CN103117352A - 一种led封装结构及基于其实现荧光粉保形涂覆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种应用于LED封装的LED封装结构及基于其实现荧光粉保形涂覆的方法以提高LED封装产品的光色空间均匀性。借助LED封装基板的结构中的凸台结构和与凸台结构形状相同透明薄板，利用毛细自对准工艺实现保形涂覆。荧光粉保形涂覆工艺包括，荧光粉涂覆在LED封装基板凸台结构上，透明薄板与荧光粉胶接触后实现与凸台结构自对准，实现荧光粉保形涂覆要求的LED芯片四周荧光粉均匀厚度分布。该荧光粉保形涂覆能与当前采用的荧光粉自由点胶涂覆工艺设备相兼容，同时具有工艺简单优点；利用凸台结构和透明薄板的简单设计可以有效满足不同LED封装结构中对荧光粉保形涂覆如厚度、几何形貌等参数要求。

Description

一种LED封装结构及基于其实现荧光粉保形涂覆的方法

技术领域

本发明属于LED封装技术，涉及LED封装中的一种用于提高LED照明产品空间光色一致性的LED封装结构及基于其实现LED封装中荧光粉保形涂覆的方法，将特别应用于大规模LED封装生产中。

背景技术

LEDs（Light Emitting Diodes）是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管（LED）的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，如景观照明、汽车大灯、路灯和背光等，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。

LED取代传统照明方式的首要任务是提高其出光效率和可靠性，通过多年的研究和技术发展，目前商用LED产品的出光效率已经达到100 -130 lm/W, 而实验室水平更是达到了231 lm/W，远高于传统光源的光效；同时，随着封装工艺的改进、散热结构的优化以及驱动可靠性的提高，LED的可靠性也得到了大幅的提高。为了进一步提高LED产品的照明质量，LED光色品质越来越受到大家的重视，具体可以包括LED光色一致性和LED空间颜色均匀性两方面，例如美国能源部将提高LED光色一致性、减少分Bin数量作为LED照明发展的主要五大挑战之一，同时美国能源之星（Energy Star）于2008年已经将LED封装及灯具的空间颜色均匀性列为LED照明质量评估指标之一。随着LED在室内照明领域的迅速推广（如商业照明、家居照明、办公室照明等），人们对LED照明的要求已经从“照亮”逐步转变为“照舒服”，因此LED封装时通过准确控制的封装工艺，提高LED光色一致性和空间颜色均匀性，已成为拓宽LED照明领域，加速LED取代传统照明的一个重要的技术目标。

大功率白光LED通常是由两波长光（蓝色光+黄色光）或者三波长光（蓝色光+绿色光+红色光）混合而成。目前广泛采用的白光LED是通过蓝色LED芯片（GaN）和黄色荧光粉（YAG或TAG）组成。在LED封装中荧光粉层参数严重影响LED的出光效率、色温、空间颜色均匀性等重要光学性能。当前，在LED封装中最普遍采用的一种荧光粉涂覆方式为荧光粉自由点胶涂覆，该种荧光粉涂覆方式拥有工艺简单和低成本等优点；然而该种荧光粉涂覆方式常常导致最终LED封装产品色温空间分布存在较大的差异，严重影响着LED产品的照明质量。国内外的研究者开展了许多研究工作，发现LED荧光粉保形涂覆的方法，即荧光粉层均匀厚度涂覆于LED芯片表面。保形涂覆方式要求能够控制荧光粉几何形状和厚度等参数，从而提高LED封装产品的光色一致性和空间颜色均匀性；然而该封装实现工艺较难。为了实现荧光粉的保形涂覆，全球著名LED封装企业先后开发的电泳法（U. S. patent 6,576,488），溶液蒸发法 (U. S. patent 7,217,583)，圆片级封装（B. Braune et al., Proc. SPIE 6486, 64860X, 2007）以及目前相关文献描述的脉冲喷涂的工艺方法(H. T. Huang et al., OPTICS EXPRESS, 18, A201, 2010)。其中电泳法和溶液蒸发法实现保形涂覆较为复杂，成本较高；圆片级封装和脉冲喷涂的工艺方法对封装设备要求较高，工艺必须精确控制，且不能实现LED水平芯片的保形涂覆。为此发展一种工艺简单、低成本且适用于所有LED芯片类型的荧光粉保形涂覆对封装高光学质量的LED光学产品至关重要。

发明内容

本发明提出一种LED封装结构及基于其实现荧光粉保形涂覆的方法，该荧光粉保形涂覆技术是基于微流体自对准效应实现；该保形涂覆方法与其它保形涂覆相比，具有工艺简单，对涂覆设备要求低，低成本和封装效率高等优点，同时能够大幅改善LED封装产品的色温空间一致性，提高光学品质。

本发明提出的LED封装结构，其特征在于，包含在固定芯片处增加凸台结构的LED封装基板和透明薄板；所述凸台结构的侧壁可以垂直或者倾斜于LED封装基板水平面，凸台结构高度可以为0.01至3毫米，凸台结构尺寸为1至3毫米，凸台结构为圆台、方台或多边形棱台；所述LED封装基板的材料可为金属、塑料材质、陶瓷材料或者其它目前用于LED封装的材质；所述透明薄板尺寸为1至3毫米, 厚度为0.1至1毫米，透明薄板的材料为玻璃等透明无机材料或者PMMA等透明有机材料，透明薄板为圆台、方台或多边形棱台。

本发明提出的基于上述LED封装结构实现荧光粉保形涂覆的方法，具体实施如下所述：

1、LED芯片键合在上述LED封装结构凸台结构的中心，同时上述LED封装结构也用于后续荧光粉保形涂覆；

2、在LED封装基板上完成LED芯片键合和引线键合工艺之后，将荧光粉与封装胶的混合物荧光粉胶涂覆在LED封装基板凸台结构的顶面处，荧光粉胶将限制在凸台结构的顶面上；

3、将一块透明薄板从上往下与前一步涂覆的荧光粉胶接触，透明薄板的几何形貌和尺寸与LED封装基板中凸台结构相同；当透明薄板一接触荧光粉胶，立马去除对透明薄板的所有约束。在荧光粉胶表面张力作用下，透明薄板与LED封装基板的凸台结构对准，且透明薄板与LED封装基板水平面平行，流体被限制在透明薄板与LED芯片顶面之间的间隙之间，该效应即为毛细自对准效应（J. Berthier et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 108, 2010）。从而荧光粉胶均匀分布LED芯片周围，实现保形涂覆；

4、在LED封装模块完成上述工艺之后，被转移到高温烘烤箱中对荧光粉胶进行固化。固化之后即实现LED荧光粉保形涂覆，根据应用需要透明薄板可以LED封装模块上剥离，也可以留在封装模块上。

本发明应用于LED封装的荧光粉保形涂覆方法，可以与当前广泛采用的荧光粉自由点涂装置兼容，同时仅仅增加简单的透明薄板和安放工艺，因此其具有良好的可操作性和迅速广泛应用的优点。同时可以通过透明薄板和LED封装基板凸台结构的形状设计实现保形涂覆荧光粉层几何形貌控制，所以该技术能够应用于不用封装结构中。

附图说明

图1-4为本发明荧光粉保形涂覆技术方案在引线框架结构上的应用；其中图1为含用于实现毛细自对准凸台结构的引线框架LED封装基板，图2为透明薄板，图3为在LED封装基板凸台结构上点涂荧光粉胶，图4（a）-（c）表示透明薄板与荧光粉胶接触，实现自对准，最终达到荧光粉保形涂覆；

图5-8为本发明荧光粉保形涂覆技术方案在陶瓷LED封装基板上的应用；其中图5为含用于实现毛细自对准凸台结构的陶瓷LED封装基板，图6为透明薄板，图7为在LED封装基板凸台结构上点涂荧光粉胶，图8表示透明薄板与荧光粉胶接触，实现自对准，最终达到荧光粉保形涂覆。

图中各标号分别是：（1001）引线框架LED封装基板，（1002）热沉，（1003）模塑料，（1004）支架引脚，（1005）LED芯片，（1006）玻璃薄板，（1007）荧光粉胶，（1008）荧光粉层，（1009）荧光粉点涂装置，（1010）凸台结构，（2001）陶瓷LED封装基板，（2002）引线键合点，（2003）陶瓷层，（2004）凸台结构，（2005）PDMA薄板。

具体实施方式

本发明提出的一种应用于LED封装的荧光粉保形涂覆方法，该方法实现需要LED封装基板结构和透明薄板辅助；将荧光粉胶涂覆在LED封装基板上的凸台结构，将透明薄板与涂覆的荧光粉胶接触后，能够实现荧光粉保形涂覆，其中荧光粉几何形貌与凸台结构和透明薄板的形状相同；在不同的应用中凸台结构和透明薄板的形状可以是方形和其他不规则形状等；

LED封装基板的材料可以是铜、铝等金属基板材料，硅，陶瓷和PCB板等非金属基板材料；

透明薄板材料为玻璃，PDMA，PC等其他透明材料；

LED封装基板可以通过数控铣床，线切割、锻压、注塑和刻蚀等加工工艺实现；

LED封装基板的表面为反光层，反光层的材料可以为银或其它的反光材料；

具体的荧光粉胶涂覆方法和毛细自对准实现：将荧光粉加入胶材中，并混合均匀，调节荧光粉和胶材之间的比例，配比浓度为0.01g/ml~5.0g/ml的荧光粉胶，在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将荧光粉胶通过点胶涂覆装置，沿着LED封装基板凸台结构区域的中心涂覆，由于凸台结构边缘的滞止效应，荧光粉胶停留在凸台结构的上顶面。采用夹持工具将透明薄膜靠近荧光粉胶，后是否夹持工具的约束，荧光粉胶将移动透明薄板与LED封装基板凸台结构对准，荧光粉胶在凸台结构与透明薄板之间，从而实现荧光粉保形涂覆。

用于封装的LED芯片可以是GaN等二元材料或者AlGaNP等四元材料组成和其它芯片。

荧光粉胶中的荧光粉可以是YAG和TAG等所有LED封装采用的荧光粉。

配置荧光粉胶使用胶材可以是硅胶、环氧树脂和液态玻璃等胶材组成。

荧光粉胶中荧光粉的浓度可以是0.01g/ml~5.0g/ml。

胶材和荧光粉胶转移到LED封装基板上的途径可通过注射器滴涂，喷涂等途径。

该方法可以适用于支架式、板上芯片、阵列式和***封装等LED封装形式。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例1

参见图1，为含凸台结构1010的用于LED封装的引线框架LED封装 1001，凸台结构1010为一矩形结构。如图3所示，在LED芯片1005键合在凸台结构1010顶面正中心后，完成金线1004引线键合工艺之后，浓度为0.5g/cm³荧光粉胶1007通过荧光粉点涂装置1009点涂在凸台结构1010顶面，荧光粉胶体积为0.4μL，并能包覆LED芯片1005。如图4(a)-(c)所示，与凸台结构形状相同的玻璃薄板1006接触荧光粉胶1007，玻璃薄板的厚度为0.2mm, 玻璃薄板1006在荧光粉胶表面张力作用下将于凸台结构1010对准，荧光粉胶1007被限制在玻璃薄板与凸台结构1010之间，形成在LED芯片1005周围均匀分布的荧光粉层1008。完成上述工艺的LED模块被转移到温度为150℃的烘烤箱中1小时进行荧光粉胶固化，实现LED封装中的荧光粉保形涂覆。

 

实施例2

参见图5，为含凸台结构2004的用于LED封装的陶瓷LED封装基板2001，凸台结构2004为一圆形结构。如图7所示，在LED芯片1005键合在凸台结构2004顶面正中心后，完成金线1004引线键合工艺之后，浓度为0.8g/cm³的荧光粉胶1007通过荧光粉点涂装置1009点涂在凸台结构2004顶面，体积为0.28μl, 并能包覆LED芯片1005。如图8所示，与凸台结构2004形状相同的PDMA薄板2005接触荧光粉胶1007，之后PDMA薄板2005将与凸台结构2004对准，荧光粉胶1007被限制在PDMA薄板与凸台结构2004之间，形成在LED芯片1005周围均匀分布的荧光粉层1008。完成上述工艺的LED模块被转移到温度为150℃的烘烤箱中1小时进行荧光粉胶固化，实现LED封装中的荧光粉保形涂覆。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种LED封装结构，其特征在于，包括LED封装基板和透明薄板，所述LED封装基板中固定LED芯片处增加一凸台结构，所述凸台结构可以是垂直或者倾斜于基板水平面，凸台高度为0.01至3毫米之间，凸台结构尺寸为1至3毫米之间；所述透明薄板尺寸为1至3毫米之间, 厚度为0.1至1毫米之间。

2.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于，所述凸台结构为圆台、方台或多边形棱台。

3.一种基于权利要求1所述的LED封装结构的实现荧光粉保形涂覆的方法，其特征在于，根据LED封装所采用的涂覆方式选择相应的过程进行：

将荧光粉加入胶材中，并混合均匀，调节荧光粉和胶材之间的比例，配比浓度为0.01g/ml~5.0g/ml的荧光粉胶，在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将荧光粉胶通过点胶涂覆装置，沿着LED封装基板凸台结构区域的中心涂覆，由于凸台结构边缘的滞止效应，荧光粉胶停留在凸台结构的上顶面，采用夹持工具将透明薄膜靠近荧光粉胶，后是否夹持工具的约束，荧光粉胶将移动透明薄板与LED封装基板凸台结构对准，荧光粉胶在凸台结构与透明薄板之间，从而实现荧光粉保形涂覆。

4.根据权利要求3所述的实现荧光粉保形涂覆的方法，其特征在于，为了实现不同保形涂覆荧光粉层的几何形貌参数如荧光粉层厚度，侧边宽度等，可以通过改变凸台结构与透明薄板的形状进行实现。

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