CN1787243A - Led器件及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED器件封装方法，将LED管芯用充有封装液的透光壳体密封起来，并将其导电端用电极从壳体内引出，所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。本发明并提供采用上述封装方法的LED器件。本发明的优点在于：突破性地采用液态封装技术来取代常规的全固体结构，使得LED管芯的散热可通过电极传导和封装液对流的双重方式来进行，为大功率LED封装开辟出了一条崭新的发展道路。
Description
【技术领域】
本发明涉及LED封装技术，具体是涉及一种LED器件及其封装方法。
【背景技术】
自1879年爱迪生发明电灯以来，这个伟大的创造将人类带进了充满光明和无限可能的新世纪，人造光源的出现已被国际科技界公认为现代文明社会起始的里程碑。从最早只有8小时寿命的碳丝电灯，到白炽钨丝灯、高压荧光激发的日光灯、利用原子谱线跃迁发光的高压钠灯、水银灯、螺旋节能灯等，现在基于各种发光原理的照明灯具可谓种类齐全、花样繁多。然而照明灯具的长寿命、高光量和低能耗永远是人们不懈努力的研究方向。
集各种优点于一身的LED(Light-emitting diode发光二极管)的出现，无疑昭示着一个新的固体光源时代的到来。LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光，具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗等众多优点。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达80～90％；光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源；寿命更是接近若干百万小时，可靠耐用，维护费用极为低廉。
从1965年第一款锗材料商用LED的诞生至今，短短四十年间，LED技术在强大的应用需求推动下，经历了飞速的发展过程，现在几乎可覆盖全部可见光波段并活跃于各种应用领域。围绕着LED进行的研发，主要包括两方面的内容：
一是LED供电回路的设计，由于早期LED管芯价格昂贵，因此为其提供稳定而纯净的电流显得十分重要，从简单的限流电阻、变压器、整流器到先进而复杂的开关电源，这方面的工作已经进行的相当充分，可根据效果和成本的要求进行选择。在大规模照明应用领域，本发明的发明人在此前提出的中国专利申请(申请号为200410040265.0和200420061456.0)中提供了较好的解决方案。
一是LED器件自身性能的提升，关于这方面的研究集中在两个大的方向，其一是LED发光材料的创新，在这方面的研究是相当艰苦但也是最根本和最重要的，并且似乎永无止境，迄今为止，LED领域内的每一次大的飞跃莫不来源于新材料的创制和应用。早期的锗材料和GaAsP材料制作的红光LED，每瓦大约只能提供0.1流明(lumens)的光通量；此后，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光，到1971年，生产出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED；而80年代早期开发出的AlGaAs材料LED已能以每瓦10流明的发光效率发出红光。现在，100流明/瓦的新材料也已在实验室中诞生，LED材料在光效上的提高和色彩上的丰富为其应用领域的拓展提供了实质的基础和保证。另一方向是LED封装技术的完善，LED的封装设计从早期的圆柱型、圆锥型、草帽型等简单的2引脚封装结构，到逐渐适应于较大功率LED管芯的食人鱼型、PLCC型等结构已经历了很大发展。随着新型大功率LED芯片的开发，其对相应的封装技术的要求也不断提高，并且LED的封装技术对LED产品最终所表现出来的发光效果已经表现出越来越大的作用和影响，也就是说，采用同样的LED管芯而进行不同结构形式的封装，最后得到的发光效果可能差距甚远。最大限度的发挥LED管芯的发光能力并尽可能的减少热量积聚始终是封装设计者不懈的追求。LED从发展之初到现在，一直沿用固体支架封装技术，起初是简单的衬底、金丝加管脚和外壳，后来随着功率的升高和发热量的不断增加，开始添加各种各样的附属结构，例如位于芯片下方的热沉，以及从管脚延伸出去的外部散热片等，管脚数目也从两个增加到三个、四个甚至多个。由于承担着导电、散热、结构支撑等多重重任，对制造LED支架的材料提出了较高的要求，这不可避免的意味着制造上的困难和成本上的提升，我国目前LED支架钢几乎全部依赖进口，不能不说是对行业发展的一大制约。并且现有封装结构使得LED管芯的散热完全基于热传导方式，使得在支架这种小空间中的结构变化所带来的效果上的改进显得十分有限，这些困难已成为封装技术进一步发展的障碍和瓶颈。虽然现有最先进的支架封装结构还能较好的胜任40流明/瓦左右300mW以下芯片的散热工作，但随着更大功率芯片的不断研发，以及大规模、密集型、高强度室内外照明发展的需要，势必对传统封装技术提出本质性突破和创新的要求。
【发明内容】
本发明的目的在于突破现有的LED固态封装技术的常规，提供一种全新的，能够有效解决LED散热问题的LED器件及其封装方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种LED器件封装方法，将LED管芯用充有封装液的透光壳体密封起来，并将其导电端用电极从壳体内引出，所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。
以及，一种LED器件，包括LED管芯、电极、透光壳体和封装液，所述LED管芯的导电端与电极相连接，所述透光壳体将LED管芯和封装液密闭封装，所述电极穿过壳体，能够将LED管芯接入外电路中。所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。
优选的是，所述LED管芯为“一”字型，所述电极分别从所述透光壳体的两端伸出。
优选的是，所述LED管芯为“U”字型，所述电极从所述透光壳体的同一端伸出。
优选的是，所述透光壳体的内或外表面具有荧光材料层或者其壳体材料中含有荧光成分或者其壳体中具有荧光材料夹层。
优选的是，所述透光壳体的部分内或外表面具有反光材料层或者其部分壳体中具有反光材料夹层。
优选的是，所述封装液充满透光壳体中的密闭空间。
优选的是，所述透光壳体整体透明。
进一步优选的是，所述透光壳体为球形、椭球形或柱形。
采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：1)突破性地采用液态封装技术来取代常规的全固体结构，使得LED管芯的散热可通过电极传导和封装液对流的双重方式来进行，为大功率LED封装开辟出了一条崭新的发展道路。并且由于LED管芯位于封装液中，不再需要常规的固体底部支撑，使得传统封装时被不透明底部所遮挡的大量光线能够完全发射出来，成为真正意义上的球形波，因此同样的LED材料在同样功耗的情况下，发光效率可以提高几乎一倍！这也使得过去被阻挡的光转化的热量不复存在，大大缓解了LED散热的难度。2)采用不同形状的管芯进行不同形式的封装有利于适应不同的应用环境，例如“一”字型设计可用于替换常规线形灯管及需要首尾衔接安装的场所，而“U”字型设计则可用于直插式应用。3)在壳体表面设置荧光层或在材料中进行荧光物质添加，可调整和改变LED器件最终的照明波长范围，实现诸如白光照明的目的。4)壳体中或表面的反光层能够可选择的增强所需角度或方向的照明强度，使光线集中到所需区域中。5)封装液充满壳体可以提高支撑强度并使得出光均匀，不过为了某些特殊的目的(例如达到变幻的出光效果)，也可留出部分真空或气体的空隙，但不可过多，以免影响散热。6)采用整体透明的壳体能有效减少吸收及界面多次反射引起的光衰，进一步降低热损提高光效。7)采用不同形状的壳体可使得发出的光具有各种波前形状，例如，球形灯壳能够得到朝四周均匀发射的球面波，而从椭球型灯壳发出的光线聚集在椭球长轴周围的区域中(可近似的将LED管芯理想化为点光源进行分析)，光照区域具有较强的方向性，这种形状特别有利于作为航标指示灯。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
【附图说明】
图1是本发明LED器件采用“一”字型管芯的结构示意图。
图2是本发明LED器件采用“U”字型管芯的结构示意图。
图3是椭球形全透明壳体的照明区域示意图。
【具体实施方式】
本发明提供一种具有液态封装结构的LED器件及其封装方法。所述LED器件的基本结构包括LED管芯、电极、透光壳体和封装液。所述LED管芯的导电端与电极相连接，所述透光壳体将LED管芯和封装液密闭封装，所述电极穿过壳体，能够将LED管芯接入外电路中，所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。
本发明中的LED管芯可采用现有的那些材料和结构，可以是一个单独的管芯也可以是多个管芯的组合，例如在一个封装结构内用串、并联等方式连接的多个同色或异色的管芯。由本发明的发明人在此前提出的中国专利申请(申请号为200420105410.4和200510020492.1)中描述的集成化管芯结构，是一种特别优选的方式。现有技术中LED管芯的发光晶片需要生长在衬底材料上，在本发明中对衬底材料的要求与现有技术中一致，即透光性好光衰小。一旦随着工艺和技术的发展使得LED可以无须衬底而独立生成，则更加能突显出应用本发明的优越性。管芯可具有各种具体的形状，特别是大功率管芯，其形状多为其性能服务，不过一般而言会具有规则的外部形状，例如，图1和图2中所示的“一”字型管芯A和“U”字型管芯B，它们使得电极C分别从壳体D的两端或同一端伸出，可适用于不同的应用场合。
基于本发明的简单构造以及空间结构特点，管芯导电端的引出电极可以占有更大的空间体积，例如具有扁平的平面结构，能够有足够的面积同封装液充分接触，因此能够充分发挥出导热导电性能，其材质也因而不必选用昂贵的金丝，可以采用廉价的铜、铝等材料。只要电极材料具有良好的导电和导热特性，可将LED发出的热量有效地传导出密封壳体，就是不错的选择。
封装液的使用是本发明的核心创造点所在，但对其要求却并不复杂，只要能够达到对流散热、透光的目的就可以了。为避免对管芯电路造成干扰，其应具有远大于的管芯导通时候的电阻率，并且为保证LED器件的长寿命以及可靠性，所选择的封装液最好具有较为稳定的物理化学性质。高纯度的水将是一个价廉而性能良好的可选择对象。至于所充液体是否会改变管芯发光的波长范围等则不在考虑之列，但这可以作为应用设计时所考虑的一个方向。封装液可选择充满整个壳体内的密闭空间，从支撑强度及出光均匀的角度考虑这应当是较为常规和规范的做法，但也可以留下部分真空或气体之类的空隙，以适应某些具有特殊需要的场合，例如为了达到光线变幻的艺术效果。
外部封装壳体的选择可以是多种多样的，其基本要求是透光，当然最好选择光衰小的材料。可以根据应用的需要对壳体进行形式丰富的设计，例如通过在透光壳体的内或外表面设置荧光材料层或者在其材料中添加荧光成分或者在其壳体中设置荧光材料夹层，来达到改变最终出射光线波长范围的目的，采用适当的LED管芯与荧光材料的搭配可以得到良好的白光照明效果；又例如通过在透光壳体的部分内或外表面设置反光材料层或者在其部分壳体设置反光材料夹层，来达到定向出光的目的，以控制目标照明区域的大小。此外还可以通过设计不同的壳体形状来实现不同形状的波前输出，例如采用球形全透明壳体可模仿传统灯泡的球面发光效果；采用柱形，特别是圆柱形全透明壳体则可模仿传统线形灯具例如日光灯的发光效果；而采用椭球形全透明壳体则可得到方向性较强的“馕饼形”照明区域，如图3所示，这种形状特别有利于用作航标指示灯。
本发明的实施和应用将引发LED领域的一场革命，为大功率高集成度LED器件的发展开启崭新的篇章。
Claims (10)
1、一种LED器件封装方法，其特征在于：将LED管芯用充有封装液的透光壳体密封起来，并将其导电端用电极从壳体内引出，所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。
2、一种LED器件，包括LED管芯、电极和透光壳体，所述LED管芯的导电端与电极相连接，其特征是：还包括封装液，所述透光壳体将LED管芯和封装液密闭封装，所述电极穿过壳体，能够将LED管芯接入外电路中，所述封装液是具有大电阻率的透光液体，其电阻率远大于LED管芯的导通电阻率。
3、根据权利要求2所述的LED器件，其特征在于：所述LED管芯为“一”字型，所述电极分别从所述透光壳体的两端伸出。
4、根据权利要求2所述的LED器件，其特征在于：所述LED管芯为“U”字型，所述电极从所述透光壳体的同一端伸出。
5、根据权利要求2所述的LED器件，其特征在于：所述透光壳体的内或外表面具有荧光材料层或者其壳体材料中含有荧光成分或者其壳体中具有荧光材料夹层。
6、根据权利要求2所述的LED器件，其特征在于：所述透光壳体的部分内或外表面具有反光材料层或者其部分壳体中具有反光材料夹层。
7、根据权利要求2～6任意一项所述的LED器件，其特征在于：所述封装液充满透光壳体中的密闭空间。
8、根据权利要求2～6任意一项所述的LED器件，其特征在于：所述透光壳体整体透明。
9、根据权利要求7所述的LED器件，其特征在于：所述透光壳体整体透明。
10、根据权利要求8所述的LED器件，其特征在于：所述透光壳体为球形、椭球形或柱形。
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