CN106505138B - 一种led封装结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种LED封装结构，包括LED芯片、LED载体、光转换层和外保护层，所述LED芯片设于LED载体上；还包括有透明硅胶层，透明硅胶层被包覆于光转换层和所述LED芯片之间；位于透明硅胶层上方的光转换层的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于透明硅胶层侧壁的光转换层的厚度从上往下逐渐增大；外保护层包覆光转换层。本发明还公开了一种LED封装结构的制备方法。本发明所述的LED封装结构，改进了LED芯片外围的光转换层的分布，提高了LED器件的空间色温均匀性，且解决了光转换层受热失效的问题；对于其制备方法，实现了机械化生产，封装步骤简单，可实现批量化生产。

Description

一种LED封装结构及其制备方法
技术领域
本发明属于发光二极管(LED)封装技术领域，具体涉及一种LED封装结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种半导体制造技术加工的电致发光器件，被广泛应用于各种领域，包括背光单元、汽车、电信号、交通信号灯、以及照明装置等，被誉为替代荧光灯和白炽灯的第四代照明光源。
当前市场上主流的商品化白光LED是采用蓝光LED芯片加上黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉一种或多种来实现，具体的，LED芯片在电流驱动下发出的蓝光激发荧光粉，使其产生其它波段的可见光，这些可见光跟蓝光混合后形成了白光。
LED封装的一个关键问题在于荧光粉必须均匀地涂敷在LED芯片表面，否则会出现光色不均匀的光斑现象。对于典型的LED封装结构，如图1所示，LED芯片放置在支架的反光杯内，支架作为电极实现电连接，同时提供了导热通道，在反光杯内涂敷光转换层，依据涂敷量的差异，表面可成平面、凹面或者凸面，然而，该结构的缺陷在于荧光粉厚度的不均匀性，中心处荧光粉少，侧面的荧光粉多；如图2所示，在从中心点0°到±90°处，蓝光的强度越来越小，黄光的强度越来越大，表现为空间色温的一致性差，即中心色温高、侧面色温低。
针对上述的荧光粉涂敷不均匀的缺陷，Lumileds公司推出保型涂敷结构(如图3所示)，荧光粉可均匀地覆盖在芯片上表面，较好的解决了光色不均匀的问题。然而，该结构仍然不能根本解决蓝光在光转换层中传播路径存在光程差问题，尤其是LED芯片侧面的光转换层不能很好地覆盖LED芯片，在芯片顶角处荧光粉相对少，导致侧面的蓝光过多，色温空间分布有很大的差异(如图4所示)；而且，LED芯片侧面的蓝光与其激发荧光粉发出的其它可见光不能充分混合成白光，导致其白光亮度更低。
LED封装的另一个关键技术是散热，若温度过高，会同时影响荧光粉的发光效率。而荧光粉一般与LED芯片直接接触，LED芯片发出的光直接激发荧光粉，LED芯片本身的一部分热量会加载到荧光粉上，而荧光粉在光转换过程中也会产生很多热量，这些热量均会提高荧光粉自身的温度。而LED芯片的导热系数低，不能有效传导荧光粉的热量，则更多的热量加载到荧光粉上，必然造成荧光粉的失效严重，最后影响整个LED封装器件的寿命。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，一方面提供了一种LED封装结构，其改进了LED芯片外围的光转换层的分布，使LED芯片发出的蓝光与光转换层激发出的可见光能均匀混合，减小了0°角到90°角的色温差，有效提高了LED器件的空间色温均匀性，并且，其避免了光转换层和LED芯片的直接接触，从而有效解决了光转换层受热失效的问题。
本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：
一种LED封装结构，包括有LED芯片、LED载体、光转换层和外保护层，所述LED芯片设于所述LED载体上，其特征在于：
还包括有透明硅胶层，所述透明硅胶层被包覆于所述光转换层和所述LED芯片之间；
位于所述透明硅胶层上方的所述光转换层的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于所述透明硅胶层侧壁的所述光转换层的厚度从上往下逐渐增大；
所述外保护层包覆所述光转换层。
进一步的，位于所述LED芯片上方的最中心区域的第一透明硅胶层呈平台状，位于所述LED芯片上方的其它区域的第二透明硅胶层呈四周高、中间低的斜坡状；所述第二透明硅胶层的最低位置不低于所述第一透明硅胶层的位置；位于所述LED芯片侧壁的第三透明硅胶层呈向外张开的斜坡状。
进一步的，位于所述LED芯片上方的第四透明硅胶层的表面向下凹陷且呈半球状，位于所述LED芯片侧壁的第五透明硅胶层呈向外张开的斜坡状。
进一步的，位于所述LED芯片上方的第六透明硅胶层呈四周高、中间低的斜坡状且表面呈X字型，位于所述LED芯片侧壁的第七透明硅胶层呈向外张开的斜坡状。
进一步的，所述LED芯片为正装芯片、倒装芯片或者垂直芯片中的一种。
进一步的，所述光转换层中的光转换材料为发射波长在500～600nm之间的绿色荧光粉、红色荧光粉或者黄色荧光粉中的一种。
进一步的，所述外保护层的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、或者柿饼形中的一种。
本发明另一个方面提供了一种LED封装结构的制备方法，其与前述的LED封装结构对应，有效地解决了LED器件空间色差大、以及光转换层受热失效的问题，且其采用专门的生产设备，使用机械化生产，封装步骤简单，可实现大规模生产，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将LED芯片固定在LED载体上；
S2：在所述LED芯片外围Molding透明硅胶层；
S3：在所述透明硅胶层外围喷涂光转换层，使得位于所述透明硅胶层上方的所述光转换层的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于所述透明硅胶层侧壁的所述光转换层的厚度从上往下逐渐增大；
S4：在所述光转换层外围Molding外保护层。
进一步的，在所述步骤S2中，根据所述透明硅胶层的形状预制一透明硅胶层Molding模具，在透明硅胶里掺杂小粒径细粉并搅拌均匀、分散，将所述透明硅胶填充于所述透明硅胶层Molding模具中并静置，然后将固定有所述LED芯片的所述LED载体倒扣在所述透明硅胶层Molding模具中，对位压合并加热固化，使得在所述LED芯片外围形成所述透明硅胶层。
进一步的，在所述步骤S3中，将光转换材料加入透明高分子材料中，再加入稀释剂并均匀搅拌、脱泡以形成所述光转换层流体，将所述光转换层流体注入喷涂设备中，然后均匀喷涂在所述透明硅胶层外围，同时在所述LED载体的底部加热，其中，喷涂厚度根据色温要求进行管控。
相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明提供的一种LED封装结构，在LED芯片和光转换层之间设置有透明硅胶层，结构新颖、独特，其中：
①位于透明硅胶层上方的光转换层厚度从中心区到四周逐渐减小，即光转换层形成中心厚、四周薄的结构，从而有效地减小了激发光到光转换层的中间和侧面的光程差，减小了0°角与90°角之间的色温差，进而有效地改善了LED器件的空间色温分布；
②包覆于透明硅胶层侧壁的光转换层厚度从上往下逐渐增大，防止LED芯片侧面的蓝光的混合不均匀，且LED芯片顶角处的斜坡结构有效地缓解了光转换层的流动，即有效地阻挡了光转换层在喷涂时的垂直分布，从而进一步改善了LED器件的空间色温分布；
③有效地扩大了光转换层的出光面积，可以将更多的光反射出去，从而提高了LED的光转换效率；
④避免了LED芯片与光转换层直接接触，且透明硅胶层的导热能力差，有效地降低了LED芯片传递到光转换层的热量，同时也增大了光转换层的接触面积，改善了光转换层的散热效果，有效解决了光转换层受热失效的问题，从而保证了光转换层在工作时的转换效率，极大延长了LED器件的寿命。
(2)本发明提供的一种LED封装结构制备方法，其与前述的LED封装结构对应，有效地解决了LED器件空间色差大、以及光转换层受热失效的问题，而且其采用专门的生产设备，使用机械化生产，封装步骤简单，可实现大规模生产。
综上所述，本发明提供的一种LED封装结构及其制备方法可以广泛地应用于LED照明、背光等技术领域，具有很高的市场价值。
附图说明
图1为典型的LED封装结构的示意图；
图2为典型的LED封装结构的蓝光、黄光的强度分布图；
图3为保型涂敷结构的示意图；
图4为保型涂敷结构的空间色温分布图；
图5是实施例1所述的LED封装结构的一种结构示意图；
图6是实施例1所述的LED封装结构的另一种结构示意图；
图7是图6所示的LED封装结构Molding外保护层前的俯视图；
图8是图7的剖视图；
图9是实施例1所述的LED封装结构的透明硅胶层Molding过程示意图；
图10是图5所示的LED封装结构的外保护层Molding过程示意图；
图11是图6所示的LED封装结构的外保护层Molding过程示意图；
图12是实施例1所述的LED封装结构的一种制备流程示意图；
图13是实施例1所述的LED封装结构的空间色温分布图；
图14是实施例2所述的LED封装结构的一种结构示意图；
图15是实施例2所述的LED封装结构的另一种结构示意图；
图16是图15所示的LED封装结构Molding外保护层前的俯视图；
图17是图16的剖视图；
图18是实施例2所述的LED封装结构的透明硅胶层Molding过程示意图；
图19是实施例3所述的LED封装结构的一种结构示意图；
图20是实施例3所述的LED封装结构的另一种结构示意图；
图21是图20所示的LED封装结构Molding外保护层前的俯视图；
图22是图21的剖视图。
附图标记：
1(2或3)、LED封装结构；11、LED芯片；12、LED载体；13、光转换层；14、外保护层；15、透明硅胶层；151、第一透明硅胶层；152、第二透明硅胶层；153、第三透明硅胶层；154、第四透明硅胶层；155、第五透明硅胶层；156、第六透明硅胶层；16、透明硅胶层Molding模具；17(或18)、外保护层Molding模具。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例公开了一种LED封装结构1，如图5～11所示，包括有LED芯片11、LED载体12、光转换层13和外保护层14，LED芯片11设于LED载体12上。
LED封装结构1还包括有透明硅胶层15，透明硅胶层15被包覆于光转换层13和LED芯片11之间，则透明硅胶层15成为光转换层13的一个支撑平台。
位于透明硅胶层15上方的光转换层13的厚度从中心区到四周逐渐减小，即此部分光转换层13形成中心厚、四周薄的结构，位于透明硅胶层15侧壁的光转换层13的厚度从上往下逐渐增大，有效地减小了激发光到光转换层13的中间和侧面的光程差。
外保护层14包覆光转换层13，并在边缘处与LED载体12接触，对光转换层13起到物理和化学保护作用。
在本实施例中，如图5～8所示，根据光学性能要求，位于LED芯片11上方的最中心区域的第一透明硅胶层151呈平台状，位于LED芯片11上方的其它区域的第二透明硅胶层152呈四周高、中间低的斜坡状；第二透明硅胶层152的最低位置不低于第一透明硅胶层151的位置；位于LED芯片11侧壁的第三透明硅胶层153呈向外张开的斜坡状。
基于该结构设计，并结合光转换层13作为流体时的特性，使得位于LED芯片11上方的中间区域的光转换层13较厚，周边区域较薄，位于LED芯片11侧面的光转换层13的厚度从上往下逐渐增大，从而有效地减小了激发光到光转换层13的中间和侧面的光程差。
在本实施例中，LED芯片11为正装芯片、倒装芯片或者垂直芯片中的一种。
在本实施例中，光转换层13由光转换材料和透明高分子材料混合而成。其中，光转换层13中的光转换材料为发射波长在500～600nm之间的绿色荧光粉、红色荧光粉或者黄色荧光粉中的一种或两种，透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。
根据光学要求，外保护层14的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、或者柿饼形中的一种，当然，在本发明中，外保护层14的形状并不限于此。在本实施例中，外保护层14的形状具体为半球形(如图5所示)、或者为方形(如图6所示)。外保护层14的制备材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。
在本实施例中，LED载体12为陶瓷平面支架、环氧模塑平面支架、硅胶基模塑平面支架、金属平面支架、柔性平面支架中的一种，其不仅作为导电通道，而且为LED芯片11提供支撑平台。当然，LED载体12的类型并不限于此。
在本实施例中，透明硅胶层15、外保护层14里均匀掺杂小粒径的细粉，可以增大折射率，有利于提高光效。
本实施例还提供了LED封装结构1的一种制备方法，如图12所示，包括以下步骤：
S1：将LED芯片11固定在LED载体12上(如图9～11所示)；
S2：如图9所示，在LED芯片11外围Molding透明硅胶层15；
S3：如图5或6所示，在透明硅胶层11外围喷涂光转换层13，使得位于透明硅胶层15上方的光转换层13的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于透明硅胶层15侧壁的光转换层13的厚度从上往下逐渐增大；
S4：如图10或11所示，根据光学要求，预制一外保护层Molding模具17(或18)，然后使用外保护层Molding模具17(或18)在光转换层13外围Molding外保护层14，使得外保护层14呈半球形、或者为方形。
其中，在步骤S1中，LED芯片11固定于LED载体12上的过程主要包括固晶、烘烤、焊线，或者倒装芯片的共晶工艺，以实现二者的电连接。更具体的，在LED载体12上点上绝缘胶，对于正装芯片，将其置于绝缘胶上，然后放在烤箱内将绝缘胶固化，接着在正装芯片上连接金属线，与LED载体12形成导电回路，则电流通过LED载体12时，LED芯片11即可被激发发光；对于垂直芯片，使用银胶作为粘接剂，银胶构成电路回路的一部分，只需焊上一条金属线即可；对于倒装芯片，使用共晶焊技术，将其直接焊接在LED载体12上，无须连接金属线。本步骤所述的工艺极为成熟，制备效率高。
其中，在步骤S2中，如图5～8所示，位于LED芯片11上方的最中心区域的第一透明硅胶层151呈平台状，位于LED芯片11上方的其它区域的第二透明硅胶层152呈四周高、中间低的斜坡状；第二透明硅胶层152的最低位置不低于第一透明硅胶层151的位置；位于LED芯片11侧壁的第三透明硅胶层153呈向外张开的斜坡状；如图9所示，根据透明硅胶层15的形状预制加工一透明硅胶层Molding模具16(其内表面可以凃敷脱模剂)，在透明硅胶里均匀掺杂小粒径细粉并搅拌均匀、分散，将透明硅胶填充于透明硅胶层Molding模具16中并静置，填充量可通过机台控制，然后将固定有LED芯片11的LED载体12倒扣在透明硅胶层Molding模具16中，机台自动对位压合，在高温下加热一段时间以固化，使得在LED芯片11外围形成透明硅胶层15，最后取下LED载体12(包括LED芯片11和固化成型的透明硅胶层15)即可。本步骤所述的工艺采用的是专门的生产设备，实现机械化生产，步骤简单，可实现批量化生产。
其中，在步骤S3中，将光转换材料加入透明高分子材料中，再加入稀释剂并均匀搅拌、脱泡以形成光转换层流体，将光转换层流体注入喷涂设备中，然后均匀喷涂在透明硅胶层15外围，同时在LED载体12的底部加热，其中，喷涂厚度根据色温要求进行管控。基于透明硅胶层15的结构设计，在喷涂过程中，根据光转换层流体的特性，其在重力作用下沿着透明硅胶层15的斜坡向下流，并在下流过程中受热固化成型。
对于本实施例所述的LED封装结构1，经光学测试，所获得的空间色温分布如图13所示，可以发现：制成的白光LED光源器件的空间色温分布在5000-8000K之间，Δ＝3000K。而对于传统的保型涂敷结构，如图4所示，所得到的空间色温分布在4000-10000K之间，Δ＝6000K。换言之，本实施例所述的LED封装结构1的色温差减小了50％，可见其色温空间分布得到了极大的改善，使得LED产品实现了亮度更高、光色更均匀、可靠性更高的优异性能。
实施例2
本实施例公开了另一种LED封装结构2，在结构上，其与实施例1所述的LED封装结构1的差异在于：
在本实施例中，如图14～17所示，根据光学性能要求，位于LED芯片上方11的第四透明硅胶层154的表面向下凹陷且呈半球状，位于LED芯片11侧壁的第五透明硅胶层155呈向外张开的斜坡状。
基于上述的结构设计，并结合光转换层13作为流体时的特性，同样使得位于LED芯片11上方的中间区域的光转换层13较厚，周边区域较薄，位于LED芯片11侧面的光转换层13的厚度从上往下逐渐增大，从而有效地减小了激发光到光转换层13的中间和侧面的光程差。
对于制备方法而言，本实施例所述的LED封装结构2与实施例1的差异仅在于：在步骤S2中，透明硅胶层Molding模具16的形状不同，其与本实施例所述的透明硅胶层15的形状相对应，如图18所示。
本实施例所述的LED封装结构2的其它结构、其它制备方法与实施例1完全相同，在此不再赘述。
对于本实施例所述的LED封装结构2，经光学测试所获得的空间色温分布与实施例1基本相同，即色温差得到极大降低。
实施例3
本实施例公开了另一种LED封装结构3，在结构上，其与实施例1所述的LED封装结构1的差异在于：
在本实施例中，如图19～22所示，位于LED芯片11上方的第六透明硅胶层156呈四周高、中间低的斜坡状且表面呈X字型，位于LED芯片11侧壁的第七透明硅胶层157呈向外张开的斜坡状，类似于在透明硅胶层15的表面沿两对角线切两条沟槽。
基于上述的结构设计，并结合光转换层13作为流体时的特性，同样使得位于LED芯片11上方的中间区域的光转换层13较厚，周边区域较薄，位于LED芯片11侧面的光转换层13的厚度从上往下逐渐增大，从而有效地减小了激发光到光转换层13的中间和侧面的光程差。
对于制备方法而言，本实施例所述的LED封装结构3与实施例1的差异仅在于：在步骤S2中，透明硅胶层Molding模具16的形状不同，其与本实施例所述的透明硅胶层15的形状相对应。
本实施例所述的LED封装结构3的其它结构、其它制备方法与实施例1完全相同，在此不再赘述。
对于本实施例所述的LED封装结构3，经光学测试所获得的空间色温分布与实施例1相近，即色温差同样得到极大降低。
本发明所述一种LED封装结构及其制备方法的其它内容参见现有技术。
最后，需要说明的是：在本发明中，LED芯片11上方的透明硅胶层15的结构并不限于上述各实施例的描述，其还可以设为其它结构形式，比如其表面为半椭圆球状等；此外，本发明所述的LED封装结构还可以是多颗LED芯片模组器件。因此，诸如此类变化均属于本发明的等效保护范围。
综上所述，本发明公开了一种特殊、巧妙的LED封装结构，该结构改进了LED芯片外围的光转换层的分布，使LED芯片发出的蓝光与光转换层激发出的可见光能均匀混合，减小了0°角到90°角的空间色温差，提高了LED器件空间色温均匀性；并且，该结构有利于提高LED光源的发光效率，使更多的光可以反射出来；此外，通过透明硅胶层使得光转换层与LED芯片发生隔离，有效防止了LED芯片的高温对光转换层的影响，提高了光转换层的信赖度，降低了光衰，从而很好地解决了光转换层受热后发光效率下降的问题，极大地提高了LED产品的寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种LED封装结构，包括有LED芯片、LED载体、光转换层和外保护层，所述LED芯片设于所述LED载体上，其特征在于：
还包括有透明硅胶层，所述透明硅胶层被包覆于所述光转换层和所述LED芯片之间；所述透明硅胶层包括：第一透明硅胶层、第二透明硅胶层、第三透明硅胶层；位于所述LED芯片上方的最中心区域的所述第一透明硅胶层呈平台状，位于所述LED芯片上方的其它区域的所述第二透明硅胶层呈四周高、中间低的斜坡状；所述第二透明硅胶层的最低位置不低于所述第一透明硅胶层的位置；位于所述LED芯片侧壁的所述第三透明硅胶层呈向外张开的斜坡状；或者所述透明硅胶层包括：第四透明硅胶层、第五透明硅胶层，位于所述LED芯片上方的所述第四透明硅胶层的表面向下凹陷且呈半球状，位于所述LED芯片侧壁的所述第五透明硅胶层呈向外张开的斜坡状；或者所述透明硅胶层包括：第六透明硅胶层、第七透明硅胶，位于所述LED芯片上方的所述第六透明硅胶层呈四周高、中间低的斜坡状且表面呈X字型，位于所述LED芯片侧壁的所述第七透明硅胶层呈向外张开的斜坡状；
位于所述透明硅胶层上方的所述光转换层的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于所述透明硅胶层侧壁的所述光转换层的厚度从上往下逐渐增大；
所述外保护层包覆所述光转换层。
2.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于：所述LED芯片为正装芯片、倒装芯片或者垂直芯片中的一种。
3.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于：所述光转换层中的光转换材料为发射波长在500～600nm之间的绿色荧光粉、红色荧光粉或者黄色荧光粉中的一种。
4.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于：所述外保护层的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、或者柿饼形中的一种。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的LED封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将LED芯片固定在LED载体上；
S2：在所述LED芯片外围Molding透明硅胶层；
S3：在所述透明硅胶层外围喷涂光转换层，使得位于所述透明硅胶层上方的所述光转换层的厚度从中心区到四周逐渐减小，位于所述透明硅胶层侧壁的所述光转换层的厚度从上往下逐渐增大；
S4：在所述光转换层外围Molding外保护层。
6.根据权利要求5所述的LED封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤S2中，根据所述透明硅胶层的形状预制一透明硅胶层Molding模具，在透明硅胶里掺杂小粒径细粉并搅拌均匀、分散，将所述透明硅胶填充于所述透明硅胶层Molding模具中并静置，然后将固定有所述LED芯片的所述LED载体倒扣在所述透明硅胶层Molding模具中，对位压合并加热固化，使得在所述LED芯片外围形成所述透明硅胶层。
7.根据权利要求5或6所述的LED封装结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，将光转换材料加入透明高分子材料中，再加入稀释剂并均匀搅拌、脱泡以形成所述光转换层流体，将所述光转换层流体注入喷涂设备中，然后均匀喷涂在所述透明硅胶层外围，同时在所述LED载体的底部加热，其中，喷涂厚度根据色温要求进行管控。
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