CN107863441B - 高发光率led的制备方法及高发光率led - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高发光率LED的制备方法及高发光率LED。该制备方法包括：制备LED芯片、支架、基板；将所述LED芯片固接于所述基板上并将所述基板粘结于所述支架上，将所述LED芯片的电极通过引线焊接于电极引脚上；在所述LED芯片表面涂敷硅胶形成第一硅胶层并利用模具在所述第一硅胶层中形成球形透镜；在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层。本发明通过在第一硅胶层和第二硅胶层中制备球形透镜，改善LED芯片发光分散的问题，提高发光效率，同时将荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题，从而进一步提高发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种高发光率LED的制备方法及高发光率LED。
背景技术
LED(Lighting Emitting Diode)照明设备因其具有节能、寿命长等优点正逐渐取代传统的白炽灯和节能灯。对于照明设备，其核心部件即为LED，LED是一种半导体固体发光器件，是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出任意颜色的光。
而大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。然而目前大功率LED在光通量、转换效率等方面的制约，决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。
因此，如何解决大功率LED的发光效率就成了当期亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高发光率LED的制备方法及高发光率LED。
本发明的一个实施例提供了一种高发光率LED的制备方法，包括：
制备LED芯片、支架、基板；
将所述LED芯片固接于所述基板上并将所述基板粘结于所述支架上，将所述LED芯片的电极通过引线焊接于电极引脚上；
在所述LED芯片表面涂敷硅胶形成第一硅胶层并利用模具在所述第一硅胶层中形成球形透镜；
在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层以完成所述LED的制备。
在本发明的一个实施例中，制备LED芯片，包括：
选取蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长GaN稳定层；
在所述GaN稳定层表面生长N型GaN层；
在所述N型GaN层表面制备InGaN/GaN多量子阱结构作为有源层；
在所述有源层表面生长P型AlGaN阻挡层；
在所述P型AlGaN阻挡层表面生长P型GaN层；
在所述P型GaN层表面淀积氧化层；
利用干法刻蚀工艺，刻蚀指定区域的所述氧化层、所述P型GaN层、所述P型AlGaN阻挡层、所述有源层以漏出指定区域的所述N型GaN层；
去除所述氧化层，在所述P型GaN层表面制作上电极且在所述N型GaN层表面制作下电极。
在本发明的一个实施例中，选取基板，包括：
选取材质为铁的基板；
在所述基板内沿宽度方向设置若干平行的通孔，所述通孔与所述基板表面形成倾角。
在本发明的一个实施例中，所述基板的厚度为0.5mm～10mm，所述通孔的直径为0.2mm～0.4mm，所述通孔之间的间距为0.5mm～10mm。
在本发明的一个实施例中，利用模具在所述第一硅胶层中形成球形透镜，包括：
利用半球形模具在所述第一硅胶层上进行压制形成半球形凹槽；
对带有所述半球形模具的所述第一硅胶层进行第一烘烤处理，去除所述半球形模具；
在所述第一硅胶层表面涂敷硅胶，并利用所述半球形模具进行压制以在所述第一硅胶层表面形成半球形凸起；
对带有所述半球形模具的所述第一硅胶层进行第一烘烤处理，去除所述半球形模具，由所述半球形凹槽与所述半球形凸起中的硅胶构成所述球形透镜。
在本发明的一个实施例中，所述球形透镜在所述第一硅胶层表面呈矩形或菱形均匀排列。
在本发明的一个实施例中，在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层，包括：
在硅胶中配置荧光粉形成含有荧光粉的硅胶；
在所述第一硅胶层表面涂敷所述含有荧光粉的硅胶形成半球形状的所述第二硅胶层；
对所述第二硅胶层进行第二烘烤处理，所述第二烘烤处理的时间大于第一烘烤处理的时间。
在本发明的一个实施例中，所述荧光粉的波长为570nm～620nm。
在本发明的一个实施例中，在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层之后，还包括：
对所述LED进行测试分捡并进行包装处理。
本发明的另一个实施例提供了一种高发光率LED，其中，所述LED由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例的高发光率LED，相对于现有技术至少具有如下优点：
1、荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题；
2、利用不同种类硅胶和荧光粉胶折射率不同的特点，在硅胶中形成透镜，改善LED芯片发光分散的问题，是光源发出的光能够更加集中；
3、球形透镜可以呈矩形均匀排列，或者菱形排列以保证光源的光线在集中区均匀分布，减小光损失；
4、在基板中设置有倾斜通孔，在强度几乎没有变化的同时，降低了铝材成本，并增加空气流通的通道，利用空气的热对流，增加了散热效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高发光率LED的制备流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种LED芯片制备的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种量子阱结构的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种支架/基板的制备方法示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基板的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种LED芯片焊接流程示意图；
图8为本发明实施例提供的一种硅胶封装工艺的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种大功率LED的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种高发光率LED的制备流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、制备LED芯片、支架、基板；
步骤2、将所述LED芯片固接于所述基板上并将所述基板粘结于所述支架上，将所述LED芯片的电极通过引线焊接于电极引脚上；
步骤3、在所述LED芯片表面涂敷硅胶形成第一硅胶层并利用模具在所述第一硅胶层中形成球形透镜；
步骤4、在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层以完成所述LED的制备。
本实施例，首先通过在第一硅胶层和第二硅胶层中制备球形透镜，改善LED芯片发光分散的问题，提高发光效率，其次将球形透镜在硅胶层中均匀排列以保证光源的光线在集中区均匀分布，再次将荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题，从而进一步提高发光效率。
实施例二
请参见图2至图4，图2为本发明实施例提供的一种LED芯片制备的方法流程图，图3为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种量子阱结构的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的LED芯片进行详细介绍如下。具体地，该方法可以包括如下流程：
步骤11、选取蓝宝石衬底。
步骤12、在所述蓝宝石衬底上生长GaN稳定层。
可选地，在蓝宝石衬底101表面先生长厚度为3000～5000nm的GaN缓冲层102，生长温度为400℃～600℃；其中，经实验论证，其优选厚度为4000nm其最优生长温度为500℃。之后在900℃～1050℃温度下，在GaN缓冲层102表面生长厚度为500nm～1500nm的GaN稳定层103；其中，经实验论证，其优选厚度为1000nm其最优生长温度为1000℃。
步骤13、在所述GaN稳定层表面生长N型GaN层。
可选地，保持温度不变，在GaN稳定层103表面生长厚度为200nm～1000nm掺Si的N型GaN层104，其掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3。其中，经实验论证，其优选生长厚度为400nm，最优掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤14、在所述N型GaN层表面制备InGaN/GaN多量子阱结构作为有源层。
可选地，在N型GaN层104表面生长InGaN/GaN多量子阱结构作为有源层105，其中InGaN量子阱层105b的生长温度为650℃～750℃，GaN势垒层105a的生长温度为750℃～850℃；量子阱周期为8～30，InGaN量子阱层105b的厚度为1.5nm～3.5nm，其中In的含量约为10％～20％，其含量依据光波长定，含量越高光波波长越长；GaN势垒层的厚度均为5nm～10nm。其中，经实验论证，InGaN量子阱层105b的优选生长温度为750℃、GaN势垒层105a的优选生长温度为850℃、InGaN量子阱层105b的厚度优选为2.8nm，GaN势垒层的厚度优选为5nm，量子阱周期优选为20。
步骤15、在所述有源层表面生长P型AlGaN阻挡层。
可选地，在升温至850℃～950℃，在有源层105表面生长厚度为10～40nm的P型AlGaN阻挡层106。经实验论证，温度优选为900℃、厚度优选为20nm。
步骤16、在所述P型AlGaN阻挡层表面生长P型GaN层。
可选地，在P型AlGaN阻挡层106表面生长厚度为100nm～300nm的P型GaN层107，作为接触用。
步骤17、在所述P型GaN层表面淀积氧化层。
可选地，利用PECVD工艺，在P型GaN层107表面淀积氧化层108(如SiO2)，厚度为300nm～800nm。经实验论证，厚度最优值为500nm。
步骤18、利用干法刻蚀工艺，刻蚀指定区域的所述氧化层、所述P型GaN层、所述P型AlGaN阻挡层、所述有源层以漏出指定区域的所述N型GaN层。
可选地，利用干法刻蚀工艺刻蚀下电极窗口，刻蚀指定区域的层材料，一直到N型GaN层104。去掉表面的氧化层108。
步骤19、去除所述氧化层，在所述P型GaN层表面制作上电极且在所述N型GaN层表面制作下电极。
可选地，再淀积SiO2层，其厚度为300nm～800nm，刻蚀电极接触窗口。经实验论证，厚度最优值为500nm。蒸镀金属Cr/Pt/Au电极，其中，Cr的厚度为20nm～40nm，Pt的厚度为20nm～40nm，Au的厚度为800nm～1500nm；经实验论证，Cr的厚度最优值为30nm、Pt的厚度最优值为30nm、Au的厚度最优值为1200nm。之后在300℃～500℃温度下退火处理，形成金属化合物，并去掉多余金属形成上电极109a和下电极109b。淀积金属，光刻引线，采用PECVD淀积SiO2钝化层，图形光刻，露出电极焊盘所在的区域，以便后续引金线。
在上述步骤之后，将蓝宝石衬底101背面减薄至150μm以下，在背面镀金属反射层，如金属Al、Ni、Ti等。之后进行划片形成LED芯片。
本实施例，在蓝宝石衬底上通过量子阱结构激发蓝光作为LED芯片，其发光效率高，有利于提升大功率LED的发光效率。
实施例三
请参见图5及图6，图5为本发明实施例提供的一种支架/基板的制备方法示意图，图6为本发明实施例提供的一种基板的结构示意图。本实施在上述实施例的基础上，对本发明的支架与基板的制备进行详细描述如下。该制备方法可以包括：
步骤a、支架/基板准备。选取合适的支架和基板，基板可以选取导热性较好的金属材料，例如铁材质。
需要详细说明的是，目前LED芯片多数是封装在薄金属基板上，由于金属基板较薄、热容较小，而且容易变形，导致其与散热片底面接触不够紧密而影响散热效果。为了解决这个难问题，本发明采用如图6所示的基板结构，即在基板内沿宽度方向设置若干平行的通孔，所述通孔与所述基板表面形成倾角。其中，该基板的厚度为0.5mm～10mm，通孔的直径为0.2mm～0.4mm，且通孔之间的间距为0.5mm～10mm。另外，该倾度的夹角范围优选为1～10度。
其中，带有倾斜通孔的基本可以是直接铸造形成，也可以是在铁基板的基础上沿宽度方向直接开槽形成。
步骤b、支架/基板清洗。为了进行封装，支架与基板必须保持清洁，需要将上面的污渍、尤其是油渍清洗干净。
步骤c、支架/基板烘干。采用烘干工艺，使基板和支架保持干燥状态。
本实施例，首先通过设置相对较厚的金属基板来获取更大的热容并可以保持基板不变形的情况下与散热装置接触紧密以增加导热效果；其次在基板上设置倾斜通孔增加空气流通的通道，利用烟囱效应提升空气的热对流速率，增加了散热效果，同时由于在基板上设置有通孔，在强度几乎没有变化的同时也可以使金属基板的成本下降。
实施例四
请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种LED芯片焊接流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上重点对芯片焊接的工艺进行详细描述如下。具体地，该方法可以包括如下步骤：
步骤21、印刷焊料。
步骤22、将所述LED芯片固接于所述基板上。
步骤23、将所述基板粘结于所述支架上并进行固晶检验。
步骤24、利用回流焊接工艺，将所述LED芯片的电极通过引线焊接于电极引脚上。
其中，所述支架LED支架一般有直插LED支架、食人鱼LED支架、贴片LED支架和大功率LED支架，本实施例优选大功率支架。另外，本实施例中步骤21和步骤22的顺序可以置换，此处不做任何限制。
实施例五
请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种硅胶封装工艺的示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的硅胶封装工艺进行详细描述。具体地，该工艺流程包括：
步骤31、在LED芯片上方涂敷第一折射率硅胶形成第一硅胶层。其中，该硅胶中不含有荧光粉，且为耐高温硅胶。该硅胶在LED芯片表面形成平面结构。
需要说明的是，荧光粉被认为是影响白光LED封装取光效率最重要的封装材料之一，国外研究人员发现荧光粉的光散射特性使得相当一部分的正向入射光线会被后向散射。目前的大功率LED封装中，荧光粉一般是直接涂覆在芯片表面上的。由于芯片对于后向散射的光线存在吸收作用，因此，这种直接涂覆的方式将会降低封装的取光效率。另外，将荧光粉直接涂覆在芯片上，芯片产生的高温会使荧光粉的量子效率显著下降，从而严重影响到封装的流明效率。本发明的第一硅胶层，具有耐高温特性且不含有荧光粉材料，使得荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题。
步骤32、利用半球形模具在第一硅胶层内压制形成半球形凹槽。
具体地，该半球形模具的直径为10μm～200μm，在第一硅胶层内进行压制形成半球形的凹槽，且这些凹槽的间距为10μm～200μm，且在第一硅胶层内呈矩形均匀排列，或者呈交错排列，当然，也可以为其他排列方式，此处不做任何限制。
步骤33、将带有半球形模具的第一硅胶层在90℃～125℃的温度下，烘烤15～60分钟，之后去掉半球形模具。
步骤34、在第一硅胶层表面涂敷第二折射率硅胶，并利用半球形模具进行压制以在所述第一硅胶层表面形成半球形凸起，去除多余的第二折射率硅胶。
步骤35、将带有半球形模具的第一硅胶层在90℃～125℃的温度下，烘烤15～60分钟，之后去掉半球形模具形成球形透镜。
步骤36、在第三折射率硅胶中配置荧光粉形成含有荧光粉的硅胶。
其中，荧光粉可以根据所要制作的LED灯的颜色确定，例如，如果制作白色LED，由于LED芯片采用蓝宝石衬底并采用GaN材料发光，则需要配置黄色的荧光粉，而荧光粉的含量的多少形成不同光源的色温。对于制作其他单色LED，可以采用InGaN或GaN，波长为465nm，制作蓝色LED；采用(Y1Gd)3(AlGa)5O12，波长为550nm，制作黄色LED；采用Y2O2S:Eu3+，波长为626nm，制作红色LED；采用BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+，波长为515nm，制作绿色LED。当然，也可以采用多种材料一并制作对应混色的LED。
步骤37、在第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶以形成半球形状的第二硅胶层。
具体地，为了实现聚光效果，必须满足第一硅胶层的折射率小于第二硅胶层及球形透镜的折射率，而球形透镜的折射率要大于第二硅胶层的折射率，即满足如下公式：
n第一硅胶层<n第二硅胶层<n球形透镜；
这样才能很好地实现LED芯片发射的光更多的透过封装材料照射出去。且第二硅胶层的折射率n第二硅胶层不易太大，折射率在1.5以内为最优，因为最外面一层硅胶的折射率太大，就会在外层与空气之间形成大的折射率差，全反射效应严重，不利于透光。硅胶层折射率从下向上依次增大的原因是为了抑制全反射，因为全反射会导致出射光变少，全反射到内部的光会被吸收变为无用的热量。
步骤38、在100℃～150℃的温度下，将整个LED材料烘烤4～12小时。即将包括LED芯片、第一硅胶层、球形透镜、第二硅胶层等的整个LED材料进行长烤，以形成最终的LED。
本实施例，通过将荧光粉与LED芯片分离，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降的问题。与LED芯片接触的硅胶为耐高温的硅胶，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。利用不同种类硅胶和荧光粉胶折射率不同的特点，在硅胶中形成透镜，改善LED芯片发光分散的问题，使LED光源发出的光能够更加集中，提高了大功率LED的发光效率。
可选地，在完成LED的制备后，还需要对制备好的LED进行测试分捡，之后进行包装处理以供出货。
实施例六
请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种大功率LED的结构示意图。由于本实施例重点想强调如何提高发光效率，因此图中省去了LED芯片、支架与电极引脚等结构，但可以理解的是，现有技术中有多种LED芯片与基板的配置结构、支架与LED芯片及LED芯片与电极引脚的连接关系，因此此处不再赘述。具体地，该LED包括基板91、第一硅胶层92、球形透镜93及第二硅胶层94，具体设置方式已在上述实施例中详细描述，此处也不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高发光率LED的制备方法，其特征在于，包括：
制备LED芯片、支架、基板；
将所述LED芯片固接于所述基板上并将所述基板粘结于所述支架上，将所述LED芯片的电极通过引线焊接于电极引脚上；
在所述LED芯片表面涂敷硅胶形成第一硅胶层；其中，所述第一硅胶层为平面结构；
利用半球形模具在所述第一硅胶层上进行压制形成多个分离的半球形凹槽；
对带有所述半球形模具的所述第一硅胶层进行第一烘烤处理，去除所述半球形模具；
在所述第一硅胶层表面涂敷硅胶，并利用所述半球形模具进行压制以在所述第一硅胶层表面形成半球形凸起；
由所述半球形凹槽与所述半球形凸起中的硅胶构成球形透镜；在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层以完成所述LED的制备；
其中，所述第二硅胶层上表面为半圆形，所述第一硅胶层的折射率小于所述第二硅胶层及所述球形透镜的折射率，而所述球形透镜的折射率要大于所述第二硅胶层的折射率，所述第二硅胶层的折射率小于1.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备LED芯片，包括：
选取蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长GaN稳定层；
在所述GaN稳定层表面生长N型GaN层；
在所述N型GaN层表面制备InGaN/GaN多量子阱结构作为有源层；
在所述有源层表面生长P型AlGaN阻挡层；
在所述P型AlGaN阻挡层表面生长P型GaN层；
在所述P型GaN层表面淀积氧化层；
利用干法刻蚀工艺，刻蚀指定区域的所述氧化层、所述P型GaN层、所述P型AlGaN阻挡层、所述有源层以漏出指定区域的所述N型GaN层；
去除所述氧化层，在所述P型GaN层表面制作上电极且在所述N型GaN层表面制作下电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取基板，包括：
选取材质为铁的基板；
在所述基板内沿宽度方向设置若干平行的通孔，所述通孔与所述基板表面形成倾角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基板的厚度为0.5mm~10mm，所述通孔的直径为0.2mm~0.4mm，所述通孔之间的间距为0.5mm~10mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球形透镜在所述第一硅胶层表面呈矩形或菱形均匀排列。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层，包括：
在硅胶中配置荧光粉形成含有荧光粉的硅胶；
在所述第一硅胶层表面涂敷所述含有荧光粉的硅胶形成半球形状的所述第二硅胶层；
对所述第二硅胶层进行第二烘烤处理，所述第二烘烤处理的时间大于第一烘烤处理的时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述荧光粉的波长为570nm~620nm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一硅胶层表面涂敷含有荧光粉的硅胶形成第二硅胶层之后，还包括：
对所述LED进行测试分捡并进行包装处理。
9.一种高发光率LED，其特征在于，所述LED由权利要求1-8任一项所述的方法制备形成。
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