CN110364609A - 一种全光谱光源封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光谱光源封装结构，还提供一种该结构的制造方法，包括基板、第一发光体、低温区荧光粉层和封装胶体层，第一发光体包括设置在基板表面的LED芯片，以及包覆在LED芯片顶面及侧面的长波长荧光粉胶体层；低温区荧光粉层设置在第一发光体外侧周围的基板表面，低温区荧光粉层为含有荧光粉颗粒的胶体层，封装胶体层将第一发光体和低温区荧光粉层封装在基板表面。本发明优点是所采用的红色荧光粉覆盖在芯片表面和四周的芯片级封装技术，可以实现红色荧光粉局域化，不被其他荧光再次激发，减少了红色荧光粉二次激发吸收的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子及光学领域，特别涉及一种全光谱光源封装结构及其制造方法。
背景技术
常见的白光LED在工作时会产生大量的热，热场分布如图1所示。由于芯片本身发光时会产生大量的热能，荧光粉在发光同时也会产生热量，一是荧光粉的峰值吸收波长和荧光波长的Stocks位移带来的弛豫能量转化为热能，二是无辐射跃迁。而硅胶的导热性较差，所以芯片上表面及四个侧面中上部的温度很高，而荧光粉在高温的作用下，其发光效率和稳定性将急剧下降，从而导致光源的整体发光效果较差。如图2a2、b所示，常规CSP样品与高色温WLCSP样品断面扫描电镜照片(下部为荧光层)。对于LED发光而言，综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40％的输入电能转化为光能，其余60-70％的能量主要以非辐射复合发生的晶格振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步降低发光效率。由于承载LED芯片的基板的散热性较好，芯片的下表面及周围靠近基板或支架的底面温度较低，如果荧光粉沉淀在芯片周围基板表面低温区域时，将极大地有利于荧光粉的发光效率提升，以及光源整体的发光效果。
现有技术存在的问题：
(1)如图9所示，芯片a通过固晶胶b连接在基板c上，混合荧光粉d一般会喷涂在芯片a的上表面周围，其中的短波长荧光粉的温度稳定性较差，当温度较高时，其发光效率会降低，进而影响到芯片整体的发光光谱，产生“色漂”现象。
(2)对于混合荧光粉而言还存在二次吸收的问题。从图3-图8中的六种荧光粉的光谱中可以看出，不同荧光粉其最佳的激发波长不同，采用单一波长的光激发混合荧光粉无法兼顾到每种荧光粉的最佳激发波长，因而对于某种荧光粉其激发效率较低。所以采用混合荧光粉，虽然提高了显色指数，但其能量损失较大，发光效率较低。例如对于青色荧光粉，由于其发光波长与激发波长比较接近，激发效率很低，应采用更短波长的蓝光或紫光激发。但采用更短波长的蓝光或紫光激发混合荧光粉，虽然可以提高青色荧光粉的激发效率，但是却增加了短波长光子在激发黄色和红色荧光粉时的光子能量消耗。而从图7和图8中655、660nm荧光粉的激发光谱中可以看出，其对495nm的荧光粉所发出的光,仍然存在着高达40％的相对吸收，这不仅会降低青色光的成分，还会造成能量的二次损耗。假设青色荧光粉与红色荧光粉的量子效率均为90％，则通过蓝光激发青色荧光粉，进而激发红色荧光粉的量子效率为81％，相比于蓝色直接激发红色荧光粉的量子效率低了10％左右。因此二次吸收对于显色性及发光效率都有极大的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有更高显色指数且解决荧光粉热不稳定和热淬灭效应的一种高发光效率全光谱LED封装体，还提供一种全光谱光源封装结构的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种全光谱光源封装结构，其创新点在于：包括
基板，所述基板用于承载或连接第一发光体；
至少一第一发光体，所述第一发光体包括设置在基板表面的LED芯片，以及包覆在LED芯片顶面及侧面的长波长荧光粉胶体层；
低温区荧光粉层，所述低温区荧光粉层设置在第一发光体外侧周围的基板表面，所述低温区荧光粉层为含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层；
封装胶体层，所述封装胶体层将第一发光体和低温区荧光粉层封装在基板表面。
优选的，所述基板表面还设置有第二发光体。
优选的，所述LED芯片选用波长在390～505nm的LED芯片。
优选的，所述第一发光体的长波长荧光粉胶体层中含有的长波长荧光粉是波长为600-680nm的红色荧光粉。
优选的，所述热不稳定性荧光粉颗粒为短波长荧光粉，波长范围为：470nm-510nm。
优选的，所述低温区荧光粉层或封装胶体层中还包括中波长荧光粉，所述中波长荧光粉波长范围为510nm-600nm。
优选的，所述低温区荧光粉层和封装胶体层中均含有中波长荧光粉时，所述中波长荧光粉在封装胶体层内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层中的粉量。
优选的，所述基板为带电路的基板或带电路的支架，所述LED芯片直接设置或通过固晶焊或共晶焊连接在电路上。
还提供一种实现权利要求1所述全光谱光源封装结构的制造方法，其创新点在于：所述制造方法包括如下步骤：
步骤1：首先制作第一发光体，然后将第一发光体连接到基板上；
步骤2：再在第一发光体外侧周围的基板表面涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，进而形成低温区荧光粉层；
步骤3：最后，通过封装胶体层将所述第一发光体和低温区荧光粉层封装在基板表面形成全光谱光源封装结构。
优选的，所述步骤2的具体步骤为通过在第一发光体的正上方设置网格状的丝网，且设置的网格状的丝网在第一发光体正上方的投影面积大于或等于第一发光体的投影面积，然后进行涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，实现第一发光体顶面没有热不稳定性荧光粉颗粒或不含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，而第一发光体外侧四周的基板表面形成含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层。
优选的，所述步骤2的具体步骤为
步骤21：在基板的表面及第一发光体上表面整体喷涂热不稳定性荧光粉颗粒、液状胶体及溶剂的混合体，形成同时覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层；
步骤22：然后再去除第一发光体上表面的混合体涂层或热不稳定性荧光粉颗粒，得到低温区荧光粉层；
所述步骤22中，去除位于第一发光体上表面上含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合体涂层方法可采用以下三种方法中的任意一种；
方法一：
在第一发光体上表面喷涂溶剂，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被冲洗到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法二：
对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行固化，固化后打磨第一发光体上表面的混合体涂层，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法三：
对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行刷除，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被刷到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层。
优选的，所述低温区荧光粉层和封装胶体层中均含有中波长荧光粉时，需要控制中波长荧光粉在封装胶体层内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层中的粉量。
本发明的优点在于：
(1)本发明所采用的红色荧光粉覆盖在芯片表面和四周的芯片级封装技术，可以实现红色荧光粉局域化，不被其他荧光再次激发，减少了红色荧光粉二次激发吸收的问题；
(2)低温区荧光粉层，可以解决由于短波长荧光粉温度稳定性差带来的“色漂”问题，同时荧光粉的热淬灭效应可以得到明显改善；
(3)硅胶封装体内的少量中波荧光粉颗粒分布，可以实现蓝光在封装体内的多次散射，增加蓝光激发不稳定性荧光粉的几率，同时由于封装硅胶层的折射率大于封装体外部的折射率，蓝光可以在硅胶层和外部的分界面上实现全反射，进一步增加了蓝光激发不稳定性荧光粉的几率。
附图说明
图1为常见的LED芯片的热场分布图。
图2a为常规CSP样品断面扫描电镜照片(下部为荧光层)。
图2b为高色温WLCSP样品断面扫描电镜照片(下部为荧光层)。
图3为495荧光粉激发与发射光谱图。
图4为518荧光粉激发与发射光谱图。
图5为530荧光粉激发与发射光谱图。
图6为535荧光粉激发与发射光谱图。
图7为655荧光粉的激发光谱。
图8为660nm荧光粉的激发光谱。
图9为常规LED光源封装体中荧光粉涂敷方式。
图10为本发明实施例1中一种全光谱光源封装结构示意图。
图11为本发明实施例1中另一种结构的全光谱光源封装结构示意图。
图12为本发明实施例1中具有多颗第一发光体的全光谱光源封装结构示意图。
图13为本发明实施例2中全光谱光源封装结构示意图。
图14为本发明实施例3中全光谱光源封装制作工艺第一状态图。
图15为本发明实施例3中全光谱光源封装制作工艺第二状态图。
图16为本发明实施例3中全光谱光源封装制作工艺第三状态图。
图17为本发明实施例4中全光谱光源封装制作工艺第一状态图。
图18为本发明实施例4中去除热不稳定性荧光粉颗粒的第一种方法示意图。
图19为本发明实施例4中去除热不稳定性荧光粉颗粒的第二种方法示意图。
图20为本发明实施例5中采用COB封装形式的全光谱光源封装结构示意图。
图21为本发明实施例5中采用SMD封装形式的全光谱光源封装结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例一种全光谱光源封装结构，如图10所示，包括基板1、LED芯片2、长波长荧光粉胶体层3、低温区荧光粉层4和封装胶体层5。
该基板1用于承载或连接第一发光体；第一发光体包括设置在基板1表面的LED芯片2，以及包覆在LED芯片2顶面及侧面的长波长荧光粉胶体层3；在第一发光体外侧周围的基板1表面设置有低温区荧光粉层4，该低温区荧光粉层4为混合有胶体的热不稳定性荧光粉颗粒41吸附在基板表面形成或含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层；封装胶体层5将第一发光体和低温区荧光粉层4封装在基板1表面。
本实施例中，基板1为带电路的基板或带电路的支架，LED芯片2选用波长在390～505nm的LED芯片，LED芯片2直接设置或通过固晶焊或共晶焊连接在电路上；长波长荧光粉胶体层3中含有的长波长荧光粉是波长为600-680nm的红色荧光粉。
本实施例中，热不稳定性荧光粉颗粒41为短波长荧光粉，短波长荧光粉可为靛色荧光粉、青色荧光粉、黄色荧光粉和蓝色荧光粉中的任意一种或者两种及两种以上的混合。作为本实施例更具体的实施方式：本实施例的热不稳定性荧光粉颗粒41为波长495nm的短波长荧光粉。
本实施例中，参见图11，低温区荧光粉层4或封装胶体层5中还包括中波长荧光粉，中波长荧光粉为黄色荧光粉或绿色荧光粉中的任意一种或两者的混合。当低温区荧光粉层和封装胶体层中均含有中波长荧光粉时，中波长荧光粉在封装胶体层内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层中的粉量。
本领域技术人员应当了解：如图12所示，封装在封装胶体层5内的第一发光体，不局限于一颗，可以根据实际发光光谱需要，相应增加颗数。在最终进行封装或后序制作时，可以根据实际需要，采用COB封装、SMD封装、CSP封装等。
实施例2
本实施例中全光谱光源封装结构与实施例1基本相同，均包括基板1、LED芯片2、长波长荧光粉胶体层3、低温区荧光粉层4和封装胶体层5。
不同之处在于：如图13所示，本实施例的第一发光体有多颗，除此之外，在基板1上还设置有至少一颗第二发光体9，本实施例中的第二发光体9为表面不覆盖荧光粉的蓝光芯片。
实施例3
本实施例采用实施例1的全光谱光源封装结构进行制造的方法具体步骤为：
步骤1：如图14所示，首先制作第一发光体，第一发光体为包覆长波长荧光粉胶体层3的LED芯片2，然后将第一发光体连接到基板1上；本实施例中，第一发光体为多个。
步骤2：再在第一发光体外侧周围的基板1表面喷涂混合有胶体的热不稳定性荧光粉颗粒41或涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层，进而形成低温区荧光粉层4；
本实施例中，如图15所示，步骤2的具体步骤为通过在第一发光体的正上方设置网格状的丝网7，且设置的网格状的丝网7在第一发光体正上方的投影面积大于或等于第一发光体的投影面积，即通过丝网7进行第一发光体上表面的遮挡；然后采用喷涂设备进行喷涂热不稳定性荧光粉颗粒41或含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层，实现第一发光体顶面没有混合有胶体的热不稳定性荧光粉颗粒或不含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，而第一发光体外侧四周的基板表面有热不稳定性荧光粉颗粒或含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层；喷涂过程中，喷涂设备的喷嘴可进行移动或摆动，以提高喷涂均匀度。
步骤3：如图16所示，最后，通过封装胶体层5将第一发光体和低温区荧光粉层4封装在基板1表面形成全光谱光源封装结构。
若步骤2中的，在制作低温区荧光粉层4时，喷涂的热不稳定性荧光粉颗粒41或含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层内混合有中波长荧光粉，且步骤3中，封装胶体层5内也包括中波长荧光粉，那么需要控制中波长荧光粉在封装胶体层5内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层4中的粉量。通常，封装胶体层5内的中波长荧光粉粉量占硅胶封装层的体积比为1％～40％。
实施例4
本实施例4中的全光谱光源封装结构制造方法与实施例2基本相同，均包括如下步骤：
步骤1：首先制作第一发光体，然后将第一发光体连接到基板1上；
步骤2：再在第一发光体外侧周围的基板1表面喷涂混合有胶体的热不稳定性荧光粉颗粒41或涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层，进而形成低温区荧光粉层4；
步骤3：最后，通过封装胶体层5将第一发光体和低温区荧光粉层4封装在基板1表面形成全光谱光源封装结构。
不同之处在于：步骤2的具体步骤为
步骤21：如图17所示，在基板的表面及第一发光体上表面整体喷涂热不稳定性荧光粉颗粒与液状胶体、溶剂的混合体，形成同时覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层；当然，本步骤中，也可在混合体内添加中波长荧光粉；
步骤22：然后再去除第一发光体上表面的混合体涂层或热不稳定性荧光粉颗粒，得到低温区荧光粉层；本领域技术人员应当了解，这里去除混合体涂层的目标是为了去除热不稳定性荧光粉颗粒；
本步骤22中，去除位于第一发光体上表面上含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合体涂层方法可采用以下三种方法中的任意一种；
方法一：
如图18所示，在第一发光体上表面再次喷涂液状胶体8，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被冲洗到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法二：
如图19所示，对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行固化，固化后打磨第一发光体上表面的混合体涂层，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法三：
对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行刷除，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被刷到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层。
当然，在去除位于第一发光体上表面热不稳定性荧光粉颗粒方法中我们也可以采用上述三种方法中的两种甚至3种的结合，这里不在赘述。
实施例5
本实施例5中的全光谱光源封装结构制造方法与实施例3基本相同，均包括如下步骤：
步骤1：首先制作第一发光体，然后将第一发光体连接到基板1上；
步骤2：再在第一发光体外侧周围的基板1表面喷涂热不稳定性荧光粉颗粒41或涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒41的胶体层，进而形成低温区荧光粉层4；
步骤3：最后，通过封装胶体层5将第一发光体和低温区荧光粉层4封装在基板1表面形成全光谱光源封装结构。
本实施例重点体现的是全光谱光源封装结构的整体封装形式或后续应用。
如图20所示，在步骤3中，当封装胶体层5内有多颗第一发光体，也具有第二发光体9时，在分布有第一、二发光体的基板上进行点胶，形成圆形或者方形的，然后再整体涂覆封装胶体层5，最终形成整体的COB封装结构；当然，实际应用中，还可以根据实际需要，如图21加工成SMD封装或者灯丝条封装等形式。
或者在步骤3中，多个第一发光体被封装胶体层5封装在基板1上形成全光谱光源封装结构后，可对全光谱光源封装结构整面烤干后，再进行切割分离，得到多个或单个第一发光体的CSP封装结构。
Claims (12)
1.一种全光谱光源封装结构，其特征在于：包括
基板，所述基板用于承载或连接第一发光体；
至少一第一发光体，所述第一发光体包括设置在基板表面的LED芯片，以及包覆在LED芯片顶面及侧面的长波长荧光粉胶体层；
低温区荧光粉层，所述低温区荧光粉层设置在第一发光体外侧周围的基板表面，所述低温区荧光粉层为含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层；
封装胶体层，所述封装胶体层将第一发光体和低温区荧光粉层封装在基板表面。
2.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：所述基板表面还设置有第二发光体。
3.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：所述LED芯片选用波长在390～505nm的LED芯片。
4.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：
所述第一发光体的长波长荧光粉胶体层中含有的长波长荧光粉是波长为600-680nm的红色荧光粉。
5.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：所述热不稳定性荧光粉颗粒为短波长荧光粉，波长范围为：
470nm-510nm。
6.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：
所述低温区荧光粉层或封装胶体层中还包括中波长荧光粉，所述中波长荧光粉波长范围为510nm-600nm。
7.根据权利要求6所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：所述低温区荧光粉层和封装胶体层中均含有中波长荧光粉时，所述中波长荧光粉在封装胶体层内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层中的粉量。
8.根据权利要求1所述的全光谱光源封装结构，其特征在于：所述基板为带电路的基板或带电路的支架，所述LED芯片直接设置或通过固晶焊或共晶焊连接在电路上。
9.一种实现权利要求1所述全光谱光源封装结构的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括如下步骤：
步骤1：首先制作第一发光体，然后将第一发光体连接到基板上；
步骤2：再在第一发光体外侧周围的基板表面涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，进而形成低温区荧光粉层；
步骤3：最后，通过封装胶体层将所述第一发光体和低温区荧光粉层封装在基板表面形成全光谱光源封装结构。
10.根据权利要求9所述的全光谱光源封装结构的制造方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为通过在第一发光体的正上方设置网格状的丝网，且设置的网格状的丝网在第一发光体正上方的投影面积大于或等于第一发光体的投影面积，然后进行涂覆含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，实现第一发光体顶面没有热不稳定性荧光粉颗粒或不含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层，而第一发光体外侧四周的基板表面形成含有热不稳定性荧光粉颗粒的胶体层。
11.根据权利要求9所述的全光谱光源封装结构的制造方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为
步骤21：在基板的表面及第一发光体上表面整体喷涂热不稳定性荧光粉颗粒、液状胶体及溶剂的混合体，形成同时覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层；
步骤22：然后再去除第一发光体上表面的混合体涂层或热不稳定性荧光粉颗粒，得到低温区荧光粉层；
所述步骤22中，去除位于第一发光体上表面上含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合体涂层方法可采用以下三种方法中的任意一种；
方法一：
在第一发光体上表面喷涂溶剂，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被冲洗到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法二：
对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行固化，固化后打磨第一发光体上表面的混合体涂层，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层；
方法三：
对覆盖住基板表面、第一发光体上表面且可流动的混合体涂层进行刷除，使得喷涂在第一发光体上表面的混合涂层被刷到第一发光体外侧四周的基板表面上，实现第一发光体顶面没有混合涂层，而第一发光体外侧四周的基板表面有含有热不稳定性荧光粉颗粒的混合涂层。
12.根据权利要求9所述的全光谱光源封装结构的制造方法，其特征在于：所述低温区荧光粉层和封装胶体层中均含有中波长荧光粉时，需要控制中波长荧光粉在封装胶体层内的粉量低于中波长荧光粉在低温区荧光粉层中的粉量。
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