CN107946436B - 一种白光led封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种白光LED封装结构，该结构包括：散热基板21；LED灯芯，设置于所述散热基板21上表面；下层硅胶22，设置于所述LED灯芯上表面；半球形硅胶球23，设置于所述下层硅胶22上表面；上层硅胶24，设置于所述下层硅胶22及所述半球形硅胶球23上表面。本发明的白光LED封装结构通过将荧光粉与LED灯芯分离，解决了高温引起荧光粉量子效率下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及封装技术领域，特别是涉及一种白光LED封装结构。
背景技术
LED具有寿命长、发光效率高、显色性好、安全可靠、色彩丰富和易于维护的特点。在当今环境污染日益严重，气候变暖和能源日益紧张的背景下，基于大功率LED发展起来的半导体照明技术已经被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。这是自煤气照明、白炽灯和荧光灯之后，人类照明史上的一次大飞跃，迅速提升了人类生活的照明质量。
近年来，LED多采用GaN基蓝光灯芯加黄色荧光的方式产生白光，以实现照明，这种方式具有以下问题。首先，LED光源发出的光一般呈发散式分布，即朗伯分布，导致光源照明亮度不够集中，一般需要通过外部透镜进行二次整形，以适应具体场合的照明需求，因此增加了生产成本；其次，目前的大功率白光LED封装结构中，荧光粉一般是直接涂覆在芯片表面，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，此外，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；再次，LED输入功率中只有一部分的能量转化为光能，其余的能量则转化为热能，所以对于LED芯片，尤其是功率密度很大的LED芯片，如何控制其能量，是LED制造和灯具应该着重解决的重要问题；然后，由于大功率LED用于照明等场合，成本控制十分重要，而且大功率LED灯外部热沉的结构尺寸也不允许太大，更不可能容许加电风扇等方式主动散热，LED芯片工作的安全结温应在110℃以内，如果结温过高，会导致光强降低、光谱偏移、色温升高、热应力增高、芯片加速老化等一系列问题，大大降低了LED的使用寿命，同时，还可以导致芯片上面灌装的封装胶胶体加速老化，影响其透光效率；最后，芯片多数是封装在薄金属散热基板上，由于金属散热基板较薄、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。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种白光LED封装结构。
具体地，本发明一个实施例提出的一种白光LED封装结构，包括：
散热基板21；
LED灯芯，设置于所述散热基板21上表面；
下层硅胶22，设置于所述LED灯芯上表面；
半球形硅胶球23，设置于所述下层硅胶22上表面；
上层硅胶24，设置于所述下层硅胶22及所述半球形硅胶球23上表面。
在本发明的一个实施例中，所述散热基板21的材料为金属铜，厚度为0.5～10mm。
在本发明的一个实施例中，所述散热基板21内部设置沿所述散热基板21宽度方向且平行所述散热基板21平面的多个圆形通孔；其中，
所述圆形通孔的直径为0.2～0.4mm，所述圆形通孔之间的间距为0.5～10mm，所述圆形通孔直接铸造形成或者在所述散热基板上直接钻孔形成。
在本发明的一个实施例中，所述LED灯芯为GaN基蓝光芯片。
在本发明的一个实施例中，所述GaN基蓝光芯片包括：依次设置于衬底材料的GaN缓冲层、N型GaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、InGaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、AlGaN阻挡层材料以及P型GaN层。
在本发明的一个实施例中，所述半球形硅胶球23的半径大于10微米、所述半球形硅胶球(23)之间的间距为5～10微米。
在本发明的一个实施例中，所述上层硅胶24为半圆形硅胶层。
在本发明的一个实施例中，所述半球形硅胶球23和所述上层硅胶24中至少有一层包含有黄色荧光粉。
在本发明的一个实施例中，所述黄色荧光粉的荧光波长为570nm～620nm。
在本发明的一个实施例中，所述半球形硅胶球23材料的折射率大于所述下层硅胶22的折射率且大于所述上层硅胶24的折射率。
本发明实施例，具备如下优点：
1、白光LED封装结构中的荧光粉与LED芯片采取了分离的形式，解决了在高温条件下引起的荧光粉的量子效率下降的问题。
2、硅胶层中含有荧光粉，使得光线在二次调整过程中部分变成黄光。
3、通过改变上层硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的颜色从变为白光，再变为黄光，还可以调节光源的色温。
4、与LED灯芯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。
5、本发明制备的白光LED封装结构下层硅胶折射率小于上层硅胶，半球形硅胶球材料的折射率大于下层硅胶折射率且大于上层硅胶折射率，这种设置方式可以提高LED芯片的透光率，使LED芯片所发射出来的光能够更多的透过封装材料照射出去。
6、本发明采用中间通孔的方式，在强度几乎没有变化的同时，降低了铜材料的成本；采用中间通孔的方式，可以增加空气流通的通道，利用空气的热对流，增加了散热效果。
7、本发明中半球形硅胶球透镜改变了光的传播方向，可以有效地抑制全反射效应，有利于更多的光发射到LED外面，即增大了LED器件的外量子效率，或者提高LED的发光效率。
8、本发明中散热基板厚度较厚，因此散热基板不易变形，对于另外增加散热设备的话易于散热，不会出现因为散热基板变形导致与外设散热设备不贴合导致散热效果变差。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种白光LED封装结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种白光LED封装方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种GaN基蓝光芯片结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种散热基板结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种白光LED封装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种白光LED封装结构示意图。
该结构包括：
散热基板21；
LED灯芯，设置于所述散热基板21上表面；
下层硅胶22，设置于所述LED灯芯上表面；
半球形硅胶球23，设置于所述下层硅胶22上表面；
上层硅胶24，设置于所述下层硅胶22及所述半球形硅胶球23上表面。
其中，所述散热基板21的材料为金属铜，厚度为0.5～10mm。
进一步地，所述散热基板21内部设置沿所述散热基板21宽度方向且平行所述散热基板21平面的多个圆形通孔。
进一步地，所述圆形通孔的直径为0.2～0.4mm，所述圆形通孔之间的间距为0.5～10mm，所述圆形通孔直接铸造形成或者在所述散热基板上直接钻孔形成。
其中，所述LED灯芯为GaN基蓝光芯片。
进一步地，所述GaN基蓝光芯片，包括：依次设置于衬底材料的GaN缓冲层、N型GaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、InGaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、AlGaN阻挡层材料以及P型GaN层。
其中，所述半球形硅胶球23的半径大于10微米、所述半球形硅胶球(23)之间的间距为5～10微米。
其中，所述上层硅胶24为半圆形硅胶层。
进一步地，所述半球形硅胶球23和所述上层硅胶24中至少有一层包含有黄色荧光粉。
进一步地，所述黄色荧光粉的荧光波长为570nm～620nm。
进一步地，所述半球形硅胶球23材料的折射率大于所述下层硅胶22的折射率且大于所述上层硅胶24的折射率。
本发明的有益效果具体为：
1、本发明中荧光粉与LED灯芯分离，解决了高温引起荧光粉量子效率下降的问题。
2、本发明中硅胶含有荧光粉，使得光线在二次调整过程中部分变成黄光，通过改变上层硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的颜色从白光再变为黄光，还可以调节光源的色温。
3、本发明中与LED灯芯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。
4、本发明利用不同种类硅胶折射率不同的特点，在硅胶中形成半球形硅胶球，改善LED芯片发光分散的问题，使光源发出的光能够更加集中。
5、本发明制备的白光LED封装结构下层硅胶折射率小于上层硅胶，半球形硅胶球材料的折射率大于下层硅胶折射率且大于上层硅胶折射率，这种设置方式可以提高LED芯片的透光率，使LED芯片所发射出来的光能够更多的透过封装材料照射出去。
6、本发明采用中间通孔的方式，在强度几乎没有变化的同时，降低了铜材料的成本；采用中间通孔的方式，可以增加空气流通的通道，利用空气的热对流，增加了散热效果。
实施例二
请参见图2和图3，图2为本发明实施例提供的另一种白光LED封装方法流程图，图3为本发明实施例提供的一种GaN基蓝光芯片结构示意图。在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S1、LED灯芯选取
选取GaN基蓝光芯片作为LED灯芯，GaN基蓝光芯片的结构如图3所示，该芯片包括：衬底材料1，GaN缓冲层2，N型GaN层3，P型GaN量子阱宽带隙材料4，InGaN层5，P型GaN量子阱宽带隙材料6，AlGaN阻挡层材料7，P型GaN层8。
S2、散热基板选取
S21、支架/散热基板准备
选取金属铜作为散热基板的材料，散热基板的厚度为0.5～10mm。散热基板内部具有沿宽度方向且平行散热基板平面的圆形通孔；其中，圆形通孔的数量为n且n≥2、直径为0.2～0.4mm，圆形通孔之间的间距为0.5～10mm。圆形通孔可以直接铸造形成，或者在铜散热基板上沿宽度方向直接钻孔形成。散热基板的面积可以根据灯具需要进行裁剪。
S22、支架/散热基板清洗；
将支架/散热基板的污渍、尤其是油渍清洗干净。进行封装时，支架与散热基板必须保持清洁。
S23、支架/散热基板烘烤；
将支架/散热基板进行烘烤，保持支架/散热基板的干燥。
S3、LED灯芯焊接
S31、印刷焊料
将焊料印刷到LED灯芯上；
S32、固晶检验
将印刷有焊料的LED灯芯进行固晶检验；
S33、回流焊接
利用回流焊焊接工艺将LED灯芯焊接到散热基板上方，焊接采用标准的回流焊工艺。
S4、硅胶生长
S41、下层硅胶的制备；
S411、在设置有LED灯芯的散热基板上方利用涂覆方式涂覆第一硅胶层，第一硅胶层为不含有荧光粉的耐高温硅胶层；
S412、烘烤第一硅胶层，烘烤温度为90～125℃，烘烤时间为15～60min，将第一硅胶层固化形成下层硅胶。
S42、半球形硅胶球的制备；
S421、在下层硅胶上表面利用涂覆方式涂覆硅胶球材料，其中硅胶球材料黄色荧光粉；其中，含有黄色荧光粉的硅胶球材料由如下步骤配置：
S4211、配置荧光粉胶
根据具体LED灯具指标要求，配置黄色荧光粉，其中黄光荧光粉可采用(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu、AESi2O2N2:Eu、M-α-SiAlON:Eu等材料配置，并将黄色荧光粉与硅胶球材料进行混合；
S4212、颜色测试
将混合后的硅胶球材料进行颜色测试，使其荧光波长为570nm～620nm之间；
S4213、烘烤
将颜色测试后的硅胶球材料进行烘烤。
S422、在硅胶球材料上利用第一半球形模具形成硅胶球；
S423、烘烤设置有第一半球形模具的硅胶球材料，烘烤温度为90～125℃，烘烤时间为15～60min，使硅胶球材料固化；
S424、在烘烤完成之后，将第一半球形模具去除，形成半球形硅胶球；
优选地，半球形硅胶球可以呈矩形均匀排列或者交错排列；
S43、上层硅胶的制备。
S431、在半球形硅胶球及下层硅胶上方利用涂覆方式涂覆第二硅胶层，其中第二硅胶层含有黄色荧光粉；其中，含有黄色荧光粉的第二硅胶层由如下步骤配置：
S4311、配置荧光粉胶
根据具体LED灯具指标要求，配置黄色荧光粉，其中黄光荧光粉可采用(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu、AESi2O2N2:Eu、M-α-SiAlON:Eu等材料配置，并将黄色荧光粉与第二硅胶层进行混合；
S4312、颜色测试
将混合后的第二硅胶层进行颜色测试，使其荧光波长为570nm～620nm之间；
S4313、烘烤
将颜色测试后的第二硅胶层进行烘烤。
S432、在第二硅胶层内设置第二半球形模具，利用第二半球形模具在第二硅胶层内形成第二半球形硅胶；
S433、烘烤设置有第二半球形模具的第二硅胶层，烘烤温度为90～125℃，烘烤时间为15～60min，使具有第二半球形模具的第二硅胶层固化；
S434、烘烤完成之后，将设置在第二硅胶层内的第二半球形模具去除，形成上层硅胶；
S44、长烤；
烘烤下层硅胶、半球形硅胶透镜、上层硅胶，烘烤温度为100～150℃，烘烤时间为4～12h，以完成LED的封装；
优选地，下层硅胶折射率小于上层硅胶，半球形硅胶球材料的折射率大于下层硅胶折射率且大于上层硅胶折射率。
S5、测试、分捡封装完成的LED
S6、包装测试合格的白光LED封装结构
实施例三
请继续参见图1且一并参见图4、图5，图4为本发明实施例提供的一种散热基板结构示意图；图5为本发明实施例提供的另一种白光LED封装结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上对白光LED封装结构详细介绍，该白光LED封装结构如图1所示，包括：带有LED灯芯的封装散热基板21，下层硅胶22、半球形硅胶球23，上层硅胶24。其中，半球形硅胶球23的半径R大于10微米；半球形硅胶球23到LED灯芯的距离L1大于10微米；半球形硅胶球23之间的间距为5～10微米，越小越好；散热基板21的厚度D为90～140微米；散热基板21的宽度W大于5mil(1mil＝1/45mm)，或者大于20微米。
如图3所示，其中，LED灯芯为GaN基蓝光芯片，该芯片包括：衬底材料1，GaN缓冲层2，N型GaN层3，P型GaN量子阱宽带隙材料4，InGaN层5，P型GaN量子阱宽带隙材料6，AlGaN阻挡层材料7，P型GaN层8。
如图4所示，其中，散热基板21的材料为金属铜，散热基板的厚度D为0.5～10mm。散热基板内部具有沿宽度W方向且平行散热基板平面、垂直散热基板长度L方向的圆形通孔，圆形通孔的数量为n且n≥2、直径为0.2～0.4mm，圆形通孔之间的间距L2为0.5～10mm。圆形通孔可以直接铸造形成，或者在铜散热基板上沿宽度方向直接钻孔形成。散热基板的面积可以根据灯具需要进行裁剪。
其中，下层硅胶为不含有荧光粉的耐高温硅胶层，半球形硅胶球含有黄色荧光粉，上层硅胶含有黄色荧光粉，通过LED灯芯发出的蓝光与半球形硅胶球及上层硅胶中的黄光混合形成白光，通过改变上层硅胶中黄色荧光粉的含量，可以连续调节光的色温。
进一步地，下层硅胶折射率小于上层硅胶，半球形硅胶球材料的折射率大于下层硅胶折射率以及大于上层硅胶折射率。
进一步地，本实施方式中，半球形硅胶球23呈半球状形成平凸镜，在空气中，平凸镜的焦距在距离表面顶端r/(n2-n1)距离处，而在本实施方式中，由于半球形硅胶球23涂覆在下层硅胶22之上，因此，该平凸镜的焦距为r/(n2-n1)，其中，n2是该平凸镜的折射率，也即所述半球形硅胶球23的折射率，n1是下层硅胶22的折射率，r是透镜的半径，也即所述上层硅胶24的半径。
进一步地，如图5所示，LED灯芯设置于散热基板上，LED灯芯上层封装含有黄色荧光粉的硅胶层，LED灯芯发出的蓝光激发黄色荧光粉产生黄光，黄光与蓝光混合形成最终LED发出的白光。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明实施例提供的一种白光LED封装结构的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (6)
1.一种白光LED封装结构，其特征在于，包括：
散热基板(21)；
LED灯芯，设置于所述散热基板(21)上表面；
下层硅胶(22)，设置于所述LED灯芯上表面；
半球形硅胶球(23)，设置于所述下层硅胶(22)上表面；
上层硅胶(24)，设置于所述下层硅胶(22)及所述半球形硅胶球(23)上表面；
所述半球形硅胶球(23)和所述上层硅胶(24)中至少有一层包含有黄色荧光粉；
所述半球形硅胶球(23)材料的折射率大于所述下层硅胶(22)的折射率且大于所述上层硅胶(24)的折射率；
所述半球形硅胶球(23)的半径大于10微米，所述半球形硅胶球(23)之间的间距为5～10微米；所述上层硅胶(24)为半圆形硅胶层；
所述半球形硅胶球(23)呈半球状形成平凸镜，所述平凸镜的焦距为r/(n2-n1)，其中，n2是所述半球形硅胶球(23)的折射率，n1是所述下层硅胶(22)的折射率，r是所述上层硅胶(24)的半径。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述散热基板(21)的材料为金属铜，厚度为0.5～10mm。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述散热基板(21)内部设置沿所述散热基板(21)宽度方向且平行所述散热基板(21)平面的多个圆形通孔；其中，
所述圆形通孔的直径为0.2～0.4mm，所述圆形通孔之间的间距为0.5～10mm，所述圆形通孔直接铸造形成或者在所述散热基板上直接钻孔形成。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述LED灯芯为GaN基蓝光芯片。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述GaN基蓝光芯片包括：依次设置于衬底材料的GaN缓冲层、N型GaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、InGaN层、P型GaN量子阱宽带隙材料、AlGaN阻挡层材料以及P型GaN层。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述黄色荧光粉的荧光波长为570nm～620nm。
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