CN103325926A - 一种用于板上芯片led封装结构及其荧光粉涂覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于板上芯片LED封装结构及其荧光粉涂覆方法。封装结构包括LED封装基板和玻璃盖板；在封装基板上设有多个用于放置LED芯片的基板凹槽，玻璃盖板上也开有对应的盖板凹槽，玻璃盖板的周边设有截面为矩形的凸起，荧光粉层为分离状，涂覆在各LED芯片上，并限制在盖板凹槽和基板凹槽所包围的空间区域内。该荧光粉涂覆方式是利用基板和玻璃盖板上的凹槽结构对荧光粉胶的滞止效应实现相互分离，复杂的荧光粉几何形貌。该方法实现容易理想光学性能要求的复杂荧光粉层几何形状，保证达到高的空间颜色均匀性；同时分离的荧光粉结构利于节省荧光粉用量，降低封装成本；增加的玻璃盖板结构本身还将为荧光粉层提供一条散热，从而有效提高荧光粉层的可靠性。

Description

一种用于板上芯片LED封装结构及其荧光粉涂覆方法

技术领域

本发明属于LED封装技术，涉及一种新型的板上芯片LED封装结构及其荧光粉涂覆方法，本发明可以用于提高板上芯片结构的LED照明产品空间光色空间颜色均匀性，节省封装材料成本和提高可靠性，将特别应用于大规模LED封装生产中。

背景技术

LEDs(Light Emitting Diodes)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能和体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，如景观照明、汽车大灯、路灯和背光等，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。

LED取代传统照明方式的首要任务是提高其出光效率和可靠性，通过多年的研究和技术发展，目前商用LED产品的出光效率已经达到100-150lm/W，而实验室水平更是达到了280lm/W，远高于传统光源的光效；同时，随着封装工艺的改进、散热结构的优化以及驱动可靠性的提高，LED的可靠性也得到了大幅的提高。为了进一步提高LED产品的照明质量，LED光色品质越来越受到大家的重视，具体可以包括LED空间颜色均匀性两方面，例如美国能源部将提高LED光色一致性、减少分Bin数量作为LED照明发展的主要五大挑战之一，同时美国能源之星(Energy Star)于2008年已经将LED封装及灯具的空间颜色均匀性列为LED照明质量评估指标之一。随着LED在室内照明领域的迅速推广(如商业照明、家居照明、办公室照明等)，人们对LED照明的要求已经从“照亮”逐步转变为“照舒服”，因此LED封装时通过准确控制的封装工艺，提高LED光色一致性和空间颜色均匀性，已成为拓宽LED照明领域，加速LED取代传统照明的一个重要的技术目标。

大功率白光LED通常是由两波长光(蓝色光+黄色光)或者三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)混合而成。目前广泛采用的白光LED是通过蓝色LED芯片(GaN)和黄色荧光粉(YAG或TAG)组成。在LED封装中荧光粉层参数，特别是荧光粉层的几何形貌严重影响LED的出光效率、色温、空间颜色均匀性等重要光学性能；因此实现LED产品照明的高空间颜色均匀性的关键在于实现理想的荧光粉涂覆(Zheng et al.OPTICS EXPRESS，vol.20，pp.5092-5098，2012)。

当前一种集成多颗LED芯片封装的结构，板上芯片(chip on board)封装结构广泛用于各类的LED照明领域中。板上芯片的LED封装主要优点在于芯片基板上的封装层非常少，从而很大程度上降低了LED封装结构的热阻；然而由于多颗LED芯片集成在一块基板上，相对于单颗LED而言，理想光学性能实现对荧光粉涂覆提出了很高的要求。如图1-3所示，当前在板上芯片结构的LED封装中通常使用围胶圈包围所有LED芯片，同时在围胶圈中心填满荧光粉胶(中国专利CN 102361058A)，这种荧光粉涂覆方法将严重影响LED封装的光色空间均匀性；此外芯片之间的大部分荧光粉没有参与蓝光到黄光的转化，因此造成荧光粉材料的大幅浪费，增加LED封装制造成本。同时，由于荧光粉在实现蓝光到黄光的转化的过程中将会产生热量，板上芯片封装结构中集成多颗LED芯片，因此单位体积内荧光粉吸收的蓝光增加，进而产生更多的热量；当前采用的这种荧光粉涂覆方法还将导致荧光粉层的传热能力有限，使得荧光粉的温度升高，最终导致荧光粉层的可靠性降低，甚至引起荧光粉层烧毁(Luo et al.International Journal of Heatand Mass Transfer，Vol.58，pp：276-281，2013)。综合上述分析，板上芯片结构LED封装迫切需要寻找到一种新的荧光粉涂覆方法，从而实现低成本、高光品质和高可靠性。

发明内容

本发明针对板上芯片结构的LED封装提出一种用于板上芯片结构LED荧光粉涂覆结构及其荧光粉涂覆方法，其目的在于提升板上芯片LED封装的空间颜色均匀性，节省封装用荧光粉材料，同时有效降低荧光粉层温度，提高荧光粉层的可靠性。

本发明提供的一种用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，它包括LED封装基板和玻璃盖板；在封装基板上设有多个用于限制荧光粉分布的基板凹槽，玻璃盖板上也开有与基板凹槽位置对应的盖板凹槽，玻璃盖板的周边设有截面为矩形的凸起，荧光粉层为分离状，涂覆在各LED芯片上，并限制在盖板凹槽和基板凹槽所包围的空间区域内。

本发明提供的利用上述用于板上芯片LED封装结构进行荧光粉涂覆的方法，其步骤包括：

第1步将多颗LED芯片键合在带电极的封闭基板的基板凹槽中，其中芯片贴合在基板凹槽所围区域的中心位置，并完成引线键合工艺，实现电连接；

第2步将荧光粉胶涂覆在各LED芯片周围，使其荧光粉胶被限制在各基板凹槽区域内；

第3步将边缘带矩形环凸起的玻璃盖板贴合在封装基板上，使荧光粉胶被限制在玻璃凹槽和基板结构的凹槽所包围的空间区域内；

第4步在完成LED封装模块完成上述工艺之后，被转移到高温烘烤箱中对荧光粉胶进行固化。

本发明在荧光粉涂覆中通过基板上的凹槽结构和增加带凹槽结构的玻璃盖板，实现各芯片周围涂覆的荧光粉层分离，即每一个芯片之间都有单独的荧光粉层；同时基板和玻璃板上的凹槽结构能对荧光粉层形貌进行控制，实现理想的荧光粉层几何形状，保证达到高的空间颜色均匀性。这种荧光粉层结构去除了芯片之间多余的荧光粉，从而有利于封装成本的降低。同时相对于传统板上芯片封装结构，增加的玻璃盖板本身能够为荧光粉层提供一条散热途径，由于玻璃的导热系数为荧光粉层导热系数的5倍，从而有效降低荧光粉层温度，提高荧光粉层的可靠性。

与目前大部分荧光粉涂覆相比，本发明能够大幅减少荧光粉用量，特别是在芯片间距较大的情况下；同时涂覆的荧光粉几何形貌可以通过玻璃盖板和基板上的凹槽结构进行有效控制，容易实现复杂，光学性能理想的荧光粉几何形貌；同时玻璃盖板的增加有利于将荧光粉层在光转化过程中的热量有效导出，从而提高荧光粉的可靠性。

附图说明

图1-3为传统板上芯片LED封装结构；其中图1为传统板上芯片封装结构的方框结构三维示意图；图2将荧光粉层向上移动的实体示意图；图3为截面图。

图4为本发明实例提供的一种用于板上芯片结构LED封装结构的结构示意图；

图5-8为本发明的荧光粉涂覆方法和实现的板上芯片的结构示意图；其中，图5为带凹槽基板结构示意图，图6为带凹槽和边缘矩形凸起的玻璃盖板，图7为固定LED芯片的LED基板结构。

图8-11为本发明荧光粉涂覆方法示意图；其中，图8为在基板结构上点涂荧光粉胶，图9为将玻璃盖板贴合在基板上，图10表示板上芯片封装结构的方框结构三维示意图，图11表示玻璃盖板向上移动后实体示意图。

图中符号说明：1001，LED封装基板；1002，围胶圈；1003，电极；1004，LED芯片；1005，荧光粉层；1006，基板凹槽；1007，玻璃盖板；1008，矩形凸起环；1009，玻璃盖板凹槽；1010，金线；1011，点胶装置；1012，荧光粉与封装胶混合物。

具体实施方式

本发明提出的一种应用于板上芯片结构LED封装的荧光粉涂覆结构及其荧光粉涂覆方法，本发明实现需要基板和玻璃盖板上的凹槽结构控制荧光粉涂覆的荧光粉胶分布，实现互相包裹单颗芯片并且分离的荧光粉层，且各分离的荧光粉层为高空间颜色均匀的几何形貌。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图4所示，本发明提供的应用于板上芯片结构LED封装结构包括LED封装基板1001、LED芯片1004、荧光粉层1005和玻璃盖板1007；如图5所示在封装基板1001上设有多个凹槽，称之为基板凹槽，凹槽个数与待封装的LED芯片1004数量相等。凹槽为闭合结构或者未闭合结构，凹槽所围的区域可以为四边形，圆形或者其它几何形状，凹槽截面可以为矩形，圆形等几何形貌，凹槽的宽度为0.01-1mm，深度可以为0.01-0.04mm；当凹槽为闭合结构时，凹槽所围的区域为一个独立区域，凹槽为未闭合结构时，凹槽所围的区域为一个非独立区域。

LED芯片1004位于凹槽所围的区域的中心位置；如图6所示玻璃盖板1007上也开有与LED封装基板1001上凹槽位置对应的凹槽，称之为盖板凹槽，盖板凹槽也可以为闭合结构或者未闭合结构，凹槽所围的区域可以为四边形，圆形或者其它几何形状，凹槽截面可以为矩形，圆形等几何形貌，凹槽的宽度为0.01-1mm，深度可以为0.01-0.04mm；玻璃盖板的周边设有截面为矩形的凸起，其中凸起的高度为0.2-1mm，宽度为1-2mm。荧光粉层1005为分离状，限制在盖板凹槽和基板凹槽所包围的空间区域内。

基板的材料可以是铜、铝等金属基板材料，硅，陶瓷和PCB板等非金属基板材料；

基板机构可以通过数控铣床，线切割、锻压、注塑和刻蚀等加工工艺实现；

基板的表面为反光层，反光层的材料可以为银或其它的反光材料。

本发明提供的板上芯片LED封装中的荧光粉涂覆具体实施主要包括以下几个工艺步骤：

第1步如图7所示，在带电极1003的封装基板1001上开有带凹槽结构1006，多颗LED芯片1004键合在带凹槽结构的基板1001上，其中芯片贴合在凹槽所围区域的中心位置，并完成引线键合工艺，实现电连接。

第2步如图8所示，荧光粉与封装胶的混合物经过充分混合后涂覆在LED芯片周围；由于凹槽边缘对流体有滞止效应，荧光粉胶被限制在凹槽区域内。

第3步如图9所示，带凹槽，边缘带矩形环凸起的玻璃盖板贴合在基板上；玻璃板上的凹槽与基板上凹槽形状相同，大小可能不一样，在玻璃板贴合的过程中，玻璃板和基板上的凹槽所围的区域在垂直方向保持中心对称；同时由于玻璃板边缘存在凸起结构，所以LED芯片与玻璃板之间存在间隙，间隙的高度为矩形环凸起的高度。在玻璃板贴合的过程中，步骤2涂覆的荧光粉胶混合物将于玻璃板表面接触，由于荧光粉胶在玻璃板上良好的润湿作用，荧光粉胶将在玻璃板上铺展开，当到达玻璃板上的凹槽结构处时，荧光粉胶也将停止铺展；如图10-11所示，最终荧光粉胶被限制在玻璃凹槽和基板结构的凹槽所包围的空间区域内，可以通过基板凹槽的几何形状和大小获得荧光粉胶的具体形貌。如盖板凹槽和基板凹槽所围成的区域为圆形，将形成圆柱或圆锥状的荧光粉形貌，如盖板凹槽和基板凹槽所围成的区域为方形，将形成立方体或立方锥形状的荧光粉形貌，而如盖板凹槽和基板凹槽所围成的区域分别为方形和圆形是将形成一个端面从圆形过渡到方形的复杂荧光粉层形状；通过调节玻璃盖板上的凸起高度，控制理想的荧光粉涂覆的厚度；

第4步在完成LED封装模块完成上述工艺之后，被转移到高温烘烤箱中对荧光粉胶进行固化。

具体的荧光粉胶涂覆方法实现：首先将LED芯片多颗LED芯片键合在带凹槽结构的基板上，其中芯片贴合在凹槽所围区域的中心位置，并完成引线键合工艺，实现电连接；然后荧光粉与封装胶的混合物经过充分混合后涂覆，在LED芯片周围，荧光粉胶被限制在凹槽区域内；再次带凹槽，边缘带矩形环凸起的玻璃盖板贴合在基板上；在玻璃板贴合的过程中，步骤2涂覆的荧光粉胶混合物将于玻璃板表面接触，由于荧光粉胶在玻璃板上良好的润湿作用，荧光粉胶将在玻璃板上铺展开，当到达玻璃板上的凹槽结构处时，荧光粉胶也将停止铺展；最终荧光粉胶被限制在玻璃凹槽和基板结构的凹槽所包围的空间区域内，而荧光粉胶的具体形貌可以通过盖板凹槽和基板凹槽几何形状和大小，以及玻璃盖板上的凸起高度控制，从而实现理想的荧光粉涂覆；最后在完成LED封装模块完成上述工艺之后，被转移到高温烘烤箱中对荧光粉胶进行固化。

荧光粉胶中的封装胶体可以为硅胶，环氧树脂等其他透明封装胶；

用于封装的LED芯片可以是GaN等二元材料或者AlGaNP等四元材料组成和其它芯片。

荧光粉胶中的荧光粉可以是YAG和TAG等所有LED封装采用的荧光粉。

配置荧光粉胶使用胶材可以是硅胶、环氧树脂和液态玻璃等胶材组成。

荧光粉胶中荧光粉的浓度可以是0.01g/ml～2.0g/ml。

胶材和荧光粉胶转移到基板上的途径可通过注射器滴涂，喷涂等途径。

实施例1

参见图8所示，通过点胶涂覆装置1011将荧光粉与硅胶的混合物1012涂覆在完成与LED基板1001贴合和引线键合的LED芯片周围，由于基板上凹槽1006的限制作用，荧光粉胶层1005限制在基板凹槽1006所围的圆形区域内，由于表面张力的作用下，荧光粉层1005的形貌为一球帽形；在该过程涂覆的荧光粉胶的中荧光粉浓度为1.5g/ml，涂覆的荧光粉胶量为1.2μl。然后带凹槽1009、边缘存在凸起1009的玻璃盖板1007贴合到LED基板1001上，玻璃盖板上凹槽1009包围的区域为圆形，边缘凸起1008的高度为0.45mm；在玻璃盖板贴合的过程中，基板与玻璃盖板上凹槽包围的圆形区域的中心对准向下移动；如图9所示，当玻璃盖板的表面接触到涂覆的荧光粉胶后，荧光粉胶将沿着玻璃表面铺展，遇到玻璃盖板上的凹槽结构之后也将停止铺展；最终荧光粉胶现在的两个凹槽包围的空间区域内容，由于凹槽包围区域为圆形，所以最终实现的荧光粉形貌为一类似圆锥状的几何形状。完成上述工艺的LED模块被转移到温度为150℃的烘烤箱中1小时进行荧光粉胶固化，所得到的封装结构如图4、10和11所示。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，它包括LED封装基板和玻璃盖板；在封装基板上设有多个用于限制荧光粉分布的基板凹槽，玻璃盖板上也开有与基板凹槽位置对应的盖板凹槽，玻璃盖板的周边设有截面为矩形的凸起，荧光粉层为分离状，涂覆在各LED芯片上，并限制在盖板凹槽和基板凹槽所包围的空间区域内。

2.根据权利要求1所述的用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，所述基板凹槽为闭合结构或者未闭合结构。

3.根据权利要求1所述的用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，所述基板凹槽的深度为0.01mm-0.04mm，宽度为0.01mm-1mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，所述凸起的高度为0.2mm-1mm，宽度为1mm-2mm。

5.根据权利要求4所述的用于板上芯片LED封装结构，其特征在于，所述封装基板的表面为反光层。

6.一种利用权利要求1所述用于板上芯片LED封装结构进行荧光粉涂覆的方法，其步骤包括：

第1步将多颗LED芯片键合在带电极的封闭基板的基板凹槽中，其中芯片贴合在基板凹槽所围区域的中心位置，并完成引线键合工艺，实现电连接；

第2步将荧光粉胶涂覆在各LED芯片周围，使其荧光粉胶被限制在各基板凹槽区域内；

第3步将边缘带矩形环凸起的玻璃盖板贴合在封装基板上，使荧光粉胶被限制在玻璃凹槽和基板结构的凹槽所包围的空间区域内；

第4步在完成LED封装模块完成上述工艺之后，被转移到高温烘烤箱中对荧光粉胶进行固化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述荧光粉胶中荧光粉的浓度是0.01g/ml～2.0g/ml。

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