專利名稱：一種反光杯及其在led封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于LED封裝技術，涉及LED封裝中的一種反光杯及其在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法，特別應用于LED封裝中的熒光粉保形涂覆和遠離涂覆的熒光粉層形貌的控制。
背景技術：
LED (Light Emitting Diode)是一種基于P_N結電致發(fā)光原理制成的半導體發(fā)光器件，具有電光轉換效率高、使用壽命長、環(huán)保節(jié)能、體積小等優(yōu)點，被譽為21世紀綠色照明光源，如能應用于傳統(tǒng)照明領域將得到十分顯著的節(jié)能效果，這在全球能源日趨緊張的當今意義重大。隨著以氮化物為代表的第三代半導體材料技術的突破，基于大功率高亮度發(fā)光二極管(LED)的半導體照明產業(yè)在全球迅速興起，正成為半導體光電子產業(yè)新的經濟增長點，并在傳統(tǒng)照明領域引發(fā)了一場革命。LED由于其獨特的優(yōu)越性，已經開始在許多領域得到廣泛應用，被業(yè)界認為是未來照明技術的主要發(fā)展方向，具有巨大的市場潛力。大功率白光LED通常是由兩波長光(藍色光+黃色光)或者三波長光(藍色光+ 綠色光+紅色光)混合而成。目前廣泛采用的白光LED是通過藍色LED芯片(GaN)和黃色熒光粉(YAG或TAG)組成。在LED封裝中熒光粉的幾何形貌嚴重影響LED的出光效率、色溫、空間顏色均勻性等重要光學性能；在LED封裝過程中實現理想的熒光粉層形貌至關重要。LED封裝最常用的熒光粉涂覆方式是通過點膠機將注射器中的熒光粉膠涂覆在 LED芯片周圍，熒光粉呈現球冠型，在實際的使用過程中常常會出現黃色的光斑。為了改善熒光粉點涂帶來的空間顏色不均勻性和提高LED的出光效率，熒光粉的保形涂覆和遠離涂覆是LED中較為理想涂覆方式。目前實現保形涂覆技術一般較為復雜，一些技術存在環(huán)保等問題，且成本較高，所以尋找一種工藝簡單、低成本、熒光粉分布均勻的涂覆方式在LED 封裝中非常重要。國內外對LED中熒光粉的遠離涂覆進行研究，通過光學模擬證實遠離涂覆可以有效的提高LED的出光效率，并且提出了多種理想的熒光粉幾何形狀；但是這些工作都僅僅是通過模擬的手段或者在封裝之前通過模具制作設計幾何形狀的熒光粉層，目前還沒有出現應用工業(yè)LED封裝的成熟技術，所以尋一種簡單，低成本的LED熒光粉遠離涂覆技術對于LED封裝同樣至關重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種反光杯及其在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法，可以有效的實現熒光粉硅膠的均勻涂覆和遠離涂覆中硅膠的形貌控制。本發(fā)明提供的一種反光杯，其特征在于，反光杯為單層錐孔形或兩層階梯錐孔形， 單層錐孔形反光杯壁面與水平面成夾角α，兩層階梯錐孔結構上下錐孔壁面與水平面成夾角分別為β β 2 ； α、β π β 2的取值范圍均為0° 90°。
上述反光杯在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法，其特征在于，根據LED封裝所采用的涂覆方式選擇相應的過程進行保形涂覆在完成固定LED芯片和電路連接工序后，在反光杯中加入濃度為 0. 01g/ml 5. Og/ml的熒光粉膠，采用的反光杯的錐角與熒光粉膠在反光杯內壁上接觸角相等，熒光粉膠滴入反光杯中后，在反光杯中將形成厚度均勻的熒光粉層，達到保形涂覆的效果；遠離涂覆在完成固定LED芯片和電路連接工序后，在反光杯中先加入膠材，在兩層階梯錐孔結構的反光杯中，膠材的量少于反光杯的下錐孔的容積；再在反光杯中加入濃度為0. 01g/ml 5. Og/ml的熒光粉膠，單層錐孔反光杯中要求熒光粉膠層上界面低于反光杯頂面，在兩層階梯錐孔結構的反光杯中加入熒光粉膠的量使熒光粉層上界面位于上錐孔中，但熒光粉膠層上界面低于反光杯上錐孔結構的頂面，其中反光杯的錐角根據膠材在反光杯上的接觸角和要求實現的熒光粉膠層的形狀來確定，熒光粉膠將反光杯中形成遠離涂覆。本發(fā)明通過反光杯的錐角和形狀的設計和加工，利用該方法可以通過點膠機加注射器點膠或者噴涂等簡單的方式就能實現同其他復雜保形涂覆技術相同的熒光粉均勻分布的效果；該方法也可以被用于遠離涂覆中，形成良好光學性能的熒光粉幾何形貌。由于這種方法僅僅對LED中的反光杯的結構進行設計，熒光粉的涂覆方式和目前工業(yè)中廣泛采用 LED熒光粉點涂相同，所以能夠很快地應用于工業(yè)中大規(guī)模的LED封裝，提升LED光源的出光效率、色溫、空間顏色均勻性等重要光學性能。


圖1為反光杯的結構示意圖，其中(a)為單層錐孔形結構，(b)為兩層階梯錐孔形結構；圖2為熒光粉膠在平板上接觸角示意3為第一實施例示意圖；圖4-8為第二實施例的過程示意圖；圖9-10為第三實施例的過程示意圖。圖中符號說明ILED反光杯 2LED芯片3焊料層4金線5LED支架6盛有熒光粉膠的注射器7熒光粉膠層 8盛有膠材的注射器 9膠材層
具體實施例方式如圖1(a)、(b)所示，反光杯的結構為單層錐孔形或兩層階梯錐孔形，單層錐孔形反光杯壁面與水平面成夾角α，兩層階梯錐孔結構上下錐孔壁面與水平面成夾角分別為 β ” β 2 ；其中錐孔的形狀可以是圓臺，四棱臺，五棱臺等錐形結構。 所使用的反光杯材質可以使金屬、塑料材質或者其它材質。所采用的反光杯的錐角(SP α、 ^，β2)的范圍為0° 90°。反光杯的內壁面為反光層，反光層的材料可以為銀或其它的反光材料。
反光杯可以通過沖壓，線切割，鑄造等其它機械加工方式實現。反光杯在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法為保形涂覆將熒光粉加入膠材中，并混合均勻，調節(jié)熒光粉和膠材之間的比例，配比濃度為0. 01g/ml 5. Og/ml的熒光粉膠，在完成固定LED芯片和電路連接工序后，以點涂或噴涂等其它方式在反光杯中加入預先混合均勻熒光粉膠，熒光粉的濃度為上述配置的濃度范圍中；為了達到保形涂覆的效果，采用的反光杯的錐角必須與熒光粉膠在反光杯內壁上接觸角相等，其中接觸角取決于膠材和反光杯內壁面采用的材料。具體的獲取熒光粉膠在反光杯內壁上接觸角方法為，將熒光粉膠滴在反光杯內壁材料的平板上，通過高倍顯微鏡測量在液滴外表面與平板接觸處液面切向和平板之間的夾角，該角即為熒光粉膠在反光杯內壁上接觸角，如圖2所示的角θ。熒光粉膠滴入反光杯中后，在反光杯中將形成厚度均勻的熒光粉層，達到保形涂覆的效果，其中反光杯中熒光粉層的厚度可以從幾十微米 (如70μπι)至反光杯的深度，對于不同光學性能要求的熒光粉層厚度有所不同；可以通過預先計算反光杯中預期達到的熒光粉層厚度的熒光粉膠體積，再控制注射器中滴入反光杯中的熒光粉膠的量實現具體厚度的熒光粉層；通過后續(xù)的加裝透鏡和注膠工序完成LED的封裝。遠離涂覆將熒光粉加入膠材中，并混合均勻，調節(jié)熒光粉和膠材量，配比濃度為 0. 01g/ml 5. Og/ml的熒光粉膠，在完成固定LED芯片和電路連接工序后，在反光杯中先加入膠材，單層錐孔反光杯中，膠材層的厚度可以從幾十微米至反光杯的深度，通過加入的膠材的量來控制膠材層的厚度；在兩層階梯錐孔結構的反光杯中，膠材的量少于反光杯的下錐孔的容積，通過控制加入反光杯杯的膠材量實現具體的膠材層的厚度。再加入熒光粉膠，熒光粉膠中的熒光粉的濃度在上述配置的濃度范圍中；熒光粉層的厚度可以從幾十微米(如70μπι)至反光杯的深度，對于不同光學性能要求的熒光粉層厚度有所不同，通過控制熒光粉膠加入的量實現具體厚度的熒光粉層。但加入反光杯中的熒光粉膠的量應控制在以下范圍內單層錐孔反光杯中要求熒光粉膠層上界面低于反光杯頂面，在兩層階梯錐孔結構的反光杯中加入熒光粉膠的量使熒光粉層上界面位于上錐孔中，但熒光粉膠層上界面低于反光杯上錐孔結構的頂面。其中反光杯的錐角根據膠材在反光杯上的接觸角和要求實現的熒光粉膠層的形狀來確定。在單層錐孔形結構的反光杯中，當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面為凸形，反光杯的錐角少于膠材在反光杯內壁上的接觸角，且錐角越小于接觸角，凸形界面的曲率越大；當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面平整，反光杯的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面為凹形，反光杯的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角，且錐角越大于接觸角，凹形界面的曲率越大。在兩層階梯錐孔形結構的反光杯中，當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面為凸形，反光杯的下錐孔的錐角少于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面平整，反光杯的下錐孔的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面為凹形， 反光杯的下錐孔的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面為凸形，反光杯的上錐孔的錐角少于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面平整，反光杯的上錐孔的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面為凹形，反光杯的上錐孔的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角。 上述兩層階梯錐孔反光杯中要求達到的凹、凸熒光粉層界面曲率越大，反光杯的錐角與接觸角之間的差值應該越大。熒光粉膠將反光杯中將形成遠離涂覆，通過上述的控制反光杯的錐角實現凸、凹或平整的熒光粉膠層；通過后續(xù)的加裝透鏡和注膠工序完成LED的封裝。用于封裝的LED芯片可以是GaN等二元材料或者AlGaNP等四元材料組成和其它
-H-· I I心片。熒光粉膠中的熒光粉可以是YAG和TAG等所有LED封裝采用的熒光粉。配置熒光粉膠使用膠材可以是硅膠、環(huán)氧樹脂和液態(tài)玻璃等膠材組成。熒光粉膠中熒光粉的濃度可以是0. 01g/ml 5. Og/ml。膠材和熒光粉膠轉移到反光杯中的途徑可通過注射器滴涂，噴涂。該方法可以適用于支架式、板上芯片、陣列式和系統(tǒng)封裝等LED封裝形式。下面通過借助實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。實施例1參見圖3，設計和加工帶有錐角的反光杯1，反光杯的形狀為圓臺，反光杯材質為金屬銅，在反光杯內壁面濺射銀，形成反光面，反光杯內壁面與水平面所成夾角為30° ；將 LED芯片2通過焊料3固定在反光杯底部的中心處，金線4將LED芯片與LED支架5相連， 形成連通的電路。通過點膠機將注射器6中的熒光粉膠滴入反光杯中，熒光粉膠中的膠材為硅膠，熒光粉為YAG熒光粉，加入反光杯的熒光粉膠的量為反光杯體積的1/2。熒光粉膠 7在反光杯中達到平衡狀態(tài)后，放入烘烤箱中固化，完成熒光粉的保形涂覆工序。上述實驗過程進行多次，每次實驗過程中采用不同濃度的熒光粉膠，熒光粉濃度分別為0. 01g/ml、
0.2g/ml、l. Og/ml,2. Og/ml,5. Og/ml ；各次實驗達到相同的熒光粉層形貌，如圖3所示，在反光杯中形成均勻分布在LED芯片上界面的熒光粉層(如圖3所示)。實施例2參見圖4-8，設計和加工帶有錐角的反光杯1，反光杯的形狀為四棱臺，反光杯的材質為金屬銅，在反光杯的內壁面濺射銀，形成反光面，反光杯內杯壁與水平方向所成夾角分別為 α i = 10°，α 2 = 30°，α 3 = 60°，α 4 = 0°，α 5 = 90° ；將LED芯片2通過焊料3固定在反光杯底部的中心處，金線4將LED芯片與LED支架5相連，形成連通的電路。通過點膠機將注射器8內不含熒光粉的膠材滴入反光杯中，膠材為硅膠，膠材的量為反光杯容積的1/3，膠材9在反光杯中達到平衡狀態(tài)后，放入烘烤箱中固化；通過點膠機將注射器6中的熒光粉膠滴入已固化硅膠層7的反光杯中，熒光粉膠中采用的膠材為硅膠，熒光粉膠的量為反光杯容積的1/2，達到平衡后放入烤箱中，完成遠離涂覆的工序。在上述不同錐角的反光杯中，上述實驗過程進行多次，每次實驗過程中采用不同濃度的熒光粉膠，熒光粉濃度分別為0. 01g/ml、0. 2g/ml、
1.Og/ml,2. Og/ml,5. Og/ml ；通過上述的實驗過程在反光杯中實現熒光粉的遠離涂覆，并且不同熒光粉濃度的熒光粉膠在反光杯中形成相同的熒光粉層形貌，如圖4-8所示。在不同錐角的反光杯中，熒光粉層的形貌不同當錐角為Ci1 = 10°時，在反光杯中形成上下表面遠離LED芯片、凸起的熒光粉層(如圖4)，當Ci2 = 30°時，形成上下表面平整的熒光粉層 (如圖5)，當Ci3 = 60°時，形成上下表面靠近LED芯片、凹陷的熒光粉層(如圖6)，當Ci4 =0°即沒有反光杯進行LED封裝，形成熒光粉層上下表面的凸起曲率比Ci1 = 10°時的大 (如圖7)；同樣當Ci5 = 90°時，在反光杯中會形成上下表面凹陷的熒光粉層，凹陷曲率比
6α3 = 60°時形成的大(如圖8)。實施例3參見圖9-10，設計和加工帶有錐角的反光杯1，反光杯由上下不同錐角的兩錐孔結構組成，反光杯的形狀是圓臺，反光杯的材質為金屬銅，在反光杯的內壁面濺射銀，形成反光面。圖9中反光杯的上、下錐孔內杯壁與水平方向所成夾角為P1 = 60°，β2 = 30°， 圖10中反光杯的上、下錐孔內杯壁與水平方向所成夾角= 20°，β2 = 10° ；將LED芯片2通過焊料3固定在反光杯底部的中心處，金線4將LED芯片與LED支架5相連，形成連通的電路。通過點膠機將注射器8內不含熒光粉的膠材滴入反光杯中，膠材材質為硅膠， 膠材的量為反光杯下錐孔容積的1/2，膠材9在反光杯中達到平衡狀態(tài)后，放入烘烤箱中固化；再通過點膠機將注射器6中的熒光粉膠滴入已固化硅膠層7的反光杯中，熒光粉膠中采用的膠材為硅膠，控制熒光粉膠的量，使得熒光粉層上界面至上錐孔深度的一半位置，達到平衡后放入烤箱中，完成在兩層階梯錐孔中的遠離涂覆。在上述的兩種不同錐角的反光杯中，上述實驗過程進行多次，使用的熒光粉濃度分別為0. 01g/ml、0. 2g/ml、l. 0g/ml、2. Og/ ml,5. Og/ml ；在上述的反光杯中實現熒光粉的遠離涂覆，并且不同熒光粉濃度熒光粉膠在反光杯達到相同的熒光粉層形貌，如圖9-10所示。如圖9所示，在^和β2分別為60° 和30°的反光杯中形成上界面為凹形，下界面平整的熒光粉層；如圖10所示，在^和β2 分別為20°和10°的反光杯中形成上、下界面均為凸形的熒光粉層。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1.一種反光杯，其特征在于，反光杯為單層錐孔形或兩層階梯錐孔形，單層錐孔形反光杯壁面與水平面成夾角α，兩層階梯錐孔結構上下錐孔壁面與水平面成夾角分別為β2，α、 ^，β2的取值范圍均為0° 90°。
2.根據權利要求1所述的反光杯，其特征在于，所述錐孔形為圓臺、四棱臺或五棱臺。
3.權利要求1所述的反光杯在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法，其特征在于，根據LED封裝所采用的涂覆方式選擇相應的過程進行保形涂覆在完成固定LED芯片和電路連接工序后，在反光杯中加入濃度為0. Olg/ m廣5. Og/ml的熒光粉膠，采用的反光杯的錐角與熒光粉膠在反光杯內壁上接觸角相等，熒光粉膠滴入反光杯中后，在反光杯中將形成厚度均勻的熒光粉層，達到保形涂覆的效果；遠離涂覆在完成固定LED芯片和電路連接工序后，在反光杯中先加入膠材，在兩層階梯錐孔結構的反光杯中，膠材的量少于反光杯的下錐孔的容積；再在反光杯中加入濃度為 0. 01g/m廣5. Og/ml的熒光粉膠，單層錐孔反光杯中要求熒光粉膠層上界面低于反光杯頂面，在兩層階梯錐孔結構的反光杯中加入熒光粉膠的量使熒光粉層上界面位于上錐孔中， 但熒光粉膠層上界面低于反光杯上錐孔結構的頂面，其中反光杯的錐角根據膠材在反光杯上的接觸角和要求實現的熒光粉膠層的形狀來確定，熒光粉膠將反光杯中形成遠離涂覆。
4.一種權利要求3所述的方法，其特征在于，在遠離涂覆中，在單層錐孔形結構的反光杯中，當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面為凸形，反光杯的錐角少于膠材在反光杯內壁上的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面平整，反光杯的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上、下界面為凹形，反光杯的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角；在兩層階梯錐孔形結構的反光杯中，當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面為凸形，反光杯的下錐孔的錐角少于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面平整，反光杯的下錐孔的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的下界面為凹形，反光杯的下錐孔的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角； 當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面為凸形，反光杯的上錐孔的錐角少于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面平整，反光杯的上錐孔的錐角等于膠材與反光杯內壁的接觸角；當要求遠離涂覆中熒光粉的上界面為凹形，反光杯的上錐孔的錐角大于膠材與反光杯內壁的接觸角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反光杯及其在LED封裝中控制熒光粉層幾何形狀的方法。反光杯的結構為錐孔形或兩層不同錐角的錐孔組合形，單層錐孔形反光杯內壁面與水平面所成夾角α，兩層錐孔結構上下錐孔壁面與水平面成夾角分別為β1，β2；其中錐孔的形狀可以是圓臺，四棱臺，五棱臺等錐形結構。在特定錐角的反光杯中將形成厚度均勻的熒光粉層，以達到保形涂覆的目的；或在不同錐角或者兩層錐孔結構反光杯中先加入不含熒光粉的膠材，再加入熒光粉膠，將形成遠離涂覆，并可以能通過反光杯來精確控制遠離涂覆中熒光粉層的幾何形貌。該方法具有簡單，低成本，高效地控制LED熒光粉幾何形貌的優(yōu)點。
文檔編號H01L33/50GK102227011SQ20111012345
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權日2011年5月13日
發(fā)明者余珊, 劉勝, 羅小兵, 鄭懷, 陳明祥 申請人:華中科技大學