一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝的制作方法
【專利摘要】一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝，它的流程包括：制作模具、配置熒光粉膠、共晶并清洗去雜質(zhì)、固定、點涂熒光粉膠、固化和脫模，通過模具在熒光粉膠層的上表面做同心圓凹槽處理，同心圓夾角從內(nèi)到外角度從小到大遞增擴張，使熒光粉膠層形成一定尺寸和形狀的微結(jié)構(gòu)圖形來提高LED的出光效率及改善光斑。其能有效提高出光效率及改善光斑。
【專利說明】一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及LED封裝領域，尤其涉及一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝。
【背景技術】
[0002]大功率發(fā)光二極管具有光效高、體積小、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，已成為未來照明技術的主要發(fā)展方向。提高大功率LED的取光效率一直是LED封裝業(yè)界不斷研究和突破的焦點問題，LED封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料對于取光效率都有很大的影響。根據(jù)目前實現(xiàn)白光LED的封裝工藝，芯片表面一般會直接涂覆熒光粉，由于芯片材料的折射率一般為2.4左右，比現(xiàn)有的熒光粉、硅膠等封裝材料(折射率1.54)大，因此從芯片有源層發(fā)出的光入射到芯片和封裝材料的界面時，會發(fā)生全反射，導致全反射的入射光線會在芯片中不停地振蕩，增加了能量損失，同時也降低了取光效率。因此，人們從兩個方面進行了改進以提高LED的取光效率:1、芯片出光面表面處理:在芯片表面進行表面粗化，使光線盡量多的從芯片表面射出；2、封裝材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計:減少由全反射引起的光線在芯片中的多重反射吸收，從而提高取光效率。封裝材料主要是指熒光粉和硅膠，混合后形成的熒光粉膠層的形貌結(jié)構(gòu)和位置對于LED的取光效率有很大的影響。針對熒光粉直接涂覆在芯片表面帶來的后向散射吸收降低取光效率的問題，美國Rensselaer理工學院的Schubert等人把熒光粉層遠離芯片并對反光杯內(nèi)壁進行珠化處理，以及上?？萍即髮W的李柏承等人通過實現(xiàn)多層熒光粉層遠離式封裝結(jié)構(gòu)，其提高取光效率及改善光斑的效果都一般。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術問題，提供一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝，其能有效提高出光效率及改善光斑。
[0004]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
熒光粉膠層上表面是與芯片上表面平行的平面結(jié)構(gòu)，由于熒光粉膠層厚度為30um-300um，當光線入射到熒光粉膠層與空氣的界面時，會出現(xiàn)全反射，導致部分光線被熒光粉多重吸收和散射以及基板材料的反射吸收，造成能量損失，降低取光效率。發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，在LED封裝材料上，如熒光粉層、硅膠等出光表面制作加工一定尺寸和形狀的微結(jié)構(gòu)能夠提高LED的出光效率。在熒光粉膠層表面制作微結(jié)構(gòu)，從而打破入射到封裝材料和空氣界面的全反射，提高取光效率。熒光粉膠層表面的微結(jié)構(gòu)不僅能夠減少光線在熒光粉膠層與空氣界面的全反射，而且能夠提高藍光的使用效率，從而提高了熒光粉發(fā)射光的取光效率，發(fā)明人經(jīng)大量實驗證明，相對于上表面平整的熒光粉膠層的LED和安裝有透鏡的LED,出光效率分別提高了 15.4%和12.5%以上。
[0005]本發(fā)明的封裝工藝主要包括:制作微結(jié)構(gòu)模具(即在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓的微結(jié)構(gòu)圖形)、配置熒光粉膠、共晶并清洗去雜質(zhì)、固定、熒光粉膠涂覆、外透鏡的制作及固化和脫模，其關鍵為在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓的微結(jié)構(gòu)圖形。由于LED模具法熒光粉膠是1.41折射率，熒光粉膠層表面同心圓形成的水平夾角根據(jù)折射原理必須小于45° ;表面微結(jié)構(gòu)圖形的LED封裝模塊采用機械數(shù)控加工技術在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓凹槽微結(jié)構(gòu)；同心圓凹槽微結(jié)構(gòu)形成在熒光粉膠層上表面，熒光粉膠層四周為平面結(jié)構(gòu)。
[0006]在上述采用機械數(shù)控加工技術在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓凹槽結(jié)構(gòu)中，表面微結(jié)構(gòu)的LED封裝模塊的同心圓夾角從小到大、由內(nèi)向外遞增擴散。根據(jù)不同晶片面積改變夾角角度遞進量，晶片面積越大每相鄰夾角變量越小，晶片面積越小每相鄰夾角變量越大。比如，LED芯片尺寸是1160um*1160um，通過金屬模具表面加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是(10° 12° 15° 18° 21° 25° 28° 30° 32° 34° 36° 39° 43° )遞增擴散；若晶片尺寸是900um*900um，通過金屬模具表面加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是(10° 13° 16° 21° 26° 30° 33° 36° 41° )遞增擴散，夾角變量較大；若晶片尺寸是1500um*1500um，通過金屬模具表面加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是(8° 10° 12° 15° 18° 21° 25° 28° 31° 34° 38° 42° )遞增擴散，夾角變量較小。在不同應用中，根據(jù)不同發(fā)光面積改變同心圓凹槽夾角遞進變量的大小。
[0007]在本發(fā)明中，所述LED模具法熒光粉膠可以是1.3-2.5任意折射率，但熒光粉膠層上表面同心圓形成的水平最大夾角必須根據(jù)折射定律計算，避免內(nèi)折射，最大化提升出光效率。
[0008]本發(fā)明的有益效果是通過在封裝的工藝過程中，使熒光粉膠層上表面形成夾角從小到大、由內(nèi)向外遞增擴散的同心圓凹槽的微結(jié)構(gòu)圖形，其能有效提高出光效率及改善光斑。
【具體實施方式】
[0009]以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步描述。
[0010]實施例1:LED 芯片尺寸 1160um*1160um。
[0011]第一步:制作微結(jié)構(gòu)模具。采用機械數(shù)控加工技術在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓凹槽結(jié)構(gòu)，加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是10° -12° -15° -18° -21° -25° -28° -30° -32° -34° -36° -39° -43° 的遞增擴散。
[0012]第二步:是將晶片和陶瓷基板共晶好的材料進行等離子清洗，去除表面雜質(zhì)。
[0013]第三步:是將金屬模具和已共晶的硅片固定。固定前必須對金屬模具表面涂覆脫模劑，防止熒光粉膠與金屬模具粘合影響后續(xù)的脫模工藝，脫模劑使用的是由原液(58%)石蠟油(32%)水(8%)等按照嚴格的比例調(diào)劑而成，原液是由硅油組成的。在噴涂第一次脫模劑前，應先清理干凈模具，于金屬模具表面均勻噴涂上三至五次脫模劑，每次噴涂須在120°C高溫下烘干，需待脫模劑干透才噴涂，以便在金屬模具表面得到很好的薄膜層。特別是方孔的內(nèi)壁，確保使脫模劑在方孔內(nèi)壁形成一層薄膜，待金屬模具冷卻后使用。然后在顯微鏡的觀察下，將金屬模具上的方孔與硅片上每顆芯片的位置一一對應，保證芯片位于方孔的中間位置，晶片距方孔周圍30um，再用夾具固定住金屬模具和硅基，防止其相對移動，將固定好的金屬模具和硅片放在一個相對水平的工作臺上。
[0014]第四步:點涂熒光粉膠。將自制熒光膠水與黃色YAG熒光粉混合(比例為:膠水:熒光粉=1.5:1 )，攪拌均勻后倒入美式針管使用離心脫泡工藝完成膠水脫泡，然后再將盛有混和好熒光粉膠的美式針管連接到氣動點膠機上，調(diào)節(jié)點膠機針頭位置，使針頭出膠孔對準金屬模具方孔中的芯片，然后用計量控制使方孔中充滿黃色熒光粉膠，待熒光粉膠流動穩(wěn)定后再用刮板輕輕刮去方孔表面多余的熒光粉膠。
[0015]第五步:用刮刀將熒光粉膠層表面刮平整后將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具放在熒光粉膠層上表面，使模具上的微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到熒光粉膠層表面。在使用前用丙酮將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具徹底清洗，再用氮氣吹干，在清洗過程中注意防止破壞微結(jié)構(gòu)模具表面微結(jié)構(gòu)圖形。
[0016]第六步:固化和脫模。將已涂覆有熒光粉膠的硅基LED連同所有模具一起放入固化箱中，對熒光粉膠進行固化。待硅基和模具冷卻至室溫后，先將微結(jié)構(gòu)模具剝除，再將熒光粉膠成型的金屬模具剝離，由于模具表面有一層脫模劑薄膜，可以將模具從娃基表面直接取下，保證熒光粉膠的完整性。這樣就完成了模具法熒光粉膠層的表面微結(jié)構(gòu)處理，熒光粉膠層就形成了表面微結(jié)構(gòu)工藝。
[0017]第七步:將成型的涂覆熒光粉膠層長烤固化后進行球面外封膠保護作業(yè)。
[0018]實施例2:LED晶片尺寸是900um*900um。
[0019]第一步:制作微結(jié)構(gòu)模具。采用機械數(shù)控加工技術在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓凹槽結(jié)構(gòu)，加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是10° -13° -
16。-21。-26。-30。-33。-36。-41。的遞增擴散。
[0020]第二步:是將晶片和陶瓷基板共晶好的材料進行等離子清洗，去除表面雜質(zhì)。
[0021]第三步:是將金屬模具和已共晶的硅片固定。固定前必須對金屬模具表面涂覆脫模劑，防止熒光粉膠與金屬模具粘合影響后續(xù)的脫模工藝，脫模劑使用的是由原液(58%)石蠟油(32%)水(8%)等按照嚴格的比例調(diào)劑而成，原液是由硅油組成的。在噴涂第一次脫模劑前，應先清理干凈模具，于金屬模具表面均勻噴涂上三至五次脫模劑，每次噴涂須在120°C高溫下烘干，需待脫模劑干透才噴涂，以便在金屬模具表面得到很好的薄膜層。特別是方孔的內(nèi)壁，確保使脫模劑在方孔內(nèi)壁形成一層薄膜，待金屬模具冷卻后使用。然后在顯微鏡的觀察下，將金屬模具上的方孔與硅片上每顆芯片的位置一一對應，保證芯片位于方孔的中間位置，晶片距方孔周圍30um，再用夾具固定住金屬模具和硅基，防止其相對移動，將固定好的金屬模具和硅片放在一個相對水平的工作臺上。
[0022]第四步:點涂熒光粉膠。將自制熒光膠水與黃色YAG熒光粉混合(比例為:膠水:熒光粉=1.5:1 )，攪拌均勻后倒入美式針管使用離心脫泡工藝完成膠水脫泡，然后再將盛有混和好熒光粉膠的美式針管連接到氣動點膠機上，調(diào)節(jié)點膠機針頭位置，使針頭出膠孔對準金屬模具方孔中的芯片，然后用計量控制使方孔中充滿黃色熒光粉膠，待熒光粉膠流動穩(wěn)定后再用刮板輕輕刮去方孔表面多余的熒光粉膠。
[0023]第五步:用刮刀將熒光粉膠層表面刮平整后將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具放在熒光粉膠層上表面，使模具上的微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到熒光粉膠層表面。在使用前用丙酮將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具徹底清洗，再用氮氣吹干，在清洗過程中注意防止破壞微結(jié)構(gòu)模具表面微結(jié)構(gòu)圖形。
[0024]第六步:固化和脫模。將已涂覆有熒光粉膠的硅基LED連同所有模具一起放入固化箱中，對熒光粉膠進行固化。待硅基和模具冷卻至室溫后，先將微結(jié)構(gòu)模具剝除，再將熒光粉膠成型的金屬模具剝離，由于模具表面有一層脫模劑薄膜，可以將模具從娃基表面直接取下，保證熒光粉膠的完整性。這樣就完成了模具法熒光粉膠層的表面微結(jié)構(gòu)處理，熒光粉膠層就形成了表面微結(jié)構(gòu)工藝。
[0025]第七步:將成型的涂覆熒光粉膠層長烤固化后進行球面外封膠保護作業(yè)。
[0026]實施例3:LED 晶片尺寸是 1500um*1500um。
[0027]第一步:制作微結(jié)構(gòu)模具。采用機械數(shù)控加工技術在金屬模具表面加工出所需角度的同心圓凹槽結(jié)構(gòu)，加工出的微結(jié)構(gòu)同心圓以膠體表面水平所形成的夾角是8° -10° -12° -15° -18° -21° -25° -28° -31° -34° -38° -42° 的遞增擴散。
[0028]第二步:是將晶片和陶瓷基板共晶好的材料進行等離子清洗，去除表面雜質(zhì)。
[0029]第三步:是將金屬模具和已共晶的硅片固定。固定前必須對金屬模具表面涂覆脫模劑，防止熒光粉膠與金屬模具粘合影響后續(xù)的脫模工藝，脫模劑使用的是由原液(58%)石蠟油(32%)水(8%)等按照嚴格的比例調(diào)劑而成，原液是由硅油組成的。在噴涂第一次脫模劑前，應先清理干凈模具，于金屬模具表面均勻噴涂上三至五次脫模劑，每次噴涂須在120°C高溫下烘干，需待脫模劑干透才噴涂，以便在金屬模具表面得到很好的薄膜層。特別是方孔的內(nèi)壁，確保使脫模劑在方孔內(nèi)壁形成一層薄膜，待金屬模具冷卻后使用。然后在顯微鏡的觀察下，將金屬模具上的方孔與硅片上每顆芯片的位置一一對應，保證芯片位于方孔的中間位置，晶片距方孔周圍30um，再用夾具固定住金屬模具和硅基，防止其相對移動，將固定好的金屬模具和硅片放在一個相對水平的工作臺上。
[0030]第四步:點涂熒光粉膠。將自制熒光膠水與黃色YAG熒光粉混合(比例為:膠水:熒光粉=1.5:1 )，攪拌均勻后倒入美式針管使用離心脫泡工藝完成膠水脫泡，然后再將盛有混和好熒光粉膠的美式針管連接到氣動點膠機上，調(diào)節(jié)點膠機針頭位置，使針頭出膠孔對準金屬模具方孔中的芯片，然后用計量控制使方孔中充滿黃色熒光粉膠，待熒光粉膠流動穩(wěn)定后再用刮板輕輕刮去方孔表面多余的熒光粉膠。
[0031]第五步:用刮刀將熒光粉膠層表面刮平整后將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具放在熒光粉膠層上表面，使模具上的微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到熒光粉膠層表面。在使用前用丙酮將加工有微結(jié)構(gòu)圖形的微結(jié)構(gòu)模具徹底清洗，再用氮氣吹干，在清洗過程中注意防止破壞微結(jié)構(gòu)模具表面微結(jié)構(gòu)圖形。
[0032]第六步:固化和脫模。將已涂覆有熒光粉膠的硅基LED連同所有模具一起放入固化箱中，對熒光粉膠進行固化。待硅基和模具冷卻至室溫后，先將微結(jié)構(gòu)模具剝除，再將熒光粉膠成型的金屬模具剝離，由于模具表面有一層脫模劑薄膜，可以將模具從娃基表面直接取下，保證熒光粉硅膠的完整性。這樣就完成了模具法熒光粉膠層的表面微結(jié)構(gòu)處理，熒光粉膠層就形成了表面微結(jié)構(gòu)工藝。
[0033]第七步:將成型的涂覆熒光粉膠層長烤固化后進行球面外封膠保護作業(yè)。
[0034]上述僅為本發(fā)明的三種實施例，當然，根據(jù)實際物料規(guī)格和進一步的探索還可以有其它實施方式。但是，應該明確的是，基于類似上述的或者其它沒有表述出的具有相同構(gòu)思的實施方式的變換，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種通過微結(jié)構(gòu)提高出光效率及改善光斑的封裝工藝，它的流程包括:制作模具、配置熒光粉膠、共晶并清洗去雜質(zhì)、固定、點涂熒光粉膠、固化和脫模，其特征在于:通過模具在熒光粉膠層的上表面做同心圓凹槽處理，同心圓夾角從內(nèi)到外角度從小到大遞增擴張，使熒光粉膠層形成一定尺寸和形狀的微結(jié)構(gòu)圖形來提高LED的出光效率及改善光斑。
【文檔編號】H01L33/48GK103887405SQ201310396883
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】左小波 申請人:廣州眾恒光電科技有限公司