CN103247726A - 一种led模组及其封装方法 - Google Patents

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孙卓
陈晓红
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Abstract

本发明提供一种发光二极管LED模组及其封装方法，包括一个可发光二极管（LED）和涂层，所述涂层包括涂覆在LED芯片表面用于增加LED的光全反射角、提高LED芯片内的光射向涂层的效率的高折射率的第一涂层；以及位于最外层的，用于降低LED光在空气界面处的反射的低折射率最外涂层。本发明能够增加LED芯片出光效率，同时减少光在涂层内部反射，从而最大限度的提高LED光提取效率，具有结构简单、出光均匀、制作方便和可靠性高等特点，易于实用化和产业化量产。

Description

一种LED模组及其封装方法
技术领域
本发明涉及LED灯及其封装领域，具体涉及一种LED模组及其封装方法。
背景技术
随着高亮度LED（发光二级管）技术的飞速发展及大功率LED生产技术的日趋成熟，因其低耗、高效、体积小、重量轻和寿命长等众多优点，LED作为新一代环保型固体照明光源得到广泛的应用。目前，大功率GaN基白光LED（蓝光+荧光粉）的发光效率可达到150 LM/W。通常，GaN基LED的内量子效率可以达到80%以上。但是GaN的折射率高达2.5，与空气折射率反差较大，在与空气界面处全反射的临界角只有23.6°，因此GaN基LED光提取效率都比较低。如生长在蓝宝石衬底上的GaN基LED光提取效率只有百分之几。
依据LED光在芯片内部的消耗方式，可以从减少和避免全反射、波导层反射吸收和转变光学传播模式等方式来提高GaN基LED光提取效率。如在LED表面采用表面粗化技术、制备倒金字塔型LED结构和在LED有源层两侧生长高反DBR（分布布拉格反射）层形成谐振腔，使有源区发出的光线集中分布在全发射临界角内等方法提高光提取效率。对于已制备好的GaN芯片表面，也可采用真空镀膜的方式制备多层折射率可调的薄膜，以降低LED表面的折射率并提高芯片外量子效率，如专利（CN200610003977.4.A）所述。但此方法需要采用真空镀膜如溅射、蒸发等工艺，其设备昂贵，工艺较复杂，制备成本较高，不利于LED作为通用照明应用。
作为制备LED模块的重要封装技术环节，合理选择灌封胶和封装方式，对提高LED光提取效率同样很重要，而采用此技术路线，易于降低设备和工艺成本，从而有效地降低LED光源的成本，加速在照明领域的应用和普及。让GaN基LED蓝光芯片和荧光粉相结合产生高效LED光源，其中一个关键环节就是提高LED模块的出光率。目前，封装LED光源的常用灌封胶是环氧树脂和硅氧烷树脂胶。硅氧烷树脂相对于环氧树脂而言，具有透光率高、折射率高、热稳定性好和应力小等优点，明显好于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用。但硅胶折射率通常只有1.5，通过改性的硅胶最高折射率（如1.7）与GaN的折射率2.5比明显偏低，影响LED光提取效率。因此，研制增加LED芯片的出光效率，特别是研究GaN基LED的光反射角的灌封胶材料或者封装方案，对提高LED光提取效率并降低成本具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决LED光提取效率较低的问题，特别是白光LED（GaN基蓝光LED+荧光粉）中光提取效率不高的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种LED模组，包括一个可发光二极管（LED）和涂层，所述涂层包括：
涂覆在LED芯片表面或者LED基底的，用于增加LED的光全反射角、提高LED芯片内的光射向涂层的效率的第一涂层；
以及位于最外层的，降低LED光在空气界面处的反射的最外涂层;
所述第一涂层的折射率高于最外涂层的折射率。
优选的，所述涂层还包括位于第一涂层和最外涂层之间的，折射率介于第一涂层和最外涂层之间，减少光从第一涂层传到最外涂层的反射的中等折射率的第二涂层，该第二涂层通过高低折射率材料混合获得，或用中间折射率材料构成。
优选的，所述高折射率的第一涂层的材料是氧化钛或其复合材料。
优选的，所述低折射率的最外涂层的材料是透明硅氧烷树脂、环氧树脂、或微孔结构的氧化硅，或氧化硅复合材料。
优选的，所述不同折射率的涂层之间有一渗透形成的过渡层。
优选的，所述涂层的材料为氧化物或氟化物或氮化物或环氧树脂的透明胶体，材料折射率在2.4－1.2之间。
本发明还提供一种LED模组的封装方法，选择两种不同折射率的材料，将高折射率材料作为LED芯片附近的第一涂层直接涂覆在所述LED芯片上或所述LED的基底上，然后将低折射率材料作为最外涂层涂覆其外，低折射率涂层外表面为光面、粗化面或具有纳米孔隙结构。
优选的，在高折射率的第一涂层和低折射率的最外涂层的中间，用折射率值介于第一涂层和最外涂层之间的胶体作为第二涂层涂覆。
优选的，其特征在于，将含TiO2胶体的高折射率材料涂覆于LED 芯片上，接着涂覆混合TiO2胶体高折射率材料和SiO2胶体低折射率材料混合形成的中等折射率胶体在上面作为第二涂层，最后涂覆低折射率硅胶或者环氧树脂。
优选的，所述的第一涂层、第二涂层和最外涂层内至少有一层或数层掺杂有调节LED光谱和色温以进一步调节相应层折射率数值的荧光粉。
优选的，所述高折射率涂层直接涂覆在所述LED芯片上或所述LED的基底上。
优选的，所述低折射率涂层表面为光滑面、粗化面或者纳米孔隙结构。
优选的，所述组成涂层材料的有机树脂胶，通过调节有机树脂中氧化钛和氧化硅成分的比率，可使有机树脂胶的折射率在2.4至1.2范围内变化。
优选的，所述不同折射率涂层间有一定渗透形成较薄的过渡层。在制备过程中无需等待上一涂层干燥再涂覆下一涂层，当上一涂层有适当粘度时就涂覆下一层，有利于不同折射率涂层之间的渗透，减少光在涂层之间反射。
LED芯片灌封涂层的可选胶体为：TiO2有机胶；TiO2/SiO2有机胶；SiO2有机胶；其折射率可通过有机胶中TiO2和SiO2成分的比例来调节，范围可在2.4至1.2之间变化。折射率可调的有机钛硅树脂胶的基本制备工艺以及结构如下所述。
封装涂层的胶体可用溶胶-凝胶法制备。溶胶-凝胶法的基本原理是：无论采用前驱物(起始原料)为无机盐还是金属醇盐，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集形成几个纳米尺度的粒子并组成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。现选择金属醇盐M(OR)n(n为金属M的原子价，R代表烷基)作前驱物为例，其最基本的反应如下：
 (1) 与水反应，
M(OR)n＋xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH
反应可持续进行，直至生成M(OH)n。
对应的SiO2 胶体前驱物正硅酸乙酯(TEOS)的反应为：
Si(OC2H5)4+ 4H2O → Si(OH)4+ 4C2H5OH (水解)
 (2) 缩聚反应 
-M-OR+HO-M → M-O-M-+ROH
对应的SiO2 胶体的反应为：
nSi(OH)4 → nSiO2+2nH2O
同样，若选用正钛酸丁酯作为TiO2胶体的前驱物，其水解反应和缩聚反应过程与SiO2胶体合成过程是一样的。而TiO2/SiO2有机胶制备以及它们的比例可通过调节前驱物正钛酸丁酯和正硅酸乙酯的混合比例来实现。该反应过程和合成原理可扩展到其它材料的胶体合成以及不同材料混合形成特定折射率材料的胶体制备。                                                
Figure 82758DEST_PATH_IMAGE001
TiO2有机胶、TiO2/SiO2有机胶体和 SiO2有机胶结构示意图： 
Figure 308334DEST_PATH_IMAGE002
这里，M 分别为Ti和Si时，代表TiO2 和SiO2有机胶结构示意图；若既有Ti和Si原子时，为TiO2/SiO2有机胶体示意图。
LED芯片封装涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）在LED芯片封装涂层上，所述涂层由高折射率材料第一涂层、高低折射率材料混合或者中等折射率材料制成的第二涂层和低折射率的最外涂层组成；下一涂层无需等待上一涂层干燥再涂覆，当上一涂层有适当粘度时就涂覆下一层，有利于不同折射率涂层之间的渗透，减少光在涂层之间反射。
（2）若LED芯片采用GaN基LED蓝光芯片，所述高折射率的第一涂层、第二涂层和低折射率的最外涂层中，可按需要选择掺杂适量荧光粉，在提高LED模块的光提取效率同时调节其光谱和色温。
（3）在所述涂层中混合的荧光粉可为无机的黄色、或绿色与红色的荧光粉，亦可以混入纳米结构的金属颗粒。
本发明实现LED封装涂层从内到外折射率依次递减，使LED芯片附近的第一涂层折射率与LED芯片折射率接近，中间的第二涂层折射率逐渐减少，而最外涂层折射率最小。这样既可以增加LED芯片（特别是照明用的GaN基LED芯片）与涂层界面处的出光效率，也可以增加封装涂层与空气界面处的出光效率，同时减少光在涂层内部反射，从而最大限度的提高LED光提取效率，具有结构简单、出光均匀、制作方便和可靠性高等特点，易于实用化和产业化量产。
附图说明
图1是本发明LED封装涂层的截面示意图；
图2是本发明第二种器件结构的截面示意图；
图3是本发明第三种器件结构的截面示意图；
图4是本发明第四种器件结构的截面示意图；
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
LED 芯片1、第一涂层2、第二涂层3、最外涂层4、LED 芯片5、第一涂层6、第二涂层7、最外涂层8、掺杂的荧光粉颗粒9、LED 芯片10、第一涂层11、最外涂层12、LED 芯片13、第一涂层14、第二涂层15、最外涂层16、表面粗化或者纳米空隙层17。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附后权利要求书限定的范围。
实施例1
如图1所示，封装的LED光源由下到上依次由LED芯片1、高折射率第一涂层2、高低折射率材料混合或者中等折射率材料形成的第二涂层3、低折射率最外涂层4组成。本实施的LED光由LED芯片发出1，向上依次通过高折射率的第一涂层2、中折射率的第二涂层3和低折射率的最外涂层4射出。
实施例2
如图2所示，封装的LED光源由下到上依次由LED芯片5、高折射率的第一涂层6、介于高低的折射率材料形成的第二涂层7、低折射率最外涂层8组成，各层按需要混合适当比例的荧光粉9。本实施例的LED光由LED芯片发出5，向上依次通过高折射率的第一涂层6、中折射率的第二涂层7和低折射率的最外涂层8射出。
实施例3
如图3所示，封装的LED光源由下到上依次由LED芯片10、高折射率的第一涂层11、低折射率的最外涂层12组成。本实施例的LED光由LED芯片发出10，向上依次通过高折射率第一涂层11、和低折射率的最外涂层12射出。
实施例4
如图4所示，封装的LED光源由下到上依次由LED芯片13、高折射率的第一涂层14、高低折射率材料混合或者中等折射率材料形成的第二涂层15、低折射率的最外涂层16和低折射率层的表面粗化或者纳米孔隙层17组成。除纳米空隙层外，各层可选择是否掺入适当比例的荧光粉。本实施例的LED光由LED芯片13发出，向上依次通过高折射率的第一涂层14、中折射率的第二涂层15、低折射率的最外涂层16和纳米空隙层17射出。
本发明实现了LED封装涂层从内到外折射率依次递减，使LED芯片附近的第一涂层14折射率与LED芯片折射率接近，中间第二涂层15折射率逐渐减少，而最外涂层16折射率最小。既可以增加LED芯片13（特别是照明用的GaN基LED芯片）与涂层界面处的出光效率，也可以增加封装涂层与空气界面处的出光效率，同时减少光在涂层内部反射，从而最大限度的提高LED光提取效率，具有结构简单、出光均匀、制作方便和可靠性高等特点，易于实用化和产业化量产。
上述实施例中，所述涂层在制作过程中，下一涂层无需等待上一涂层干燥再涂覆，当上一涂层有适当粘度时就涂覆下一层，有利于不同折射率涂层之间的渗透，形成过渡层，进一步减少光在涂层之间反射。
实施例5，
本发明还提供了一种LED模组的封装方法，将高折射率材料作为LED芯片附近的第一涂层直接涂覆在所述LED芯片上或所述LED的基底上，然后采用低折射率材料作为最外涂层涂覆其外，低折射率最外涂层外表面还加工有粗化面或具有纳米孔隙结构。
在本实施例的基础上，还可在高折射率的第一涂层和低折射率的最外涂层中间，用中等折射率值的胶体作为第二涂层涂覆。
上述实施例中（包括实施例1到实施例5等），可实际选择将含TiO2胶体的高折射率材料涂覆于LED 芯片上，接着涂覆混合TiO2胶体高折射率材料和SiO2胶体低折射率材料形成的中等折射率胶体在上面作为第二涂层，最后涂覆低折射率硅胶或者环氧树脂。
并且，所述的第一涂层、第二涂层和最外涂层内至少有一层或数层掺杂有调节LED光谱和色温以进一步调节相应层折射率数值的荧光粉。可根据实际产品要求来设定。 
另外，所述高折射率的第一涂层直接涂覆在所述LED芯片上或所述LED的基底上。
上述实施例中，所述低折射率的最外涂层的表面为光滑面、粗化面或者纳米孔隙结构。可根据需要来选择。
上述实施例中，所述组成涂层材料的有机树脂胶，通过调节有机树脂中氧化钛和氧化硅成分的比率，可使有机树脂胶的折射率在2.4至1.2范围内变化。
为了进一步优化产品性能，所述不同折射率涂层间有一定渗透形成较薄的过渡层。在制备过程中无需等待上一涂层干燥再涂覆下一涂层，当上一涂层有适当粘度时就涂覆下一层，有利于不同折射率涂层之间的渗透，减少光在涂层之间反射。
LED芯片灌封涂层的可选胶体为：TiO2有机胶；TiO2/SiO2有机胶；SiO2有机胶；其折射率可通过有机胶中TiO2和SiO2成分的比例来调节，范围可在2.4至1.2之间变化。折射率可调的有机钛硅树脂胶的基本制备工艺以及结构如下所述。
封装涂层的胶体可用溶胶-凝胶法制备。溶胶-凝胶法的基本原理是：无论采用前驱物(起始原料)为无机盐还是金属醇盐，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集形成几个纳米尺度的粒子并组成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。现选择金属醇盐M(OR)n(n为金属M的原子价，R代表烷基)作前驱物为例，其最基本的反应如下：
 (1) 与水反应，
M(OR)n＋xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH
反应可持续进行，直至生成M(OH)n。
对应的SiO2 胶体前驱物正硅酸乙酯(TEOS)的反应为：
Si(OC2H5)4+ 4H2O → Si(OH)4+ 4C2H5OH (水解)
 (2) 缩聚反应 
-M-OR+HO-M → M-O-M-+ROH
对应的SiO2 胶体的反应为：
nSi(OH)4 → nSiO2+2nH2O
同样，若选用正钛酸丁酯作为TiO2胶体的前驱物，其水解反应和缩聚反应过程与SiO2胶体合成过程是一样的。而TiO2/SiO2有机胶制备以及它们的比例可通过调节前驱物正钛酸丁酯和正硅酸乙酯的混合比例来实现。该反应过程和合成原理可扩展到其它材料的胶体合成以及不同材料混合形成特定折射率材料的胶体制备。
Figure 580232DEST_PATH_IMAGE004
TiO2有机胶、TiO2/SiO2有机胶体和 SiO2有机胶结构示意图： 
Figure 582954DEST_PATH_IMAGE005
Figure 545094DEST_PATH_IMAGE003
这里，M 分别为Ti和Si时，代表TiO2 和SiO2有机胶结构示意图；若既有Ti和Si原子时，为TiO2/SiO2有机胶体示意图。
LED芯片封装涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）在LED芯片封装涂层上，所述涂层由高折射率材料第一涂层、高低折射率材料混合或者中等折射率材料制成的第二涂层和低折射率的最外涂层组成；下一涂层无需等待上一涂层干燥再涂覆，当上一涂层有适当粘度时就涂覆下一层，有利于不同折射率涂层之间的渗透，减少光在涂层之间反射。
（2）若LED芯片采用GaN基LED蓝光芯片，所述高折射率的第一涂层、第二涂层和低折射率的最外涂层中，可按需要选择掺杂适量荧光粉，在提高LED模块的光提取效率同时调节其光谱和色温。
（3）在所述涂层中混合的荧光粉可为无机的黄色、或绿色与红色的荧光粉，亦可以混入纳米结构的金属颗粒。
本发明实现LED封装涂层从内到外折射率依次递减，使LED芯片附近的第一涂层折射率与LED芯片折射率接近，中间的第二涂层折射率逐渐减少，而最外涂层折射率最小。这样既可以增加LED芯片（特别是照明用的GaN基LED芯片）与涂层界面处的出光效率，也可以增加封装涂层与空气界面处的出光效率，同时减少光在涂层内部反射，从而最大限度的提高LED光提取效率，具有结构简单、出光均匀、制作方便和可靠性高等特点，易于实用化和产业化量产。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种LED模组，其特征在于，包括一个可发光二极管（LED）和涂层，所述涂层包括：
涂覆在LED芯片表面或者LED基底的，用于增加LED的光全反射角、提高LED芯片内的光射向涂层的效率的第一涂层；
以及位于最外层的，降低LED光在空气界面处的反射的最外涂层;
所述第一涂层的折射率高于最外涂层的折射率。
2.如权利要求1所述的LED模组，其特征在于，所述涂层还包括位于第一涂层和最外涂层之间的，折射率介于第一涂层和最外涂层之间，减少光从第一涂层传到最外涂层的反射的中等折射率的第二涂层，该第二涂层通过高低折射率材料混合获得，或用中间折射率材料构成。
3.如权利要求1或2所述的LED模组，其特征在于，所述高折射率的第一涂层的材料是氧化钛或其复合材料。
4.如权利要求1或2所述的LED模组，其特征在于，所述低折射率的最外涂层的材料是透明硅氧烷树脂、环氧树脂、或微孔结构的氧化硅，或氧化硅复合材料。
5.如权利要求1或2所述的LED模组，其特征在于，所述不同折射率的涂层之间有一渗透形成的过渡层。
6.如权利要求2所述的LED模组，其特征在于，所述涂层的材料为氧化物或氟化物或氮化物或环氧树脂的透明胶体，材料折射率在2.4－1.2之间。
7.一种LED模组的封装方法，其特征在于，选择两种不同折射率的材料，将高折射率材料作为LED芯片附近的第一涂层直接涂覆在所述LED芯片上或所述LED的基底上，然后将低折射率材料作为最外涂层涂覆其外，低折射率涂层外表面为光面、粗化面或具有纳米孔隙结构。
8.如权利要求7所述的LED模组的封装方法，其特征在于，在高折射率的第一涂层和低折射率的最外涂层的中间，用折射率值介于第一涂层和最外涂层之间的胶体作为第二涂层涂覆。
9.如权利要求7或8所述的LED模组的封装方法，其特征在于，将含TiO2胶体的高折射率材料涂覆于LED 芯片上，接着涂覆混合TiO2胶体高折射率材料和SiO2胶体低折射率材料混合形成的中等折射率胶体在上面作为第二涂层，最后涂覆低折射率硅胶或者环氧树脂。
10.如权利要求9所述的LED模组的封装方法，其特征在于，所述的第一涂层、第二涂层和最外涂层内至少有一层或数层掺杂有调节LED光谱和色温以进一步调节相应层折射率数值的荧光粉。
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