CN1838440A

CN1838440A - 一种白光led及其封装方法

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Publication number: CN1838440A
Application number: CNA2006100340121A
Authority: CN
Inventors: 王钢; 范冰丰; 祁山
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: CN100411210C

Abstract

本发明涉及LED领域，具体公开了一种白光LED及其封装方法。本发明的白光LED，包括芯片、支架、硅胶、荧光粉膜层及外围部件(如透镜)。该封装结构的不同之处在于采取荧光粉层与芯片之间用硅胶等材料隔开，使得荧光粉层和芯片两部分热量热热分离；荧光粉膜层边缘与底部基板接触，使得荧光粉层的热量传导到外部来，避免荧光粉层热量的聚积。芯片固定在支架上，所述硅胶直接覆盖在芯片上，设计和制备好的荧光粉膜层覆盖在硅胶上，同时荧光粉膜层与杯碗接触。该方法提高了出光效率，大大改善了光色的稳定性，降低了光衰。同时，本发明提供的荧光粉覆膜形成白光的封装方法步骤简单，适用于大规模工业化生产。

Description

一种白光LED及其封装方法

技术领域

本发明涉及LED装置，具体涉及一种白光LED及其封装方法。

背景技术

LED是一种半导体发光器件，被广泛的用做指示灯、显示屏等。白光LED被誉为替代荧光灯和白炽灯的第四代照明光源。形成白光LED的一种传统方式是蓝光或紫外芯片激发覆着在芯片上面的荧光粉，芯片在电驱动下发出的光激励荧光粉产生其它波段的可见光，各部分混色形成白光。

靠荧光粉激发形成白光的LED芯片由III-V族化合物半导体GaN材料制作合成。其中用于GaN芯片的衬底材料有Al₂O₃和SiC，芯片可发出蓝光、紫外光或其它短波段的光。

用于形成白光LED的荧光粉一般有YAG荧光粉(用于蓝光芯片激发YAG荧光粉)和RGB荧光粉(用于紫外芯片激发RGB荧光粉)。其中采用YAG荧光粉激发形成白光的方式最为普遍。

典型的白光LED封装结构。对于小功率白光LED，LED芯片被放置在支架中的反光碗内，支架既作为反光碗的载体又作为电极和电极引脚使用，同时还提供了芯片热量扩散的通道。芯片放置于反光碗的中央，根据芯片电极的设置不同，而在碗杯底部涂上银胶或绝缘胶(对于顶部单电极的芯片，底部涂导电的银胶，而对于顶部双电极的芯片，底部涂绝缘胶)，它们既可以黏附并固定芯片又可实现芯片和电极间良好的欧姆接触。芯片的电极通过Au线焊接与支架的另一电极相连，在GaN蓝色发光芯片上涂敷约100um厚的钇铝石榴石(YAG)黄色荧光粉层，最后整个支架和芯片用环氧树脂密封封接，中间不留空气。芯片发出的蓝光与荧光粉充分的作用而激发荧光粉发出黄光，使黄光再与从荧光粉层透出的黄色光相混合形成白光。

对于功率级白光LED封装而言，散热和荧光粉涂敷是两个关键技术问题，散热技术的效果和荧光粉涂敷技术的好坏将直接影响到LED的性能，许多公司采用了新的封装技术欲解决大功率白光LED封装技术中的散热和荧光粉涂敷问题。Lumileds公司推出的Luxeon LED，它采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。在对待荧光粉涂敷问题上，Lumileds采取了荧光粉均匀涂敷方法(图1(b))，较好的解决了光色不均匀的问题。Osram公司推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。而在荧光粉涂敷方面，它采用直接填充杯碗覆盖芯片的传统荧光粉涂敷方式(图1(a))。

这些涂敷方式都是采用荧光粉与芯片直接接触，芯片在近端直接激发荧光粉，然后混色形成白光。对于荧光粉近域激发的方式而言，一方面，芯片的热量直接加载在荧光粉层上，致使LED出光光色的漂移受到芯片结温的影响较为明显，这使得在某些要求光色稳定的场合不适宜；另一方面，靠荧光粉直接填充杯碗覆盖芯片的方法由于涂敷不均匀和工艺生产不可控，造成封装好后的LED光色不均匀和出光效率低；另外，荧光粉近场激发方式使得一部分背向散射光损失，使得出光效率降低，还会使得光衰变大。

日本Toyoda Gosei公司的专利US20040223315A1，韩国SAMSUNG公司的专利KR2004044701-A，采取荧光粉层和芯片分离的封装结构，荧光粉层和芯片之间填充树脂或其它物质。这种荧光粉远域激发的方式提高了部分出光效率，但是它们提出的一些结构比较复杂，实现工艺比较难，并且荧光粉层的发出的热量不能有效的传导到外部去，使得光衰变大，同时封装后LED光色的一致性难以控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有大功率白光LED封装技术中存在的散热、光衰、光色及出光效率问题，提供一种新型大功率白光LED，其制作工艺简单，能改善散热环境，并且显著降低光衰，改善光色，同时该LED能够在大电流下稳定工作。

本发明的另一个目的是提供上述白光LED的封装方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的白光LED，包括芯片、支架、硅胶、荧光粉膜层及外围部件(如透镜)。该封装结构的不同之处在于采取荧光粉层与芯片之间用硅胶等材料隔开，使得荧光粉层和芯片两部分热量热热分离；荧光粉膜层边缘与底部基板接触，使得荧光粉层的热量传导到外部来，避免荧光粉层热量的聚积。芯片固定在支架上，所述硅胶直接覆盖在芯片上，设计和制备好的荧光粉膜层覆盖在硅胶上，同时荧光粉膜层与杯碗接触。

荧光粉膜层制备和设计：为了使荧光粉膜层各范围内的荧光粉得到充分均匀激发，必须设计合适的荧光粉膜层形状。其制备步骤为：(1)荧光粉调配：将硅胶调和荧光粉，调匀，搅拌脱泡；(2)荧光粉膜层形成：将荧光粉胶注入模具内，放入烤箱，选择适当的温度和时间，取出脱模，为防止膜层不易取出，往往在模具内事先喷洒脱模剂。

上述模具是根据荧光粉膜层的设计思路设计的，膜层设计思路是根据芯片光场分步及热场分布，结合荧光粉散射理论和荧光粉转化机理，利用光学设计软件和热学设计软件来设计荧光粉膜层的形状，使各范围内的荧光粉得到充分均匀激发，然后优化膜层设计，再根据该膜层设计相应模具。

荧光粉多层膜的设计和制备：

利用紫外LED激发RGB荧光粉形成白光的方法，需要用到三种荧光粉。一种手段是将三种荧光粉按照特定比例混和，然后按照制备单层膜的思路来制备RGB荧光粉膜。另外，为了实现可调的光谱特性，我们可以采用多层膜的设计思路来实现封装。为了提高白光LED的性能(如提高显色指数)，我们也可采取荧光粉多层膜法，将所用到的各种荧光粉根据要求设计成荧光粉多层膜。形成多层膜的各膜单元，不仅包括荧光粉，还包括散射剂颗粒、提高散热的SiC颗粒等。如为了提高显色指数往往在黄色YAG荧光粉中加入少量红色荧光粉，我们便可将黄色YAG荧光粉层和红色荧光粉层做到同一块膜上；另外，为了提高出光的一致性，往往在荧光粉中加入少量扩散剂，我们也可将该扩散剂和荧光粉设计成多层膜。多层膜设计思路与单层膜的思路类似，首先规划好各膜层，从第一层膜开始设计，然后再对第二层膜设计，以此类推，设计的灵活较大，可实现可调的光谱特性。制备方法是先制备第一层，然后在第二层膜的基础上制备第三层膜。

多芯片白光LED封装：由于多芯片LED封装受热量的影响更为严重，对多芯片LED采取荧光粉覆膜的方式能够更好的提高出光的稳定性。

多颗单颗LED集成形成发光器件，或者多颗芯片采用本文所示方法封装成面阵白光LED制作新型光源。如用在照明领域中的路灯灯头，车用汽车大灯，矿灯，以及手机或LCD背光源等领域中。

本发明制作的多芯片及单芯片集成封装形成新型光源，由于不同电流下光色的稳定性很好，所以用在可调谐光源领域。本发明制作的多芯片及单芯片集成封装形成新型光源，荧光粉膜采用多层膜结构，由于多层膜能够提高显色指数和改善出光特性，因此被用于某些色温要求高和颜色稳定性要求好的领域，如医用无影灯。

在采用荧光粉覆膜工艺后，原有的支架杯碗式结构也可以采用平面式结构。

本发明的白光LED的封装方法，具体包括如下步骤：

(1)将芯片固定在支架上。

(2)在芯片上安装电极，连接金属线，与支架构成电性连接。

(3)注胶：对于杯碗型支架，将硅胶注入杯碗内；对于平面型支架，只须将硅胶滴在芯片表面。

(4)覆膜：将制作好的荧光粉膜层覆盖在硅胶上端，使膜层处于硅胶的中心位置，保证膜层与硅胶紧密结合，不产生气泡。

可以在膜层顶部加盖透镜，用于后段处理及量测，保证透镜与膜层之间不产生气泡。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：荧光粉层与芯片分开的荧光粉远域激发方法，一方面减少了荧光粉膜层背向散射光的损失，提高了出光效率；另一方面芯片与荧光粉层分离，芯片的热量不能加载到荧光粉层上，使得白光LED的色温和显色指数受芯片结温的影响较小，光色的稳定性大大优于传统方法。通过设计合适的荧光粉膜层形状，使得荧光粉膜层各处得到均匀的激发，出光效率高，降低光衰。同时，本发明提供的荧光粉覆膜形成白光的封装方法步骤简单，适用于大规模工业化生产。

附图说明

图1为不同白光LED封装结构示意图，(a)为传统方式封装的白光LED结构图；(b)为Limuleds均匀涂敷方式封装的白光LED结构图；

图2为采用杯碗式覆膜法封装的大功率白光LED结构图；

图3为本发明白光LED封装方法中的荧光体涂敷流程图；

图4为两种采用平面式覆膜法封装的白光LED结构图；

图5为采用平面式双层膜覆膜法封装的单芯片白光LED结构图；

图6为采用平面式三层膜覆膜法封装的单芯片白光LED结构图；

图7为荧光粉多层膜的设计示意图；

图8为荧光粉远域激发和近域激发的流明效率比较图；

图9为荧光粉远域激发和近域激发的散热效果比较图；

图10为荧光粉远域激发和近域激发的色温变化比较图；

图11为荧光粉远域激发和近域激发的显色指数变化比较图；

图12为采用平面覆膜法的多芯片白光LED封装结构图(正装芯片)；

图13为采用平面覆膜法的多芯片白光LED封装结构图(倒装芯片)；

其中：1荧光粉膜层；2硅胶；3芯片；4反射镜；5支架。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，正装芯片3固定在杯碗式支架5的底面，杯碗式支架5两侧安放有反射镜4，正装芯片3表面注满硅胶2，荧光粉膜层1覆盖固定在硅胶2上，荧光粉膜层1边缘与杯碗式支架5接触。

在杯碗式支架5中点上银胶，其功能为黏着芯片用。将大功率Al₂O₃衬底的GaN基蓝光LED正装芯片3放入杯碗式支架5中的银胶上；芯片3的峰值波长范围为460-465nm。热硬化烘烤，将银胶硬化。在芯片3的电极上连接金属线，以及与支架构成电性连接，使得电流通过支架时，就可激发LED芯片发光。将道康宁某型号硅胶2注入杯碗式支架5中。将制作好的荧光粉膜层1覆盖在硅胶2上端，使荧光粉膜层1处于中心位置，要注意膜层1与硅胶2紧密结合，不产生气泡。这时可以放入烤箱烘烤硬化。在膜层1顶部加盖透镜，在接触面加入少量硅胶，防止透镜与膜层中间产生气泡。封装流程如图3所示。

荧光粉膜层1的设计：通过实验测量裸芯片3的出光来得到芯片3周围的光场分布。将支架5、芯片3、光场分布各参数输入光学设计软件TracePro，建立模型。选取荧光粉层1的下表面做为参考面，考虑光线经硅胶2入射荧光粉膜层1时的反射损耗，同时激发更充分，使参考面垂直于入射光线，也就是参考面要尽量接近芯片出射光场的等能面。将参考面设计为连续的弧面。

光学软件TracePro模拟出光，根据参考面各处的光线强度来设计另外一条参考面。利用Monte-Carlo光线追迹模拟来设计另外一个参考面，做如下考虑：第一步，从LED出射的短波长的光，被荧光粉散射介质层损耗掉一部分，从荧光粉层跑出来的短波长光分布可以模拟得到；第二部，考虑荧光粉受短波长光激发产生长波长的光，第二次光线追迹可由转化效率(荧光粉的量子效率和Stokes位移的转化效率)来衡量，第二次出射的长波长光场也可以得到。这样我们可以给定参考面和各项参数下的光场的光谱特性。改变参考面和各项参数，得到所需的膜层形状。两个参考面之间的部分即为我们所需的荧光粉层。

保证荧光粉膜层连续并且膜层边沿接触散热基板，这样可以将荧光粉膜激发时产生的一定热量导出去。根据荧光粉膜层1形状设计相应的模具。将道康宁某型号硅胶和YAG荧光粉，调匀，搅拌脱泡；将混合了硅胶的荧光粉胶注入模具内(已预先喷洒脱模剂)，放入烤箱，选择温度180℃，30分钟后取出，脱模得到荧光粉膜层1。

在350mA的输入电流下，测试本发明的白光LED和现有白光LED，本发明是荧光远域激发，现有白光LED是近域激发。从图8可以看出，荧光粉远场激发比近场激发具有更高的流明效率，这是因为荧光粉远域激发减少了背向散射光的损失。图9显示了白光LED光通亮随电流的变化曲线，本发明是荧光粉远域激发，现有白光LED是近域激发。对于正装芯片封装的LED而言，电流增大，光通亮随着增大。大电流下，远场激发的LED的光通量并没有明显的饱和或下降，表明LED散热性能良好。并且从图9可以看出，采取荧光粉远场激发比近场激发具有更高的散热效果。图10是不同驱动电流下色温的变化情况，本发明是荧光粉远域激发，现有白光LED是近域激发，从最低驱动电流50mA加到1000mA的色温变化可以看出，荧光粉远域激发有更好的光色稳定性。图11是不同驱动电流下显色指数的变化情况，本发明是荧光粉远域激发，现有白光LED是近域激发，从最低驱动电流50mA加到1000mA的显色指数的变化可以看出，荧光粉远域激发有更好的光色稳定性。

实施例2：

采取平面式覆膜法封装白光LED，所得两种白光LED结构图如图4所示，其他与实施例1相同。所得白光LED比现有白光LED具有更优异的光色稳定性，更好的散热效果及出光效率。

实施例3：

采取平面式覆膜法封装白光LED，并采用双层荧光粉膜结构，所得白光LED结构图如图5所示，其他与实施例1相同。所得白光LED比现有白光LED具有更优异的光色稳定性，更好的散热效果及出光效率。并且多层荧光粉涂敷方法能够使得颜色易控，能提高显色指数。

实施例4：

采取平面式覆膜法封装白光LED，并采用三层荧光粉膜结构，所得白光LED结构图如图6所示，其他与实施例1相同。所得白光LED比现有白光LED具有更优异的光色稳定性，更好的散热效果及出光效率。并且多层荧光粉涂敷方法能够使得颜色易控，能提高显色指数。多层荧光粉膜层设计示意图如图7所示。

Claims

1、一种白光LED，包括芯片(3)，支架(5)，硅胶(2)，荧光粉膜层(1)，芯片(3)固定在支架(5)上，其特征在于硅胶(2)滴注在芯片(3)表面上，荧光粉膜层(1)覆盖在硅胶(2)上，并且荧光粉膜层(1)边缘与支架(5)接触。

2、一种权利要求1所述白光LED的封装方法，其特征是制作荧光粉膜层(1)实现白光LED的荧光粉涂敷。

3、根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于所述荧光粉膜层(1)的形状是根据芯片光场和热场设计。

4、根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于所述荧光粉膜层(1)是由如下步骤制备而成：将硅胶和荧光粉调匀，搅拌脱泡，注入模具内，烘烤，脱模，得到荧光粉膜层。

5、根据权利要求4所述的封装方法，其特征在于所述模具的设计步骤为：

①选择支架与芯片类型；②测量获得光场分布；③建立模型；④选取参考面；⑤光学软件模拟出光，获取另一条参考面；⑥获得膜层形状；⑦膜层优化；⑧设计模具形状。

6、根据权利要求1所述的白光LED，其特征在于所述荧光粉膜层(1)是单层膜或是多层膜。

7、根据权利要求1或6所述的白光LED，其特征在于所述芯片(3)是由一个或一个以上的芯片组成。

8、根据权利要求1所述的白光LED，其特征在于所述荧光粉膜层(1)与芯片(3)不互相接触。