LED封装结构及高聚光LED灯的制作方法

本发明属半导体技术领域，特别涉及一种led封装结构及高聚光led灯。

背景技术：

led(lightemittingdiode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。高性能led的实用化和商品化，使照明技术面临一场新的革命。由多个超高亮度红、蓝、绿三色led组成的像素灯不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可以发出亮度可达几十到一百烛光的白色光成为照明光源，对于相同发光亮度的白炽灯和led固体照明灯来说，后者的功耗只占前者的10％-20％。

现时生产的白光led大部分是通过在蓝光led上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，当led芯片发出蓝光，部分蓝光便会被荧光粉高效地转换成一个光谱较宽的主要为黄色的光，由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体，再混合led本身的蓝光，使它看起来就像白色光。这种led在日常生活中有极为普遍的应用。

采用以上方式发光的led有如下缺陷：led光源发出光的分布较为分散，光源的照明亮度不佳，往往需要通过外部透镜的整形处理才能满足亮度需求，这极大地增加了led的生成成本；荧光粉直接涂覆在芯片表面上，芯片对散射的光具有吸收作用，降低了发光效率，并且，芯片的高温会使荧光粉的量子效率下降，影响led光源的流明效率，容易导致光强降低、光谱偏移、芯片加速老化等一系列问题，降低了led光源的使用寿命。

技术实现要素：

为了提高led芯片的工作性能，本发明提供了一种led封装结构，包括：

热沉(21)；

led芯片，设置于所述热沉(21)之上；

第一硅胶层(22)，涂覆在所述led芯片及所述热沉(21)之上；

第一透镜层(23)，制备于所述第一硅胶层(22)之上；

第二硅胶层(24)及第三硅胶层(25)，依次设置于所述第一透镜层(23)之上；

第二透镜层(26)，设置于所述第三硅胶层(25)之上；

第四硅胶层(27)，设置于所述第二透镜层(26)之上。

在本发明的一种实施方式中，所述第一硅胶层(22)不含荧光粉，所述第一透镜层(23)、所述第二硅胶层(24)、所述第三硅胶层(25)、所述第二透镜层(26)及所述第四硅胶层(27)中至少有一层含有荧光粉。

在本发明的一种实施方式中，所述led芯片为紫外led芯片。

在本发明的一种实施方式中，所述紫外led芯片依次包括蓝宝石衬底、n型algan层、alxga1-xn/alyga1-yn堆栈层、p型algan层、p型gan层和金属电极，其中0＜y＜x＜0.5。

在本发明的一种实施方式中，所述第一透镜层(23)的折射率大于所述第一硅胶层(22)的折射率且小于所述第二硅胶层(24)的折射率；所述第二透镜层(26)的折射率大于所述第三硅胶层(25)的折射率且小于所述第四硅胶层(27)的折射率；并且所述第二硅胶层(24)的折射率小于所述第三硅胶层(25)的折射率。

在本发明的一种实施方式中，所述第一透镜层(23)及所述第二透镜层(26)均包括多个球型透镜。

在本发明的一种实施方式中，所述热沉(21)的材质为铜。

在本发明的一种实施方式中，在所述热沉(21)中沿宽度方向形成多个圆形通孔，相邻两个圆形通孔之间的距离为0.5毫米～10毫米，每个所述圆形通孔的直径r为0.1毫米～0.3毫米，每个所述圆形通孔的轴向与所述热沉(21)的底部之间的夹角为1°～10°。

在本发明的一种实施方式中，所述第一透镜层(23)及所述第二透镜层(26)中的球形透镜的直径均为10微米到500微米。

本发明还提供一种高聚光led灯，该高聚光led灯包括以上任意一种实施方式所述的led封装结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的led封装结构，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。

2、本发明提供的球形透镜即硅胶球中含有黄色荧光粉，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。

3、本发明提供的led封装结构及其方法，利用不同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，使光源发出的光能够更加集中；合理的设定各层硅胶折射率的大小，可以保证led芯片的能够更多的透过封装材料照射出去。

4、本发明提供的硅胶球可以呈矩形均匀排列，或者菱形排列。可以保证光源的光线在集中区均匀分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

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。

图1为本发明实施例提供的一种led封装结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种紫外led芯片结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种铜热沉(21)的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种led封装工艺流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种在led芯片上形成多层硅胶层的工艺流程图；

图6a-图6e为本发明实施例提供的一种在芯片上生成球型硅胶层的工艺流程示意图；

图7a-图7b为本发明实施例提供的一种半球形硅胶层分布示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种led封装方法流程示意图。

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led封装结构的示意图，该封装结构包括：

热沉(21)；

led芯片，设置于所述热沉(21)之上；

第一硅胶层(22)，涂覆在所述led芯片及所述热沉(21)之上；

第一透镜层(23)，制备于所述第一硅胶层(22)之上；

第二硅胶层(24)及第三硅胶层(25)，依次设置于所述第一透镜层(23)之上；

第二透镜层(26)，设置于所述第三硅胶层(25)之上；

第四硅胶层(27)，设置于所述第二透镜层(26)之上。

进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第一硅胶层(22)不含荧光粉，所述第一透镜层(23)、所述第二硅胶层(24)、所述第三硅胶层(25)、所述第二透镜层(26)及所述第四硅胶层(27)中至少有一层含有荧光粉。

本发明提供的led封装结构，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；优选地，与led芯片接触的硅胶为耐高温的硅胶，进而解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。

进一步地，在上述实施方式的基础上，所述led芯片为紫外led芯片。

在一种实施方式中，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种紫外led芯片结构示意图。所述紫外led芯片依次包括蓝宝石衬底(211)、n型algan层(212)、alxga1-xn/alyga1-yn堆栈层(213)、p型algan层(214)、p型gan层(215)和金属电极(216、217)，其中，0＜y＜x＜0.5。

进一步地，在上述实施方式的基础上，所述第一透镜层(23)的折射率大于所述第一硅胶层(22)的折射率且小于所述第二硅胶层(24)的折射率；所述第二透镜层(26)的折射率大于所述第三硅胶层(25)的折射率且小于所述第四硅胶层(27)的折射率；并且所述第二硅胶层(24)的折射率小于所述第三硅胶层(25)的折射率。

采用上述折射率的设计，可以实现加好的聚光效果，并能有效抑制光的全反射，降低led芯片的散热负担。

在一种实施方式中，所述第一透镜层(23)及所述第二透镜层(26)均包括多个球型透镜，所述多个球型透镜均为硅胶透镜。例如，在图1中，第一透镜层(23)包括5个球型透镜，这5个球型透镜的集合构成所述第一透镜层(23)。所述第二透镜层(26)同样也包括5个球型透镜，这5个球型透镜的集合构成所述第二透镜层(26)。

进一步地，在上述实施方式的基础上，所述热沉(21)的材质为铜。

优选地，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种铜热沉(21)的结构示意图，在所述铜热沉(21)中沿宽度方向(如图3中的w方向)形成多个圆形通孔，相邻两个圆形通孔之间的距离l2为0.5毫米～10毫米，每个所述圆形通孔的直径r为0.1毫米～0.3毫米，每个所述圆形通孔的轴向与所述铜热沉(21)的底部之间的夹角为1°～10°。

本实施方式采用通孔的方式，在强度几乎没有变化的同时，降低了成本，并且，采用“斜通孔”的设计，相对于“平行通孔”，进一步增加空气流通的通道的长度，利用空气的热对流，增加了散热效果。

进一步地，在一种实施方式中，所述第一透镜层(23)及所述第二透镜层(26)中的球形透镜的直径均为10微米到500微米。

本发明实施例还提供一种高聚光led灯，该led灯包括以上任一实施例中的led封装结构。

实施例二

本实施例对实施例中的led封装结构及其制造方法做进一步说明。

请参见图4，图4为本发明一实施例提供的一种led封装工艺流程示意图，该方法包括：

选择led芯片；

将所述led芯片焊接在热沉(21)上，将所述热沉放置于支架上；

在所述led芯片上形成多层硅胶层以实现对led芯片的封装，其中，在所述多层硅胶层中与所述led芯片接触的硅胶层内不含荧光粉。

在本实施方式中，与led芯片直接接触的硅胶层不含有荧光粉，而将荧光粉设置于不直接接触led芯片的其他硅胶层中，避免了荧光粉与led芯片的直接接触，采用这种实施方式的原因是：芯片对于后向散射的光线存在吸收作用，荧光粉直接涂覆在led芯片这种实施方式会降低取光效率，并且，芯片产生的高温会使荧光粉的量子效率显著下降，影响封装的流明效率。

进一步地，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种在led芯片上形成多层硅胶层的工艺流程图，该工艺包括：

在所述热沉(21)上制备第一硅胶层(22)；

在所述第一硅胶层(22)上制备第一透镜层(23)；

在第一透镜层(23)上制备第二硅胶层(24)；

在所述第二硅胶层(24)上制备第三硅胶层(25)；

在所述第三硅胶层(25)制备第二透镜层(26)；

在所述第二透镜层(26)上制备第四硅胶层(27)。

优选地，在本实施方式中，第一硅胶层(22)、第一透镜层(23)、第二硅胶层(24)、第三硅胶层(25)、第二透镜层(26)及第四硅胶层(27)的折射率依次增加。采用多层不同折射率的硅胶，可以保证led芯片的能够更多的透过封装材料照射出去，有对led芯片发出的光有更好的聚集效果，满足了对聚光要求高的场所的需求，并且无需采用外部透镜进行二次整形，降低了成本。

进一步地，在上述实施方式的基础上，请参考图6a-图6e，图6a-图6e为本发明实施例提供的一种在芯片上生成球型硅胶层的工艺流程示意图。在所述第一硅胶层(22)上制备第一透镜层(23)，具体可以为：

请参见图6a，选择第一透镜模具和第二透镜模具，所述第一透镜模具和第二透镜模具形状相同且均包括多个半球形凹槽；

将所述第一透镜模具的多个半球形凹槽与所述第二透镜模具的多个半球形凹槽相对放置，形成多个中空的球型凹槽；

在所述多个中空的球型凹槽中填满硅胶并进行烘烤，形成多个球状硅胶透镜；

去除所述第一透镜模具；具体请参见图6b；

将所述多个球状硅胶透镜压制于所述第一硅胶层上，具体请参见图6c；固化去除所述第二透镜模具，以在所述第一硅胶层上制备第一透镜层，具体请参见图6d。可选的，请参见图6e，还在第一透镜层上形成第二硅胶层。

进一步地，在上述实施方式的基础上，在所述第三硅胶层(25)制备第二透镜层(26)，包括：

选择第三透镜模具和第四透镜模具，所述第三透镜模具和第四透镜模具形状相同且各种均包括多个半球形凹槽；

将所述第三透镜模具的多个半球形凹槽与所述第四透镜模具的多个半球形凹槽相对放置，形成多个中空的球型凹槽；

在所述多个中空的球型凹槽中填满硅胶并进行烘烤，形成多个球状硅胶透镜；

随后去除所述第三透镜模具；

将所述多个球状硅胶透镜压制于所述第三硅胶层(25)上，固化去除所述第四透镜模具，以在所述第三硅胶层(25)制备第二透镜层(26)。

在所述第三硅胶层(25)制备第二透镜层(26)的工艺，与在所述第一硅胶层(22)上制备第一透镜层(23)的工艺有诸多类似之处，本文不做赘述。

进一步地，在上述实施方式的基础上，第一透镜层(23)、第二硅胶层(24)、第三硅胶层(25)、第二透镜层(26)及第四硅胶层(27)中至少一层含有红色荧光粉，至少一层含有绿红色荧光粉，至少一层含有蓝色荧光粉。

本实施方式采用红色、绿色和蓝色这三种原色的荧光粉的比例可以调节出射光线的颜色，满足不同场所的需求。在一种实施方式中，红色荧光粉的材料可以为y2o2s:eu³⁺，对应光波的波长为626nm；蓝色荧光粉的材料可以为sr5(po4)3cl:eu²⁺，对应光波的波长为447nm；绿色荧光粉的材料可以为bamgal10o17:eu²⁺,mn²⁺，对应光波的波长515nm。

本实施方式通过在硅胶层中放置荧光粉，而不是将荧光粉直接涂覆在led芯片上，避免了led芯片对后向散射光线的吸收，提高了封装的取光效率。此外，采用本实施方式，还避免了led芯片产生的高温使荧光粉的量子效率显著下降的问题，从而避免了led芯片流明效率的损伤。优选地，与led芯片接触的第一硅胶层为耐高温的硅胶层，解决了硅胶老化发黄引起的透光率下降的问题。

请参见图7a-图7b，图7a-图7b为本发明实施例提供的一种半球形硅胶层分布示意图，图7a中的半球形硅胶层呈矩形均匀分布于第一硅胶层和第三硅胶层之间；图7b中的半球形硅胶层呈菱形均匀分布于第一硅胶层和第三硅胶层之间。半球形硅胶层可以呈矩形均匀排列，或者菱形交错排列；可以保证光源的光线在集中区均匀分布。

本实施方式中，上下两层透镜可以对齐排列也可以交错排列，两种排列各具优点：对齐排列时，从第一透镜层(23)出射的光经过折射后聚拢至第二透镜层(26)，再通过第二透镜层(26)会将之前的聚拢效应降低，以适用于对聚光效应要求低的场所。而在交错排列时，第二透镜层(26)会将之前的聚拢效应增强(即，再聚拢一次)，以适用于对聚光效应要求高的场所。

本发明提供的球型透镜的优点还包括：球型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第四硅胶层(27)之外，增大了led器件的外量子效率，提高led的发光效率。

本发明提供的led封装结构及其方法，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，使光源发出的光能够更加集中；其中，通过对各硅胶层折射率大小的控制，可以保证led芯片的能够更多的透过封装材料照射出去。

本实施例对本发明提供的led芯片的封装方法做进一步说明。

请再次参见图3，在图3所示的热沉(21)中，热沉(21)的宽度w为0.5毫米～10毫米，圆形通孔直径r为0.2毫米～1毫米，相连两个圆形通孔的间距l2为0.5毫米～10毫米，热沉(21)的厚度d和长度l，起始圆形通孔距热沉壁的距离l1可根据工艺条件自行确定，本发明在此不做限制。

优选地，本实施方式采用的热沉(21)的厚度较厚，因此热沉不会因高温变形导致其与外设散热设备的贴合度降低而影响散热效果。

在本实施例中，第一硅胶层(22)设置于热沉(21)之上，第一透镜层(23)及第二透镜层(26)均呈球状，每个球的半径r为5微米～100微米，相邻两个球的间距为10微米～200微米，第一硅胶层的厚度＞3微米。两个球的间距根据工艺条件尽量缩小，优选地，两个球的间距为10微米，热沉(21)的厚度d为90微米～140微米。

本实施方式中，第一透镜层(23)及第二透镜层(26)呈球状形成凸凸镜，为了保证光从透镜出射后为聚拢状态而非发散状态，两层球形透镜之间的距离应该小于两倍焦距。本实施方式提供一种估算焦距的简易方法：设第一硅胶层(22)及第二硅胶层(24)的折射率相似均为n1，第一透镜层(23)的折射率为n2，则焦距f＝r/2(n2-n1)，那么，本实施方式中，0≤两层球形透镜之间的距离≤r/(n2-n1)，进而实现较好的聚光效果。

本实施方式中，两层球形透镜之间的距离指第一透镜层(23)上的任一点与所述第二透镜层(26)上的任一点之间的最短距离，也就是所述第一透镜层(23)的上顶点(距所述第一硅胶层(22)最近的点)与所述第二透镜层(26)的下顶点(距所述第一硅胶层(22)最远的点)之间的距离。

此外，对于第四硅胶层(27)的形状，可采用扁平形，半球形或抛物面形。其中，半球形出光角最大，适合于普通照明应用；抛物面形出光角最小，适合于局部照明应用；而扁平形介于前两者之间，适合于指示照明。

其中，第一硅胶层(22)的材料可以为环氧树脂或者改性环氧树脂；第一透镜层(23)的材料可以为聚碳酸脂；第二硅胶层(24)、第三硅胶层(25)的材料可以是有机硅材料。第二透镜层(26)的材料可以是聚甲基丙烯酸甲脂或者玻璃；第四硅胶层(27)材料可以是甲基硅橡胶(折射率为1.41)或苯基有机硅橡胶(折射率为1.54)。

请参考图8，图8为本发明实施例提供的另一种led封装方法流程示意图，在该封装流程中，首先准备好led芯片、支架/热沉，配置好硅胶，并在硅胶中预先配置好荧光粉胶，可以根据具体led灯具指标要求，配置对应颜色的荧光粉，并荧光粉与各个硅胶进行混合，混合后进行颜色测试以满足led灯的颜色要求。

随后，将支架/热沉进行清洗，为了进行封装，支架与热沉必须保持清洁，需要将上面的污渍、尤其是油渍清洗干净，并进行烘烤，保持支架和热沉(21)的干燥。

随后需对芯片进行焊接，在支架和热沉清洗完成之后，对芯片的引线进行焊接，焊接采用标准的回流焊工艺，具体工艺包括：印刷焊料、固晶检验和回流焊接。

随后是制备透镜和硅胶灌封阶段，通过反复的涂覆硅胶、模具按压、短时间烘烤固定、去除模具、长时间烘烤，实现硅胶层的定型。短时间烘烤可在90-125℃范围内，烘烤15-60分钟；长时间烘烤和在100-150℃范围内，烘烤4-12小时。

最后，制备完成的led还需要进行检测和包装，以最终完成led的封装。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明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。