紫外光发光二极管模块及导光元件的制造方法与流程

本发明与紫外光发光二极管有关；特别是指一种具有导光元件的紫外光发光二极管模块及导光元件的制造方法。

背景技术：

紫外光发光二极管可应用于医疗、生医美容、杀菌及生物鉴定等领域，相较于传统的紫外光灯管，紫外光发光二极管具有尺寸小的优点。请配合图1，为现有的紫外光发光二极管模块1，其包含一紫外光发光二极管10与一石英或树脂透镜12，其中，紫外光发光二极管10为面型光源具有一出光面102，石英或树脂透镜12连接于出光面102上。通过石英或树脂透镜12的曲率变化降低紫外光发光二极管10所发出的紫外光入射至与空气界面的入射角以降低界面反射量，达到出光增益效果。

石英或树脂透镜12虽有出光增益的效果，但会有热传导不良或是材料老化问题，如采用蓝宝石材料可以降低热传导不良与材料老化问题。然而，蓝宝石的透镜12的尺寸小(直径约2～5mm)且外面表122为曲面，再加上蓝宝石的硬度高，因此，将蓝宝石基材加工形成蓝宝石透镜12的工艺困难，良率无法提升，且工艺成本居高不下。蓝宝石的透镜12虽可降低材料热传导不良或是材料老化问题，但会导致紫外光发光二极管模块1的制造成本无法下降。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种紫外光发光二极管模块及导光元件的制造方法，具有良好的出光增益，且有效降低制造成本。

为达成上述目的，本发明提供的一种紫外光发光二极管模块包括有一紫外光发光二极管芯片与一导光元件，其中，该紫外光发光二极管芯片具有一出光面，该出光面供发出紫外光；该导光元件呈锥状且具有相平行的一第一端面与一第二端面，以及一侧面连接于该第一端面与该第二端面之间，该第一端面的面积小于该第二端面的面积，且该导光元件的截面积由该第一端面往该第二端面的方向渐扩；该第一端面连接该出光面。

本发明提供的导光元件的制造方法，包含下列步骤：提供一基板，该基板可供紫外光穿透，该基板具有相背对的一第一面与一第二面；于该基板的第一面选定一区域，并对该区域周围进行除料加工以去除该区域周围的基板的部分，直到贯穿该第一面与该第二面，于该区域中的基板的部分形成一锥状的元件粗胚，且该元件粗胚具有一第一端面、一第二端面与一侧面，该侧面连接于该第一端面与该第二端面之间；对该元件粗胚进行退火作业，退火温度为1650～2000℃，退火时间为2小时以上；于退火作业后，该元件粗胚形成该导光元件。

本发明的效果在于通过导光元件可有效达到将紫外光发光二极管的光线集中透出，并且具有良好出光增益，更值得一提的是，导光元件的相较于现有的透镜具有结构简单且制造方法更容易的优点，有效降低制造成本。

附图说明

图1为现有的紫外光发光二极管模块的示意图。

图2为本发明第一优选实施例的紫外光发光二极管模块示意图。

图3为上述优选实施例的导光元件立体图。

图4为导光元件的高度与出光增益的关系图。

图5为不同半锥角的导光元件与现有蓝宝石透镜的出光增益的比较图。

图6上述优选实施例导光元件的制造方法流程图。

图7为一示意图，揭示以激光束对基板逐层进行除料加工。

图8为一示意图，揭示以激光束以多个切道对基板进行第一层除料。

图9为上述优选实施例元件粗胚未退火前其侧面于显微镜下的局部放大图。

图10为上述优选实施例元件粗胚退火后其侧面于显微镜下的局部放大图。

图11为图9的局部放大图。

图12为本发明第二优选实施例的导光元件制造方法的示意图，揭示加工刀具对基板进行除料。

图13为上述优选实施例的导光元件制造方法的示意图，揭示加工刀具贯穿基板。

图14为本发明第三优选实施例的导光元件立体图。

图15为本发明第四优选实施例的导光元件立体图。

图16为本发明第五优选实施例的导光元件立体图。

图17为上述优选实施例的导光元件示意图。

图18为本发明第六优选实施例的导光元件示意图。

图19为本发明第七优选实施例的导光元件示意图。

【符号说明】

[现有]

1紫外光发光二极管模块

10紫外光发光二极管

102出光面

12蓝宝石透镜

122外面表

[本发明]

2紫外光发光二极管模块

20紫外光发光二极管芯片

202出光面

22导光元件

222第一端面224第二端面226侧面

24基板

242第一面244第二面24a层

24b切道

26元件粗胚

30加工刀具

302空间32基板322第一面

324第二面34元件粗胚

36导光元件

38导光元件

40导光元件

402第一段402a第一端面404第二段

404a第二端面

42导光元件

422第一段422a第一端面424第二段

424a第二端面

44导光元件

442第一端面444第二端面446侧面

a区域

h高度

l激光束

α、α1、α2半锥角

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，兹举优选实施例并配合图式详细说明如后。请参图2与图3所示，为本发明第一优选实施例的紫外光发光二极管模块2，包含有一紫外光发光二极管芯片20与一导光元件22，其中：

紫外光发光二极管芯片20为面型光源，具有一出光面202，出光面202供发出紫外光，本实施例中为uv-c的波段的紫外光。紫外光发光二极管芯片20为矩形具有一最大长度(即对矩形角线长度)本实施例中最大长度以1.4mm为例。

导光元件22呈平顶的锥状(truncatedconical)且具有相平行的一第一端面222、一第二端面224与一侧面226，侧面226连接于第一端面222与第二端面224之间。第一端面222的面积小于第二端面224的面积，且导光元件22的截面积由第一端面222往第二端面224的方向渐扩而形成锥状。第一端面222连接于紫外光发光二极管芯片20的出光面202，第一端面222与出光面202的连接方式可采用胶合的方式连接或是以等离子体活化的方式直接接合。导光元件22于第一端面222与该第二端面224之间的距离即为导光元件22的高度h，导光元件22的高度h至少为紫外光发光二极管芯片20的最大长度的一倍，优选的为二倍以上。侧面226的中心线平均粗糙度(ra.，arithmeticalmeandeviation)不大于0.1μm。

本实施例中导光元件22的材质为蓝宝石，但不以此限，亦可采用单晶氮化铝、石英或氟化钙(caf2)。导光元件22为平顶的圆锥状且具有一半锥角α，半锥角α的角度小于45度，优选的为5～35度。导光元件22是采用蓝宝石材质，蓝宝石在uv-c的波段的折射率约为1.82，其全反射角为33.3度，因此，半锥角α小于33.3度则会有较佳的集光效果及出光增益。

请配合图4，为半锥角α30度时，导光元件22的高度h与出光增益的关系图，由图4中可明显得知，导光元件22的高度h为紫外光发光二极管芯片20的最大长度的一倍时，出光增益已超过150％，而高度h为最大长度的二倍以上时，出光增益已达到200％以上。

请配合图5，为高度h＝6mm时，不同半锥角α的导光元件22与现有的蓝宝石透镜(曲率1.5mm)的出光增益的比较图。由图5中可知，本发明的导光元件22于半锥角3～45度皆可增加出光增益，于半锥角5～35度的出光增益已达到与现有的蓝宝石透镜相当的程度，于半锥角10～25度的出光增益甚至优于现有的蓝宝石透镜。此外，如果使用10～25度的半锥角，在高度h＝2mm时，即可达到200％以上的出光增益。

请配合图6至图8，说明本实施例的导光元件22的制造方法，该方法包含图6所示的下列步骤：

提供一可供紫外光穿透的基板24，基板24具有相背对的一第一面242与一第二面244，本实施例基板为蓝宝石基板，第一面242及第二面244为经抛光的表面，实务上，至少第一面242需经抛光，以供形成导光元件22平整的第一端面222，有利于紫外光入射。

于基板24的第一面242选定一区域a，并对该区域a周围进行除料加工以去除该区域a周围的基板24的部分。本实施例中，除料加工的步骤包含，以皮秒激光的激光束l于该区域a周围以分层的方式由第一面242往第二面244的方向分为多层24a逐层去除该区域a周围的该基板24的部分(参照图7)。于去除每一层24a该基板24的部分时，是以激光束l形成多个切道24b去除该区域a周围的该基板24的部分，图8为第一层除料的示意图。

直到去除至最下层且贯穿基板24的第一面242与第二面244后，于该区域a中的基板24的部分形成锥状的元件粗胚26，元件粗胚26具有第一端面222、第二端面224与侧面226。

而后，对元件粗胚26进行退火作业，退火温度为1650～2000℃，退火时间为2小时以上，本实施例中退火温度为1750℃。

于退火作业后，元件粗胚26即形成导光元件22。

图9所示为元件粗胚26未退火前其侧面226于显微镜下的局部放大图，此时侧面的中心线平均粗糙度为0.2～0.4μm。图10与图11为元件粗胚26退火后其侧面226于显微镜下的局部放大图，此时侧面226的中心线平均粗糙度降低至0.1μm以下，藉此，可增加导光元件22的出光增益。

图12与图13为本发明第二优选实施例的导光元件的制造方法，其具有大致相同于前述第一实施例的导光元件的制造方法，不同的是，除料加工的步骤包含：

提供一加工刀具30，加工刀具30有一圆锥形的空间302，且该圆锥形的空间302对应元件粗胚34的形状。加工刀具30材质以硬度高于基板32材质的硬度为佳。

转动加工刀具30，并驱使加工刀具30自基板32的第一面322往第二面324的方向去除材料，直到贯穿第二面324为止。

藉此，元件粗胚34即位于圆锥形的空间302中，元件粗胚34进行后续的退火作业后即形成导光元件。

除了上述各实施例圆锥状的导光元件之外，导光元件亦可加工成多角锥状(三角以上的状状)或椭圆锥状(即横向剖面形状为椭圆形)。

图14所示为第三优选实施例的导光元件36，该导光元件36呈平顶的三角锥状。

图15所示为第四优选实施例的导光元件38，该导光元件38呈平顶的四角锥状。

图16及图17所示为第五优选实施例的导光元件40，该导光元件40包括有一第一段402与一第二段404，第一段402具有第一端面402a，第二段404具有第二端面404a。第一段402与第二段404皆为圆锥状。第一段402的半锥角α1大于第二段404的半锥角α2。

图18所示为第六优选实施例的导光元件42，该导光元件_42包括有一第一段422与一第二段424，第一段422具有第一端面422a，第二段424具有第二端面424a。第一段的半锥角α1小于第二段的半锥角α2。

图19所示为第七优选实施例的导光元件44，导光元件44的侧面446于第一端面442往第二端面444的方向上呈弧线延伸。

据上所述，本发明紫外光发光二极管模块通过导光元件可通过侧面的全反射改变入射至第二端面的入射角，有效达到将紫外光发光二极管的光线集中透出，并且具有良好出光增益，更值得一提的是，导光元件的相较于现有的透镜具有结构简单且制造方法更容易的优点。

以上所述仅为本发明优选可行实施例而已，凡应用本发明说明书及权利要求所为的等效变化，理应包含在本发明的权利要求保护范围内。