另一实施例中，基板1也可以是电路基板，其布设多条可电性连接于外部控制元件的多条线路。因此，只要基板1的固晶区域具有可反射光束的表面，本发明实施例并不限制基板1的种类。
发光芯片2设置于基板1上，并位于固晶区域内。发光芯片2用以产生具有一初始峰值波长的一初始光束L1、L2。进一步而言，发光芯片2可以是蓝光芯片或是紫光芯片。当发光芯片2为蓝光芯片时，初始光束L1、L2为蓝光，且初始峰值波长是介于420nm至470nm之间。当发光芯片2为紫光芯片时，初始光束L1、L2为紫光，且初始峰值波长介于380nm至420nm之间。
在本实施例中，发光芯片2至少包括一底材20以及依序设置在底材20上的一第一导电型半导体层21、一主动层22、一第二导电型半导体层23以及一电极层24。底材20例如是蓝宝石底材，而第一导电型半导体层21、主动层22以及第二导电型半导体层23的材料例如是III-V族化合物半导体，如：氮化镓或氮化铟镓。初始光束L1、L2由主动层22所产生，其中一部份初始光束L1会投射至基板1，再被基板1的反射表面10所反射。其他部份的初始光束L2可能从发光芯片2的顶面或者侧面出射。
需说明的是，本发明实施例的发光芯片2的底部并不具有任何反射层。但在其他实施例中，发光芯片2也可进一步包括一设置在底材20下方的反射层，但反射层仍可允许一部份朝向基板1的初始光束L1通过。因此，本发明并不限制发光芯片2的种类。
电极层24例如是透明导电膜，如:氧化铟锡(ITO)，以使发光芯片2可电性连接于外部控制元件。在一实施例中，发光二极管封装元件M1可进一步包括多条焊线(图1未显示)。当基板1为电路基板时，发光芯片2可通过多条焊线电性连接于基板1。在另一实施例中，基板1为金属基板或陶瓷基板时，且反射结构4具有电性连接于外部控制单元的线路，发光芯片2也可通过多条焊线电性连接于反射结构4的线路。
固晶胶3设置于发光芯片2与基板1之间。也就是说，发光芯片2会通过固晶胶3固定于反射表面10上。如图1所示，发光芯片2的底部区段会埋入固晶胶3内。也就是说，固晶胶3会包覆发光芯片2的底面以及一部份侧面。
在本实施例中，固晶胶3包括基质30(matrix)以及埋入基质30内的第一波长转换材料31。其中一部份的初始光束L1朝向基板1方向入射于固晶胶3，并激发第一波长转换材料31，而产生具有第一峰值波长的一第一受激发光束L1’，且第一峰值波长会大于初始峰值波长。
在一实施例中，当发光芯片2为紫光芯片时，基质30的材料是选择不具有环氧结构或是不含苯基的胶材，可避免基质30因常被紫光照射而劣化。进一步而言，当发光芯片2为紫光芯片时，基质30的材料为甲基硅树脂。如此，可提高发光二极管封装元件M1的使用寿命以及可靠性。
第一波长转换材料31包括荧光粉以及量子点的至少其中一者。当第一波长转换材料31是荧光粉时，第一波长转换材料31可以是绿色荧光粉或者红色荧光粉，例如：氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、镏铝石榴石(LuAG)荧光粉、镓钇铝石榴石(GaYAG)荧光粉、钇铝石榴石(YAG)荧光粉、镏钇铝石榴石(LuYAG)荧光粉或者卤磷酸盐。
当第一波长转换材料31是量子点时，第一波长转换材料31可以是PbSe、CdSe或CsPbX3，其中X可以是Cl、Br或I等卤素元素。
当发光芯片2为蓝光芯片时，第一波长转换材料31可选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、镏铝石榴石荧光粉、镓钇铝石榴石荧光粉、钇铝石榴石荧光粉、镏钇铝石榴石荧光粉及其任意组合所组成的群组。
另外，由于紫光对于铝酸盐荧光粉，如：镏铝石榴石(LuAG)荧光粉、镓钇铝石榴石(GaYAG)荧光粉、钇铝石榴石(YAG)荧光粉、镏钇铝石榴石(LuYAG)荧光粉的激发效率较低。因此，当发光芯片2为紫光芯片时，第一波长转换材料31可选择非铝酸盐荧光粉。进一步而言，第一波长转换材料31可选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、卤磷酸盐及其任意组合所组成的群组。
值得说明的是，在一较佳实施例中，第一波长转换材料31为单一色系的荧光粉或者用以产生单色光的量子点。换言之，第一波长转换材料31只会包含绿色荧光粉(或用以产生绿光的量子点)与红色荧光粉(或用以产生红光的量子点)的其中一者。
举例而言，第一波长转换材料31可以包含一种或者多种红色荧光粉，以激发出第一峰值波长落在580nm至675nm的第一受激发光束L1’。进一步而言，第一波长转换材料31可以只包含一种红色荧光粉，而可用以激发出具有特定波长的红色光，或者也可以包含两种以上的红色荧光粉，而可用以激发出具有不同波长的红色光，其例如是波长为620nm的红色光以及波长为630nm的红色光。
也就是说，其中一部份初始光束L1通过第一波长转换材料31所产生的第一受激发光束L1’中，可包括分别具有不同峰值波长的多个光束，但任两个光束的峰值波长之间的差值小于30nm。
在另一实施例中，第一波长转换材料31可以包含一种或者多种绿色荧光粉或者量子点，其用于激发出峰值波长落在515nm至570nm的第一受激发光束L1’。在本发明实施例中，相较于使用红色荧光粉或量子点作为第一波长转换材料31，选择绿色荧光粉或量子点做为第一波长转换材料31，可以使发光二极管封装元件M1具有最好的光取出效率以及亮度。
在一实施例中，当第一波长转换材料31为绿荧光粉时，其重量百分浓度可介于100％至300％之间，以获得较高的转换效率；若第一波长转换材料31为红色荧光粉时，重量百分浓度为10％至60％之间，以获得较高的转换效率。
另外，第一波长转换材料31的粒径范围小于25μm，优选可介于5至20μm。
需说明的是，本发明实施例中，包含第一波长转换材料31的固晶胶3除了可用以将发光芯片2朝向基板1出射的一部份初始光束L1，转换为峰值波长较长的第一受激发光束L1’之外，还具有较佳的导热效果，而可将发光芯片2所产生的热传导至基板1。也就是说，本实施例的固晶胶3可辅助发光芯片2散热。
进一步而言，固晶胶3连接于发光芯片2与基板1之间，因此固晶胶3的厚度对于发光芯片2的散热效果也会有影响。在一实施例中，位于发光芯片2与基板1之间的固晶胶3的厚度介于5至20μm。
请参照图1，反射结构4设置于基板1。需说明的是，在一俯视方向上，反射结构4围绕发光芯片2，并定义出一容置空间(未标号)。另外，在本实施例中，反射结构4的高度会高于发光芯片2的厚度。也就是说，反射结构4的顶表面40与基板1的反射表面10之间的垂直距离，会大于发光芯片2的顶面与基板1的反射表面10之间的垂直距离。
另外，反射结构4的内侧表面41相对于反射表面10的一法线方向倾斜。也就是说，反射结构4的内侧表面41为斜面，以反射光束而将光束导引至特定方向。据此，反射结构4的材料可以选择对可见光束具有高反射率以及低透光率的材料，例如：金属。然而，只要反射结构4的内侧表面41可反射可见光束，本发明并不限制反射结构4的材料。
参照图1，封胶层5设置于反射结构4所定义的容置空间内，并覆盖发光芯片2。在本实施例中，封胶层5具有一出光表面52，且出光表面52与反射结构4的顶表面40切齐。
另外，封胶层5包括主基质50以及一第二波长转换材料51。主基质50例如是甲基硅胶或甲苯基硅胶。封胶层5的主基质50的材料与固晶胶3的基质30的材料不一定相同。
在一实施例中，第二波长转换材料51包括红色荧光粉与绿色荧光粉。据此，第二受激发光束L2’为复合光束，例如是白光。红色荧光粉与绿色荧光粉的种类已于前文中叙述，在此不再赘述。在另一实施例中，当发光芯片2为蓝光芯片时，第二波长转换材料51也可包括黄色荧光粉，但本发明并不以此为限。
另一部份由发光芯片2入射封胶层5的初始光束L2激发第二波长转换材料51，而产生一第二受激发光束L2’。详细而言，发光芯片2所产生的初始光束L1、L2中，有另一部份的初始光束L2会由发光芯片2的侧面以及顶面进入封胶层5内，并激发第二波长转换材料51。
基于上述，其中一部份朝向基板1的初始光束L1由底材20的底面进入固晶胶3，被第一波长转换材料31吸收，而产生第一峰值波长较长的第一受激发光束L1’。第一受激发光束L1’可能再会被基板1的反射表面10反射，而再度进入发光芯片2。之后，第一受激发光束L1’会再由发光芯片2的顶面或者侧面进入封胶层5内。
需说明的是，根据实验结果，当光束由发光芯片2进入封胶层5时，波长较长的光束产生全反射所需的最低入射角(临界角)，会大于波长较短的光束产生全反射所需的最低入射角。
既然初始光束L1、L2的初始峰值波长会小于第一受激发光束L1’的第一峰值波长，相较于初始光束L1、L2而言，第一受激发光束L1’由发光芯片2进入封胶层5时，要产生全反射所需要的临界角较大。换句话说，相较于初始光束L1、L2而言，第一受激发光束L1’较不容易被全反射而损失。
因此，通过将朝向基板1出设的一部份初始光束L1转换为波长较长的第一受激发光束L1’，可有效地减少光损失，并进一步提高发光二极管封装元件M1的光取出效率。前述的光取出效率是指在设置封胶层5之后所量测的亮度(LB)，相对于设置封胶层5之前所量测的亮度(LA)之间的百分比。光取出效率E可表示如下式：E＝(LB/LA)*100％
请参照表1，显示本发明实施例A、B以及比较例之间的亮度差异。比较例、实施例A、B的发光二极管封装元件都具有相同的封胶层5，且使用相同的发光芯片2。然而，在比较例的发光二极管封装元件中，使用完全未包含任何波长转换材料的固晶胶。在实施例A、B的发光二极管封装元件中，所使用的固晶胶3都具有第一波长转换材料31，且第一波长转换材料31分别为绿色荧光粉以及红色荧光粉。
表1
组别 亮度
比较例(使用不含荧光粉或量子点的固晶胶) 100％
实施例C(使用含绿色荧光粉的固晶胶) 105.8％
实施例B(使用含红色荧光粉的固晶胶) 104.7％
在将比较例所量测到的亮度标准化为100％之后，由表1可以看出，相较于比较例而言，实施例A、B的发光二极管封装元件的亮度皆有提升，其中，实施例A的发光二极管封装元件具有最高的亮度。值得注意的是，相较于实施例A所产生的第一受激发光束(绿光)而言，实施例B中第一受激发光束(红光)虽然具有较短的峰值波长，但反而使发光二极管封装元件M1具有较高的亮度(或者光取出效率)。显然，第一波长转换材料31包含绿色荧光粉时，可产生本领域技术人员无法预期的效果。
综上所述，在本发明实施例所提供的发光二极管封装元件中，通过“固晶胶3包括一第一波长转换材料31”，可使其中一部份入射于固晶胶3的初始光束L1激发第一波长转换材料31，而产生峰值波长较长的第一受激发光束L1’。如此，当第一受激发光束L1’由发光芯片2入射封胶层5内时，被全反射而损失的几率降低，可提高发光二极管封装元件M1的光取出效率。
另外，当发光芯片2为紫光芯片，且在有湿气的情况下，紫光芯片所产生的紫光很容易造成基板1的金属原子迁移，而导致发光二极管封装元件M1的可靠性降低。因此，通过使用具有第一波长转换材料31的固晶胶3，可以产生峰值波长较长的第一受激发光束L1’，而可避免上述问题。
再者，通过控制固晶胶3内的第一波长转换材料31的粒径以及固晶胶3的厚度，本发明实施例的固晶胶3可具有良好的导热性，而可辅助发光芯片2散热。
以上所公开的内容仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求的保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种发光二极管封装元件，其特征在于，所述发光二极管封装元件包括：
一基板；
一发光芯片，其设置于所述基板上，以产生具有一初始峰值波长的一初始光束；
一固晶胶，其设置于所述发光芯片与所述基板之间，所述发光芯片通过所述固晶胶固定于所述基板上；
一反射结构，其设置于所述基板上，其中，所述反射结构围绕所述发光芯片，并定义出一容置空间；以及
一封胶层，其设置于所述容置空间内并覆盖所述发光芯片；
其中，所述固晶胶包括一第一波长转换材料，其中一部份入射所述固晶胶的所述初始光束激发所述第一波长转换材料，而产生具有一第一峰值波长的一第一受激发光束，所述第一受激发光束被所述基板反射回所述发光芯片，再入射于所述封胶层，且所述第一峰值波长大于所述初始峰值波长。
2.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述封胶层包括一第二波长转换材料，其中另一部份入射于所述封胶层的所述初始光束激发所述第二波长转换材料，而产生一第二受激发光束，且所述第二受激发光束为复合光束。
3.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述第一波长转换材料包括荧光粉以及量子点的至少其中一者。
4.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述第一受激发光束为绿光，且所述第一峰值波长介于515nm至570nm之间。
5.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述固晶胶的厚度是介于5至20μm之间。
6.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述发光芯片为一蓝光芯片，所述初始峰值波长介于420nm至470nm之间，且所述第一波长转换材料选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、镏铝石榴石荧光粉、镓钇铝石榴石荧光粉、钇铝石榴石荧光粉、镏钇铝石榴石荧光粉及其任意组合所组成的群组。
7.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述发光芯片为一紫光芯片，所述初始峰值波长介于380nm至420nm之间，且所述第一波长转换材料选自由氮化物荧光粉、β-SiAlON荧光粉、α-SiAlON荧光粉、卤磷酸盐及其任意组合所组成的群组。
8.如权利要求7所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述固晶胶还包括一基质，所述第一波长转换材料被埋入于所述基质内，且所述基质为甲基硅树脂。
9.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述第一波长转换材料的粒径介于5μm至20μm之间。
10.如权利要求1所述的发光二极管封装元件，其特征在于，所述封胶层具有一出光表面，所述出光表面与所述反射结构的一顶表面切齐。
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