TWM560127U - 螢光玻璃結構及led模組 - Google Patents

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本創作提供一種螢光玻璃結構，其至少包含有：一玻璃本體；複數個螢光顆粒，複數個該螢光顆粒係嵌固於該玻璃本體內，該螢光顆粒係包含有一保護層及一螢光主體，該保護層係包覆於該螢光主體之外側。該螢光主體係呈顆粒狀且該保護層係完全地包覆該螢光主體以達到完全地保護該螢光主體之功效，使該螢光顆粒摻混至熔融的玻璃時，該螢光主體之發光中心不會因為高溫環境而氧化致使影響該螢光主體之原有的發光性質。本創作另提供一種LED模組，至少包含：一如前所述之螢光玻璃結構；以及一LED晶片，該LED晶片係設於該玻璃本體之一側。

Description

螢光玻璃結構及LED模組
本創作係與一種玻璃基材有關，特別是指使用具有保護層的螢光顆粒之螢光玻璃結構，以及使用此螢光玻璃結構之發光二極體(LED，Light-emitting diode)模組。
按， 發光二極體(LED)與傳統光源比較，發光二極體係具有體積小、省電、發光效率佳、壽命長、操作反應速度快、且無熱輻射與水銀等有毒物質的污染等優點。因此，近幾年來，發光二極體的應用面已極為廣泛。而在製作發光二極體光源時，一般係將發光二極體晶粒與螢光粉混合封裝在一起以形成封裝元件，用以發出特定顏色的光線。白光LED的應用自2001年以來逐年增長，至2006年以後大放異彩，截至目前為止，白光LED在顯示器背光模組的應用已幾乎達100%，一般照明使用也已經超越65%，其他如車燈，商用照明等等也已經有充分的技術。
有鑑於此，LED封裝應用廠正著眼於相關新型高性能LED封裝技術，其中晶片尺寸構裝(CSP，Chip scale package)就是其中的一個重要方向，目前市面上的CSP主要有以下三大主流封裝結構，請參閱第1圖至第3圖所示的LED模組：第1圖係將LED晶片10周邊直接以矽膠螢光粉層11形成封裝；第2圖係在LED晶片10之兩側設有二氧化鈦層12保護，再於LED晶片10之頂端設有矽膠螢光粉層11；第3圖係在LED晶片10及矽膠螢光粉層11之外側再加上一層透明矽膠保護層13，形成固定封裝。當LED晶片10產生的光穿透矽膠螢光粉層11後，則會產生所需要的特定波長的光，因此得以構成所需要的波長之光源。
惟，目前所使用的晶片尺寸構裝中，LED晶片表面的矽膠螢光粉層係以矽膠結合螢光粉末進行結合後封裝，而螢光粉或稱螢光粉末係由複數個螢光顆粒所構成，螢光顆粒係由螢光材料所構成且受LED晶片產生的光激發後依照螢光材料的特性而發出特定的波長。前述所使用的矽膠係為有機矽(silicone 或polysiloxanes)，是一個介於有機與無機的聚合物，係由無機矽氧鍵骨架（...-Si-O-Si-O-Si-O-...）和以共價鍵和矽原子結合的支鏈有機基團組成，在較高溫度下及長時間的使用時，有機基團常常會受到溫度或環境的影響而損壞，導致矽膠螢光粉層的碎裂而使得LED模組失效，因而此類產品的耐用性並不足夠。
為了要增加LED模組使用功率、耐用性及使用範圍，目前使用於CSP(Chip Scale Package)產品的技術中，尤其使用於車燈的應用，這類產品一般屬於高功率應用居多，所以在材料的選用上就有更嚴格的耐溫度要求，故而全無機(whole inorganic)材料的採用就成為重要發展方向。所以，將玻璃粉及螢光粉於熔融狀態下摻混隨之成形並冷卻後形成之玻璃型螢光片(PIG，Phosphor in Glass)也因此因應而生。不過，此類玻璃型螢光片，在玻璃粉熔融的過程中僅有少數種類的螢光粉可以承受玻璃粉熔融溫度(約為550℃~1000℃)而不產生明顯質變。而其它種類的螢光粉會因為本身耐熱程度不同，導致於550℃~1000℃的高溫環境產生發光中心(Activator)氧化，進而影響螢光粉原有的發光性質；或者，於玻璃相熔融時，原子會自玻璃擴散(diffuse)至螢光粉，因而使得螢光粉主體晶格(host lattice)的材料組成發生改變，影響了螢光粉原有的發光性質。因此，這類兩相型(玻璃相及螢光粉相)之玻璃型螢光片的應用推廣就受到侷限。
本創作提供了一個在製造玻璃型螢光片時，可以大幅改善螢光粉的高溫穩定性之螢光顆粒結構，使用此螢光顆粒所製造出之螢光玻璃結構不受玻璃相熔融時的高溫而影響原有的發光性質，因而應用螢光玻璃結構之LED模組具有良好之耐用性及發光品質。
本創作係為一種螢光玻璃結構，至少包含：一玻璃本體；複數個螢光顆粒，複數個該螢光顆粒係嵌固於該玻璃本體內，該螢光顆粒係包含有一保護層及一螢光主體，該保護層係包覆於該螢光主體之外側。
依據上述技術特徵，其中，該玻璃本體係為一片狀體。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係呈顆粒狀且該保護層係完全地包覆該螢光主體。
依據上述技術特徵，其中，該保護層係為透明並能夠允許波長300nm~1200nm的光穿透。
依據上述技術特徵，其中，該保護層係為一透光鈍化層。
依據上述技術特徵，其中，該保護層係為一透光陶瓷層。
依據上述技術特徵，其中，該保護層係為一透光無機材料層。
依據上述技術特徵，其中，該螢光玻璃結構更包含有複數個輔助螢光顆粒，該輔助螢光顆粒係嵌固於該玻璃本體內。
依據上述技術特徵，其中，該保護層的厚度在 3微米以下。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係以Ce 3+為發光中心(Activator)的鋁酸鹽類(Aluminate) 所製成之鋁酸鹽顆粒。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係選自釔鋁石榴石（Yttrium aluminium garnet, YAG）所製成之YAG顆粒、鎦鋁石榴石 (Lutetium aluminium garnet, LuAG) 所製成之LuAG顆粒及鎵釔鋁石榴石(Gallium Yttrium aluminium garnet, GaYAG) 所製成之GaYAG顆粒所組成的群組中至少其中之一。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係選自以Eu 2+為發光中心的鹼土矽酸鹽所製成之鹼土矽酸鹽顆粒、以Eu 2+為發光中心的β–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒及以Eu 2+為發光中心的Alpha–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒所組成的群組中至少其中之一。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係以Eu 2+為發光中心的M 2Si 5N 8氮化物所製成之鹼土矽氮化物顆粒，其中M係指鹼土類元素。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係以Eu 2+為發光中心的MAlSiN 3鹼土鋁矽氮化物所製成之鹼土氮化物顆粒，其中M係指鹼土類元素。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係以Mn 4+為發光中心的鉀鈦氟化物(Potassium Titanium Fluoride，PTF)顆粒或鉀矽氟化物(Potassium Silicon Fluoride，PSF)顆粒。
依據上述技術特徵，其中，該螢光主體係以化學結構中含有硫為主體的硫化物顆粒。
本創作另提供一種LED模組，至少包含：一如前所述之螢光玻璃結構；以及一LED晶片，該LED晶片係設於該玻璃本體之一側。
為利 貴審查員瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
首先請參閱第4圖及第5圖所示，本創作之一種螢光玻璃結構，其係至少包含有：
一玻璃本體20，較佳地該玻璃本體20係為一片體，例如該玻璃本體20係為一透明玻璃片； 以及
複數個螢光顆粒30，複數個該螢光顆粒30係嵌固於該玻璃本體20內，該螢光顆粒30係包含有一保護層31及一螢光主體32，該螢光主體32係設於該保護層31之內側，或該保護層31係包覆於該螢光主體32之外側；較佳地，該螢光主體32係呈顆粒狀且該保護層31係完全地包覆該螢光主體32以達到完全地保護該螢光主體32之功效，使該螢光顆粒30摻混至熔融的玻璃時，該螢光主體32之發光中心不會因為高溫環境而氧化致使影響該螢光主體32之原有的發光性質；該保護層31亦可防止原子自玻璃擴散至該螢光主體32，因此防止了該螢光主體32之主體晶格的材料組成發生改變，因此防止影響該螢光主體32原有的發光性質。該保護層31係為透明並允許波長380nm~780nm的光穿透；較佳地，該保護層31係為透明並允許波長420nm~780nm的光穿透。
該螢光主體32係選自以Ce 3+為發光中心(Activator)的鋁酸鹽類(Aluminate) 所製成之鋁酸鹽顆粒(其發光波長介於510nm至580nm之間)，包括釔鋁石榴石（Yttrium aluminium garnet, YAG）所製成之YAG顆粒、鎦鋁石榴石 (Lutetium aluminium garnet, LuAG) 所製成之LuAG顆粒及鎵釔鋁石榴石(Gallium Yttrium aluminium garnet, GaYAG) 所製成之GaYAG顆粒所組成的群組中至少其中之一；或者該螢光主體32係選自以Eu 2+為發光中心的鹼土矽酸鹽所製成之鹼土矽酸鹽顆粒(其發光波長介於505nm至610nm之間)、以Eu 2+為發光中心的β–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒(其發光波長介於530nm至550nm之間)及以Eu 2+為發光中心的Alpha–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒(其發光波長介於545nm至600nm之間)所組成的群組中至少其中之一。
該螢光主體32亦可以為以Eu 2+為發光中心的M 2Si 5N 8氮化物所製成之鹼土矽氮化物顆粒，其中M係指鹼土類(Ca, Sr, Ba)元素，其發光波長介於580nm至610nm之間；該螢光主體32亦可以為以Eu 2+為發光中心的MAlSiN 3鹼土鋁矽氮化物所製成之鹼土氮化物顆粒，其中M係指鹼土類(Ca, Sr, Ba)元素，其發光波長介於600nm至700nm之間；該螢光主體32亦可以為以Mn 4+為發光中心的鉀鈦氟化物(Potassium Titanium Fluoride，PTF)顆粒或鉀矽氟化物(Potassium Silicon Fluoride，PSF)顆粒，其發光波長介於620nm~640nm之間；該螢光主體32亦可以為以化學結構中含有硫為主體的硫化物顆粒，例如CaSeS，其發光波長可以介於520nm-650nm之間。
而該保護層31的形成方式係可由該螢光主體32表面進行鈍化處理所形成，此時該保護層31係為一鈍化層，而該鈍化層的形成方式係可包括高溫表面氧化鈍化法、化學表面鈍化法及物理表面披覆鈍化法。然而，經過了以上的處理必須仍能確保該螢光主體32不會因為此鈍化製程或該保護層31的存在而使得發光效率的大幅下降，一般而言，必須控制該螢光主體32與該螢光顆粒30之亮度差異小於20%為主。
上述之高溫表面氧化鈍化法，主要是將該螢光顆粒30在與玻璃粉共燒之前，將其快速通過一高溫環境，使其表面快速產生該保護層31(該鈍化層)，例如氧化膜，進而達成表面的鈍化或化學安定之效果，此稱為高溫氧化法。高溫氧化法之處理條件可以是在300℃~1600℃之溫度下，也可以再加上在真空或氧氣或其他氣體濃度大於1wt%(重量百分比)以上的爐內氣氛下，持續或陸續處理大於十分鐘，其中以700℃~1200℃的真空或2wt%~10wt%氧氣環境下，處理20~30分鐘為佳。上述之高溫氧化法主要是在該螢光顆粒30之表面形成小於3微米厚度的該保護層31，其中以1微米以下為最佳，亦即生成一個相對於該螢光主體32組成差異的該鈍化層。因此本創作係在不影響光學的特性的前提下，使得於高溫製造該螢光玻璃結構時，由於該保護層31(該鈍化層)的保護作用而使得該螢光主體32相對地穩定而沒有再進一步質變。
上述之化學表面鈍化法，主要是將該螢光顆粒30在與玻璃粉共燒之前，將其先施予一化學表面處理，使其表面產生一個相對於材料內部組成差異的該保護層31(該鈍化層) ，進而達成表面的鈍化或化學安定之效果。該保護層31的厚度約略在 3微米以下，其中以1微米以下為最佳。化學表面處理是以酸性(PH值小於3)或鹼性(PH值大於12)溶液，在溫度5℃~95℃的條件下浸泡1~60分鐘，其中以25~50℃浸泡3~10分鐘為佳。常用的PH控制液成分可以是鹽酸(HCL)、硝酸(HNO 3)、硫酸(H 2SO 4)、氫氟酸(HF)、氫氧化鈉(NaOH)及阿摩尼亞(NH 4OH)水溶液。因此本創作係在不影響光學的特性的前提下，使得於高溫製造該螢光玻璃結構時，由於該保護層31(該鈍化層)的保護作用而使得該螢光主體32相對地穩定而沒有再進一步質變。
上述之物理表面披覆鈍化法，主要是將螢光顆粒30在與玻璃粉共燒之前，將該螢光主體32先施予一表面包覆處理，使該螢光主體32表面包覆相對於該螢光主體32更為耐溫的該保護層31(該鈍化層)。在不影響光學的特性的前提下，在該螢光顆粒30的表面生成一個相對耐火耐熱，進而保護內部該螢光主體32，使其不受玻璃粉因高溫熔融時造成該螢光主體32質變的該保護層31。該保護層31的厚度約略在 3微米以下，其中以1微米以下為最佳，該保護層31的材料可以是熔點大於1200℃的陶瓷(Ceramic)薄膜材料，包含氧化矽(SiO 2)，氧化鈦(TiO 2)、氧化鋁(Al 2O 3)、氫氧化鋁(Al(OH) 3)、氧化鋯(ZrO 2)等等無機材料。
因此本創作係在不影響光學的特性的前提下，使得於高溫製造該螢光玻璃結構時，由於該保護層31(該鈍化層)的保護作用而使得該螢光主體32相對地穩定而沒有再進一步質變。該保護層31係為一透光無機材料層。
當製作本創作之該螢光玻璃結構時，該玻璃本體20在由玻璃粉高溫熔融成形並冷卻後形成片狀體時，該螢光顆粒30係可以懸浮於該玻璃本體20中。由於該保護層31具有高溫保護作用，所以該螢光主體32之發光效果不會受到高溫的影響而產生質變，進而提升該螢光玻璃結構的良率。另外，請一併配合參閱第6圖所示，該螢光玻璃結構除了包含該螢光顆粒30之外，亦可藉由複數個輔助螢光顆粒40之添加於該玻璃本體20內，用以增加光譜的多元性。該輔助螢光顆粒40係無前述之保護層31且係嵌固於該玻璃本體20內，該輔助螢光顆粒40係直接與該玻璃本體20相接觸，該輔助螢光顆粒40係為不會受到高溫的影響而產生質變的螢光材料。
請一併參閱第7圖，本創作另提供一LED模組，其至少包含一如前所述之該螢光玻璃結構及一LED晶片50，該螢光玻璃LED晶片50之周邊係環設有一凸緣51，該玻璃本體20係設置於該LED晶片50的一側，或該LED晶片50係設於該玻璃本體20之一側，較佳地該玻璃本體20係透過一黏著層52固設於該凸緣51之間；最佳地該玻璃本體20係透過該黏著層52完全地固設於該凸緣51之間而不凸出於該凸緣51之外，以完全地運用該螢光玻璃結構的功能並對該凸緣51產生反射及支撐效果。該螢光顆粒30係能夠吸收LED晶片50之放射光，並透過該螢光顆粒30轉換成另一個波長的放射光。本創作主要的應用在於以紫外光-藍光(波長介於350nm~470nm之間)波段之雷射(Laser)或LED作為光源時的光轉換介質材料使用。製成的該螢光玻璃結構具有全無機材料的特性，並且相較於矽膠螢光片，更具有耐高溫以及耐濕度之特性，此對於高功率的雷射或發光二極體的應用大有助益。
綜上所述，當知本創作具有產業上利用性與進步性，且本創作未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法之規定，爰依法提出新型專利申請，懇請　貴審查委員惠准專利為禱。
唯以上所述者，僅為本創作之一可行實施例而已，當不能以之限定本創作實施之範圍；即大凡依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾， 皆應仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。
〔習知〕
10‧‧‧LED晶片
11‧‧‧矽膠螢光粉層
12‧‧‧二氧化鈦層
13‧‧‧透明矽膠保護層
〔本創作〕
20‧‧‧玻璃本體
30‧‧‧螢光顆粒
31‧‧‧保護層
32‧‧‧螢光主體
40‧‧‧輔助螢光顆粒
50‧‧‧LED晶片
51‧‧‧凸緣
52‧‧‧黏著層
第1圖係為習知之第一種LED晶片組之封裝示意圖。 第2圖係為習知之第二種LED晶片組之封裝示意圖。 第3圖係為習知之第三種LED晶片組之封裝示意圖。 第4圖係為本創作螢光玻璃結構之剖面示意圖。 第5圖係為本創作螢光玻璃結構之螢光顆粒放大示意圖。 第6圖係為本創作螢光玻璃結構之另一實施例之剖面示意圖。 第7圖係為本創作LED模組之結構示意圖。

Claims (19)

  1. 一種螢光玻璃結構，至少包含： 一玻璃本體(20)； 複數個螢光顆粒(30)，複數個該螢光顆粒(30)係嵌固於該玻璃本體(20)內，該螢光顆粒(30)係包含有一保護層(31)及一螢光主體(32)，該保護層(31)係包覆於該螢光主體(32)之外側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該玻璃本體(20)係為一片狀體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係呈顆粒狀且該保護層(31)係完全地包覆該螢光主體(32)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該保護層(31)係為透明並能夠允許波長300nm~1200nm的光穿透。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該保護層(31)係為一透光鈍化層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該保護層(31)係為一透光陶瓷層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該保護層(31)係為一透光無機材料層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光玻璃結構更包含有複數個輔助螢光顆粒(40)，該輔助螢光顆粒(40)係嵌固於該玻璃本體(20)內。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該保護層(31)的厚度在 3微米以下。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係以Ce 3+為發光中心(Activator)的鋁酸鹽類(Aluminate) 所製成之鋁酸鹽顆粒。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係選自釔鋁石榴石（Yttrium aluminium garnet, YAG）所製成之YAG顆粒、鎦鋁石榴石 (Lutetium aluminium garnet, LuAG) 所製成之LuAG顆粒及鎵釔鋁石榴石(Gallium Yttrium aluminium garnet, GaYAG) 所製成之GaYAG顆粒所組成的群組中至少其中之一。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係選自以Eu 2+為發光中心的鹼土矽酸鹽所製成之鹼土矽酸鹽顆粒、以Eu 2+為發光中心的β–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒及以Eu 2+為發光中心的Alpha–SiAlON氮氧化物所製成之氮氧化物顆粒所組成的群組中至少其中之一。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係以Eu 2+為發光中心的M 2Si 5N 8氮化物所製成之鹼土矽氮化物顆粒，其中M係指鹼土類元素。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係以Eu 2+為發光中心的MAlSiN 3鹼土鋁矽氮化物所製成之鹼土氮化物顆粒，其中M係指鹼土類元素。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係以Mn 4+為發光中心的鉀鈦氟化物(Potassium Titanium Fluoride，PTF)顆粒或鉀矽氟化物(Potassium Silicon Fluoride，PSF)顆粒。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之螢光玻璃結構，其中，該螢光主體(32)係以化學結構中含有硫為主體的硫化物顆粒。
  17. 一種LED模組，至少包含： 一申請專利範圍第1項之螢光玻璃結構；以及 一LED晶片(50)，該LED晶片(50)係設於該玻璃本體(20)之一側。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之LED模組，其中，該螢光玻璃LED晶片(50)之周邊係環設有一凸緣(51)，該玻璃本體(20)係透過一黏著層(52)固設於該凸緣(51)之間。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之LED模組，其中，該玻璃本體(20)係透過該黏著層(52)完全地固設於該凸緣(51)之間。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111916549A (zh) * 2019-05-09 2020-11-10 北京易美新创科技有限公司 一种csp封装结构及封装方法
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