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Cristalmat | 晶盛材料股份有限公司

改善光學提升 UV LED 之效能

影響 UV LED 光效之因素、光學透鏡於 UV LED 封裝中之功能與影響、封裝透鏡材質之選擇建議

影響 UV LED 效能之因素

LED 發光的原理是藉由電子 (n) 與電洞 (p) 在半導體界面結合時散發出光子 (photon) 而發光,影響 LED 發光效率之主要因素為:晶片結構、晶片表面粗糙度、封裝體結構、封裝體填充材質、以及光學結構。

以下針對封裝結構之光學部分做探討:
 

封裝透鏡材質

現今 UVA LED 之晶片技術已發展成熟,大電流輸入之晶片如 700 mA、1 A 甚至更甚者已成功商業化量產,以此輸入電流的情況下會產生大量的熱以及高破壞性的紫外線能量,透鏡材料如果無法承受則會快速老化、霧化變黃、甚至燒毀,因此光學封裝材料的選擇就變得十分重要。

早期的 UV LED 透鏡材料大多為矽膠 (silicone) 以直接模造的方式成型,矽膠材質需肩負著封裝體的折射率匹配、材料接著、以及光學結構等三個任務。於現今的 UV LED 封裝架構中,矽膠僅能用於透鏡與基板之接著用途,降低受到紫外線直接照射的範圍與時間,不論是 UVA 或是 UVC,全矽膠封裝的信賴性已不敷使用。

矽膠屬於高分子聚合材料,聚合鏈中之雙鍵結構無法承受高強度紫外線所造成之材質破壞,開鏈斷鍵之後對於效能上所造成的影響則是透鏡穿透率下降,實務上我們常看到透鏡老化的具體表徵為:透鏡表面霧化、顏色由透明轉為黃色甚至焦黑的情況產生。


傳統矽膠 (silicone) 封裝透鏡材質已無法滿足大電流晶片之信賴性需求

 

NOVAXIL™ 石英透鏡

標準級的 NOVAXIL™ 石英透鏡在未鍍膜時的 UVA 穿透率可達 92 %,超高純度之 UVC 級於 260 – 280 nm 之穿透率更可達 90 % 以上,由於材質本身完全不吸收 UV 頻譜,NOVAXIL™ 石英透鏡能夠承受高強度的紫外線長時間照射而不老化、脆化、黃化等等,因此 NOVAXIL™ 石英透鏡已成為 UV LED 封裝中透鏡材質的首選。


NOVAXIL™ silica glass 於紫外線 (200 – 400 nm) 有極佳之穿透率表現

 


NOVAXIL™ 石英透鏡可承受 UV 汞燈 253.7 nm 之主波長連續照射 10,000 小時而沒有任何劣化產生

 

透鏡光學結構

光學結構為影響 LED 封裝效能的另一重要支柱,LED 封裝上之光學結構常稱之為一次光學。良好的一次光學設計可有效導引封裝體中之光線,藉由一次光學透鏡之曲面設計,將晶片發出之大角度雜光萃取並整型,降低封裝內部之全反射效應,進而提升封裝體之取光效率。

封裝透鏡之另一主要目的為角度調整,收斂角度的最直接好處為照度提升,搭載透鏡的封裝體相較於平面式封裝,可輕易藉由一次光學將中心照度倍增, 對於需要做中長距離紫外線傳輸的應用,特別是在集成式的陣列應用,如曝光、固化、滅菌等等,封裝透鏡確實能在遠距傳輸的同時又保有高強度的 UV 照度,進而滿足應用面的需求。


依照不同的應用需求,選取合適的一次光學出光角度為 UV LED 模組設計之基礎

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