CN105140379B - 一种在空间立体角发光色温均匀的白光led器件及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件，包括具有反射灯杯的LED支架，反射灯杯内设有LED芯片，所述的LED支架上具有圆台结构；所述的圆台结构由下层平面凹透镜层、上层平面凸透镜层契合形成。本发明还提供了一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件封装方法。本发明利用平面凹透镜层有助于扩大LED发光的发散角；利用倒置的平面凸透镜有利于扩大LED发光的发散角；有利于获得立体空间发射角范围色温高度均匀的白光；下层平面凹透镜层可以采用高折射硅胶、上层平面凸透镜层可以采用低折射率硅胶进行封装，这种从芯片至外层空气层的梯度折射率结构有助于提高白光LED器件发射光的提取率。

Description

一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件及其封装 方法
技术领域
本发明涉及一种白光LED器件、其封装结构与制作方法。具体而言，首先在芯片上方涂覆一层不含荧光粉的高折射率硅胶层，通过正放或倒置不同时间，形成上表面凹陷的平面凹透镜结构，进而在凹面结构上层注射混合了荧光粉的低折射率硅胶或相同折射率硅胶，固化后形成上表面水平、下表面凸出的倒置平面凸透镜结构荧光粉层。这种双透镜结构不仅有助于提高色温均匀性，而且从内而外的梯度折射率渐变结构有助于提高LED器件对发射光的提取率。
背景技术
白光LED作为一种新型光源，具有高效节能、绿色环保、寿命长、可靠性高、体积小、易于输运和安装等显著优点，正逐渐成为照明市场强有力的竞争者。LED在液晶电视、手机与显示器背光源方面的普及率已经超过90％。白光LED的应用，不仅仅是节能降耗，而且改变了传统的文化与信息传播方式，提升了人们的生活品质。全球固态半导体照明与信息显示产业规模，包括设备、芯片生长、封装、关键原材料与LED器件应用，已超千亿美元。
白光LED最核心的品质是其提供的光源质量，包括光效、亮度、色温与显色指数。LED所提供光源的质量，不仅影响色彩的光泽、颜色、鲜艳与亮丽度，而且影响人的心情与视力健康。尽管有人提出采用红、绿、蓝多芯片技术产生白光,但受制于成本、驱动控制和不同芯片的可靠性等因素，致使目前商业化的白光LED几乎全部是利用荧光材料配合蓝光或近紫外芯片封装而成，这种类型白光LED又称为荧光转换型LED(pc～LED)。荧光材料由此成为白光LED不可或缺的关键原材料。
在较大角度立体空间范围内，提供亮度与色温均匀的白光是白光LED器件的重要性能品质，特别是对于采用多芯片集成封装而成的大功率器件，这一点尤为重要。在白光LED器件封装中所利用的单个芯片(Die)尺寸很小，再加上晶粒为平面单晶结构，造成LED芯片发光角度很小。除利用透镜之外，扩大LED发光发散角的一个重要途径是藉助荧光粉的发光与多次漫散射。荧光粉在LED器件中的分布构型，不仅决定LED器件的光效，而且影响其光色品质。控制LED器件中荧光粉的分布构型是获得大角度范围色温均匀白光的重要途径。
荧光粉涂布技术是白光LED器件封装的关键技术之一。LED荧光粉涂布技术最常用的是分配法(dispensing)，即首先把荧光粉分散在透明硅胶或环氧树脂(简称透明胶)中，利用气压或螺旋丝杆挤压方式把混合了荧光粉的透明胶滴定到芯片上方的反射杯中，但是固化后的荧光粉层形状在显微镜下观察是凹凸不平的。在透明胶高温烘烤固化过程中，荧光粉受到重力、胶的粘度与表面张力多重作用，往往在表面张力作用下在外层一圈沉积的荧光粉往往比较多，造成LED器件发射光产生黄圈现象。对于黄色荧光粉没有覆盖的空隙，蓝光穿过空隙或荧光粉覆盖稀薄的部位，产生亮度与色温较高的蓝色光斑；对于荧光粉团聚部位则产生色温较低的黄色光斑。对于多芯片集成封装(COB)的大功率LED面光源，其照射光由于荧光粉不均匀分布产生的光斑现象尤为明显。
为改善透明胶中荧光粉的构型与分布，一些学者(如：Optics Express,2010,18,128206)提出采用脉冲喷射法，通过逐层堆积方式，喷射具有保形(confomal)构型的荧光粉图层，用于提高白光LED器件发光色温的均匀性。但对于保形结构，在不同角度累积的光程并不一致，导致在不同角度观察到的相关色温不同。对于具有反射灯杯结构的LED器件，透明胶涂层的曲率半径往往随反射灯杯的角度与表面张力动态变化。对此，Luo通过控制反射灯杯的角度实现荧光粉层曲率的控制，进而实现发光色温角度分布的控制(IEEETransactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,2013,3,417)。Luo提出在LED芯片底部增加一个比芯片尺寸大的立方形衬底结构设计，芯片与衬底之间形成台阶结构，采用滴～蘸法涂敷荧光粉，混入荧光粉的硅胶涂层固化后在衬底与芯片上方形成半球形结构，采用这种结构能够有效提高LED发光角度的一致性(OpticsExpress,2013,21,193160)。Huang(Applied Optics,2013,52,7376)提出采用图案化蓝宝石衬底提高白光LED发光角度色温的均匀性。传统阴极射线管电视机与荧光灯采用浆料法涂敷荧光粉层，即把荧光粉配制成浆料后涂布在基底表面，然后利用光刻获得特定部位的发光层，采用这种技术能够制得表面平整均匀的荧光粉涂层，也有人提出利用这种方法制作高角度色温均匀的白光LED(Proc.SPIE 6841,Solid State Lighting and SolarEnergy Technologies,684106)。
专利(US6576488B2)提出把荧光粉分散在导电溶液中，使荧光粉带电后利用电泳沉积，把涂敷荧光粉LED芯片表面。专利(US7569407B2)提出把荧光粉分散在溶剂中制成悬浮液，然后采用热蒸发手段把溶剂去除，把荧光粉涂覆在LED芯片表面。浆料法、电泳法与热蒸发法与目前LED封装企业使用的设备不兼容，并且显著增加封装工艺的复杂程度。
发明内容
为提高白光LED器件发光色温的均匀性以及发光提取能力，本发明提供一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件及其封装方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件，包括具有反射灯杯的LED支架，反射灯杯内设有LED芯片，所述的LED支架上具有圆台结构；所述的圆台结构由下层平面凹透镜层、上层平面凸透镜层契合形成。
所述的平面凸透镜层倒置。
所述的平面凹透镜层由不含荧光粉的透明胶形成；所述的平面凸透镜层由荧光粉与透明硅胶形成。
所述的平面凹透镜层采用的透明胶折射率高于或等于平面凸透镜层采用的透明胶，优选采用比平面凸透镜层折射率高的透明胶。
所述的LED芯片为蓝光芯片或近紫外芯片。
所述的荧光粉颜色选自黄色、绿色、红色、蓝色或上述多种的混合物；荧光粉材质选自铝酸盐、硅酸盐、氮化物、氮氧化物或多种的混合物。
本发明还提供了一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件封装方法，包括下述顺序的步骤：
(1)取高折射率硅胶按照A、B硅胶1:1混合均匀，真空脱泡后，使用点胶机把混合后的硅胶滴到LED支架上，在真空干燥箱中，于150℃分别通过正放与反放烘烤，制作平面凹透镜层；
(2)取低折射率硅胶按照A、B硅胶1:1与一定量的荧光粉混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把混合后的硅胶注射到平面凹透镜层上方，在真空干燥箱中于150℃烘烤固化，制作倒置的平面凸透镜层。
步骤(1)所述的正放与反放烘烤时间为2h。
步骤(2)所述的A、B硅胶混合物与荧光粉比例为10:1；所述的烘烤固化为2h。
与已有技术相比，本发明的显著效益表现在：
1、利用平面凹透镜结构(光线从平面向凹面运动)有助于扩大LED发光的发散角；
2、利用倒置的平面凸透镜结构(光线从凸面向平面运动)亦有利于扩大LED发光的发散角；
3、基于上述两方面作用，有利于获得立体空间发射角范围色温高度均匀的白光；
4、梯度折射率结构有利于提高LED器件对发射光的提取能力；
5、本发明利用高温烘烤过程中透明硅胶的粘度随温度升高而降低的特性，进而借助重力与表面张力的综合作用，采用对灌封胶正置与反放的措施控制其曲率半径，该措施与传统封装设备和工艺兼容，与浆料法、电泳法、脉冲喷射法和热蒸发法相比，本发明不需增加任何额外封装设备，工艺简单；
6、本发明不同于文献与专利已经报道的远程封装结构，本发明强调利用高折射率凹面透镜一方面扩大LED芯片的发散角，另一方面提高对荧光粉发射光的反射能力；
7、本发明不同于文献与专利已经报道的保形封装结构，本发明强调荧光粉层的构型为倒置的平面凸透镜构型，正对芯片发射光部位的中心厚，而边缘薄，有利于把LED芯片发射光分散开。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明具有梯度折射率双透镜层LED器件结构设计图；
图2为本发明通过对底层透镜层分别正放与倒置烘烤不同时间获得封装LED器件荧光粉层实物图；
图3为与图2对应的1～8组LED器件荧光粉层曲率半径计算值；
图4为1～4#正向烘干样品与传统方法封装的单层结构白光LED器件(9#)在～80°至+80°角度范围发光色温的比较；
图5为5～8#反向烘干样品与传统方法封装的单层结构白光LED器件(9#)在～80°至+80°角度范围发光色温的比较；
图6为采用本发明封装双层结构白光LED器件与传统单层结构白光LED器件发光色温的相对变化量的比较；
图7为采用本发明1～4#组样品正向烘干样品封装双层结构白光LED器件发光强度随电流的变化与传统单层结构白光LED器件的比较；
图8为采用本发明5～8组样品封装双层结构白光LED器件发光强度随电流的变化与传统单层结构白光LED器件的比较；
图9采用本发明1～4#组样品封装双层结构构筑梯度折射率白光LED器件发光强度随电流的变化与传统均一折射率结构白光LED器件的比较；
图10采用本发明5～8#组样品封装双层结构构筑梯度折射率白光LED器件发光强度随电流的变化与传统均一折射率结构白光LED器件的比较；
图11采用本发明1～4组样品封装双层结构构筑梯度折射率白光LED器件发光强度随角度的变化与传统均一折射率结构白光LED器件的比较；
图12采用本发明5～8组样品封装双层结构构筑梯度折射率白光LED器件发光强度随角度的变化与传统均一折射率结构白光LED器件的比较。
具体实施方式
本发明提出一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件及其封装方法，即首先在芯片底层涂覆一层不含荧光粉的高折射率硅胶，通过正放或倒置不同时间，利用高温烘烤固化过程中透明胶所受重力、表面张力与粘度多重作用，形成凹面透镜结构。然后在凹面结构上层注射混合了荧光粉的低折射率硅胶层，上层固化后形成上表面水平、下表面凸出的倒置凸透镜结构。凹透镜为发散透镜，光线从平面凸透镜的凸出一侧向平面一侧运动时亦呈现发射结构。此外，LED蓝光芯片GaInN/GaN的折射率约为2.6，荧光粉折射率为1.6～1.85，封装器件所用的环氧树脂或硅氧烷树脂封装材料折射率1.4～1.6，空气界面层折射率为1.0左右，当光从光密介质传导至疏质时两种材料折射率差异较大致使全反射发生，使发射光无法逃逸透明胶层。本发明强调底层采用高折射率硅胶层，但上层可以采用与底层相同材质硅胶也可以采用低折射率硅胶层。采用本发明所设计结构，不仅有助于提高色温均匀性，而且有助于提高LED器件对发射光的提取率。
本发明所设计的白光LED器件双层结构如图1所示，在具有反射灯杯2结构的LED支架1内，靠近LED芯片3的底层结构是高折射率透明硅胶形成的平面凹透镜，上层是荧光粉与低折射率硅胶形成的平面凸透镜，平面凹透镜与平面凸透镜契合形成圆台结构。下层由不含荧光粉的高折率透明胶形成的平面凹透镜层4，上层是荧光粉与透明硅胶形成的倒置平面凸透镜层5；下层可以采用与上层相同折射率的透明胶，但最好采用比上层折射率高的透明胶；在倒置的平面凸透镜荧光粉涂层中，芯片发光直射对应的中心部位荧光粉分布较浓，而在边缘荧光粉分布稀薄，这种结构有利于扩大芯片发散角。凹透镜为发散透镜，LED芯片发射光经凹透镜发散后照射至荧光粉层，荧光粉发光与芯片发光混合成白光，其中荧光粉受激发光照射至高折射率硅胶层将有助于反射至空气层，有助于提高器件对发射光的提取率。
本发明所指LED芯片可以是蓝光芯片，亦可以是近紫外芯片；本发明所指荧光粉可以是黄色、绿色、红色或蓝色荧光粉，也可以是上述多种荧光粉的混合物。从材料体系而言，本发明所指荧光粉可以是铝酸盐、硅酸盐、氮化物、氮氧化物，或多种不同材料体系的混合物。
本发明所提供封装方法为：首先取高折射率硅胶按照A、B组分1:1混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把透明硅胶滴到LED芯片支架上，然后在真空干燥箱中于150℃分别通过正放与反放烘烤不同时间，利用重力、表面张力以及高温下硅胶粘度随固化时间的动态变化，控制透明硅胶层的曲率半径，制作平面凹透镜层4。透明胶固化后，再取低折射率硅胶按照A、B组分1:1与一定量的荧光粉混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把混入荧光粉的透明胶注射到透明层上方，保持粉胶层朝上正方，在真空干燥箱中于150℃烘烤固化，制作倒置的平面凸透镜层5。图1中标示分别为LED支架1、反射灯杯2与LED芯片3，最终制得具有梯度折射率的双层结构白光LED器件。
实施例(一)
在本实施例中一共设计9组样品，其中1～8组为双层结构LED器件，第9组为单层结构参照样品。首先将A、B硅胶按照1:1比例混合后搅拌均匀，真空脱泡后装入针筒。将点胶机气压设置为330Kpa、时间为0.1s，对于1～8组样品分别LED蓝光芯片上方滴3滴硅胶，然后把附着硅胶的LED支架移入150℃真空干燥箱中，设置烘烤时间为2小时。其中第1样品一直正放烘干；第2组样品先反向烘干10分钟，再正向烘干；第3组样品先反向烘干20分钟，再正向烘干；第4组样品先反向烘干30分钟，再正向烘干；第5组样品采用反射灯杯朝下反向烘干；第6组样品先正向烘干10分钟，再反向烘干；第7组样品先正向烘干20分钟，再反向烘干；第8组样品先正向烘干30分钟，再反向烘干。固化后制得不含荧光粉的平面凹透镜透明层。
在上述基础上，按1:10的比例将荧光粉与混合好的硅胶混合后搅拌，形成均匀的荧光粉与硅胶的混合物，真空脱泡后装入针筒。将点胶机气压设置为330Kpa，时间设置为0.2s，每个器件点3滴粉胶混合物(包括第9组样品)，然后在150℃真空干燥箱中烘烤2小时，固化后制得白光LED器件。
在实施例中用到的荧光材料为佛山市南海朗达荧光材料有限公司生产的YBO4型YAG:Ce黄色荧光粉，其折射率为1.823，比重为4.3；LED蓝光芯片采用广东晶科电子公司固晶和焊线之后的半成品，型号为3528，发射波长峰值为458.6nm，半高宽Δλd＝20.6nm，光通量Φ＝1.080lm；高折射率封装胶采用江西绿泰科技有限公司生产的有机硅树脂封装材料，型号为Y550，其折射率为1.54/1.51，比重为1.05，其中A胶粘度为9000mPa.s，B胶粘度为1500mPa.s，低折射率封装硅胶采用江西绿泰科技有限公司生产的有机硅树脂封装材料，型号为T301，其折射率为1.43/1.41，比重为1.05，其中A胶粘度为4500mPa.s，B胶粘度为1800mPa.s，LED灌胶采用深圳轴心科技axxonD260点胶机，配空气压缩机；真空脱泡机为深圳怡和兴机电公司YVC～01型；针头使用螺旋塑座针头，内径为0.42mm，外径为0.72mm；LED烘烤固化采用上海博迅DZF～6020真空烘箱；LED光电性能测试采用杭州远方光电公司HAAS～2000高精度快速光谱辐射计，搭配0.5米积分球。
为证实本发明第一步制取了具有平面凹透镜结构的透明层以及第二步获得了具有倒置凸透镜结构的荧光粉层结构，我们把荧光粉层从LED器件中单独取出，其实物照片如图2所示，从中可以看出1～8组样品(编号分别为1～8#)的荧光粉层皆呈现平面凸透镜构型，也由此证实底层透明层具有平面凹透镜结构。本实施例使用的LED支架张口直径为2.2mm，分别量取1～8#样品的高度，根据球冠曲率半径R、弓形高度Y与底部半径X之间的关系式：
X2+(R-Y)2＝R2
求出图2中1～8#样品的曲率半径，结果如图3所示。图3所呈现不同样品曲率半径的不同，说明利用在透明硅胶烘烤固化过程中利用重力、粘度与表面张力随温度的变化调控底层平面凹透镜结构硅胶透明层的曲率半径的措施是可行的。
图4和图5分别1～4#正向烘干样品与5～8#反向烘干样品与传统方法封装的单层结构白光LED器件(9#)在～80°至+80°角度范围发光色温的比较，其中9#样品在50～70°色温骤降，即呈现暖色光，这是典型的黄色光斑现象。利用关系式：
ΔCCT＝CCTmax-CCTmin，
CCTmax与CCTmin分别表示某个样品中发光色温的最大值与最小值，获得1～9#样品相关色温的变化量如图6所示，由此表明，采用本发明方法制作白光LED能够显著提高其发光色温的均匀性，其中色温变化量相对较小的是2#、5#和7#样品。
图7～8给出采用本发明封装的双层结构白光LED器件发光强度随电流变化与传统单层结构白光LED器件的比较。如图7，对于先分别反向烘干0、10、20和30分钟然后再正向烘干的1～4组样品，其发光强度几乎都比正向烘干的单层9#样品发光强度大，电流越大增强效果越明显，最强的是2#，3#与4#样品发光强度相差无几，相对较弱的是1#。如图8，对于先分别正向烘干0、10、20和30分钟然后再反向烘干的5～8组样品，只有5#样品的发光强度比正向烘干的单层9#样品发光强度大，6#、7#和8#皆比9#样品发光强度弱，电流越大差异越明显。
实施例分析说明：
图1给出本发明所设计LED封装结构；图2给出据此结构所封装LED器件实物图，证实所设计结构切实可行；图3给出理论计算得出不同条件下获得LED平面凹透镜曲率半径，由此证实利用重力、年度与表面张力随温度与时间的积累作用，能够获得不同曲率半径平面凹透镜结构；图4、图5和图6证实，采用本发明制作的双层结构LED器件色温均匀性均比单层结构LED器件发光色温均匀，其中色温一致性相对较高的是5#、2#、4#、7#和8#样品。图7～8中发光强度随电流变化进一步表明，采用适当工艺控制，不仅能够提高色温均匀性，而且能够提高LED器件发光强度。
实施例(二)
1#到8#样品把上层苯基高折射率硅胶替换为甲基低折射率硅胶用于构筑梯度折射率，采用与实施例(一)相同方法封装白光LED器件；9#样品为上层与下层都为甲基低折射率硅胶，采用与实施例(一)相同方法封装的白光LED器件。图9～10给出采用本发明封装的双层构筑梯度折射率结构白光LED器件发光强度随电流变化与均一折射率结构白光LED器件的比较。如图9对于先分别反向烘干0、10、20和30分钟然后再正向烘干的1～4组样品，其发光强度几乎都比单一折射率的9#样品发光强度大，电流越大增强效果越明显。如图10，对于先分别正向烘干0、10、20和30分钟然后再反向烘干的5～8组样品，其发光强度都比单一折射率的9#样品发光强度大，电流越大增强效果越明显。由此可见，在相同电流驱动下采用构筑梯度折射率封装的白光LED器件光通量更大。
图11～12给出采用本发明封装的双层构筑梯度折射率结构白光LED器件发光强度随角度变化与均一折射率结构白光LED器件的比较。如图11对于先分别反向烘干0、10、20和30分钟然后再正向烘干的1～4组样品，其发光强度在各个角度几乎都比单一折射率的9#样品发光强度大，电流越大增强效果越明显。如图12，对于先分别正向烘干0、10、20和30分钟然后再反向烘干的5～8组样品，其发光强度在各个角度几乎都比单一折射率的9#样品发光强度大，电流越大增强效果越明显。由此可见，采用本发明提出梯度折射率构型所封装白光LED器件发散角更大。
实施例分析说明：
图9～10采用双层梯度折射率结构封装白光LED器件与单层低折射率白光LED器件发光强度随电流变化的比较证实，采用梯度折射率结构有助于提高LED器件对发射光的提取能力；图11～12中发光强度随角度变化证实，采用双层梯度折射率结构有助于增大白光LED器件发光的发散角。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件，包括具有反射灯杯的LED支架，反射灯杯内设有LED芯片，其特征在于：所述的LED支架上具有圆台结构；所述的圆台结构由下层平面凹透镜层与上层平面凸透镜层契合形成；
所述平面凹透镜层由下述步骤制作：取高折射率硅胶按照A、B组分1:1混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把透明硅胶滴到LED芯片支架上，然后在真空干燥箱中于150℃分别通过正放与反放烘烤，制作平面凹透镜层；
所述平面凸透镜层由下述步骤制作：取低折射率硅胶按照A、B组分1:1与一定量的荧光粉混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把混入荧光粉的透明胶注射到透明层上方，在真空干燥箱中于150℃烘烤固化，制作倒置的平面凸透镜层。
2.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：所述的平面凹透镜层由不含荧光粉的透明胶形成；所述的平面凸透镜层由荧光粉与透明硅胶形成。
3.根据权利要求2所述的白光LED器件，其特征在于：所述的平面凹透镜层采用的透明胶折射率高于或等于平面凸透镜层采用的透明胶。
4.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：所述的LED芯片为蓝光芯片或近紫外芯片。
5.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：所述的荧光粉颜色选自黄色、绿色、红色、蓝色或多种的混合物；荧光粉材质选自铝酸盐、硅酸盐、氮化物、氮氧化物或多种的混合物。
6.一种在空间立体角发光色温均匀的白光LED器件封装方法，其特征在于：包括下述顺序的步骤：
(1)取高折射率硅胶按照A、B硅胶1:1混合均匀，真空脱泡后，使用点胶机把混合后的硅胶滴到LED支架上，在真空干燥箱中，于150℃分别通过正向放置与反向放置烘烤不同时间，制作平面凹透镜层；
(2)取低折射率硅胶按照A、B硅胶1:1与一定量的荧光粉混合均匀，真空脱泡后使用点胶机把混合后的硅胶注射到平面凹透镜层上方，在真空干燥箱中于150℃烘烤固化，制作倒置的平面凸透镜层。
7.根据权利要求6所述的白光LED器件封装方法，其特征在于：步骤(1)中，正向放置与反向放置的烘烤时间总计为2h。
8.根据权利要求6所述的白光LED器件封装方法，其特征在于：步骤(2)所述的A、B硅胶与荧光粉比例为10:1；所述的烘烤固化为2h。
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