CN101452987A - 一种应用导向型发光二极管器件的封装结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用导向型发光二极管器件的封装结构和方法，包括有LED芯片、封装管壳、荧光粉胶、封装胶体和透镜，LED芯片贴装在封装管壳内，芯片电极与封装管壳内电路层相连；LED芯片被封装胶体或荧光粉胶封装；透镜用模具或精密加工方法制造，其出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面；透镜用封装胶体灌注或自流成形方法制造，其出光面为自由曲面；透镜为单透镜或多个透镜组合或透镜阵列。本发明的采用应用导向型自由曲面透镜进行LED模块封装，使LED模块可以直接应用于不同的照明场合，LED灯具设计时无需其他二次光学系统，在提高LED模块出光效率和光斑质量的同时，提高LED灯具效率，减小LED灯具体积，方便用户使用。

Description

一种应用导向型发光二极管器件的封装结构和方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别涉及一种应用导向型发光二极管器件的封装结构和方法。

技术背景

发光二极管(LED)是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的电致发光器件，其发光机理是利用电子和空穴的复合作用产生光子。LED相比传统光源具有发光效率高，显色性好，耗电量少，节能环保，安全可靠性高，使用寿命长的优势，并已经开始在许多领域得到广泛应用，被业界认为是照明光源市场的主要方向，具有巨大的市场潜力。

目前Lamp型小功率LED与Power型大功率LED基本采用球冠型或半球形或近似半球形的透镜封装，SMT型大功率LED大多采用平面透镜封装，CoB与SiP型大功率LED模组基本采用平面透镜或是球冠型透镜阵列封装。上述几种封装形式的LED出射的都为非均匀圆形光斑，但是这样的光斑不能满足实际照明的需求，很难直接应用，如道路照明、隧道照明、背光源、投影仪、汽车前灯等都需要均匀的矩形光斑，而一些室内照明、射灯、探照灯、舞台灯等则需要均匀的圆形或椭圆形光斑。因此，目前LED灯具都通过二次光学系统来对从LED封装模块发出的光束进行重新控制，使得灯具光斑满足不同照明场合的需要。

二次光学系统大致可以分为反光杯控制、透镜控制和反光杯+透镜控制三种。相比反光杯，透镜具有体积小、重量轻、可模块化设计、便于阵列安装等优点，是目前LED灯具主要采用的二次光学系统设计方法。然而，目前LED灯具多采用圆对称透镜，光斑基本为圆形，不能满足道路照明、隧道照明、背光源、投影仪、汽车前灯等照明要求，并且光损较大(>15％)，用户反馈较差。基于自由曲面表面的透镜在设计时可以兼顾光斑质量与透镜出光效率，从而有效地克服了圆对称透镜带来的问题，因此在LED路灯/隧道灯中采用自由曲面透镜控制光斑已成为一种发展趋势。目前采用该技术的国内企业主要有广东昭信光电、东莞勤上、深圳邦贝尔、台湾NeoPac等，国外主要有德国OSRAM等。

虽然采用透镜控制方法可以减小LED灯具体积，但外部安装的透镜仍属于二次光学系统。为了进一步减小LED灯具体积，同时减少光学界面和吸收损耗，本发明提出了将LED二次光学系统与一次光学系统集成的新型LED封装结构和方法。在LED模块封装时，采用自由曲面透镜，直接对LED芯片进行封装，得到应用导向型(Application Specific)LED模块，使单个LED模块出射的光斑就能满足不同照明场合的要求，从而无需安装其他二次光学系统，提高LED灯具效率，减小LED灯具体积，方便用户使用。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种应用导向型发光二极管器件封装结构和方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：包括：发光二极管芯片、封装管壳、荧光粉胶、封装胶体和透镜，其特征在于所述发光二极管芯片贴装在封装管壳内，芯片电极与封装管壳内电路层相连；所述发光二极管芯片被封装胶体或荧光粉胶封装；所述透镜如采用模具或精密加工方法制造，则其出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面，由基面、入光面、出光面共同界定透镜本体；所述透镜如采用封装胶体灌注或自流成形方法制造，则其出光面为自由曲面，由封装管壳上表面与出光面共同界定透镜本体；出光面自由曲面为连续自由曲面或非连续自由曲面；透镜为单透镜或多个透镜组合或透镜阵列，多个透镜组合中至少有两种透镜曲面形状。

本发明所述自由曲面透镜用于提高发光二级器件的封装效率，控制光束出射方向，得到满足不同照明应用需求的光能量分布，包括对称或非对称矩形光斑或圆形光斑或椭圆形光斑或腰果形光斑，但不限于上述几种光斑形状。所述自由曲面透镜材料为对300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)或玻璃或环氧树脂或硅胶，但不限于上述几种材料，折射率范围为1.3～2.5。

本发明所述新型应用导向型发光二极管器件封装结构，在完成发光二极管芯片贴装与电极互连加工工艺后，可以采用以下四种方法完成自由曲面透镜封装：

方法一：

1)通过模具制造或精密加工得到自由曲面透镜；

2)将自由曲面透镜固定于封装管壳上；

3)向封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体中灌注封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体包裹发光二极管芯片，或包裹已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片，并使灌注封装胶体充满腔体；

4)固化，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

方法二：

1)通过模具制造或精密加工得到自由曲面透镜；

2)将封装胶体或荧光粉胶体点涂于封装管壳与发光二极管芯片上，或点涂于封装管壳与已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片上；

3)将自由曲面透镜向下挤压未固化的封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体或荧光粉胶填充满封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体；

4)固化，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

方法三：

1)将自由曲面透镜模具固定于封装管壳上；

2)向模具中灌注封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体包裹发光二极管芯片，或包裹已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片，并使灌注封装胶体充满整个模具腔体；

3)固化；

4)脱模，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

方法四：

1)将封装胶体或荧光粉胶点涂于表面加工有凹凸结构的封装管壳上，利用2)封装管壳上的凹凸结构与封装胶体或荧光粉胶体的表面张力，形成自由曲面透镜；

3)固化；

4)重复上述第1与第2步骤，直至完成发光二极管自由曲面透镜封装。

本发明所述的封装结构和封装方法适用于单芯片或多芯片封装模块，多芯片中芯片的分布可以是阵列式或其他规则分布的形式。

本发明的优点是采用应用导向型自由曲面透镜进行LED模块封装，得到满足不同照明需求的可以直接应用的应用导向型LED模块，使LED灯具设计时无需其他二次光学系统，在提高LED模块出光效率和光斑质量的同时，提高LED灯具效率，减小LED灯具体积，方便用户使用。

附图说明

图1采用上述封装方法一或方法二得到的应用导向型LED封装结构示意图；

图2采用上述封装方法三得到的应用导向型LED封装结构示意图；

图3采用上述封装方法四得到的应用导向型LED封装结构示意图；

图4本发明实施例1的封装流程图；

图5本发明实施例2的封装流程图；

图6本发明实施例3的封装流程图；

图7本发明实施例4的封装流程图；

图8阵列式应用导向型LED封装结构示意图。

附图标记说明：1 封装管壳、2 发光二极管芯片、3 荧光粉胶、4 封装胶体、5 自由曲面透镜、6 自由曲面透镜注胶孔、7 自由曲面透镜注胶通道、8 自由曲面透镜与封装管壳固定结构、9 封装管壳与自由曲面透镜固定槽、10 封装管壳上约束封装胶体流动的凸起结构、11 注胶器、12 自由曲面透镜模具、13 自由曲面透镜模具注胶孔。

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1

如图4所示，为本发明封装方法1的封装流程图。首先，将发光二极管芯片2通过银浆或焊料或其他粘结材料固定在封装管壳1上，并通过打金线或其他电极互连方式完成发光二极管芯片2与封装管壳1之间的电互连。将荧光粉胶3包裹发光二极管芯片2并固化(图4a)。然后，将用模具制造或精密加工得到自由曲面透镜5，通过自由曲面透镜上固定结构8与封装管壳上固定槽9，固定于封装管壳1上，固定结构8与9为自然接触或为粘结剂粘接(图4b)。再通过注胶器11向自由曲面透镜注胶孔6灌注封装胶体4，封装胶体4沿自由曲面透镜注胶通道7灌注入由封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体中，并使灌注封装胶体充满腔体(图4c)。最后，固化封装胶体4，完成发光二极管自由曲面透镜封装(图4d)。

实施例2

如图5所示，为本发明封装方法2的封装流程图。首先，同实施例1方法得到荧光粉胶3包裹的发光二极管芯片2(图5a)。然后，通过注胶器11向封装管壳1滴注封装胶体4，使封装胶体4在封装管壳上无约束自流成形，或是在封装管壳上约束封装胶体流动的凸起结构10的约束下自流成形，并包裹已有荧光粉胶3封装的发光二极管芯片2(图5b)。再将用模具制造或精密加工得到自由曲面透镜5，从上向下挤压封装胶体4，使封装胶体4充满整个由封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体，多余封装胶体与空气从自由曲面透镜注胶通道7排出。采用同实施例1中方法将自由曲面透镜5与封装管壳1固定(图5c)。最后，固化封装胶体4，完成发光二极管自由曲面透镜封装(图5d)。

实施例3

如图6所示，为本发明封装方法3的封装流程图。首先，同实施例1方法得到荧光粉胶3包裹的发光二极管芯片2(图6a)。然后，将自由曲面透镜模具12对准固定于封装管壳1上(图6b)。再从自由曲面透镜模具注胶孔13向由封装管壳上表面、芯片上表面与模具内表面包围的腔体中灌注封装胶体4，并使封装胶体4充满整个腔体(图6c)。最后，固化封装胶体4，脱模，完成发光二极管自由曲面透镜封装(图6d)。

实施例4

如图7所示，为本发明封装方法4的封装流程图。首先，同实施例1方法得到荧光粉胶3包裹的发光二极管芯片2(图7a)。然后，向多个封装管壳上约束封装胶体流动的凸起结构10之间滴注封装胶体，通过凸起结构10形状、封装胶体4粘度等参数调节，控制两凸起结构10之间自流成形封装胶体4的形状，并进行封装胶体固化(图7b)。再重复上述步骤，直至完成发光二极管自由曲面透镜封装(图7c)。

实施例5

如图8所示，为本发明阵列式应用导向型LED封装结构示意图。对于阵列式分布发光二极管芯片，可采用实施例1至4中的方法，进行阵列式发光二极管自由曲面透镜封装。

上述多个实施例中，为便于阐述本发明的四种封装方法，都是对荧光粉胶包裹的发光二极管芯片进行封装，并且灌注的都为封装胶体。根据权利要求书所述，本发明封装方法包括对发光二极管芯片或荧光粉胶包裹的发光二极管芯片或封装胶体包裹的发光二极管芯片进行封装，封装时可灌注封装胶体或荧光粉胶。

Claims (14)

1.一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，主要包括发光二极管芯片、封装管壳、荧光粉胶、封装胶体和透镜，其特征在于所述发光二极管芯片贴装在封装管壳内，芯片电极与封装管壳内电路层相连；所述发光二极管芯片被封装胶体或荧光粉胶封装；所述透镜如采用模具或精密加工方法制造，则其出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面；所述透镜如采用封装胶体灌注或自流成形方法制造，则其出光面为自由曲面；透镜为单透镜或多个透镜组合或透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述封装管壳是陶瓷管壳或金属管壳或带金属基座的塑料管壳；封装管壳是平板型或是带反光杯的结构。

3.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述封装胶体材料为环氧树脂或硅胶或其他对于300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料。

4.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜用于提高发光二级器件的封装效率，控制光束出射方向，得到满足不同照明应用需求的光能量分布，包括对称或非对称矩形光斑或圆形光斑或椭圆形光斑或腰果形光斑，但不限于上述几种光斑形状。

5.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述采用模具或精密加工方法制造的透镜具有一基面，基面是一平面或一球面或一自由曲面；基面中央设有入光面，入光面是一凹面；出光面是一连续或非连续自由曲面；基面、入光面、出光面共同界定透镜本体。

6.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述采用封装胶体灌注或自流成形方法制造的透镜具有一出光面，出光面是一连续或非连续自由曲面；封装管壳上表面与出光面共同界定透镜本体。

7.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述由多个透镜组合成的自由曲面透镜，组合透镜至少有两种透镜曲面形状。

8.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜材料为对300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC或玻璃或环氧树脂或硅胶，但不限于上述几种材料；材料折射率范围为1.3～2.5。

9.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜封装工艺步骤为：

1)通过模具制造或精密加工得到自由曲面透镜；

2)将自由曲面透镜固定于封装管壳上；

3)向封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体中灌注封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体包裹发光二极管芯片，或包裹已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片，并使灌注封装胶体充满腔体；

4)固化，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

10.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜封装工艺步骤为：

1)通过模具制造或精密加工得到自由曲面透镜；

2)将封装胶体或荧光粉胶体点涂于封装管壳与发光二极管芯片上，或点涂于封装管壳与已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片上；

3)将自由曲面透镜向下挤压未固化的封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体或荧光粉胶填充满封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体；

4)固化，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

11.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜封装工艺步骤为：

1)将自由曲面透镜模具固定于封装管壳上；

2)向模具中灌注封装胶体或荧光粉胶，使封装胶体包裹发光二极管芯片，或包裹已有荧光粉胶或封装胶体封装的发光二极管芯片，并使灌注封装胶体充满整个模具腔体；

3)固化；

4)脱模，完成发光二极管自由曲面透镜封装。

12.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述自由曲面透镜封装工艺步骤为：

1)将封装胶体或荧光粉胶点涂于表面加工有凹凸结构的封装管壳上，利用封装管壳上的凹凸结构与封装胶体或荧光粉胶体的表面张力，形成自由曲面透镜；

2)固化；

3)重复上述第1与第2步骤，直至完成发光二极管自由曲面透镜封装。

13.根据权利要求11或12或13或14所述的自由曲面透镜封装工艺，其特征在于：所述自由曲面透镜通过机械结构或粘接剂或封装胶体与封装管壳粘接而与封装管壳连接在一起。

14.根据权利要求1所述的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构，其特征在于：所述封装结构为单芯片或多芯片封装，多芯片封装中芯片的分布为阵列式或其他规则分布的形式。

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