CN117293257A - 一种高光源利用率的紫外led封装结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法，涉及封装结构制备技术领域，包括玻璃基板与三维陶瓷基板，玻璃基板与三维陶瓷基板之间设置有两组键合层，键合层的一侧设置有微透镜阵列，玻璃基板的内部设置有封装腔体，封装腔体的内部设置有封装组件，封装组件的内部设置有LED芯片。本发明提出的高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法，主要针对性设计图形化封装基板结构，将反射到基板上的光源再次向上高效反射，最大化减少基板对光源的吸收，实现了提高紫外LED芯片出光效率的同时降低芯片内部温度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及封装结构制备技术领域，具体来说，涉及一种高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法。
背景技术
发光二极管（Light emitting-diodes，LED），是一种利用独特的半导体PN结将电能转换为光能一类器件的统称，其中，紫外LED（UV-LED）具有低功耗、可控波长、环保等优点，是21世纪新型绿色光源，世界各国已经相继开始限制含汞产品的销售和使用，因此紫外LED市场规模也逐渐加速增长。
随着白色LED技术在照明、显示等领域的广泛应用，短波长紫外LED由于其潜在应用价值以及逐渐增长的市场规模也逐渐成为了LED领域研究重点。然而，紫外LED器件制备相较于白色LED器件是技术门槛相对较高，从设备、外延、芯片到封装都有着较大差异。由于紫外LED受到芯片制造过程中氮化物材料外延和掺杂技术限制，以及器件封装技术影响，出光效率低、可靠性差和成本高等问题正阻碍着紫外LED满足应用需求。其中，封装是将LED芯片到产品的重要步骤，有着机械支持、环境隔离、电子互联、热量规划以及发光的作用，直接关系到了紫外LED的出光效率和稳定性。
如图11至图16所示（图中Ⅰ表示菲涅尔反射、Ⅱ表示全反射、Ⅲ表示表面粗化），具体的，全反射相当于光全部反射回腔体，菲涅尔反射相当于一部分反射回腔体一部分射向腔体外，目前紫外LED封装出光效率是制约其广泛推广的最突出问题，导致该问题的主要原因是封装体内材料的全反射、菲涅尔反射严重如图11所示，目前主要改善方法为玻璃表面粗化如图12所示，或者基底单向、交错V型槽结构如图13、图14所示（具体的为了区分单向与交错，单向处保留了线条），或者使用掺杂石墨烯的有机胶体如图15所示，或者使用传统聚合物（硅胶、环树氧脂等）来制作微透镜如图16所示。
以上针对紫外LED封装结构的设计是通过出光放大或者抑制全反射提高紫外LED芯片出光效率，然而芯片内部由于全反射和菲涅尔反射的光源最终在芯片基体上被吸收转化为热能，从而导致芯片内部温度升高，降低了出光效率。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种高光源利用率的紫外LED封装结构，包括玻璃基板与三维陶瓷基板，玻璃基板与三维陶瓷基板之间设置有两组键合层，键合层的一侧设置有微透镜阵列，玻璃基板的内部设置有封装腔体，封装腔体的内部设置有封装组件，封装组件的内部设置有LED芯片。
进一步的，玻璃基板的两侧设置有若干组蛾眼纳米，且蛾眼纳米靠近键合层一侧的数量小于蛾眼纳米远离键合层一侧的数量；封装组件包括安装于封装腔体内部底端的三组金属互联层，位于中间的一组金属互联层的顶端设置有LED芯片，三组金属互联层的顶端连接有金线，封装腔体的内顶端设置有S型氟树脂；封装组件还包括设置于封装腔体内部的BN纳米粒子与聚二甲基硅氧烷有机硅。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，该高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法包括以下步骤：
S1、通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列的制备；
S2、对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板，并在玻璃基板表面制备蛾眼纳米结构；
S3、利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备；
S4、将BN纳米粒子与聚二甲基硅氧烷有机硅均匀混合并进行真空脱泡处理得到混合有机胶体；
S5、利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置，完成LED芯片的封装。
进一步的，通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列的制备包括以下步骤：
S11、采用激光直写方式在光刻胶上曝光直写得到多孔阵列膜，光刻胶的尺寸为20mm×20mm×30um；
S12、将S型氟树脂旋涂在多孔阵列膜板上，并放置于真空箱内固化，S型氟树脂的厚度为0.5mm；
S13、在固化完成后将氟树脂层与多孔阵列膜板进行分离，在氟树脂层表面形成微透镜阵列。
进一步的，对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板，并在玻璃基板表面制备蛾眼纳米结构包括以下步骤：
S21、对石英玻璃进行双面抛光处理后得到玻璃基板，采用丙酮、乙醇与去离子水对玻璃基板进行超声清洗；
S22、利用氮气对清洗完成的玻璃基板进行吹干并放入干燥箱内进行干燥；
S23、采用电子束蒸发镀膜机在玻璃基板表面沉积形成Au薄膜，并在热退火炉中进行热处理；
S24、利用激光直写方法对Au薄膜表面进行刻蚀得到蛾眼纳米结构；
S25、重复步骤S21至步骤S24，并在玻璃基板的另一面制备相同结构的蛾眼纳米。
进一步的，Au薄膜的厚度为15nm，且蛾眼纳米的结构特征尺寸为10nm。
进一步的，利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备包括以下步骤：
S31、在三维陶瓷基板的内部图形化封装基板位置，并将LED芯片安放于预设位置进行模拟选择出光效率最大的基板形状，基板形状为倒锥形；
S32、按照模拟结果利用微钻工艺在三维陶瓷基板的内部制造出交叠倒锥形强出光结构图形化基板；
S33、对倒锥形基板的各个面进行抛光与电镀银操作，直至锥形面的粗糙度值小于预设值。
进一步的，利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置，完成LED芯片的封装包括以下步骤：
S51、将LED芯片通过共晶键合层放置于图形化封装基板的预留位置；
S52、将微透镜阵列放置于LED芯片上，并放入真空箱内进行固化；
S53、将混合有机胶体注入封装腔体内并利用精密固晶机进行器件制备；
S54、将含有蛾眼纳米的玻璃基板通过机械嵌合的方式覆盖于封装腔体上。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法，主要针对性设计图形化封装基板结构，将反射到基板上的光源再次向上高效反射，最大化减少基板对光源的吸收，实现了提高紫外LED芯片出光效率的同时降低芯片内部温度的效果。
2、本发明针对紫外LED芯片提高发光效率后内部温度过高的问题，与传统平面封装结构进行对比输出光功率高66.9%，芯片内部温度降低48.8%，能够极大提高紫外LED芯片出光效率的同时有效减少芯片内部温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的局部示意图；
图3是根据本发明实施例的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法流程图；
图4是根据本发明实施例中的多孔阵列膜的剖视图；
图5是根据本发明实施例中的多孔阵列膜的俯视图；
图6是根据本发明实施例中的微透镜阵列结构的剖视图；
图7是根据本发明实施例中的微透镜阵列结构的俯视图；
图8是根据本发明实施例中的不同图形化基板结构封装光源模拟出光效率的示意图；
图9是根据本发明实施例中的交叠倒锥形强出光结构图形化基板示意图；
图10是根据本发明实施例中的不同结构集成光源辐射光功率以及芯片工作温度测试结果示意图；
图11是现有技术中封装体内材料的全反射、菲涅尔反射示意图；
图12是现有技术中玻璃平面结构与表面粗化结构对比图；
图13是现有技术中单向V型槽结构图；
图14是现有技术中交错V型槽结构图；
图15是现有技术中掺杂石墨烯的有机胶体示意图；
图16是现有技术中传统聚合物微透镜示意图。
图中：
1、玻璃基板；2、三维陶瓷基板；3、键合层；4、蛾眼纳米；5、微透镜阵列；6、封装腔体；7、封装组件；701、金属互联层；702、金线；703、S型氟树脂；704、BN纳米粒子；705、聚二甲基硅氧烷有机硅；8、LED芯片；9、石墨烯；10、传统聚合物。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1至图2所示，根据本发明实施例的高光源利用率的紫外LED封装结构，包括玻璃基板1与三维陶瓷基板2，玻璃基板1与三维陶瓷基板2之间设置有两组键合层3，键合层3的一侧设置有微透镜阵列5，玻璃基板1的内部设置有封装腔体6，封装腔体6的内部设置有封装组件7，封装组件7的内部设置有LED芯片8。
具体的，玻璃基板1的两侧设置有若干组蛾眼纳米4，且其中一侧蛾眼纳米4靠近键合层3一侧的数量小于蛾眼纳米4远离键合层3一侧的数量另一侧蛾眼纳米4的数量，具体的靠近键合层3一侧的数量为18，远离键合层3一侧的数量为28。
具体的，封装组件7包括安装于封装腔体6内部底端的三组金属互联层701，位于中间的一组金属互联层701的顶端设置有LED芯片8，具体的，如图1至图2所示，LED芯片8与金属互联层701之间设置有焊接层，焊接层的目的是使三维陶瓷基板2上的互联层701与LED芯片8之间形成稳固的粘接，三组金属互联层701的顶端连接有金线702，封装腔体6的内顶端设置有S型氟树脂703；封装组件7还包括设置于封装腔体6内部的BN纳米粒子704与聚二甲基硅氧烷有机硅705。具体的，两侧金属互联层701与外侧电源相连为LED芯片8供电，中间金属互联层701不与外侧相连，作用是避免在LED芯片8焊接过程中对三维陶瓷基板2造成热损伤。
如图3所示，根据本发明的另一个实施例，还提供了一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，该高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法包括以下步骤：
S1、通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列5的制备。
如图4至图7所示，通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列5的制备包括以下步骤：
S11、采用激光直写方式在光刻胶上曝光直写得到多孔阵列膜，光刻胶的尺寸为20mm×20mm×30um。
S12、将S型氟树脂703旋涂在多孔阵列膜板上，并放置于真空箱内固化，S型氟树脂703的厚度为0.5mm，其中真空箱内的温度为120℃，固化时间为3小时。
S13、在固化完成后将氟树脂层与多孔阵列膜板进行分离，在氟树脂层表面形成微透镜阵列5。
S2、对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板1，并在玻璃基板1表面制备蛾眼纳米4结构。
对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板1，并在玻璃基板1表面制备蛾眼纳米4结构包括以下步骤：
S21、对石英玻璃进行双面抛光处理后得到玻璃基板1，采用丙酮、乙醇与去离子水对玻璃基板1进行超声清洗。
S22、利用氮气对清洗完成的玻璃基板1进行吹干并放入干燥箱内进行干燥。
S23、采用电子束蒸发镀膜机在玻璃基板1表面沉积形成Au薄膜，并在热退火炉中进行热处理。
S24、利用激光直写方法对Au薄膜表面进行刻蚀得到蛾眼纳米4结构。
S25、重复步骤S21至步骤S24，并在玻璃基板1的另一面制备相同结构的蛾眼纳米4。
需要说明的是，石英玻璃的厚度为0.5mm，干燥时长为10分钟，Au薄膜的厚度为15nm，且蛾眼纳米4结构的特征尺寸为10nm。
S3、利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备。
具体的，利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备包括以下步骤：
S31、在三维陶瓷基板2的内部图形化封装基板位置，并将LED芯片8安放于预设位置进行模拟选择出光效率最大的基板形状，基板形状为倒锥形。
S32、按照模拟结果利用微钻工艺在三维陶瓷基板2的内部制造出交叠倒锥形强出光结构图形化基板。
S33、对倒锥形基板的各个面进行抛光与电镀银操作，直至锥形面的粗糙度值小于预设值。
如图8至图9所示，需要对上述步骤解释说明的是，将16颗的紫光芯片安放于图形化封装基板预留的安装位置上，紫光芯片厚度为0.2mm，具体的，图形化封装基板芯片安装区域的总反射率为91.3，其中镜面反射成分为90.25%，漫反射成分为1.05%。
其中，LED有源层位于芯片顶面，按照朗伯体分布设定每个芯片发光线数量为10000条，光源总光线数为200000，进行模拟，模拟结果如图8所示，可以发现对于倒锥形结构在时出光效率达到最大。
以T1紫铜为基板，通过微钻工艺制造出的交叠倒锥形强出光结构图形化基板，所有锥孔面都进行抛光并电镀银，使得粗糙度小于0.4um，加工表面具有镜面反射效果，最终结构如图9所示，重复上述步骤将芯片腔体四周内壁制造出/>的交叠倒锥形强出光结构。
S4、将BN纳米粒子704与聚二甲基硅氧烷有机硅705均匀混合并进行真空脱泡处理得到混合有机胶体。
需要说明的是，BN纳米粒子704的质量分数浓度为0.025wt%。
S5、利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置，完成LED芯片8的封装。
具体的，利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置完成LED芯片8的封装包括以下步骤：
S51、将LED芯片8通过共晶键合层3放置于图形化封装基板的预留位置；
S52、将微透镜阵列5放置于LED芯片8上，并放入真空箱内进行固化；
S53、将混合有机胶体注入封装腔体6内并利用精密固晶机进行器件制备；
S54、将含有蛾眼纳米4的玻璃基板1通过机械嵌合的方式覆盖于封装腔体6上。
需要对上述步骤解释说明的是，将16颗2×2mm的LED芯片8通过共晶键合层3安放于图形化封装基板预留的安装位置上，LED芯片8的厚度为0.2mm，将微透镜阵列5放置在LED芯片8上，并放入120℃真空箱内固化3小时，将聚二甲基硅氧烷有机硅705（PDMS）与BN纳米粒子704混合有机胶体注入紫外LED封装腔体6中，通过精密固晶机进行器件制备，将含有蛾眼纳米4的玻璃基板1通过机械嵌合的方式覆盖于封装腔体6上，最终完成高光源利用率的紫外LED封装结构的制备。
通过与传统平面封装结构进行对比，如图10所示，本发明提出的高出光效率的紫外LED封装结构比传统平面封装结构的输出光功率高66.9%，芯片内部温度降低48.8%。因此本发明提出的高光源利用率的紫外LED封装结构设计及制备方法能够极大提高紫外LED芯片出光效率的同时有效减少芯片内部温度。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明提出的高光源利用率的紫外LED封装结构及制备方法，主要针对性设计图形化封装基板结构，将反射到基板上的光源再次向上高效反射，最大化减少基板对光源的吸收，实现了提高紫外LED芯片出光效率的同时降低芯片内部温度的效果。本发明针对紫外LED芯片提高发光效率后内部温度过高的问题，与传统平面封装结构进行对比输出光功率高66.9%，芯片内部温度降低48.8%，能够极大提高紫外LED芯片出光效率的同时有效减少芯片内部温度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高光源利用率的紫外LED封装结构，包括玻璃基板（1）与三维陶瓷基板（2），其特征在于，所述玻璃基板（1）与所述三维陶瓷基板（2）之间设置有两组键合层（3），所述键合层（3）的一侧设置有微透镜阵列（5），所述玻璃基板（1）的内部设置有封装腔体（6），所述封装腔体（6）的内部设置有封装组件（7），所述封装组件（7）的内部设置有LED芯片（8）；
所述封装组件（7）包括安装于所述封装腔体（6）内部底端的三组金属互联层（701），位于中间的一组所述金属互联层（701）的顶端设置有LED芯片（8），三组所述金属互联层（701）的顶端连接有金线（702），所述封装腔体（6）的内顶端设置有S型氟树脂（703）；
所述封装组件（7）还包括设置于所述封装腔体（6）内部的BN纳米粒子（704）与聚二甲基硅氧烷有机硅（705）。
2.根据权利要求1所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构，其特征在于，所述玻璃基板（1）的两侧设置有若干组蛾眼纳米（4），且所述蛾眼纳米（4）靠近所述键合层（3）一侧的数量小于所述蛾眼纳米（4）远离所述键合层（3）一侧的数量。
3.一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，用于实现权利要求1-2中任一项所述的高光源利用率的紫外LED封装结构的制备，其特征在于，所述高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法包括以下步骤：
S1、通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列（5）的制备；
S2、对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板（1），并在玻璃基板（1）表面制备蛾眼纳米（4）结构；
S3、利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备；
S4、将BN纳米粒子（704）与聚二甲基硅氧烷有机硅（705）均匀混合并进行真空脱泡处理得到混合有机胶体；
S5、利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置，完成LED芯片（8）的封装。
4.根据权利要求3所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述通过激光直写方法曝光写出多孔阵列膜，并进行涂胶固化处理完成微透镜阵列（5）的制备包括以下步骤：
S11、采用激光直写方式在光刻胶上曝光直写得到多孔阵列膜，所述光刻胶的尺寸为20mm×20mm×30um；
S12、将S型氟树脂（703）旋涂在多孔阵列膜板上，并放置于真空箱内固化，所述S型氟树脂（703）的厚度为0.5mm；
S13、在固化完成后将氟树脂层与多孔阵列膜板进行分离，在氟树脂层表面形成微透镜阵列（5）。
5.根据权利要求4所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述对石英玻璃进行双面抛光得到玻璃基板（1），并在玻璃基板（1）表面制备蛾眼纳米（4）结构包括以下步骤：
S21、对石英玻璃进行双面抛光处理后得到玻璃基板（1），采用丙酮、乙醇与去离子水对玻璃基板（1）进行超声清洗；
S22、利用氮气对清洗完成的玻璃基板（1）进行吹干并放入干燥箱内进行干燥；
S23、采用电子束蒸发镀膜机在玻璃基板（1）表面沉积形成Au薄膜，并在热退火炉中进行热处理；
S24、利用激光直写方法对Au薄膜表面进行刻蚀得到蛾眼纳米（4）结构；
S25、重复步骤S21至步骤S24，并在玻璃基板（1）的另一面制备相同结构的蛾眼纳米（4）。
6.根据权利要求5所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述Au薄膜的厚度为15nm，且所述蛾眼纳米（4）的结构特征尺寸为10nm。
7.根据权利要求6所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，所述利用微钻工艺技术完成图形化封装基板结构的制备包括以下步骤：
S31、在三维陶瓷基板（2）的内部图形化封装基板位置，并将LED芯片（8）安放于预设位置进行模拟选择出光效率最大的基板形状，所述基板形状为倒锥形；
S32、按照模拟结果利用微钻工艺在三维陶瓷基板（2）的内部制造出交叠倒锥形强出光结构图形化基板；
S33、对倒锥形基板的各个面进行抛光与电镀银操作，直至锥形面的粗糙度值小于预设值。
8.根据权利要求7所述的一种高光源利用率的紫外LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述利用步骤S1至S4得到的各类材料进行安装放置，完成LED芯片（8）的封装包括以下步骤：
S51、将LED芯片（8）通过共晶键合层（3）放置于图形化封装基板的预留位置；
S52、将微透镜阵列（5）放置于LED芯片（8）上，并放入真空箱内进行固化；
S53、将混合有机胶体注入封装腔体（6）内并利用精密固晶机进行器件制备；
S54、将含有蛾眼纳米（4）的玻璃基板（1）通过机械嵌合的方式覆盖于封装腔体（6）。
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