CN107946442A - Led封装体及高透光率led灯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED封装体及高透光率LED灯，该LED封装体包括：热沉(21)；LED芯片，设置于所述热沉(21)之上；第一硅胶层(22)，涂覆于所述LED芯片及所述热沉(21)之上；第二硅胶层(23)，设置于所述第一硅胶层(22)之上；第三硅胶层(24)，设置于所述第二硅胶层(23)之上。本发明提供的LED封装体，其荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降和透光率下降的问题。
Description
技术领域
本发明属半导体技术领域，特别涉及一种LED封装体及高透光率LED灯。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。高性能LED的实用化和商品化，使照明技术面临一场新的革命。由多个超高亮度红、蓝、绿三色LED组成的像素灯不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可以发出亮度可达几十到一百烛光的白色光成为照明光源，对于相同发光亮度的白炽灯和LED固体照明灯来说，后者的功耗只占前者的10％-20％。
现实生产的白光LED大部分是通过在蓝光LED上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，当LED芯片发出蓝光，部分蓝光便会被荧光粉高效地转换成一个光谱较宽的主要为黄色的光，由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体，再混合LED本身的蓝光，使它看起来就像白色光。这种LED在日常生活中有极为普遍的应用。
采用以上方式发光的LED有如下缺陷：LED光源发出光的分布较为分散，光源的照明亮度不佳，往往需要通过外部透镜的整形处理才能满足亮度需求，这极大地增加了LED的生成成本；荧光粉直接涂覆在芯片表面上，芯片对散射的光具有吸收作用，降低了发光效率，并且，芯片的高温会使荧光粉的量子效率下降，影响LED光源的流明效率，容易导致光强降低、光谱偏移、芯片加速老化等一系列问题，降低了LED光源的使用寿命。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种LED封装体，包括：
热沉(21)；
LED芯片，设置于所述热沉(21)之上；
第一硅胶层(22)，涂覆于所述LED芯片及所述热沉(21)之上；
第二硅胶层(23)，设置于所述第一硅胶层(22)之上；
第三硅胶层(24)，设置于所述第二硅胶层(23)之上。
在本发明的一种实施方式中，所述第一硅胶层(22)不含有荧光粉，所述第二硅胶层(23)或所述第三硅胶层(24)含有荧光粉。
在本发明的一种实施方式中，所述第三硅胶层(24)的折射率大于所述第一硅胶层(22)的折射率且小于所述第二硅胶层(23)的折射率。
在本发明的一种实施方式中，所述第二硅胶层(24)包括多个半球形硅胶透镜。
在本发明的一种实施方式中，所述LED芯片依次包括衬底层(221)、GaN缓冲层(222)、N型GaN层(223)，第一P型GaN量子阱宽带隙层(224)、InGaN层(225)、第二P型GaN量子阱宽带隙层(226)、AlGaN阻挡层(227)、P型GaN层(228)和电极。
在本发明的一种实施方式中，所述热沉(21)的材料为铁。
在本发明的一种实施方式中，所述热沉(21)的厚度在0.5毫米和10毫米之间，沿所述热沉(21)宽度的方向设有相互平行的多个圆槽，相邻两个所述圆槽的间距在0.5毫米和10毫米之间；每个所述圆槽的直径均在0.2毫米和1毫米之间，其中轴线与所述热沉(21)的底部平面的夹角在1度和10度之间。
在本发明的一种实施方式中，所述第三硅胶层(24)呈半球形，且其特征厚度在50～500微米之间。
在本发明的一种实施方式中，所述第一硅胶层(22)的材料为环氧树脂、改性环氧树脂或有机硅材料；所述第二硅胶层(23)的材料为聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂或者玻璃；所述第三硅胶层(24)的材料为甲基硅橡胶或苯基有机硅橡胶。
本发明还提供一种高透光率LED灯，该高透光率LED灯包括以上任一实施方式提供的LED封装体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的LED封装体，荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题；与LED芯片接触的硅胶为耐高温的硅胶，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。
2、本发明提供的球形透镜即硅胶球中含有黄色荧光粉，使得光线在二次调整过程中部分变成黄光；通过改变硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的颜色从变为白光，再变为黄光，还可以调节光源的色温。
3、本发明提供的LED封装体，利用不同硅胶和荧光粉胶折射率不同的特点，在硅胶中形成透镜，改善LED芯片发光分散的问题，使光源发出的光能够更加集中；合理的设定各层硅胶折射率的大小，可以保证LED芯片的能够更多的透过封装材料照射出去。
4、本发明提供的硅胶球可以呈矩形均匀排列，或者菱形排列。可以保证光源的光线在集中区均匀分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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仅是本发明的一些实施例，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。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
图1为本发明提供的一种LED封装体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种LED芯片结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种热沉(21)的结构示意图；
图4a-图4b为本发明实施例提供的一种半球形硅胶层分布示意图；
图5为本发明实施例提供的一种LED封装方法流程示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种LED封装方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明提供的一种LED封装体结构示意图，该封装体包括：
热沉(21)；
LED芯片，设置于所述热沉(21)之上；
第一硅胶层(22)，涂覆于所述LED芯片及所述热沉(21)之上；
第二硅胶层(23)，设置于所述第一硅胶层(22)之上；
第三硅胶层(24)，设置于所述第二硅胶层(23)之上。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第一硅胶层(22)不含有荧光粉，所述第二硅胶层(23)或所述第三硅胶层(24)含有荧光粉。
本实施方式中，LED芯片与荧光粉不直接接触，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题；与LED芯片接触的硅胶优选为耐高温的硅胶，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第三硅胶层(24)的折射率大于所述第一硅胶层(22)的折射率且小于所述第二硅胶层(23)的折射率。
本实施方式中，应该严格控制所述第三导光材料的折射率，使其不要太大，因为如果所述第三导光材料的折射率太大，光的全反射效应会显著增加，导致出光效率差，发热严重。
采用上述折射率的多个硅胶层，可以保证LED芯片的能够更多的透过封装材料照射出去，无需采用外部透镜进行二次整形，降低了成本。这种实施方式可以有效地聚集LED芯片发出的光，增加了发光体的光聚集程度，满足了特定场所的需求。
进一步地，在上述实施方式的基础上，第二硅胶层(23)包括多个半球状硅胶透镜。更具体的，第二硅胶层(23)包括多个半球状硅胶体，这些硅胶体各均形成透镜，这些透镜的集合形成第二硅胶层(23)。经过试验发现，相对于平面状的硅胶层，采用半球状硅胶层对LED芯片发出光的聚集程度更优。
采用球型透镜的优点还包括：球型透镜的设计可以改变光的传播方向，可以有效地抑制全反射效应，有利于更多的光发射到第三硅胶层之外，增大了LED器件的外量子效率，提高LED的发光效率。
进一步地，在上述实施方式的基础上，请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种LED芯片结构示意图，所述LED芯片依次包括衬底层(221)、GaN缓冲层(222)、N型GaN层(223)，第一P型GaN量子阱宽带隙层(224)、InGaN层(225)、第二P型GaN量子阱宽带隙层(226)、AlGaN阻挡层(227)、P型GaN层(228)和电极。
本实施方式可以通过由上述芯片生成特定频率的光线，而通过设定特定颜色荧光粉进决定LED芯片出射光线的颜色，这种实施方式既能降低成本，又能灵活改变出射光线的颜色，满足更多场所的需求。例如，荧光粉为黄色，使得光线在调整过程中部分变成黄光；通过改变硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的颜色从变为白光，再变为黄光，还可以调节光源的色温
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述热沉(21)的材料为铁。采用铁作为热沉材料，有较好的导热效果，并且不容易变形。
进一步地，在上述实施方式的基础上，请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种热沉(21)的结构示意图。所述热沉(21)的厚度在0.5毫米和10毫米之间，沿所述热沉(21)宽度的方向设有相互平行的多个圆槽，相邻两个所述圆槽的间距在0.5毫米和10毫米之间；每个所述圆槽的直径均在0.2毫米和1毫米之间，其中轴线与所述热沉(21)的底部平面的夹角在1度和10度之间。
本实施方式采用的热沉(21)的厚度较厚，因此热沉不会因高温变形导致其与外设散热设备的贴合度降低而影响散热效果。
本实施方式采用中间通孔的方式，在强度几乎没有变化的同时，降低了成本，并且，采用中间通孔的方式，并采用“斜圆槽”的设计，相对于“平行圆槽”，进一步增加空气流通的通道的长度，利用空气的热对流，增加了散热效果。
本实施方式中，第二硅胶层(23)包括多个呈半球状的平凸镜，即多个半球形透镜的集合形成所述第三硅胶层(24)。优选地，第三硅胶层(24)的特征厚度为50～500微米。本实施方式中，所述第三硅胶层(24)的特征厚度是指：在所述第二硅胶层(23)的圆心处做一条垂直于所述第一硅胶层(22)的垂线，定义该垂线与所述第三硅胶层(24)的外表面(即圆弧形外表面)相交形成的点为特征点，所述第三硅胶层(24)的特征厚度即为圆心与特征点之间的距离。显然，在本实施方式中，所述第三硅胶层(24)的特征厚度并不均匀，例如，请再次参见图1，OP和MN均为所述第三硅胶层(24)的特征厚度，OP的长度小于MN，“第三硅胶层(24)的特征厚度为50～500微米”，则要求OP、MN的长度均在50～500微米之间。
经试验证实，所述第三硅胶层(24)采用这种形状设计和厚度设计，可以保证较好的透射性和聚光性，可以满足对聚光性要求高的场所的需求。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第一硅胶层(22)的材料为环氧树脂、改性环氧树脂或有机硅材料；所述第二硅胶层(23)的材料为聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂或者玻璃；所述第三硅胶层(24)的材料为甲基硅橡胶或苯基有机硅橡胶。上述材料的折射率可以根据具体成分进行调节。
请参见图4a-图4b，图4a-图4b为本发明实施例提供的一种半球形硅胶层分布示意图，图4a中的半球形硅胶层呈矩形均匀分布于第一硅胶层和第三硅胶层之间；图4b中的半球形硅胶层呈菱形均匀分布于第一硅胶层和第三硅胶层之间。半球形硅胶层可以呈矩形均匀排列，或者菱形交错排列；可以保证光源的光线在集中区均匀分布。
此外，对于第三硅胶层的形状，可采用扁平形，半球形或抛物面形。其中，半球形出光角最大，适合于普通照明应用；抛物面形出光角最小，适合于局部照明应用；而扁平形介于前两者之间，适合于指示照明。
本发明还提供一种高透光率LED灯，该LED灯包括以上任一种实施方式提供的LED封装体。
本发明提供的LED封装体及LED灯，利用不同种类硅胶和荧光粉胶折射率不同的特点，在硅胶中形成透镜，改善LED芯片发光分散的问题，使光源发出的光能够更加集中；其中，第二硅胶层折射率大于第一硅胶层折射率，小于上小于第三层硅胶折射率，可以保证LED芯片的能够更多的透过封装材料照射出去。
实施例二
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种LED封装方法流程示意图，实施例一中的LED封装体采用本实施例提供的方法制备而成，该方法包括：
选取LED芯片；
选择热沉并清洗所述热沉；
将所述LED芯片的引线焊接至所述热沉上；
在所述热沉上灌封硅胶层，以使所述LED芯片发出的光经过所述硅胶层向外发射。
本实施方式通过在硅胶层中放置荧光粉，而不是将荧光粉直接涂覆在LED芯片上，避免了LED芯片对后向散射光线的吸收，提高了封装的取光效率。此外，采用本实施方式，还避免了LED芯片产生的高温使荧光粉的量子效率显著下降的问题，从而避免了LED芯片流明效率的损伤。优选地，与LED芯片接触的第一硅胶层为耐高温的硅胶层，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。
在一种实施方式中，在所述热沉上灌封硅胶层，可以为：
在所述LED芯片上涂敷第一硅胶形成所述第一硅胶层；
在温度为90-125℃之间烘烤所述第一硅胶层，烘烤时间持续15-60分钟；
在所述第一硅胶层上涂敷第二硅胶，采用多个第一半球形模具在所述第二硅胶上按压；
去除所述多个第一半球形模具之间的所述第二硅胶；
在温度为90-125℃之间烘烤所述第一半球形模具和所述第二硅胶，烘烤时间持续15-60分钟；随后，去除所述第一半球形模具，以形成所述第二硅胶层；
在所述第二硅胶层上涂敷第三硅胶，采用第二半球形模具在所述第三硅胶上按压；其中，所述第二半球形模具的半径大于所述多个第一半球形模具的半径之和；
在温度为90-125℃之间烘烤所述第二半球形模具和所述第三硅胶，烘烤时间持续15-60分钟；随后，去除所述第二半球形模具，以形成所述第三硅胶层；
在温度100-150℃之间烘烤所述第一硅胶层、所述第二硅胶层及所述第三硅胶层，烘烤时间持续4-12小时。
采用这种方式可以生成多个半球形的第二硅胶层，经测试，采用这种封装结构的透射方式，可以使经LED光源射出的光线在各个方向更加均匀，尤其满足对光的散射性要求较高的场。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第一半球形模具的半径为10-200微米，相连两个第一半球形模具之间的距离为10-200微米。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第二硅胶及第三硅胶均包含黄色荧光粉，对应的荧光波长范围在570nm-620nm之间。
在本实施方式中，黄光荧光粉可采用(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu、AESi2O2N2:Eu或M-α-SiAlON:Eu材料制备而成。
本发明提供的第二硅胶或第三硅胶中含有黄色荧光粉，使得光线在出射的过程中在一定程度上变成黄光；通过改变硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的颜色从变为白光，再变为黄光，还可以调节光源的色温。
请再次参见图3，在图3所示的热沉中，热沉(21)的宽度W为0.5毫米～10毫米，圆槽直径R为0.2毫米～1毫米，相连两个圆槽的间距L2为0.5毫米～10毫米，热沉(21)的厚度D和长度L，起始圆槽距热沉壁的距离L1可根据工艺条件自行确定，本发明在此不做限制。
优选地，本实施方式采用的热沉(21)的厚度较厚，因此热沉不会因高温变形导致其与外设散热设备的贴合度降低而影响散热效果。
请再次参考图1，在图1中，第一硅胶层(22)设置于热沉(21)之上，第二硅胶层(23)呈半球状，每个半球的半径r为5微米～100微米，相邻两个半球的间距A为10微米～200微米。第三硅胶层(24)涂覆在第二硅胶层(23)之上。进一步的，每个半球的半径r＞10微米，第一硅胶层的厚度＞3微米，两个半球的间距A根据工艺条件尽量缩小，优选地，A＝10微米，热沉(21)的厚度D为90微米～140微米。
请参考图6，图6为本发明实施例提供的另一种LED封装方法流程示意图，在该封装流程中，首先准备好LED芯片、支架/热沉，配置好硅胶，并在硅胶中预先配置好荧光粉胶，可以根据具体LED灯具指标要求，配置对应颜色的荧光粉，并荧光粉与各个硅胶进行混合，混合后进行颜色测试以满足LED灯的颜色要求。
在一种实施方式中，黄色荧光粉的材质为(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce,或者为(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu,或者为M-α-SiAlON:Eu,对应的发射波长范围为560nm～600nm之间。
随后，将支架/热沉进行清洗，为了进行封装，支架与热沉必须保持清洁，需要将上面的污渍、尤其是油渍清洗干净，并进行烘烤，保持支架和基板的干燥。
随后需对芯片进行焊接，在支架和热沉清洗完成之后，对芯片的引线进行焊接，焊接采用标准的回流焊工艺，具体工艺包括：印刷焊料、固晶检验和回流焊接。
随后是制备透镜和硅胶灌封阶段，通过反复的涂覆硅胶、模具按压、短时间烘烤固定、去除模具、长时间烘烤，实现硅胶层的定型。短时间烘烤可在90-125℃范围内，烘烤15-60分钟；长时间烘烤和在100-150℃范围内，烘烤4-12小时。
最后，制备完成的LED还需要进行检测和包装，以最终完成LED的封装。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种LED封装体，其特征在于，包括：
热沉(21)；
LED芯片，设置于所述热沉(21)之上；
第一硅胶层(22)，涂覆于所述LED芯片及所述热沉(21)之上；
第二硅胶层(23)，设置于所述第一硅胶层(22)之上；
第三硅胶层(24)，设置于所述第二硅胶层(23)之上。
2.如权利要求1所述的LED封装体，其特征在于，所述第一硅胶层(22)不含有荧光粉，所述第二硅胶层(23)或所述第三硅胶层(24)含有荧光粉。
3.如权利要求1所述的LED封装体，其特征在于，所述第三硅胶层(24)的折射率大于所述第一硅胶层(22)的折射率且小于所述第二硅胶层(23)的折射率。
4.如权利要求3所述的LED封装体，其特征在于，所述第二硅胶层(24)包括多个半球形硅胶透镜。
5.如权利要求4所述的LED封装体，其特征在于，所述LED芯片依次包括衬底层(221)、GaN缓冲层(222)、N型GaN层(223)，第一P型GaN量子阱宽带隙层(224)、InGaN层(225)、第二P型GaN量子阱宽带隙层(226)、AlGaN阻挡层(227)、P型GaN层(228)和电极。
6.如权利要求5所述的LED封装体，其特征在于，所述热沉(21)的材料为铁。
7.如权利要求6所述的LED封装体，其特征在于，所述热沉(21)的厚度在0.5毫米和10毫米之间，沿所述热沉(21)宽度的方向设有相互平行的多个圆槽，相邻两个所述圆槽的间距在0.5毫米和10毫米之间；每个所述圆槽的直径均在0.2毫米和1毫米之间，其中轴线与所述热沉(21)的底部平面的夹角在1度和10度之间。
8.如权利要求7所述的LED封装体，其特征在于，所述第三硅胶层(24)呈半球形，且其特征厚度在50～500微米之间。
9.如权利要求8所述的LED封装体，其特征在于，所述第一硅胶层(22)的材料为环氧树脂、改性环氧树脂或有机硅材料；所述第二硅胶层(23)的材料为聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂或者玻璃；所述第三硅胶层(24)的材料为甲基硅橡胶或苯基有机硅橡胶。
10.一种高透光率LED灯，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的LED封装体。
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