CN110544738A - 一种紫外线发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紫外线发光二极管结构，主要是在形成于陶瓷基板一侧的紫外线发光二极管芯片外部,包覆了复数层穿透层,且每层穿透层的折射率均不同,并呈递减的状态来包覆在所述紫外线发光二极管芯片的外部,从而达到了提升出光率的目的。

Description

一种紫外线发光二极管结构

技术领域

本发明是有关于一种紫外线发光二极管结构。

背景技术

紫外线光-UVC(UV-C 253.7nm)对于为害人体的细菌、病毒、微生物等，有极大的摧毁作用。其杀菌原理是细菌、病毒等单细胞微生物，经紫外线光-UVC照射，直接破坏其生命中枢DNA(脱氧核醣核酸)及RNA(核醣核酸)结构，使得构成该微生物体的蛋白质无法形成，使其立即死亡或丧失繁殖能力。一般经紫外线光-UVC照射1～2秒钟内就可达到灭菌的效果。目前紫外线光-UVC已被证明能消灭细菌、病毒、霉菌、单细胞藻等微生物。

经过了近二百年的研究与发展，虽然有许多的消毒杀菌方式被发现，但对于大面积、大空间的物体表面杀菌及空气、水的消毒，紫外线光-UVC仍是被优先考虑的。紫外线光-UVC消毒法，具有快速、彻底、不污染、操作简便、使用及维护费用低等优点。

紫外线光-UVC消毒法比氯消毒法、臭氧消毒法都快速，高强度、高能量的紫外线光-UVC只要几秒钟即可彻底灭菌，而氯消毒法、臭氧消毒法则需数分钟以上。紫外线光-UVC消毒法，几乎对所有的细菌、病毒、寄生虫、病原体和藻类等均可有效杀灭，而且不会造成二次污染，不残留任何有毒物质，对被消毒的物体，无腐蚀性、无污染、无残留；电源关闭，紫外线-C便消失。而氯消毒法、臭氧消毒法不能有效消灭一些对人体危害更大的寄生虫类(如隐性孢囊虫、鞭毛虫..等；氯消毒法、臭氧消毒法均会直接、间接的产生对人体致癌的有毒物质，影响人体健康。紫外线光-UVC消毒法，是目前世界上最先进、最有效、最经济的消毒法。

目前单个紫外线发光二极管(UV-LED)芯片不像白光芯片，其功率非常有限，因此为了获得大功率和使大功率UV-LED器件稳定而可靠的工作，又要做到封装结构简单紧凑，就必须把多个UV-LED芯片集成在一个小模块里，从而得到较大光强的光源。采用COB(Chip-On-Board)封装技术，可以尽可能减少从芯片到外部环境之间的接触层，从而减少热阻，降低材料不匹配的问题。配合外部制冷器，可以让大功率UV-LED芯片在较低温度下保持长时间的持续高亮度发光，保证UV-LED光源的可靠性和稳定性。

由于芯片的发光是从芯片的四周向外界各个方向进行发射，因此在进行UV-LED点光源结构设计时，影响UV-LED出光效率主要有：

1)用于光反射的反射结构；

2)光线通过透镜的透过率和折射率；

3)封装工艺的好坏；

4)封装材料的防紫外老化能力。

这些参数都会直接影响到UV-LED的出光效率，如果UV-LED的封装结构里面没有设计反射装置，则很大一部分光线则会损失，转化成热量，从而也间接地增加了热管理的难度。

目前UV-LED的封装主要分成为环氧树脂封装和硅胶/玻璃透镜封装。前者主要应用于大于400nm的近紫外LED封装，后者主要应用于波长小于400nm的LED封装。又由于GaN和蓝宝石折射率分别为2.4和1.76，而气体折射率为1，较大的折射率差导致全反射限制光的逸出较为严重，封装后器件的出光效率低。因此在透镜的设计方面，要综合考虑器件在紫外波段的光透过率、耐热能力和耐紫外老化能力。

根据光的萃取原理，这两种结构均采用了折射率很高的硅胶和玻璃透镜，充分消除了光的全反射效应，大大提高了出光效率。这两种结构非常类似，都是将LED芯片直接固晶在陶瓷基板上，陶瓷基板通过锡球焊接在铜铝散热片或热沉上，整个封装结构的热阻较小，外层封装折射率为1.5的硅胶和玻璃透镜，反射板采用陶瓷基板自带的反射腔体，唯一的区别在于后者多加了一层封装硅胶B，形成折射率递减的三层结构，减少全反射的光线损失。

在整个封装结构中，树脂层厚度都较薄，可以尽可能地减少硅树脂对紫外光的吸收损耗，且折射率逐层递减的三层结构有利于减少光在传播过程中的菲涅尔损耗。在某些场合，若需更大地提高光线透过率，可以在光学系统各面均镀制光学增透膜。

自水葆公约的签署后,各签约国均不遗余力的发展紫外线发光二极管的研发；而紫外线发光二极管所发出的光(λ＝200～280nm)很大一部份都会转换成为热发光二极管的封装材料,几乎都围绕着成本在考虑,传统大多是PPA(Polyphthalamide,热塑性塑料)。近年来LED封装厂逐渐采用耐热性更高的EMC(Epoxy Molding Compound,环氧模压树脂)导线架,EMC导线逐渐站稳用在1-3瓦的中高功率LED的市场地位,但是EMC导线架受制于本身材料特性,无法再往更高功率的LED跨入。

然而,当发光二极管切入紫外线领域时,将会有60％～70％的光电效能转换成热能,甚至在深紫外线(UVC)领域仅只有不到10％电力转换成光,90％都转换成热能,且目前发光二极管的制造厂商所制造出来的LED在功率上顶多在30微瓦(mW)的领域,若未来持续往更高功率的紫外线发光二极管研发时,将会受限于散热材料、后制加工、整体构装的重重限制；而且热能累积过多易造成光衰。

另外,以现有的材料以及封装制程用于紫外线发光二极管的领域而言,当整个封装结构长期处于紫外线照射范围内,无论是导线架本身材料,甚至连导线架上框与陶瓷电路载板间的黏合层,都可能在紫外线长期曝晒下,产生材料脆化或是黏合层剥离的状况发生,尤其是本体采用有机材料(例如PPA或是EMC等有机物)或是采用有机胶体黏合上框与陶瓷电路载板的状况下(市场上有黏合层采用UV胶,但即使是UV胶还是会脆化),是需要尽量避免的。

由以上的各个讨论角度内容可知，不论其是使用了紫外线灯管，抑或是紫外线发光二极管，紫外线光的应用已在各种的领域中发热、发光，且各种增强紫外光线功效的技术亦已由各研究机构大力的开发、研究中。由于紫外线光的功效已言可喻，故而目前业界的研究主要是在强化紫外光的出光效率、产生的功率以及其因为功率的增大而产生无法避免高热的解决之道。

目前所知，一般在制作紫外线发光二极管时的标准作业流程为：当使用蓝宝石基板(Sapphire)当作基板时，由于宝石基板Sapphire本身不导电，所以N型电极不能在基板下方。以活性区材料为AlGaN/GaN的UV LED为例，长晶过程大致分为下列步骤：

(1)在蓝宝石基板(Sapphire)上成长氮化镓(GaN)作为无掺杂缓冲层，接着成长N型电极层。

(2)在N型电极层之上成长N型氮化铝镓(AlGaN)载子局限层。

(3)再于其上成长AlGaN/GaN所组成的量子井结构。

(4)再于其上成长P型AlGaN载子局限层，接着成长GaN电极层。

为增进深紫外光(发光波长<280nm)发光二极管之出光效率，传统的封装主要是使用有机化合物，而这些有机化合物对于深紫外光(发光波长<280nm)吸收非常严重，会到达60％以上的吸收率，此种有机化合物的主要材质会是硅胶以及环氧树脂，所以一般而言，深紫外光(发光波长<280nm)需使用无机材料进行封装并加上高穿透率的石英玻璃作为增加出光的介质。但是因为高穿透率的石英玻璃价格昂贵且穿透率会随着石英玻璃的厚度降低，导致深紫外光的发光出光效率一直无法提升。

为了达成增加紫外光出光效率的目的，本发明的一个目的即是通过在固晶制程完成后，在深紫外芯片上形成一层使用不同材质且不同折射率的薄膜缓冲层来作为紫外光二极管的封装。

为达成上述的目的,本发明所使用的主要技术手段是利用具有不同折射率的同一材料，利用喷涂(Inkjet)的方式在芯片上形成多层,且厚度仅有5um、折射率为渐进(N＝1.4～1.8)的有机材料；因为厚度薄，所以深紫外光穿透的比率会从现有的30％提升到改善后的80％，也因为厚度相对薄，所以深紫外光线对于有机材料的破坏会降低，可靠度也可以获得提升。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种紫外线发光二极管结构；本发明所提供的紫外线发光二极管结构主要是包括了一基板，一设置在所述基板一侧,且可发出紫外光(UV)的发光二极管芯片以及复数层形成在所述发光二极管芯片一侧的穿透层；其中,所述的穿透层具有自里向外递减的折射率。

本发明的另一目的则是所述的穿透层厚度为5μm。

本发明的另一目的则是所述的复数层穿透层为至少二层。

本发明的另一目的则是所述的复数层穿透层为四层。

本发明的再一目的是所述的穿透层是包括了氟碳化合物。

本发明的再一目的是所述的穿透层是包括了氟碳化合物以及硅油所组成。

附图说明

图1为本发明一种紫外线发光二极管结构的侧视示意图；

图2为本发明设置在紫外线发光二极管芯片外部穿透层的结构示意图；

图3为本发明形成各层穿透层的步骤；

图4为本发明紫外线发光二极管结构的另一种示意图；以及

图5显示的是利用在穿透层中加入了硅油,并再于穿透层外加一层聚光的透镜后的出光率变化图。

具体实施方式

以下有关于本发明各实施例的说明均旨在提供一说明性的陈述，对于各(零)组件、装置的说明均为实施例性；的阐述其结构或功能；而对于这些说明或阐述的解释亦应以其合理、适切的方式来看待，而不应以限制性的方式来对其中任何一部份的阐述作出不同于一般熟于此项技艺者所熟知的方式、文字来作出注解。而为了能加强对于各组件、装置说明的易于了解，对于每一组件或装置于介绍时，均会赋与各介绍的组件或装置一附图标记。

请参阅图1，其中，本发明一较佳实施例中所提供的一种紫外线发光二极管结构示意图，其中，可见及本发明所提供的紫外线发光二极管结构是包括了一陶瓷基板10,所述的陶瓷基板10可以是氮化铝、氧化铝、氮化硅等。而在述的陶瓷基板10的上方则是设有一紫外线发光二极管芯片20；而在所述的的紫外线发光二极管芯片20外部则是具有一将所述紫外线发光二极管芯片20包覆起来的穿透层30。

请参看图2所示,其中,本发明的紫外线发光二极管结构的紫外线发光二极管芯片20是设置在所述陶瓷基板10的一侧,而在所述制紫外线发光二极管芯片20外侧,于此一实施例中,则包覆着有四层穿透层30；其中,每一层穿透层30的厚度均为5μm,且其组成材料是氟碳化合物。依着氟碳化合物的浓度不同,而可调制出分别具有1.5、1.45、1.4以及1.35不同折射率的穿透层30。主要即是利用不同材料之折射率方式，使用Inkjet喷涂的方式在紫外线发光二极管芯片20上喷涂出每层厚度仅有5um,且折射率为渐进(N＝1.5～1.35)的有机材料，因为厚度薄，所以深紫外光穿透的比率会明显地提升；也因为厚度相对薄，所以深紫外光线对于有机材料的破坏会降低，可靠度也可以获得提升。

表1

由表1的实验数据可知,当赤裸的紫外线发光二极管芯片20在没有任何包覆层于其外部时,其发出光线的出光效率当然的是100％；当加入了一层折射率为1.5的穿透层包覆于紫外线发光二极管芯片20外部时,其出光的效率则是提升到了125％；再加入了一层折射率为1.45的穿透层30时,紫外线发光二极管芯片20的出光的效率则是提升到了131％；再加入了一层折射率为1.4的穿透层30时,紫外线发光二极管芯片20的出光的效率则是提升到了137％；最后,再加入了一层折射率为1.35的穿透层30时,紫外线发光二极管芯片20的出光的效率则是提升到了141％。

由以上的实验可知,所述穿透层的折射率是朝向远离所述紫外线发光二极管芯片20的方向而递减,如此才能达成本发明所欲达到的增加出光率的目的。

由图3、4可知,本发明所提供的紫外线发光二极管结构的制程主要是以,例如,喷涂的方式来完成。当制作完第一层后,即制作第二层,而在第二层完成后,再行制成第三层,最后,则是在第三层后,制作出第四层的穿透层30。其中可以见到,在整体的结构完成后,紫外线发光二极管芯片20是位在所述陶瓷基板10的一侧,而后,则是采用堆栈的方式逐渐地堆栈在所述紫外线发光二极管芯片20的上方,且此复数层穿透层30的折射率时渐减的方式来堆栈。

再请参看图5所示,其中可见及本发明设置在所述紫外线发光二极管芯片20上方的复数层穿透层30材料中,若是加入了硅油,则可发现在紫外光波长段(<280nm)的出光穿透率产生极大的提升。再者,若是再加上了有聚光效应的话,则紫外线发光二极管芯片20的出光效率可以很快地提升到163.8％。

表2

由表2的实验数据可知,在单独加入了硅油后,由紫外线发光二极管芯片20的出光效率可提升到128.5％,而若仅仅是加入了聚光效果的透镜的话,则出光效率马上会降到了88.6％；然而,若是透镜加硅油二者同时再加入来作为所述紫外线发光二极管芯片20的封装材料的话,则所述紫外线发光二极管芯片20的出光效率可提升到163.8。

本发明的细说明仅是以最佳实施例来说明本发明的实施例状况以及各种不同的组合下,所可能发生的结果,但当不能以此限定本发明的实施范围，即依照本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效果修饰与变化，仍应属于本发明专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种紫外线发光二极管结构，其特征在于，所述的紫外线发光二极管结构包括：

一基板；

一设置在所述基板一侧,且可发出紫外光(UV)的发光二极管芯片；以及

复数层形成在所述发光二极管芯片一侧,且将所述发光二极管芯片完全包覆的穿透层,其中,所述的穿透层具有自里向外递减的折射率。

2.如请求项1所述的紫外线发光二极管结构,其特征在于,所述每一层的穿透层厚度为5μm。

3.如请求项1所述的紫外线发光二极管结构,其特征在于,所述的复数层穿透层为至少二层。

4.如请求项1或3所述的紫外线发光二极管结构,其特征在于,所述的复数层穿透层为四层。

5.如请求项1所述的紫外线发光二极管结构,其特征在于,所述的穿透层是包括了氟碳化合物。

6.如请求项1所述的紫外线发光二极管结构,其特征在于,所述的穿透层是包括了氟碳化合物以及硅油所组成。