CN102185042A - Led封装方法、封装器件、光调节方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统，该LED封装方法包括将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上，制作可透光的透镜层，所述透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内，本发明通过以上技术方案，提供一种提高白光显色性及混光效果，同时方便实现光亮度、显色及色温调节，改善彩色光光谱缺陷、光效的LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统。

Description

LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统
技术领域
本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统。
背景技术
LED发光器件与传统照明光源相比有着众多的显著优势，如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保等，因此LED发光器件的市场需求不断增长，逐渐地替代了传统照明光源。
对于传统的白光LED器件，通常采取的封装方法是在单色LED芯片上涂覆一种荧光粉进行混光而实现，这种封装光组合缺少必要的光元素，导致其显色性偏低，为了解决这一问题，有人将几种颜色的荧光粉混合涂覆在单色LED芯片上进行混光，虽然其显色性有一定的提高，但是荧光粉的混合涂覆导致光转换率偏低，光一致性偏低，同时，以上这些封装方法还无法实现对LED封装器件的光亮度、显色及色温的调节。对于传统的彩色LED器件，通常是直接使用单色LED芯片，或将多个单色LED芯片进行组合而实现，单色LED芯片制作的彩色LED器件光谱范围窄，在增强某些色彩的同时也改变了物体表面的其他颜色的色调，易引起彩色失衡，且易给人眼造成不舒服的感觉，多个单色LED芯片的组合方式，虽然可以通过调光电路对其进行调节，但是这种组合方式无法到达合理的混光效果，光谱成分单一或不连续。
发明内容
本发明提供一种提高白光显色性及混光效果，同时方便实现光亮度、显色及色温调节，改善彩色光光谱缺陷、光效的LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种LED封装方法，包括：
将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上；
制作可透光的透镜层，所述透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内。
还包括在其中至少一个LED芯片的外表面涂覆荧光粉层，所述透镜层将所述荧光粉层和该组LED芯片封装在同一个腔内。
所述荧光粉层为一层，或为激发不同波长光的两层或两层以上，涂覆荧光粉层的步骤包括：在LED芯片的外表面直接涂覆，或者在LED芯片的外表面先涂覆透明胶体封装层，在固化成型或半成型的透明胶体封装层的外表面涂覆荧光粉层。
制作可透光的透镜层的方法包括：模压法或点胶自成型法中的一种或两种。
所述透镜层中含有散射剂。
一种LED封装器件的光调节方法，包括：
将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上；
将其中的至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至一调光电路；
制作可透光的透镜层，所述透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内。
一种LED封装器件，包括基板，还包括：安装于所述基板上的两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片，以及用于将各LED芯片封装在同一个腔内的透镜层。
还包括用于封装所述LED芯片的荧光粉层，荧光粉层成型在所述LED芯片的外表面与所述透镜层的内表面之间。
所述荧光粉层为一层，或为激发不同波长光的两层或两层以上。
一种LED封装器件的光调节系统，包括上述LED封装器件，以及用于所述LED封装器件进行调光的调光电路，所述LED封装器件的至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至所述调光电路。
本发明提供一种LED封装方法、封装器件、光调节方法及系统，LED封装方法包括将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上，制作可透光的透镜层，透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内。因使用透镜层将不同发光波长的LED芯片封装在同一个腔内，有效解决了现有技术中白光LED光组合缺少必要的光元素，显色性偏低的问题，彩光LED光谱缺陷、光效不佳的问题，而在透镜层的内表面与各LED芯片的外表面之间形成的物理距离内，各产生不同发光波长的LED芯片有足够的混光距离，较现有技术中白光或彩色光LED有更好的混光效果，加上透镜层表面的折射作用，最终透过透镜层发出的光一致性好，同时，只需要将至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至一调光电路，便可实现对该LED封装器件的光亮度、显色及色温的调节。
附图说明
图1为本发明实施例LED封装器件的示意图；
图2为本发明实施例LED封装方法的流程图；
图3为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图4为本发明实施例另一LED封装方法的流程图；
图5为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图6为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图7为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图8为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图9a为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图9b为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图9c为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图10为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图11为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图12为本发明实施例另一LED封装器件的示意图；
图13为本发明实施例LED封装器件光调节系统的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
图1为本发明实施例LED封装器件的示意图，请参考图1，可以知道本发明实施例的LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，将LED芯片2和LED芯片3封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2和LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5。
图2为本发明实施例LED封装方法的流程图，请参考图2：
S01、在晶圆1和LED芯片2、LED芯片3上制作倒装凸点5，将LED芯片2和LED芯片3倒装焊接在晶圆1上；
S02、用模压法制作的透镜层4将LED芯片2和LED芯片3封装在同一个腔内，固定在晶圆1上。
本实施例中，用作衬底的基板不限于晶圆一种，还可以将金属板、合金板、PCB板、BT板、玻璃板、陶瓷板或塑料板等，衬底不只做支撑的基底，还有导热衬底，或者电路板的功能。安装于基板上的LED芯片不限于两个，还可以是当施加电流时产生不同发光波长的两个以上，LED芯片的发光峰值波长为380nm至800nm，可以为紫外光LED芯片、蓝光LED芯片、蓝绿光LED芯片、黄光LED芯片、橙色光LED芯片、琥珀色光LED芯片等，可以涵盖紫外光到红光波长的范围。各LED芯片在晶圆1上的排列位置可视具有需求而定。若晶圆导电，则需要在晶圆上先制作绝缘层，在绝缘层或本身绝缘的晶圆上制作导电层，制作导电层的方式可以有多种，不局限于沉淀，在导电层和各LED芯片上形成倒装凸点，导电层材料可以为铝、银、铜、铂、镍等单一材料或其合金材料等，倒装凸点的材料可以为金、铜、锡等单一材料、多层材料、合金或非全金属等。
透镜层可以利用模压法或点胶自成型法得到，点胶自成型法也就是在LED芯片上方现行涂覆的方式，再通过紫外线照射、加热或者高温烘烤等方式固化到一定状态，固化温度视透镜层的材料而定。优选的透镜层是利用环氧树脂、硅胶等透明胶体制作成的透明透镜层，也可以在透明胶体中添加设定剂量的荧光粉。本实施例中还可以在透镜层中加入稀释剂、消泡剂、调色剂、脱模剂、固化剂等成分，针对紫外光LED芯片，还可以在封装材料中添加抗辐射的材料或者选用本身具有抗辐射特性的透明胶体。透镜层的形状据实际应用需要而定，可以是球形、半球形、方形等。
透镜层可有效地汇聚被其封装的各LED芯片的光线，同时透镜层具有合理的出光角度，使得整体LED封装器件的光色特性一致。为了进一步优化透镜层的出光效果，还可以在透明层中添加散射剂或者选用本身携带散射效果的透明胶体，散射剂的散射效果以及透镜层的出光角度使得LED封装器件光色特性更佳。还可以在制作透镜层的时候，在透镜层内表面与被封装的LED芯片外表面之间制作一空腔，将组合成一组的LED芯片封装在同一个空腔内，或者透镜层也可以与被封装的LED芯片上表面接触，在各LED芯片之间的间隙内形成空腔，总之，形成空腔的目的是为了进一步使得被封装的各LED芯片能够有适当的混光距离，透镜层的出光角度以及透镜层内表面与各LED芯片外表面形成的混光距离使得LED封装器件混光效果更好，光色特性更佳。
图3为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，请参考图3，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2和LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5。
图4为本发明实施例另一LED封装方法的流程图，请参考图4：
S11、在晶圆1和LED芯片2、LED芯片3上制作倒装凸点5，将LED芯片2和LED芯片3倒装焊接在晶圆1上；
S12、通过针管将设定剂量的流体状封装材料注入到LED芯片2的顶部，采用紫外线照射、加热或者高温烘烤等方式固化或半固化该流体状封装材料，使其形成封装该LED芯片2的荧光粉层6；通过针管将另一设定剂量的流体状封装材料注入到LED芯片3的顶部，采用紫外线照射、加热或者高温烘烤等方式固化或半固化该流体状封装材料，使其形成封装该LED芯片3的荧光粉层7；通常固化温度在110℃-150℃，还可在封装材料中添加光引发剂并均匀混合以加速封装材料的固化；
S13、用模压法制作的透镜层4将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内，固定在晶圆1上。
本实施例制备荧光粉层的荧光粉可以是铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮氧化物荧光粉、亚锑酸盐荧光粉、锗酸盐荧光粉、磷酸盐荧光粉等；荧光粉层6和荧光粉层7可以为一层，或为激发不同波长光的两层或两层以上；制备荧光粉层的透明胶体可以是硅胶、AB胶、硅脂等，将荧光粉与透明胶体按照适当的比例混合成流体状封装材料，为了得到光一致性更好的LED封装器件，还可以在封装材料中添加散射剂或者选用本身携带散射效果的透明胶体，针对紫外光LED，还可以在封装材料中添加抗辐射的材料或者选用本身具有抗辐射特性的透明胶体，荧光粉层的涂覆方式可以是点胶自成型、丝网印刷、电泳沉积或者预成型，可以借助挥发性溶剂、光刻胶、掩膜板等，还可以采用旋转涂布的方式。由于在实际操作过程中，一次性固化制备荧光粉层可能导致后续的操作步骤使其产生裂缝，比如在后续将制作成的透镜层4将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内，扣上透镜层4时，已经固化的荧光粉层6和荧光粉层7容易产生裂缝或其他缺陷问题，因此，在步骤S12中，可以半固化制备荧光粉层。
本实施例通过在其中至少一个LED芯片的外表面涂覆荧光粉层，得到一种三个以上峰值波长的LED封装器件，由于荧光粉的发射谱宽，彩色LED器件可调范围从红色到蓝色之间，视实际使用LED芯片及荧光粉而定，白光LED可调色温在2600K至7000K之间。
本实施例中，在LED芯片2和LED芯片3上各自成型荧光粉层，但不局限于这一种实施方式，可以仅对其中一个LED芯片封装荧光粉层，或者以在同一基板上安装产生不同发光波长的三个LED芯片为例，可以对其中两个LED芯片封装荧光粉层，另一个LED芯片可封装荧光粉层也可不封装荧光粉层。
以在同一基板上安装产生不同发光波长的两个LED芯片为例，仅对其中一个LED芯片封装荧光粉层的情况如图5，图5为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，将LED芯片2、LED芯片3和封装LED芯片2的荧光粉层6封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2和LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5。
以在同一基板上安装产生不同发光波长的三个LED芯片为例，对其中两个LED芯片封装荧光粉层，另一个LED芯片不封装荧光粉层的情况如图6，图6为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2、LED芯片3、LED芯片8，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、LED芯片8、封装LED芯片2的荧光粉层6以及封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2、LED芯片3和LED芯片8的倒装于晶圆1的倒装凸点5。
在晶圆上安装LED芯片之前，本实施例还可以在晶圆上生长围绕荧光粉层或透镜层成型区域的凸起，作为后续荧光粉硅胶涂覆、或者外透镜成型的阻挡装置，用于界定荧光粉层或透镜层的成型区域，每个凸起都将预备安装的且需要成型荧光粉层或透镜层的LED芯片的位置包围，根据后续荧光粉层或透镜层的结构要求可以调整凸起的平面形状、高度和宽度等参数，而后续荧光粉层或透镜层的高度可通过预先制备的凸起的尺寸和形状，以及状封装材料的体积进行调节。凸起的平面形状可以是环形、方形等，为了使得引线或导电层的电路导线顺利有效通过，凸起可以是不闭合的环形、方形等，凸起的制作材料可以具有对380至800nm波长的光具有强反射性的金属或非金属材料，如塑料树脂、金属、硅化物、氧化物、锡膏或硅胶等，凸起的制作方法包括淀积、氧化、溅射、回流焊、电镀或丝网印刷中等。图7为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，请参考图7：LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2和LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5，还包括用于界定荧光粉层6的成型区域和用于界定荧光粉层7的成型区域的凸起9。
本实施例中，荧光粉层可以在对应的LED芯片上直接完成涂覆，或者还可以先在对应的LED芯片上制作透明封装层，再在已经成型或者半成型的透明封装层上完成荧光粉层的涂覆，请参考图8，图8为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的透明封装层10，成型于透明封装层10上表面用于封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的透明封装层10、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2和LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5。在LED芯片与荧光粉层之间先涂覆透明封装层有利于对荧光粉层起隔热作用。
本实施例荧光粉层的形状可以是球形、半球形、方形或者依据成型辅助结构的凹槽形，半球形荧光粉层如图9a，图9a为本发明实施例LED封装器件中荧光粉层的示意图；方形荧光粉层如图9b，图9b为本发明实施例LED封装器件中荧光粉层的示意图；依据成型辅助结构的凹槽形荧光粉层如图9c，图9c为本发明实施例LED封装器件中荧光粉层的示意图，包括成型辅助结构11。
本实施例中，是将各LED芯片均采用倒装的方式固定在基板上，但不限于这一种安装方式，以在同一基板上安装两个LED芯片为例，还可以包括以下安装方式：将两个LED芯片均采用正装的方式固定在基板上，其中正装包括L型电极结构和V型电极结构，或者将一个LED芯片采用正装的方式固定在基板上，将另一个LED芯片采用倒装的方式固定在基板上。
将两个LED芯片均采用正装L型电极结构的方式固定在基板上的情况请参考图10，图2为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，还包括用于将LED芯片2和LED芯片3正装于晶圆1的导热胶12，金线13。
将两个LED芯片均采用正装V型电极结构的方式固定在基板上的情况请参考图11，图11为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，还包括用于将LED芯片2和LED芯片3正装于晶圆1的导热胶12，金线13。
将一个LED芯片采用正装L型电极结构的方式固定在基板上，将另一个LED芯片采用倒装的方式固定在基板上的情况请参考图12，图12为本发明实施例另一LED封装器件的示意图，LED封装器件中包括：用作衬底的晶圆1，用于当施加电流时产生不同发光波长的LED芯片2和LED芯片3，封装LED芯片2的荧光粉层6，封装LED芯片3的荧光粉层7，将LED芯片2、LED芯片3、封装LED芯片2的荧光粉层6和封装LED芯片3的荧光粉层7封装在同一个腔内的透镜层4，用于将LED芯片2正装固定于晶圆1的导热胶12，金线13，用于将LED芯片3的倒装于晶圆1的倒装凸点5。
本实施例中，采用倒装的方式安装LED芯片时，还可以用导热绝缘聚合物胶，比如环氧树脂、硅胶等在晶圆与LED芯片中间进行底部填充，分散应力，减少焊接接头应变，从而提高焊点的可靠性。采用正装V型电极结构安装LED芯片时，可以直接用导热胶将LED芯片黏着在晶圆上，采用正装L型电极结构安装LED芯片时，可以用导热胶黏着或用共晶焊接的方式把LED芯片固定在晶圆上。固晶完成后可以用铝丝或金丝焊机将LED芯片上的电极和晶圆上的引线焊点连接起来，以作电流注入的引线，完成电气连接。焊接方式可以为热压焊、超声焊、金丝球焊等。正装或倒装LED芯片靠近晶圆一侧的电极引出方式除了直接利用在晶圆上制作的导电层及其引线焊点之外，还可以用通孔的方式，即在晶圆上制作内壁绝缘的通孔，再用其他方式实现电气连接。
图13为本发明实施例LED封装器件光调节系统的示意图，请参考图3，该系统包括LED封装器件001，以及用于对LED封装器件01进行调光的调光电路002。按照以上方法封装后的LED器件，将至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至一调光电路，通过调光电路对至少一个LED芯片的电流进行调节，可以方便的对LED封装器件的色彩、色温、亮度等进行调节，不仅适用于彩色LED，也适用于白光LED。进一步在LED封装器件外加置光探测器，结合调光电路对LED芯片的电流的调节，在应用中与计算机结合，充分利用调光特性，便可实现对LED封装器件的色彩、色温、亮度等的智能控制调节，实现通用照明和情景照明的有机融合。
本实施例通过将两个或两个以上的LED芯片通过一透镜封装在同一个腔内，结合调光电路，可以自由地调节显色、色温以及亮度，而且在其中至少一个LED芯片上涂覆的荧光粉层有发射光谱宽的特点，解决了现有技术中彩色LED器件光谱窄或光谱不连续，白光LED器件显色性偏低、光一致性偏低以及不可调光的问题，使得整体LED器件混光效果好，光色一致性高，同时可以自由地调节显色、色温以及亮度。
本实施例适合各种封装方式，如插脚式、表贴式、大功率、COB封装、SIP封装、晶圆级封装，尤其适合于进行晶圆级封装，其适合于进行晶圆级封装，即通过粘性胶黏着或倒装焊的方式将多组芯片固定在经过处理的晶圆上，以晶圆为载体完成焊线、点胶、灌胶、透镜成型等工艺流程，最终切片得到单独的LED封装器件，行晶圆级封装适用于低成本大规模制造，一次可以封装成型多组可调光的LED封装器件，成型器件光色一致性佳，产量高，成本低。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED封装方法，其特征在于，包括：
将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上；
制作可透光的透镜层，所述透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在其中至少一个LED芯片的外表面涂覆荧光粉层，所述透镜层将所述荧光粉层和该组LED芯片封装在同一个腔内。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述荧光粉层为一层，或为激发不同波长光的两层或两层以上，涂覆荧光粉层的步骤包括：在LED芯片的外表面直接涂覆，或者在LED芯片的外表面先涂覆透明胶体封装层，在固化成型或半成型的透明胶体封装层的外表面涂覆荧光粉层。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，制作可透光的透镜层的方法包括：模压法或点胶自成型法中的一种或两种。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述透镜层中含有散射剂。
6.一种LED封装器件的光调节方法，其特征在于，包括：
将两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片组合成一组安装在同一基板上；
将其中的至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至一调光电路；
制作可透光的透镜层，所述透镜层将组合成一组的LED芯片封装在同一个腔内。
7.一种LED封装器件，包括基板，其特征在于，还包括：安装于所述基板上的两个或两个以上产生不同发光波长的LED芯片，以及用于将各LED芯片封装在同一个腔内的透镜层。
8.如权利要求7所述的LED封装器件，其特征在于，还包括用于封装所述LED芯片的荧光粉层，荧光粉层成型在所述LED芯片的外表面与所述透镜层的内表面之间。
9.如权利要求8所述的LED封装器件，其特征在于，所述荧光粉层为一层，或为激发不同波长光的两层或两层以上。
10.一种LED封装器件的光调节系统，其特征在于，包括权利要求7至9中任一项所述的LED封装器件，以及用于所述LED封装器件进行调光的调光电路，所述LED封装器件的至少一个LED芯片由不同的电极引出，接至所述调光电路。
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