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CN113725345A - 一种双面微透镜阵列制备方法及紫外led封装装置 - Google Patents

一种双面微透镜阵列制备方法及紫外led封装装置 Download PDF

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CN113725345A CN202110991333.5A CN202110991333A CN113725345A CN 113725345 A CN113725345 A CN 113725345A CN 202110991333 A CN202110991333 A CN 202110991333A CN 113725345 A CN113725345 A CN 113725345A
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Abstract

本发明涉及紫外LED制备领域，更具体地，涉及一种双面微透镜阵列制备方法，采用该制备方法在蓝宝石玻璃透镜的上下表面制作均匀、大面积且易于控制的微透镜阵列，基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处，将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。通过这个原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化。将该蓝宝石玻璃透镜应用在紫外LED封装装置上，降低深紫外LED封装光学窗口‑空气界面之间的全反射损失，将经过透镜的光聚焦在焦平面上，同时增加发射光的耦合能力，均匀紫外LED的出光强度。

Description

一种双面微透镜阵列制备方法及紫外LED封装装置
技术领域
本发明涉及紫外LED制备领域，更具体地，涉及一种双面微透镜阵列制备方法及紫外LED封装装置。
背景技术
随着技术的发展，紫外LED的性能得到不断的提升，与目前常用的气体紫外光源相比较，紫外LED属于冷光源，具有寿命长、可靠性高、照射亮度均匀、效率高以及不含有毒物质的优点，在生物医疗、表面杀菌清洁、印刷光刻、光固化生产以及通信探测等领域中都具有重要的作用。
但是目前深紫外LED的发展面临许多挑战，传统的LED封装结构使紫外LED芯片的出光不均匀，不能满足紫外LED的高性能、高均匀度的使用的需求。因此，提高紫外LED封装器件的光线提取率以及出光均匀度，是紫外LED封装领域的研究重点。
公开号为CN106935695A公开了一种紫外LED器件，LED芯片设置于支架底部，方案中紫外LED芯片共晶倒装焊接于紫外LED器件内，再将石英玻璃盖板进行封盖，保持封闭环空间。但是，该石英玻璃盖板的光线提取率、出光均匀度的程度还不足以达到最好效果，有待进行提高。
发明内容
本发明为紫外LED封装器件的光线提取率以及出光均匀度，提供一种双面微透镜阵列制备方法及使用该双面微透镜阵列的深紫外LED封装结构，使用双面微透镜阵列结构的蓝宝石玻璃透镜，提高紫外LED芯片的出光均匀度，从而使其呈现出更好的发光性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双面微透镜阵列制备方法，选用蓝宝石玻璃透镜，并进行以下制备步骤：S1将蓝宝石玻璃透镜一面进行抛光，并在抛光表面上通过等离子体化学气相沉积200nm厚的SiO2膜，处理温度为300℃；
S2旋涂700nm厚的正光刻胶，并且采用掩模版进行投影曝光，再使用步进光刻机投影曝光，曝光波长365nm，曝光时间290ms；
S3将正光刻胶位置显影50秒形成纳米孔，再通过等离子体蚀刻将图案转移到SiO2膜上，持续1分钟；
S4将强酸混合物加热至270℃后用来蚀刻蓝宝石，蚀刻时间为6分钟，然后通过氧等离子体蚀刻去除SiO2掩膜；
S5对蓝宝石玻璃透镜的另一面重复S1-S4操作，完成双面制备；
S6使用激光将具有纳米阵列的蓝宝石玻璃透镜切割划分成正方体单元，并通过使用含氟聚合物密封剂封装在深紫外LED上以形成密封结构。
通过使用微纳米阵列双面透镜使深紫外LED具有更好光均匀状态，基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处(如空气和玻璃)，将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。通过这个原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化。
具体地，所述S3中，等离子体蚀刻在CF4与O2的混合气氛中进行。
具体地，所述强酸混合物为98％浓硫酸和84％浓磷酸溶液混合物，两种强酸的体积比为3：1。
同时，一种深紫外LED封装装置，包括陶瓷基座、紫外LED芯片以及上述加工完成的蓝宝石玻璃透镜，所述陶瓷基座设有凹槽，所述紫外LED芯片通过金锡共晶倒装焊接在凹槽中，紫外LED芯片的正负极与所述凹槽底面之间至少有两层金属层。陶瓷基座为AlN陶瓷基座，紫外LED芯片正负极与凹槽底面之间至少有两层导热导电性能良好的金属层，以实现紫外LED芯片的共晶倒装焊接。
采用蓝宝石玻璃透镜取代平常使用的石英平板玻璃，利用蓝宝石玻璃透镜上下表面制作均匀、大面积且易于控制的纳米阵列，可以降低深紫外LED封装光学窗口-空气界面之间的全反射损失，同时增加发射光的耦合能力，增强深紫外LED的光均匀度。
另外，所述凹槽边缘设有阶梯形结构，所述蓝宝石玻璃透镜安装于阶梯形结构上，并完全覆盖凹槽。蓝宝石玻璃透镜与凹槽阶梯形结构粘合固定。
进一步地，所述凹槽与所述蓝宝石玻璃透镜形成的密闭空间中填充有保护性气体，保护性气体为惰性气体或氮气。
进一步地，所述蓝宝石玻璃透镜的立方体单元朝向紫外LED芯片一面的透镜曲率半径为27nm，相对的一面的透镜曲率半径为22nm。因为曲率半径过大，会导致微透镜阵列层折射率渐变不明显，从而降低光照度和光强度。曲率半径过小，会导致微透镜阵列厚度增加，不利于光的透射，从而降低光照度和光强度。
进一步地，所述紫外LED芯片的光线主波长为260nm。
进一步地，所述立方体单元的透镜厚度为12nm。
进一步地，所述紫外LED芯片的外形尺寸为1mm X 1mm，底部为对称电极。对称电极与金属层焊接。
进一步地，所述陶瓷基座为氮化铝陶瓷基座。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了提供一种双面微透镜阵列制备方法，通过该方法对选用的蓝宝石玻璃透镜进行处理，在上下表面形成纳米阵列，提高光的折射率。
该双面微透镜阵列的深紫外LED封装结构，使用双面微透镜阵列的蓝宝石玻璃透镜取代了石英平板玻璃，利用蓝宝石玻璃透镜上下表面制作均匀、大面积且易于控制的纳米阵列，可以降低深紫外LED封装光学窗口-空气界面之间的全反射损失，将经过透镜的光聚焦在焦平面上，同时增加发射光的耦合能力，均匀紫外LED的出光强度。微透镜阵列深紫外紫外LED封装结构还具有发光强度高、防静电释放损害以及高效可靠等优点。
附图说明
图1是实施例紫外LED封装结构示意图。
图2是蓝宝石玻璃透镜结构示意图。
图3是蓝宝石玻璃透镜侧视图。
图4是本例封装结构的仿真图。
图5是本例仿真实验的峰光强度数据图。
图6是本例仿真实验的峰辐照度数据图。
图7是对比例封装结构的仿真图。
图8是对比例仿真实验的峰光强度数据图。
图9是对比例仿真实验的峰辐照度数据图。
其中，1陶瓷基座，2紫外LED芯片，3蓝宝石玻璃透镜，4凹槽，5金属层，6阶梯形结构。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例
如图1-3所示，本实施例提供了一种双面微透镜阵列制备方法，选用合适尺寸的蓝宝石玻璃透镜3，并对其进行以下制备步骤：
首先，将蓝宝石玻璃透镜3一面进行单面抛光，并在抛光表面上通过等离子体化学气相沉积200nm厚的SiO2膜，处理温度为300℃；然后，旋涂700nm厚的正光刻胶(PR)，并且采用掩模版进行投影曝光，随后使用步进光刻机投影曝光，曝光波长365nm，曝光时间290ms；接着将PR显影50秒形成纳米孔，再通过等离子体蚀刻将图案转移到SiO2膜上，持续1分钟，其中等离子体蚀刻在CF4与O2的混合气氛中进行；最后用98％浓硫酸和84％浓磷酸溶液的混合物加热至270℃后蚀刻蓝宝石，两种强酸的体积比为3：1，蚀刻时间为6分钟，然后通过氧等离子体蚀刻去除SiO2掩膜。
同理，对蓝宝石玻璃透镜3的另一面重复如上操作，完成蓝宝石玻璃透镜3的双面加工。完成加工后，使用激光将具有纳米阵列的蓝宝石玻璃透镜3切割成划分成多个正方体单元，并通过使用含氟聚合物密封剂封装在深紫外LED上以形成密封结构。
同时，本实施例还提供了一种深紫外LED封装装置，包括陶瓷基座1、紫外LED芯片2以及双面具有纳米阵列的蓝宝石玻璃透镜3，其中，陶瓷基座1为氮化铝陶瓷基座1(AlN)，陶瓷基座1设有凹槽4，凹槽4包括与水平面成预设角度的环形坡面，紫外LED芯片2的外形尺寸为1mm X 1mm，底部为对称电极。紫外LED芯片2位于凹槽4底部中央，凹槽4侧壁向外拔模扩张，避免阻隔紫外LED芯片2的光路传播，紫外LED芯片2的光线主波长为260nm。
本实施例中，紫外LED芯片2通过金锡共晶倒装焊接在凹槽4中，一般地，紫外LED芯片2的正负极与凹槽4底面之间有三层金属层5，金属层5包括了镀于紫外LED芯片2的正负极处的第一金属层5、镀于所述凹槽4底面处的第二金属层5以及位于第一金属层5和第二金属层5之间的第三金属层5，第一金属层5以及第二金属层5均为金膜层，第三金属层5为锡膜层，而且，第一金属层5的厚度为7-10um，第二金属层5的厚度为3-5um，第三金属层5为4-5um。
另外，凹槽4边缘设有阶梯形结构6，蓝宝石玻璃透镜3安装于阶梯形结构6上，蓝宝石玻璃透镜3完全覆盖凹槽4，而且两者之间形成的密闭空间，并填充有保护性气体，保护性气体可以为惰性气体或氮气。具体地，阶梯形结构6与带有纳米阵列的蓝宝石玻璃透镜3之间采用含氟聚合物密封剂作为无机粘结剂进行粘结，使凹槽4形成密封空间。
本实施例中，蓝宝石玻璃透镜3的立方体单元朝向紫外LED芯片2一面的透镜半径为27um，相对的一面的透镜半径为22um，立方体单元的透镜厚度为12um。蓝宝石玻璃透镜3的上下表面均具有纳米透镜阵列，降低深紫外LED封装光学窗口-空气界面之间的全反射损失，同时增加发射光的耦合能力，增强深紫外LED的光均匀度。
此外，本实施例对制备完成的蓝宝石玻璃透镜3和普通的蓝宝石平板玻璃分别作为紫外LED封装结构的盖板，其他参数保持一致，进行了ZMAX仿真对比实验。
将双面微透镜阵列的蓝宝石玻璃透镜3装于其中一个封装结构中，为本例；将蓝宝石平板玻璃装于另外一个封装结构中，为对比例。在距离玻璃面10cm处测两个结构的发光性能，数据如图4-9所示：
本例 对比例
峰光强度 19.187W/球面度 11.309W/球面度
峰辐照度 0.00153W/mm<sup>2</sup> 0.001135W/mm<sup>2</sup>
因此可得出，本例的光强和照度与对比例相比更高，具有更好光均匀情况的原因归因于：
微透镜阵列层折射率渐变和图案阵列光耦合特性，对于纳米结构，透光率是纳米结构的几何形状和尺寸以及入射光的波长函数。因此，纳米阵列光耦合增强是渐变二维纳米结构和表面图案话连续球形形态的组合结果，可以有效扩大光子逃逸锥的范围，减少透镜-空气界面处的全反射损失。
基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处(如空气和玻璃)，将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。通过这个原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双面微透镜阵列制备方法，其特征在于：选用蓝宝石玻璃透镜，并进行以下制备步骤：
S1将蓝宝石玻璃透镜一面进行抛光，并在抛光表面上通过等离子体化学气相沉积200nm厚的SiO2膜，处理温度为300℃；
S2旋涂700nm厚的正光刻胶，并且采用掩模版进行投影曝光，再使用步进光刻机投影曝光，曝光波长365nm，曝光时间290ms；
S3将正光刻胶位置显影50秒形成纳米孔，再通过等离子体蚀刻将图案转移到SiO2膜上，持续1分钟；
S4将强酸混合物加热至270℃后用来蚀刻蓝宝石，蚀刻时间为6分钟，然后通过氧等离子体蚀刻去除SiO2掩膜；
S5对蓝宝石玻璃透镜的另一面重复S1-S4操作，完成双面制备；
S6使用激光将具有纳米阵列的蓝宝石玻璃透镜切割划分成正方体单元，并通过使用含氟聚合物密封剂封装在深紫外LED上以形成密封结构。
2.根据权利要求1所述双面微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述S3中，等离子体蚀刻在CF4与O2的混合气氛中进行。
3.根据权利要求2所述双面微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述强酸混合物为98％浓硫酸和84％浓磷酸溶液混合物，两种强酸的体积比为3：1。
4.一种深紫外LED封装装置，其特征在于：包括陶瓷基座、紫外LED芯片以及权利要求3所述蓝宝石玻璃透镜，所述陶瓷基座设有凹槽，所述紫外LED芯片通过金锡共晶倒装焊接在凹槽中，紫外LED芯片的正负极与所述凹槽底面之间至少有两层金属层；
所述凹槽边缘设有阶梯形结构，所述蓝宝石玻璃透镜安装于阶梯形结构上，并完全覆盖凹槽。
5.根据权利要求4所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述凹槽与所述蓝宝石玻璃透镜形成的密闭空间中填充有保护性气体。
6.根据权利要求5所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述蓝宝石玻璃透镜的立方体单元朝向紫外LED芯片一面的透镜曲率半径为27nm，相对的一面的透镜曲率半径为22nm。
7.根据权利要求6所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述紫外LED芯片的光线主波长为260nm。
8.根据权利要求7所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述立方体单元的透镜厚度为12nm。
9.根据权利要求8所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述紫外LED芯片的外形尺寸为1mm X 1mm，底部为对称电极。
10.根据权利要求9所述深紫外LED封装装置，其特征在于：所述陶瓷基座为氮化铝陶瓷基座。
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