TWI586001B - 發光二極體封裝結構 - Google Patents

Description

發光二極體封裝結構

本發明乃是關於一種發光二極體封裝結構，特別是指一種發光二極體封裝結構具有導電架組合並且配合矽樹脂模塑料的反射殼體。

發光二極體(LED,Light Emitting Diode)已經逐漸被應用作為各種光源，包括可見光LED供一般照明、以及不可見光LED供特殊照明，例如紫外光LED用於固化(Curing)、殺菌、防偽辨識…等。

針對紫外光LED，發出的光為短波段的光，能量較強，因此紫外光LED封裝結構的導電架組合以及反射殼體的材料要求更為嚴苛，不僅影響使用壽命、也影響整體的反射率。

為著避免一般封裝材料因為紫外光長期照射而劣化，所以紫外光LED封裝結構通常使用陶瓷基板，甚至反射殼體也以玻璃或陶瓷製成。然而，此種材料及製造方法，不僅材料成本高，製造上也較費時。

因此紫外光LED封裝，除需要可以耐UV的封裝材料外，同時需兼顧如何使製造成本降低，以符合市場需求。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種紫外光發光二極體封裝結構，提供反射殼體合適的填充材於紫外光波段具有高的反射率，使此紫外光發光二極體封裝結構具有好的性能表現，且具有較低的成本。

為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種發光二極體封裝結構，包括一導電架組合；一反射殼體，其結合於該導電架組合，該反射殼體圍設形成一容置空間；該反射殼體包括矽樹脂模塑料、及混合於該矽樹脂模塑料內的填充材；一紫外光LED晶片，其置於該導電架組合上，且位於該容置空間內，以產生紫外光，該反射殼體反射該紫外光的反射率大於60%；以及一固晶膠，其黏固該紫外光LED晶片於該導電架組合；其中該填充材的能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)；當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率的差異小於或等於0.2時，該填充材的能隙滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-150(nm))當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率的差異大於0.2時，該填充材的能隙滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-50(nm))；其中1240=h×c；h為普朗克常數；c為光速；λ為上述紫外光LED晶片的波長。

依據本發明之其中一種方案，較佳的，上述發光二極體封裝結構的該紫外光LED晶片所發出的紫外光波長為290至400奈米(nm)，該固晶膠為不包含環氧樹脂的材料，如銀膠或矽膠。

依據本發明之其中一種方案，較佳的，其中該紫外光LED晶片所發出的紫外光波長為290至400奈米(nm)，該固晶膠為一含環氧樹脂的固晶膠，該發光二極體封裝結構進一步包括包覆材，覆蓋於該固晶膠的外表面。該包覆材混合有能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)的無機材料與一矽樹脂的混合物。矽樹脂，學名聚矽氧烷樹脂(Silicone resin)，是一種熱固性的材料。

本發明具有以下有益效果：本發明的發光二極體封裝結構選 用寬能隙的無機材料配合矽樹脂模塑料(樹脂材料)混合作為反射殼體50，相較於以陶瓷作為反射殼體的材料，製造成本更低廉，製造更為方便。配合上述公式，在設計上可以依設定所需的波長，獲得所需的能隙後，選擇符合的填充材的材料。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100‧‧‧發光二極體封裝結構

10‧‧‧導電架組合

11‧‧‧第一導電架

12‧‧‧第二導電架

110、120‧‧‧貫穿孔

30‧‧‧紫外光LED晶片

40‧‧‧齊納二極體

50‧‧‧反射殼體

60‧‧‧光罩板

70‧‧‧封裝膠

C‧‧‧包覆材

P‧‧‧固晶膠

S‧‧‧容置空間

圖1為本發明之發光二極體封裝結構的立體圖。

圖2為本發明之發光二極體封裝結構的另一立體圖。

圖3為本發明之發光二極體封裝結構的分解圖。

圖4為本發明沿著圖1中的IV-IV線的剖視圖。

圖4A為本發明之發光二極體封裝結構另一實施例的剖視圖。

圖5為本發明之第一組材料樣品的反射率曲線圖。

圖6為本發明之第三組材料樣品的反射率曲線圖。

圖7為本發明之第四組材料樣品的反射率曲線圖。

圖8為本發明之各組材料樣品與二氧化矽的反射率曲線圖。

[第一實施例]

請參考圖1至圖3，為本發明之發光二極體封裝結構的立體圖及分解圖。本發明之發光二極體封裝結構100包括一導電架組合10、一紫外光LED晶片30、及一反射殼體50。反射殼體50結合於該導電架組合10，反射殼體50的部分突出於該導電架組合10的頂面並且圍設形成一容置空間S。紫外光LED晶片30置於該導 電架組合10上，且位於該容置空間S內，以產生紫外光。如圖1及圖4所示，反射殼體50頂面可以設置一光罩板60。在其他實施例中，如圖4A所示，反射殼體50內可以設置一封裝膠70，封裝膠70需可抗UV劣化。透過在容置空間S內注入折射率相對較高的透明封裝膠70，封裝膠70位於紫外光LED晶片30和空氣之間，可以減少光子在介面的損失，提高取光效率。封裝膠70的作用還包括對紫外光LED晶片30提供保護，應力釋放，並作為一種光導結構。

請參閱圖3，為方便說明，反射殼體50與導電架組合10分開。在實際製造過程，反射殼體50可藉由注模成型結合於導電架組合10。導電架組合10包括呈板狀的第一導電架11及第二導電架12。第一導電架11的尺寸大於第二導電架12的尺寸。第一導電架11及第二導電架12各有兩個貫穿孔11.0、120，讓反射殼體50可穩固的設置在第一導電架11及第二導電架12上，但本實施例的發光二極體結構100並不以圖式所呈現的構造為限。第一導電架11的部分與第二導電部12的部分外露於反射殼體50的底面，作為發光二極體結構的焊接部，使本發明形成表面黏著型(SMT)的發光二極體結構。其中發光二極體結構可以為PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)或者四方形無引腳(QFN，Quad flat no leads)型式的封裝結構。PLCC封裝結構所採用的支架以高導熱率的銅、鐵、鋁等金屬或金屬合金作為金屬載體，金屬載體表面及背面電鍍銀、金或鎳鈀金，然後採用射出成型工藝製作支架反射杯。

請參閱圖1及圖4，圖4為本發明之沿著圖1中的IV-IV線的剖視圖。本實施例的紫外光LED晶片30置於第一導電架11，另外還具有一齊納二極體(Zener diode)40設置於第二導電架12以提供穩定電壓功能。紫外光LED晶片30與齊納二極體40都藉由固 晶膠(Die Bond Paste)P以黏固於該導電架組合10。

如圖4所示，由於固晶膠的材料通常包含不耐紫外光的環氧樹脂，本實施例較佳以包覆材C覆蓋於紫外光LED晶片30與齊納二極體40的周圍，以遮蓋上述固晶膠P。包覆材C較佳是由矽樹脂材料混合有能隙大於或等於4eV的無機材料製成。或者，本實施例的該固晶膠為不包含環氧樹脂的材料，如銀膠或矽膠。

本發明特點之一在於該反射殼體50使用矽樹脂模塑料(Silicon Molding Compound,SMC)為主要材料。本實施例的矽樹脂模塑料(SMC)主要是由50-60%左右的矽樹脂、40%左右的玻璃纖維、無機填料以及其他添加劑組成。這種熱固性模塑膠熱固化溫度在150℃左右。本實施例的反射殼體50包括矽樹脂模塑料、及混合於矽樹脂模塑料內的填充材(filler)。填充材是為增加反射殼體50的反射率，較佳是顆粒狀，混合於矽樹脂模塑料內，如圖4的顆粒狀元件所示。反射殼體50形成為整體單件結構。反射殼體50可以使用注模成型工藝而形成。

本發明的填充材可以適用於紫外光波段的發光二極體封裝結構，填充材較佳是耐紫外光的材料，並且是無機的材料。本實施例利用的原理在於，當光子激發的能量小於材料能隙的能量時，光吸收情況將不會發生。紫外光的光子能量約有至少3eV(電子伏特)，當光子的能量小於填充材的能隙，則光子不被吸收。因此，本實施例的填充材較佳地是選擇能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)的材料。例如二氧化矽(SiO₂)的能隙為9電子伏特(eV)、氮化硼(BN)的能隙為5.96電子伏特(eV)、三氧化二鋁(Al₂O₃)的能隙為4.1電子伏特(eV)…等，但不限制於此。當該填充材的能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)，填充材即不吸收紫外光波段的光線。因此紫外光可以減少被吸收，本實施例可提高反射率。此外，填充 材的能隙越大，可適用的紫外光LED晶片的發光波長也越短。

在本實施例中，為了再提高發光二極體封裝結構100的反射率，以具有較佳的效率。本實施例進一步利用該填充材的折射率(Refractive Index,RI)與該矽樹脂模塑料的折射率(Refractive Index,RI)的差異(difference)，以提升反射殼體50的整體反射率。選用的無機填充材與矽樹脂模塑料的折射率差異，也會影響反射殼體50的整體反射率。

本發明經過材料樣品配合光譜儀，測試材料樣品於各種光線波長下的反射率。首先以填充材的折射率與矽樹脂模塑料的折射率差異小於或等於0.2時。第一組材料樣品，以折射率為1.53的矽樹脂模塑料加上折射率為1.43的二氧化矽(SiO₂)填充材，折射率差異為0.1。其中二氧化矽(SiO₂)的粒徑0.8微米(Micrometer,μm)，二氧化矽與矽樹脂模塑料的重量比為30.3%。以第一組材料樣品為例，經過光譜儀測得材料樣品每一波段的反射率，整理獲得圖5的曲線圖。其中橫軸為波長，縱軸為反射率。

根據普朗克公式E=h‧c/λ=1240(nm．eV)/λ.......公式(1)；其中E為入射光子的能量；h為普朗克常數；c為光速；λ為波長。

將能隙為9eV的二氧化矽(SiO₂)代入上述公式(1)，求得理論計算的波長為137.7奈米(nm)，約為138nm。再比對實際測試後的圖5，本實施例假設在符合反射率60%以上的前題下，實際量測出的波長對應為288nm。兩者相差為150nm，因此本實施例將上述波長的位移(shift)差值150nm代入公式(1)。本發明可選擇的填充材滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-150(nm))............公式(2)

藉此本發明可以依據上述公式(2)設計所需要的波長的發光二極體封裝結構。依據發光二極體封裝結構要提供的波長，代入上 述公式，即可得知填充材所需要的能隙值。再依據測試的曲線圖，可以推知所設計的發光二極體封裝結構約有多少的反射率。

以波長365nm為例，假設發光二極體封裝結構要設計為波長365nm的規格。代入上述公式(2)，可以得E≧5.77eV，亦即填充材所需要的能隙值。依圖5，當選擇填充材的能隙E≧5.77eV，如上述二氧化矽(SiO₂)的能隙為9eV，符合此條件，粒徑可以是0.8微米，經比對可以推論所設計的發光二極體封裝結構，在365nm波長可以獲得約104%的反射率。(註：圖5中超過100%的反射率為機器的些微誤差，可視為100%。)

以波長310nm為例，代入上述公式(2)，可以得E≧7.75eV；依圖5當選擇填充材的能隙E≧7.75eV，如上述二氧化矽(SiO₂)的為9eV，符合此條件，粒徑可以是0.8微米，經比對可以推論所設計的發光二極體封裝結構，在310nm波長可以獲得約96%的反射率。

以波長290nm為例，代入上述公式(2)，可以得E≧8.86eV；依圖5當選擇填充材的能隙E≧8.86eV，如二氧化矽(SiO₂)為9eV，符合此條件，粒徑可以是0.8微米，經比對可以推論所設計的發光二極體封裝結構，在該波長可獲得約80.8%的反射率。

此外，本實施例以第二組材料樣品進行測試，以折射率為1.56的矽樹脂模塑料(比第一組材料樣品略高)，加上折射率為1.43的二氧化矽(SiO₂)填充材，折射率差異為0.13。其中二氧化矽(SiO₂)的粒徑0.8微米，二氧化矽與矽樹脂模塑料的重量比為15.2%。測試結果參圖8的曲線(2)。

藉由上述公式(2)可以計算出各個E1的數值，配合圖8對照在各個波長λ(nm)的反射率，整理二氧化矽的測試數據整理，如下列的表1：

綜上所述，可以推論，當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率差異△n小於或等於0.2時，亦即△n0.2。以粒徑0.8微米的二氧化矽(SiO₂)為填充材，本實施例在波長290nm至400nm的紫外光，可獲得至少65%以上的反射率。

本發明另外測試，填充材的折射率與矽樹脂模塑料的折射率的差異大於0.2時。第三組材料樣品，填充材選用能隙為5.96eV，折射率為2.17的氮化硼(BN)，配合折射率為1.54的矽樹脂模塑料，折射率差異為0.63。本實施例的氮化硼分別以粒徑為4微米及12微米，重量百分比25%，混入矽樹脂模塑料。測試整理後的曲線圖可參照圖6，分別如曲線(3)及(4)所示。圖6同時顯示0.8微米的二氧化矽(SiO₂)作對比，參曲線(1)。

第四組材料樣品，填充材為三氧化二鋁(Al₂O₃)，其能隙為4.1eV，折射率為1.77，配合折射率為1.54的矽樹脂模塑料，折射率差異為0.23。本實施例的三氧化二鋁分別以粒徑為0.3微米、3微米、5微米、25微米，重量百分比25%，混入矽樹脂模塑料。經過光譜儀測試後，可測得各種波長的反射率(參圖8的曲線(5)至(8))。其中以粒徑為5微米的三氧化二鋁整理測試的數據獲得圖7 的曲線圖。

根據未修正的普朗克公式，亦即上述公式(1)，將三氧化二鋁(Al₂O₃)的能隙4.1eV代入，可以求得理論計算的波長為302奈米(nm)。再比對實際測試後的圖7，本實施例假設在符合反射率60%以上的前題下，實際的波長對應為352nm。兩者相差約為50nm，將上述波長的位移(shift)差值代回公式(1)。本發明可選擇的填充材滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-50(nm))............公式(3)

以波長310nm為例，假設發光二極體封裝結構要設計為波長310nm的規格。代入上述公式(3)，可以得E≧4.76eV；亦即填充材所需要的能隙值。

依圖6，當選擇填充材的能隙E≧4.76eV，如上述氮化硼(BN)的能隙為5.96eV，粒徑為4微米及12微米，經測試於310nm波段下分別有88.7%及76.8%的反射率。

上述各組材料樣品與TiO₂的對照組整理如下列表2：

請再參閱圖8，為本發明之各組材料樣品的反射率曲線圖。本 發明之各組材料樣品分別以曲線(1)至(8)標示出來，可明顯看出，本發明選用的填充材比起二氧化鈦(參曲線(9))，在紫外光的波段具有較佳的反射率。

綜上所述，本發明當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率的差異大於0.2時，滿足公式(3)。本實施例以三氧化二鋁(Al₂O₃)為例，在波長365nm至400nm的紫外光，可獲得至少63.2%以上的反射率。本實施例以氮化硼(BN)為例，在波長310nm至400nm的紫外光，可獲得至少76.8%以上的反射率。

補充說明，填充材的粒徑經實驗測試，較小的粒徑，反射率愈高。但若粒徑小於紫外光波長，將產生光散射而降低反射率。此外，粒徑太大或太小皆不利於加工成型，本發明建議填充材的粒徑在0.3至12微米。另外，依表1，填充材的重量百分比在15%以上即有合適的表現；填充材的重量百分比愈大，反射率愈高，但填充材的比率不宜超過矽樹脂模塑料太多，重量百分比在30.3%，即有不錯的表現；本發明建議填充材的重量百分比為15%~35%。

補充說明，本發明的發光二極體封裝結構的反射殼體50進一步可以包含有玻璃纖維，該玻璃纖維的重量百分比較佳為5%至40%，以增加機械強度。

依上述測試的結果以及上述公式(2)及(3)，本發明覆蓋上述固晶膠的包覆材，較佳為寬能隙的無機材料與矽膠的混合體，寬能隙的意思為，能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)。其中無機材料的粒徑參照上述實驗結果，建議粒徑在0.3至12微米。

本發明之特點及功能至少在於：

一、本發明的發光二極體封裝結構選用寬能隙的無機材料配合矽樹脂模塑料(樹脂材料)混合作為反射殼體50，相較於以陶瓷 作為反射材料，製造成本更低廉，製造更為方便。先前技術以陶瓷作為反射材料，需要選用矽或鋁氮氧化合物，並且進行高溫燒結以作成陶瓷，成本高，製造費時。

二、本發明的發光二極體封裝結構選用寬能隙的無機材料作為填充材，混入矽樹脂模塑料(樹脂材料)作為反射殼體50。在設計上可以依應用所需的波長，配合上述公式(2)及(3)，獲得所需的能隙後，選擇符合的填充材的材料，在波長的設計範圍上更為寬廣，可以涵蓋紫外光波段290至400奈米(nm)。

三、本發明特別適用於發出紫外光的發光二極體封裝結構，藉由選用能隙大於4eV的無機填充材，混入反射殼體50，作為反射的介質顆粒。

四、本發明的發光二極體封裝結構所選用寬能隙的無機材料，可用以包覆固晶膠，以防止固晶膠因紫外光劣化。本發明可依據設計的波長，選用更合適的、成本更便宜的無機材料，選擇性更多，製造更容易。本發明只需要將寬能隙的無機材料包覆固晶膠即可，不需要涵蓋至反射殼體的整個底部，可節省材料成本，製程容易，避免爬膠。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧發光二極體封裝結構

10‧‧‧導電架組合

11‧‧‧第一導電架

12‧‧‧第二導電架

30‧‧‧紫外光LED晶片

40‧‧‧齊納二極體

50‧‧‧反射殼體

60‧‧‧光罩板

C‧‧‧包覆材

P‧‧‧固晶膠

S‧‧‧容置空間

Claims (9)

1. 一種發光二極體封裝結構，包括：一導電架組合；一反射殼體，結合於該導電架組合，該反射殼體圍設形成一容置空間；該反射殼體包括矽樹脂模塑料、及混合於該矽樹脂模塑料內的填充材；一紫外光LED晶片，置於該導電架組合上，且位於該容置空間內，以產生紫外光，該反射殼體反射該紫外光的反射率大於60%；以及一固晶膠，黏固該紫外光LED晶片於該導電架組合；其中該填充材的能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)；當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率的差異小於或等於0.2時，該填充材的能隙滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-150(nm))當該填充材的折射率與該矽樹脂模塑料的折射率的差異大於0.2時，該填充材的能隙滿足下列公式：E≧1240(nm‧eV)/(λ-50(nm))；其中1240=h×c；h為普朗克常數；c為光速；λ為上述紫外光LED晶片的波長；其中該紫外光LED晶片所發出的紫外光波長為290至400奈米(nm)，該固晶膠為一含環氧樹脂的固晶膠，該發光二極體封裝結構進一步包括一包覆材，該包覆材覆蓋於該固晶膠的外表面。
2. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該反射殼體的該填充材的粒徑尺寸介於0.3至12微米。
3. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該反射殼體的該填充材的重量百分比為15%至35%。
4. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該反射殼體包 含有玻璃纖維，該玻璃纖維的重量百分比為5%至40%。
5. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該紫外光LED晶片所發出的紫外光波長為290至400奈米(nm)，該固晶膠為銀膠或矽膠。
6. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該包覆材為一混合有能隙(energy gap)大於4電子伏特(eV)的無機材料與一矽樹脂的混合物。
7. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該導電架組合包括呈板狀的第一導電架及第二導電架，其中該第一導電架的部分與該第二導電部的部分外露於該反射殼體的底面。
8. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該發光二極體封裝結構進一步包括一光罩板，該光罩板置放於該反射殼體的頂面。
9. 如請求項1所述之發光二極體封裝結構，其中該發光二極體封裝結構進一步包括一封裝膠，該封裝膠設置於該反射殼體內，且包覆該紫外光LED晶片。