CN106972093B - 发光二极管封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光二极管封装结构，包括一导电架组合、一反射壳体、一紫外光LED晶片置于该导电架组合上以及一固晶胶黏固该紫外光LED晶片于该导电架组合，反射壳体包括硅树脂模塑料及混合于硅树脂模塑料内的填充材；其中填充材的能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)；本发明的填充材及其能隙可藉由下述公式选择，当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异小于或等于0.2时，该填充材的能隙满足公式：E≥1240(nm·eV)/(λ‑150(nm))；当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异大于0.2时，该填充材的能隙满足下列公式：E≥1240(nm·eV)/(λ‑50(nm))。本发明的发光二极管封装结构制造成本更低廉，制造更为方便，可以依设定所需的波长，选择符合的填充材材料。

Description

发光二极管封装结构

技术领域

本发明乃是关于一种发光二极管封装结构，特别是指一种发光二极管封装结构具有导电架组合并且配合硅树脂模塑料的反射壳体。

背景技术

发光二极管(LED,Light Emitting Diode)已经逐渐被应用作为各种光源，包括可见光LED供一般照明、以及不可见光LED供特殊照明，例如紫外光LED用于固化(Curing)、杀菌、防伪辨识…等。

针对紫外光LED，发出的光为短波段的光，能量较强，因此紫外光LED封装结构的导电架组合以及反射壳体的材料要求更为严苛，不仅影响使用寿命、也影响整体的反射率。

为着避免一般封装材料因为紫外光长期照射而劣化，所以紫外光LED封装结构通常使用陶瓷基板，甚至反射壳体也以玻璃或陶瓷制成。然而，此种材料及制造方法，不仅材料成本高，制造上也较费时。

因此紫外光LED封装，除需要可以耐UV的封装材料外，同时需兼顾如何使制造成本降低，以符合市场需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种紫外光发光二极管封装结构，提供反射壳体合适的填充材于紫外光波段具有高的反射率，使此紫外光发光二极管封装结构具有好的性能表现，且具有较低的成本。

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种发光二极管封装结构，包括一导电架组合；一反射壳体，其结合于该导电架组合，该反射壳体围设形成一容置空间；该反射壳体包括硅树脂模塑料、及混合于该硅树脂模塑料内的填充材；一紫外光LED晶片，其置于该导电架组合上，且位于该容置空间内，以产生紫外光，该反射壳体反射该紫外光的反射率大于60％；以及一固晶胶，其黏固该紫外光LED晶片于该导电架组合；其中该填充材的能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)；当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异小于或等于0.2时，该填充材的能隙满足下列公式：

E≥1240(nm·eV)/(λ-150(nm))

当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异大于0.2时，该填充材的能隙满足下列公式：

E≥1240(nm·eV)/(λ-50(nm))；

其中1240＝h×c；h为普朗克常数；c为光速；λ为上述紫外光LED晶片的波长。

依据本发明的其中一种方案，较佳的，上述发光二极管封装结构的该紫外光LED晶片所发出的紫外光波长为290至400纳米(nm)，该固晶胶为不包含环氧树脂的材料，如银胶或硅胶。

依据本发明的其中一种方案，较佳的，其中该紫外光LED晶片所发出的紫外光波长为290至400纳米(nm)，该固晶胶为一含环氧树脂的固晶胶，该发光二极管封装结构进一步包括包覆材，覆盖于该固晶胶的外表面。该包覆材混合有能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)的无机材料与一硅树脂的混合物。硅树脂，学名聚硅氧烷树脂(Silicone resin)，是一种热固性的材料。

本发明具有以下有益效果：本发明的发光二极管封装结构选用宽能隙的无机材料配合硅树脂模塑料(树脂材料)混合作为反射壳体，相较于以陶瓷作为反射壳体的材料，制造成本更低廉，制造更为方便。配合上述公式，在设计上可以依设定所需的波长，获得所需的能隙后，选择符合的填充材的材料。

为了能更进一步了解本发明为达成既定目的所采取的技术、方法及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明、附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得以深入且具体了解，然而附图与附件仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明的发光二极管封装结构的立体图。

图2为本发明的发光二极管封装结构的另一立体图。

图3为本发明的发光二极管封装结构的分解图。

图4为本发明沿着图1中的IV-IV线的剖视图。

图4A为本发明的发光二极管封装结构另一实施例的剖视图。

图5为本发明的第一组材料样品的反射率曲线图。

图6为本发明的第三组材料样品的反射率曲线图。

图7为本发明的第四组材料样品的反射率曲线图。

图8为本发明的各组材料样品与二氧化钛的反射率曲线图。

其中，附图标记说明如下：

发光二极管封装结构 100

导电架组合 10

第一导电架 11

第二导电架 12

贯穿孔 110、120

紫外光LED晶片 30

齐纳二极管 40

反射壳体 50

光罩板 60

封装胶 70

包覆材 C

固晶胶 P

容置空间 S

具体实施方式

[第一实施例]

请参考图1至图3，为本发明的发光二极管封装结构的立体图及分解图。本发明的发光二极管封装结构100包括一导电架组合10、一紫外光LED晶片30、及一反射壳体50。反射壳体50结合于该导电架组合10，反射壳体50的部分突出于该导电架组合10的顶面并且围设形成一容置空间S。紫外光LED晶片30置于该导电架组合10上，且位于该容置空间S内，以产生紫外光。如图1及图4所示，反射壳体50顶面可以设置一光罩板60。在其他实施例中，如图4A所示，反射壳体50内可以设置一封装胶70，封装胶70需可抗UV劣化。通过在容置空间S内注入折射率相对较高的透明封装胶70，封装胶70位于紫外光LED晶片30和空气之间，可以减少光子在介面的损失，提高取光效率。封装胶70的作用还包括对紫外光LED晶片30提供保护，应力释放，并作为一种光导结构。

请参阅图3，为方便说明，反射壳体50与导电架组合10分开。在实际制造过程，反射壳体50可藉由注模成型结合于导电架组合10。导电架组合10包括呈板状的第一导电架11及第二导电架12。第一导电架11的尺寸大于第二导电架12的尺寸。第一导电架11及第二导电架12各有两个贯穿孔110、120，让反射壳体50可稳固的设置在第一导电架11及第二导电架12上，但本实施例的发光二极管结构100并不以附图所呈现的构造为限。第一导电架11的部分与第二导电架12的部分外露于反射壳体50的底面，作为发光二极管结构的焊接部，使本发明形成表面黏着型(SMT)的发光二极管结构。其中发光二极管结构可以为PLCC(PlasticLeaded Chip Carrier)或者四方形无引脚(QFN，Quad flat no leads)型式的封装结构。PLCC封装结构所采用的支架以高导热率的铜、铁、铝等金属或金属合金作为金属载体，金属载体表面及背面电镀银、金或镍钯金，然后采用射出成型工艺制作支架反射杯。

请参阅图1及图4，图4为本发明沿着图1中的IV-IV线的剖视图。本实施例的紫外光LED晶片30置于第一导电架11，另外还具有一齐纳二极管(Zener diode)40设置于第二导电架12以提供稳定电压功能。紫外光LED晶片30与齐纳二极管40都藉由固晶胶(Die BondPaste)P以黏固于该导电架组合10。

如图4所示，由于固晶胶的材料通常包含不耐紫外光的环氧树脂，本实施例较佳以包覆材C覆盖于紫外光LED晶片30与齐纳二极管40的周围，以遮盖上述固晶胶P。包覆材C较佳是由硅树脂材料混合有能隙大于或等于4eV的无机材料制成。或者，本实施例的该固晶胶为不包含环氧树脂的材料，如银胶或硅胶。

本发明特点之一在于该反射壳体50使用硅树脂模塑料(Silicon MoldingCompound,SMC)为主要材料。本实施例的硅树脂模塑料(SMC)主要是由50-60％左右的硅树脂、40％左右的玻璃纤维、无机填料以及其他添加剂组成。这种热固性模塑胶热固化温度在150℃左右。本实施例的反射壳体50包括硅树脂模塑料、及混合于硅树脂模塑料内的填充材(filler)。填充材是为增加反射壳体50的反射率，较佳是颗粒状，混合于硅树脂模塑料内，如图4的颗粒状元件所示。反射壳体50形成为整体单件结构。反射壳体50可以使用注模成型工艺而形成。

本发明的填充材可以适用于紫外光波段的发光二极管封装结构，填充材较佳是耐紫外光的材料，并且是无机的材料。本实施例利用的原理在于，当光子激发的能量小于材料能隙的能量时，光吸收情况将不会发生。紫外光的光子能量约有至少3eV(电子伏特)，当光子的能量小于填充材的能隙，则光子不被吸收。因此，本实施例的填充材较佳地是选择能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)的材料。例如二氧化硅(SiO₂)的能隙为9电子伏特(eV)、氮化硼(BN)的能隙为5.96电子伏特(eV)、三氧化二铝(Al₂O₃)的能隙为4.1电子伏特(eV)…等，但不限制于此。当该填充材的能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)，填充材即不吸收紫外光波段的光线。因此紫外光可以减少被吸收，本实施例可提高反射率。此外，填充材的能隙越大，可适用的紫外光LED晶片的发光波长也越短。

在本实施例中，为了再提高发光二极管封装结构100的反射率，以具有较佳的效率。本实施例进一步利用该填充材的折射率(Refractive Index,RI)与该硅树脂模塑料的折射率(Refractive Index,RI)的差异(difference)，以提升反射壳体50的整体反射率。选用的无机填充材与硅树脂模塑料的折射率差异，也会影响反射壳体50的整体反射率。

本发明经过材料样品配合光谱仪，测试材料样品于各种光线波长下的反射率。首先以填充材的折射率与硅树脂模塑料的折射率差异小于或等于0.2时。第一组材料样品，以折射率为1.53的硅树脂模塑料加上折射率为1.43的二氧化硅(SiO₂)填充材，折射率差异为0.1。其中二氧化硅(SiO₂)的粒径0.8微米(Micrometer,μm)，二氧化硅与硅树脂模塑料的重量比为30.3％。以第一组材料样品为例，经过光谱仪测得材料样品每一波段的反射率，整理获得图5的曲线图。其中横轴为波长，纵轴为反射率。

根据普朗克公式E＝h·c/λ＝1240(nm·eV)/λ.......公式(1)；

其中E为入射光子的能量；h为普朗克常数；c为光速；λ为波长。

将能隙为9eV的二氧化硅(SiO₂)代入上述公式(1)，求得理论计算的波长为137.7纳米(nm)，约为138nm。再比对实际测试后的图5，本实施例假设在符合反射率60％以上的前提下，实际量测出的波长对应为288nm。两者相差为150nm，因此本实施例将上述波长的位移(shift)差值150nm代入公式(1)。本发明可选择的填充材满足下列公式：

E≥1240(nm·eV)/(λ-150(nm))............公式(2)

藉此本发明可以依据上述公式(2)设计所需要的波长的发光二极管封装结构。依据发光二极管封装结构要提供的波长，代入上述公式，即可得知填充材所需要的能隙值。再依据测试的曲线图，可以推知所设计的发光二极管封装结构约有多少的反射率。

以波长365nm为例，假设发光二极管封装结构要设计为波长365nm的规格。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。依图5，当选择填充材的能隙E≥5.77eV，如上述二氧化硅(SiO₂)的能隙为9eV，符合此条件，粒径可以是0.8微米，经比对可以推论所设计的发光二极管封装结构，在365nm波长可以获得约104％的反射率。(注：图5中超过100％的反射率为机器的些微误差，可视为100％。)

以波长310nm为例，代入上述公式(2)，可以得E≥7.75eV；依图5当选择填充材的能隙E≥7.75eV，如上述二氧化硅(SiO₂)的为9eV，符合此条件，粒径可以是0.8微米，经比对可以推论所设计的发光二极管封装结构，在310nm波长可以获得约96％的反射率。

以波长290nm为例，代入上述公式(2)，可以得E≥8.86eV；依图5当选择填充材的能隙E≥8.86eV，如二氧化硅(SiO₂)为9eV，符合此条件，粒径可以是0.8微米，经比对可以推论所设计的发光二极管封装结构，在该波长可获得约80.8％的反射率。

此外，本实施例以第二组材料样品进行测试，以折射率为1.56的硅树脂模塑料(比第一组材料样品略高)，加上折射率为1.43的二氧化硅(SiO₂)填充材，折射率差异为0.13。其中二氧化硅(SiO₂)的粒径0.8微米，二氧化硅与硅树脂模塑料的重量比为15.2％。测试结果参图8的曲线(2)。

藉由上述公式(2)可以计算出各个E1的数值，配合图8对照在各个波长λ(nm)的反射率，整理二氧化硅的测试数据整理，如下列的表1：

【表1】

综上所述，可以推论，当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率差异Δn小于或等于0.2时，亦即Δn≤0.2。以粒径0.8微米的二氧化硅(SiO₂)为填充材，本实施例在波长290nm至400nm的紫外光，可获得至少65％以上的反射率。

本发明另外测试，填充材的折射率与硅树脂模塑料的折射率的差异大于0.2时。第三组材料样品，填充材选用能隙为5.96eV，折射率为2.17的氮化硼(BN)，配合折射率为1.54的硅树脂模塑料，折射率差异为0.63。本实施例的氮化硼分别以粒径为4微米及12微米，重量百分比25％，混入硅树脂模塑料。测试整理后的曲线图可参照图6，分别如曲线(3)及(4)所示。图6同时显示0.8微米的二氧化硅(SiO₂)作对比，参照曲线(1)。

第四组材料样品，填充材为三氧化二铝(Al₂O₃)，其能隙为4.1eV，折射率为1.77，配合折射率为1.54的硅树脂模塑料，折射率差异为0.23。本实施例的三氧化二铝分别以粒径为0.3微米、3微米、5微米、25微米，重量百分比25％，混入硅树脂模塑料。经过光谱仪测试后，可测得各种波长的反射率(参图8的曲线(5)至(8))。其中以粒径为5微米的三氧化二铝整理测试的数据获得图7的曲线图。

根据未修正的普朗克公式，亦即上述公式(1)，将三氧化二铝(Al₂O₃)的能隙4.1eV代入，可以求得理论计算的波长为302纳米(nm)。再比对实际测试后的图7，本实施例假设在符合反射率60％以上的前提下，实际的波长对应为352nm。两者相差约为50nm，将上述波长的位移(shift)差值代回公式(1)。本发明可选择的填充材满足下列公式：

E≥1240(nm·eV)/(λ-50(nm))............公式(3)

以波长310nm为例，假设发光二极管封装结构要设计为波长310nm的规格。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。

依图6，当选择填充材的能隙E≥4.76eV，如上述氮化硼(BN)的能隙为5.96eV，粒径为4微米及12微米，经测试于310nm波段下分别有88.7％及76.8％的反射率。

上述各组材料样品与TiO₂的对照组整理如下列表2：

【表2】

请再参阅图8，为本发明的各组材料样品的反射率曲线图。本发明的各组材料样品分别以曲线(1)至(8)标示出来，可明显看出，本发明选用的填充材比起二氧化钛(参曲线(9))，在紫外光的波段具有较佳的反射率。

综上所述，本发明当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异大于0.2时，满足公式(3)。本实施例以三氧化二铝(Al₂O₃)为例，在波长365nm至400nm的紫外光，可获得至少63.2％以上的反射率。本实施例以氮化硼(BN)为例，在波长310nm至400nm的紫外光，可获得至少76.8％以上的反射率。

补充说明，填充材的粒径经实验测试，较小的粒径，反射率愈高。但若粒径小于紫外光波长，将产生光散射而降低反射率。此外，粒径太大或太小皆不利于加工成型，本发明建议填充材的粒径在0.3至12微米。另外，依表1，填充材的重量百分比在15％以上即有合适的表现；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过硅树脂模塑料太多，重量百分比在30.3％，即有不错的表现；本发明建议填充材的重量百分比为15％～35％。

补充说明，本发明的发光二极管封装结构的反射壳体50进一步可以包含有玻璃纤维，该玻璃纤维的重量百分比较佳为5％至40％，以增加机械强度。

依上述测试的结果以及上述公式(2)及(3)，本发明覆盖上述固晶胶的包覆材，较佳为宽能隙的无机材料与硅胶的混合体，宽能隙的意思为，能隙(energy gap)大于4电子伏特(eV)。其中无机材料的粒径参照上述实验结果，建议粒径在0.3至12微米。

本发明的特点及功能至少在于：

一、本发明的发光二极管封装结构选用宽能隙的无机材料配合硅树脂模塑料(树脂材料)混合作为反射壳体50，相较于以陶瓷作为反射材料，制造成本更低廉，制造更为方便。先前技术以陶瓷作为反射材料，需要选用硅或铝氮氧化合物，并且进行高温烧结以作成陶瓷，成本高，制造费时。

二、本发明的发光二极管封装结构选用宽能隙的无机材料作为填充材，混入硅树脂模塑料(树脂材料)作为反射壳体50。在设计上可以依应用所需的波长，配合上述公式(2)及(3)，获得所需的能隙后，选择符合的填充材的材料，在波长的设计范围上更为宽广，可以涵盖紫外光波段290至400纳米(nm)。

三、本发明特别适用于发出紫外光的发光二极管封装结构，藉由选用能隙大于4eV的无机填充材，混入反射壳体50，作为反射的介质颗粒。

四、本发明的发光二极管封装结构所选用宽能隙的无机材料，可用以包覆固晶胶，以防止固晶胶因紫外光劣化。本发明可依据设计的波长，选用更合适的、成本更便宜的无机材料，选择性更多，制造更容易。本发明只需要将宽能隙的无机材料包覆固晶胶即可，不需要涵盖至反射壳体的整个底部，可节省材料成本，制程容易，避免爬胶。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种发光二极管封装结构，其特征在于，包括：

一导电架组合；

一反射壳体，结合于该导电架组合，该反射壳体围设形成一容置空间；该反射壳体包括硅树脂模塑料、及混合于该硅树脂模塑料内的填充材；

一紫外光LED晶片，置于该导电架组合上，且位于该容置空间内，以产生紫外光，该反射壳体反射该紫外光的反射率大于60％；以及

一固晶胶，黏固该紫外光LED晶片于该导电架组合；

其中该填充材的能隙大于4电子伏特；

当该填充材的折射率与该硅树脂模塑料的折射率的差异小于或等于0.2时，该填充材的能隙满足下列公式：

E≥1240(nm·eV)/(λ-150(nm))；

其中1240＝h×c；h为普朗克常数；c为光速；λ为上述紫外光LED晶片的波长。

2.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该反射壳体的该填充材的粒径尺寸介于0.3至12微米。

3.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该反射壳体的该填充材的重量百分比为15％至35％。

4.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该反射壳体包含有玻璃纤维，该玻璃纤维的重量百分比为5％至40％。

5.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该紫外光LED晶片所发出的紫外光波长为290至400纳米，该固晶胶为银胶或硅胶。

6.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该紫外光LED晶片所发出的紫外光波长为290至400纳米，该固晶胶为一含环氧树脂的固晶胶，该发光二极管封装结构进一步包括一包覆材，该包覆材覆盖于该固晶胶的外表面。

7.如权利要求6所述的发光二极管封装结构，其中该包覆材为一混合有能隙大于4电子伏特的无机材料与一硅树脂的混合物。

8.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该导电架组合包括呈板状的第一导电架及第二导电架，其中该第一导电架的部分与该第二导电架的部分外露于该反射壳体的底面。

9.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该发光二极管封装结构进一步包括一光罩板，该光罩板置放于该反射壳体的顶面。

10.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该发光二极管封装结构进一步包括一封装胶，该封装胶设置于该反射壳体内，且包覆该紫外光LED晶片。