CN101572287B - 一种基于蓝光led芯片的白光led活性封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，包括以下步骤：配制蓝光敏感的光敏树脂液体；光敏树脂中混合荧光粉；将LED半成品在光敏树脂中预浸；然后将LED半成品倒置浸入光敏树脂液体中，芯片基板边缘浸入光敏树脂内，通入低工作电流到LED芯片使其发光，触发光敏树脂发生聚合，LED芯片出光面上形成光敏树脂核；将LED半成品缓慢上升至脱离光敏树脂液面，在光敏树脂核和芯片基座将附着一半球形或近半球形光敏树脂液滴；通入中工作电流到LED芯片使其发光，激发光敏树脂液滴固化；将光敏树脂液滴固化后样品通入高工作电流使LED芯片发光，固化去色，或将样品用阳光曝晒去色，或用紫光照射去色；最后进行清洗。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管的封装技术领域，尤其涉及一种基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法。
背景技术
对于发光二极管(LED)这种将电能转化为光能的发光器件的研究，人们很早就开始关注了。1993年高亮度红、黄光LED开始出现，1995年，高亮度蓝色、绿色发光二极管相继开发成功，而宽带隙GaN基的蓝光、绿光LED除了具有普通LED的性能和优点及用途外，还从根本上解决了LED三基色缺色的问题，是全彩色显示不可缺少的关键器件。另一方面，GaN-LED的出现使半导体白光固态照明成为可能(被喻为″绿色照明光源″)，为人类带来照明技术的革命。
照明领域的每次重大革命，都能够极大程度地推动人类文明的发展。LED作为一种新型半导体固态光源，集合了低功耗、长寿命等多种普通光源无法比拟的优点。白光LED的出现，是LED从标志功能向照明功能跨出的实质性一步，LED产品的开发、研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。
制造白光光源是固体照明技术的最终目标，以LED为主导的半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，相对于传统照明方式而言，具有明显胜后者的优势。基于以上优点，结合我国是世界照明第一大生产国、第二大出口国的现状，2003年6月17日科技部联合信息产业部、中科院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立国家半导体照明工程协调领导小组，正是启动国家半导体照明工程。
白光LED的实现方法主要有以下三种方式：1)利用蓝光LED+不同色光荧光粉；由蓝光LED激发涂布在上方的黄光YAG荧光粉，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光。此方法产生的白光显色性好，但有效转换效率较低，同时，蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度。2)利用紫外光或紫光LED+RGB荧光粉；此方法的紫光LED转换系数可达0.8，各色荧光粉的量子转换效率可达0.9，所得白光的显色性更好，但同样产生方法(1)类似的问题，另外，该体系所用荧光粉发光稳定性差、光衰较大。3)利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光。利用三基色LED直接封装成白光LED的优点是不需经过荧光粉的转换，而是由红、绿、蓝光LED直接配成白光。出了可避免荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，还可以分开控制红、绿、蓝光LED的发光强度，达到全彩的变色效果。但混光过程复杂，散热问题是其他封装形式的3倍。综合考虑，目前商业化的白光LED仍是采用方法(1)，本发明也是基于蓝光LED芯片和荧光粉获得白光LED。
白光二极管的封装目前世界上有很多专利，但基本上都与当前LED常用的封装过程大同小异，主要有点胶、灌封、模压三种，传统封装使用的是AB胶一类的环氧树脂，靠热固化进行封装，需要在高于100度的温度长时间(＞1小时)使环氧树脂固化和后固化，工序多，生产效率低，周期长，成本高。具体包括以下几个缺点：1)工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点；2)实际生产中多依靠人工操作进行点胶，效率低；3)需要模具才能成型，多数需要透镜以符合光学设计；4)大规模工业化生产时对设备要求高，一般企业难以有足够资金买到好的设备；5)热固化本身可能会对芯片产生影响，导致芯片因为高温而损坏。
目前，一些研究者以光敏树脂封装发光二极管，提高封装效率，例如美国专利6958250(2005年申请)，但是该专利中的封装过程与当前LED常用的封装过程类似，需要用到模具。中国专利200710032491.8提供了一种不需要模具的光固化封装方法，但是该方法所形成的透镜外形不理想，蘑菇形的结构易受力脱落，而且对通入电流的强度和时间敏感，不适合自动化生产。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高生产效率的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，该方法能使蓝光LED的封装工序简化、所需封装设备简单、可实现规模化自动化生产、生产周期缩短75％以上，与同类产品相比，性能有提高。而且，常规封装企业在实施本发明方法时无需增添昂贵的设备。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其包括以下步骤：(a)配制蓝光敏感的光敏树脂液体；(b)在光敏树脂中加入荧光粉，均匀混合；(c)将芯片基座、位于芯片基座上的LED芯片及位于芯片基座下的封装支架在光敏树脂中预浸；(d)然后将LED芯片、芯片基座及封装支架倒置浸入光敏树脂液体中，芯片基板边缘浸没入光敏树脂内，通入工作电流I1到LED芯片使其发光，触发光敏树脂发生初步聚合，在LED芯片的出光面上形成光敏树脂核；(e)将LED芯片、芯片基座及封装支架缓慢上升至脱离光敏树脂液面，在光敏树脂核和芯片基座上将附着一半球形或近半球形光敏树脂液滴；(f)通入工作电流I2到LED芯片使其发光，激发光敏树脂液滴固化形成样品；(g)将光敏树脂液滴固化后的样品通入工作电流I 3使LED芯片发光，进一步固化去色，或者将样品用阳光曝晒去色，或者用紫光照射去色；(h)最后将固化去色后的样品进行清洗。
在步骤(c)中，在LED芯片出光面上形成的光敏树脂核的形状由通电电流I1和通电时间大小控制，且工作电流I1小于30mA；在步骤(e)中，工作电流I2大于或等于30mA；在步骤(f)中，工作电流I3大于100mA。
在步骤(d)中，将装有光敏树脂的容器缓慢下降，使LED芯片、芯片基座及封装支架脱离光敏树脂液面。
该光敏树脂包括紫光或近紫外光敏引发剂，还包括树脂单体、预聚物、助剂及用于树脂改性的纳米颗粒中的任意一种或几种的组合，其中，光敏引发剂重量含量小于6％。光敏树脂中加入的荧光粉重量含量为1～1.5％，余量为光敏树脂。
该光敏树脂由同一种或不同种类的材料组成，从而分别进行单层封装或多层封装，其中，多层封装结构由无荧光粉的光敏树脂与混有荧光粉的光敏树脂结合配置而成。
所述工作电流为直流电。
该LED芯片与芯片基座之间设有一能将LED芯片发出的光线反射的反射杯或反射面。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的封装方法集芯片预老化、荧光粉涂敷、塑封和透镜形成于一身，所需时间短，封装效率高，性能优于同类产品，可实现自动化封装。本发明整个生产过程大约15分钟，生产时间较短，工艺重复性极高。
附图说明
图1为本发明的工序流程示意图；
图2为本发明LED半成品的结构示意图；
图3为本发明实验装置示意图；
图4a、4b、4c为LED芯片封胶后的光强分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述，其中，实施例中所出现的百分数和份数均基于重量。
如图1所示，本发明提供了一种基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其包括以下步骤：
(a)配制蓝光敏感的光敏树脂液体；工作环境为常温，无阳光照射，室内照明采用红光；
(b)在光敏树脂中加入荧光粉，均匀混合；
(c)如图2所示，将芯片基座3、位于芯片基座3上的LED芯片1及位于芯片基座3下的封装支架4安置在实验板6上，两端电极连上电源，保持LED芯片1表面与光敏树脂5液体水平面平行，将LED芯片1、芯片基座3及封装支架4在光敏树脂5中预浸，能有效驱除芯片基座及LED芯片塑封区域表面的气泡，使最终形成的透镜与LED芯片和芯片基座间结合紧密；
(d)然后将LED芯片1、芯片基座3及封装支架4倒置浸入光敏树脂5液体中，芯片基板3边缘浸没入光敏树脂5内，通入低工作电流I 1到LED芯片1使其发光，触发光敏树脂5发生初步聚合，在LED芯片1的出光面上形成光敏树脂核，如图3所示；
(e)将LED芯片、芯片基座及封装支架缓慢上升至脱离光敏树脂液面，由于表面张力作用，在光敏树脂核和芯片基座上将附着一半球形或近半球形光敏树脂液滴；
(f)通入中工作电流I2到LED芯片使其发光，激发光敏树脂液滴固化形成样品；
(g)将光敏树脂液滴固化后的样品通入高工作电流I 3使LED芯片发光，进一步固化去色，或者将样品用阳光曝晒去色，或者用紫光照射去色；
(h)最后将固化去色后的样品进行清洗，通过将样品浸入丙酮，清洗其周围残留的树脂。
其中，LED芯片、芯片基座及封装支架为LED半成品，所谓的半成品是指仅完成固晶和金线键合，而无荧光粉涂敷、无封胶、无透镜。
所用LED半成品的基本性能参数如表1所示：
| 参数名称 | 数值 | 单位 |
| Power Dissipation功耗 | 1100 | Mw |
| Peak Forward Current(1/10Duty Cycle 0.1msPulse Width)瞬间脉冲电流 | 500 | mA |
| Continuous Forward Current正向电流 | 350 | mA |
| Reverse Voltage反向电压 | 5 | V |
表1
所用LED芯片的详细参数如下表2所示：(25℃)
| 参数名称 | 符号 | 最小 | 标准 | 最大 | 单位 | 测试条件 |
| 发光亮度 | Flux | 10 | 25 | lm | IF＝350mA | |
| 主波长 | λd | 455 | 475 | nm | IF＝350mA | |
| 正向电压 | VF | 3.0 | 3.6 | V | IF＝350mA | |
| 反向漏电流 | IR | 50 | μA | IF＝350mA | ||
| 50％ Power Angle | 2θ1/2 | 140 | deg | IF＝350mA |
表2
在步骤(c)中，在LED芯片出光面上形成的光敏树脂核的形状由通电电流I1和通电时间大小控制，该工作电流I1小于30mA。本实例选择通入工作电流I1为12mA，时间为4s的脉冲矩形波电流，使LED芯片发光，引发光敏树脂聚合，在LED芯片出光面上形成一近半球形的核，LED芯片位于半球形中心。
在步骤(e)中，工作电流I2大于或等于30mA。
在步骤(f)中，工作电流I3大于100mA。本实施例加300mA电流持续通电20min，并加散热片进行散热，为提高光线利用效率，在该LED芯片与芯片基座之间设有一能将LED芯片发出的光线反射的反射杯或反射面，使光敏树脂充分反应固化形成透镜，而使其黄色褪去。
在步骤(d)中，将装有光敏树脂的容器缓慢下降，使LED芯片、芯片基座及封装支架脱离光敏树脂液面。
该光敏树脂包括紫光或近紫外光敏引发剂，还包括树脂单体、预聚物、助剂及用于树脂改性的纳米颗粒中的任意一种或几种的组合，其中，光敏引发剂重量含量小于6％。配置的光敏树脂能够被高强度的蓝光引发聚合，在室内无阳光照射下，可放置一周以上。表3为光敏树脂各成分的含量。
| 试剂 | 含量(％) |
| 光引发剂 | 3 |
| 助剂 | 25 |
| 树脂单体 | 72 |
表3
在光敏树脂中加入荧光粉，并用超声波振荡去除气泡，其中荧光粉的重量含量为1～1.5％，余量为光敏树脂。
本发明选择两种基本的荧光粉涂敷技术，一种是单一的均匀混有荧光粉的光敏树脂，一种是无荧光粉的光敏树脂与混有光敏树脂的结合使用获得多层封装结构。
所述工作电流可以是直流、脉冲电流或任意曲线的直流电。
实施例产品测试报告
本发明的方法用于白光LED封装的一个优点是，利用LED芯片本身发出的光触发光敏树脂固化，荧光粉在树脂透镜中按需分配，能有效解决荧光粉不均匀等缺点。样品封装后，其出光角大大增大了，接近165°，而现有技术加半球形透镜成型封装方法只能达到120°，其在空间分布更加平均，出光效果也更好。光色参数测试结果(未加散热片)显示该样品的光辐射功率、光通量、光效都已经达到同类产品商用的要求，其中光通量为41.8lm，光效41.2lm/W。显色性更是比一般商用的白光LED更高，均大于80。如图4a、4b及4c所示LED芯片封胶后的光强分布图。其中，图4a为直角坐标系中的光强分布曲线，纵向均代表LED芯片光强相对值，横向代表LED芯片光线角度。图4b为极坐标系中的光强分布曲线，图4c为立体坐标系中的光强分布曲线。
Claims (10)
1.一种基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)配制蓝光敏感的光敏树脂液体；
(b)在光敏树脂中加入荧光粉，均匀混合；
(c)将芯片基座、位于芯片基座上的LED芯片及位于芯片基座下的封装支架在光敏树脂中预浸；
(d)然后将LED芯片、芯片基座及封装支架倒置浸入光敏树脂液体中，芯片基板边缘浸没入光敏树脂内，通入工作电流I1到LED芯片使其发光，触发光敏树脂发生初步聚合，在LED芯片的出光面上形成光敏树脂核；
(e)将LED芯片、芯片基座及封装支架缓慢上升至脱离光敏树脂液面，在光敏树脂核和芯片基座上将附着一半球形或半球形光敏树脂液滴；
(f)通入工作电流I2到LED芯片使其发光，激发光敏树脂液滴固化形成样品；
(g)将光敏树脂液滴固化后的样品通入工作电流I3使LED芯片发光，进一步固化去色，或者将样品用阳光曝晒去色，或者用紫光照射去色；
(h)最后将固化去色后的样品进行清洗。
2.根据权利要求1所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：在步骤(c)中，在LED芯片出光面上形成的光敏树脂核的形状由通电电流I1和通电时间大小控制，且工作电流I1小于30mA。
3.根据权利要求1所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：在步骤(e)中，工作电流I2大于或等于30mA。
4.根据权利要求1所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：在步骤(f)中，工作电流I3大于100mA。
5.根据权利要求1所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：在步骤(d)中，将装有光敏树脂的容器缓慢下降，使LED芯片、芯片基座及封装支架脱离光敏树脂液面。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：该光敏树脂包括紫光或近紫外光敏引发剂，还包括树脂单体、预聚物、助剂及用于树脂改性的纳米颗粒中的任意一种或几种的组合，其中，光敏引发剂重量含量小于6％。
7.根据权利要求6所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：光敏树脂中加入的荧光粉重量含量为1～1.5％，余量为光敏树脂。
8.根据权利要求7所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：该光敏树脂由同一种或不同种类的材料组成，从而分别进行单层封装或多层封装，其中，多层封装结构由无荧光粉的光敏树脂与混有荧光粉的光敏树脂结合配置而成。
9.根据权利要求1至5任一项所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：所述工作电流为直流电。
10.根据权利要求1所述的基于蓝光LED芯片的白光LED活性封装方法，其特征在于：该LED芯片与芯片基座之间设有一能将LED芯片发出的光线反射的反射杯或反射面。
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