TWI536613B - 固態發光模組 - Google Patents

Description

固態發光模組

本發明是有關於一種發光裝置，且特別是有關於一種使用透明基板之固態發光模組。

發光二極體是一種能發光的半導體電子元件，透過三價與五價元素所組成的複合光源，其具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。

若發光二極體設置於透明基板上，具有高取光效率之優勢，但發光二極體晶片所發出的光線會於透明基板內進行波導，並且由透明基板之側面溢露出，造成發光二極體封裝體之產生光線顏色不均之現象。

因此，如何能使使用透明基板之發光模組不但可保有高取光之優勢，更能使發出光線之顏色均勻，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域極需改進的目標。

本發明之一態樣是在提供一種固態發光模組，以解 決先前技術的問題。

於一實施例中，本發明所提供的固態發光模組包含透明基板、發光二極體晶片、第一封裝膠體、第二封裝膠體及波長選擇結構層；透明基板包含第一表面、相對於第一表面之第二表面及環繞並連接第一表面及第二表面之側面；發光二極體晶片固定於第一表面上，用以發出第一波長光；第一封裝膠體設置於第一表面並包覆發光二極體晶片；第二封裝膠體設置於第二表面上並與第一封裝膠體位置相對應；波長選擇結構層設置於透明基板之側面上，用以使光線被選擇性地反射或通過。

於一實施例中，固態發光模組更包含波長轉換物質，設置於第一封裝膠體與第二封裝膠體內，波長轉換物質受一部分第一波長光激發而產生第二波長光，且第二波長光與另一部份第一波長光混合而產生第三波長光。

於一實施例中，抵達側面之第一波長光，大部分會被波長選擇結構層反射而回到透明基板內，其餘之第一波長光則會通過波長選擇結構層，而抵達側面之第二波長光，大部分會通過波長選擇結構層，其餘的第二波長光則會被反射而回到透明基板內。

於一實施例中，波長選擇結構層是一個三維光子晶體結構。

於一實施例中，三維光子晶體結構係由多個球體以所組成之六方最密堆積(hexagonal close packing)結構，其中這些球體係具相同的粒徑。

於一實施例中，這些球體係為包括聚苯乙烯(polystyrene，PS)的材料所構成。

於一實施例中，這些球體之粒徑係介於180nm~200nm之間。

於一實施例中，透明基板之材料係為玻璃、藍寶石基板(sapphire substrate)、磷化鎵(GaP)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或三氧化二鋁(Al2O3)其中之一或其組合。

於一實施例中，發光二極體晶片係為一藍光發光二極體(blue light LED)晶片或一紫外光發光二極體(ultraviolet LED)晶片。

於一實施例中，第一封裝膠體及第二封裝膠體之材質為包括矽膠、環氧樹脂或矽樹脂其中之一或其組合的材料所構成。

於一實施例中，波長轉換物質為包括螢光顏料、有機螢光粉或無機螢光粉其中之一或其組合的材料所構成。

於一實施例中，第一封裝膠體及第二封裝膠體之表面具有一半圓曲面。

於一實施例中，波長選擇結構層除位在透明基板的側面外，更延伸至未受第一封裝膠體及第二封裝膠體包覆的第一表面及第二表面上。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其優點係藉 由波長選擇結構層的設置，使固態發光模組得以產生光線顏色均勻。

110、210、610‧‧‧透明基板

111、211、611‧‧‧第一表面

112、212‧‧‧第二表面

113、213、613‧‧‧側面

120、220、620‧‧‧發光二極體晶片

131、231、631‧‧‧第一封裝膠體

132、232、632‧‧‧第二封裝膠體

140、240、640‧‧‧波長選擇結構層

150、250、650‧‧‧波長轉換物質

171、172、261、262、671、672‧‧‧導電層

271、272‧‧‧導線

300‧‧‧六方最密堆積結構

310‧‧‧球體

D1、D2、D3‧‧‧粒徑

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本發明一實施例之一種固態發光模組的剖面圖；第2圖是依照本發明一實施例所繪示之第1圖之固態發光模組未設置第一封裝膠體時之俯視圖；第3圖是依照本發明一實施例之另一種固態發光模組之剖面圖；第4圖是依照本發明一實施例所繪示之第3圖之固態發光模組未設置第二封裝膠體時之俯視圖；第5圖是依照本發明一實施例之一種波長選擇結構層的立體結構示意圖；第6A圖是依照第5圖所繪示之球體排列的一示意圖；第6B圖是依照第5圖所繪示之球體排列的另一示意圖；第6C圖是依照第5圖所繪示之球體排列的又一示意圖；第7圖是依照本發明一實施例之一種波長選擇結構層的球體之粒徑與光線波長的關係圖；以及第8圖是依照本發明另一實施例之一種固態發光模組的剖面圖。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

第1圖是依照本發明一實施例之一種固態發光模組的剖面圖。如第1圖所示，於一實施例中，固態發光模組包含透明基板110、發光二極體晶片120、第一封裝膠體131、第二封裝膠體132及波長選擇結構層140。透明基板110包含第一表面111、第二表面112及側面113。第二表面112相對於第一表面111，而側面113環繞並連接第一表面111及第二表面112。發光二極體晶片120固定於透明基板110的第一表面111。具體來說，發光二極體晶片120係以覆晶方式接合於透明基板110的第一表面111，會與設置於透明基板110的第一表面111之導電層171、172電性連接。波長選擇結構層140設置於透明基板110之側面113上。

第一封裝膠體131設置於透明基板110之第一表面111並包覆發光二極體晶片120，而第二封裝膠體132設置於透明基板110之第二表面112上並與第一封裝膠體131位置相對應，即第一封裝膠體131與第二封裝膠體132對稱設置於透明基板110之兩面。於一實施例中，第一封裝 膠體131及第二封裝膠體132之表面具有半圓曲面。由於第一封裝膠體131及第二封裝膠體132之表面為半圓曲面，可使得固態發光模組所發出的光線是均勻地。

於一實施例中，固態發光模組更包含波長轉換物質150，設置於第一封裝膠體131與第二封裝膠體132內。系統電源透過導電層171、172提供電源至發光二極體晶片120，使發光二極體晶片120發出第一波長光。波長轉換物質150受發光二極體晶片120所發出的一部分第一波長光激發而產生第二波長光，且第二波長光與另一部份第一波長光混合而產生第三波長光。

波長選擇結構層140用以使在透明基板110內之光線被選擇性地反射或通過。於一實施例中，抵達側面113之第一波長光，大部分會被波長選擇結構層140反射而回到透明基板110內，其餘小部份之第一波長光則會通過波長選擇結構層140，而被反射回透明基板110內的第一波長光則可能進入第一封裝膠體131或第二封裝膠體132內，波長轉換物質150受到第一波長光激發而產生第二波長光，或是與第二波長光混合而產生第三波長光。而抵達側面113之第二波長光，大部分會通過波長選擇結構層140，其餘小部份之第二波長光則會被反射而回到透明基板110內，而被反射而回到透明基板110內之第二波長光則可能與第一波長光混合而產生第三波長光。透出波長選擇結構層140之第一波長光及第二波長光也會混合成第三波長光。

於一實施例中，透明基板110之材料係為玻璃、藍 寶石基板、磷化鎵、碳化矽、砷化鋁鎵或三氧化二鋁其中之一或其組合。於一實施例中，發光二極體晶片120係為藍光發光二極體晶片或紫外光發光二極體晶片，藍光發光二極體晶片所發出的光波長大約在450nm~470nm，紫外光發光二極體晶片所發出的光波長大約在370nm~400nm。於一實施例中，第一封裝膠體131及第二封裝膠體132之材質為包括矽膠、環氧樹脂或矽樹脂其中之一或其組合的材料所構成，可視發光二極體晶片120之種類(如：一般亮度、高亮度、高功率或高硬度...等)，來選擇適當的第一封裝膠體131及第二封裝膠體132的材質。

於一實施例中，波長選擇結構層140是一種三維光子晶體結構。光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質製造的規則光學結構，由於晶體結構的關係，會產生能帶結構，具波長選擇的功能，可以有選擇性地使某個波段的光通過，而阻止其他波段的光通過。於一實施例中，波長轉換物質150為包括螢光顏料、有機螢光粉或無機螢光粉其中之一或其組合的材料所構成。

舉例而言，發光二極體晶片120為藍光發光二極體晶片時，系統電源透過導電層171、172提供電源至藍光發光二極體晶片，使藍光發光二極體晶片發出第一波長光，即藍光。藍光發光二極體晶片發出的一部份藍光受到波長轉換物質150的激發產生黃光，而藍光發光二極體晶片發出的另一部份藍光又會與黃光混合，產生白光。抵達側面113之藍光，大部分會被波長選擇結構層140反射而回到透 明基板110內，其餘小部份之藍光則會通過波長選擇結構層140，而被反射回透明基板110內的藍光則可能進入第一封裝膠體131或第二封裝膠體132內，藍受到光波長轉換物質150激發而產生黃光，或是與黃光混合而產生白光。而抵達側面113之黃光，大部分會通過波長選擇結構層140，其餘小部份之黃光則會被反射而回到透明基板110內，而被反射而回到透明基板110內之黃光則可能與藍光混合，而產生白光。透出波長選擇結構層140之藍光及黃光也會混合成白光，所以固態發光模組所發出的光便會是白光。

第2圖是依照本發明一實施例所繪示之第1圖之固態發光模組未設置第一封裝膠體時之俯視圖。如第2圖所示，透明基板110之形狀為四邊形，具有一厚度。發光二極體晶片120固定於透明基板110之第一表面111上，而波長選擇結構層140設置於透明基板110之側面113，並環繞側面113。導電層171、172會形成於透明基板110之表面上，發光二極體晶片120以覆晶方式接合於透明基板110之第一表面111上，並電性連接導電層171、172。

第3圖是依照本發明一實施例之另一種固態發光模組之剖面圖。如第3圖所示，於一實施例中，固態發光模組包含透明基板210、發光二極體晶片220、第一封裝膠體231、第二封裝膠體232及波長選擇結構層240。透明基板210包含第一表面211、第二表面212及側面213。第二表面212相對於第一表面211，而側面213環繞並連接第一 表面211及第二表面212。發光二極體晶片120係以銀膠或絕緣膠等材料固定於透明基板210之第一表面211。透明基板210之第一表面211上會設置導電層261、262，發光二極體晶片220及導電層261、262透過導線271、272電性連接。因此，系統電源透過導電層261、262及導線271、272提供電源至發光二極體晶片220，使其發出第一波長光。至於第一封裝膠體231、第二封裝膠體232、波長選擇結構層240及波長轉換物質250之配置位置及作用與第1圖所示相同，故不再贅述。

第4圖是依照本發明一實施例所繪示之第3圖之固態發光模組未設置第二封裝膠體時之俯視圖。如第4圖所示，透明基板210之形狀為四邊形，具有一厚度，發光二極體晶片220固定於透明基板210之第一表面211上，而波長選擇結構層240設置於透明基板210之側面213，並環繞於側面213。導電層261、262設置於透明基板210之第一表面211上，而導線271、272電性連接發光二極體晶片220及導電層261、262。發光二極體晶片220透過導電層261、262及導線271、272取得電源。

第5圖是依照本發明一實施例之一種波長選擇結構層的立體結構示意圖。如第5圖所示，於一實施例中，三維光子晶體結構係由多個球體所組成之六方最密堆積結構300，其中以球體310表示多個球體當中之一者，且這些球體係具相同的粒徑。六方最密堆積結構300是晶體的一種排列方式，也是晶體結構中的一種點陣型式。在六方最 密堆積結構300中，許多等徑球體並置在一起，其空間利用率達到最大。

第6A圖是依照第5圖所繪示之球體排列的一示意圖，第6B圖是依照第5圖所繪示之球體排列的另一示意圖，第6C圖是依照第5圖所繪示之球體排列的又一示意圖。如第6A、6B、6C圖所示，於等度量下俯視六方最密堆積結構300之球體排列，球體310可具有不同粒徑D1、D2、D3，例如：粒徑D1為200nm，粒徑D2為220nm，粒徑D3為230nm。不同粒徑D1、D2、D3的球體310所組成的結構，空間利用率也不同。

第7圖是依照本發明一實施例之一種波長選擇結構層的球體之粒徑與光線波長的關係圖。於一實施例中，這些球體之粒徑係介於180nm~200nm之間。當球體的粒徑為190nm時，則波長選擇結構層140(繪示於第1圖)會將波長為480nm的光線完全反射。故可用波長選擇結構層140內的球體粒徑大小，來選擇可以通過波長選擇結構層140的光波長，以決定固態發光模組所發出的光線顏色。於一實施例中，這些球體係為包括聚苯乙烯的材料所構成。

請再看第1圖，當波長選擇結構層140只設置在透明基板110的側面113時，由於發光二極體晶片120所發出的光線仍然有可能會經由透明基板110之第一表面111或第二表面112上未被第一封裝膠體131及第二封裝膠體132所包覆的表面溢露出。為了讓光線顏色更加均勻，請參照如第8圖所示之技術方案，第8圖是依照本發明另一實 施例之一種固態發光模組的剖面圖。於第8圖中，波長選擇結構層640除設置在透明基板610的側面613外，更延伸至未受第一封裝膠體631及第二封裝膠體632包覆的第一表面611及第二表面612上，即透明基板610完全被第一封裝膠體631、第二封裝膠體632及波長選擇結構層640包覆。於本實施例中，發光二極體晶片620係以覆晶方式接合於透明基板610的第一表面611，會與設置於透明基板610的第一表面611之導電層671、672電性連接。或者，於其他實施例中，發光二極體晶片620可以打線方式(未繪示)將發光二極體晶片620與在透明基板610的第一表面611上設置之導電層(未繪示)電性連接，本領域具有通常知識者當視實際需要彈性選擇之。

舉例而言，當發光二極體晶片620為藍光發光二極體晶片時，波長轉換物質650受發光二極體晶片620所發出的一部分藍光激發而產生黃光，且黃光與另一部份藍光混合而產生白光。透過第一封裝膠體631及第二封裝膠體632所發出的光為白光，而通過波長選擇結構層640所發出的光亦為白光，如此一來，自固態發光模組發出的光均為相同顏色，即白光。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧透明基板

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

113‧‧‧側面

120‧‧‧發光二極體晶片

131‧‧‧第一封裝膠體

132‧‧‧第二封裝膠體

140‧‧‧波長選擇結構層

150‧‧‧波長轉換物質

171、172‧‧‧導線

Claims (13)

1. 一種固態發光模組，包含：一透明基板，包含一第一表面、一相對於該第一表面之第二表面，以及一側面環繞並連接該第一表面及該第二表面；至少一發光二極體晶片，固定於該第一表面上，用以發出一第一波長光；一第一封裝膠體，設置於該第一表面並包覆該發光二極體晶片；一第二封裝膠體，設置於該第二表面上並與該第一封裝膠體位置相對應；以及一波長選擇結構層，設置於該透明基板之該側面上，該波長選擇結構層可使光線被選擇性地反射或通過。
2. 如請求項1所述之固態發光模組，更包含：至少一波長轉換物質，設置於該第一封裝膠體與該第二封裝膠體內，該波長轉換物質受一部分該第一波長光激發而產生一第二波長光，且該第二波長光與另一部份第一波長光混合而產生一第三波長光。
3. 如請求項2所述之固態發光模組，其中抵達該側面之該第一波長光，大部分會被該波長選擇結構層反射而回到該透明基板內，其餘之該第一波長光則會通過該波長選 擇結構層，而抵達該側面之該第二波長光，大部分會通過該波長選擇結構層，其餘的該第二波長光則會被反射而回到該透明基板內。
4. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該波長選擇結構層是一個三維光子晶體結構。
5. 如請求項4所述之固態發光模組，其中該三維光子晶體結構係由複數個球體以所組成之六方最密堆積結構，其中該些球體係具相同的粒徑。
6. 如請求項5所述之固態發光模組，其中該些球體係為包括聚苯乙烯的材料所構成。
7. 如請求項5所述之固態發光模組，其中該粒徑係介於180nm~200nm之間。
8. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該透明基板之材料係為玻璃、藍寶石基板、磷化鎵、碳化矽、砷化鋁鎵或三氧化二鋁或其組合。
9. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該發光二極體晶片係為一藍光發光二極體晶片或一紫外光發光二極體晶片。
10. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該第一封裝膠體及該第二封裝膠體之材質為包括矽膠、環氧樹脂或矽樹脂或其組合的材料所構成。
11. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該波長轉換物質為包括螢光顏料、有機螢光粉或無機螢光粉或其組合的材料所構成。
12. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該第一封裝膠體及該第二封裝膠體之表面具有一半圓曲面。
13. 如請求項1所述之固態發光模組，其中該波長選擇結構層除位在該透明基板的側面外，更延伸至未受該第一封裝膠體及該第二封裝膠體包覆的該第一表面及該第二表面上。