TWI714313B

TWI714313B - 提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構

Info

Publication number: TWI714313B
Application number: TW108137445A
Authority: TW
Inventors: 葉志庭; 潘錫明; 莊峰輝
Original assignee: 宏齊科技股份有限公司
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-12-21
Also published as: TW202118087A

Abstract

本發明係有關提高取光率之紫外光發光二極體(ultraviolet light emitting diode，紫外光LED)封裝結構，其設置紫外光LED晶片於基板上並藉由抗反射層增加向上出光率，並藉由光學元件聚光，且因無膠體填充在紫外光LED晶片與光學元件之間，而避免紫外光LED晶片所產生之紫外光使膠體變質，而劣化，進而避免出光效率降低。

Description

提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構

本發明係有關一種整理資料之方法，尤其是一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構及其製造方法。

發光二極體(light emitting diode，LED)是一種能發光的半導體電子元件，並且具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命週期時間長、且不含汞、具有環保效益等優點，近年已被普遍應用於照明。一般LED封裝不僅要求能夠保護LED晶片，而且還要透光等材料上的特殊要求、封裝方法與結構。發光二極體從早期之具可見色光之發光二極體，一路發展到具不可見光之發光二極體，其中，紫外光發光二極體產品主要應用於光固化市場，紫外光發光二極體之光固化相較於傳統光固化，具有較佳之固化效率，例如：紫外光發光二極體之照射強度(W)與能量(J)較佳於傳統固化光源，因而具有更強的UV照射強度，同時由於採用紫外光發光二極體(ultraviolet light emitting diode，紫外光LED)作為固化光源之固化成型速度較快，也讓紫外光發光二極體跨入固化產品市場的成長迅速。

除此之外，紫外光LED更可應用在抗生(antibiosis)、防塵、純化、殺菌以及類似方面之生化應用上，尤具優越效能，且因紫外光LED具有體積小、使用壽命長、耗電量低等優點，故，紫外光LED之應用領域，不僅在於光固化市場，更是已拓展到諸如空氣清潔器、淨水器、冰箱、空調器以及洗碗機之家庭電器、醫學器具以及其類似物，已逐漸成為生活上必須的裝置。

然而，一般LED的封裝材料，基於成本考量，大多是以PPA(Polyphthalamide，熱塑性塑膠)封裝LED，在紫外線長期曝曬下，產生材料劣化或是封裝膠剝離的狀況發生。現有技術中，有業者藉由光均勻化減緩紫外光過於集中，而延長封裝材料的使用壽命，但仍無法避免材料脆化或是封裝膠剝離的狀況發生。

基於上述之問題，本發明提供一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構，其藉由抗反射層搭配光學元件提升紫外光LED晶片上方的光萃取率，以增加紫外光LED晶片的出光效率，進而避免封裝材料劣化。

本發明之主要目的，提供一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構，其透過基板上設置光學鍍膜於紫外光LED晶片周圍，並在紫外光LED上設置抗反射層，提升紫外光LED晶片上方的光萃取率，以增加紫外光LED晶片的出光效率，進而避免封裝材料劣化。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構，其包含一基板、一紫外光LED晶片、一抗反射層、一光學鍍膜以及一光學元件，紫外光LED晶片與抗反射層依序設置於基板上，且抗反射層覆蓋於紫外光LED晶片上，以及光學元件位於光學鍍膜與抗反射層之上，光學元件具有一間隔空間，覆蓋紫外光LED晶片與抗反射層，光學元件與紫外光LED晶片及抗反射層之間具有間隔，亦即光學元件藉由間隔空間覆蓋紫外光LED晶片與抗反射層，其中抗反射層之材料選自於鉿化物、鎂化物或上述之組合，且間隔空間為充填空氣或真空，而透過光學元件達成聚光效果，其中，該紫外光LED晶片向上並側向發出紫外光，向上之紫外光透射該抗反射層並通過該間隔空間，使向上之紫外光向上透射該光學元件，側向之紫外光經該光學鍍膜反射而通過該間隔空間，以使側向之紫外光透射該光學元件。藉此，提升紫外光LED晶片上方的光萃取率，以增加紫外光LED晶片的出光效率，進而避免封裝材料劣化。

本發明提供一實施例，其內容在於抗反射層之材料進一步選自於氧化矽、氧化鋁、氧化鎂、三氧化二釔(Y₂O₃)、氟化鈣、氧化鈹、三氧化二釓(Gd₂O₃)、氧化鈣、氧化釷(ThO₂)、鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)及上述之組合的其中一者。

本發明提供一實施例，其內容在於光學元件之一第一寬度為該紫外光LED晶片之一第二寬度之至少五倍。

本發明提供一實施例，其內容在於光學元件之材料選自於石英，本發明提供一實施例，其內容在於光學元件之表面進一步塗佈氧化矽或矽。

本發明提供一實施例，其內容在於基板為一導電基板或一非導電基板。

本發明提供一實施例，其內容在於非導電基板之材料選自於氮化鋁、氧化鋁及上述之組合之其中一者。

本發明提供一實施例，其內容在於該鋁層為一全覆蓋鋁部或複數個環形鋁部，該些個環形鋁部之反射強度由內向外遞減。

10:紫外光發光二極體封裝結構

12:基板

122:電路圖形

14:紫外光LED晶片

16:抗反射層

18:光學鍍膜

18A:絕緣層

18B:反射層

18C:第一環形反射部

18D:第二環形反射部

18E:第三環形反射部

20:光學元件

20T:頂部

20W:側壁部

22:塗佈層

A:剖面

SPACE:間隔空間

GAP:間隔

R1:第一折射光

R2:第二折射光

R3:第三折射光

R4:第四折射光

R5:第五折射光

R6:第六折射光

R11:第一側向折射光

R12:第二側向折射光

R13:第三側向折射光

RL:反射光

W1:第一寬度

W2:第二寬度

第1圖：其為本發明之一實施例之紫外光發光二極體封裝結構之結構示意圖；第2圖：其為本發明之一實施例之紫外光發光二極體封裝結構之側視圖；第3圖：其為本發明之一實施例之抗反射層抗反射率之曲線圖；第4圖：其為本發明之一實施例之金屬反射率之示意圖；第5圖：其為本發明之一實施例之紫外光路徑之側視圖；第6圖：其為本發明之一實施例之剖面A之俯視圖；以及第7圖：其為本發明之一實施例之剖面A之另一俯視圖。

為使貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：有鑑於習知紫外光LED技術對於封裝膠體的影響，據此，本發明遂提出一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構及其製造方法，以解決習知紫外光LED封裝結構因紫外光所導致之封裝膠體劣化問題。

以下，將進一步說明本發明一種提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構所包含之特性、所搭配之結構：首先，請參閱第1圖與第2圖，其為本發明之一實施例之紫外光發光二極體封裝結構之結構示意圖與側視圖。如第1圖與第2圖所示，本發明之紫外光LED封裝結構10包含一基板12、一紫外光LED晶片14、一抗反射層16、一光學鍍膜18與一光學元件20。其中本實施例之基板12為非導電基板，因此本實施例之基板12為，除此之外，更可為導電基板；本實施例之紫外光LED晶片14為覆晶式晶片設計，而設置於基板12上，因此基板12更進一步設有電路圖形層122，以供紫外光LED晶片14連接至外部電路；抗反射層16為設置於紫外光LED晶片14上，抗反射層16藉由材料特性，使紫外光LED晶片14向上發光的光線不易產生全反射，因而提升紫外光LED晶片14上方的光萃取率。

其中，抗反射層16之材料選自於鉿化物、鎂化物及上述之組合的其中一者，且進一步地，更可選自於氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化鋁、氧化鎂、三氧化二釔(Y₂O₃)、氟化鈣、氧化鈹、三氧化二釓(Gd₂O₃)、氧化鈣、氧化釷(ThO₂)、鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)及上述之組合的其中一者；本實施例係以氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化铝做舉例說明，並請參閱表一：

由表一可知，本發明之紫外光LED封裝結構10以氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化铝及上述之組合形成之抗反射層16形成於紫外光LED之上，且上述四組材料在265~280nm都能達到反射率0.1%，且四組在整體光取出效率都有增加。另外，如表二所示，抗反射層16為一般石英或石英鍍膜，其穿透率表現仍有些許差異，約略5%。

此外，復參閱第1圖與第2圖，由於光學元件20為封閉元件，而封設於基板12上，光學元件20之材料選自於石英，光學元件20之表面進一步設置一塗佈層22，塗佈層22之材料選自於氧化矽或矽，藉此光學元件20之光穿透率大於90%，光學元件20內具有一間隔空間SPACE，其充填空氣或真空，且間隔空間SPACE包覆紫外光LED晶片14與抗反射層16，因此間隔空間SPACE進一步覆蓋了紫外光LED晶片14之出光方向，即光學元件20之頂部20T與側壁部20W包覆除了基板12以外的出光方向，且光學元件20透過間隔空間SPACE而與紫外光LED晶片14及抗反射層16之間具有間隔GAP。此外，光學元件20以石英做為材料之穿透率較佳，而一般玻璃於光波長低於300奈米之穿透率不佳，基於石英之穿透率較佳於傳統封裝材料，且較不易受紫外光照射而產生劣化的情況，且復參閱第2圖，光學元件20之一第一寬度W1為該紫外光LED晶片之一第二寬度W2之至少五倍，如此光學元件20之穿透率為大於90%。

如第3圖所示，抗反射層16為氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化鋁、氧化鎂、三氧化二釔(Y₂O₃)、氟化鈣、氧化鈹、三氧化二釓(Gd₂O₃)、氧化鈣、氧化釷(ThO₂)、鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)及上述之組合的其中一者，而本實施例係以氧化鉿、石英、氟化鎂、氧化铝及上述之組合形成之抗反射層16作為舉例，抗反射層16於波長260奈米(nm)至290奈米(nm)之間反射率並未超過1%，也就是說本發明之抗反射層16於紫外光的抗反射效果較佳。

紫外光發光二極體封裝結構10進一步包含一光學鍍膜18，光學鍍膜18為設置於基板12上並位於紫外光LED晶片14之周圍，因而讓紫外光LED晶片14之側向出光向上反射，其中，本實施例之紫外光LED晶片14所發出之紫外光為紫外光-C。光學鍍膜18包含一絕緣層18A與一反射層18B，而絕緣層18A之材料選自於氧化矽或氧化鋁，反射層18B之材料選自於金屬，例如：鋁。如第4圖所示，金屬中，具有較佳反射效果之金屬為金、銀、銅、鋁，特別是鋁對於小於300奈米光波長之光線具有較佳之反射率，也就是鋁對於紫外光的反射率較佳。

如第5圖所示，紫外光LED晶片14向上發光的紫外光於偏離第一光軸C1而穿透光學元件20之頂部20T並通過塗佈層22，以形成一第一傳播路徑L1，其自紫外光LED晶片14所產生之紫外光向上入射至抗反射層16，經抗反射層16發生第一次折射而產生第一折射光R1，經離開抗反射層16而入射至間隔空間SPACE時即發生第二次折射，而產生第二折射光R2，接續入射至光學元件20即發生第三次折射，而產生第三折射光R3，遂進入到塗佈層22，則進一步產生第四次折射，而產生第四折射光R4，以出射至光學元件20之外部，因而發生第五次折射，藉此產生第五折射光R5，由第一折射光R1至第五折射光R5即為紫外光的第一傳播路徑L1。

另外，紫外光LED晶片14之側向紫外光於偏離第二光軸C2並經反射層18B反射而穿透光學元件20之側壁部20W後，以形成一第二傳播路徑L2，其中紫外光LED晶片14側向發出之紫外光於入射至間隔空間SPACE，即發生第一次折射，而產生一第一側向折射光R11，第一折射光R11偏離第二光軸C2並經反射層18B反射，而產生一反射光RL後，隨即反射光RL入射至光學元件20之側壁部20W，而產生第二次折射，產生一第二側向折射光R12，第二側向折射光R12出射至光學元件20之外部，發生第三次折射，而產生第三側向折射光R13，藉由第一側向折射光R11至第三側向折射光R13，以形成第二傳播路徑L2。如此藉由光學元件20取代傳統封裝材料，因而避免封裝材料曝曬於紫外光下而劣化的問題。

如第6圖所示，其為依據如第1圖所示之剖面A向下俯視所得之俯視圖，由第6圖可知，反射層18B為覆蓋並環繞於紫外光LED晶片14之周圍，即反射層18為一全覆蓋鋁部，其全然副。如第7圖所示，反射層18B改為複數個環形部，隨設置位置，越向外之反射層呈現越細小之線條，即第一環形部18C之寬度大於第二環形部18D之寬度，第二環形部18D之寬度大於第三環形部18E，基於寬度與反射效果成正比，因此該些個環形部，即第一環形部18C、第二環形部18D與第三環形部18E之反射強度由內向外遞減。

綜上所述，本發明之提高取光率之紫外光發光二極體封裝結構及其製造方法為透過紫光外LED晶片與抗反射層依序設置於基板上，再由光學元件取代傳統封裝材料覆蓋於紫光外LED晶片與抗反射層上，因而避免傳統封裝材料受紫外光長期曝曬而劣化的問題。此外，紫外光LED晶片之周圍進一步設置光學鍍膜，以增強紫外光LED晶片之周圍的光反射效果。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。