CN105070794B - 基于激光诱导的led荧光粉涂覆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置及方法，包括激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统、紫外固化装置和控制中心，其中：激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面；固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方；三维移动平台，用来放置LED芯片并使LED芯片三维移动；实时监控系统，用来实时监控LED芯片位置数据以及涂覆于LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布；紫外固化装置，用来对涂覆于LED芯片周围的荧光粉层进行固化。本发明可实现快速、大幅面的荧光粉涂覆工艺，有利于大大减低LED封装打印的制造成本和制造周期。

Description

基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置及方法

技术领域

本发明属于LED封装技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置及方法。

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、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获得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重视，具体可以包括LED空间颜色均匀性。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)。

目前业界有三种典型的LED荧光粉涂覆方法：1)点胶自由涂敷法；2)保形涂敷法和3)远离涂覆法。其中，点胶自由涂覆法是最传统的涂敷方法，这种荧光粉涂覆工艺中，由于流体自由流动和涂覆的荧光粉胶量的变动，无法对荧光粉形貌进行精确控制，导致产品的光色品质差、可重复性差、产品一致性差等问题；但由于其工艺简单、成本低，该涂覆方法依然被封装企业广泛采用。保形涂覆法则是在LED芯片周围涂覆一均匀厚度的薄荧光粉层，相对于传统点胶自由涂覆法，由于荧光粉层紧凑，保形涂覆表现出更高的空间颜色均匀性和光效。目前存在多种实现保形涂覆的工艺的方法，例如美国Lumileds公司的电泳法、美国Cree公司的溶液蒸发法、德国Osram公司开发的晶圆级旋涂法、韩国Yum提出的沉降法和粉浆法、电子科技大学饶海波等人利用粉浆法和紫外固化胶实现芯片级的保形涂覆法、喷涂法等。然而大部分工艺严重依赖大型精密设备和复杂工艺，且成本较高；而且目前的保形涂覆法往往只能实现一种均匀的荧光粉层或者特定的封装结构，缺少不同形貌的荧光粉层加工的自由度。远离涂覆法是指荧光粉层与芯片相隔离，在工艺实施中往往是将已加工的荧光粉层封装在模块上，而非采用涂覆方式，因此其在荧光粉层几何形貌加工上具有较大的自由度；然而由于非紧凑的荧光粉布置，往往带来热可靠性隐患，同时增加后续的光学设计的难度。

发明内容

针对现有LED荧光粉涂覆工艺存在的不足，本发明提供了一种基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置，包括：

激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统、紫外固化装置和控制中心，激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统、紫外固化装置均于控制中心信号连接；其中：

激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面；

固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方；

三维移动平台，用来放置LED芯片并使LED芯片三维移动；

实时监控系统，用来实时监控LED芯片位置数据以及涂覆于LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布；

紫外固化装置，用来对涂覆于LED芯片周围的荧光粉层进行固化。

上述激光阵列产生系统包括激光源、光路系统和分光装置，激光源产生的激光束通过光路系统传送至分光装置。

上述装置还包括机械臂，用来给透明基板下表面涂覆荧光粉胶。

二、基于激光诱导的LED荧光粉涂覆方法，采用上述基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置进行，包括步骤：

步骤1，LED芯片置于三维移动平台，下表面涂覆荧光粉胶的透明基板通过固定件固定于LED芯片上方；

步骤2，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到透明基板上表面，诱导照射区域内荧光粉胶从透明基板上脱离，滴落至LED芯片周围；

步骤3，实时监控系统实时监控LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布，当荧光粉层存在凹陷，则重复步骤2对凹陷处进行荧光粉胶补偿；

步骤4，控制中心根据监控的荧光粉层分布情况，移动三维移动平台，使得荧光粉胶在LED芯片周围达到所需的分布；

步骤5，完成荧光粉胶涂覆后，采用紫外固化装置对荧光粉层进行固化。

步骤2中，实时监控系统采集LED芯片位置数据，控制中心根据LED芯片位置数据调控激光阵列出射位置，使得LED芯片正好位于激光阵列下方。

步骤3中，根据实时监控系统获得凹陷的位置数据，控制中心根据凹陷的位置数据调整激光阵列出射位置，使得激光阵列与凹陷对准，从而对凹陷处进行荧光粉胶补偿。

本发明的工作原理如下：

激光阵列产生系统产生激光阵列照射下表面涂覆有荧光粉胶的透明基板，由于温度升高，照射区域荧光粉胶中液体汽化，将产生脉动高气压诱导荧光粉胶脱离透明基板，并滴入位于透明基板下方的LED芯片，从而可将微米级尺寸的荧光粉胶覆盖于LED芯片周围。同时，根据实时监控系统实时监控LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布，通过控制中心控制三维移动平台移动和调控激光阵列输出共功率，从而在LED芯片周围获得所需形貌和分布的荧光粉层。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明可实现快速、大幅面的荧光粉涂覆工艺，有利于大大减低LED封装打印的制造成本和制造周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明方法，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为激光阵列产生系统的具体结构示意图；

图2为本发明装置的具体结构示意图；

图3为本发明方法的具体工艺过程示意图；

图4为本发明工作原理示意图。

图中，0010-激光源，0020-光路系统，0030-数字反射镜，0040-光扫描装置，0050-透明基板，0060-荧光粉胶，0070-紫外固化装置，0080-荧光粉层，0090-三维移动平台，00110-实时监控系统，00120-LED芯片，00130-蒸汽，00140-激光束，00150-激光阵列。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图对本发明方法做进一步说明。

见图1，本发明激光阵列产生系统包括激光源0010、光路系统0020和分光装置，激光源0010产生的激光束00140通过光路系统0020传送至分光装置，分光装置对激光束00140进行分光，从而获得单束或多束的激光阵列00150。具体实施时，分光装置可以采用数字反射镜0030或光扫描装置0040。

见图2，本发明装置包括激光阵列产生系统、三维移动平台0090、用来给透明基板涂覆荧光粉胶的机械臂(未在图还画出)、实时监控系统00110、紫外固化装置0070和控制中心，激光阵列产生系统、三维移动平台0090、机械臂、实时监控系统00110、紫外固化装置0070均与控制中心信号连接，控制中心用来控制激光阵列产生系统、三维移动平台0090、机械臂、紫外固化装置0070工作，并接收实时监控系统00110的监控数据。

图3为本发明工艺过程示意图，对LED芯片00120进行荧光粉胶涂覆时，将LED芯片00120置于三维移动平台0090上，透明基板0050下表面涂覆荧光粉胶0060，透明基板0050通过固定件(未在图中画出)设于三维移动平台0090上方，固定件可以为机械臂。激光阵列产生系统产生的激光阵列00150照射到透明基板0050上表面，激光阵列00150照射区域内由于温度升高，荧光粉胶0060中液体汽化产生蒸汽00130，蒸汽00130诱导该照射区域内荧光粉胶0060从透明基板0050上脱离，滴落至LED芯片00120周围，见图4。具体实施时，实时监控系统00110采集LED芯片00120位置数据，控制中心根据LED芯片00120位置数据调控激光阵列00150出射位置，使得LED芯片00120正好位于激光阵列00150下方。

实时监控系统00110还实时监控LED芯片00120周围荧光粉层0080的形貌和分布，当荧光粉层0080存在凹陷，根据实时监控系统00110获得凹陷的位置数据，控制中心根据凹陷的位置数据调整激光阵列00150出射位置，使得激光阵列00150与凹陷对准，从而对凹陷处进行荧光粉胶补偿。控制中心根据监控的LED芯片00120周围荧光粉层0080分布情况，移动三维移动平台0090，使得荧光粉胶在LED芯片00120周围达到所需的分布。完成荧光粉胶涂覆后，采用紫外固化装置0070对LED芯片00120周围的荧光粉层0080进行固化。

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 (6)

1.基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置，其特征在于，包括：

激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统、紫外固化装置和控制中心，激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统、紫外固化装置均于控制中心信号连接；其中：

激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面；

固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方；

三维移动平台，用来放置LED芯片并使LED芯片三维移动；

实时监控系统，用来实时监控LED芯片位置数据以及涂覆于LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布；

紫外固化装置，用来对涂覆于LED芯片周围的荧光粉层进行固化。

2.如权利要求1所述的基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置，其特征在于：

所述的激光阵列产生系统包括激光源、光路系统和分光装置，激光源产生的激光束通过光路系统传送至分光装置。

3.如权利要求1所述的基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置，其特征在于：

还包括机械臂，用来给透明基板下表面涂覆荧光粉胶。

4.基于激光诱导的LED荧光粉涂覆方法，其特征在于：

采用权利要求1所述的基于激光诱导的LED荧光粉涂覆装置进行，包括步骤：

步骤1，LED芯片置于三维移动平台，下表面涂覆荧光粉胶的透明基板通过固定件固定于LED芯片上方；

步骤2，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到透明基板上表面，诱导照射区域内荧光粉胶从透明基板上脱离，滴落至LED芯片周围；

步骤3，实时监控系统实时监控LED芯片周围的荧光粉层的形貌和分布，当荧光粉层存在凹陷，则重复步骤2对凹陷处进行荧光粉胶补偿；

步骤4，控制中心根据监控的荧光粉层分布情况，移动三维移动平台，使得荧光粉胶在LED芯片周围达到所需的分布；

步骤5，完成荧光粉胶涂覆后，采用紫外固化装置对荧光粉层进行固化。

5.如权利要求4所述的基于激光诱导的LED荧光粉涂覆方法，其特征在于：

步骤2中，实时监控系统采集LED芯片位置数据，控制中心根据LED芯片位置数据调控激光阵列出射位置，使得LED芯片正好位于激光阵列下方。

6.如权利要求4所述的基于激光诱导的LED荧光粉涂覆方法，其特征在于：

步骤3中，根据实时监控系统获得凹陷的位置数据，控制中心根据凹陷的位置数据调整激光阵列出射位置，使得激光阵列与凹陷对准，从而对凹陷处进行荧光粉胶补偿。