CN101740707A - 预成型荧光粉贴片及其与发光二极管的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其包括的制作步骤如下：(1)将荧光粉制作成预成型荧光粉贴片；(2)将预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片及芯片模组中的发光二极管芯片或者支架贴合，形成合成包括白光、红光、绿光、黄光等在内的各种颜色的发光二极管封装结构。本发明另外公开了相应的预成型荧光粉贴片。本发明的优点是：从根本上解决发光二极管(LED)封装工艺中的光色和色温一致性难以控制的技术难题，从根本上解决封装成品光色和色温一致性差的难题，提高产品的生产良率，同时该方法具有成本低、易操作和易批量化生产等特点，将极大地提升发光二极管成品的性价比。

Description

预成型荧光粉贴片及其与发光二极管的封装方法
技术领域
本发明涉及发光二极管的封装技术领域，尤其是基于倒装技术LED芯片、传统正装结构LED芯片、垂直结构LED芯片和由多颗芯片集成形成的多芯片模组的预成型荧光粉贴片及其与发光二极管的封装方法。
背景技术
随着发光二极管(LED)发光效率的进一步的提高，其应用领域也在进一步得到拓宽，特别是大功率白光LED，随着性价比的逐渐提高，将逐步替代传统的照明光源，成为新一代的绿色光源。目前，在白光LED的封装技术中，仍主要通过用短波长的LED芯片(蓝光、紫光、紫外光)加一种或者多种荧光粉的混合物形成不同色温的白光LED，其中荧光粉的涂敷方式是决定封装后白光LED的光色、色温一致性、光通量等品质的关键所在。
目前，荧光粉的涂敷方式仍以通过点胶机点胶的方式为主，如图2-1所示，具体流程如下：首先将所用的荧光粉同环氧树脂或者硅胶混合，混合后通过点胶的方式把荧光粉和胶的混合物11涂覆到整个支架5的内部，覆盖在LED芯片3的表面。以上这种点胶涂覆的方式在实际生产控制中存在较多的问题，最突出的就是光色和色温一致性难以控制，这个跟荧光粉和胶混合物的涂敷量及涂敷方式直接相关。该种点胶的原理和方式决定了在点胶的过程中随着时间的变化涂敷的胶量在逐渐变化，这将对最终产品的色温和光色的一致性有巨大的影响，造成良品率下降。目前，业界采取多种措施来改进荧光粉和胶混合物的涂敷量及涂敷方式，如部分设备公司通过改进点胶设备的原理来保证荧光粉及胶的量的一致性(如Asymtek公司的喷射式点胶机)，但是该机台昂贵，封装厂家设备资金投入大，虽然在一定程度上对产品的品质有改善，但将大幅度增加产品的生产成本。同时，该设备仍然难以从根本上解决胶体性能随时间变化而导致涂敷量难以控制的问题。
发明内容
本发明的目的是针对以上所述发光二极管(LED)封装工艺中存在荧光粉的涂覆由于荧光粉与胶的混合物涂敷量和涂敷形状难以精确控制而造成的色温、光色漂移等不足，提供一种预成型荧光粉贴片及其与发光二极管的封装方法，其利用预成型荧光粉贴片配合LED芯片，实现了在各种封装形式和各种结构芯片表面直接结合预成型荧光粉贴片来合成包括白光、绿光、红光、黄光等在内的各种颜色的发光二极管(LED)，尤其在白光合成中从根本上解决光色和色温的一致性控制的难题，大大提高产品的良率，同时降低全自动精密点胶机台等设备投入，最终大幅度降低发光二极管产品的制造成本。
本发明是这样实现的：预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其包括的制作步骤如下：
(1)、将荧光粉制作成预成型荧光粉贴片；
(2)、将预成型荧光粉贴片与发光二极管中的发光二极管芯片、芯片模组或者支架贴合，形成包括白光、红光、绿光、黄光等在内的各种颜色的发光二极管封装结构。
所述的预成型荧光粉贴片切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配形状。
所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组贴合方式可以是通过黏合剂粘接固定或者通过机械固定。
所述的黏合剂可以是硅胶或者环氧树脂等高透光性材料。
所述的预成型荧光粉贴片在发光二极管芯片模组上封装方式可以是一片或一片以上多片不同厚度、形状、颜色等的叠加。
所述的发光二极管芯片模组可以是多芯片倒装发光二极管芯片模组。
所述的预成型荧光粉贴片是由荧光粉和透明载体材料组成；其制作步骤如下：将荧光粉与透明载体材料按1～30∶100的重量配比混合均匀，然后根据透明载体材料的特性，在常压下温度为80～150℃的范围内进行固化，固化时间根据温度的不同在1小时到10小时之间，预成型为具有一定厚度的贴片，将贴片用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。
所述的透明载体材料包括陶瓷、玻璃等在内的一切透明无机材料和包括硅胶、环氧树脂以及聚碳酸脂在内的一切透明有机材料。
所述的预成型荧光粉贴片制作方法，其制作步骤如下：将荧光粉与酒精等挥发性溶剂按1～10∶100的重量配比例混合后，均匀涂覆于氧化铝表面；挥发性溶剂挥发后荧光粉就留在了氧化铝表面，然后在1000～1500℃的还原气氛下烧结5～10小时，将荧光粉与氧化铝表面牢固结合为成为薄薄的荧光薄膜；将荧光薄膜用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。
所述的荧光粉贴片形状为正方形或者圆形，正方形尺寸为宽2.5mm×长2.5mm×高2mm，圆形直径φ8mm×高2mm，或者正方形荧光粉贴片尺寸为宽1mm×长1mm×高1mm，圆形荧光粉贴片直径φ2.5mm×高1mm。
所述的荧光粉包括各种不同成分、激发波长、发射波长、粒径、颗粒形貌、颜色等的无机和有机荧光粉材料，包括常用的硅酸盐系列荧光粉、铝酸盐系列、氮化物系列、氮氧化物系列和硫化物系列的荧光粉等。
所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片贴合方式可以通过直接贴合和透明胶材粘接的方式来连接，其中透明胶材包括硅胶、环氧树脂等一切透明具有粘接性能的材料。
所述的发光二极管封装结构可以合成的二极管颜色包括白光、绿光、黄光、红光等在内的各种颜色。
本发明适合与传统的正装结构LED芯片、倒装结构LED芯片、垂直结构的LED芯片及多颗LED芯片集成形成的多芯片模组配合使用，制造包括白光在内的各种颜色的LED，从根本上解决发光二极管(LED)封装工艺中的光色和色温一致性难以控制的技术难题，大大提高封装成品光色和色温一致性，提高产品的生产良率，同时该方法具有成本低、易操作和易批量化生产等特点，将大大提升发光二极管成品的性价比。
附图说明
图1-1a为均匀混合型的预成型荧光粉贴片的剖面图；
图1-1b为表面烧结型预成型荧光粉贴片的剖面图；
图2-1为传统正装结构芯片用点胶方式来涂敷荧光粉后的封装结构示意图；
图2-2为正装结构芯片与预成型荧光粉贴片贴合后的封装结构示意图；
图2-3(a)为预成型荧光粉贴片贴装在支架上的倒装结构芯片与预成型荧光粉片贴合后的封装结构示意图；
图2-3(b)为预成型荧光粉贴片贴装在芯片上的倒装芯片与预成型荧光粉片贴合后的封装结构示意图；
图2-4为垂直结构芯片与预成型荧光粉片贴合后的封装结构示意图；
图2-5(a)为预成型荧光粉贴片贴装在芯片上的多颗LED芯片集成形成的多芯片模组与预成型荧光粉片贴合后的封装结构示意；
图2-5(b)为预成型荧光粉贴片贴装在支架上的多颗LED芯片集成形成的多芯片模组与预成型荧光粉片贴合后的封装结构示意。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其包括的制作步骤如下：
(1)、将荧光粉制作成预成型荧光粉贴片；所述的预成型荧光粉贴片切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的形状。
(2)、将预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组中的发光二极管芯片或者支架贴合，形成合成包括白光、红光、绿光、黄光等在内的各种颜色的发光二极管封装结构。所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组贴合方式可以是通过黏合剂粘接固定或者通过机械固定。所述的黏合剂可以是硅胶或者环氧树脂等高透光性材料。所述的预成型荧光粉贴片在发光二极管芯片模组上封装方式可以是一片或多片不同厚度、形状、颜色等的预成型荧光粉贴片叠加。如图2-2和图2-4所示，预成型荧光粉贴片与传统正装发光二极管芯片模组中的支架贴合。所述的预成型荧光粉贴片1与发光二极管芯片贴合方式可以通过直接贴合或透明胶材粘接的方式来实现预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组之间的连接，其中透明胶材包括硅胶、环氧树脂等一切透明具有粘接性能的材料。所述的发光二极管封装结构合成的二极管颜色包括白光、绿光、黄光、红光等在内的各种颜色。
预成型荧光粉贴片是由荧光粉和透明载体材料组成，如图1-1所示；其制作步骤如下：将荧光粉与透明载体材料按1～30∶100的重量配比混合均匀，然后根据透明载体材料的特性，在常压下80～150℃的范围内进行固化，固化时间根据温度的不同在1小时到10小时之间，预成型为具有一定厚度的贴片，将贴片用机械切割的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。所述的透明载体材料包括陶瓷、玻璃等在内的一切透明无机材料和包括硅胶、环氧树脂以及聚碳酸脂在内的一切透明有机材料。
如图1-2所示，预成型荧光粉贴片由荧光粉层31和透明氧化铝层32组成，其制作方法如下：将荧光粉与酒精等挥发性溶剂按1～10∶100的重量配比例混合后，均匀涂覆于氧化铝表面；挥发性溶剂挥发后荧光粉就留在了氧化铝表面，然后在1000～1500℃的还原气氛下烧结5～10小时，将荧光粉与氧化铝表面牢固结合为成为薄薄的荧光薄膜；将荧光薄膜用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。
所述的荧光粉贴片形状为正方形或者圆形，正方形尺寸为宽2.5mm×长2.5mm×高2mm，圆形直径φ8mm×高2mm，或者正方形荧光粉贴片尺寸为宽1mm×长1mm×高1mm，圆形荧光粉贴片直径φ2.5mm×高1mm。
所述的荧光粉包括各种不同成分、激发波长、发射波长、粒径、颗粒形貌、颜色等的无机和有机荧光粉材料，包括常用的硅酸盐系列荧光粉、铝酸盐系列、氮化物系列、氮氧化物系列和硫化物系列的荧光粉等。
实施例1：
以本发明所采用的技术、方法和设计思路，现以倒装结构的单芯片发光二极管芯片模组为例子进行详细的说明。预成型荧光粉贴片1为胶体同荧光粉均匀混合后固化成型。成型荧光粉贴片1裁剪为跟发光二极管芯片模组形状大小相同的正方形，如图2-3b所示，或与支架内部形状和尺寸相匹配的形状和尺寸如图2-3a所示。制造相同大小的预成型荧光粉贴片，保证每个小的预成荧光粉贴片中荧光粉的含量相同，从而保证了封装后成品的光色、色温的一致性。
具体制作步骤如下：
第一步倒装芯片的制造。如图2-3a和图2-3b所示，芯片的制造过程包括氮化镓刻蚀，P区的电极7和N区的电极8的制造，最后形成P区的电极7和N区的电极8高度相同，且在同一侧。可以用硅做倒装芯片的基板9，上面通过微电子工艺形成金属电极层，钝化隔离层和跟芯片的P区和N区对应的金属凸点10，金属凸点10的材料可以是金。基板9设置有热沉4进行散热。然后用倒装焊接(Flip-chip Bonding)的工艺将芯片同基板9结合，形成倒装发光二极管芯片。
第二步将倒装发光二极管芯片通过导热材料黏合固定的固晶方式固定于支架5内，然后通过金线2健合的方式将发光二极管芯片的硅基板9上的正极和负极与支架5对应的正极和负极连接起来，实现电连通，形成发光二极管芯片模组。最后在发光二极管芯片模组的表面预涂少量用以粘合预成型荧光粉贴片的黏合剂6。
第三步制造预成型荧光粉贴片。如图1-1a所示，预成型荧光粉贴片是由包括荧光粉和透明载体材料混合而成，其制作步骤如下：首先将荧光粉与透明载体材料按1～30∶100的重量份配比混合均匀；根据透明载体材料的特性，在常压下温度为80～150℃进行固化，时间根据温度的不同在1小时到10小时之间，制得具有一定厚度的贴片；再通过机械剪裁的方式将贴片切割为同发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组得支架内部形状和尺寸相匹配的预成型荧光粉贴片1。所述的预成型荧光粉贴片1形状为正方形或者圆形，正方形荧光粉贴片尺寸为宽1mm×长1mm×高1mm，圆形荧光粉贴片直径φ2.5mm×高1mm。其中所述的透明载体材料包括陶瓷、玻璃等在内的一切透明无机材料或包括硅胶、环氧树脂和聚碳酸脂在内的一切透明有机材料。其中，荧光粉与透明载体材料的优选配比为6∶100(重量份)。所述的荧光粉包括各种不同成分、激发波长、发射波长、粒径、颗粒形貌、颜色等的无机或有机荧光粉，可以包括是常用的硅酸盐系列荧光粉、铝酸盐系列、氮化物系列、氮氧化物系列和硫化物系列的荧光粉等。
第四步预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组的封装。利用精密的贴片设备将预成型荧光粉贴片放置于对应的倒装发光二极管芯片模组的发光二极管芯片表面或者支架5内，通过预涂的黏合剂6黏合，然后通过固化实现预成型荧光粉贴片与芯片间的紧密结合。后面的其它工序同传统的发光二极管封装类似，经过加装透镜，胶体灌封等工序成为封装成品。所有的黏合剂可以是硅胶，环氧树脂等高透光性材料。
上述步骤是通过预成型荧光粉贴片与倒装LED芯片模组结合的方式，从根本上解决了传统封装过程中点荧光粉过程中出胶量控制不精确造成的色温和光色的漂移，一致性差的问题，大大提高了产品的良率，同时该工艺对设备要求低，操作简单，易批量化生产，实现了低成本，高良品率的发光二极管封装。
实施例2：
以本发明所采用的技术、方法和设计思路，现以多芯片倒装发光二极管模组(四个芯片或四个以上芯片形成的模组)进行详细的说明。预成型荧光粉贴片为荧光粉均匀沉积于透明的氧化铝薄片上而形成的。预成型荧光粉贴片裁剪为跟发光二极管芯片形状大小相同的正方形，大小相同的贴片保证每个小的荧光粉贴片中荧光粉的含量相同，从而保证了封装后成品的光色、色温的一致性。
具体制作步骤如下：
第一步倒装发光二极管芯片模组的制造。如图2-5a和图2-5b所示，发光二极管芯片3的制造过程包括氮化镓刻蚀，P区的电极7和N区的电极8的制造，最后形成的P区和N区的接触电极高度相同，且在同一侧。本实施案例中可以用硅做倒装的基板9，上面用微电子工艺做成的金属电极层，钝化隔离层和跟芯片的P区和N区对应的金属凸点10，金属凸点10的材料可以是金。然后用倒装焊接(Flip-chip Bonding)的工艺将四颗发光二极管芯片同基板9结合形成多芯片倒装发光二极管芯片。倒装焊接发光二极管芯片在基板9的数量可以根据具体需要为3颗、5颗或者5颗以上等。
第二步将多芯片倒装发光二极管芯片通过导热材料黏合固定的固晶方式固定于支架5内，然后通过金线2健合的方式将硅基板9上的正极和负极跟支架5对应的正极和负极连接起来，实现电连通。然后在发光二极管芯片表面预涂用以粘合预成型荧光粉贴片的黏合剂6。
第三步制作预成型荧光粉贴片。其制作步骤如下：将荧光粉与酒精等挥发性溶剂按1～10∶100的重量配比例混合后，均混合均匀后涂覆于氧化铝表面。挥发性溶剂挥发后，荧光粉沉积在氧化铝表面；在1000～1500℃的还原气氛下烧结5～10小时，将荧光粉与氧化铝表面牢固结合为成为薄薄的荧光薄膜；将荧光薄膜用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架5内部形状和尺寸相匹配的预成型荧光粉贴片。所述的预成型荧光粉贴片的形状为正方形或圆形，正方形的预成型荧光粉贴片尺寸可以为宽2.5mm×长2.5mm×高2mm，圆形预成型荧光粉贴片的直径可以为φ8mm×高2mm。所述的荧光粉包括各种不同成分、激发波长、发射波长、粒径、颗粒形貌、颜色等的无机和有机荧光粉材料，包括常用的硅酸盐系列荧光粉、铝酸盐系列、氮化物系列、氮氧化物系列和硫化物系列的荧光粉等。
第四步预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组的封装。利用设备机台抓取预成型荧光粉贴片放置于对应的倒装发光二极管芯片的表面或者预成型荧光粉贴片模组的支架5内，通过预涂的黏合剂6黏合，然后通过固化实现预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片表面或者支架5间的紧密结合。后面的其它工序同传统的发光二极管封装类似，经过加装透镜，胶体灌封等工序成为封装成品。所有的黏合剂可以是硅胶，环氧树脂等高透光性材料。
本实施例通过上述步骤，通过预成型荧光粉贴片与多芯片倒装发光二极管芯片结合的方式，从根本上解决了传统封装过程中点荧光粉过程中出胶量控制不精确造成的色温和光色的漂移，一致性差的问题，大大提高了产品的良率，同时该工艺对设备要求低，操作简单，易批量化生产，实现了低成本、高良品率的发光二极管封装。本发明用预成型荧光粉贴片直接跟各种结构的芯片及由单颗芯片集成的多芯片模组贴合的方式来代替发光二极管的荧光粉涂覆过程。通过控制剪裁成与封装形式及结构匹配的形状和厚度的预成型荧光粉贴片的尺寸和均匀度可以实现对光色和色温的一致性精确控制。
以上所述仅为本发明重两个具体实施举例，实施例中提供的预成型荧光粉贴片的结构和制作方法是可以根据具体发光二极管芯片模组选择最合适的，并非限定本发明实施范围。凡按照本发明权利要求保护范围所作的相似变化和修饰，均为本发明内容所涵盖。

Claims (10)

1.预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其特征在于，其包括的制作步骤如下：
(1)、将荧光粉制作成预成型荧光粉贴片；
(2)、将预成型荧光粉贴片与发光二极管中的发光二极管芯片、芯片模组或者支架贴合，形成包括白光、红光、绿光和黄光在内的各种颜色的发光二极管封装结构。
2.如权利要求1所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其特征在于：所述的预成型荧光粉贴片切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的形状。
3.如权利要求1所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其特征在于：所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管芯片模组贴合方式是通过黏合剂粘接固定或者通过机械固定。
4.如权利要求3所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其特征于：所述的透光黏合剂是高透光性的硅胶或者环氧树脂。
5.如权利要求1所述的预成型荧光粉贴片与发光二极管的封装方法，其特征在于：所述的预成型荧光粉贴片在发光二极管芯片模组上封装方式是一片或一片以上不同厚度、形状和颜色的叠加。
6.一种预成型荧光粉贴片的方法，其特征在于：预成型荧光粉贴片是由荧光粉和透明载体材料组成；其制作步骤如下：将荧光粉与透明载体材料按1～30∶100的重量配比混合均匀，然后在80～150℃的范围内进行固化，固化时间在1～10小时之间，预成型为贴片，将贴片用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。
7.如权利要求6所述的荧光粉预成型发光二极管的封装制造方法，其特征在于：所述的透明载体材料包括陶瓷和玻璃在内的透明无机材料或包括硅胶、环氧树脂和聚碳酸脂在内的透明有机材料。
8.一种预成型荧光粉贴片的制造方法，其特征在于，其包括的制作步骤如下：将荧光粉与挥发性溶剂按1～10∶100的重量配比例混合后，均匀涂覆于氧化铝表面；挥发性溶剂挥发后荧光粉就留在了氧化铝表面，然后在1000～1500℃的下烧结5～10小时，荧光粉与氧化铝表面牢固结合为成为荧光薄膜；将荧光薄膜用机械的方式切割为与发光二极管芯片形状和尺寸相同或与发光二极管芯片模组的支架内部形状和尺寸相匹配的荧光粉贴片。
9.如权利要求6或8所述的预成型荧光粉贴片，其特征在于，所述的荧光粉包括不同成分、激发波长、发射波长、粒径、颗粒形貌或颜色的无机和有机荧光粉材料，包括硅酸盐系列荧光粉、铝酸盐系列、氮化物系列、氮氧化物系列和硫化物系列的荧光粉。
10.如权利要求6或8所述的荧光粉预成型发光二极管的封装制造方法，其特征在于：所述的预成型荧光粉贴片形状为正方形或者圆形，正方形预成型荧光粉贴片尺寸为宽2.5mm×长2.5mm×高2mm，圆形预成型荧光粉贴片的直径φ8mm×高2mm或者正方形预成型荧光粉贴片的尺寸为宽1mm×长1mm×高1mm，圆形预成型荧光粉贴片的直径φ2.5mm×高1mm。
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