TWI459597B

TWI459597B - Ｌｅｄ模組封裝結構及其封裝方法

Info

Publication number: TWI459597B
Application number: TW100131201A
Authority: TW
Inventors: Jau Sheng Wang; Chun Chin Tsai; Wei Chih Cheng; Shun Yuan Huang; Wood Hi Cheng
Original assignee: Univ Nat Sun Yat Sen
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2014-11-01
Also published as: TW201310716A

Description

LED模組封裝結構及其封裝方法

本發明係有關於一種LED模組封裝技術，特別是指一種以玻璃螢光體封裝LED晶片的LED模組封裝結構及其封裝方法。

近年來，由於白光發光二極體(white light-emitting diodes,WLEDs)具有如使用壽命長、體積小、發光效率佳等許多優勢而逐漸取代傳統燈泡光源，但LED應用於白光照明日趨普遍，所需之亮度及功率亦隨之增加，因此亮度提昇已為LED產業目前重要的開發課題；一般而言，LED亮度的提昇可藉由提高發光效率或增加功率達成，而LED整體的發光效率則取決於其LED晶片、封裝結構與封裝材料，其中LED晶片發光效率隨磊晶技術的進步已達90%以上，藉此，封裝結構及封裝材料即成為影響LED模組發光效率的主要因素。

習知高功率白光LED封裝製程的主要方法之一，係於LED晶片上塗佈高分子螢光膠，藉以形成LED的色轉換層，令LED晶片發光穿透該高分子螢光膠形成白光光源；然而，該高分子螢光膠大多使用樹脂、矽膠等高分子材料混合釔鋁石榴石粉(Ge:YAG)製成，存在有高分子材料熱穩定性不佳之問題，當LED模組功率達10瓦以上時，其LED晶片溫度已可高達250℃，如此高溫將導致高分子螢光膠迅速老化，致使發光光源出現流明損失加劇、色度飄移趨於嚴重及品質穩定性不佳的情況。

為改善上述習知封裝材料之使用問題，由於玻璃具有良好的光穿透性，且具有與螢光粉混合均勻的能力，故有發明人提出以具有更良好耐熱性的玻璃材料取代矽膠與螢光粉混合燒結，形成一同時具有玻璃特性與螢光特性之玻璃螢光體，大幅改善因高分子材料熱穩定性不佳所產生的熱效應影響，獲得不易受LED晶片發出熱能影響導致老化現象的LED封裝材料；然而，玻璃材料的加工溫度普遍在1200℃以上，使螢光粉的晶格結構易因高溫破壞而喪失螢光能力；若玻璃的加工溫度過低，則無法使玻璃材料熔融，而形成易碎且透光性極差的粉狀塊體，使玻璃材料之成分組成成為影響其加工溫度以及螢光粉的螢光效率之重要因素。

此外，如第1圖所示，顯示一種習知以玻璃材料封裝LED晶片之結構，該LED封裝結構10主要是於一LED晶片11上設有二石英板12、14，該二石英板12、14之間則設有一片狀玻璃螢光體13，然而，由於該玻璃螢光體13係以貼合方式封裝該LED晶片，而存在有容易生成多重界面及表面全反射等不利於LED模組發光效率之問題。

有鑑於上述習用之使用問題，以及藉玻璃材料封裝LED晶片之趨勢，本案發明人認為有必要在不大幅增加成本的前提下，提出一種藉其玻璃材料組成比例降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度等性質的封裝材料，利用模壓機加熱、壓縮製成玻璃螢光體，並使該玻璃螢光體於基板上一體成型封裝LED晶片之LED模組封裝結構及其封裝方法。

本發明之主要目的在於提供一種LED模組封裝方法，該方法具有快速完成具高功率玻璃螢光體之一體成型LED模組，而無須於該玻璃螢光體成型後對其表面進行研磨拋光，不僅節省生產成本、提高經濟效率，同時達到避免形成過多界面穿透和反射損失，有效提高LED模組出光效率、可靠度及產品品質。

本發明之封裝方法係以一低溫玻璃材料及一螢光粉進行製備，該方法步驟主要包括一低溫玻璃顆粒原料製備步驟、一玻璃螢光顆粒原料製備步驟及一模壓封裝步驟，其中，該模壓封裝步驟更包括a.入料步驟、b.熔融步驟、c.注料步驟、d.冷卻成型步驟；該封裝方法係藉該低溫玻璃顆粒原料製備步驟及該玻璃螢光顆粒原料製備步驟製得一玻璃螢光顆粒原料後，令該玻璃螢光顆粒原料配合一模壓機經該模壓封裝步驟形成模壓封裝之一體成型LED模組；該模壓機具有一模具及一容槽，該容槽設有一入料口及與該模具模穴連通之一注料道，該模具之模穴面設有依光學原理設計之微特徵及曲率，且該LED模組之該基板與該LED晶片預設於該模穴內；於該模壓封裝步驟中，首先將該玻璃顆粒原料或該玻璃螢光顆粒原料自該入料口輸入該模壓機之容槽內，並對該玻璃螢光顆粒原料加熱壓縮至其呈現熔融狀態，接著將該熔融狀態之玻璃螢光顆粒原料經該注料道注入該模穴內，待該模具冷卻，該模穴面之微特徵及曲率即經由模內轉印，使熔融態玻璃螢光顆粒原料固化離型後形成表面具有一光學微結構之玻璃螢光體，則該玻璃螢光體即經模壓封裝而與該LED晶片、該基板一體成型為該LED模組。

本發明之另一目的在於提供一種LED模組封裝結構，其係藉該低溫玻璃材料組成比例降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度等性質，使該低溫玻璃材料得於1100~1300℃之溫度進行低溫燒結，達到將基板、一設於該基板之LED晶片以及用於封裝該LED晶片之玻璃螢光體一體模壓成型為該LED模組封裝結構之目的。

其中，該低溫玻璃材料係由二氧化矽(SiO₂ )、氧化硼(B₂ O₃ )、氧化鈉(Na₂ O)組成之硼矽酸鹽玻璃系統低溫玻璃材料，該二氧化矽(SiO₂ )係佔該低溫玻璃材料整體重量的30~40 wt%，該氧化硼(B₂ O₃ )佔20~50 wt%以及該氧化鈉(Na₂ O)佔10~20 wt%；較佳的是，該二氧化矽(SiO₂ )為35 wt%，該氧化硼(B₂ O₃ )為45 wt%，該氧化鈉(Na₂ O)為20wt%；該低溫玻璃材料另可為五氧化二磷(P₂ O₅ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )組成之磷矽酸鹽玻璃系統低溫玻璃材料，該五氧化二磷(P₂ O₅ )係佔該低溫玻璃材料整體重量的50~80 wt%，該二氧化矽(SiO₂ )佔10~15 wt%以及該氧化鋁(Al₂ O₃ )佔10~30 wt%；較佳的是，該五氧化二磷(P₂ O₅ )為75wt%，該二氧化矽(SiO₂ )為15 wt%，該氧化鋁(Al₂ O₃ )為10 wt%。

藉此，本發明透過上述LED模組封裝方法及該玻璃材料之組成比例，達到使該玻璃材料進行低溫燒結後固化製粒成為該玻璃顆粒原料，並與螢光粉混合預燒形成該玻璃螢光顆粒原料，以配合模壓機提供可快速完成具高功率玻璃螢光體之一體成型LED模組。

於本發明之實施例中，將說明作為LED模組之封裝結構及其封裝材料之配方及其製法。

如第2圖所示，顯示本發明LED模組封裝結構20示意圖，其主要是於基板21上設置一LED晶片22以及封裝該LED晶片22之一玻璃螢光體23，該玻璃螢光體23係以模壓一體成型於該基板21上，且該玻璃螢光體23表面經模內轉印成形有一光學微結構231；該玻璃螢光體23具有一低溫玻璃材料及一螢光粉組成，該螢光粉與該低溫玻璃材料之重量比例為1：2~200：1；其中該螢光粉係可選自YAG(鋁酸鹽)、矽酸鹽(Silicate)、氮化物(Nitride)等螢光材料，於本實施例中，該螢光粉係選擇釔鋁石鎦石螢光粉(YAG，yttrium aluminum garnet)，化學式為Y₃ Al₅ O₁₂ ，並以鈰(Ce，Cerium)為主體晶格(Host Lattice)而釔鋁石鎦石螢光粉為活化劑(Activator)成分組成；其中鈰元素原子量為58，融點為795℃。

該低溫玻璃材料係為由二氧化矽(SiO₂ )、氧化硼(B₂ O₃ )以及氧化鈉(Na₂ O)組成之硼矽酸鹽玻璃系統低溫玻璃材料，或由五氧化二磷(P₂ O₅ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )組成之磷矽酸鹽玻璃系統；其中：於該硼矽酸鹽玻璃系統中，該低溫玻璃材料具有佔其重量比例30~40 wt%之二氧化矽(SiO₂ )、20~50 wt%之氧化硼(B₂ O₃ )以及10~20 wt%之氧化鈉(Na₂ O)，如表一、表二所示，顯示硼矽酸鹽玻璃系統之玻璃材料組成實施例及其對應檢測數據；其中，以該低溫玻璃材料以具有35 wt%之二氧化矽(SiO₂ )、45wt%之氧化硼(B₂ O₃ )，以及20 wt%之氧化鈉(Na₂ O)之成分比例為較佳，且其具有實施例中最佳玻璃轉化溫度400℃及最佳玻璃軟化溫度650℃。

於該磷矽酸鹽玻璃系統中，該低溫玻璃材料具有佔其重量比例50~80 wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )、10~15 wt%之二氧化矽(SiO₂ )、10~30 wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )，如表三、表四所示，顯示磷矽酸鹽玻璃系統之玻璃材料組成實施例及其對應檢測數據；其中，該低溫玻璃材料以具有75 wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )、15wt%之二氧化矽(SiO₂ )，以及10wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )之成分比例為較佳，且其具有本發明實施例中最佳玻璃轉化溫度346℃、最佳玻璃軟化溫度550℃、最佳折射率1.75以及最佳可見光穿透率91%。

以上所述即為本發明玻璃螢光體之配方實施例主要說明，至於本發明經模壓封裝，以該玻璃螢光體封裝LED晶片23並一體成型於該基板21上，形成LED模組封裝結構20之較佳實施例的封裝方法及其功效，做以下說明。

請配合參閱第3a至5b圖所示，本發明LED模組封裝結構之封裝方法，該方法步驟如第3a、3b圖所示，主要包括一低溫玻璃顆粒原料製備步驟S1、一玻璃螢光顆粒原料製備步驟S2及一模壓封裝步驟S3，其中，該模壓封裝步驟S3更包括a.入料步驟、b.熔融步驟、c.注料步驟、d.冷卻成型步驟；該封裝方法係藉該低溫玻璃顆粒原料製備步驟S1及該玻璃螢光顆粒原料製備步驟S2製得一玻璃螢光顆粒原料後，令該玻璃螢光顆粒原料配合一模壓機30經該模壓封裝步驟S3形成模壓封裝之一體成型LED模組封裝結構；其中：該低溫玻璃顆粒原料製備步驟S1，其係先以400~1000℃之溫度燒結該低溫玻璃材料；待完成燒結後，將該低溫玻璃材料置入水或酒精進行冷卻，使該低溫玻璃材料遇水或酒精後冷卻固化形成一玻璃細砂；接著以一行星式球磨機研磨該玻璃細砂至其粒徑為900~1000 nm，再經濕式球磨後製得一玻璃粉；於本實施例中，該玻璃粉係為硼矽酸鹽玻璃粉或磷矽酸鹽玻璃粉；該玻璃螢光顆粒原料製備步驟S2，其係將該玻璃顆粒原料與該螢光粉混合攪拌30~60分鐘，得一混合物；接著將該混合物加入水或酒精，並以超音波震動30~60分鐘，再以一熱旋轉攪拌器於100℃之溫度下攪拌30~60分鐘，均勻攪拌該玻璃顆粒原料與該螢光粉後靜置沉澱後，將沉澱物預燒得一玻璃螢光顆粒原料；該模壓封裝步驟S3，係配合一模壓機30進行封裝，如第4、5a圖所示，該模壓機30具有一模具31及一容槽32，該模具31具有一上模31a及一下模31b，該上模31a凹設有一供成型該玻璃螢光體23之上模穴311，且該上模穴311係之模穴面係依光學原理設計而具有微特徵及曲率之微模具結構，該下模31b凹設有一供容置該基板21及該LED晶片22之下模穴312，該容槽32設有一入料口321及與該模具31模穴311、312連通之一注料道322，該模壓機30另具有一活塞件33供容置於該容槽內32推壓入料，使入料往該注料道322流動而注入該模具31模穴311、312內；其中，該模壓封裝步驟更進一步包括下列步驟：該入料步驟a，係將該玻璃螢光顆粒原料自該模壓機30之該入料口321置入該容槽32；該熔融步驟b，係以該模壓機30對該容槽32內之該玻璃螢光顆粒原料23加熱壓縮至該玻璃螢光顆粒原料23’呈熔融態；於本實施例中，該模壓機30容槽32之加熱溫度為400~1000℃，加壓壓力為1~500MPa；該注料步驟c，如第5b圖所示，令該LED模組封裝結構20之該基板21與該LED晶片22預設於該模穴311、312內，控制該活塞件33推壓該熔融態玻璃螢光顆粒原料23’，使其往該注料道流動而注入該模穴311、312內；該冷卻成型步驟d，待該模具31冷卻，該上模穴311模穴面的微特徵及曲率即經模內轉印，而於該熔融態玻璃螢光顆粒原料23’固化離型後，形成表面具有一光學微結構231之該玻璃螢光體23，且該玻璃螢光體23經模壓封裝與該LED晶片22、該基板21一體成型為該LED模組封裝結構20；於本實施例中，該光學微結構231係於該玻璃螢光體23表面成形為透鏡曲面結構。

綜上所述，本發明係藉由調製該低溫玻璃材料之成分比例，達到降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度及玻璃起始結晶溫度，配合該具有光學微特徵及曲率之模壓機，在模壓封裝步驟的相對低溫下，使玻璃螢光顆粒原料熔融、固化、離型後形成封裝該LED晶片22之玻璃螢光體23，不僅能快速完成具高功率玻璃螢光體23且一體成型之LED模組封裝結構20，本發明所提供之封裝方法亦無須於該玻璃螢光體23成型後，對其表面進行研磨拋光以形成該光學微結構231，達到節省生產成本、提高經濟效率，同時避免形成過多界面穿透和反射損失，有效提高LED模組出光效率、可靠度及產品品質。

《習知》

10‧‧‧LED封裝結構

12‧‧‧石英板

13‧‧‧玻璃螢光體

14‧‧‧石英板

《本發明》

20‧‧‧LED模組封裝結構

21‧‧‧基板

22‧‧‧LED晶片

23‧‧‧玻璃螢光體

231‧‧‧光學微結構

23’‧‧‧玻璃螢光粉(熔融態)

30‧‧‧模壓機

31‧‧‧模具

31a‧‧‧上模

31b‧‧‧下模

311‧‧‧上模穴

312‧‧‧下模穴

32‧‧‧容槽

321‧‧‧入料口

322‧‧‧注料道

33‧‧‧活塞件

S1‧‧‧低溫玻璃顆粒原料製備步驟

S2‧‧‧玻璃螢光顆粒原料製備步驟

S3‧‧‧模壓封裝步驟

a‧‧‧入料步驟

b‧‧‧熔融步驟

c‧‧‧注料步驟

d‧‧‧冷卻成型步驟

第1圖　習知LED模組封裝結構示意圖。

第2圖　本發明LED模組封裝結構示意圖。

第3a圖　本發明LED模組封裝方法之步驟流程圖。

第3b圖　本發明模壓封裝成形步驟之步驟流程圖。

第4圖　用於本發明LED模組封裝方法之模壓加工製程的模壓機外觀結構示意圖。

第5a圖　用於本發明模壓加工製程的模壓機於未入料狀態之結構剖視示意圖。

第5b圖用於本發明模壓加工製程的模壓機於入料後模壓注入模穴之結構剖視示意圖。

23’．．．玻璃螢光粉(熔融態)

30．．．模壓機

31．．．模具

31a．．．上模

31b．．．下模

311．．．上模穴

312．．．下模穴

32．．．容槽

321．．．入料口

322．．．注料道

33．．．活塞件

Claims

一種LED模組封裝結構，其係由一低溫玻璃材料及一螢光粉經模壓封裝LED晶片於一基板上，而一體成型為表面具光學微結構之玻璃螢光體；其特徵在於：該螢光粉與該低溫玻璃材料之重量比例為1：2~200：1，且該低溫玻璃材料由佔其重量比例30~40wt%之二氧化矽(SiO₂ )、20~50wt%之氧化硼(B₂ O₃ )以及10~20wt%之氧化鈉(Na₂ O)組成。
如申請專利範圍第1項所述之LED模組封裝結構，其中，該低溫玻璃材料之整體重量中，該二氧化矽(SiO₂ )係佔35wt%，該氧化硼(B₂ O₃ )佔45wt%，該氧化鈉(Na₂ O)佔20wt%。
一種LED模組封裝結構，其係由一低溫玻璃材料及一螢光粉經模壓封裝LED晶片於一基板上，而一體成型為表面具光學微結構之玻璃螢光體；其特徵在於：該螢光粉與該低溫玻璃材料之重量比例為1：2~200：1，且該低溫玻璃材料由佔其重量比例50~80wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )、10~15wt%之二氧化矽(SiO₂ )、10~30wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )組成。
如申請專利範圍第3項所述之LED模組封裝結構，其中，該低溫玻璃材料之整體重量中，該五氧化二磷(P₂ O₅ )係佔75wt%，該二氧化矽(SiO₂ )佔15wt%，該氧化鋁(Al₂ O₃ ) 佔10wt%。
一種用於如申請專利範圍第1至4項所述LED模組封裝結構之封裝方法；該方法步驟包括：一低溫玻璃顆粒原料製備步驟，其係以400~1000℃之溫度燒結該低溫玻璃材料，並於冷卻後研磨形成一粒徑為900~1000nm之玻璃粉，令該玻璃粉再經燒結固化、製粒成為一玻璃顆粒原料，其中，該玻璃粉選自組成配比包括30~40wt%之二氧化矽(SiO₂ )、20~50wt%之氧化硼(B₂ O₃ )以及10~20wt%之氧化鈉(Na₂ O)的硼矽酸鹽玻璃粉，或組成配比包括50~80wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )、10~15wt%之二氧化矽(SiO₂ )、10~30wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )的磷矽酸鹽玻璃粉；一玻璃螢光顆粒原料製備步驟，其係將該玻璃顆粒原料與該螢光粉混合後預燒、製粒，得一玻璃螢光顆粒原料；以及一模壓封裝步驟，其係包括下列步驟：a.入料步驟：將該玻璃螢光顆粒原料置入一模壓機，該模壓機具有一模具及一容槽，該容槽設有一入料口及與該模具模穴連通之一注料道，令該玻璃螢光顆粒原料自該入料口置入該模壓機之容槽內；b.熔融步驟：令該模壓機對該容槽內之該玻璃螢光顆粒原料加熱壓縮至該玻璃螢光顆粒原料呈熔融狀態，該模壓機容槽的加熱溫度為400~1000℃；c.注料步驟：該模具之模穴面設有依光學原理設計之微特徵及曲率，令該LED模組之該基板與該LED晶片預設於該模穴內，再將該熔融狀態之玻璃螢光顆粒原料經該注料道注入該模穴；d.冷卻成型步驟：待該模具冷卻，該模具之模穴面之微特徵及曲率經模內轉印，令該玻璃螢光顆粒原料離型形成表面具有一光學微結構之該玻璃螢光體，且該玻璃螢光體與該LED晶片、該基板經模壓封裝一體成型為該LED模組封裝結構。
如申請專利範圍第7項所述之LED模組封裝結構之封裝方法，其中，該低溫玻璃顆粒原料製備步驟係將該低溫玻璃材料置入水或酒精進行冷卻，令該低溫玻璃材料冷卻後形成一玻璃細砂，再將該玻璃細砂研磨形成該玻璃粉。
如申請專利範圍第6項所述之LED模組封裝結構之封裝方法，其中，該低溫玻璃顆粒原料製備步驟係以一球磨機研磨該玻璃細砂，再經一濕式球磨機研磨而得該玻璃粉。
如申請專利範圍第7項所述之LED模組封裝結構之封裝方法，其中，玻璃螢光顆粒原料製備步驟係將該玻璃顆粒原料與該螢光粉混合攪拌，得一混合物；再將該混合物加入水或酒精，以一熱旋轉攪拌器均勻攪拌後靜置沉澱後預燒，得該玻璃螢光顆粒原料。
如申請專利範圍第8項所述之LED模組封裝結構之封裝方法，其中，玻璃螢光顆粒原料製備步驟係於該混合物加入水或酒精後，以超音波震動30~60分鐘後，再以該熱旋轉攪拌器於100℃之溫度下攪拌30~60分鐘，再經靜置沉澱、預燒及製粒形成該螢光玻璃顆粒原料。
如申請專利範圍第7項所述之LED模組封裝結構之封裝方法，其中，於該模壓封裝步驟之該注料步驟中，該模壓機之該模具具有一上模及一下模，該上模凹設有一供成型該玻璃螢光體之上模穴，該下模凹設有一供容置該基板及該LED晶片之下模穴，該模具為微模具結構，而於該上模穴之模穴面設有光學微特徵及曲率，且該模壓機另具有一活塞件，其係容置於該容槽內以推壓該熔融態玻璃螢光顆粒原料，使該熔融態玻璃螢光顆粒原料往該注料道流動而注入該模具模穴內。