CN102945915A - 一种led荧光粉涂覆工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及LED的荧光粉涂覆工艺。一种LED荧光粉涂覆工艺，包括：步骤1：制作光学透镜，该光学透镜的非出光面上设有ITO导电层，该光学透镜的外表面为自由曲面形状，透镜层不具有导电功能；步骤2：通过电泳沉积法制备荧光粉层，将荧光粉层涂布在光学玻璃的ITO导电层上；步骤3：将步骤2制成的光学透镜放置于烤箱中烘烤，以除去水分及挥发有机物。本发明应用于LED荧光粉层的制作。

Description

一种LED荧光粉涂覆工艺
技术领域
本发明涉及LED（Light-Emitting Diode，发光二极管），尤其涉及一种通过远场激发的LED封装结构。
背景技术
实现LED发出白光有很多种方式，有RGB芯片组合，有蓝光芯片激发荧光粉，有UV芯片激发荧光粉等，目前最常用的方式是在蓝光或近紫外光LED芯片上涂覆荧光粉而实现白光反射。利用LED芯片发射的蓝光（420nm-470nm）或近紫外光（370nm-410nm）作为主光谱，荧光粉吸收主光谱后受激发并产生比主光谱波长更长的次光谱，从而转换为双波长或三波长白光。上述过程中，荧光材料（荧光粉）覆盖LED的封装结构及工艺技术则是白光LED制成的关键技术。
荧光粉的覆盖通常是通过把荧光粉颗粒与硅胶（或者其他有机物载体）混合成胶状，然后涂覆在蓝光或近紫外光LED芯片的表面。现有的白光LED的封装流程可以分为以下几个步骤：
1、固定芯片：把LED芯片用胶或焊锡固定在支架或基板上，然后将放有LED芯片的支架或基板放进烤箱烘烤，使胶固化；
2、电极焊线：把LED芯片的p/n电极用焊线的方式焊到支架或基板的金属线路的焊接点上；
3、荧光粉涂覆：首先把荧光粉和硅胶（或者其他有机物载体）调配成荧光胶，并充分搅拌，搅拌均匀后用点胶针头或者其他点胶设备将上述荧光胶直接涂覆到LED芯片的上方，形成荧光粉层。
大功率LED常常还会在荧光粉层上再增加透明有机硅胶，从而实现半球或其他光学形状的透镜。经过上述封装流程处理的LED封装结构，将荧光粉直接涂覆在LED芯片上，具有以下缺点：
1、荧光粉对主光谱的吸收强度和光转换效率往往随温度的升高而降低；而上述荧光粉直接涂覆在LED芯片上，而LED芯片正常工作时会发热，荧光粉的温度也会因此而升高，影响了荧光粉的活性和转换效率，进而影响白光LED的性能和可靠性；
2、荧光粉直接涂覆在LED芯片上，还会造成其在受热情况下的不稳定性，例如色温的漂移、显色指数的变化等。因为温度在影响荧光粉的活性的同时，也对荧光粉所激发的光波波长产生一定的影响，随着LED芯片温度的上升，荧光粉活性在逐渐失活的同时，荧光粉所发出光的波长也随着发生红偏移，即荧光粉发光波长朝着红色波长偏移，导致色温和颜色发生偏移。因而导致荧光粉的发光特性变差，由此会产生亮度下降及色度变化；
3、荧光粉直接涂覆在LED芯片上，使得荧光粉在较高温度下性能衰退，进而导致白光LED的光衰；
4、另外，还存在荧光粉沉淀及混合均匀性问题，点胶时出胶量不均匀，导致色温和颜色的一致性不够好。
因此一篇申请公布号为CN101867007A的发明专利，公开了一种LED灯荧光粉层的制备方法。该方法是在LED芯片出光方向以及侧面出光方向制备荧光粉层，该荧光粉层远离LED芯片表面，其具体有两种方法，方法一是：(1)配制荧光粉与粘结剂胶水的分散体-荧光粉粉浆；(2)涂敷：将荧光粉粉浆涂敷在玻璃灯壳表面，形成荧光粉分散体的涂层；(3)去胶：去除分散体中的粘结剂胶水等有机成份，得到具有一定厚度的荧光粉层。方法二是：(1)配制荧光粉与感光胶体的分散体-荧光粉粉浆；(2)涂敷：将荧光粉粉浆涂敷在玻璃灯壳表面，形成荧光粉分散体的涂层；(3)曝光、显影：得到所需厚度的荧光粉感光胶分散体涂层；(4)去除感光胶：去除荧光粉涂层中的感光胶成份，得到具有确定厚度的荧光粉层。上述方法的过程中，荧光粉粉浆的涂覆方法可以是灌注法、旋涂、吸涂、压涂、电泳沉积中的一种或几种组合。上述专利虽然有提到电泳法,但其实际的内容是采用灌封法点胶，而并未对电泳法的具体实施过程进行描述，其可实现性难以评判。还有，上述专利采用的电泳法是常规工艺，其工艺过程复杂，生产难度大。 
另外，现有的电泳技术大多采用恒定电压或恒定电流电泳法,控制电泳时间来沉积荧光粉层。这种方法由于电泳过程中电泳液浓度在变化，通过控制电泳时间，难以精确的控制荧光粉层厚度；且得到的荧光粉层致密性不够好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种LED荧光粉涂覆工艺，通过将荧光粉和LED芯片分开，解决荧光粉直接涂覆在LED芯片造成的问题；通过采用改进的电泳技术，得到致密性高的荧光粉层，解决现有技术中电泳方法的不足。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的思路是，利用远场荧光粉技术，将作为热源的LED芯片和荧光粉层分开，从而避免色温漂移，并提高LED的亮度。其中，将LED芯片和荧光粉层分开，是利用电泳技术将荧光粉均匀涂布在光学透镜的ITO导电层的表面，而光学透镜和LED芯片之间填充有硅胶层。
本发明的技术方案是，一种LED荧光粉涂覆工艺，包括以下步骤：
步骤1：制作光学透镜，该光学透镜的非出光面上设有ITO导电层，该光学透镜是高折射率光学玻璃材质，其外表面为自由曲面形状，且不具有导电功能，只有底部的ITO导电层具有导电功能。其中，因透镜的高度等于半径时透光率较低，所以光学透镜的高度小于半径或大于半径；
步骤2：通过电泳沉积法制备荧光粉层，将荧光粉层附着在光学透镜的ITO导电层上，其具体包括以下步骤：
步骤21：荧光粉电解质溶液的制备：以异丙醇或异丁醇为溶剂，以Mg(NO3)2（硝酸镁）或Al(NO3)3（硝酸铝）为电解质，把电解质（Mg(NO3)2或Al(NO3)3）按照一定浓度比加入到溶剂（异丙醇或异丁醇）里，通过超声波振荡使其完全溶解，制成荧光粉电解质溶液。其中，电解质的浓度范围：0.06g/L-0.4g/L；
步骤22：荧光粉电泳液的制备：在步骤21制成的荧光粉电解质溶液里加入LED荧光粉（如YAG荧光粉，YAG是钇铝石榴石晶体）颗粒，加入少量的荧光粉抗沉淀剂，并通过磁力搅拌器搅拌，使荧光粉均匀悬浮分散在荧光粉电解质溶液里，构成荧光粉电泳液，荧光粉吸附电解质的正离子（Mg2+或Al3+）而带正电荷。荧光粉带有相同的正电荷，基于同性相斥的原理，荧光粉在溶液中保持均匀分散。而且电泳液中加入抗沉淀剂，由于空间位阻效应，电泳液分散体系保持稳定。该抗沉淀剂优选采用日本德山抗沉淀粉DM-30制成；
其中，搅拌时间可根据荧光粉电泳液和荧光粉的多少来确定，一般4小时为宜。其中，LED荧光粉颗粒的浓度范围为：5g/L-10g/L；
步骤23：通过电泳装置将荧光粉沉积在光学透镜的ITO导电层上，从而形成荧光粉层。其中，电泳装置包括电源、光学透镜、盛放荧光粉电泳液的容器、以及设于该容器底部的电极板，所述光学透镜置于容器内，其导电层与荧光粉电泳液接触，且该光学透镜的ITO导电层与电极板平行；所述电源的正极连接电极板，所述电源的负极连接光学透镜的ITO导电层。其中，电极板为金属材质的基板，例如铜、银等材质。电源电压在40V-400V之间均可，电泳时间在1-5分钟之间；
上述过程中，在阴阳两极间距离（即电极板和光学透镜的ITO导电层之间的距离）一定的情况下，可以通过改变两极间的电压来调节电泳液内的场强大小，最终实现对电泳速度的调控；
步骤24：当荧光粉层厚度达到10-90um时，结束电泳。荧光粉层厚度达到10-90um，也即荧光粉粒子堆叠2-6层；
步骤3：烘烤：将步骤2制成的表面涂布有荧光粉层的光学透镜放置于烤箱中烘烤，除去水分及挥发有机物，烘烤温度为100-120度，烘烤时间在1小时左右；
另外，使用上述步骤制成的荧光粉层进行封装，还包括以下步骤：
步骤4：将LED芯片放在支架上完成固晶，焊线后，将光学透镜覆盖在支架上方，其中，光学透镜的荧光粉层一面朝向LED芯片方向；
步骤5：在光学透镜和LED芯片之间填充硅胶；
步骤6：放入烤箱中烘烤完成填充硅胶的固化。
为了得到致密厚度可控的荧光粉层,作为一个进一步的技术方案，所述步骤2的步骤23中，是通过控制电量的分步电泳沉积方法将LED荧光粉沉积在光学透镜的ITO导电层上，具体包括以下步骤：首先预先设定电泳装置中电量可达到的最高值，然后通电，开始电泳过程；在电泳过程中，如果检测到的电量达到预先设定的最高值时，则停止电泳过程；其中，电泳过程是分步进行电泳沉积：先进行一次电泳沉积荧光粉，然后停留一定时间，待电泳溶液重新达到稳定平衡态，再进行下一次次电泳沉积荧光粉，重复该分步电泳沉积过程，直至荧光粉层达到所要求的厚度。另外，由于荧光粉粒径太小，则导致发光效率低；而荧光粉粒径太大，电泳得到的荧光粉层致密性差，经过实际实验证明，荧光粉粒径在4-20um范围内效果最佳。
本发明采用上述方案，通过将LED芯片和荧光粉层分开，利用改进的电泳技术将荧光粉均匀涂布在光学透镜的ITO导电层的表面，从而得到致密而薄的荧光粉层，这样产生的荧光粉层可控性较强，利用LED芯片激发该荧光粉层发光，其色温可控性强，一致性好，荧光粉光衰小，LED的可靠性强。
另外，本发明的光学透镜的设计结构还具有以下优点：光学透镜的出光面的出光率更高，光线更加均匀，解决了光斑问题。而且，该光学透镜为实心结构，制作方便，其外型可根据需要灵活设计。光学透镜的ITO导电层上涂布的荧光粉层致密排列，相对于传统的荧光粉和胶水混合点胶的方法，对LED色温的可控性更强。
还有，本发明中采用电泳沉积技术实现荧光粉层的涂布，相对于传统的电泳沉积技术，本发明采用了控制电量的分步电泳沉积方法，并且优化了电泳过程的工艺参数，从而可以得到致密性高的荧光粉层。
附图说明
图1是本发明的实施例的支架结构示意图。
图2是本发明的实施例的整体示意图。
图3是本发明的实施例的电泳过程图。
图4是本发明的实施中的电泳装置和电量控制器的配合使用图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
现以大功率LED支架作为一个具体实施例，来说明本发明的LED荧光粉涂覆工艺。如图1和图2所示，该LED封装结构包括LED芯片1、支架2、硅胶层3、荧光粉层4、光学透镜5。该光学透镜5的非出光面上设有ITO（Indium Tin Oxides，纳米铟锡金属氧化物）导电层51，该光学透镜5的外表面为自由曲面形状，且不具有导电功能。
支架2上设有放置LED芯片1的杯碗、将LED芯片1的正负极通过导线13引出的正导电脚11和负导电脚12、以及包覆上述正导电脚11和负导电脚12的基座14；所述LED芯片1放置于所述支架2的杯碗内，所述硅胶层3设于所述LED芯片1和荧光粉层4之间，且所述硅胶层3完全覆盖所述LED芯片1；所述光学透镜5设于所述荧光粉层4之上。其中支架2上还设有通孔15，用于注入硅胶，形成硅胶层3。本实施例以蓝光LED芯片为例来说明具体实施方式。
上述LED封装结构的LED封装工艺（步骤1-步骤3为荧光粉涂覆工艺）如下：
步骤1：制作光学透镜5，该光学透镜5的非出光面上设有ITO导电层51，该光学透镜是高折射率光学玻璃材质，其外表面为自由曲面形状，且不具有导电功能，只有底部的ITO导电层51具有导电功能。其中，因透镜的高度等于半径时透光率较低，所以光学透镜的高度小于半径或大于半径；
步骤2：通过电泳沉积法制备荧光粉层，将荧光粉层附着在光学透镜5的ITO导电层51上，其具体包括以下步骤：
步骤21：荧光粉电解质溶液的制备：以异丙醇或异丁醇为溶剂，以Mg(NO3)2（硝酸镁）或Al(NO3)3（硝酸铝）为电解质，把电解质（Mg(NO3)2或Al(NO3)3）按照一定浓度比加入到溶剂（异丙醇或异丁醇）里，通过超声波振荡使其完全溶解，制成荧光粉电解质溶液。本实施例以异丙醇为溶剂，以Mg(NO3)2为电解质，Mg(NO3)2的浓度范围：0.06g/L-0.4g/L；
步骤22：荧光粉电泳液的制备：在步骤21制成的荧光粉电解质溶液里加入YAG荧光粉颗粒（蓝光LED芯片的表面涂覆YAG系列荧光粉，这种荧光粉在蓝光辐射下会发射黄光，这样，部分蓝光转变成黄光，和剩余的蓝光混合而形成白光LED），加入少量的荧光粉抗沉淀剂DM-30，并通过磁力搅拌器搅拌，使YAG荧光粉均匀悬浮分散在荧光粉电解质溶液里，构成荧光粉电泳液，YAG荧光粉吸附电解质的正离子Mg2+而带正电荷。其中，搅拌时间可根据荧光粉电泳液和荧光粉的多少来确定，一般4小时为宜。其中，为了得到致密厚度可控的荧光粉层，YAG荧光粉颗粒的粒径范围是4-20um。YAG荧光粉颗粒的浓度范围为：5g/L-10g/L。荧光粉带有相同的正电荷，基于同性相斥的原理，荧光粉在溶液中保持均匀分散。而且在电泳液中加入抗沉淀剂DM-30，由于空间位阻效应，使得电泳液分散体系保持稳定；
步骤23：通过电泳装置100将YAG荧光粉沉积在光学透镜5的ITO导电层51上，从而形成荧光粉层。其中，如图3所示，电泳装置100包括电源、光学透镜5、盛放荧光粉电泳液的容器6、以及设于该容器6底部的电极板7，所述光学透镜5置于容器6内，其导电层与荧光粉电泳液接触，且该光学透镜5的ITO导电层51与电极板7平行；荧光粉电泳液里含有大量的荧光粉粒子16；所述电源的正极连接电极板7，所述电源的负极连接光学透镜5的ITO导电层51。其中，电极板7为金属材质的基板，例如铜，银等材质。电源电压在40V-400V之间均可，电泳时间在1-5分钟之间；
本发明具体是通过控制电量的分步电泳沉积方法将LED荧光粉沉积在光学透镜5的ITO导电层51上，如图4所示，通过电泳装置100和电量控制器101的配合进行。电泳装置100采用直流恒压电泳的方法，两个电极间具有恒定的电场。电量控制器101的作用在于当通过电泳装置100的电路的电量（电压、电流或者功率因数）达到设定值时，将停止电泳过程。上述思路在于：电泳液中加入的电解质会吸附在荧光粉表面，吸附的量取决于荧光粉的比表面积，即粒径大的荧光粉所带电荷量大，粒径小的荧光粉所带电荷量小；通过控制电路中的电量达到一定量时即停止电泳过程，因为电量和荧光粉量成正比关系，所以可以精确控制荧光粉厚度和沉积量。这种方法克服了电泳液浓度变化造成的不同生产批次间荧光粉厚度变化的问题。其中，电量控制器101为现有技术，是一种为配电***、自动化控制***配套使用的智能控制器，用于监测电路中电压、电流、功率因数等参数，配合电动控制的低压电器可以实现对电路的自动控制，根据要求可以提供各种保护功能。作为一种模块化的产品，可在市场上买到，因此这里不再详细描述；
分步骤电泳沉积：通过对电泳过程的动力学研究，如果采用一次性的电泳沉积，由于荧光粉电泳速度较快，在ITO导电层51上快速沉积，其中荧光粉颗粒间形成许多空隙，粉层致密性不够好。而本发明采用分步骤电泳沉积法，即先进行一次电泳沉积荧光粉，然后停留一定时间后电泳溶液重新达到稳定平衡态，再进行第二次电泳沉积荧光粉。第一次电泳沉积荧光粉后，在荧光粉颗粒间有一定的空隙，再进行第二次荧光粉沉积时，荧光粉颗粒会优先沉积在空隙间。这样通过两次的电泳沉积法就可以得到致密的荧光粉层；
上述过程中，在阴阳两极间距离（即电极板和光学透镜5的ITO导电层51之间的距离）一定的情况下，还可以通过改变两极间的电压来调节电泳液内的场强大小，最终实现对电泳速度的调控。本发明提供了一种稳定的电泳液配方，采用的上述电泳的方法可以得到颗粒均匀分布的荧光粉层。并且结合了光学透镜出光率高，其光学出光面可灵活设计的特点，可以制造出光效好，可靠性高的LED；
步骤24：当荧光粉层厚度达到10-90um时，结束电泳。荧光粉层厚度达到10-90um，也即荧光粉粒子堆叠2-6层；
步骤3：烘烤：将步骤2制成的表面涂布有荧光粉层的光学透镜5放置于烤箱中烘烤，除去水分及挥发有机物，烘烤时间在1小时左右；
步骤4：将LED芯片放在支架上完成固晶，焊线后，将光学透镜5固定在支架上方，其中，光学透镜5的设有荧光粉层4一面朝向LED芯片1方向；
步骤5：在光学玻璃5和LED芯片1之间填充硅胶：光学玻璃5和支架2的连接处的两侧分别设有通孔15，作为灌注软性硅胶的通道；
步骤6：放入烤箱中烘烤完成填充硅胶的固化。
本发明中的荧光粉和透镜一体化，易于大规模工业化生产，具有很好的实用性。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制作光学透镜，该光学透镜的非出光面上设有ITO导电层，该光学透镜的外表面不具有导电功能；
步骤2：通过电泳沉积法制备荧光粉层，将荧光粉层涂布在光学玻璃的ITO导电层上；
步骤3：将步骤2制成的光学透镜放置于烤箱中烘烤，以除去水分及挥发有机物。
2.根据权利要求1所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21：荧光粉电解质溶液的制备：以异丙醇或异丁醇为溶剂，以Mg(NO3)2或Al(NO3)3为电解质，把电解质加入到溶剂里，并使其完全溶解，制成荧光粉电解质溶液； 
步骤22：荧光粉电泳液的制备：在荧光粉电解质溶液里加入LED荧光粉，并通过搅拌器搅拌，使荧光粉均匀悬浮分散在荧光粉电解质溶液里，荧光粉吸附电解质的正离子而带正电荷，构成荧光粉电泳液； 
步骤23：通过电泳装置将LED荧光粉沉积在光学透镜的ITO导电层上，形成荧光粉层。
3.根据权利要求2所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述步骤23中，是通过控制电量的分步电泳沉积方法将LED荧光粉沉积在光学透镜的ITO导电层上，具体包括以下步骤：首先预先设定电泳装置中电量可达到的最高值，然后通电，开始电泳过程；在电泳过程中，如果检测到的电量达到预先设定的最高值时，则停止电泳过程；其中，电泳过程是分步进行电泳沉积：先进行一次电泳沉积荧光粉，然后停留一定时间，待电泳溶液重新达到稳定平衡态，再进行下一次次电泳沉积荧光粉，重复该分步电泳沉积过程，直至荧光粉层达到所要求的厚度。
4.根据权利要求3所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述LED荧光粉颗粒的粒径范围是4-20um 。
5.根据权利要求3所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述电泳装置的电源电压在40V-400V之间。
6.根据权利要求3所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述电源的通电时间，即电泳时间是1-5分钟。
7.根据权利要求2所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述步骤22的荧光粉电泳液的制备中，还加入荧光粉抗沉淀剂。
8.根据权利要求2所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述电解质的浓度范围：0.06g/L-0.4g/L。
9.根据权利要求2所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述LED荧光粉颗粒的浓度范围为：5g/L-10g/L。
10.根据权利要求2所述的LED荧光粉涂覆工艺，其特征在于：所述荧光粉层厚度范围为10-90um。
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Pledgee: China Co truction Bank Corp Xiamen branch

Pledgor: Xiamen Colorful Optoelectronics Technology Co.,Ltd.

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