一种大功率LED双层结构封装工艺的制作方法

本发明属于半导体封装领域，具体涉及一种大功率led双层结构封装工艺。

背景技术：

led(lightingemittingdiode)即是发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出任意颜色的光。

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，其工艺复杂，并且增加了生产成本。

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。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种能够提高取光效率、流明效率，工艺简单、节省费用的大功率led双层结构封装工艺。

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双层结构封装工艺，包括以下步骤：

a、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；

b、在第一硅胶层上形成若干第一半球形凹槽；

c、在所述第一半球形凹槽内涂覆第一透镜硅胶并延伸至第一半球形凹槽外，形成第一球形透镜；

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；

e、在第三硅胶层上形成若干第二半球形凹槽；

f、在所述第二半球形凹槽内涂覆第二透镜硅胶并延伸至第二半球形凹槽外，形成第二球形透镜；

g、在所述第二球形透镜上部涂覆第四硅胶层；

其中，所述第二硅胶层、所述第三硅胶层、所述第四硅胶层中至少一层具有荧光粉，所述led灯芯为紫外灯芯。

进一步地，所述步骤b具体包括：

b1、将第一半球形模具压制在所述第一硅胶层，形成第一半球形凹槽；

b2、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；

b3、去除所述第一半球形模具。

进一步地，所述步骤c具体包括：

c1、在所述第一半球形凹槽内涂覆第一透镜硅胶，形成下半球结构；

c2、利用所述第一半球形模具，在所述下半球结构上部涂覆第一透镜硅胶，对应形成上半球结构，所述下半球结构与所述上半球结构结合形成第一球形透镜。

进一步地，所述步骤e具体包括：

e1、将第一半球形模具压制在所述第三硅胶层，形成第二半球形凹槽；

e2、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；

e3、去除所述第一半球形模具。

进一步地，所述步骤f具体包括：

f1、在所述第二半球形凹槽内涂覆第二透镜硅胶，形成下半球结构；

f2、利用所述第一半球形模具，在所述下半球结构上部涂覆第二透镜硅胶，对应形成上半球结构，所述下半球结构与所述上半球结构结合形成第二球形透镜。

进一步地，所述步骤g具体包括：

g1、利用第二半球形模具在所述第四硅胶层上形成半球形凸透结构；

g2、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；

g3、去除所述第二半球形模具。

进一步地，所述第一硅胶层折射率、所述第二硅胶层折射率、所述第三硅胶层折射率、所述第四硅胶层折射率依次增大；且所述第一球形透镜折射率大于所述第二硅胶层折射率，第二球形透镜折射率大于所述第四硅胶层折射率。

进一步地，所述第一预定温度为90℃-125℃，所述第一预定时间为15min-60min。

进一步地，所述第二预定温度为100℃-150℃，所述第二预定时间为4h-12h。

进一步地，所述第一球形透镜、第二球形透镜在所述封装散热基板上形成规则的阵列。

本发明的有益效果是：

1、本发明的大功率led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双层结构封装工艺荧光粉与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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大功率led双层结构封装工艺流程图；

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透镜封装结构示意图；

图4为本实用新形实施例提供的球形透镜矩形阵列示意图；

图5为本实用新形实施例提供的球形透镜菱形阵列示意图。

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双层结构封装工艺流程图，包括以下步骤：

a、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；

b、在第一硅胶层上形成若干第一半球形凹槽；

c、在所述第一半球形凹槽内涂覆第一透镜硅胶并延伸至第一半球形凹槽外，形成第一球形透镜；

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；

e、在第三硅胶层上形成若干第二半球形凹槽；

f、在所述第二半球形凹槽内涂覆第二透镜硅胶并延伸至第二半球形凹槽外，形成第二球形透镜；

g、在所述第二球形透镜上部涂覆第四硅胶层；

其中，所述第二硅胶层、所述第三硅胶层、所述第四硅胶层中至少一层具有荧光粉。

为了进行封装，散热基板必须保持清洁，需要将上面的污渍、尤其是油渍清洗干净，并进行烘干，保持散热基板的干燥。因此在正式封装前需要对散热基板进行清洗以及烘烤。在散热基板清洗烘烤完成之后，对芯片的引线进行焊接，焊接采用标准的回流焊工艺，其主要包括以下步骤：印刷焊料、固晶检验、回流焊接。最终对制备完成后的led进行检测和包装。

本实施例的led灯芯为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、第三硅胶层、第四硅胶层中，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形algan层、多量子阱层、p形algan层、p形gan层、p电极，所述n形algan层表面还设有阴极电极。

所述第一硅胶层直接接触封装散热基板上的led。球形透镜的直径为10形透镜的直径为接，相邻的球形透镜的间距为10邻的-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。

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。

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。该槽体为空气流通的通道，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铝散热基板，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。散热基板厚度一般为0.5mm-10mm。槽体的直径为0.3mm-2mm。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。

在一个具体实施方式中，所述步骤b具体包括：

b1、将第一半球形模具压制在所述第一硅胶层，形成第一半球形凹槽；

b2、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；

b3、去除所述第一半球形模具。

在一个具体实施方式中，所述步骤c具体包括：

c1、在所述第一半球形凹槽内涂覆第一透镜硅胶，形成下半球结构；

c2、利用所述第一半球形模具，在所述下半球结构上部涂覆第一透镜硅胶，对应形成上半球结构，所述下半球结构与所述上半球结构结合形成第一球形透镜。涂上半球硅胶的过程中，用模具罩在硅胶上形成上半球硅胶。

在一个具体实施方式中，所述步骤e具体包括：

e1、将第一半球形模具压制在所述第三硅胶层，形成第二半球形凹槽；

e2、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；

e3、去除所述第一半球形模具。

在一个具体实施方式中，所述步骤f具体包括：

f1、在所述第二半球形凹槽内涂覆第二透镜硅胶，形成下半球结构；

f2、利用所述第一半球形模具，在所述下半球结构上部涂覆第二透镜硅胶，对应形成上半球结构，所述下半球结构与所述上半球结构结合形成第二球形透镜。其中，所述第一预定温度为90℃-125℃，所述第一预定时间为15min-60min。

在一个具体实施方式中，所述步骤g具体包括：

g1、利用第二半球形模具在所述第四硅胶层上形成半球形凸透结构；

g2、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；

g3、去除所述第二半球形模具。

最终形成如图3所示的封装结构示意图，其中芯片散热基板21上是第一硅胶层22，第一硅胶层22与第二硅胶层24之间包覆第一球形透镜23，第二硅胶层24上方还具有第三硅胶层25，第三硅胶层25与第四硅胶层27之间包覆第二球形透镜26，上述结构使得第一球形透镜23一半嵌入在第一硅胶层22中，另一部分被第二硅胶层24包裹，第二球形透镜26一半嵌入在第三硅胶层25中，另一部分被第四硅胶层27包裹。

其中，所述第二预定温度为100℃-150℃，所述第二预定时间为4h-12h。

在一个具体实施方式中，所述第一硅胶层折射率、所述第二硅胶层折射率、所述第三硅胶层折射率、所述第四硅胶层折射率依次增大；且所述第一球形透镜折射率大于所述第二硅胶层折射率，第二球形透镜折射率大于所述第四硅胶层折射率。在具体实施中，为了简化操作流程，可以将第二硅胶层与第三硅胶层设置为相同材料，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，第四硅胶层折射率为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；四层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，第四硅胶层可以更厚点。第四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。

在一个具体实施方式中，所述球形透镜在所述封装散热基板上形成规则的阵列。具体可以是矩形阵列、菱形阵列、三角形阵列、圆形阵列等，具体参看图4，图5。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。

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。