CN107946438A - 一种大功率led双层半球封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率LED双层半球封装结构，包括：散热基板(21)、第一封装层(23)、第二封装层(25)，若干第一半球形透镜(22)、若干第二半球形透镜(24)；所述第一半球形透镜(22)位于所述散热基板(21)之上，所述第一半球形透镜(22)上包覆有所述第一封装层(23)；所述第二半球形透镜(24)位于所述第一封装层(23)之上，所述第二半球形透镜(24)上包覆有所述第二封装层(25)；其中，所述第二封装层(25)为半球形凸透结构。本发明的大功率LED双层半球封装结构采用球形透镜，解决了光源照明亮度不够集中的技术问题，不需要进行二次整形，结构简单，降低生产成本。此外，相比现有技术不需要在芯片上涂抹荧光粉，解决了高温引起的荧光粉的量子效率下降，导致亮度降低的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体封装领域，具体涉及一种大功率LED双层半球封装结构。
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。现在，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。
然而，现有技术存在以下缺陷。
1、由于LED光源发出的光一般呈发散式分布，即朗伯分布，这引起光源照明亮度不够集中，现有硅胶透镜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，其结构复杂，生产成本较高。
2、现有的大功率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。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光源收敛性好、光源照明集中的大功率LED双层半球封装结构。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种大功率LED双层半球封装结构，包括：散热基板、第一封装层、第二封装层，若干第一半球形透镜、若干第二半球形透镜；
所述第一半球形透镜位于所述散热基板之上，所述第一半球形透镜上包覆有所述第一封装层；
所述第二半球形透镜位于所述第一封装层之上，所述第二半球形透镜上包覆有所述第二封装层；
其中，所述第二封装层为半球形凸透结构。
进一步地，所述第一封装层的折射率小于所述第二封装层的折射率，且所述第一半球形透镜的折射率大于所述第一封装层的折射率，所述第二半球形透镜的折射率大于所述第二封装层的折射率。
进一步地，所述散热基板上焊接有LED紫外灯芯。
进一步地，所述第二半球形透镜、所述第二硅胶层中至少一层具有荧光粉。
进一步地，所述第一封装层、所述第二封装层、所述第一半球形透镜、所述第二半球形透镜均为硅胶结构。
进一步地，所述第一半球形透镜在所述第一封装层上形成规则的阵列，所述第二半球形透镜在所述第二封装层上形成规则的阵列。
进一步地，相邻两个第一半球形透镜之间的间距为10μm-200μm，相邻两个第二半球形透镜之间的间距为10μm-200μm。
进一步地，所述第一半球形透镜、第二半球形透镜的直径为10μm-200μm。
进一步地，所述散热基板为铜板。
本发明的有益效果是：
1、本发明的大功率LED双层半球封装结构采用两个球形透镜、多层封装结构，多次折射使LED光源收敛性更好，解决了光源照明亮度不够集中的技术问题，不需要进行二次整形，工艺简单，成本低。
2、本发明的大功率LED双层半球封装结构的荧光粉与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。
3、采用本发明的工艺采用不同折射率的硅胶，并在硅胶中形成透镜，解决了LED芯片发光分散的问题，使得光源发出的光能够更加集中，同时，采用双层球形透镜的方式能够使提高光源利用率。
4、本发明的大功率LED双层半球封装结构采用铁板作为散热基板，其热容大，不容易变形，与散热片底面接触紧密，散热效果好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种大功率LED双层半球封装结构示意图；
图2为本发明实施例提供的LED灯芯结构示意图；
图3为本发明实施例提供的LED芯片结构图；
图4为本发明实施例提供的半球形透镜矩形阵列示意图；
图5为本发明实施例提供的半球形透镜菱形阵列示意图；
图6为本发明实施例提供的LED散热基板结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种大功率LED双层半球封装结构示意图，包括：散热基板21、第一封装层23、第二封装层25，若干第一半球形透镜22、若干第二半球形透镜24；
所述第一半球形透镜22位于所述散热基板21之上，所述第一半球形透镜22上包覆有所述第一封装层23；
所述第二半球形透镜24位于所述第一封装层23之上，所述第二半球形透镜24上包覆有所述第二封装层25；
其中，所述第二封装层25为半球形凸透结构。
所述第一封装层23、所述第二封装层25、所述第一半球形透镜22、所述第二半球形透镜24均为硅胶结构。
本发明实施例的大功率LED双层结构封装工艺采用球形透镜，解决了光源照明亮度不够集中的技术问题，不需要进行二次整形，工艺简单，降低成本。此外，相比现有技术不需要在芯片上涂抹荧光粉，将荧光粉添加在其他硅胶层中，使荧光粉与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。
在具体实施中，为了简化操作流程，可以将第二封装层与第二半球形透镜设置为相同材料，以便减少一次涂覆流程。
在一个具体实施方式中，所述第一封装层23的折射率小于所述第二封装层25的折射率，且所述第一半球形透镜22的折射率大于所述第一封装层23的折射率，所述第二半球形透镜24的折射率大于所述第二封装层25的折射率。
本发明的工艺采用不同折射率的硅胶，并在硅胶中形成透镜，解决了LED芯片发光分散的问题，使得光源发出的光能够更加集中，提高光源利用率。在本实施例中，第二封装层折射率为1.4-1.6。例如可以选择甲基(1.41折光率)硅橡胶、苯基高折(1.54光折射率)有机硅橡胶。
半球形透镜硅胶的材质可选择聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂、玻璃；封装层材料可以选择环氧树脂、改性环氧树脂、有机硅材料等，当采用环氧树脂类材料时，需要与芯片隔离，以防氧化。上述材料的折射率可以根据具体成分进行调节，以便适应不同应用场景。
在一个具体实施方式中，所述散热基板上焊接有LED紫外灯芯。具体为AlGaN基深紫外LED结构，根据具体LED灯具指标要求，配置红、绿、蓝荧光粉的含量，并将红、绿、蓝荧光粉添加在第二硅胶层、第二半球形透镜中，使灯光呈不同颜色。其具体结构可参看图2。具体的，芯片结构图参看图3，LED灯芯结构从下到上依次包括：蓝宝石衬底层、N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层、P电极，所述N型AlGaN层表面还设有阴极电极。所述第一封装层和第一半球形透镜直接接触散热基板上的LED灯芯。第一半球形透镜和第二半球形透镜的直径均为10μm-200μm，相邻的半球形透镜的间距为10μm-200μm，采用上述尺寸能够保证在散热基板面积一定的情况下尽可能多的集中光源，提高光源利用率。
在一个具体实施方式中，所述第一半球形透镜22在所述第一封装层23上形成规则的阵列，所述第二半球形透镜24在所述第二封装层25上形成规则的阵列。具体可以是矩形阵列、菱形阵列、三角形阵列、圆形阵列等，可参看图4、图5。
由于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，还可能导致芯片上封装的硅胶层加速老化，影响其透光效率。由于LED输入功率中只有一部分的能量转化为光能，其它的则转化为热能，对于功率较大的LED芯片，为了提高散热效果，还可以对封装散热基板进行处理后得到具有槽体结构的封装散热基板，槽体结构参看图6。该槽体6为空气流通的通道，利用空气的热对流，增加了散热效果。该封装散热基板可以是铁散热基板或铜散热基板，只要热容大、不容易变形即可，保证其与散热片底面接触紧密，散热效果好。
为了保证光从透镜出射后为聚拢状态，而不会发散，中间的硅胶层在两倍焦距以内，才能在第二层透镜中起到再一次聚焦的作用，否则光线反而更发散了，聚焦的效果降低。为了焦距计算简单，设透镜的上下两层硅胶折射率相似均为n1，透镜的折射率为n2，R为球形透镜的半径，x为上下两层球形透镜之间的距离，则焦距计算公式如下：
半球形,平凸镜：焦距f＝R/(n2-n1),则0≤x≤2R/(n2-n1)；
一般上下两层球之间的距离应小于焦距f的两倍以下，因此本实施例的上下两层球形透镜之间的距离是0-R/(n2-n1)，在具体实施中，第二硅胶层可以更厚点。第二硅胶层直接影响其出光效率，一般有扁平，半球形和抛物面形三种形式，其中半球形出光角最大，适合于普通照明应用；抛物面出光角最小，适合于局部照明应用；而扁平形介于两者之间，适合于指示照明。
散热基板厚度为0.5mm-10mm。槽体6的直径为0.3mm-2mm。优选的，槽体6直径为0.5mm，其一端61深度为0.5mm，另一端深度62为1mm，在该尺寸下，能够达到在不改变散热基板强度的情况下，尽可能大的增加风道的尺寸。
本实施例还提供了该封装结构的制作工艺，具体如下：
步骤a：制备封装散热基板。
a1、选择原始散热基板；
a2、在所述原始散热基板一平面沿着宽度方向开设若干间隔预定距离的槽体，得到封装基；
其中，所述槽体为半圆柱型，且所述槽体为倾斜槽体，所述槽体一端深度大于另一端深度。
步骤b：处理第一半球透镜。
b1、在所述封装散热基板上涂覆第一透镜硅胶；
b2、将第一半球形模具罩在所述第一透镜硅胶上，形成第一半球透镜；
b3、对所述封装散热基板在第一预定温度下烤制第一预定时间；
b4、去除所述第一半球形模具。
其中，所述第一预定温度为90℃-125℃，所述第一预定时间为15min-60min。
步骤c在所述第一半球透镜上部涂覆第一硅胶层。
步骤d：形成第二半球形透镜。
d1、在所述第一硅胶层上涂覆第二透镜硅胶；
d2、将第一半球形模具罩在所述第二透镜硅胶上，形成第二半球透镜；
d3、对所述封装散热基板在第一预定温度下烤制第一预定时间；
d4、去除所述第一半球形模具。
步骤e：封装。
e1、利用第二半球形模具在所述第二硅胶层上形成半球形凸透结构；
e2、对所述封装散热基板在第二预定温度下烤制第二预定时间；
e3、去除所述第二半球形模具。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，包括：散热基板(21)、第一封装层(23)、第二封装层(25)，若干第一半球形透镜(22)、若干第二半球形透镜(24)；
所述第一半球形透镜(22)位于所述散热基板(21)之上，所述第一半球形透镜(22)上包覆有所述第一封装层(23)；
所述第二半球形透镜(24)位于所述第一封装层(23)之上，所述第二半球形透镜(24)上包覆有所述第二封装层(25)；
其中，所述第二封装层(25)为半球形凸透结构。
2.根据权利要求1所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述第一封装层(23)的折射率小于所述第二封装层(25)的折射率，且所述第一半球形透镜(22)的折射率大于所述第一封装层(23)的折射率，所述第二半球形透镜(24)的折射率大于所述第二封装层(25)的折射率。
3.根据权利要求1所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述散热基板(21)上焊接有LED紫外灯芯。
4.根据权利要求3所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述第二半球形透镜(24)、所述第二硅胶层(25)中至少一层具有荧光粉。
5.根据权利要求1所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述第一封装层(23)、所述第二封装层(25)、所述第一半球形透镜(22)、所述第二半球形透镜(24)均为硅胶结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述第一半球形透镜(22)在所述第一封装层(23)上形成规则的阵列，所述第二半球形透镜(24)在所述第二封装层(25)上形成规则的阵列。
7.根据权利要求6所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，相邻两个所述第一半球形透镜(22)之间的间距为10μm-200μm，相邻两个所述第二半球形透镜(24)之间的间距为10μm-200μm。
8.根据权利要求6所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述第一半球形透镜(22)、所述第二半球形透镜(24)的直径均为10μm-200μm。
9.根据权利要求1所述的大功率LED双层半球封装结构，其特征在于，所述散热基板(21)为铜板。
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2017
- 2017-11-28 CN CN201711217338.2A patent/CN107946438A/zh active Pending
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