CN101661987A - 一种白光led封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种白光LED封装结构，包括支架及设于支架上的LED芯片，LED芯片上涂覆有隔热透明材料层，隔热透明材料层上还涂覆有荧光粉层，该隔热透明材料层的出光面及荧光粉层直接形成透镜结构或在荧光粉层上设置一透镜结构。该LED芯片的数量为多个，各个LED芯片上依次独立涂覆隔热透明材料层及荧光粉层，或将各个LED芯片整体涂覆隔热透明材料层及荧光粉层。本发明制作成本不高，能改善大功率白光LED的散热问题，并且减少光衰，使光色更为稳定。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装技术领域，尤其涉及一种白光LED封装结构及其封装方法。
背景技术
LED是一种半导体发光器件，它可以直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，重量轻，体积小等一系列特性，因此被广泛应用于指示灯、显示屏等。随着大功率LED发展的突飞猛进，白光LED逐步走进普通照明领域，被誉为第四代照明光源。形成白光LED除了RGB组合外，还有蓝光或紫外光芯片激发荧光粉的方式，芯片在电的作用下发出的光部分激发荧光粉而产生更长波段的可见光，这部分可见光与芯片发出的另一部分光混合形成白光。
目前白光LED的芯片主要是III-V族半导体化合物GaN材料制作的芯片，GaN基芯片衬底有蓝宝石、SiC和Si等，芯片可发紫外光、蓝光波段的光。用于形成白光LED的荧光粉种类很多，目前使用普遍的是YAG(Y3Al5012:Ce3+)荧光粉。YAG的Y可以掺杂Gd，而Al可以掺杂Ga形成(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5012:Ce3+的荧光粉，改变激发光波长450～480nm，可以得到510～580nm的发光光谱。Osram公司将YAG中的Y改成Tb形成的荧光粉TAG在470nm蓝光激发时其发光波长较YAG长。
对于大功率白光LED而言，散热效果和荧光粉涂覆技术的好坏直接影响到白光LED的工作性能和寿命。LED的发光波长随温度变化约为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右。而荧光粉的厚度与形状等因素都会影响白光LED的出光质量。如何更好的散热和实现好的荧光粉涂覆是白光LED封装中最关键的两个问题。Lumileds公司的Luxeon系列采用热电分离的方式和Osram公司的Golden Dragon系列将热沉与金属线路板直接接触，都具有很好的散热性能。在荧光粉涂覆方面，传统的将荧光粉以点胶方式直接涂覆到芯片的表面依然是目前产品的主要形式。Osram公司以及Cree公司相继开发出“白光”芯片，用半导体工艺将荧光粉覆盖到芯片表面，再划片，这种“白光”芯片的荧光粉厚度和形状得到很好的控制，出光均匀。
这些涂覆方式都是将荧光粉与芯片直接接触，芯片在近域直接激发荧光粉，然后混合形成白光。对这种方式而言，芯片的热量直接加载到荧光粉层上，使得LED的光色受芯片结温变化的影响较为明显；另外，荧光粉因热量的聚积而转换效率下降，降低光效；并且荧光粉近场激发方式使得部分背向散射光损失，光衰变大，影响光效。目前也有些公司也有采用远域激发的涂覆方式来提高出光效率，但是他们所提出的结构比较复杂，制作工艺较难，并且荧光粉层的散热途径也没有考虑。导致封装后白光LED的光色受影响并且光效也得不到较好的提高。
发明内容
针对现在大功率白光LED封装中普遍存在的散热、光效、光衰、光色的问题，本发明提供一种用于大功率白光LED封装结构及其封装方法。其封装结构简单，工艺与传统的封装技术一致，制作成本不高，能改善大功率白光LED的散热问题，并且减少光衰，使光色更为稳定，由该方法制作的大功率白光LED在大电流的工作条件下可以稳定工作。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种白光LED封装结构，包括支架及设于支架上的LED芯片，LED芯片上涂覆有隔热透明材料层，隔热透明材料层上还涂覆有荧光粉层，该隔热透明材料层的出光面及荧光粉层直接形成透镜结构或在荧光粉层上设置一透镜结构。
该支架呈杯碗结构，LED芯片设置在杯碗结构的底部中心，杯碗结构的内侧面为反射镜，隔热透明材料层填充于杯碗结构中。
该支架呈平面支架，隔热透明材料层的出光面呈透镜结构。
该荧光粉层为双层结构，其包括与隔热透明材料层接触的红色荧光粉层及位于红色荧光粉层外侧的YAG荧光粉层。该荧光粉层的四周边缘与支架相接触。该荧光粉层中加入散射颗粒和/或散热颗粒。
该LED芯片的数量为多个，各个LED芯片上依次独立涂覆隔热透明材料层及荧光粉层，或将各个LED芯片整体涂覆隔热透明材料层及荧光粉层。
该封装结构是利用隔热透明材料层将LED芯片和荧光粉层隔开，使得LED芯片与荧光粉层两部分产生的热量各自分离。LED芯片产生的热量通过银胶、共晶焊料或者其它固晶材料传到支架最后散发到周围环境；荧光粉层边缘与支架相接触，使得荧光粉层热量也快速传到外部，避免荧光粉层内热量的聚积，提高了荧光粉层的转换效率。
本发明还提供了一种白光LED封装方法，包括支架及设于支架上的LED芯片，包括以下步骤：a通过点胶的方式，在LED芯片上涂覆隔热透明材料层；b通过点胶或灌胶的方式，在隔热透明材料层上涂覆荧光粉层；c该隔热透明材料层的出光面及荧光粉层直接形成透镜结构或在荧光粉层上设置透镜结构。
本发明中，如果封装的支架是杯碗形状，将LED芯片通过银胶、共晶焊料或者其他固晶焊料固定在支架上；焊接金线完成电性能连接；再将一定量的隔热透明材料层通过点胶的方式直接涂覆在LED芯片上；根据隔热透明材料层的特性选择固化方式(热固化、光照固化等)进行固化；调配一定比例的荧光粉和硅胶，混合搅匀并抽真空；接着将一定量所调荧光粉胶通过一定的涂覆方式涂覆在已固化的隔热透明材料层上并固化；最后加上透镜。如果封装的支架不是杯碗形状，而是平面支架，则直接将隔热透明材料层直接涂覆在LED芯片表面，由于隔热透明材料层的表面张力，出光面可以形成近似球面，等材料静止不再流动之后固化形成透镜结构；荧光粉层也是利用相同原理，采用相同方法涂覆。
本发明的封装方法中，该隔热材料为硅胶，对于紫外光激发RGB三种荧光粉，一种可选的方式是将三种荧光粉按特定比例与硅胶混合，然后再将此荧光粉涂覆到已固化的隔热透明材料上。对于目前普遍的蓝光LED激发黄色YAG荧光粉，为了提高白光LED的光的质量(如显色指数、色温等)，可以采取多种荧光粉涂覆，不仅可以多种荧光粉混合，还可以在荧光粉中加入散射颗粒，SiC散热颗粒等。还可以将多种荧光粉分别混胶，再逐层点胶涂覆，比如先将红色荧光粉涂覆在已固化的隔热材料上并固化，再将YAG荧光粉涂覆在红色荧光粉上固化，这两种荧光粉的涂覆顺序不可颠倒，如果颠倒，将会因红色荧光粉对黄色光的二次吸收而造成能量损失，降低了出光效率。
本发明所述的方法可用于多芯片白光LED的封装：多芯片白光LED由于产生的热量集中，因此封装受热量的影响严重。采用热隔离的方式将荧光粉层与芯片通过各自的热通道将热量散发出去，可以更好地减少光衰，提高白光LED的光色稳定性。
本发明采用隔热透明材料层将LED芯片与荧光粉层相隔离，使得它们的热量分离，其优点有：
1、采用荧光粉层与芯片分开的远场激发方式，与直接接触的近域激发方式相比，减少了荧光粉层背向散射光的损失，从而提高了出光效率。
2、荧光粉层与芯片通过热隔离，使得这两部分产生的热量通过各自通道散发出去，减少了芯片温度对荧光粉的影响，使得荧光粉具有更高的转换效率。
3、由于荧光粉层与芯片分离，使得白光LED的色温和显色指数受芯片结温的影响较小，白光LED的光色稳定性得到大大改善。
4、热隔离透明材料可选范围大，若热隔离透明材料与荧光粉层混合的胶为相同种材料时(比如都是硅胶)，它们的热膨胀系数接近，并且折射率差异很小，因此由全反射造成的光的损失减小，使得出光效率得到提高。
5、隔热透明材料与荧光粉的涂覆都可以采用传统的点胶涂覆的方式，节省生产成本，并且封装结构简单，工艺容易，适合大规模的工业化生产。
附图说明
图1为采用热隔离法封装的大功率白光LED结构示意图(正装芯片)
图2为采用热隔离法封装的大功率白光LED结构示意图(倒装芯片)
图3为采用热隔离法封装大功率白光LED工艺流程图
图4为采用热隔离法封装的平面支架白光LED结构示意图
图5为采用热隔离法封装的大功率白光LED结构示意图(荧光粉层为曲面)
图6为采用热隔离法封装的两层荧光粉层白光LED结构示意图
图7为同一基板上采用热隔离法多颗独立封装的LED芯片结构示意图
图8为同一基板上采用热隔离法集成封装多芯片LED结构示意图
其中，1芯片，2支架，3金线，4反射镜，5隔热透明材料层，6荧光粉层(61和62分别为两种不同的荧光粉层)，7透镜结构
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图1、图2及图3所示，在支架的杯碗中点上一定量的银胶，将大功率的蓝宝石衬底的GaN蓝光LED芯片1正装放入支架2的银胶上，进行热硬化烘烤，将银胶固化，使LED芯片1固定在支架2上；在LED芯片1的电极上焊接金线，与支架2完成电性连接；再将一定量的隔热透明材料层5，如硅胶材料，通过点胶的方式直接涂覆在LED芯片1上，固化后将调配好的荧光粉通过点胶或灌胶的方式涂覆在已固化的隔热透明材料层5上，并通过烘烤使其固化；最后加上外围光学部件如透镜结构7。
实施例2
对于封装的支架2为平面支架，如图4所示。则直接将一定量的硅胶直接涂覆在已经固定在支架2上的LED芯片1的表面，由于硅胶的表面张力可以形成近似球面，等硅胶不再扩散后放入烤箱在150℃温度下烘烤30分钟进行固化，形成隔热材料层；荧光粉层也是利用相同原理，采用相同方法涂覆。
实施例3
如图5及图6所示，采用热隔离法封装白光LED，在已经固化的硅胶的上表面依次涂覆双层荧光粉层，分别为红色荧光粉层61及YAG荧光粉层62，其他与实施例1相同，由于采用热隔离的双层荧光粉层的涂覆方式，所得的白光LED比现有白光LED具有高的显色指数(Ra可达90以上)，更优异的光色稳定性和更好的散热效果。
实施例4
在一块基板上，固定有多颗GaN基LED芯片1，如图7所示，对基板2上的多颗LED芯片1分别进行热隔离的封装方式；如图8所示，对基板2上的多颗LED芯片1进行一次性集成的热隔离封装方式。其他与实施例1相同。由于对多LED芯片1与荧光粉层6进行热隔离，可以明显改善散热效果，提高出光效率。
Claims (10)
1、一种白光LED封装结构，包括支架及设于支架上的LED芯片，其特征在于：LED芯片上涂覆有隔热透明材料层，隔热透明材料层上还涂覆有荧光粉层，该隔热透明材料层的出光面及荧光粉层直接形成透镜结构或在荧光粉层上设置一透镜结构。
2、根据权利要求1所述的白光LED封装结构，其特征在于：该支架呈杯碗结构，LED芯片设置在杯碗结构的底部中心，杯碗结构的内侧面为反射镜，隔热透明材料层填充于杯碗结构中。
3、根据权利要求1所述的白光LED封装结构，其特征在于：该支架呈平面支架，隔热透明材料层的出光面呈透镜结构。
4、根据权利要求1所述的白光LED封装结构，其特征在于：该荧光粉层为双层结构，其包括与隔热透明材料层接触的红色荧光粉层及位于红色荧光粉层外侧的YAG荧光粉层。
5、根据权利要求4所述的白光LED封装结构，其特征在于：该荧光粉层的四周边缘与支架相接触。
6、根据权利要求5所述的白光LED封装结构，其特征在于：该荧光粉层中加入散射颗粒和/或散热颗粒。
7、根据权利要求1至6任一项所述的白光LED封装结构，其特征在于：该LED芯片的数量为多个，各个LED芯片上依次独立涂覆隔热透明材料层及荧光粉层，或将各个LED芯片整体涂覆隔热透明材料层及荧光粉层。
8、一种白光LED封装方法，包括支架及设于支架上的LED芯片，其特征在于包括以下步骤：
a、通过点胶的方式，在LED芯片上涂覆隔热透明材料层；
b、通过点胶或灌胶的方式，在隔热透明材料层上涂覆荧光粉层；
c、该隔热透明材料层的出光面及荧光粉层直接形成一透镜结构或在荧光粉层上设置一透镜结构。
9、根据权利要求8所述的白光LED封装方法，其特征在于：该支架为平面支架，涂覆隔热透明材料层时，直接将隔热材料直接涂覆在LED芯片表面，由于隔热材料的表面张力，出光面形成近似球面，并固化形成透镜结构。
10、根据权利要求9所述的白光LED封装方法，其特征在于：该隔热材料为硅胶，对于紫外光激发RGB三种荧光粉，将三种荧光粉按特定比例与硅胶混合，然后再将此荧光粉涂覆到已固化的隔热透明材料层上；对于蓝光LED激发黄色YAG荧光粉，采取多种混合荧光粉涂覆；或在荧光粉中加入散射颗粒，SiC散热颗粒；或将多种荧光粉分别混合硅胶，再逐层点胶涂覆。
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