CN204348759U - 集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯，该植物生长灯单元包括一颗或两颗以上的蓝光LED倒装芯片、电极层、导热板、红光荧光转换层及透明导光层，各个所述蓝光LED倒装芯片均匀分布在所述电极层上，所述电极层设置在所述导热板上，所述电极层及所述导热板之间夹有一层绝缘层，所述红光荧光转换层将所述蓝光LED倒装芯片均包覆在内，所述红光荧光转换层的侧表面上涂覆有一层绝缘层。由于该植物生长灯使用了基于LED倒装芯片的焊接技术，实现了单芯片及多芯片模组的无金线、无固晶胶封装，在保证产品可靠性的同时，还拥有低热阻、高光效、光色分布均匀等优点。

Description

集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯

技术领域

本实用新型涉及一种集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯，特别涉及一种基于LED倒装芯片的集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯，属于LED光电子器件的制造技术领域。

背景技术

用于植物生长的人工光源已广泛用于温室内蔬菜、水果、花卉等作物的栽培。这些人工光源可以在没有日光条件下单独使用，或者在日光不足的条件下作为补光使用，帮助植物正常生长。它们的应用甚至包括某些特殊领域，如为宇航员提供新鲜果蔬的外太空作物栽培。常见的人工光源有白炽灯、荧光灯、高压钠灯或汞灯等。但是，这些传统植物生长光源的光谱功率分布固定，光通量强度的可调范围较小，并不能与植物生长所需的理想光源条件相匹配，更何况不同植物在不同生长阶段对光源的需求也存在差异，这样便造成了光源的浪费。此外，这些人工光源在电光转换效率和使用寿命等方面也存在劣势。

日光连续光谱中280～800nm波段范围对植物生长具有重要意义。植物生长需求能量比重最大的为蓝光波段(是390～500nm)和红光波段(600～800nm)，主要用于进行光合作用和植物主要性状的正常表达。其中，390～700nm波段为光合作用活跃辐射区，是植物生长最主要的光源区域；700～800nm远红光波段主要影响植物性状的正常表达，植物生长对其的需求量相对较少。而紫外光、绿光波段的吸收比重很低，它们对植物生长的影响很有限。

另一方面，各种波段光源之间的比例也会影响植物生长。比如，蓝光与红光的光子数比例对光合作用有决定性影响；而红光和远红光的光子数比例则对种子发芽、秧苗生根、避荫反应、成花诱导等产生影响。光谱组成和各组成的功率或功率比表现为光源的光谱功率分布。

除光谱功率分布外，光源到达植物表面的光子通量强度和光周期(周期为24小时)也会对植物生长产生重要影响。

相比上述传统植物生长光源，LED光源在诸多方面都表现出明显的优势，如节能、环保、长寿命、体积小、抗震、防水防潮、低压直流驱动、可脉宽调制(PWM)输出等优点，已大量用于LCD背光源、显示屏、信号灯、景观照明、普通照明等领域。LED是一种光谱较窄，单色性较好的半导体固态光源，其光谱半高宽约为15～30nm，光谱峰值波长覆盖从紫外光到近红外光的所有区域范围。LED的理论电光转换效率为100％，目前氮化物Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)蓝光LED的外量子效率可以达到70％以上。并且，单颗蓝光LED的发光功率已达到3W以上。根据Haitz定理，未来LED产业将以每10年光功率增加20％、价格下降10％的方式快速增长。因此，LED光源不仅可以克服传统植物生长光源的缺点，而且具有良好的市场发展潜力。

使用LED作为植物生长光源已有许多外国专利、中国专利进行过报道。如专利号为US6921182B2的美国专利EFFICIENT LED LAMP FOR ENHACING COMMERCIAL AND HOME PLANT GROWTH公开了由两种不同光束角、不同峰值波长的红光LED和蓝光LED组成的促进植物生长灯；又如公开号为CN1596606A的中国专利《高效节能LED植物生态灯》公开了一种由蓝光LED或红光LED或蓝光和红光LED组合形成的植物生长光源；公开号为CN101387379A的中国专利《一种用于兰科植物组培的LED混光灯具》公开了一种由蓝光与红光LED可调的兰科植物生长光源。

可以看到，除了LED光源的高能效、长寿命等优点外，采用LED固态光 源可以通过辅助的驱动控制器或控制系统对植物生长光源的光子通量强度和光周期进行准确控制。

公开号为CN103361054A中国专利《氮化物红色荧光粉合成方法及LED植物生长灯》公开了一种采用GaN基蓝光LED正装芯片和氮化物红光荧光粉组合成植物生长灯的技术方案。其中，红光荧光粉的氮化物材料组分为稀土掺杂的Ca₂Si₅N₈、Sr₂Si₅N₈、Ba₂Si₅N₈或CaAlSiN₃，其发射波长为610～720nm。然而，Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)蓝光LED正装芯片在电流扩展、热量管理等方面存在着劣势，特别对于大功率LED器件而言，上述劣势更加突出地表现出来。

近几年，采用倒装结构的氮化物LED芯片技术越来越受到关注和重视。其原因在于，一方面，倒装芯片结构克服了原有正装芯片结构在散热、电流扩展和电极遮挡出光等缺点；另一方面，在借鉴了集成电路行业中有关倒装技术、晶圆键合技术、表贴技术等工艺方法后，经历了一定时间的吸收、积累和发展后，其技术路线逐渐成熟起来。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种进一步提高LED器件的能效水平，降低系统成本的集成阵列封装式植物生长灯单元、器件及其植物生长灯。

本实用新型采用一颗或两颗以上蓝光LED倒装芯片和包敷激发荧光转换材料进行集成阵列封装形式(COB)制作的植物生长灯单元。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种集成阵列封装式植物生长灯单元，包括一颗或两颗以上的蓝光LED倒装芯片、电极层、导热板、红光荧光转换层及透明导光层，所述蓝光LED倒装芯片均匀分布在所述电极层上，所述电极层设置在所述导热板上，所述电极层及所述导热板之间夹有 一层绝缘层，所述红光荧光转换层的下表面与所述电极层相连接，且将所述蓝光LED倒装芯片均包覆在内，所述红光荧光转换层的侧表面上设置有一层绝缘层，所述透明导光层涂覆在所述红光荧光转换层的上表面上。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型除了LED固态光源相对传统照明光源的节能、环保、长寿命、光功率输出功率控制方便等特性外，还具有更好的电流扩展、热量管理、能量转换效率。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，各个所述蓝光LED倒装芯片均由蓝宝石衬底、氮化物外延层、p电极及n电极组成，所述蓝宝石衬底贴合在所述氮化物外延层的上表面上，所述p电极及n电极均位于所述氮化物外延层的下表面，且均与所述氮化物外延层的下表面相连接；所述p电极及所述n电极被分别共晶键合于所述电极层上。

所述氮化物外延层的组成材料为氮化物Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种。且所述蓝光LED倒装芯片的发射光谱的峰值波长范围是390～500nm。

所述红光荧光转换层由红光荧光转换材料通过包覆的方式分散在封装材料中制成，即通过包覆的方式分散在环氧树脂、环氧模塑料EMC、热塑胶PCT、硅胶等封装材料中，将蓝光LED倒装芯片出射的部分蓝光转换为红光，配合未经过转换的蓝光组成植物生长所需的主要光谱。

所述红光荧光转换材料包括稀土或过渡金属掺杂的无机发光材料、量子点发光材料中的任意一种或两种以上的混合；例如，常见的发射红光荧光的稀土或过渡金属掺杂的无机发光材料包括：Ca_1-xSr_xS:Eu²⁺(0≤x≤1)、Ca_1-xSr_xAlSiN₃:Eu²⁺(0≤x≤1)、K₂NbF₇:Mn⁴⁺等等。量子点发光材料包括：CdSe、CdZnSe等。

所述红光荧光转换材料的有效激发波长范围是390～500nm，所述红光荧光转换材料发射光谱的峰值波长范围是600～800nm。

一种植物生长灯器件，包括两个以上的上述的集成阵列封装式植物生长灯单元及PCB板，所述集成阵列封装式植物生长灯单元分布在所述PCB板上，所述PCB板上设有导电线路，各个所述集成阵列封装式植物生长灯单元通过所述PCB板上的导电线路以串联或并联方式进行接通。

进一步，所述PCB板为条形PCB板或圆盘形PCB板。

进一步，所述PCB板由基板及PCB板绝缘层组成，所述PCB板绝缘层位于所述基板及所述导电线路之间。

进一步，所述基板为金属铝基板或金属铜基板。

一种植物生长灯，由两个以上的上述的植物生长灯器件组合而成。即采用多个器件组成点状、线条状、平面状、立体状等各式各样的光源形式。

本实用新型植物生长灯使用了基于LED倒装芯片的焊接技术，实现了单芯片及多芯片模组的无金线、无固晶胶封装，在保证产品可靠性的同时，还拥有低热阻、高光效、光色分布均匀、制作工艺流程简化、器件系统成本更低等优点。

红色荧光转换材料分散在环氧树脂、环氧模塑料EMC、热塑胶PCT、硅胶等封装材料中，通过包覆的配置方式将LED倒装芯片出射的部分蓝光转换为红光，配合未经过转换的蓝光组成植物生长所需的主要光谱。而且，由于采用了荧光转换材料转换蓝光为红光光谱的技术路线，如此便可选择不同的红光荧光转换材料，还可以采用一种或多种荧光转换材料混合的方式对红光光谱进行设置，以满足不同植物在不同生长周期对光源要求的差异。而蓝、红光的强度比值则可以通过红色荧光转换材料的涂敷密度(红色荧光转换材料所占的质量比重：0.001～100)、厚度(0.001～10mm)、位置等封装参数的设计来实现可控调节。如此的植物生长灯将只涉及蓝光LED的驱动电路， 简化了系统的驱动设计、维护方法，降低了系统成本。

附图说明

图1为本实用新型集成阵列封装式植物生长灯单元的截面结构示意图；

图2为本实用新型集成阵列封装式植物生长灯单元的蓝光LED倒装芯片的结构示意图；

图3为本实用新型植物生长灯器件的其中一结构示意图；

图4为本实用新型植物生长灯器件的其中一结构示意图；

图5为本实用新型植物生长灯器件的PCB板的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、红光荧光转换层，2、透明导光层，3、电极层，4、导热板，5、绝缘层，6、蓝光LED倒装芯片，6-1、蓝宝石衬底，6-2、氮化物外延层，6-3、p电极，6-4、n电极，7、PCB板，7-1、导电线路，7-2、基板，7-3、PCB板绝缘层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

一种集成阵列封装式植物生长灯单元，如图1所示，包括一颗或两颗以上的蓝光LED倒装芯片6、电极层3、导热板4、红光荧光转换层1及透明导光层2，所述蓝光LED倒装芯片6平均分布在所述电极层3上，所述电极层3设置在所述导热板4上，所述电极层3及所述导热板4之间夹有一层绝缘层5，所述红光荧光转换层1的下表面与所述电极层3相连接，且将所述蓝光LED倒装芯片6均包覆在内，所述红光荧光转换层1的侧表面上设置有一层绝缘层5，所述透明导光层2涂覆在所述红光荧光转换层1的上表面上。

如图2所示，各个所述蓝光LED倒装芯片6均由蓝宝石衬底6-1、氮化物外延层6-2、p电极6-3及n电极6-4组成，所述蓝宝石衬底6-1贴合在所述氮化物外延层6-2的上表面上，所述p电极6-3及n电极6-4均位于所述氮化物外延层6-2的下表面，且均与所述氮化物外延层6-2的下表面相连接；所述p电极6-3及所述n电极6-4被分别共晶键合于所述电极层3上。

所述氮化物外延层6-2的组成材料为氮化物Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种。且所述蓝光LED倒装芯片6的发射光谱的峰值波长范围是390～500nm。

所述红光荧光转换层1由红光荧光转换材料通过包覆的方式分散在封装材料中制成，即通过包覆的方式分散在环氧树脂、环氧模塑料EMC、热塑胶PCT、硅胶等封装材料中，将蓝光LED倒装芯片6出射的部分蓝光转换为红光，配合未经过转换的蓝光组成植物生长所需的主要光谱。

所述红光荧光转换材料的有效激发波长范围是390～500nm，所述红光荧光转换材料发射光谱的峰值波长范围是600～800nm。

一种植物生长灯器件，如图3、图4、图5所示，包括两个以上的上述的集成阵列封装式植物生长灯单元及PCB板7，所述集成阵列封装式植物生长灯单元分布在所述PCB板7上，所述PCB板上设有导电线7-1路，各个所述集成阵列封装式植物生长灯单元通过所述PCB板7上的导电线路7-1以串联或并联方式进行接通。

所述PCB板7为条形PCB板(如图3所示)或圆盘形PCB板(如图4所示)。

如图5所示，所述PCB板7由基板7-2及PCB板绝缘层7-3组成，所述PCB板绝缘层7-3位于所述基板7-2及所述导电线路7-1之间。

一种植物生长灯，由两个以上的上述的植物生长灯器件组合而成。即采用多个器件组成点状、线条状、平面状、立体状等各式各样的光源形式。

以下通过具体实施例以对本实用新型进行具体说明。

采用16颗蓝光LED倒装芯片和包敷激发荧光转换材料进行集成阵列封装形式(COB)制作植物生长灯单元，其截面结构示意图如图1、图2所示。

所述集成阵列封装式植物生长灯单元的组成如下：16颗蓝光LED倒装芯片6被共晶键合于电极层3上，且16颗蓝光LED倒装芯片6以4×4的矩阵形式排布；负责导热的导热板4由采用金属铝材料制作，但导热板4与电极层3之间采用绝缘材料作为绝缘层5进行热电分离；包敷激发的红光荧光转换材料采用了Ca_0.95Sr_0.05SiAlN₃:Eu²⁺(0≤x≤1)荧光粉与K₂NbF₇:Mn⁴⁺荧光粉混合的形式，并将其与透明的环氧树脂A/B胶混合后，灌注在蓝光LED倒装芯片6上方区域，形成了红光荧光转换层1。而在红光荧光转换层1的上表面，使用硅胶制作了透明导光层2。

如图3、图5所示，将若干颗封装完毕的集成阵列封装式植物生长灯单元安置于条形PCB板7上，形成植物生长灯器件。各个集成阵列封装式植物生长灯单元可通过PCB板7上的导电线路7-1以串联或并联方式进行接通，而PCB板7的基板材料为金属铝，并且，通过处于导电线路7-1和基板7-2材料之间的绝缘层7-3实现热电分离。当直流电源接到该植物生长灯器件上时，整个器件上的集成阵列封装式植物生长灯单元将被点亮。

该植物生长灯器件在使用时可以进行多条的组合，例如使用10个这样的植物生长灯条组成面光源为其照射区域的植物提供光照。

如图4、图5所示，将44颗封装完毕的集成阵列封装式植物生长灯单元分三圈(从内到外，各圈的集成阵列封装式植物生长灯单元的数量分别为6、16和22)安置于圆盘形PCB板7上，形成平面状植物生长灯器件。各个集成阵列封装式植物生长灯单元可通过PCB板上的导电线路7-1以串联或并联方式进行接通，而PCB板7的基板材料为金属铝，并且，通过处于导电线路10-1和基板7-2材料之间的绝缘层7-3实现热电分离。当直流电源接到该植 物生长灯器件时，整个器件上的集成阵列封装式植物生长灯单元将被点亮。

该平面状植物生长灯器件可以多个组合在一起，组成更大面积的植物生长灯，为更多的植物提供光照。

为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中个别变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成阵列封装式植物生长灯单元，其特征在于：包括一颗或两颗以上的蓝光LED倒装芯片、电极层、导热板、红光荧光转换层及透明导光层，所述蓝光LED倒装芯片均匀分布在所述电极层上，所述电极层设置在所述导热板上，所述电极层及所述导热板之间夹有一层绝缘层，所述红光荧光转换层的下表面与所述电极层相连接，且将所述蓝光LED倒装芯片均包覆在内，所述红光荧光转换层的侧表面上设置有一层绝缘层，所述透明导光层涂覆在所述红光荧光转换层的上表面上。

2.根据权利要求1所述的集成阵列封装式植物生长灯单元，其特征在于：所述蓝光LED倒装芯片均由蓝宝石衬底、氮化物外延层、p电极及n电极组成，所述蓝宝石衬底贴合在所述氮化物外延层的上表面上，所述p电极及n电极均位于所述氮化物外延层的下表面，且均与所述氮化物外延层的下表面相连接；所述p电极及所述n电极被分别共晶键合于所述电极层上。

3.一种植物生长灯器件，其特征在于：包括两个以上的权利要求1或2所述的集成阵列封装式植物生长灯单元及PCB板，所述集成阵列封装式植物生长灯单元分布在所述PCB板上，所述PCB板上设有导电线路，各个所述集成阵列封装式植物生长灯单元通过所述PCB板上的导电线路以串联或并联方式进行接通。

4.根据权利要求3所述的植物生长灯器件，其特征在于：所述PCB板为条形PCB板或圆盘形PCB板。

5.根据权利要求3或4所述的植物生长灯器件，其特征在于：所述PCB板由基板及PCB板绝缘层组成，所述PCB板绝缘层位于所述基板及所述导电线路之间。

6.根据权利要求5所述的植物生长灯器件，其特征在于：所述基板为金属铝基板或金属铜基板。

7.一种植物生长灯，其特征在于：所述植物生长灯由两个以上的权利要求3至6任一项所述的植物生长灯器件组合而成。