CN104393155B - 基于对称周期的发光二极管封装方法以及led封装体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对称周期的发光二极管封装方法以及LED封装体，该LED封装体，包括LED芯片以及覆盖在LED芯片上的封装胶体层，封装胶体层由周期数为T的高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，封装胶体层的等效折射率、厚度为n、D，低折射率封装胶层的折射率、厚度为n1、d1，高折射率封装胶层的折射率、厚度为n2、d2，其中，n＝(n1×d1+n2×2×d2)/d1+2×d2；n2d2＝λ0/8；D＝T(d1+2d2)。该方法包括：按照上述参数制备得到LED封装体。本发明基于对称膜系等效原理，将纳米封装层用一个对称周期薄膜代替，减少光在LED芯片与封装材料和封装材料与空气间的光损耗，提高LED的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装结构领域，具体涉及一种具有折射率可调的对称周期薄膜发光二极管封装方法以及LED封装体。
背景技术
LED(light emitting diode)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长等特点。近年来，国内外对LED进行了大量的研制和推广，使得LED的得到巨大的发展。LED的内量子效率已经不成为提高LED亮度的决定性因素，如何提高外量子效率是当前研究LED的热点。商业上的LED芯片的折射率在2.4—4.0之间，而LED封装材料的折射率普遍在1.4—1.51之间。根据光的折射定理，如果芯片与封装胶之间的折射率差过大，则芯片光的出光角度会较小。因此，LED产生的光只有一小部分能通过LED封装层，大部分光会被反射回芯片。通过提高LED封装材料的折射率能有效增大LED芯片的出光角度。目前提高封装材料折射率的方法主要是往封装胶中引入一些纳米粒子，制备纳米复合封装胶。已有多种折射率超过1.6的纳米复合封装胶。
但是，随着封装胶折射率的提高，光线在封装胶/空气界面发生全反射的比例会增加。因此，单纯地增加封装材料的折射率并不能有效地提高LED的外量子效率。并且由于纳米粒子的引入，使封装胶具有光散射能力，导致纳米复合封装层厚度受到材料的散射系数的影响，进一步降低了LED的外量子效率。
申请公布号为CN 103840046A(申请号为201210486695.X)的中国发明专利申请公开了一种LED外延片及其制备方法，该LED外延片包括：图形化衬底、外延层和发射层，所述的外延层形成于所述图形化衬底的正面，所述发射层形成于所述图形化衬底的背面，所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。所述低折射率膜层的材料包括：Na3AlF6、SiO2、MgF2、LiF或LaF3，所述高折射率膜层的材料包括：Y2O3、HfO2、Ta2O5或TiO2。该技术方案通过低折射率膜层和高折射率膜层交替形成的反射层将LED芯片背面的光反射到LED芯片的正面，该反射层发射效率好，从而提高出光效率。
申请公布号为CN 101740677A(申请号为200810217488.8)的中国发明专利申请公开了一种图形化衬底的GaN基LED外延片及该外延片的制备方法，该LED外延片包括衬底、及该衬底上形成的缓冲层、非掺杂本征GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN有源层、多量子阱和P型GaN层，所述的衬底上还包括DBR反射层，该DBR反射层是由两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，该层状结构的反射层在衬底上形成相间隔的至少两个图形结构。该技术方案同样是通过由两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构的DBR反射层来提高LED芯片背面的光反射，从而提高LED的出光效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种具有折射率可调的对称周期薄膜发光二极管封装方法，基于对称膜系等效原理，将纳米封装层用一个对称周期薄膜代替，减少光在LED芯片与封装材料和封装材料与空气间的光损耗，提高LED的外量子效率。
一种LED封装体，包括LED芯片以及覆盖在所述LED芯片上的封装胶体层，所述的封装胶体层由周期数为T的对称周期膜层形成，所述的对称周期膜层由高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，其中，所述的封装胶体层的等效折射率为n，所述的封装胶体层的厚度为D，所述的低折射率封装胶层的折射率为n1、厚度为d1，所述的高折射率封装胶层的折射率为n2、厚度为d2；
所述的封装胶体层满足以下方程：
n＝(n1×d1+n2×2×d2)/d1+2×d2 ①；
n2d2＝λ0/8 ②；
D＝T(d1+2d2) ③；
本发明中，所述的对称周期膜层由高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，其一个周期是指依次为一层高折射率封装胶层、一层低折射率封装胶层和一层高折射率封装胶层构成。
本发明中，基于对称膜系等效原理，将封装层中一部分用对称周期膜层代替，减少光在LED芯片与封装胶体层之间以及封装胶体层与空气之间的光损耗，提高LED的外量子效率。
本发明中，低折射率封装胶层和高折射率封装胶层只是相对的概念，即是指高折射率封装胶层的折射率高于低折射率封装胶层的折射率，即折射率n2大于折射率n1。
作为优选，所述的低折射率封装胶层为环氧树脂层，所述的高折射率封装胶层为掺杂有纳米粒子的环氧树脂层。进一步优选，所述的纳米粒子为钛、铪、锡、钽、硅、锆、锌、铝中的一种氧化物。
本发明还提供了一种基于周期调节的发光二极管封装方法，为具有折射率可调的周期膜发光二极管封装方法，基于对称膜系等效原理，将封装层用对称周期膜层代替，减少光在LED芯片与封装胶体层之间以及封装胶体层与空气之间的光损耗，提高LED的外量子效率。
一种基于对称周期的发光二极管封装方法，包括以下步骤：
得到的LED封装体，包括LED芯片以及覆盖在所述LED芯片上的封装胶体层，所述的封装胶体层由周期数为T的对称周期膜层形成，所述的对称周期膜层由高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，其中，所述的封装胶体层的等效折射率为n，所述的封装胶体层的厚度为D，所述的低折射率封装胶层的折射率为n1、厚度为d1，所述的高折射率封装胶层的折射率为n2、厚度为d2，；
所述的封装胶体层满足以下方程：
n＝(n1×d1+n2×2×d2)/d1+2×d2 ①；
n2d2＝λ0/8 ②；
D＝T(d1+2d2) ③；
(1)根据LED芯片确定封装胶体层的等效折射率n和厚度D，低折射率封装胶层的折射率n1和高折射率封装胶层的折射率n2已知；
(2)根据式②，λ0为LED芯片中心发光波长，确定高折射率封装胶层的厚度为d2；
(3)根据已知的n、D、n1、n2以及d2代入式①和式③，计算得到低折射率封装胶层的厚度为d1和周期数T；
(4)按照上述参数制备得到LED封装体。
步骤(2)中，根据光学薄膜的减反射特性，确定高折射率封装胶层的厚度d2，即根据式②n2d2＝λ0/8确定。
步骤(4)中，所述的按照上述参数制备得到LED封装体具体包括：
(a)在LED芯片通过物理气相沉积技术先制备一层高折射率封装胶层；
(b)在步骤(a)沉积完高折射率封装胶层的LED芯片上通过物理气相沉积技术制备一层低折射率封装胶层；
(c)在步骤(b)沉积完低折射率封装胶层的LED芯片上通过物理气相沉积技术制备一层高折射率封装胶层，从而得到对称周期膜层；
(d)重复步骤(a)、(b)和(c)，重复周期数T次，形成封装胶体层；
所述的高折射率封装胶层的材料制备包括：用有机表面活性剂对纳米粒子进行改性，得到改性后的纳米粒子，将改性后的纳米粒子掺入环氧树脂或有机硅树脂，得到高折射率封装胶层的材料。所述的有机表面活性剂为硅烷偶联剂、脂肪酸、不饱和有机酸、有机低聚物中的一种。以重量百分比100％计，所述的改性后的纳米粒子与环氧树脂或有机硅树脂的质量比为60％～80％：20％～40％。
所述的低折射率封装胶层的材料采用环氧树脂、有机硅树脂中的一种。
环氧树脂具体可采用双酚A二缩水甘油醚。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提出的一种具有折射率可调的周期膜发光二极管封装方法，基于对称膜系等效原理，将纳米封装层用一个对称周期薄膜代替，减少光在LED芯片与封装材料和封装材料与空气间的光损耗，提高LED的外量子效率。
附图说明
图1为本发明LED封装体的结构示意图，其中，0为LED芯片；1为封装胶体层；
图2为本发明LED封装体中封装胶体层的结构示意图，其中，1.1为高折射率封装胶层，1.2为低折射率封装胶层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种LED封装体，包括LED芯片0以及覆盖在LED芯片0上的封装胶体层1，封装胶体层1由周期数为T的对称周期膜层形成，对称周期膜层由高折射率封装胶层1.1、低折射率封装胶层1.2和高折射率封装胶层1.1构成，其中，封装胶体层1的等效折射率为n，封装胶体层1的厚度为D，低折射率封装胶层1.2的折射率为n1、厚度为d1，高折射率封装胶层1.1的折射率为n2、厚度为d2，；
所述的封装胶体层满足以下方程：
n＝(n1×d1+n2×2×d2)/d1+2×d2 ①；
n2d2＝λ0/8 ②；
D＝T(d1+2d2) ③。
实施例1
制备一个LED芯片0(GaN基蓝光，发射波长470nm)LED周期膜结构封装，封装胶体层1的等效折射率为1.60。使用折射率为1.9的纳米复合环氧树脂和折射率为1.41的环氧树脂作为实施基于厚度调节的薄膜折射率梯度的发光二极管封装的封装材料，封装厚度为9.6um。根据光学薄膜中减反射特性，LED芯片0的发射波长470nm，n2d2＝λ0/8，1.9*d2＝470/8，求出纳米复合环氧树脂层(即高折射率封装胶层1.1)的厚度d2为31nm。将上述已知参数带入式③和①，得到d1＝98nm，T＝60。
步骤1，用有机表面活性剂KH560硅烷偶联剂对TiO2纳米粒子进行改性，硅烷偶联剂KH-560与TiO2的用量比为1:100，得到改性后的纳米粒子。并将改性后的纳米粒子掺入双酚A二缩水甘油醚(B1796，东京化成工业株式会社)，改性后的纳米粒子与双酚A二缩水甘油醚的质量比为70％：30％，制备得到折射率1.9的纳米复合封装胶；
步骤2，将折射率1.9纳米复合封装胶通过物理气相沉积技术，成膜于待封装件(即LED芯片0)上，控制厚度为31nm，得到高折射率封装胶层1.1；
步骤3，将折射率1.41封装胶(双酚A二缩水甘油醚，B1796，东京化成工业株式会社)通过物理气相沉积技术，成膜于固化的高折射率封装胶层1.1上，控制厚度为98nm，得到低折射率封装胶层1.2；
步骤4，将折射率1.9纳米复合封装胶通过物理气相沉积技术，成膜于步骤3固化的胶体层上，控制厚度为31nm，再次得到高折射率封装胶层1.1；
步骤5，重复步骤2、3、4，60次，形成封装胶体层1，得到LED封装体。
此方法封装的LED的外量子效率较普通封装的提高了15％。
实施例2
制备一个LED芯片0(GaP基绿光，发射波长525nm)LED周期薄膜结构封装，封装胶体层1的等效折射率为1.80。使用折射率为1.9的纳米复合环氧树脂和折射率为1.41的环氧树脂作为实施基于厚度调节的薄膜折射率梯度的发光二极管封装的封装材料，封装厚度为5.3um。根据光学薄膜中减反射特性，LED芯片0的发射波长525nm，n2d2＝λ0/8，1.9*d2＝525/8，求出纳米复合环氧树脂层(即高折射率封装胶层1.1)的厚度d2定为35nm。将上述已知参数带入式③和①，得到d1＝18nm，T＝60。
步骤1，用有机表面活性剂KH560硅烷偶联剂对TiO2纳米粒子进行改性，硅烷偶联剂KH-560与TiO2的用量比为1:100，得到改性后的纳米粒子。并将改性后的纳米粒子掺入双酚A二缩水甘油醚(B1796，东京化成工业株式会社)，改性后的纳米粒子与双酚A二缩水甘油醚的质量比为70％：30％，制备得到折射率1.9的纳米复合封装胶；
步骤2，将折射率1.9纳米复合封装胶通过物理气相沉积技术，成膜于待封装件(即LED芯片0)上，控制厚度为35nm，得到高折射率封装胶层1.1；
步骤3，将折射率1.41封装胶通过物理气相沉积技术，成膜于固化的高折射率封装胶层1.1上，控制厚度为18nm，得到低折射率封装胶层1.2；
步骤4，将折射率1.9纳米复合封装胶通过物理气相沉积技术，成膜于步骤3固化的胶体层上，控制厚度为35nm，再次得到高折射率封装胶层1.1；
步骤5，重复步骤2、3、4，60次，形成封装胶体层1，得到LED封装体。
此方法封装的LED的外量子效率较普通封装的提高了25％。
Claims (9)
1.一种LED封装体，包括LED芯片以及覆盖在所述LED芯片上的封装胶体层，其特征在于，所述的封装胶体层由周期数为T的对称周期膜层形成，所述的对称周期膜层由高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，其中，所述的封装胶体层的等效折射率为n，所述的封装胶体层的厚度为D，所述的低折射率封装胶层的折射率为n1、厚度为d1，所述的高折射率封装胶层的折射率为n2、厚度为d2；
所述的封装胶体层满足以下方程：
n＝(n1×d1+n2×2×d2)/(d1+2×d2) ①；
n2d2＝λ0/8 ②；
D＝T(d1+2d2) ③；
λ0为LED芯片中心发光波长。
2.根据权利要求1所述的LED封装体，其特征在于，所述的低折射率封装胶层为环氧树脂层。
3.根据权利要求1所述的LED封装体，其特征在于，所述的高折射率封装胶层为掺杂有纳米粒子的环氧树脂层。
4.根据权利要求3所述的LED封装体，其特征在于，所述的纳米粒子为钛、铪、锡、钽、硅、锆、锌、铝中的一种氧化物。
5.一种基于对称周期的发光二极管封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
得到的LED封装体，包括LED芯片以及覆盖在所述LED芯片上的封装胶体层，所述的封装胶体层由周期数为T的对称周期膜层形成，所述的对称周期膜层由高折射率封装胶层、低折射率封装胶层和高折射率封装胶层构成，其中，所述的封装胶体层的等效折射率为n，所述的封装胶体层的厚度为D，所述的低折射率封装胶层的折射率为n1、厚度为d1，所述的高折射率封装胶层的折射率为n2、厚度为d2；
所述的封装胶体层满足以下方程：
n＝(n1×d1+n2×2×d2)/(d1+2×d2) ①；
n2d2＝λ0/8 ②；
D＝T(d1+2d2) ③；
(1)根据LED芯片确定封装胶体层的等效折射率n和厚度D，低折射率封装胶层的折射率n1和高折射率封装胶层的折射率n2已知；
(2)根据式②，λ0为LED芯片中心发光波长，确定高折射率封装胶层的厚度为d2；
(3)根据已知的n、D、n1、n2以及d2代入式①和式③，计算得到低折射率封装胶层的厚度为d1和周期数T；
(4)按照上述参数制备得到LED封装体。
6.根据权利要求5所述的基于对称周期的发光二极管封装方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的按照上述参数制备得到LED封装体具体包括：
(a)在LED芯片通过物理气相沉积技术先制备一层高折射率封装胶层；
(b)在步骤(a)沉积完高折射率封装胶层的LED芯片上通过物理气相沉积技术制备一层低折射率封装胶层；
(c)在步骤(b)沉积完低折射率封装胶层的LED芯片上通过物理气相沉积技术制备一层高折射率封装胶层，从而得到对称周期膜层；
(d)重复步骤(a)、(b)和(c)，重复周期数T次，形成封装胶体层。
7.根据权利要求6所述的基于对称周期的发光二极管封装方法，其特征在于，所述的高折射率封装胶层的材料制备包括：用有机表面活性剂对纳米粒子进行改性，得到改性后的纳米粒子，将改性后的纳米粒子掺入环氧树脂得到高折射率封装胶层的材料。
8.根据权利要求7所述的基于对称周期的发光二极管封装方法，其特征在于，以重量百分比100％计，所述的改性后的纳米粒子与环氧树脂或有机硅树脂的质量比为60％～80％：20％～40％。
9.根据权利要求6所述的基于对称周期的发光二极管封装方法，其特征在于，所述的低折射率封装胶层的材料采用环氧树脂、有机硅树脂中的一种。
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