CN101369614A - 大功率白光发光二极管的封装结构和封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种大功率白光发光二极管封装结构和封装方法，主要包括LED芯片，基板，内封胶体，荧光粉层或荧光粉胶体层、外封透镜，其特征在于所述LED芯片贴于基板上，芯片电极与基板上的电路层连接，LED芯片被内封胶体覆盖，内封胶体的外表面被荧光粉层或荧光粉胶层包覆，荧光粉或荧光粉胶层的外表面被外封透镜包覆。本发明的优点是通过对LED芯片的每层包封胶体进行光学设计、封装，提升每层的出光效果，并通过合适的工艺流程制作使荧光粉和芯片之间隔开，实现彼此的热量独立扩散，具有出光效率高和出光稳定性好，适用于大功率高亮度LED的封装。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种大功率白光发光二极管的封装结构和封装方法。
背景技术
目前制约大功率发光二极管(LED)进一步发展的瓶颈在于其出光效果和散热机制。这两者互相影响，出光效果不佳，被损耗或吸收的光能将转变成热能，增加LED封装模块中的热量，导致温度进一步升高；散热机制不良，将导致封装模块的温度升高，LED芯片的发光效率随结温的上升而下降，从而使得出光效果变差。LED封装模块的出光效果主要取决于LED芯片的发光效率，封装胶体的光学特性、形状，荧光粉的光学特性、浓度、形状和涂敷方式，整个模块的光学设计和结构设计以及最后的产品制备工艺流程。
目前在高亮度白光LED领域，制备LED封装模块通用的封装结构和方法是，首先将芯片贴在基板或导热基座上，然后通过引线键合的方式将芯片的电极接到支架或电路上，之后在芯片表面点涂一层掺入荧光粉的硅胶，固化成形后，在荧光粉胶层的外面形成第二层保护金线的硅胶层，最后在硅胶层外面是一层硬硅胶外封透镜或环氧树脂外封透镜。这种传统的功率型封装方式虽然工艺简单、可操作性好，但是没有经过精确的光学设计和结构优化，出光效果受到封装材料和荧光粉的限制比较严重。另外由于荧光粉离芯片表面很近，易受芯片温度的影响。一般情况下芯片表面的温度为60℃～100℃，较高的温度会显著降低荧光粉的转换效率，增加荧光粉的非辐射复合几率，使得在工作时间较长以后，荧光粉很难发射出满足色温和显色性要求的黄绿光，同时非辐射复合还会产生大量的热，从而影响封装模块的性能，加速模块失效。
作为改进，Lumileds公司的Luxeon系列LED模块使用保形涂敷技术将荧光粉均匀的涂敷在芯片表面，以获得较好的显色性和均匀的出光效果。Cree的XLamp系列、Osram的Platinum Golden系列和Seoul Semiconductor的Z-Power系列模块通过采用新的封装材料和结构可以获得更高的流明数。但是就根本上而言，这些封装模块仍然没有摆脱传统模块的封装方式。荧光粉依然是涂敷在芯片表面，封装的硅胶胶体没有经过优化的光学和结构设计，最外层依然仅仅是硬性的半球形外封透镜。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种大功率白光发光二极管封装结构和封装方法。本发明白光发光二极管封装结构主要包括：大功率发光二极管(LED)芯片，基板，内封胶体，荧光粉层或荧光粉胶层，外封透镜，其特征在于所述LED芯片贴于基板上，芯片电极与基板上的电路层连接，LED芯片被内封胶体覆盖，内封胶体的外表面被荧光粉层或荧光粉胶层包覆，荧光粉或荧光粉胶层的外表面被外封透镜包覆。本发明白光发光二极管的封装方法包含以下步骤：
1)基板清洗、烘干；
2)芯片检测、扩片；
3)基板点涂焊料或布置焊球；
4)芯片刺片并贴到基板上；
5)焊接—将芯片固定在基板上；
6)压焊—完成芯片的引线连接；
7)内封胶体层固化成形并脱模；
8)荧光粉层或荧光粉胶层固化成形并脱模；
9)外封透镜固化成形并脱模；
10)后固化并老化；
11)划片—完成每个封装模块的切割。
所述覆盖LED芯片的内封胶体层采用点胶或灌封或模压或注胶的方式制作，荧光粉层采用干法或湿法涂敷的方式制作，荧光粉胶层采用灌封或模压或注胶的方式制作，外封透镜采用模压的方式制作。
本发明的优点是通过对LED芯片的每层包封胶体进行光学设计，减少光线被全反射的几率，提升每层的出光效果，并通过合适的工艺流程制作使荧光粉和芯片之间隔离开，实现彼此的热量独立扩散，具有高出光效果和高出光稳定性，适用于大功率高亮度单芯片和多芯片白光LED的封装。
附图说明
图1本发明实施例1的LED封装结构示意图；
图2本发明实施例2的LED封装结构示意图；
图3本发明实施例3的LED封装结构示意图；
图4本发明实施例4的LED封装结构示意图；
图5本发明实施例5的LED封装结构示意图；
图6本发明实施例6的LED封装结构示意图；
图7本发明实施例7的LED封装结构示意图；
图8为点胶工艺流程的示意图；
图9为灌封工艺流程的示意图；
图10为模压工艺流程的示意图；
图11为注胶工艺流程的示意图。
1LED芯片、2基板、3第一电极、4第二电极、5封装胶体、6模具、7注胶通道、8内封胶体、9荧光粉层或荧光粉胶层、10外封透镜、11金线
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：
实施例一
参见图1，LED芯片1被焊接在基板2的芯片焊接区域内，通过金线11将芯片1的正负电极接到基板2电路层的第一电极3和第二电极4上。LED芯片1被多层不同形状的内封胶体8覆盖，在内封胶体8的外表面被多层不同形状的荧光粉胶层9覆盖，荧光粉胶层9的外表面被多层不同形状的外封透镜10覆盖。
本实施例中LED芯片1的类型是不受限制的，可以依据芯片1类型调整基板2的类型和基板2电路层上的第一电极3和第二电极4的位置。
本实施例中内封胶体8、荧光粉胶层9、外封透镜10的层数是根据设计要求设置，一般内封胶体8的层数为1～5层，荧光粉胶层9的层数为1～3层，外封透镜10的层数为1～4层。每层内封胶体的材料和光学特性如折射率、透过率可以是不一样的；包覆内封胶体的荧光粉层或荧光粉胶层可以为多层，每层的形状可以是类似的或渐变的或不同的，每层的材料和特性如折射率、浓度、激发光谱、发射光谱可以是不一样的；包覆荧光粉层或荧光粉胶层的外封透镜可以为多层，每层的形状可以是类似的或渐变的或不同的，每层内封胶体或外封透镜的材料和光学特性如折射率、透过率可以是不一样的。
本实施例中每层内封胶体8、荧光粉胶层9、外封透镜10的形状根据设计要求设置，没有特别限制的，胶层的表面形状可以是规则曲面或自由曲面。内封胶体8为硅胶、环氧树脂或其他固化形态为凝胶态的胶体，由两组胶体经过搅拌均匀固化后得到。胶体中可以掺入其他用于胶体改性的颗粒或物质，以改善胶体的物理或化学性质。荧光粉胶为将荧光粉掺入硅胶中，经过搅拌均匀固化后得到的荧光粉颗粒分布一致的凝胶体。荧光粉胶的组分为单组分即单波长荧光粉胶或多组分即多波长荧光粉胶，胶中可以掺入其他用于胶体改性的颗粒或物质，以改善胶体的物理或化学性质。
具体的封装方法及工艺步骤如下：
首先备好基板2并将基板清洗干净，然后烘干。
然后在基板2的芯片焊区内刷上焊料，焊料为金锡焊料或银锡焊料或其他高导热性质的焊料，焊料的量按照计算值被精确的涂敷。
将检测完好的芯片1贴在芯片焊区内，送入回流焊炉加热固晶，芯片1通过焊料共晶焊接在基板2上。或者采用激光焊接的方式将芯片1焊接在基板上。
用金丝球焊机将芯片1的正负电极通过金线11接到基板2电路层的第一电极3和第二电极4上。
在芯片1上点胶并烘烤、固化、脱模，形成内封胶体8的第一层。参见图8，利用灌封方式形成内封胶体8的其余各层，参见图9。
然后，在内封胶体8上通过灌封方式形成荧光粉胶层9的每一层。
下一步，在荧光粉胶层9上通过模压的方式形成外封透镜10的每一层，参见图10。
上述内封胶体8、荧光粉胶层9和外封透镜10的每一层均采用预固化方式，即以低于正常固化的温度保持一段加热时间，使胶体成形即可。上述胶体形成的模具内壁均涂有脱模剂，便于最后的脱模。
在制备完所有胶层之后，对整个封装模块进行固化或后固化，使所有胶层完全固化。
本实施例的关键在于控制每层胶层的形状，选择合适物理和化学特性的胶体和荧光粉。每层胶层的形状是根据光场分布、热场分布、显色性、色温、可靠性和寿命、外观形状要求，经过光学、热学、应力等模拟软件分析，结合工艺流程进行优化设计得到。
此外，单芯片封装结构要求每层封装胶体的中心对准芯片，LED芯片包括蓝光LED芯片和紫外光LED芯片，荧光粉层或荧光粉胶层的荧光粉依据芯片类型采用不同的荧光粉。
实施例二
实施例二与实施例一相同，所不同的是实施例二的基板2为双层基板，参见图2，基板2上有凹陷的反光杯，芯片1位于反光杯底部。另外，内封胶体8的每一层胶体的形成方式为注胶方式，参见图11。荧光粉胶层9的每一层胶体的形成方式为注胶方式，外封透镜9的每一层采用模压或灌封方式形成。
实施例三
实施例三与实施例一相同，所不同的是实施例三的内封胶体层8、荧光粉胶层9、外封透镜10均为单层，内封胶体层8采用灌封方式形成，荧光粉胶层9采用灌封方式形成，外封透镜10采用注胶或模压方式形成。参见图3。
实施例四
实施例四与实施例一相同，所不同的是实施例四的基板2为双层基板，于基板2上有凹陷的反光杯，芯片1位于反光杯底部。另外，内封胶体8有两层，第一层采用点胶的方式形成，第二层采用灌封的方式形成。荧光粉层9和外封透镜10为一层，荧光粉层9采用干法贴膜的方式形成，即将荧光粉涂敷或喷洒在内封胶体8的表面，再通过模具压紧到内封胶体8的胶体内。外封透镜10采用灌封的方式形成，以免损伤荧光粉层9。参见图4。
实施例五
实施例五与实施例一相同，所不同的是实施例五的芯片1为多芯片阵列式分布，于每个芯片上都有单独的内封胶体层8、荧光粉胶层9、外封透镜10，从而增加阵列式芯片的出光效果。内封胶体层8和外封透镜10采用注胶的方式形成，荧光粉胶层9采用灌封的方式形成。多芯片封装结构中芯片的分布可以是阵列式或其他规则分布的形式，参见图5。
实施例六
实施例六与实施例一相同，所不同的是实施例六的多芯片阵列上的每个芯片1的内封胶体层8、荧光粉层9和外封透镜10是连在一起的，内封胶体层8和外封透镜10采用注胶方式形成，荧光粉层采用湿法贴膜方式形成。该实施例适用于高密度多芯片阵列封装模块。芯片1可以是单个或多个的被内封胶体覆盖，内封胶体可以是单个或多个的被荧光粉层或荧光粉胶层包覆，荧光粉层或荧光粉胶层可以是单个或多个的被外封透镜包覆。参见图6。
实施例七
实施例七与实施例一相同，所不同的是实施例七中每两个芯片1被一层内封胶体8覆盖，每个内封胶体8上有一层荧光粉胶层9，最后所有的芯片被一层外封透镜10封装。内封胶体8和荧光粉胶层9采用灌封方式形成，外封透镜采用注胶方式形成。参见图7。
Claims (14)
1.一种大功率白光发光二极管的封装结构，主要包括：大功率发光二极管(LED)芯片，基板，内封胶体，荧光粉层或荧光粉胶层，外封透镜，其特征在于所述LED芯片贴于基板上，芯片电极与基板上的电路层连接，LED芯片被内封胶体覆盖，内封胶体的外表面被荧光粉层或荧光粉胶层包覆，荧光粉或荧光粉胶层的外表面被外封透镜包覆。
2.根据权利要求1所述的大功率白光发光二极管的封装结构，其特征在于所述基板材料为铝基覆铜板或铜基覆铜板或陶瓷覆铜板或直接键合铜(Directed Bonded Cooper)工艺制成的陶瓷基板，基板为单层板或多层板，基板上固定芯片的位置为平面或凹陷的具有反光杯特性的杯碗，基板上设有电路层，反光杯截面的侧面为倒锥面或弧面或抛物面或自由曲面。
3.根据权利要求1所述的大功率白光发光二极管的封装结构，其特征在于所述内封胶体为硅胶、环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的大功率白光发光二极管的封装结构，其特征在于所述荧光粉胶为将荧光粉掺入硅胶中，经过搅拌均匀固化后得到的荧光粉颗粒分布一致的凝胶体。
5.根据权利要求1所述的大功率白光发光二极管的封装结构，其特征在于所述外封透镜的材料为硅胶或环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或玻璃。
6.根据权利要求1所述的大功率白光发光二极管的封装结构，其特征在于所述被封装的芯片为单个或多个，芯片为单个或多个被内封胶体覆盖，内封胶体为单层或多层被荧光粉层或荧光粉胶层包覆，荧光粉层或荧光粉胶层为单层或多层被外封透镜包覆。
7.制备如权利要求1的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于包含以下步骤：
1)基板清洗、烘干；
2)芯片检测、扩片；
3)基板点涂焊料或布置焊球；
4)芯片刺片并贴到基板上；
5)焊接—将芯片固定在基板上；
6)压焊—完成芯片的引线连接；
7)内封胶体层固化成形并脱模；
8)荧光粉层或荧光粉胶层固化成形并脱模；
9)外封透镜固化成形并脱模；
10)后固化并老化；
11)划片—完成每个封装模块的切割。
8.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述覆盖LED芯片的内封胶体层采用点胶或灌封或模压或注胶的方式制作，荧光粉层采用干法或湿法涂敷的方式制作，荧光粉胶层采用灌封或模压或注胶的方式制作，外封透镜采用模压的方式制作。
9.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述点胶的方式为采用点胶机将已脱泡的胶体直接点涂在被覆盖区域，胶体自由流动形成稳定形态，然后烘烤、固化成形。
10.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述灌封的方式为在预先加工的模具腔体内填满已脱泡的胶体，将被包覆的物体浸入其中，然后烘烤、固化、脱模成形。
11.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述模压的方式为在预先加工的模具内将已脱泡的胶体注入，经过烘烤、固化、脱模成形，然后将胶体覆盖在被包覆的物体之上。
12.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述注胶的方式为在预先加工的模具内，将被包覆的物体放入其中，合紧模具后，通过注入的方式在被包覆的物体和模具的腔体内注满已脱泡的胶体，经烘烤、固化、脱模成形。
13.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述干法贴膜的方式为将干燥的荧光粉均匀的涂敷或粘结在被包覆的物体表面并压紧形成一层荧光粉层薄膜。
14.根据权利要求7所述的大功率白光发光二极管的封装方法，其特征在于所述湿法涂敷的方式为将有一定湿度的荧光粉涂敷或粘结在被包覆的物体表面并压紧形成一层荧光粉层薄膜。
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