CN101931040A - Led面光源封装 - Google Patents

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Abstract

一种LED面光源封装技术，包括透明陶瓷晶片、基板、支架、芯片，多颗芯片采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线或铜线以串、并联的方式共晶焊接于基板的凹槽中，透明陶瓷晶片呈片状盖于芯片上方，通过胶粘、紧配或卡口等方式与固定于基板上方的支架结合，透明陶瓷晶片与芯片之间有一定距离，形成中空的隔离层，通电后，芯片发出的光激发透明陶瓷晶片中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，通过改变稀土离子的浓度及透明陶瓷晶片的厚度控制发出白光的色温。

Description

LED面光源封装
技术领域
本发明涉及一种LED面光源封装技术，区别于现有的三基色或蓝光激发黄色荧光粉产生白光的封装方法，系一种创新的LED封装技术。
背景技术
①1962年，GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。
②1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
③1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
④1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。
⑤到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。
⑥80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。
⑦1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
⑧今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
⑨1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。
⑩20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，这种技术的发明使得LED真正成为第四代照明用光源，具有节能、环保、寿命长、响应快等优点。
随着LED发光效率与性能的持续提升与改善，LED已从指示灯、手机背光、显示屏、交通信号灯等成熟应用领域，正逐步向中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透。从市场发展情况看，高亮度的LED道路照明和室内照明灯将成为LED发展的一大增长点，预计未来几年高亮度LED的市场仍将以14％的速度增长，2010年高亮度LED市场将达到82亿美元。
目前市场普遍利用蓝光芯片激发黄色荧光粉产生白光来制备大功率LED，实验室发光效率已经达到120lm/W，商用发光效率最高也可达100lm/W，而且这一数据还在呈短时间的快速增长，照明应用前景广阔，在市场前景一片大好的前提下，各国LED领域的专家也在积极寻求新的封装材料及技术，因利用蓝光芯片激发黄色荧光粉存在种种制约LED发展的因素：①专利被日亚和欧司朗垄断，商家难以形成自有主权；②还没有一种方法可以非常精确的控制涂敷在蓝光芯片上荧光粉的厚度、均匀度以及形状的规则程度，LED色温的稳定性很难达到一致，荧光粉涂敷不均匀极容易造成LED发出的光形成黄圈或黄斑，影响光色；③涂敷在芯片上的荧光粉系AB硅胶与荧光粉按6∶6∶1比例配比而成的混合物，我们所说的硅胶一般是有机硅胶，有机硅胶是一种生物成分和一种有机化学成分(辅助成分)复合而成，有机硅产品是以硅一氧(Si-O)键为主链结构的，C-C键的键能为82.6千卡/克分子，Si-O键的键能在有机硅中为121千卡/克分子，所以有机硅产品的热稳定性高，高温下(或辐射照射)分子的化学键不断裂、不分解，导热系数几乎为0，这样覆盖在硅胶下面的LED芯片因所流入的电力有75％产生的热量无法通过上面的通道导出，反而被混合胶困在里面，增加LED散热负荷，影响LED寿命。
发明内容
本发明采用Y2O3、Al2O3、、X2O3(X为Ce，Pr，Sm等稀土离子中一种或多种)为基质，通过充分混合后高温真空烧结，还原性气氛退火形成的高光学质量透明陶瓷晶片，以该透明陶瓷晶片替代荧光粉作为LED封装材料，制备出大功率LED白光面光源，功率最高可达150W，有效避开国际有关荧光粉专利的同时解决使用荧光粉封装带来的一系列问题，尤其适合大功率LED集成封装。
本发明采用上述透明陶瓷晶片做为LED封装材料，该透明材料呈片状或不规则形状盖于芯片上方，以胶粘、紧配或卡扣等方式与固定在基板上的支架结合，通电后，芯片发出的光激发透明陶瓷晶片中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，所发出的光呈面状，发光均匀，无黄斑或黄圈，本发明通过改变稀土离子的浓度及透明陶瓷晶片的厚度精确控制发出白光的色温，稀土离子的浓度范围为0.1～0.3at％，透明陶瓷晶片厚度范围为0.2mm～2mm，色温可控制在3000K～8000K之间，所配合制做出的光源适合绝大部分照明应用的需求。
本发明中封装用的的基板为铝基覆铜板，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，基属基层采用高导热材料——铝或铜制成，基板表现为圆形、椭圆形、距形、方形等其他形状，在基板中心进行沉槽，基板表面镀银，这种做法有两个优点：其一，使得凹槽表面更光滑，加强光的反射，芯片固晶后通过共晶工艺能与基板更充分的密合，热量传导更充分；其二，银的导热系数为429W/mK，比铝和铜都高，是铝的1.8倍，可加快传输芯片发出的热量。
本发明中芯片采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线或铜线以串、并联的方式共晶焊接于基板凹槽中，透明陶瓷晶片与芯片之间有一定距离，形成中空的隔离层，产生多个散热通道，芯片透气性好，大大降低芯片温度，减少光衰，提高芯片使用寿命。
通过上述技术方案，制备出的面光源不需使用荧光粉和硅胶，所以不存在荧光粉吸光及硅胶折射等现象，出光率高，光色均匀成面状，芯片热量可快速的上下散发，整灯温度控制在40℃左右。
本发明中的透明陶瓷晶片形状可为圆形、椭圆形、方形、距形等其他几何形状。
本发明中的芯片可为蓝光或红光芯片。
本发明中的透明陶瓷晶片上方可盖透镜，透镜为玻璃或有机玻璃材质。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图
图2为本发明的结构分解图
图3为本发明的一种结构示意图
图4为本发明的第二种结构示意图
图5为本发明的第三种结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例一，如图3，多颗蓝光芯片1采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线5或铜线5以串、并联的方式共晶焊接于圆形基板4的凹槽6中，基板4为铝基覆铜板，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，金属基层采用高导热材料——铝或铜制成，透明陶瓷晶片1呈圆形片状盖于蓝光芯片2上方，通过胶粘方式与固定于基板4上方的支架3结合，透明陶瓷晶片1与芯片2之间有一定距离，形成中空的隔离层7，透明陶瓷晶片1的厚度为0.2mm，稀土离子的浓度为0.1at％，通电后，芯片2发出的光激发透明陶瓷晶片1中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，白光的色温控制在8000K。
实施例二，如图4，蓝光芯片2与红光芯片2以3∶1的比例配比，红光芯片2位于蓝光芯片2的中部，采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线5或铜线5以串、并联的方式共晶焊接于方形基板4的凹槽6中，基板4为铝基覆铜板，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，金属基层采用高导热材料——铝或铜制成，透明陶瓷晶片1呈方形片状盖于芯片2上方，通过紧配方式与固定于基板4上方的支架3结合，透明陶瓷晶片1与芯片2之间有一定距离，形成中空的隔离层7，透明陶瓷晶片1的厚度为2mm，稀土离子的浓度为0.3at％，通电后，芯片2发出的光激发透明陶瓷晶1片中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，白光的色温控制在3000K。
实施例三，如图5，多颗芯片2采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线5或铜线5以串、并联的方式共晶焊接于圆形基板4的凹槽6中，基板4为铝基覆铜板，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，金属基层采用高导热材料——铝或铜制成，透明陶瓷晶片1呈方形片状盖于芯片2上方，通过卡口方式与固定于基板4上方的支架3结合，透明陶瓷晶片1与芯片2之间有一定距离，形成中空的隔离层7，透明陶瓷晶片1的厚度为0.92mm，稀土离子的浓度为0.18at％，通电后，芯片2发出的光激发透明陶瓷晶片1中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，白光的色温控制在5000K。
实施例四，如图5，多颗芯片2采用COM(Chip on Metal)面光源封装技术，通过金线5或铜线5以串、并联的方式共晶焊接于圆形基板4的凹槽6中，基板4为铝基覆铜板，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，金属基层采用高导热材料——铝或铜制成，透明陶瓷晶片1呈方形片状盖于芯片2上方，通过卡口方式与固定于基板4上方的支架3结合，透明陶瓷晶片1与芯片2之间有一定距离，形成中空的隔离层7，晶片1的厚度为1.28mm，稀土离子的浓度为0.16at％，通电后，芯片2发出的光激发透明陶瓷晶片1中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，白光的色温控制在5000K。
以上所述的实施例，只是本发明其中几个优选的具体实施方式，本领域的技术人员在技术方案范围内进行的通常变化和替换都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.LED面光源封装，包括透明陶瓷晶片、基板、支架、芯片，其特征在于：芯片(2)固定于基板(4)凹槽(6)中，通电后，芯片(2)发出的光激发透明陶瓷晶片(1)中的稀土离子发光混合透射的光形成白光，获得高功率LED面光源；
2.根据权利要求1所述的LED面光源封装，其特征在于：所述的芯片(2)，采用多颗集成封装，通过金线(5)或铜线(5)以串、并联的方式共晶焊接于基板(4)凹槽(6)中；
3.根据权利要求1所述的LED面光源封装，其特征在于：所述的凹槽(6)可为一个整体凹槽(6)也可为多个小间距独立的凹槽(6)，凹槽(6)形状可为梯形、方形、柱形等其他底部为平面的凹形；
4.根据权利要求1所述的LED面光源封装，其特征在于：所述的芯片(2)为蓝光芯片(2)或红光芯片(2)，蓝光芯片(2)可单独封装，也可与红光芯片(2)按一定比例封装；
5.根据权利要求1所述的LED面光源封装，其特征在于：所述的基板(4)为铝基覆铜板，表面镀银工艺处理，由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成，金属基层采用高导热材料——铝或铜制成；
6.根据权利要求1所述的LED面光源封装，其特征在于：所述的透明陶瓷晶片(1)盖于芯片(2)上方，通过胶粘、紧配或卡口等方式与固定于基板(4)上方的支架(3)结合，透明陶瓷晶片(1)与芯片(2)之间有一定距离，形成中空的隔离层(7)；
7.根据权利要求1所述的LED面光源封装技术，其特征在于：所述的透明陶瓷晶片(1)系采用Y2O3、Al2O3、、X2O3(X为Ce，Pr，Sm等稀土离子中一种或多种)为基质，通过充分混合后高温真空烧结，还原性气氛退火形成的高光学质量透明陶瓷晶片(1)；
8.根据权利要求1所述的LED面光源封装技术，其特征在于：通电后，芯片(2)发出的光激发透明陶瓷晶片(1)中的稀土离子发光混合透射的光形成白光；
9.根据权利要求1所述的LED面光源封装技术，其特征在于：通过改变稀土离子的浓度及透明陶瓷晶片(1)的厚度控制发出白光的色温，色温范围在3000K～8000K；
10.根据权利要求1及要求7所述的LED面光源封装技术，其特征在于：稀土离子的浓度范围为0.1～0.3at％，透明陶瓷晶片(1)厚度范围为0.2～2mm。
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