CN102102862B - 一种微体积多led集成单元的封装方法 - Google Patents

Abstract

一种微体积多LED集成单元的封装方法及其电极封装方法，属于LED制造领域，具体涉及LED灯的封装方法。利用基板、连接膜、LED芯片、UV胶、遮光膜、UV灯、导电银胶和细导线构成微体积LED集成单元。五个可组合成空间立体微结构的基板通过连接膜互相连接；LED芯片固定于基板上；导电银胶用于将LED芯片的需引出的电极点和细导线连接；UV胶用于固定由基板所构成的微空间；遮光膜包裹基板构成的立体微结构；金丝球焊机用于对LED芯片进行焊线；UV灯用于固化UV胶和导电银胶。本发明在微体积内实现高强度的LED照明，并可调输出光的光学特性，同时提供一种在微体积下的电源封装技术。

Description

一种微体积多LED集成单元的封装方法

技术领域

一种微体积多LED集成单元的封装方法及其电极封装方法属于LED制造领域，具体涉及LED灯的封装方法。 

背景技术

在1879年爱迪生发明碳丝白炽灯之后，照明技术便进入一个崭新的时代。白炽灯从它问世的那一天起，就带有先天性缺陷，钨丝加热耗电大，灯泡易碎耗能大，而且容易触电。荧光灯虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力不利，灯管内的汞也有害于人体和环境。然而，真正引发照明技术发生质变的还是LED。 

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，有望成为“***光源”，与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体，上下两层装有电极，中间有导电材料，可以发光的材料在两电极的夹层中，光的颜色根据材料性质的不同而有所变化。LED由超导发光晶体产生超高强度的灯光，它发出的热量很少，不像白炽灯浪费太多热量，也不像荧光灯因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯要求高电压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代的环保高科技光源。 

LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。 

LED具有以下优点。 

①可靠性高、寿命长：LED为固体冷光源，抗震动，灯体内没有松动的部分，不存在等死发光易烧、热沉积、逛衰等缺点，使用寿命可达60000～100000h，比传统光源寿命长10倍以上。LED性能稳定，可在-30～+50℃环境下正常工作。 

②发光效率高：目前LED的发光效率比白炽灯高2～3倍。近年来随着LED技术的不断发展，发光效率每年都有大幅度地提高，很快就可以达到100lm/W。 

③发热量低：LED运用冷光源，眩光小，无红外辐射，因此，在发热方面，LED比白炽灯的发热量小许多。 

④响应速度快：因为LED利用电子-空穴湮灭直接发光的现象，因此，发光的响应时间非常短，通常在100ms以下。 

⑤耐碰撞：除了光学特性之外，传统光源使用的都是玻璃管，因此具有不耐震动和易碎的特点；LED不使用玻璃，因此具有抗振动和抗碰撞的优点。 

⑥体积小、轻便：LED是由半导体材料制作的固体光源，具有体积小、轻便的特点，因此在设计中可以充分利用这一点。 

⑦新型绿色环保光源：LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不发出有害物质。LED工作电压低，直流驱动，超低功耗(单管0.03～0.06W)，电光功率转换接近100％，相同照明效 果比传统光源节能80％以上。LED环保效益更佳，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，可见光效率高达80％～90％，同等光效的白炽灯可见光效率仅为10％～20％。光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 

近几年，LED迅速发展，LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，其发展前景吸引了全球照明产品制造商加入LED光源及市场开发。LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的***光源。 

LED封装技术就是对LED发光芯片进行封装，制成可直接使用的光源。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要四保护管芯和完成电气连接。而LED封装则是要完成输出电信号、保护管芯正常工作、输出可见光的功能，既有电参数的设计与技术要求，又有光参数的设计与技术要求，所以LED的封装技术对于最终LED光源的发光特性具有非常重要的影响。 

常规的LED封装有炮弹型和表面贴装型。炮弹型LED封装是在带引线框架的杯内装入LED芯片，周围用环氧树脂炮弹型封装，主要尺寸为 

表面贴装型LED的封装外形千差万别，但都是在陶瓷或树脂成形的空腔内安装LED芯片，然后再在空腔填充树脂或硅树脂等。 

LED以其卓越的优点有望成为“***光源”。但是，LED仍存在如下问题需要改进： 

(1)发光量低。LED是几百微米级的半导体，通过芯片的电流有几十毫安，电压约为3V，用电量非常低，约为100mW，因此尽管发光效率高，但发光量并不大，比传统光源的功率低，发光量弱。 

(2)可选颜色少。目前市场上作为光源使用的可购买的LED的发光颜色基本仅为红、蓝、绿三色，对于需要其他颜色作为光源的应用场合存在很大的不便。 

(3)LED封装技术中电极的处理尤为重要，一般的电极封装方法是使用特制的LED支架，LED固定于支架中间，用金丝球焊机焊线使LED正负极与支架中的电极点连接，支架电极点向外引出电极。这种方法被大量的应用于LED光源封装技术中，这种封装方法的问题是LED支架体积相对过大，在对体积和重量有苛刻要求的特殊空间内，如宇航及生物微型化等领域，这种方法就非常的不适用，极大的浪费了空间和增加了重量，非常不科学。 

(4)LED在狭小空间的应用具有很大的前景。目前，LED广泛用于大面积图文显示全彩屏、状态指示、标志照明等传统光源应用方面，而由于LED具有传统光源所不具备的体积小、轻便的特点，在传统光源实现起来比较困难的狭小空间内，LED具有巨大的利用价值，可以推进以往受到传统光源体积重量因素制约的科技技术研究的发展。因此，LED作为微型光源的研究非常有前景和必要。 

发明内容

基于上述LED的微型化应用，本发明提出一种LED发光单元的封装方法，在微体积内实现 高强度的LED照明，并可调输出光的光学特性，同时提供一种在微体积下的电源封装技术。 

为了实现上述目的，本发明设计一种微体积的集成多个LED的发光单元。 

本发明的理论依据：由于LED的用电量非常低，所以尽管发光效率高，单个LED的发光量并不大，为了达到足够的发光量，本发明提出一种在基板上排列多个LED芯片共同发光以增大发光量的方法。 

为了在微体积空间内获得高强度光，本发明提出在一种LED的集成方法，在单位空间内尽可能多的排列LED芯片，运用混光原理，以及光的折射、反射原理，设计空间结构使LED芯片发出的光尽量汇聚，最终获得体积小、强度高的光源。 

基于以上结构设计，根据三基色原理，只要控制微体积内红、绿、蓝三色LED芯片的光强，便可合成出各种颜色的光源，从而实现微体积光源光学特性的可调节。 

在封装微体积光源时，为了很好的节约空间和重量，传统的LED支架由于其即增加空间又增加重量并不适用，为了节省空间和重量，电极的引出可以使用细导线而不适用电极支架，可以使用导电银胶直接覆盖LED电极点和细导线的一端，这样细导线的另一端即为引出电极，可连接到其他元件上，该种方法不额外增加微体积光源的体积和重量。 

基于上述理论，本发明采用如下技术方案实现。 

设计一种微体积单色LED集成单元的封装方法及其电极封装方法，利用基板、LED芯片、UV胶将多个LED芯片集成在微体积单元内，具体制作方法为： 

(1)在一个正方形的基板的四边通过连接膜分别连接四个大小一样的正方形或长方 

形基板，当四个正方形或长方形基板同时折起时形成一个立方体形的方筒； 

(2)在所述五个基板的表面分别贴装一个以上的LED芯片； 

(3)用金丝球焊机将所述各LED芯片的电极通过金丝焊线串联或并联起来； 

(4)使用导电银胶同时覆盖住串联或并联后的LED芯片的总电极和细导线，作为引出电极，并使用UV灯照射导电银胶，使导电银胶固化； 

(5)将四边的四个正方形或长方形基板同时折起构成立方体，将UV胶滴入立方体内至填满，并使用UV灯照射UV胶，使其固化； 

(6)用遮光膜包围住由基板构成的立方体。 

所述五个基板的大小皆为1mm×1mm×0.5mm；或其中一个为1mm×1mm×0.5mm，其余四个为1mm×2mm×0.5mm。所述基板采用陶瓷片。所述连接膜采用橡胶 

对于彩色LED集成单元，也是利用基板、LED芯片、UV胶将多个LED芯片集成在微体积单元内，具体采用如下的方法： 

(1)在一个正方形的基板的四边通过连接膜分别连接四个大小一样的正方形或长方形基板，当四个正方形或长方形基板同时折起时形成一个立方体形的方筒； 

(2)在所述五个基板的表面分别贴装四个以上的LED芯片，LED芯片包括红色、绿色和蓝色，或者其中两色； 

(3)用金丝球焊机将所述同色LED芯片的电极通过细导线串联起来； 

(4)使用导电银胶分别同时覆盖住各色串联起来的LED芯片的总电极和细导线，作为引出电极，并使用UV灯照射导电银胶，使导电银胶固化； 

(5)将四边的四个正方形或长方形基板同时折起构成立方体，将UV胶滴入立方体内至填满，并使用UV灯照射UV胶，使其固化； 

(6)用遮光膜包围住由基板构成的立方体。 

所述五个基板的大小皆为2mm×2mm×0.5mm；或其中一个为2mm×2mm×0.5mm，其余四个为2mm×4mm×0.5mm。 

对于包含三种颜色LED芯片的情况，所述红色、绿色和蓝色LED芯片的数量比为7∶6∶7。 

所述基板采用树脂薄板。所述连接膜采用耐高温薄膜。。 

本发明的优点在于：通过将多个LED芯片集成的方法，极大的提高了发光量；微体积结构实现了LED芯片在空间上的密集排列，极大的减少了光源的尺寸，奠定了微体积高亮度光源的基础；创新性的银胶覆盖电源封装方式非常难得的能够良好维持微体积光源的轻、小的特点，没有额外增加体积和重量；通过调节LED芯片的电流可以控制发光强度，从而能够较为方便的发出各种不同光学特性的光，满足不同条件下的光源需求，对于LED的科研和应用都有重要的意义。本发明提出的此种微体积高亮度光源将在狭小空间领域内大有作为，推动微技术行业的科研进步和技术发展。 

附图说明

图1a为本发明实施例1中基板与连接膜的连接示意图； 

图1b为本发明实施例1中LED芯片的安置示意图； 

图1c为本发明实施例1中LED芯片和电极连接封装示意图； 

图1d为本发明实施例1中微体积高亮度集成LED发光单元成型示意图； 

图1e为本发明实施例1中微体积高亮度集成LED发光单元成品示意图； 

图2a为本发明实施例2中基板与连接膜的连接示意图； 

图2b为本发明实施例2中LED芯片的安置示意图； 

图3为本发明实施例2中LED芯片的电路连接原理图； 

图4为本发明实施例2中LED芯片和电极连接封装示意图； 

图5a为本发明实施例2中微体积高亮度集成LED发光单元成型示意图； 

图5b为本发明实施例2中微体积高亮度集成LED发光单元成品示意图。 

图中：1、陶瓷片基板，2、橡胶连接膜，3、LED芯片，4、UV胶，5、遮光膜，8、导电银胶，9、细导线，10、金丝焊线，11、树脂基板，12、耐高温薄膜，13、绿光LED芯片，14、红光LED芯片、15、蓝光LED芯片。 

具体实施方式

下面结合图1a～e对本发明的实施例1详细说明。 

包括有陶瓷片基板1、橡胶连接膜2、LED芯片3、UV胶4、遮光膜5、UV灯、导电银胶8和细导线9。其中，陶瓷片基板1为五个1mm×1mm×0.5mm的陶瓷片，橡胶连接膜2材料为橡胶薄皮，陶瓷片基板1通过橡胶连接膜2如图1a所示连接，将五个尺寸为45mil的大功率LED芯片3分别对应固定在陶瓷片基板1的五个陶瓷片上，如图1b所示；使用金丝球焊机用金丝焊线10对LED芯片3焊线，使五个LED芯片串联连接；使用导电银胶8同时覆盖住LED芯片3的需引出电极和细导线9，如图1c所示；使用UV灯4照射导电银胶8，使其固化；然后应用机械结构将四边的四个陶瓷基板1片折起，如图1d所示；将UV胶4滴入由陶瓷片基板1构成的立方体内，用UV灯照射UV胶4，使其固化；用遮光膜5包围住由陶瓷片基板1构成的立方体；图1e即为制成的微体积高亮度多LED光源。 

下面结合图2a～b、图3、图4、图5a～b对本发明的实施例2详细说明。 

包括有树脂基板11、耐高温薄膜12、LED蓝光芯片15、LED红光芯片14、LED绿光芯片13、UV胶4、遮光膜5、金丝球焊机、UV灯、导电银胶8和细导线9。其中，树脂基板11为五个2mm×2mm×0.5mm的树脂薄板，耐高温薄膜12材料为耐高温薄膜，如PET薄膜，树脂基板11通过耐高温薄膜12如图2a所示连接，将七个尺寸为45mil的大功率蓝光LED芯片15、七个尺寸为45mil的大功率红光LED芯片14、六个尺寸为45mil的大功率绿光LED芯片13分别固定于五个2mm×2mm×0.5mm的树脂薄板，每个树脂薄板上固定四个芯片，如图2b所示；用金丝球焊机对LED芯片的电极进行焊线，LED芯片的连接方式采用串并联连接，同种颜色芯片串联，不同颜色芯片并联，串并联示意图如图3所示；焊线完毕后，使用导电银胶8同时覆盖住LED芯片的需引出电极和细导线9，如图4所示；使用UV灯照射导电银胶8，使其固化；将基板11的周围四个树脂薄板折起，形成立方体结构，如图5a所示，在此，需小心防止金丝焊线短路或掉落；将UV胶4滴入立方体内，使用UV灯7照射使UV胶4固化；最后，用遮光膜5包裹住除出光口外的其他面，图5b即为制造完成的微体积高亮度多LED光源。 

上述遮光膜5采用黑色包裹物，如黑胶纸、黑漆。 

在本实施例中，也可以将各颜色LED芯片的电极分别引出，通过调节不同颜色LED芯片的支路电流来控制各颜色的发光量，从而获得不同光学特性的光源，实现光源可控。此外，还可以根据需要在出光口处安装光学元件如滤光片、透镜等满足特定条件下的光源需求。 

Claims (9)

1.一种微体积单色LED集成单元的封装方法，其特征在于：利用基板、LED芯片、UV胶将多个LED芯片集成在微体积单元内，具体制作方法为，

(1)在一个正方形的基板的四边通过连接膜分别连接四个大小一样的正方形或长方形基板，当四个正方形或长方形基板同时折起时形成一个立方体形的方筒；

(2)在所述五个基板的表面分别贴装一个以上的LED芯片；

(3)用金丝球焊机将所述各LED芯片的电极通过金丝焊线串联或并联起来；

(4)使用导电银胶同时覆盖住串联或并联后的LED芯片的总电极和细导线，作为引出电极，并使用UV灯照射导电银胶，使导电银胶固化；

(5)将四边的四个正方形或长方形基板同时折起构成立方体，将UV胶滴入立方体内至填满，并使用UV灯照射UV胶，使其固化；

(6)用遮光膜包围住由基板构成的立方体。

2.如权利要求1所述的一种微体积单色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述五个基板的大小皆为1mm×1mm×0.5mm；或其中一个为1mm×1mm×0.5mm，其余四个为1mm×2mm×0.5mm。

3.如权利要求1或2所述的一种微体积单色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述基板采用陶瓷片。

4.如权利要求1或2所述的一种微体积单色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述连接膜采用橡胶。

5.一种微体积彩色LED集成单元的封装方法，其特征在于：利用基板、LED芯片、UV胶将多个LED芯片集成在微体积单元内，具体制作方法为，

(1)在一个正方形的基板的四边通过连接膜分别连接四个大小一样的正方形或长方形基板，当四个正方形或长方形基板同时折起时形成一个立方体形的方筒；

(2)在所述五个基板的表面分别贴装四个以上的LED芯片，LED芯片包括红色、绿色和蓝色，或者其中两色；

(3)用金丝球焊机将所述同色LED芯片的电极通过细导线串联起来；

(4)使用导电银胶分别同时覆盖住各色串联起来的LED芯片的总电极和细导线，作为引出电极，并使用UV灯照射导电银胶，使导电银胶固化；

(5)将四边的四个正方形或长方形基板同时折起构成立方体，将UV胶滴入立方体内至填满，并使用UV灯照射UV胶，使其固化；

(6)用遮光膜包围住由基板构成的立方体。

6.如权利要求5所述的一种微体积彩色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述五个基板的大小皆为2mm×2mm×0.5mm；或其中一个为2mm×2mm×0.5mm，其余四个为2mm×4mm×0.5mm。

7.如权利要求5或6所述的一种微体积彩色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述红色、绿色和蓝色LED芯片的数量比为7∶6∶7。

8.如权利要求5或6所述的一种微体积彩色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述基板采用树脂薄板。

9.如权利要求5或6所述的一种微体积彩色LED集成单元的封装方法，其特征在于：所述连接膜采用耐高温薄膜。

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