CN103915546B - 半导体led荧光封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体LED荧光封装结构，包括封装基板，所述封装基板表面贴装有LED元件；所述LED元件被设置在所述封装基板上的透明漫反射层内；所述透明漫反射层的外表面上设有第一荧光层；所述第一荧光层的外表面上设置有第二荧光层；所述的第二荧光层外表面设置有荧光保护层。本发明所述的半导体LED荧光封装结构，通过在漫反射层上分别设置黄色荧光粉和红色荧光粉，不仅避免了黄色和红色荧光粉混合使用造成的不均匀性问题，而且还能够减缓了荧光粉的衰减，提高了LED元件的光效；同时也减少了封装结构内的全反射，也有利于提高出光效率。
Description
技术领域
本发明属于LED封装的技术领域，更具体的说，本发明涉及一种半导体LED荧光封装结构。
背景技术
发光二极管（LED）为固态光源，其工作原理为电子和空穴在p半导体与n半导体结处的结合。利用发光二极管(LED)的白光源可以有两种基本结构。一种为直接发光式LED的基本结构中，即通过不同颜色的LED直接发光而产生白光，例如通过包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的组合，以及蓝色LED和黄色LED的组合来产生白光。另一种为基于LED-受激荧光粉的光源基本结构，单个LED产生的光束处于较窄的波长范围内，该光束照射到荧光材料上并激发荧光材料产生可见光。该荧光粉可以包含不同种类的荧光材料的混合物或复合物，并且由荧光粉发出的光可以包括分布在整个可见光波长范围的多条窄的发射线，使得所发出的光在人类的肉眼看来基本上呈白色。
根据实际使用的要求，LED的封装方法是多样化的，但是主流的封装方式通常是在封装基板上表面安装的“表面安装类型”。导线图案(引线)被形成在包括树脂或者陶瓷材料的封装基板的表面上，并且LED元件经由粘结剂例如银膏而被安装在导线图案上。LED元件的上电极利用线例如金线而被连接到另一引线。为了保护线和LED元件，填充封装树脂以形成封装树脂层。在封装树脂层中，粉状荧光体得以分散。
现有技术中，通常使用基于氮化镓基化合物半导体例如GaN、GaAlN、InGaN或者InAlGaN的蓝色LED或者近紫外LED。在所述LED中能够通过使用荧光体材料而获得白色光或者其它可见光发射，荧光体材料吸收来自LED的部分或者全部发射作为激发光并且将波长转换成具有更长波长的可见光。例如：荧光粉将蓝色转变为红色和绿色波长。部分蓝色激发光不会被荧光粉吸收，而部分残余的蓝色激发光与荧光粉发出的红光和绿光混合起来。受激LED白光的另一个例子是照射荧光粉的紫外(UV)LED，所述荧光粉吸收UV光并使其转变为红、绿和蓝光。
受激LED白色光源优于直接发光式LED白色光源之处在于，其具有更好的老化程度和温度相关的色彩稳定性，以及更好的不同批次之间的色彩一致性/重复性。但是受激LED不如直接发光式LED有效率，部分原因在于荧光粉吸收光和再发光过程中的低效率。
发明内容
为了实现本发明的发明目的，本发明提供一种半导体LED荧光封装结构。
本发明所述的半导体LED荧光封装结构，包括封装基板，所述封装基板表面贴装有LED元件；其特征在于：所述LED元件被设置在所述封装基板上的透明漫反射层内；所述透明漫反射层的外表面上设有第一荧光层；所述第一荧光层的外表面上设置有第二荧光层；所述的第二荧光层外表面设置有荧光保护层。
其中，所述漫反射层由包含透明树脂和纳米无机填料的树脂组合物的固化材料形成；且所述纳米无机填料的平均粒径为20～100nm，且其含量为5～8wt%。
其中，所述透明树脂为硅树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。
其中，所述无机填料优选为选自氧化铝、氮化铝、氧化钛、钛酸钡、硫酸钡、碳酸钡、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氧化硅、氮化硅、氮化镓或氧化锆中的一种或几种。
其中，所述的LED元件为具有350nm到480nm的波长的蓝色LED元件。
其中，所述第一荧光层在蓝光激发下发射黄绿光；所述第二荧光层在蓝光激发下发射红光。
其中，所述第一荧光层和第二荧光层中还包含非荧光材料，例如金属颗粒、陶瓷颗粒等。
本发明所述的半导体LED荧光封装结构与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明所述的半导体LED荧光封装结构，通过在漫反射层上分别设置黄色荧光粉和红色荧光粉，不仅避免了黄色和红色荧光粉混合使用造成的不均匀性问题，而且还能够减缓了荧光粉的衰减，提高了LED元件的光效；同时也减少了封装结构内的全反射，也有利于提高出光效率。
附图说明
图1为本发明所述的半导体LED荧光封装结构的结构示意图。
图2为实施例1所述的半导体LED荧光封装结构的激发光谱图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的半导体LED荧光封装结构，包括封装基板10，所述封装基板10表面贴装有LED元件20；所述LED元件20被设置在所述封装基板10上的透明漫反射层30内；所述透明漫反射层30的外表面上设有第一荧光层40；所述第一荧光层40的外表面上设置有第二荧光层50；所述的第二荧光层50外表面设置有荧光保护层60。所述漫反射层由包含透明树脂和纳米无机填料的树脂组合物的固化材料形成；且所述纳米无机填料的平均粒径为20～100nm，且其含量为5～8wt%。所述透明树脂为硅树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。所述无机填料优选为选自氧化铝、氮化铝、氧化钛、钛酸钡、硫酸钡、碳酸钡、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氧化硅、氮化硅、氮化镓或氧化锆中的一种或几种。在本发明中，所述的LED元件为具有350nm到480nm的波长的蓝色LED元件。所述第一荧光层在蓝光激发下发射黄绿光；所述第二荧光层在蓝光激发下发射红光。所述第一荧光层在蓝光激发下发射红光；所述第二荧光层在蓝光激发下发射黄绿光。所述荧光粉的具体实例包括具有石榴石型晶体结构的荧光体如Y3Al5O12：Ce、(Y，Gd)3Al5O12：Ce、Tb3Al3O12：Ce、Ca3Sc2Si3O12：Ce和Lu2CaMg2(Si，Ge)3O12：Ce。硅酸盐荧光体如(Sr，Ba)2SiO4：Eu、Ca3SiO4Cl2：Eu、Sr3SiO5：Eu、Li2SrSiO4：Eu和Ca3Si2O7：Eu。包括铝酸盐荧光体等的氧化物荧光体例如CaAl12O19：Mn和SrAl2O4：Eu；硫化物荧光体例如ZnS：Cu、CaS：Eu、CaGa2S4：Eu和SrGa2S4：Eu。氮氧化物荧光体例如CaSi2O2N2：Eu、SrSi2O2N2：Eu、BaSi2O2N2：Eu和Ca-α-SiAlON。氮化物荧光体例如CaAlSiN3：Eu和CaSi5N8：Eu等。所述荧光层例如可以通过将所述荧光粉可以分散在有机透明介质中形成，所述有机透明介质为硅树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。此外为了改善和增强所述包含荧光粉的材料的反射、漫反射效果以及为了提高散热效果，在所述的含有光粉的材料中还含有非荧光材料，例如金属颗粒、玻璃颗粒或者陶瓷颗粒等。
以下将结合实施例和附图对所述的半导体LED荧光封装结构做进一步的详细说明。
荧光粉
作为示例性和优选地，本发明使用的第一荧光层中所含的荧光粉由通式Eu2-x-yAlyCaxMn0.5xO3表示，其中0.1≤x≤0.2，0.4≤y≤0.6。通过中心波长为450nm的蓝光（例如蓝光LED）激发所述荧光粉激发时发射黄绿光。荧光粉分散在树脂等中的最佳浓度受到如下因素的影响：例如树脂的所用母体的类型、原料的粘度、颗粒形状、荧光粉的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布等等。本领域的技术人员可以根据使用条件或其他因素选择荧光粉的浓度。为了控制具有高可分散性的荧光粉的分布，所述荧光粉优选具有0.1至5μm的平均颗粒尺寸。为了改善和增强所述包含荧光粉的材料的反射、漫反射效果以及为了提高散热效果，可以在所述树脂中添加金属氧化物颗粒，但为了不影响其透光性，优选使用纳米尺寸的金属氧化物颗粒。本发明所述的荧光粉可以通过以下方法制备得到。使用铕的化合物、钙的化合物、铝的化合物和锰的化合物，所述化合物通过加热形成氧化物，其比例满足通式Eu2-x-yAlyCaxMn0.5xO3中的比例要求。将所述化合物混合在一起置于坩锅中，并在空气中于800至1000℃加热3～5小时。在冷却后，通过球磨机击碎并研磨成粉，之后用水洗涤获得的粉末。分离后、干燥、破碎获得所述的荧光粉。
作为示例性地，本发明使用的第二荧光层中所含的荧光粉由通式Eu2-x-yYyBaxMn0.5xO3表示，其中0.1≤x≤0.2，0.2≤y≤0.3。本发明的荧光粉包含铕离子作为活化剂。当铕浓度最大时，可以获得最高的发光强度。通过波长为450nm的蓝光激发所述荧光粉激发时发射红光。荧光粉分散在树脂等中的最佳浓度受到如下因素的影响：例如树脂的原料的粘度、颗粒形状、荧光粉的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布等等。本领域的技术人员可以根据使用条件或其他因素选择荧光粉的浓度。为了控制具有高可分散性的荧光粉的分布，所述荧光粉优选具有0.1至5μm的平均颗粒尺寸。为了改善和增强所述包含荧光粉的材料的反射、漫反射效果以及为了提高散热效果，可以在所述树脂中添加金属氧化物颗粒，但为了不影响其透光性，优选使用纳米尺寸的金属氧化物颗粒。本发明所述的荧光粉可以通过以下方法制备得到。使用铕的化合物、钇的化合物、钡的化合物和锰的化合物，所述化合物通过加热形成氧化物，其比例满足通式通式Eu2-x-yYyBaxMn0.5xO3中的比例要求。将所述化合物混合在一起置于坩锅中，并在空气中于1000至1200℃加热2～5小时。在冷却后，通过球磨机击碎并研磨成粉，之后用水洗涤获得的粉末。分离后、干燥、破碎获得所述的荧光粉。
实施例1
第一荧光层中所含的荧光粉为Eu26Al12Ca2MnO60。第二荧光层中所含的荧光粉为Eu15Y3Ba2Mn1O30。荧光粉的平均颗粒尺寸均为4.2μm。使用有机硅树脂作为透明材料，将所述荧光粉与透明材料混合加热固化形成第一荧光层和第二荧光层。所述第一透明漫反射层和第二透明漫反射层的透明树脂同样选择有机硅树脂。并采用蓝光LED封装形成附图1所示的封装结构（不含透明保护层）。当运行LED后，测量其激发光谱，其结果如附图2所示。
透明保护层
在本发明中所述透明保护层，能够为荧光层提供足够的防护，具有良好的耐磨性和防水性能，而且透光性好。所述透明保护层是由20.5～21.0wt%的MDI、13.5～15.0wt%的PEG1000、3.5～4.0wt%的对苯二甲酸、1.2～1.3wt%的三羟甲基丙烷、1.1～1.2wt%的乙氧化双酚F二丙烯酸酯、2.0～2.2wt%的苯硫乙烷乙基丙烯酸、1.5～1.8wt%的2-十一烷基咪唑、0.1～0.2wt%的消泡剂、0.1～0.2wt%的流平剂、0.20～0.25wt%的催化剂、5.0～5.5wt%的纳米氧化铝、7.5～8.0wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯均匀混合得到预聚物，然后进行涂布并在80～100℃的条件下固化处理30～50min。
实施例2
本实施利所述透明保护层，厚度约为500μm，其是由21.0wt%的MDI、15.0wt%的PEG1000、4.0wt%的对苯二甲酸、1.3wt%的三羟甲基丙烷、1.2wt%的乙氧化双酚F二丙烯酸酯、2.0wt%的苯硫乙烷乙基丙烯酸、1.5wt%的2-十一烷基咪唑、0.15wt%的消泡剂BYK-052、0.15wt%的流平剂BYK-307、0.20wt%的二月桂酸二丁基锡、5.5wt%的纳米氧化铝、8.0wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯在300～400转/分钟的搅拌速度下，搅拌30分钟得到预聚物，然后进行涂布并在100℃的条件下固化处理30min。
实施例3
本实施利所述透明保护层，厚度约为500μm，其是由20.5wt%的MDI、13.5wt%的PEG1000、3.5wt%的对苯二甲酸、1.2wt%的三羟甲基丙烷、1.1wt%的乙氧化双酚F二丙烯酸酯、2.2wt%的苯硫乙烷乙基丙烯酸、1.8wt%的2-十一烷基咪唑、0.15wt%的消泡剂BYK-052、0.15wt%的流平剂BYK-307、0.20wt%的二月桂酸二丁基锡、5.0wt%的纳米氧化铝、7.5wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯在300～400转/分钟的搅拌速度下，搅拌30分钟得到预聚物，然后进行涂布并在100℃的条件下固化处理30min。
对比例1
本实施利所述透明保护层，厚度约为500μm，其是由20.5wt%的MDI、13.5wt%的PEG1000、3.5wt%的对苯二甲酸、1.2wt%的三羟甲基丙烷、2.2wt%的苯硫乙烷乙基丙烯酸、1.8wt%的2-十一烷基咪唑、0.15wt%的消泡剂BYK-052、0.15wt%的流平剂BYK-307、0.20wt%的二月桂酸二丁基锡、5.0wt%的纳米氧化铝、7.5wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯在300～400转/分钟的搅拌速度下，搅拌30分钟得到预聚物，然后进行涂布并在100℃的条件下固化处理30min。
对比例2
本实施利所述透明保护层，厚度约为500μm，其是由20.5wt%的MDI、13.5wt%的PEG1000、3.5wt%的对苯二甲酸、1.2wt%的三羟甲基丙烷、2.2wt%的苯硫乙烷乙基丙烯酸、1.8wt%的2-十一烷基咪唑、0.15wt%的消泡剂BYK-052、0.15wt%的流平剂BYK-307、0.20wt%的二月桂酸二丁基锡、5.0wt%的纳米氧化铝、7.5wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯在300～400转/分钟的搅拌速度下，搅拌30分钟得到预聚物，然后进行涂布并在100℃的条件下固化处理30min。
对比例3
本实施利所述透明保护层，厚度约为500μm，其是由20.5wt%的MDI、13.5wt%的PEG1000、3.5wt%的对苯二甲酸、1.2wt%的三羟甲基丙烷、1.8wt%的2-十一烷基咪唑、0.15wt%的消泡剂BYK-052、0.15wt%的流平剂BYK-307、0.20wt%的二月桂酸二丁基锡、5.0wt%的纳米氧化铝、7.5wt%的异丙醇和余量的乙酸丁酯在300～400转/分钟的搅拌速度下，搅拌30分钟得到预聚物，然后进行涂布并在100℃的条件下固化处理30min。
作为上述透明保护层的性能测试，在金属基板上形成上述透明保护层，硬度采用标准GB/T1730-1993进行测试，耐磨性采用标准ISO7784-2：1997进行测试，耐水性采用标准GB/T4893.1-2005进行测试；测试结果如表2所示。
表1
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种半导体LED荧光封装结构，包括封装基板，所述封装基板表面贴装有LED元件；其特征在于：所述LED元件被设置在所述封装基板上的透明漫反射层内；所述透明漫反射层的外表面上设有第一荧光层；所述第一荧光层的外表面上设置有第二荧光层；所述的第二荧光层外表面设置有荧光保护层；所述荧光保护层由包含MDI、PEG1000、对苯二甲酸、三羟甲基丙烷、乙氧化双酚F二丙烯酸酯和苯硫乙烷乙基丙烯酸的单体涂布并固化形成。
2.根据权利要求1所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述漫反射层由包含透明树脂和纳米无机填料的树脂组合物的固化材料形成；且所述纳米无机填料的平均粒径为20～100nm，且其含量为5～8wt％。
3.根据权利要求2所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述透明树脂为硅树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。
4.根据权利要求2所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述无机填料选自氧化铝、氮化铝、氧化钛、钛酸钡、硫酸钡、碳酸钡、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氧化硅、氮化硅、氮化镓或氧化锆中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述的LED元件为具有350nm到480nm的波长的蓝色LED元件。
6.根据权利要求1所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述第一荧光层在蓝光激发下发射黄绿光；所述第二荧光层在蓝光激发下发射红光。
7.根据权利要求6所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述第一荧光层和第二荧光层中还包含非荧光材料。
8.根据权利要求6所述的半导体LED荧光封装结构，其特征在于：所述第一荧光层中所含的荧光粉由通式Eu2-x-yAlyCaxMn0.5xO3表示，其中0.1≤x≤0.2，0.4≤y≤0.6；所述第二荧光层中所含的荧光粉由通式Eu2-x-yYyBaxMn0.5xO3表示，其中0.1≤x≤0.2，0.2≤y≤0.3。
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