CN204516797U - 一种led图形优化封装基板、led封装体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED图形优化封装基板，所述封装基板上设有倒圆锥凹槽图案，所述倒圆锥凹槽的底面半径为0.3～1mm，倒圆锥凹槽倾角为45°～75°，相邻倒圆锥凹槽的中心间距为0.5～1mm；所述封装基板的水平表面及倒圆锥凹槽的表面镀有银层。本实用新型还公开上包含上述图形优化封装基板的LED封装体。本实用新型相比现有技术，为全反射光线提供直接出射的机会，使出光效率提高了13.5％左右。

Description

一种LED图形优化封装基板、LED封装体

技术领域

本实用新型涉及LED封装领域，特别涉及一种LED图形优化封装基板、LED封装体。

背景技术

LED相对传统光源具有节能、环保、高效等诸多优点，被公认为当今的绿色光源。随着其技术的不断发展，LED的应用领域已经涉及信号指示灯、汽车大灯、商业照明等。然而，高功率LED的实现仍面临如何提高出光效率，实现特定光学分布的挑战，存在进一步提升的空间。

影响LED出光效率的因素有很多，包括GaN外延层的晶体质量、缺陷数目；荧光粉的颗粒大小、荧光粉的涂覆技术；不同界面材料间的折射、散射以及全反射损失等。其中，界面散射与折射问题作为LED制造产业链的一个技术难点引起广泛研究。由于GaN材料、封装剂以及空气的折射率分别为2.5～3.5、1.4～1.6、1，这样的折射率落差首先导致芯片有源层产生的光进入封装胶体时的全反射临界角为34°～40°。其次，当光线通过封装剂顶部出射到空气中时，全反射临界角为38°～45°。如果入射角大于全反射角的光子被重新反射回去，可能被相邻芯片吸收或无限制反射直至能量耗尽。

为克服由界面材料折射率落差引起的光损失，研究者已经尝试过各种各样的改进技术。利用几何形状破坏LED芯片表面发生的全反射现象是一种常用的方法，包括设计芯片形状，芯片表面粗糙化，光子晶体技术，制备图形化衬底等。但这些手段的研究对象都是小功率芯片，其次芯片尺寸小，外延层材料易脆，导致加工困难，因此不易实现平面集成的大功率封装。

为进一步提升LED的发光效率，还需要从封装的角度进行提高。集成形式的COB封装技术是高功率LED发展的主流方向，但现有的COB封装技术多采用平面封装基板，无法改变经过全反射回到基板表面的光线的传播路径，使很大一部分比例的光线在平面基板表面无限制反射直至能量耗尽。由此可见，为进一步提高高功率LED的出光效率，还需要在封装基板表面改变光线的传播路径，并设计最优的光线出射路径。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的之一在于提供一种LED图形优化封装基板，有效提高了LED集成光源的出光效率。

本实用新型的目的之二在于提供包含上述LED图形优化封装基板的LED封装体。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种LED图形优化封装基板，所述封装基板上设有倒圆锥凹槽图案，所述倒圆锥凹槽的底面半径为0.3～1mm，倒圆锥凹槽倾角为45°～75°，相邻倒圆锥凹槽的中心间距为0.5～1mm；所述封装基板的水平表面及倒圆锥凹槽的表面镀有银层。

所述封装基板上除预留安装LED芯片的位置外，倒圆锥凹槽采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式；所述LED芯片采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式。

相邻倒圆锥凹槽对应的底面圆相切或相交。

所述封装基板的材料为AlSiC复合材料、金属材料以及陶瓷材料中的一种或多种，封装基板的水平表面镀有AlN或类钻碳绝缘层。

所述倒圆锥凹槽图案通过数控机床技术加工在封装基板表面。

LED封装体，包括所述的LED图形优化封装基板，所述封装基板上设有铜膜电极和LED芯片，所述铜膜电极与LED芯片的正负极通过金线连接；所述LED芯片采用COB封装工艺封装在封装基板上，所述LED芯片上覆盖有封装剂。

所述LED芯片发出的一部分光线经封装剂落入倒圆锥凹槽的表面，经反射后由封装剂折射到空气中；

所述LED芯片发出的一部分光线经封装剂射入空气中时发生全反射，全反射光线经封装剂落入倒圆锥凹槽的表面，经反射后由封装剂折射到空气中。

所述LED封装体的制备方法，包括以下步骤:

(1)采用数控机床技术在镀有铜膜的无图案封装基板上加工倒圆锥凹槽图案；

(2)对步骤(1)加工后的封装基板的表面、倒圆锥凹槽的表面进行抛光处理，抛光后，分别用丙酮和无水乙醇浸泡所述图形化基板，并将其放入超声波清洗仪中清洗；

(3)对清洗后的封装基板的水平表面、倒圆锥凹槽的表面上电镀银；

(4)采用COB封装工艺，将LED芯片封装到封装基板上，通过金线将铜膜电极与LED芯片的正负极连接，引出正负极。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型在封装基板表面加工规律分布的倒圆锥凹槽，可以在360°范围内对经过圆锥轴线的光线进行提取，使到达封装剂与空气界面反生全发射的光线重新回到基板表面时，所述凹槽能够改变光线传播路径，为其提供直接出射的机会，相比无图案封装基板的LED，将出光效率提高了13.5％左右。

(2)本实用新型采用优化的图案参数，提高了LED光源发出光的出射概率，也为大规模生产提供可靠的设计指标。

(3)本实用新型采用数控机床技术在基板表面加工凹槽，该技术由计算机精确操纵，并可根据需求灵活设置凹槽的结构参数，加工过程具有自动化、精确可控的优点。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的LED封装体的结构示意图。

图2为本实用新型的实施例1的LED图形优化封装基板的俯视图。

图3为本实用新型的实施例1的LED图形优化封装基板中的与基板成相同倾角的两条出射光线传播路径图。

图4为本实用新型的实施例2的LED图形优化封装基板的俯视图。

图5为本实用新型的LED封装体的总出光提高率随倒圆锥凹槽的半径变化趋势图。

图6为本实用新型的LED封装体的总出光提高率随倒圆锥凹槽的倾角变化趋势图。

图7为本实用新型的LED封装体的总出光提高率随倒圆锥凹槽的排布间距变化趋势图。

图8为平面AlSiC封装基板COB封装的LED光源的光谱分布曲线图。

图9为图形化的AlSiC封装基板COB封装的LED光源的光谱分布曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的LED封装体，包括LED图形优化封装基板1，所述封装基板上设有铜膜电极3和LED芯片4，所述铜膜电极3与LED芯片4的正负极通过金线5连接；所述LED芯片采用COB封装工艺封装在封装基板上，所述LED芯片上覆盖有封装剂6；所述LED芯片采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式。

如图2～3所示，本实施例的LED图形优化封装基板1上设有倒圆锥凹槽图案，所述封装基板上除预留安装LED芯片的位置(LED芯片台8)外，倒圆锥凹槽7采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式；所述封装基板的水平表面镀有AlN绝缘层2；封装基板的水平表面的AlN绝缘层的表面及倒圆锥凹槽的表面镀有银层9。每个圆锥凹槽的底面半径为0.5mm，相邻圆锥凹槽中心间距为0.75mm，斜角为60°；相邻倒圆锥凹槽位对应的底面圆相交。

如图3所示，LED芯片作为发光光源，当光线从折射率较大的封装剂6射入折射率小的空气中时，将有一部分光线如L1发生全发射，其入射角度大于或等于全反射临界角α。如果同样角度的光线L2落入封装基板2表面的圆锥形凹槽7时，光线的入射角度变为ɑ₁。由于入射角ɑ₁小于全反射临界角α，光线能够顺利折射至空气介质中；另一方面，全反射光线经封装剂落入倒圆锥凹槽的表面，经反射后由封装剂折射到空气中；从而降低光线在封装体内的反射次数，减少光线被吸收损失，使LED的出光效率大大提高。

本实施例中，封装基板材料为镀有AlN绝缘层的AlSiC复合材料，该基板具有成本低，热导率高，热膨胀系数可调，密度小等优点，保证了封装结构具有良好可靠性。封装基板的材料还可以为AlSiC复合材料、金属材料以及陶瓷材料中的一种或多种。

本实施例的LED封装体的制备方法如下：

(1)取大小为20*20*2mm的依次镀有AlN绝缘层和铜膜的AlSiC复合材料作为封装基板，用数控机床技术在基板上制造出设计好的圆锥体凹槽。具体工艺操作按照本技术领域人员所熟知或根据现有的技术条件确定。

(2)加工完成后，所有的锥孔斜面、平面经过抛光处理，抛光后，分别用丙酮和无水乙醇浸泡所述图形化基板，并将其放入超声波清洗仪中清洗数分钟，以清除基板上附着的杂质。

(3)在清洗后的封装基板上所有锥孔表面和水平表面上电镀银，使加工表面呈现镜面反射的效果。

(4)最后按照COB封装方法，将16颗功率为1W的LED芯片封装到LED芯片台上，通过金线将铜膜电极与LED芯片的正负极连接，引出正负极，最后封装体的总功率达16W。

实施例2

本实施例的LED封装体，包括LED图形优化AlSiC封装基板，所述封装基板上设有铜膜电极和LED芯片，所述铜膜电极与LED芯片的正负极通过金线连接；所述LED芯片采用COB封装工艺封装在封装基板上，所述LED芯片上覆盖有封装剂；所述LED芯片采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式。

如图4所示，本实施例的LED图形优化封装基板上设有倒圆锥凹槽7，所述封装基板上除预留安装LED芯片的位置(LED芯片台8)外，倒圆锥凹槽采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式；所述封装基板的水平表面镀有类钻碳绝缘层；封装基板的水平表面的类钻碳绝缘层之上及倒圆锥凹槽的表面镀有银层。每个圆锥凹槽的底面半径为0.5mm，相邻圆锥凹槽中心间距为1mm，斜角为60°，相邻倒圆锥凹槽对应的底面圆相切。

测试例

为尽量提高封装光效，通过控制变量法，结合光学模拟软件讨论倒圆锥凹槽的最佳参数，包括凹槽半径、倾角以及相邻圆锥中心间距。具体结果如下：

图5是当相邻圆锥中心间距为0.75mm，凹槽倾角为60°时，LED封装体的总出光提高率随倒圆锥凹槽的半径变化趋势图。模拟结果表明LED的总出光效率均随凹槽半径增大而增大，且曲线逐渐变平缓，说明增大速率逐渐减小。同时随着凹槽半径的增大，LED芯片安装面积越来越小，因此凹槽半径存在极限值；

图6是当相邻圆锥中心间距为0.75mm，凹槽半径为0.5mm时，LED封装体的总出光提高率随倒圆锥凹槽的倾角变化趋势图。模拟结果表明凹槽倾角的大小会影响LED的出光效率，LED的总出光效率在凹槽倾角为65°～75°范围内处于较高水平。

图7是当凹槽倾角为45°，凹槽半径为0.5mm时，LED封装体的总出光提高率随相邻圆锥中心间距变化趋势图。模拟结果表明LED的出光效率随相邻圆锥中心间距的增大存在最大值。当相邻圆锥中心间距大于一定值时，出光效率不增反减。

经过一系列对比分析后发现，较优的实施方案是控制圆锥体形凹槽的半径为0.3～1mm，凹槽倾角为45°～75°，相邻圆锥中心间距为0.5～1mm。

最后，基于上述的模拟讨论，以最优结构参数即凹槽半径0.7mm，凹槽倾角60°，相邻圆锥中心间距0.75mm，对LED芯片进行封装和测试，并与平面AlSiC封装基板COB封装的LED封装体对比。平面AlSiC封装基板COB封装的LED封装体的测试结果见图8及表1，图形AlSiC封装基板COB封装的LED封装体的测试结果见图9及表2，平面AlSiC基板光源的光效为106.334lm/W，图形化AlSiC封装基板光源的光效为120.880lm/W，将光效提高了13.5％左右。因此选取最优结构参数时，图形化的AlSiC封装基板光源的出光提高率十分理想。

表1 平面AlSiC封装基板COB封装的LED封装体的测试结果

	典型参数值		典型参数值
					主波长(nm)	577.5	光通量(φv/lm)	1603.951
峰值波长(nm)	449.0	光效率(lm/W)	106.334
					显色指数(Ra)	68	正向电压(Vf/V)	50.21
带宽(nm)	23.0	正向电流(If/mA)	300.420
					色温Tc(K)	4218	漏电流(uA)	0.0

表2 图形化的AlSiC封装基板COB封装的LED封装体的测试结果

	典型参数值		典型参数值
					主波长(nm)	573.4	光通量(φv/lm)	1811.018
峰值波长(nm)	572.0	光效率(lm/W)	120.880
					显色指数(Ra)	65	正向电压(Vf/V)	49.87
带宽(nm)	122.0	正向电流(If/mA)	300.420
					色温Tc(K)	4015	漏电流(uA)	0.0

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种LED图形优化封装基板，其特征在于，所述封装基板上设有倒圆锥凹槽图案，所述倒圆锥凹槽的底面半径为0.3～1mm，倒圆锥凹槽倾角为45°～75°，相邻倒圆锥凹槽的中心间距为0.5～1mm；所述封装基板的水平表面及倒圆锥凹槽的表面镀有银层。

2.根据权利要求1所述的LED图形优化封装基板，其特征在于，所述封装基板上除预留安装LED芯片的位置外，倒圆锥凹槽采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式；所述LED芯片采用矩形阵列呈周期性有规律的排布方式。

3.根据权利要求1所述的LED图形优化封装基板，其特征在于，相邻倒圆锥凹槽对应的底面圆相切或相交。

4.LED封装体，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的LED图形优化封装基板，所述封装基板上设有铜膜电极和LED芯片，所述铜膜电极与LED芯片的正负极通过金线连接；所述LED芯片封装在封装基板上，所述LED芯片上覆盖有封装剂。