CN107994113A - 一种大功率蓝光led多层封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率蓝光LED多层封装结构，包括：包括：多组透镜层(1)、散热基板(21)、外封装层(3)；所述透镜层(1)设置在所述散热基板(21)之上，所述多组透镜层(1)最顶部还设置有外封装层(3)；其中，每组透镜层包括下封装层(11)、上封装层(12)、球形透镜(13)；所述球形透镜(23)至少一部分嵌入所述下封装层(22)中，所述上封装层(24)位于所述球形透镜(23)未嵌入部分和所述下封装层(22)之上。本发明的大功率蓝光LED多层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蓝光LED多层封装结构。
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蓝光LED多层封装结构。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种大功率蓝光LED多层封装结构，包括：多组透镜层、散热基板、外封装层；
所述透镜层设置在所述散热基板之上，所述多组透镜层最顶部还设置有外封装；其中，每组透镜层包括下封装层、上封装层、球形透镜；
所述球形透镜至少一部分嵌入所述下封装层中，所述上封装层位于所述球形透镜未嵌入部分和所述下封装层之上。
进一步地，与所述散热基板距离远的封装层的折射率大于与所述散热基板距离近的封装层的折射率；
且每组所述透镜层中，所述下封装层、所述上封装层、所述球形透镜的折射率依次增大。
进一步地，所述散热基板上焊接有LED蓝光灯芯。
进一步地，与所述散热基板不接触的封装层中至少一层具有荧光粉。
进一步地，所述球形透镜的一半嵌入所述下封装层中，另一半嵌入所述上封装层。
进一步地，所述下封装层、上封装层、球形透镜均为硅胶结构。
进一步地，所述球形透镜在所述下封装层上形成规则的阵列。
进一步地，同一透镜层相邻两个球形透镜之间的间距为10μm-200μm。
进一步地，所述球形透镜直径为10μm-200μm。
进一步地，所述散热基板为铝板。
本发明的有益效果是：
1、本发明的大功率蓝光LED多层封装结构采用多层封装结构，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、本发明的大功率蓝光LED多层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、本发明的大功率蓝光LED多层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蓝光LED多层封装结构示意图；
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大功率蓝光LED两层封装结构示意图。
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蓝光LED多层封装结构示意图，包括：多组透镜层1、散热基板21、外封装层3；
所述透镜层1设置在所述散热基板21之上，所述多组透镜层1最顶部还设置有外封装层3；其中，每组透镜层包括下封装层11、上封装层12、球形透镜13；
所述球形透镜23至少一部分嵌入所述下封装层22中，所述上封装层24位于所述球形透镜23未嵌入部分和所述下封装层22之上。
所述下封装层11、上封装层12、球形透镜13均为硅胶结构。所述外封装层3为凸形结构。具体可以是半球形、椭球形等。
本发明实施例的大功率蓝光LED多层封装结构采用多层封装结构，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。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。
在一个具体实施方式中，与所述散热基板21距离远的封装层11、12的折射率大于与所述散热基板21距离近的封装层11、12的折射率；
且每组所述透镜层1中，所述下封装层11、所述上封装层12、所述球形透镜13的折射率依次增大。
在具体实施中，为了简化操作流程，可以将相邻两封装的一个上封装层与另一的下封装层设置为相同材料，以便减少一次涂覆流程，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，外封装层折射率为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。
硅胶层折射率从下向上依次增大是为了抑制全反射，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。并且最外层的折射率不要太大，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打的折射率差，全反射效应严重，不利于透光。
一般的，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；每组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。
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：
球形，凸凸镜：
焦距f＝R/[2(n2-n1)],则0≤x≤R/(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，最外层可以更厚点。最外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。
在一个具体实施方式中，所述散热基板上焊接有LED蓝光灯芯。根据具体LED灯具指标要求，配置黄色荧光粉的含量，并将黄色荧光粉添加在与所述散热基板不接触的封装层中，使灯光呈不同颜色。其具体结构可参看图2。具体的，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。所述最下层封装层的下封装层直接接触封装散热基板上的LED灯芯。球形透镜的直径为10。球形透镜的直径，相邻的球形透镜的间距为10的间距为透镜的间，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，所述球形透镜13的一半嵌入所述下封装层11中，另一半嵌入所述上封装层12。以便光线的光路更加规则。即球形透镜被上下封装层进行包裹。
在一个具体实施方式中，所述球形透镜13在所述下封装层11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。上下两层透镜可以对齐也可以交错，两种排布各具优点：对齐情况从透镜出射的光聚拢，聚焦效果好；交错可以将相邻透镜间的光聚拢，产生聚焦作用。
在一个具体实施方式中，所述散热基板21为铝板。铝板的热容大、不容易变形，能够保证其与散热片底面接触紧密，散热效果好。为了达到更好的效果，本发明散热基板厚度为0.5mm-10mm。
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基本内部具有多个平行设置的通孔的封装散热基板。该通孔为空气流通的通道，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。散热基板厚度为0.5mm-10mm，通孔的直径为0.3mm-2mm。优选的，通孔直径为0.5mm，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。
为了更好的说明本发明的多层封装结构，本实施例以两层封装进行举例，三层、四层等更多层的封装结构与工艺与两层类似。
具体的，图3为本发明实施例提供的一种大功率蓝光LED多层封装结构示意图，包括：散热基板21、第一封装层22、第二封装层24、第三封装层25，第四封装层27，若干第一球形透镜23、若干第二球形透镜26；
所述第一封装层22位于所述散热基板21之上，所述第一球形透镜23至少一部分嵌入所述第一封装层22中，所述第二封装层24位于所述球形透镜23未嵌入部分和所述第一封装层22之上；
所述第三封装层25位于所述第二封装层24之上，所述第二球形透镜26至少一部分嵌入所述第三封装层25中，所述第四封装层27位于所述第二球形透镜26未嵌入部分和所述第三封装层25之上。
所述第一封装层22、所述第二封装层24、第三封装层25、所述第四封装层27、所述第一球形透镜23、所述第二球形透镜26均为硅胶结构。所述第四封装层27为凸形结构。具体可以是半球形、椭球形等。
在一个具体实施方式中，所述第一封装层折射率、所述第一球形透镜折射率、所述第二封装层折射率、第三封装层折射率、所述第二球形透镜折射率、第四封装层折射率依次增大。
在本实施例中，第四封装层选择苯基高折(1.54光折射率)有机硅橡胶。
一般的，球形透镜硅胶的材质可选择聚碳酸脂；四层封装层材料选择环氧树脂材料，环氧树脂类材料与芯片隔离，以防氧化。
在一个具体实施方式中，所述第一球形透镜23的一半嵌入所述第一封装层22中，所述第二球形透镜26的一半嵌入所述第三封装层25中。
为了得到本实施例的封装结构，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。
制备封装散热基板，将LED灯芯焊接在所述封装散热基板上，在封装散热基板上涂覆第一硅胶层。
步骤b：形成第一球形透镜。
将两个第一半球形凹槽模具反向扣合，形成第一球形模具，在所述第一球形模具中灌封第一透镜硅胶，形成第一球形透镜。
步骤c：形成封装层1。
c1、去除所述第一球形模具上的一个第一半球形凹槽模具，将没有模具包覆的球形透镜部分置于所述第一硅胶层中；
c2、去除所述第一球形模具上的另一个第一半球形凹槽模具；
c3、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。所述第一预定温度为90℃-125℃，所述第一预定时间为15min-60min。
步骤d：在所述第一球形透镜上部涂覆第二硅胶层，在所述第二硅胶层上涂覆第三硅胶层。
步骤e：形成第二球形透镜。
将两个第二半球形凹槽模具反向扣合，形成第二球形模具，在所述第二球形模具中灌封第二透镜硅胶，形成第二球形透镜。
步骤f：形成封装层2。
f1、去除所述第二球形模具上的一个第二半球形凹槽模具，将没有模具包覆的球形透镜部分置于所述第三硅胶层中；
f2、去除所述第二球形模具上的另一个第二半球形凹槽模具；
f3、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。所述第二预定温度为100℃-150℃，所述第二预定时间为4h-12h。
g、封装最外层。在所述第二球形透镜上部涂覆第四硅胶层。
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 (10)
1.一种大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，包括：多组透镜层(1)、散热基板(21)、外封装层(3)；
所述透镜层(1)设置在所述散热基板(21)之上，所述多组透镜层(1)最顶部还设置有外封装层(3)；其中，每组透镜层包括下封装层(11)、上封装层(12)、球形透镜(13)；
所述球形透镜(23)至少一部分嵌入所述下封装层(22)中，所述上封装层(24)位于所述球形透镜(23)未嵌入部分和所述下封装层(22)之上。
2.根据权利要求1所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，
与所述散热基板(21)距离远的封装层(11、12)的折射率大于与所述散热基板(21)距离近的封装层(11、12)的折射率；
且每组所述透镜层(1)中，所述下封装层(11)、所述上封装层(12)，所述球形透镜(13)的折射率依次增大。
3.根据权利要求1所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述散热基板(21)上焊接有LED蓝光灯芯。
4.根据权利要求3所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，与所述散热基板(21)不接触的封装层中至少一层具有荧光粉。
5.根据权利要求1所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述球形透镜(13)的一半嵌入所述下封装层(11)中，另一半嵌入所述上封装层(12)。
6.根据权利要求1所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述下封装层(11)、所述上封装层(12)、所述球形透镜(13)均为硅胶结构。
7.根据权利要求1-6任一项所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述球形透镜(13)在所述下封装层(11)上形成规则的阵列。
8.根据权利要求7所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，同一透镜层相邻两个所述球形透镜(13)之间的间距为10μm-200μm。
9.根据权利要求7所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述球形透镜(13)直径为10μm-200μm。
10.根据权利要求1所述的大功率蓝光LED多层封装结构，其特征在于，所述散热基板(21)为铝板。
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