CN113764560A - 光学集成封装半导体光源器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学集成器件技术领域，具体公开了一种光取出效率较高且器件发热量较低的光学集成封装半导体光源器件，该光学集成封装半导体光源器件包括基板、光学透镜、LED芯片及透光胶层，基板上设有电路，光学透镜与基板固定连接，光学透镜与基板之间具有光源空腔，LED芯片及透光胶层分别收容于光源空腔，LED芯片设置于电路的顶部并与电路电性连接，透光胶层至少设置在LED芯片的上表面，透光胶层用于降低LED芯片光取出时的菲涅尔损失；透光胶层的外表面为凸弧面，凸弧面用于降低LED芯片发出的光的全反射损失。
Description
技术领域
本发明涉及光学集成器件技术领域，特别是涉及一种光学集成封装半导体光源器件。
背景技术
LED是一种集体积小、耗电量低、亮度高、环保、坚固耐用且使用寿命长等诸多优点于一体的照明装置。为了提升产品的光斑品质，同时使产品兼具轻薄化、小型化等特点，目前已有部分封装厂将二次透镜与LED芯片结合起来，具体的，通过在LED芯片的上方设计一个体积较小的光学透镜，利用光学透镜对光线的折射，来调节LED芯片产生的光斑形状并提升光斑品质，也就是说，将透镜的功能集成于LED芯片，完成芯片级光学透镜设计。
然而，在传统的光学透镜类光源器件中，LED芯片出射的光线经过折射率为1的空气界面后，光线的菲涅尔损失较大，LED芯片的光取出效率只有70％左右，造成极大的光能浪费；此外，光学透镜内未取出部分的光能将转化为热能，使得各器件的温度升高，器件长时间处于过热状况易加速器件老化，进而缩短器件的使用寿命。
发明内容
基于此，有必要针对光取出效率低及器件过热加速老化的技术问题，提供一种光取出效率较高且器件发热量较低的光学集成封装半导体光源器件。
一种光学集成封装半导体光源器件，包括基板、光学透镜、LED芯片及透光胶层，所述基板上设有电路，所述光学透镜与所述基板固定连接，所述光学透镜与所述基板之间具有光源空腔，所述LED芯片及所述透光胶层分别收容于所述光源空腔，所述LED芯片设置于所述电路的顶部并与所述电路电性连接，所述透光胶层至少设置在所述LED芯片的上表面，所述透光胶层用于降低所述LED芯片光取出时的菲涅尔损失；所述透光胶层的外表面为凸弧面，所述凸弧面用于降低所述LED芯片发出的光的全反射损失。
在其中一个实施例中，所述透光胶层设置于所述LED芯片上方，所述透光胶层在所述LED芯片上的包覆方式为：包覆所述LED芯片的上表面；包覆所述LED芯片的上表面和侧面以及包覆所述LED芯片的上表面和侧面并与所述基板连接中的一种。
在其中一个实施例中，光学集成封装半导体光源器件还包括导线，所述导线半包覆于所述透光胶层并分别与所述电路及所述LED芯片电性连接。
在其中一个实施例中，所述凸弧面上各处的曲率与所述LED芯片的形状及尺寸相适配，用于增大光线经过所述凸弧面的全反射角，减少全反射损失。
在其中一个实施例中，所述透光胶层通过预先将透光胶设置于预定形状的模具内，并与所述基板压合成型。
在其中一个实施例中，所述透光胶层混有微颗粒，所述微颗粒包含扩散粉颗粒，荧光粉颗粒或色剂颗粒中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述光学透镜的内外两个光学界面中至少有一个光学界面是自由曲面。
在其中一个实施例中，所述透光胶层和所述光学透镜的材质为折射率大于.的硅胶或者树脂。
在其中一个实施例中，所述光学透镜的侧方部分断面与所述基板的侧方部分断面相互平行，同为金属或激光切割形成的断面。
在其中一个实施例中，具有所述光源空腔的所述光学透镜的底部与所述基板密封连接。
实施本发明的光学集成封装半导体光源器件，通过在LED芯片上设置外表面为凸弧面的透光胶层，在LED芯片出射的光线穿设透光胶层时，由于透光胶层的折射率大于空气的折射率，出射光将在透光胶层的外表面处发生折射，使得LED芯片出射的光向LED芯片顶部的方向偏折，凸弧面的设置有利于增大了出射光的全反射角，减小出射光的全反射损失，从而提高光取出效率及光能利用率；此外，在光源器件的光取出效率增大的同时，光学透镜内可转化为热能的光量减少，从而降低了光源器件的发热量，光源器件升温较小，从而延缓了光源器件的老化速率，延长了其使用寿命。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中光学集成封装半导体光源器件的剖面结构示意图；
图2为本发明的另一个实施例中光学集成封装半导体光源器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
请参阅图1，本发明提供了一种光学集成封装半导体光源器件10，其包括设有电路300的基板100、光学透镜200、LED芯片400及透光胶层500，光学透镜200与基板100固定连接，光学透镜200与基板100之间具有光源空腔600，LED芯片400及透光胶层500分别收容于光源空腔600，LED芯片400设置于电路300的顶部并与电路300电性连接，透光胶层至少设置在LED芯片400的上表面，透光胶层500用于降低LED芯片400光取出时的菲涅尔损失；透光胶层500的外表面为凸弧面，凸弧面用于降低LED芯片400发出的光的全反射损失。
实施本发明的光学集成封装半导体光源器件10，通过在LED芯片400上设置外表面为凸弧面的透光胶层500，在LED芯片400出射的光线穿设透光胶层500时，由于透光胶层500的折射率大于空气的折射率，出射光将在透光胶层500的外表面处发生折射，使得LED芯片400出射的光向LED芯片400顶部的方向偏折，凸弧面的设置有利于增大了出射光的全反射角，减小出射光的全反射损失，从而提高光取出效率及光能利用率；此外，在光源器件的光取出效率增大的同时，光学透镜200内可转化为热能的光量减少，从而降低了光源器件的发热量，光源器件升温较小，从而延缓了光源器件的老化速率，延长了其使用寿命。
基板100用于固定安装光学透镜200，并与光学透镜200共同形成光源空腔600，以便于装设LED芯片400及透光胶层500等，电路300采用印刷方式设置在基板100上。在实际生产中，电路300还可采用电镀或蚀刻等方式设置在基板100上，于此不再赘述。此外，基板100还用于与外部环境元件连接，例如与环境元件焊接，以实现光源器件的安装设置。需要说明的是，在实际生产中，基板100既可以采用塑料材质制作，也可以采用陶瓷或金属材质制作，当然还可以是其他，具体根据生产条件及光源器件的适用场景进行选择，于此不再赘述。
光学透镜200用于对经由透光胶层500出射的光进行折射，以调整出射光形成的光斑大小及形状，并进一步提升光斑的品质，以满足用户使用的需要。具体的，在LED芯片400的工作过程中，LED芯片400出射的光线由光学透镜200内表面入射，进入光学透镜200，再由光学透镜200的外表面出射，通过光学透镜200的内表面及外表面的界面对光线进行调控，更加利于光型控制，可使光斑在有效区域内更加均匀。需要说明的是，一实施例中，光学透镜200的内外两个光学界面中至少有一个光学界面是自由曲面，也就是说，光学透镜200的顶部的内表面及外表面可以同时为曲面，或二者中的一个为曲面，另一个为平面；且该曲面既可以是凹弧面也就可以是凸弧面，当光学透镜200的顶部的内表面及外表面同时为曲面时，内表面及外表面的凹凸方向既可以相同，也可以相异。此外，可以根据用户预期的光斑品质，生产出内表面及外表面的曲面半径不同的多个规格的光学透镜200，以满足用户需求，于此不再赘述。一实施例中，光学透镜200采用折射率大于1.4的硅胶或树脂制成，硅胶及树脂均属于易于成型的材料，可以降低光学透镜200的加工难度，且硅胶及树脂的透光率较好，有利于减少光能损失。
进一步的，光学透镜200的底部具有非光学功能部210，非光学功能部210与基板100固定连接。该部位不能对LED芯片400产生的光线进行折射或实现光线调节，仅用于安装光学透镜200，在保证光学透镜200与基板100连接稳定性的同时，避免基板100影响光学透镜200的出光效果，进而保证光源器件提升LED芯片400光取出效率的可靠性。优选的，具有光源空腔600的光学透镜200的底部与基板100密封连接，也就是说，光源空腔600与外部环境相对独立，并不连通。如此，避免因外部空气中的灰尘杂质经由光学透镜200与基板100连接处的缝隙进入光源空腔600内，造成的光线在灰尘杂质处发生衍射或散射问题，以提升出射的光斑品质。此外，通过使光学透镜200的底部与基板100密封连接，避免了外部水渍进入光源空腔600内造成的LED芯片400漏电损坏问题的发生，有利于延长光源器件的使用寿命。
一实施例中，光学透镜200的侧方部分断面与基板100的侧方部分断面相互平行，同为金属或激光切割形成的断面。优选的，光学透镜200的侧方部分断面与基板100的侧方部分断面位于同一平面内。如此，在对光源器件加工时，仅需对切刀或激光切割机的切割距离进行设定或无需调整切割距离，即实现对光学透镜200及基板100的切割加工，避免了因重复调整切刀及激光切割机切割角度时产生的工作量增加问题，有利于提升光源器件的加工效率。
电路300用于与外部电源电性连接，并控制LED芯片400发光。一实施例中，光学集成封装半导体光源器件还包括导线700，导线700半包覆于透光胶层500并分别与电路300及LED芯片400电性连接，亦即，导线700的一端与电路300电性连接并裸露于光源空腔600内，导线700的另一端被透光胶层500覆盖并与LED芯片400电性连接。如此，对导线700与LED芯片400连接部位进行了固定，避免光源器件受外力震荡时，导线700与LED芯片400连接处断开，换言之，提升了导线700与LED芯片400连接的稳定性。
LED芯片400用于在通电情况下发出光线。具体的，LED芯片400是一种固态的半导体器件，其内部具有P-N结，当电流作用于LED芯片400上时，电子由LED芯片400的P-N结的N区推向P区，并在P区里与空穴复合，随后以光子的形式发出能量，从而发出光线。
透光胶层500用于对LED芯片400发出的光线进行折射，以减少LED芯片400发出光线的菲涅尔损失，从而提升LED芯片400的光取出效率。具体的，由于空气的折射率较小，在未设置透光胶层500时，LED芯片400发出的光进入到光源空腔600时，光线在LED芯片400与光源空腔600的交界面的反射量较大，如此，从LED芯片400出射至光源空腔600的光能总量减少，也就是说，LED芯片400发出的光在传播过程中的菲涅尔损失较大，继而使得LED芯片400的光取出效率较低，影响LED芯片400发出的光线的光斑品质。当设置透光胶层500时，优选的，透光胶层500采用模造玻璃或折射率大于1.4的硅胶或树脂等材质制成。由于上述材质的折射率较大，LED芯片400发出的光穿设进入透光胶层500时的反射量大大降低，LED芯片400发出的光在传播过程中的菲涅尔损失减小，从而提高了LED芯片400的光取出效率。
再者，通过设置透光胶层500，当LED芯片400发出的光传播至透光胶层500时当LED芯片400的输入功率确定时，可适当减小LED芯片400的尺寸及光学透镜200的尺寸，亦即，减小光源器件的整体尺寸，仍可保证光源器件出射的光线的光型及光斑品质，从而促进光源器件向小型化方向的发展。
此外，通过将透光胶层500的外表面设置为凸弧面，LED芯片400发出的光线经由该凸弧面出射时，出射光的全反射角增大，有利于减小出射光的全反射损失，从而提升光取出效率。一实施例中，凸弧面上各处的曲率与LED芯片400的形状及尺寸相适配，用于增大光线经过凸弧面的全反射角，减少全反射损失，例如，凸弧面为各处的曲率与LED芯片400形状及尺寸相适配的球面、椭球面或自由曲面。在LED芯片400发出的光线经由透光胶层500传播的过程中，小于透光胶层500的外表面临界角的光线可以完全出射，即发生全反射。而通过将透光胶层500的外表面设置为各处曲率与LED芯片400的形状及尺寸相适配的凸弧面，大大增加了透光胶层500的外表面临界角，亦即，全反射角，如此，将有更多光线从透光胶层500的外表面完全出射，从而进一步减小了LED芯片400发出的光线的全反射损失，达到提升LED芯片400光取出效率的目的。需要说明的是，本实施例所公开的凸弧面上各处曲率与LED芯片400形状及尺寸相适配，是指根据LED芯片400形状及尺寸结合光线传播理论，对凸弧面的形状进行设计，使得LED芯片400上各处发出的光线经由凸弧面上相应部位出射的光线的全反射角达到最大，从而最大程度的减小出射光的全反射损失，达到提升光取出效率的目的。本实施例仅示出了透光胶层500为球面、椭球面或自由曲面的情况，在实际生产中，根据LED芯片400形状尺寸以及生产工艺条件和生产能力，透光胶层500的外表面还可以是其他形状的凸椭球面或其他其他弧面，于此不再赘述。
一实施例中，透光胶层500设置于LED芯片400上方，透光胶层500在LED芯片400上的包覆方式为：包覆LED芯片400的上表面；包覆LED芯片400的上表面和侧面以及包覆LED芯片400的上表面和侧面并与基板100连接中的一种。上述三种包覆方式均可通过在调整胶量的情况下，将透光胶设置于预定形状的模具内，并与基板100压合成型。具体的，将透光胶装入预定形状的模具内，随后将装设有LED芯片400的基板100翻转并压覆在模具上，使LED芯片400与模具内的透光胶接触，直至透光胶固结在LED芯片400的顶部，即实现透光胶层500与LED芯片400的连接。
另一实施例中，还可通过将透光胶滴涂在LED芯片400的上表面，亦即LED芯片400的顶部，待透光胶固结形成透光胶层500，在此种情况下，透光胶层500与LED芯片400的顶部牢固结合在一起，以便于对LED芯片400出射的光线进行折射。透光胶滴涂的过程中，透光胶在重力及表面张力的作用下自然成型为透光胶层500，降低了光源器件的加工难度，有利于产品进行大规模生产。此外，透光胶自然成型形成的透光胶层500的侧面可对LED芯片400发出的光线进行折射，使该部分光线向LED芯片400顶部的方向偏折，从而减小了LED芯片400侧向的发光角度，进而降低了光学透镜200的收光设计的难度。
需要说明的是，当透光胶层500包覆LED芯片400的上表面和侧面并与基板100连接时，在实现透光胶层500对LED芯片400发出的光线进行折射的前提下，透光胶层500同时与LED芯片400及基板100连接，增大了透光胶层500的安装面积，避免透光胶层500从LED芯片400上脱落，以保证本实施例的光源器件对LED芯片400的光取出效率提高作用的可靠性。
一实施例中，透光胶层500混有微颗粒，微颗粒包含扩散粉颗粒，荧光粉颗粒或色剂颗粒中的一种或多种。具体的，在透光胶层500的加工过程中，通过将微颗粒添加至透光胶后并充分搅拌，使微颗粒均匀分散于透光胶中，得到微颗粒在其内部均匀分散的透光胶层500。扩散粉颗粒是一种性能优良的分散剂，具有较好的匀光效果，可对LED芯片400发出的光线进行匀化，以削弱因LED芯片400内的电极纹路成像对出射光的影响，以利于提升光斑品质。荧光粉颗粒可对LED芯片400发出的光线进行匀化，还可使LED芯片400发出的光线转化为白光，亦即，提升LED芯片400发出的光线的亮度。色剂颗粒具有光屏蔽性，可对特定波长范围的光线进行屏蔽，以使得经由光学透镜200出射的光线呈现特定颜色，达到控制光色的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，包括基板(100)、光学透镜(200)、LED芯片(400)及透光胶层(500)，
所述基板(100)上设有电路(300)，所述光学透镜(200)与所述基板(100)固定连接，所述光学透镜(200)与所述基板(100)之间具有光源空腔(600)，所述LED芯片(400)及所述透光胶层(500)分别收容于所述光源空腔(600)，所述LED芯片(400)设置于所述电路(300)的顶部并与所述电路(300)电性连接，所述透光胶层至少设置在所述LED芯片(400)的上表面，所述透光胶层(500)用于降低所述LED芯片(400)光取出时的菲涅尔损失；所述透光胶层(500)的外表面为凸弧面，所述凸弧面用于降低所述LED芯片(400)发出的光的全反射损失。
2.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述透光胶层(500)设置于所述LED芯片(400)上方，所述透光胶层(500)在所述LED芯片(400)上的包覆方式为：包覆所述LED芯片(400)的上表面；包覆所述LED芯片(400)的上表面和侧面以及包覆所述LED芯片(400)的上表面和侧面并与所述基板(100)连接中的一种。
3.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，光学集成封装半导体光源器件(10)还包括导线(700)，所述导线(700)半包覆于所述透光胶层(500)并分别与所述电路(300)及所述LED芯片(400)电性连接。
4.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述凸弧面上各处的曲率与所述LED芯片(400)的形状及尺寸相适配，用于增大光线经过所述凸弧面的全反射角，减少全反射损失。
5.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述透光胶层(500)通过预先将透光胶设置于预定形状的模具内，并与所述基板(100)压合成型。
6.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述透光胶层(500)混有微颗粒，所述微颗粒包含扩散粉颗粒，荧光粉颗粒或色剂颗粒中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述光学透镜(200)的内外两个光学界面中至少有一个光学界面是自由曲面。
8.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述透光胶层(500)和所述光学透镜(200)的材质为折射率大于1.4的硅胶或者树脂。
9.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，所述光学透镜(200)的侧方部分断面与所述基板(100)的侧方部分断面相互平行，同为金属或激光切割形成的断面。
10.根据权利要求1所述的光学集成封装半导体光源器件(10)，其特征在于，具有所述光源空腔(600)的所述光学透镜(200)的底部与所述基板(100)密封连接。
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