发光二极管装置和显示器

技术领域

本揭示内容是关于发光二极管装置的封装结构。

背景技术

发光二极管(Light-emitting diode,LED)是一种能够将电能转化为光能的固态的半导体装置。发光二极管封装是指将发光二极管晶片封装在一定的结构里，此封装结构能够透光同时具有保护晶片的效果。

请参看图1A，绘示已知的发光二极管装置10的封装结构。发光二极管装置10的封装结构为倒装式的晶片级封装。发光二极管晶片20设置在印刷电路板(PCB)40上方，并且经由正极焊垫(anodize pad)22和负极焊垫(Negative pad)24与印刷电路板40的电路电性连接。发光二极管晶片20的外部包覆封装胶30，用以保护发光二极管晶片20。封装胶30材料通常为硅基的树酯，其光的折射率约在1.4至1.51左右。

已知的发光二极管装置10的封装胶30常采用非环氧基的树酯，当长期受发光二极管晶片20所发出的紫外光照射后，封装胶30会逐渐黄化，而影响发光二极管装置10的出光效率。

此外，请参看图1B和图1C，分别是图1A的发光二极管装置10的光线追迹图和坎德拉图(Candela Plots)/配光曲线。高比例的发光二极管晶片20的发射光束由发光二极管装置的正上方发出，并且在坎德拉图中显示的光型为一椭圆型。因此，已知的发光二极管装置10的光场强度分布过度集中于中央，而使得均匀度和出光角度的表现不佳。由于发光二极管装置为点光源，因此已知的发光二极管装置常需额外设计以将发光二极管装置发射的光线较均匀地扩散出去，例如，在发光二极管装置加上二次光学透镜以得到理想的光型。

例如，发光二极管装置可应用于显示器中；随着显示器的应用日渐广泛，显示器目前可整合相机、通讯以及显示等功能，而显示器的解析度也日渐提高，由4K显示器，更进一步提升至8K显示器。迷你发光二极管背光源不仅能将显示器的调光分区数(Local DimmingZones)做得更细致，亦达到高动态范围(HDR)呈现高对比度效果。现有直下式显示器(例如液晶电视、笔记型计算机、平板电脑)背光源多采用在发光二极管装置上方加上二次光学透镜，通过二次光学透镜对发光二极管发出来的光进行二次配光，重新分配能量以满足光腔高度10毫米(mm)以上的显示器的场型设计。

但是，对于超薄型的显示器(光腔高度10毫米以下)而言，直下式背光源的设计无法以此方式完成。由于传统的二次光学透镜需要一定的光腔高度，但是内部空间高度相对较小的超薄型显示器无法提供二次光学透镜改变光的场型所需要的光线折射距离与角度，因此容易造成混光不均匀等缺陷。

发明内容

本揭示内容的一些实施方式提供了一种发光二极管装置，包含：发光二极管晶片、第一透镜、以及第二透镜。第一透镜在发光二极管晶片上方，第一透镜配置以增加出光效率，第一透镜包含第一含量的二氧化钛。第二透镜在该第一透镜上方，第二透镜配置以改变光型，第二透镜包含第二含量的二氧化钛。其中，第二含量的二氧化钛多于第一含量的二氧化钛。

在一些实施方式中，第一透镜和第二透镜的材料包含硅基环氧树酯(siliconeepoxy resin)。

在一些实施方式中，第一透镜的第一含量的二氧化钛大于第一透镜的0.01重量百分比。

在一些实施方式中，第一透镜的第一含量的二氧化钛小于第一透镜的0.5重量百分比。

在一些实施方式中，第二透镜的第二含量的二氧化钛大于第二透镜的0.5重量百分比。

在一些实施方式中，第二透镜的第二含量的二氧化钛小于第二透镜的2重量百分比。

在一些实施方式中，第一透镜的二氧化钛和该第二透镜的二氧化钛的颗粒粒径小于发光二极管晶片的发射光的波长的1/10。

在一些实施方式中，第一透镜的二氧化钛和第二透镜的二氧化钛的颗粒粒径小于40纳米。

在一些实施方式中，发光二极管晶片为蓝光晶片。

在一些实施方式中，发光二极管装置为晶片级封装结构。

本揭示内容的一些实施方式提供了一种发光二极管装置，包含：发光二极管晶片、第一透镜、以及第二透镜。第一透镜在发光二极管晶片上方，且第一透镜包含少于第一透镜的0.5重量百分比的二氧化钛。第二透镜在第二透镜上方，且第二透镜包含多于第二透镜的0.5重量百分比的二氧化钛。

在一些实施方式中，第一透镜的二氧化钛分散于第一透镜中。

在一些实施方式中，第二透镜的二氧化钛分散于第二透镜中。

在一些实施方式中，第二透镜包含树酯材料，第二透镜的二氧化钛形成一薄膜其覆盖第二透镜的树酯材料。

在一些实施方式中，其中第一透镜直接接触发光二极管晶片。

在一些实施方式中，其中第二透镜直接接触第一透镜。

在一些实施方式中，第一透镜配置以增加光的折射。

在一些实施方式中，第二透镜的光的折射率小于第一透镜的光的折射率。

在一些实施方式中，第二透镜的光的穿透率小于第一透镜的光的穿透率。

本揭示内容的一些实施方式提供了一种显示器，包含了以上或以下所述的发光二极管装置的实施方式中的任一种，并且所述显示器具有一光腔，此光腔的高度小于10毫米。

在一些实施方式中，发光二极管装置为显示器的直下式背光源。

附图说明

本揭示内容的各方面，可由以下的详细描述，并与所附附图一起阅读，而得到最佳的理解。值得注意的是，根据产业界的普遍惯例，各个特征并未按比例绘制。事实上，为了清楚地说明和讨论，各个特征的尺寸可能任意地增加或减小。

图1A绘示已知的晶片级封装的发光二极管装置的结构的截面视图；

图1B绘示已知的晶片级封装的发光二极管装置的光线追迹图；

图1C绘示已知的晶片级封装的发光二极管装置的坎德拉图(Candela Plots)/配光曲线；

图2绘示不同浓度的二氧化钛与光的穿透率的关系；

图3绘示不同浓度的二氧化钛与光的折射率的关系；

图4A绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置的结构的截面视图；

图4B绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置的光线追迹图；

图4C绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置的坎德拉图/配光曲线；

图5A和图5B绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置截面视图；

图6A和图6B绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管封装结构的截面视图；

图7绘示根据本揭示内容的一些实施方式的背光模块的分解图。

【符号说明】

10:发光二极管装置

20:发光二极管晶片

22:正极焊垫

24:负极焊垫

40:印刷电路板

100:发光二极管装置

110:基板

120:发光二极管结构

132:第一焊垫

134:第二焊垫

140:发光二极管晶片

150:第一透镜

160:第二透镜

200:发光二极管装置

210:基板

220:发光二极管封装结构

232:第一焊垫

234:第二焊垫

240:发光二极管晶片

242:顶面

244:侧面

250:第一透镜

260:第二透镜

300:发光二极管装置

310:基板

320:发光二极管封装结构

332:第一焊垫

334:第二焊垫

340:发光二极管晶片

350:第一透镜

360:第二透镜

420:发光二极管封装结构

422:支架

424:导孔

426:第一延伸焊垫

428:第二延伸焊垫

432:第一焊垫

434:第二焊垫

440:发光二极管晶片

450:第一透镜

460:第二透镜

520:发光二极管封装结构

540:发光二极管晶片

542:顶面

544:侧面

550:第一透镜

560:第二透镜

570:保护层

700:背光模块

710:背板

720:灯条

722:电路板

724:发光二极管组件

730:背光腔

732:开口

740:光学膜片

D1:第一尺寸

D2:第二尺寸

T1:第一厚度

T2:第二厚度

T3:第三厚度

T4:第四厚度

具体实施方式

以下的揭示内容提供了不同的实施方式或实施例，以实现所提供的标的的不同的特征。以下描述组件和配置的具体实施例，以简化本揭示内容。当然，这些仅是实施例，并不旨在限制本揭示内容。例如，在随后的描述中，形成第一特征高于第二特征，可包括第一和第二特征以直接接触形成的实施方式，且也可包括附加的特征设置于第一和第二特征之间，因此第一和第二特征不是直接接触的实施方式。此外，本揭示内容可在各个实施例中重复标示数字和/或字母。这样的重复，并不是意指所讨论的各个实施方式之间和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述一个元件或特征与另一个元件或特征之间，如附图中所绘示的关系，在此可能使用空间上的相对用语，诸如“之下”、“下方”、“低于”、“之上”、“上方”、“高于”、和类似用语。除了附图中绘示的方向之外，空间上的相对用语旨在涵盖装置在使用中或操作中的不同方向。设备可以有其他方向(旋转90度或其他方向)，并且此处所使用的空间上相对用语也可以相应地解释。

有鉴于已知技术的发光二极管装置的光型不理想、或混光不均匀等问题，本揭示内容的一些实施方式提供了一种解决方案，通过在发光二极管晶片装置的结构中，在发光二极管晶片的上方设置两层透镜，这两层透镜分别地含有不同含量的二氧化钛，因此可改变发光二极管装置的光型，并且增加出光效率。

请参看图2，绘示在硅基环氧树酯中不同浓度的二氧化钛与光的穿透率的关系，所测试的二氧化钛颗粒的粒径小于40纳米。在图2所示的试验中，分别地测试二氧化钛(TiO2)占0.01重量百分比、0.1重量百分比、0.5重量百分比、和1重量百分比等不同比例，对于不同波长的光线的穿透率的影响。

图2的虚线为450纳米波长，这是一般发光二极管蓝光晶片的应用波长。图2显示在紫外光的波长范围，例如小于400纳米的波长的光，二氧化钛的添加会有明显的降低穿透率的现象。因此，在发光二极管晶片上方设置具有二氧化钛的硅基环氧树酯层，可过滤一部分的紫外线输出，增加发光二极管装置输出的蓝光纯度。硅基环氧树酯层对紫外线的抗性较佳，因此不易如已知技术常用的封装胶30一样黄化，添加的二氧化钛也降低了紫外线的穿透率，强化了吸收紫外线的效果。

图2并显示当硅基环氧树酯添加1重量百分比的二氧化钛时，450纳米波长的光的穿透率在约20％。当硅基环氧树酯添加0.5重量百分比的二氧化钛时，450纳米波长的光的穿透率在约65％。当硅基环氧树酯添加0.01重量百分比至0.1重量百分比的二氧化钛时，450纳米波长的光的穿透率在约75％至约85％之间。因此，当硅基环氧树酯添加小于0.1重量百分比的二氧化钛时，二氧化钛对光的穿透率的改变效应也变地较小。根据图2所示的试验结果，在发光二极管晶片上设置具有二氧化钛的硅基环氧树酯层，可调整二氧化钛的含量，来达到所需的光的穿透率或光型。

请参看图3，绘示在硅基环氧树酯中不同浓度的二氧化钛与445至450纳米波长蓝光的折射率的关系，所测试的二氧化钛颗粒的粒径小于40纳米。图3显示当硅基环氧树酯没有添加二氧化钛时，光在硅基环氧树酯的折射率约1.5。当二氧化钛浓度逐渐增加至0.1重量百分比时，光在硅基环氧树酯的折射率为最高，约1.61至1.62；之后二氧化钛浓度再升高，但光在硅基环氧树酯的折射率反而会下降，例如当二氧化钛浓度逐渐增加至0.5重量百分比时，光在硅基环氧树酯的折射率为约1.58。

由图2和图3的试验结果可知，使用颗粒为纳米等级的二氧化钛粉末掺杂在硅基环氧树酯封装胶里，浓度较低时(例如小于0.1重量百分比)对于450纳米以上波长的光线的穿透率表现影响较小，穿透率下降幅度不大，同时添加二氧化钛的比例逐步增加到0.1重量百分比时，掺杂二氧化钛的硅基环氧树酯折射率会由1.51提升到1.61左右。掺杂超过0.5重量百分比之后，由于二氧化钛的颗粒粉末会有聚集现象，导致二氧化钛颗粒无法保持分散状态，也就未能通过粒子与粒子之间的折射增加光效率，有可能产生瑞利(RayleighScattering)散射现象而造成穿透率明显下降。

因此，本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置中设置了二层透镜，分别地在硅基环氧树酯中添加不同浓度的二氧化钛，其中第一层透镜配置以增加出光效率，第二层透镜配置以改变光型。

请参看图4A，绘示根据本揭示内容的一些实施方式的发光二极管装置100。发光二极管装置100包含基板110和发光二极管结构120。发光二极管结构120在基板110之上。发光二极管结构120包含第一焊垫132、第二焊垫134、发光二极管晶片140、第一透镜150、和第二透镜160。

在一些实施方式中，一或多个发光二极管结构120可设置在基板110上方，基板110可例如为印刷电路板。在一些实施方式中，基板110上涂覆有白漆，其反射率为80％至90％，使得发光二极管晶片140发出的朝向基板110的光会被反射出去。

发光二极管晶片140设置于基板110上并且经由第一焊垫132(例如，正极焊垫)和第二焊垫134(例如，负极焊垫)与基板110的电路电性连接。在一些实施方式中，发光二极管晶片140还通过粘着剂，例如环氧树酯(Epoxy)固定在基板110上。

在一些实施方式中，发光二极管晶片140为蓝光发光二极管晶片，例如氮化镓(GaN)或磷化镓(GaP)晶片，发出的光波长介于430至480纳米，例如440至460纳米。

第一透镜150设置于发光二极管晶片140上方。在一些实施方式中，第一透镜150直接地接触发光二极管晶片140。第一透镜150的材料包含硅基环氧树酯，并且含有第一透镜150的0.01至0.5重量百分比之间的二氧化钛颗粒。其中，二氧化钛颗粒的粒径小于发光二极管晶片140发出的光波长的1/10，例如，小于40纳米。

在一些实施方式中，将二氧化钛颗粒与硅基环氧树酯混合，之后以模塑(molding)成型的方式，在发光二极管晶片140上形成第一透镜150。

第一透镜150配置以增加光的出光效率。根据司乃耳定律(Snell’s Law)，当光线由光密介质进入光疏介质其入射角大于临界角时，光线将不再折射，停止进入另一个介质并全部反射回光密介质，此称为全反射。若使用氮化镓(GaN)晶片，其折射率为n＝2.5为光密介质；若在晶片外的封装胶的折射系数与晶片相差太多，根据司乃耳定律，大部分的光会再度被反射回晶片内部，因此会影响出光效率。在已知的发光二极管装置中，与晶片接触的封装胶硅树酯的折射为1.4～1.51左右之间，因此，会影响出光效率。

相对而言，在本揭示内容的实施方式中，发光二极管结构120中的第一透镜150使用硅基环氧树酯，并添加一定比例的二氧化钛，做成多边型几何形状直接接触发光二极管晶片140。第一透镜150因为使用模塑成型，可粘合在发光二极管晶片140上，并且由于第一透镜150添加了约0.01至约0.5重量百分比之间的二氧化钛，使得光在第一透镜150的折射率可提升到约1.61，因此可较已知技术减少反射，增加发光二极管装置100的出光效率。

请再参看图4A，第二透镜160设置于第一透镜150上方或外侧。在一些实施方式中，第二透镜160直接地接触第一透镜150。第二透镜160的材料包含硅基环氧树酯，并且含有第二透镜160的0.5至2重量百分比之间的二氧化钛颗粒密度。其中，二氧化钛颗粒的粒径小于发光二极管晶片140发出的光波长的1/10，例如，小于40纳米。

在一些实施方式中，将二氧化钛颗粒与硅基环氧树酯混合，之后以模塑(molding)成型的方式，在第一透镜150上形成第二透镜160。换言之，第二透镜160的形成方式与第一透镜150的形成方式类似，差异在于混合了较高比例的二氧化钛颗粒。

在另一些实施方式中，可先以模塑(molding)成型的方式，在第一透镜150上形成硅基环氧树酯层，之后再以例如真空沉降的制程，沉积一层二氧化钛薄膜覆盖在硅基环氧树酯层上，而形成第二透镜160。

第二透镜160配置以改变光型。通过调整硅环氧树酯层的二氧化钛含量在0.5至2重量百分比之间，而使得第二透镜160的折射率较第一透镜150的折射率低，并且降低光在硅环氧树酯材料的穿透率，以达到改变光型的功效。

根据前述图2和图3的试验，当二氧化钛在硅基环氧酯中的浓度较高时，二氧化钛颗粒因为聚集的关系，小颗粒变成大颗粒，导致大颗粒的粒径超过蓝光波长的1/10，从而产生了瑞利散射现象，导致蓝光的穿透率下降。第二透镜160设计为利用瑞利散射现象，增加光的散射效果，使得正上方的光穿透率下降，增加光反射，把部分的光线再度折射回去，达到改变光型分布的目的。

请参看图4B和图4C，分别是图4A的发光二极管装置100的光线追迹图和坎德拉图(Candela Plots)/配光曲线。发光二极管装置100的正上方的光穿透率下降，把部分的光线再度折射。因此发光二极管装置100的光型分布为图4C所示的蝙蝠翼形。因此发光二极管装置100可实现更小的混光距离与模块厚度。

相对而言，已知的发光二极管装置，例如图1A所示发光二极管装置10，须在封装结构外再添加二次光学透镜，才能达到如图4C所示的光的场型分布。

在一些实施方式中，可根据光型需要来调整第二透镜160中所添加的二氧化钛的量。例如，当需要发光二极管装置正上方的发出光强度较高时，第二透镜160中的所添加的二氧化钛的量较低；当需要发光二极管装置正上方的发出光强度较低时，第二透镜160中的所添加的二氧化钛的量较高。

在一些实施方式中，第一透镜150和第二透镜160为平面的层。在另一些实施方式中，第一透镜150和第二透镜160可能为圆弧状的层，例如，可为凸状或凹状。

在一些实施方式中，发光二极管结构120是形成在基板110上，亦即，将发光二极管晶片140经由第一焊垫132和第二焊垫134而与基板电性连接，并且以粘着剂粘合发光二极管晶片140和基板110，之后，在发光二极管晶片140上方形成第一透镜150、和在第一透镜150上方形成第二透镜160。

在另一些实施方式中，将第一透镜150形成在发光二极管晶片140上、接着将第二透镜160形成在第一透镜150上。之后，将发光二极管结构120经由第一焊垫132和第二焊垫134而与基板110电性连接，并且以粘着剂粘合发光二极管晶片140和基板110。

请参看图5A，绘示根据一些实施方式的发光二极管装置200。在发光二极管装置200中，发光二极管封装结构220为全包覆式的封装。第一透镜250和第二透镜260包覆发光二极管晶片240的顶面242和侧面244。发光二极管晶片240设置于基板210上并且经由第一焊垫232和第二焊垫234与基板210的电路电性连接。

在一些实施方式中，发光二极管晶片240的宽度为第一尺寸D1，第二透镜260的宽度为第二尺寸D2，第二尺寸D2小于或等于第一尺寸D1的1.2倍。因此，发光二极管封装结构220为一晶片级封装结构。

请参看图5B，绘示根据另一些实施方式的发光二极管装置300。在发光二极管装置300中，发光二极管封装结构320为全包覆多边形的封装。第一透镜350和第二透镜360包覆发光二极管晶片340的顶面和侧面。发光二极管晶片340设置于基板310上并且经由第一焊垫332和第二焊垫334与基板310的电路电性连接。

第一透镜350在发光二极管晶片340的顶面的厚度为第一厚度T1，第一透镜350在发光二极管晶片340的侧面的厚度为第二厚度T2。在一些实施方式中，第一厚度T1不等于第二厚度T2。可根据需求，调整第一透镜350的第一厚度T1和第二厚度T2，以达到理想的发光二极管封装结构320的顶面和侧面的出光率效果。

第二透镜360在发光二极管晶片340的顶面的厚度为第三厚度T3，第二透镜360在发光二极管晶片340的侧面的厚度为第四厚度T4。在一些实施方式中，第三厚度T3不等于第四厚度T4。在以沉积一层二氧化钛薄膜覆盖在硅基环氧树酯层上而形成第二透镜360的实施方式中，可通过调整硅基环氧树酯的厚度，而达到在第二透镜360中的所需的二氧化钛含量。可根据需求，调整第三厚度T3和第四厚度T4，以达到理想的发光二极管封装结构320的顶面和侧面的光的场型分布。

请参看图6A，绘示根据一些实施方式的发光二极管封装结构420。发光二极管封装结构420与发光二极管封装结构220和320的主要差异在于具有一支架422。支架422可例如为陶瓷材料或环氧树酯材料。

在发光二极管封装结构420中，第一焊垫432与在支架422中的导孔424和第一延伸焊垫426电性连接。第二焊垫434与在支架422中的导孔424和第二延伸焊垫428电性连接。第一透镜450位于支架422上方且覆盖发光二极管晶片440。第二透镜460位于支架上方且覆盖第一透镜450。

请参看图6B，绘示根据一些实施方式的发光二极管封装结构520。发光二极管封装结构520为一单面出光式的封装结构。保护层570位于发光二极管晶片540的侧面544上，保护层570由不透明的材料所组成。第一透镜550位于保护层570上方且覆盖发光二极管晶片540的顶面542。第二透镜560覆盖第一透镜550。

本揭示内容的实施方式所示的发光二极管装置，是在发光二极管晶片上方设置二层微透镜的构造，亦即第一透镜和第二透镜。在一些实施方式中，这样的结构可应用于例如，但不限于，迷你发光二极管或微发光二极管的封装结构，例如晶片级封装或晶圆级封装。

本揭示内容的实施方式的发光二极管装置可以应用于例如，但不限于，显示器或照明装置，诸如显示器的背光源(例如直下式背光模块或侧光式背光模块)、闪光灯、投影仪、强光照明灯具(例如，车灯、探照灯、手电筒、工作灯、户外高棚灯、景观等)、小角度照明灯具等。

以应用于显示器的背光源来说明，下表一比较背光技术运用已知的发光二极管装置与运用本揭示内容的发光二极管装置所制作的背光源的差异。

表一

请参看图7，绘示一显示器的背光模块700的分解图。背光模块700包含背板710、灯条720、背光腔730、以及多个光学膜片740。

多个灯条720是设置于背板710上，每一灯条包含电路板722和发光二极管组件724。发光二极管组件724具有如上所述的第一透镜和第二透镜。

背光腔730位于背板710和灯条720上方。背光腔730的底部具有多个开口732，其分别地对应于多个发光二极管组件724。在一些实施方式中，背光模块700应用于薄型的显式器，背光腔730的高度小于10毫米(mm)。

多个光学膜片740设置于背光腔730上方。光学膜片可例如为扩散板、棱镜片、扩散片、或类似者，以根据需求，调整背光模块700的光学特性。

本揭示内容的一些实施方式提供了一种显示器，此显示器为薄型化的装置，具有一光腔其高度小于10毫米。显示器的背光源包含了上述图4A、图5A、图5B、图6A、或图6B所讨论的实施方式的发光二极管装置或发光二极管封装结构，因此，可省略二次光学透镜的设计，并且在薄型化显示器或其他光腔高度较小的照明装置上达到更佳的出光效率和混光均匀的效果。

以上概述了数个实施方式的特征，以便本领域技术人员可较佳地理解本揭示内容的各方面。本领域的技术人员将理解，他们可能容易地使用本揭示内容，作为其他制程和结构的设计或修改的基础，以实现与在此介绍的实施方式的相同的目的，或是达到相同的优点。本领域技术人员亦将理解，与这些均等的建构不脱离本揭示内容的精神和范围，并且他们可能在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，进行各种改变、替换、和变更。