專利名稱：非正方形led芯片的組合式封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED芯片封裝方法，尤其涉及一種非正方形LED芯片的組合式 封裝方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是一種固態(tài)的光電轉(zhuǎn)化半導(dǎo)體器件，因其高效、環(huán)保、節(jié)能等眾多 優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代了傳統(tǒng)照明應(yīng)用領(lǐng)域中的白熾燈與熒光燈，成為第四代新型照明光源。 一般LED業(yè)者為了達(dá)到高亮度、高功率的充分發(fā)光效果，均積極開(kāi)發(fā)大尺寸LED芯片產(chǎn) 品，在此技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中也面臨許多問(wèn)題，例如成本過(guò)高、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線出射到 外部過(guò)程會(huì)嚴(yán)重衰減以致未能達(dá)到預(yù)期發(fā)光效果、芯片內(nèi)部吸收的光線會(huì)被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱 能，導(dǎo)致降低使用壽命及性能等；此外，大尺寸LED芯片若要達(dá)到高光通量輸出、高功 率以取代傳統(tǒng)照明目標(biāo)，更需克服抑制溫升、確保使用壽命、改善發(fā)光效率及發(fā)光面的 均勻程度等。 將LED應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域的過(guò)程中還存在很多的技術(shù)壁壘，傳統(tǒng)的大功率 LED通常采用單顆正方形芯片的發(fā)光，配以半球型透鏡，盡管可保證高出光效率，但其 光型圓形對(duì)稱分布及光的亮度不均勻性，使其不能被直接應(yīng)用于特定的照明領(lǐng)域。例如 將LED道路照明，要求光源的照明區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)照度分布均勻的矩形區(qū)域，此時(shí)仍利用傳 統(tǒng)的LED燈，則需要額外配備符合二次光學(xué)設(shè)計(jì)的透鏡，其后果是加劇了光損失、增大 了LED照明模塊體積、增加了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)所用成本。為了避免二次光學(xué)設(shè)計(jì)的所帶來(lái)的 一系列問(wèn)題，針對(duì)目前通用照明領(lǐng)域的LED，僅僅提出了通過(guò)光學(xué)數(shù)值模擬來(lái)設(shè)計(jì)LED 透鏡，僅通過(guò)一次光學(xué)設(shè)計(jì)的LED透鏡以達(dá)到所需要的矩形或條形的光型需求，目的僅 為提升了出光效率、減小體積及節(jié)約成本，而未涉及到芯片本身對(duì)光型以及亮度分布的 影響。 本發(fā)明所考慮的對(duì)于芯片尺度效應(yīng)問(wèn)題傳統(tǒng)的LED封裝，尤其是針對(duì)小功率 型LED，芯片的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部分，近似認(rèn)為是點(diǎn)光源發(fā)光，此時(shí)芯片的 形狀與大小的差異對(duì)出光效果無(wú)影響，獲得的光型及亮度分布僅受到出光材料及透鏡形 狀與結(jié)構(gòu)的影響；而隨著芯片技術(shù)不斷發(fā)展，高功率大尺寸LED芯片的出現(xiàn)(如規(guī)格為 45milX45mil的芯片)、以及透鏡加工工藝精度的提高、多芯片集成封裝技術(shù)成熟，若芯 片本身規(guī)格相對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部分的尺寸相當(dāng)，此時(shí)芯片發(fā)光可視為近場(chǎng)效應(yīng)，由此 獲得的光型以及亮度分布不僅受到透鏡等出光材料的影響，同時(shí)也受芯片本身的大小形 狀的制約。 目前的LED芯片為正方形芯片，而正方形芯片光源所發(fā)出的光線通過(guò)一次光學(xué) 設(shè)計(jì)透鏡的準(zhǔn)直，獲得條狀或矩形照明區(qū)域，由于正方形芯片本身的影響，必將帶來(lái)色 散以及出光效率的降低；因此現(xiàn)今待解決問(wèn)題的方式可基于從芯片和一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡 的兩個(gè)角度出發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種非正方形LED芯片的組合式封裝方
法，基于芯片和一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡的兩個(gè)角度出發(fā)，通過(guò)直接采用非正方形芯片或多芯
片組合的模式，利用芯片本身的形狀與規(guī)格來(lái)匹配照明設(shè)計(jì)要求，同時(shí)結(jié)合芯片與多芯
片組合形狀，通過(guò)數(shù)值模擬以及光學(xué)軟件的優(yōu)化，采用一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡來(lái)改變LED發(fā)
光的光場(chǎng)分布，還可降低成本、提高出光的效率。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) —種非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其步驟主要包括 (l)考察特定的通用照明領(lǐng)域?qū)ED光源所提出的設(shè)計(jì)要求如道路照明、格柵
燈、面光源、背光光源等，需要LED光源獲得的照明區(qū)域?yàn)闂l狀、帶狀或矩形的均勻光
型，據(jù)此選取芯片規(guī)格或多芯片組合集成封裝方式，確定適合特定照明應(yīng)用的自由透鏡
的一次光學(xué)設(shè)計(jì)以及芯片與透鏡之間的匹配關(guān)系； (2)確定合適規(guī)格的芯片或多芯片組合的模式根據(jù)目標(biāo)光源要求，參考欲獲得 帶狀或矩形照明區(qū)域大小，選擇矩形芯片或多芯片組的規(guī)格，其長(zhǎng)寬比符合矩形照明區(qū) 域的要求，范圍可任意確定； (3)根據(jù)特定需要在LED芯片上涂覆熒光粉材料。 (4)進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算，通過(guò)光學(xué)軟件優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)一次光學(xué)透鏡；光學(xué)透鏡的 表面形狀與規(guī)格由已優(yōu)化處理的自由曲面構(gòu)成，光學(xué)透鏡表面形狀依據(jù)芯片或光學(xué)材料 而選??； (5)—次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡與芯片封裝根據(jù)LED芯片被固定位置以及芯片的規(guī)格與 形狀，經(jīng)一次光學(xué)設(shè)計(jì)后的透鏡底部存在特定空間，其內(nèi)表面為經(jīng)優(yōu)化處理后的自由曲 面，規(guī)格與芯片尺寸或多芯片組合模式相同，透鏡與芯片單體或芯片組整體封裝并作為 一個(gè)LED單元； 一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡，采用全硅膠方式或帶光學(xué)設(shè)計(jì)的外殼內(nèi)灌注硅膠等 透明光學(xué)材料；若為圓片級(jí)封裝，可采用直接點(diǎn)膠、注塑等封裝形式來(lái)成型透鏡，其透 鏡形狀可為任意的半球形、類球形或橢圓形。 本發(fā)明所述非正方形LED芯片的組合式封裝方法的有益效果為采用單個(gè)LED 照明單元，在遠(yuǎn)場(chǎng)的光型分布即能直接實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光源的近似矩形或帶狀的照明區(qū)域，同 時(shí)獲得亮度均勻的光場(chǎng)分布；與附加傳統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡相比，本方法采用的一次 光學(xué)設(shè)計(jì)的透鏡不存在二次透鏡帶來(lái)的光損失，與傳統(tǒng)正方形芯片的應(yīng)用相比，整個(gè)系 統(tǒng)的出光效率得到了提升，體積減小了。同時(shí)也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，特定的非正方形芯片 的應(yīng)用更易于獲得目標(biāo)照明區(qū)域的光場(chǎng)與光均勻度分布，減少了光色散損失。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，該方案在進(jìn)行初步設(shè)計(jì) 時(shí)，針對(duì)特定的通用照明領(lǐng)域并以道路照明為例，此時(shí)需要目標(biāo)光源能獲得具有亮度分 布均勻的矩形或帶狀照明區(qū)域，而現(xiàn)有常見(jiàn)的大功率LED封裝形式為仿流明型，其透鏡 為半球形狀，以此可得"中心區(qū)域較亮而四周亮度不足的球形光場(chǎng)"，需對(duì)其LED做二 次光學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)外加透鏡的形式獲得亮度分布均勻的矩形照明區(qū)域，但此時(shí)出光效率 降低、光損失明顯、體積增大與成本上升；LED正方形芯片反而帶來(lái)色散以及出光效率的降低。 本發(fā)明基本實(shí)施方案為直接采用矩形芯片或多芯片組合的模式，利用芯片本 身的形狀與規(guī)格來(lái)滿足照明設(shè)計(jì)要求，同時(shí)結(jié)合芯片與多芯片組合形狀，通過(guò)數(shù)值模擬 及光學(xué)軟件的優(yōu)化，采用一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡來(lái)改變LED發(fā)光的光場(chǎng)分布，由此所獲得的 照明區(qū)域、亮度分布、出光效率、封裝結(jié)構(gòu)、消耗成本等因素都可達(dá)到最優(yōu)化，并且能 獲得更為理想的照明光源。 本發(fā)明所述非正方形LED芯片的組合式封裝方法，主要包括以下步驟
(1)首先考察特定的通用照明領(lǐng)域?qū)ED光源所提出的設(shè)計(jì)要求考慮到光源照 明領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如道路照明、格柵燈、面光源、背光光源等，需要LED光源獲得 的照明區(qū)域?yàn)闂l狀、帶狀或矩形的均勻光型，據(jù)此選取芯片規(guī)格或多芯片組合集成封裝 方式，確定適合特定照明應(yīng)用的自由透鏡的一次光學(xué)設(shè)計(jì)以及芯片與透鏡之間的匹配關(guān) 系； (2)確定合適規(guī)格的芯片或多芯片組合的模式根據(jù)目標(biāo)光源要求，參考欲獲得 帶狀或矩形照明區(qū)域大小，選擇合適的矩形芯片的規(guī)格或者多芯片組的封裝模式，為規(guī) 格與尺寸任意、 一字型排列或兩排并列的多芯片組合；同時(shí)根據(jù)照明區(qū)域的形狀，所選 擇的芯片規(guī)格與形狀不僅限于矩形，還可為其它適用規(guī)格形狀；
(3)根據(jù)特定需要在LED芯片上涂覆熒光粉材料； (4)根據(jù)芯片規(guī)格、目標(biāo)光源照明光型分布要求和透鏡材料折射率等性質(zhì)，進(jìn)行 數(shù)值模擬與計(jì)算，通過(guò)光學(xué)軟件優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)一次光學(xué)透鏡；光學(xué)透鏡的表面形狀與規(guī)格 由已優(yōu)化處理的自由曲面構(gòu)成，光學(xué)透鏡的表面不限于半球形等形狀，其表面形狀依據(jù) 芯片或光學(xué)材料的不同而選取； (5)—次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡與芯片封裝根據(jù)LED芯片被固定的位置以及芯片的規(guī)格 與形狀，經(jīng)一次光學(xué)設(shè)計(jì)后的透鏡底部存在特定空間，其內(nèi)表面為經(jīng)優(yōu)化處理后的自由 曲面，規(guī)格與芯片尺寸或多芯片組合模式相同，透鏡與芯片或芯片組整體封裝并作為一 個(gè)LED單元；此LED單元的出光效果在遠(yuǎn)場(chǎng)即能獲得符合照明需求的光型與均勻度分 布；若為圓片級(jí)封裝，采用非正方形芯片上直接點(diǎn)膠而自成型透鏡，透鏡形狀可為任意 的半球形、類球形或橢圓形。 上述步驟所述的一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡，其實(shí)現(xiàn)方式為通過(guò)數(shù)值模擬及光學(xué)軟件 的優(yōu)化并通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)其一，采用全硅膠(其它適用的光學(xué)材料)方式，即模具 模塑、灌注脫模、金剛石刀具加工等；其二，帶光學(xué)設(shè)計(jì)的外殼內(nèi)灌注硅膠或其它透明 光學(xué)材料，此光學(xué)材料可為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、 PEI、環(huán)狀烯烴 共聚高分子(COC)、亞克力(Acrylics)材料或其它硅膠材料等；根據(jù)封裝工藝不限，可直 接采用COB工藝封裝將芯片固定于基板上；基板材料可選金屬、陶瓷等。
以上顯示和描述了本發(fā)明的主要特征以及所具有的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng) 該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明主旨和范圍的前提下本發(fā)明還 會(huì)有一些變化與改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于，包括以下步驟(1)考察特定的通用照明領(lǐng)域，如道路照明、格柵燈、面光源、背光光源，需要LED光源獲得的照明區(qū)域?yàn)闂l狀、帶狀或矩形的均勻光型，據(jù)此選取合適的芯片規(guī)格或多芯片組合集成封裝方式，確定適合特定照明應(yīng)用的自由透鏡的一次光學(xué)設(shè)計(jì)以及芯片與透鏡之間的匹配關(guān)系；(2)確定合適規(guī)格的芯片或多芯片組合的模式根據(jù)目標(biāo)光源要求，參考欲獲得帶狀或矩形照明區(qū)域大小，選擇矩形芯片或者多芯片組合模式的規(guī)格，其長(zhǎng)寬比由矩形照明區(qū)域的要求來(lái)確定；(3)選擇在LED芯片上涂覆熒光粉材料；(4)根據(jù)芯片規(guī)格、目標(biāo)光源照明光型分布要求和透鏡材料折射率進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算，通過(guò)光學(xué)軟件優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)一次光學(xué)透鏡；光學(xué)透鏡的表面形狀與規(guī)格由已優(yōu)化處理的自由曲面構(gòu)成，光學(xué)透鏡的表面形狀依據(jù)芯片或光學(xué)材料的不同而選??；(5)透鏡與芯片封裝根據(jù)LED芯片被固定的位置以及芯片的規(guī)格與形狀，經(jīng)一次光學(xué)設(shè)計(jì)后的透鏡底部存在特定空間，其內(nèi)表面為經(jīng)優(yōu)化處理后的自由曲面，其規(guī)格與芯片或多芯片組合模式尺寸相當(dāng)，一個(gè)透鏡與單芯片或一個(gè)多芯片組封裝并作為一個(gè)LED單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于步驟(2)選取矩形芯片為任意規(guī)格與尺寸、 一字型排列或兩排并列的多芯片組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于根據(jù)目標(biāo)照明區(qū)域的需求，步驟(2)芯片的形狀或多芯片組合的模式，其規(guī)格與形狀不限。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于若為圓片級(jí)封裝，采用非正方形芯片上直接點(diǎn)膠而自成型透鏡，透鏡形狀可為任意的半球形、類球形或橢圓形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于所述一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡的實(shí)現(xiàn)方式為通過(guò)數(shù)值模擬及光學(xué)軟件的優(yōu)化，采用全硅膠材料方式，即模具模塑、灌注脫?；蚪饎偸毒呒庸ぁ?br> 6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于所述一次光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡的實(shí)現(xiàn)方式為通過(guò)數(shù)值模擬及光學(xué)軟件的優(yōu)化，在經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的外殼內(nèi)灌注硅膠或其它透明光學(xué)材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的非正方形LED芯片的組合式封裝方法，其特征在于所述透明光學(xué)材料可為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、 PEI、環(huán)狀烯烴共聚高分子(COC)、亞克力(Acrylics)材料。
全文摘要
一種非正方形LED芯片的組合式封裝方法，主要包括確定適合特定照明應(yīng)用的合適規(guī)格的LED芯片或多芯片組合的模式；確定自由透鏡的一次光學(xué)設(shè)計(jì)及芯片與透鏡之間的匹配關(guān)系；在LED芯片上按照需要涂覆熒光粉材料；通過(guò)光學(xué)軟件優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)一次光學(xué)透鏡，包括透鏡的自由表面形狀大小等，進(jìn)行透鏡與芯片封裝。本發(fā)明有益效果為單個(gè)LED照明單元，在遠(yuǎn)場(chǎng)的光型分布，能直接實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光源的近似矩形或帶狀的照明區(qū)域，同時(shí)獲得亮度均勻的光場(chǎng)；不存在二次透鏡帶來(lái)的光損失，提升了出光效率、減小了體積、節(jié)約了成本；特定的非正方形LED芯片的應(yīng)用更易于獲得目標(biāo)照明區(qū)域的光場(chǎng)與光亮度分布，減少了光色散損失。
文檔編號(hào)H01L21/50GK101692475SQ20091018005
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者周奇峰, 金鵬 申請(qǐng)人:無(wú)錫瑞威光電科技有限公司