一种荧光陶瓷封装白光LED芯片及其制备方法与应用与流程

一种荧光陶瓷封装白光led芯片及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种荧光陶瓷封装白光led芯片及其制备方法与应用。


背景技术：

2.led作为第四代光源，与传统光源相比具有光效高、节能环保、寿命长等优异性能，其被广泛应用于户外照明、场馆照明、室内照明等领域。传统led光源是将y3al5o
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:ce(yag:ce)荧光粉封装在环氧树脂或硅胶等有机物中，这些有机封装材料散热性差，led芯片在工作过程中产生的热量不易散发，导致光源温度上升，长时间工作会造成有机封装材料老化分解，出现光衰、色偏移及工作寿命降低等问题。yag:ce荧光透明陶瓷具有更高的热导率和热稳定性，用作led封装材料有效解决了有机封装材料因散热性差引起的光衰、色偏移、寿命降低等问题。
3.作为led产业链中承上启下的led封装在整个产业链中起着关键作用。对于封装而言，关键在于如何在有限的成本范围内尽可能多地提取芯片发出的光，同时降低封装热阻，提高可靠性。随着led产品往高光效、高功率密度、高可靠性等高性能方向发展，对封装提出越来越高的要求。一方面led产品封装具有足够高的取光效率和光通量；另一方面，封装必须满足芯片的散热要求。因此，芯片、荧光材料、基板等不同材料以及相应封装方式需要不断发展以提高led产品的散热能力和出光效率。
4.随着led技术的迅速发展，led产品的封装形式也从单芯片封装方式发展到多芯片封装方式，封装结构从lamp封装到smd封装再到cob封装等技术。荧光陶瓷用作led封装材料解决了传统有机封装材料光衰、寿命降低等问题，但现有发明主要是smd封装或cob封装，工艺繁琐或功率固定，影响了荧光透明陶瓷封装材料的推广应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种荧光陶瓷封装的白光led芯片及其制备方法和应用。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种白光led芯片，包括：led芯片和无机材料封装层；
8.所述无机材料封装层包括荧光陶瓷层或荧光晶体层，和结合层；
9.所述结合层位于荧光陶瓷层或荧光晶体层、和led芯片之间；
10.所述结合层选自金属单质层、胶合层、烧结界面层以及陶瓷结合层中的至少一种。
11.根据本发明的实施方案，所述荧光陶瓷层的透光率为5％-85％；例如8-85％；优选为8％-80％。
12.根据本发明的实施方案，所述无机材料封装层包括荧光陶瓷层和结合层，或者包括荧光晶体层和结合层。
13.根据本发明的实施方案，所述荧光陶瓷层的材质包括但不限于稀土掺杂的荧光透
明陶瓷，所述荧光晶体层的材质包括但不限于稀土掺杂的荧光晶体，示例性为荧光单晶、荧光多晶或荧光准晶，所述稀土例如为y、lu、ce、eu、pr、gd、sc、yb等中的至少一种；优选为y或lu。
14.根据本发明的实施方案，所述稀土掺杂的荧光透明陶瓷包括但不限于yag:ce、yag:ce,mn、luag:ce等石榴石型荧光透明陶瓷。
15.根据本发明的实施方案，所述稀土掺杂的荧光晶体包括但不限于yag:ce、luag:ce等石榴石型荧光晶体。
16.根据本发明的实施方案，所述无机材料封装层由荧光陶瓷层和结合层构成，或者由荧光晶体层和结合层构成。优选地，所述荧光陶瓷层的非出光面和结合层结合。优选地，所述荧光晶体层的非出光面和结合层结合。
17.根据本发明的实施方案，所述结合层的厚度为2μm-2000μm。
18.根据本发明的实施方案，所述金属单质包括但不限于au、ag、in、sn、pb等中的至少一种。示例性地，所述金属单质层的厚度不超过0.1毫米，例如不超过0.08毫米、又例如不超过0.05毫米。
19.根据本发明的实施方案，其中，胶合层中采用的胶可以为环氧树脂和/或硅胶等。示例性地，所述胶合层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
20.根据本发明的实施方案，所述烧结界面层是将荧光陶瓷层表面的无机材料经加热烧结后得到的。所述烧结界面层为无机化合物，所述无机化合物例如含al、y、si、ga、o、b、n等元素，元素间存在包括但不限于al-o、y-o、si-o、ga-o、b-o、ga-n、al-n、y-n、si-n等共价键中的至少一种。
21.示例性地，烧结时加热的温度为800-1900℃。
22.示例性地，所述烧结界面层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
23.根据本发明的实施方案，所述陶瓷结合层的材质为al2o3、aln等。
24.例如，所述陶瓷结合层的厚度为0.2-2.0毫米，例如为0.4-1.6毫米，又如为0.6-1.2毫米。
25.示例性地，所述结合层为金属单质层，即在所述荧光陶瓷层的非出光面和led芯片之间设置金属单质层，或在所述荧光晶体层的非出光面和led芯片之间设置金属单质层，通过金属键合使荧光陶瓷层或荧光晶体层与led芯片结合。
26.示例性地，所述结合层为胶合层，即在所述荧光陶瓷层的非出光面和led芯片之间设置胶合层，或在所述荧光晶体层的非出光面和led芯片之间设置胶合层，通过胶合使荧光陶瓷层或荧光晶体层和led芯片结合。
27.示例性地，所述结合层为烧结界面层，即在所述荧光陶瓷层的非出光面和led芯片之间设置烧结界面层，或在所述荧光晶体层的非出光面和led芯片之间设置烧结界面层；通过对所述荧光陶瓷层或所述荧光晶体层表面的无机材料加热，形成烧结界面层，使荧光陶瓷层或荧光晶体层和led芯片之间实现热键合。
28.示例性地，所述结合层为陶瓷结合层，即在所述荧光陶瓷层的非出光面和led芯片之间设置陶瓷粉体原料，或在所述荧光晶体层的非出光面和led芯片之间设置陶瓷粉体原料，通过对所述陶瓷粉体原料加热，形成陶瓷结合层，使荧光陶瓷层或荧光晶体层和led芯
片生成陶瓷共价键实现结合。示例性地，加热的温度为800-1900℃。
29.根据本发明的实施方案，所述led芯片包括n型外延层、发光层和p型外延层。
30.根据本发明的实施方案，所述led芯片可以包括一个或多个正装结构led芯片。
31.根据本发明的实施方案，所述白光led芯片能够组装成5-3000w功率光源，示例性为5w、20w、100w、200w、400w、500w、600w、800w、1000w、1200w、1400w、1500w、1800w、2000w、2500w、2800w或3000w。
32.根据本发明示例性的实施方案，所述白光led芯片包括：led芯片和无机材料封装层；
33.所述led芯片包括至少一个正装结构led芯片；
34.所述无机材料封装层用于封装所述led芯片，其由荧光陶瓷层和结合层构成，所述结合层位于荧光陶瓷层和led芯片之间；所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及陶瓷结合层中的至少一种。
35.根据本发明示例性的实施方案，所述白光led芯片包括：led芯片和无机材料封装层；
36.所述led芯片包括至少一个正装结构led芯片；
37.所述无机材料封装层用于封装所述led芯片，其由荧光晶体层和结合层构成，所述结合层位于荧光晶体层和led芯片之间；所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及陶瓷结合层中的至少一种。
38.本发明还提供上述白光led芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：使用无机材料封装层封装led芯片，制备得到白光led芯片；
39.所述无机材料封装层、led芯片具有如上文所述的含义。
40.根据本发明的实施方案，所述白光led芯片的制备方法包括如下步骤：
41.(s1)基于单晶衬底生长外延结构，所述外延结构包括n型外延层、发光层、p型外延层；
42.(s2)在所述外延结构上制备led芯片；
43.(s3)在荧光陶瓷层或荧光晶体层的出光面上打孔，形成多孔荧光陶瓷层或多孔荧光晶体层；
44.(s4)采用多孔荧光陶瓷层或多孔荧光晶体层的非出光面和结合层封装所述led芯片；制备得到白光led芯片。
45.根据本发明的实施方案，所述led芯片例如采用cn111261753a中的方法制备。
46.根据本发明的实施方案，步骤(s1)中，所述外延结构可以通过本领域已知方法制备得到，例如采用专利cn1242091c中的方法。
47.根据本发明的实施方案，步骤(s3)中，可以通过激光或机械打孔。
48.根据本发明示例性地实施方案，所述白光led芯片的制备方法包括如下步骤：
49.(1)基于单晶衬底生长外延结构，所述外延结构包括：n型外延层、发光层、p型外延层；
50.(2)在外延结构上制备含多个正装结构led芯片的晶元；
51.(3)在含多个正装结构led芯片晶元上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图；
52.(4)在荧光陶瓷层或者荧光晶体层，按照电极位置图，通过激光或机械打孔，形成多孔荧光陶瓷层或多孔荧光晶体层；
53.(5)使用多孔荧光陶瓷层或者多孔荧光晶体层的非出光面和结合层封装所述led芯片晶元，所述荧光陶瓷层或荧光晶体层作为出光面，出光面的每一个孔注入金属浆料，形成电极接触点，得到所述白光led芯片。
54.示例性地，金属浆料例如为银浆料、锡浆料。
55.本发明还提供上述白光led芯片在半导体照明领域中的应用，优选用于半导体照明器件，更优选为白光led器件。
56.本发明还提供一种半导体照明器件，其包括所述白光led芯片。
57.优选地，所述半导体照明器件包括所述白光led芯片、电极和导电基板。
58.优选地，所述半导体照明器件为白光led器件。本发明还提供所述白光led器件的制备方法，包括如下步骤：将所述白光led芯片、电极焊接，通过smd或cob封装模式，得到白光led器件。
59.根据本发明的实施方案，在封装前，可以对所述白光led芯片进行切割，形成所需芯片数的正装led芯片。
60.本发明的有益效果：
61.本发明克服了现有led封装的不足，能够实现真正的无机封装方式，荧光陶瓷层或荧光晶体层与荧光粉有机胶相比，热稳定性好、光衰小，白光芯片可高能量密度排布，适用于制造大功率led灯具；白光led芯片直接发出白光，不用覆盖荧光粉胶层，减少了点胶等工序与相应成本。
62.本发明的白光led器件可以组装成任意功率光源，本发明所制白光led器件为led白光芯片，因此可以适用于市面上所有的led封装工艺。可以适用于任意的封装结构。
附图说明
63.图1是实施例1中白光led器件的侧剖(上)与俯视(下)示意图。
具体实施方式
64.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
65.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
66.实施例1
67.步骤1：基于单晶衬底生长外延结构，包括n型外延层、发光层、p型外延层。
68.步骤2：在外延结构上制作含多个正装结构的led芯片。
69.步骤3：在含多个正装结构led芯片晶元上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图。
70.步骤4：在透光率80％、尺寸覆盖整个晶元的yag:ce荧光透明陶瓷层按照电极位置图，通过激光在荧光透明陶瓷层的出光面上打孔，形成多孔荧光透明陶瓷层，孔洞用于生成
供电极连接基板电路的焊点。
71.步骤5：使用多孔荧光透明陶瓷层的非出光面和3微米厚硅胶胶合层封装所述led芯片，将荧光透明陶瓷层的出光面的每一个孔注入银浆料，形成电极焊点，得到所述白光led芯片。
72.步骤6：电极和基板相应电路焊接，通过cob封装模式，得到白光led器件。
73.上述实施例的led器件进一步组装成3000w功率光源，采用gb/t24824-2009国标方法测试，光源光效171lm/w，与传统正装光源(例如中国陶瓷工业，2019，6，15-20)相比(约130lm/w)，本发明的大功率led光源光效提升明显。
74.实施例2
75.步骤1：基于单晶衬底生长外延结构，包括n型外延层、发光层、p型外延层。
76.步骤2：在外延结构上制作含多个正装结构的led芯片。
77.步骤3：在含多个正装结构led芯片晶元上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图。
78.步骤4：在尺寸覆盖整个晶元的luag:ce荧光晶体层按照电极位置图，通过激光打孔，形成多孔荧光晶体层，孔洞用于生成供电极连接基板电路的焊点。
79.步骤5：使用多孔荧光晶体层和3微米厚环氧树脂胶合层封装所述led芯片，所述荧光晶体层作为出光面，出光面的每一个孔注入银浆料，形成电极焊点，得到所述白光led芯片。
80.步骤6：电极和基板相应电路焊接，通过cob封装模式，得到白光led器件。
81.上述实施例的led器件进一步组装成200w功率光源，采用gb/t 24824-2009国标方法测试，光源光效183lm/w，与传统正装光源相比(约130lm/w)，本发明的大功率led光源光效提升明显。
82.实施例3
83.步骤1：基于单晶衬底生长外延结构，包括n型外延层、发光层、p型外延层。
84.步骤2：在外延结构上制作含多个正装结构led芯片的晶元。
85.步骤3：在含多个正装结构led芯片晶元上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图。
86.步骤4：在透光率8％的、尺寸覆盖整个晶元的yag:ce,mn荧光透明陶瓷层按照电极位置图，通过机械打孔，形成多孔荧光透明陶瓷层，孔洞用于生成供电极连接基板电路的焊点。
87.步骤5：使用多孔荧光透明陶瓷层和3微米sio2烧结界面层封装所述led芯片，所述荧光透明陶瓷层作为出光面，出光面的每一个孔注入锡浆料，形成电极焊点，得到所述白光led芯片。
88.步骤6：电极和基板相应电路焊接，通过smd封装模式，得到白光led器件。
89.上述实施例的led器件进一步组装成5w功率光源，采用gb/t 24824-2009国标方法测试，光源光效165lm/w，与传统正装光源相比(约130lm/w)，本发明的大功率led光源光效提升明显。
90.实施例4
91.步骤1：基于单晶衬底生长外延结构，包括n型外延层、发光层、p型外延层。
92.步骤2：在外延结构上制作含多个正装结构的led芯片。
93.步骤3：在含多个正装结构led芯片晶元上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图。
94.步骤4：在尺寸覆盖整个晶元的yag:ce荧光晶体层按照电极位置图，通过激光打孔，形成多孔荧光晶体层，孔洞用于生成供电极连接基板电路的焊点。
95.步骤5：使用多孔荧光晶体层和0.02毫米银单质层封装所述led芯片，所述荧光晶体层作为出光面，出光面的每一个孔注入银浆料，形成电极焊点，得到所述白光led芯片。
96.步骤6：电极和基板相应电路焊接，通过cob封装模式，得到白光led器件。
97.上述实施例的led器件进一步组装成200w功率光源，采用gb/t 24824-2009国标方法测试，光源光效178lm/w，与传统正装光源相比(约130lm/w)，本发明的大功率led光源光效可以提升5％以上。
98.对比例1
99.步骤1：基于单晶衬底生长外延结构，包括n型外延层、发光层、p型外延层。
100.步骤2：在外延结构上制作含多个正装结构的led芯片。
101.步骤3：在含多个正装结构led芯片上，n电极、p电极位置预先表面处理，并表面扫描形成电极位置图。
102.步骤4：在铝基板通过固晶、焊线，通过cob模式封装多颗led芯片。
103.步骤5：在cob框内封盖透光率80％的yag:ce荧光陶瓷，得到所述白光led器件。
104.上述实施例的led器件进一步组装成200w功率led光源，采用gb/t24824-2009国标方法测试，光源光效150lm/w，比传统正装光源相比(约130lm/w)有提升，但与本发明方法(实施例1)相比光效较低。
105.以上，对本发明的实施方式进行了示例性的说明。但是，本发明的保护范围不拘囿于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种白光led芯片，其特征在于，其包括led芯片和无机材料封装层；所述无机材料封装层包括荧光陶瓷层或荧光晶体层，和结合层；所述结合层位于荧光陶瓷层或荧光晶体层、和led芯片之间；所述结合层选自金属单质层、胶合层、烧结界面层以及陶瓷结合层中的至少一种。2.根据权利要求1所述的白光led芯片，其特征在于，所述荧光陶瓷层的透光率为5％-85％。3.根据权利要求1或2所述的白光led芯片，其特征在于，所述荧光陶瓷层的材质包括但不限于稀土掺杂的荧光透明陶瓷，所述荧光晶体层的材质包括但不限于稀土掺杂的荧光晶体；所述稀土例如为y、lu、ce、eu、pr、gd、sc、yb中的至少一种；优选为y或lu。优选地，所述稀土掺杂的荧光透明陶瓷为yag:ce、yag:ce,mn或luag:ce石榴石型荧光透明陶瓷。优选地，所述稀土掺杂的荧光晶体为yag:ce或luag:ce石榴石型荧光晶体。4.根据权利要求1-3任一项所述的白光led芯片，其特征在于，所述结合层的厚度为2μm-2000μm。5.根据权利要求1-4任一项所述的白光led芯片，其特征在于，所述金属单质为au、ag、in、sn、pb中的至少一种。优选地，胶合层中采用的胶为环氧树脂和/或硅胶。优选地，所述烧结界面层为无机化合物，所述无机化合物含al、y、si、ga、o、b、n中至少一种元素，元素间存在al-o、y-o、si-o、ga-o、b-o、ga-n、al-n、y-n、si-n共价键中的至少一种。优选地，所述陶瓷结合层的材质为al2o3和/或aln。6.根据权利要求1-5任一项所述的白光led芯片，其特征在于，所述白光led芯片能够组装成5-3000w功率光源。7.权利要求1-6任一项所述的白光led芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：使用无机材料封装层封装led芯片，制备得到白光led芯片。优选地，所述制备方法包括如下步骤：(s1)基于单晶衬底生长外延结构，所述外延结构包括n型外延层、发光层、p型外延层；(s2)在所述外延结构上制备led芯片；(s3)在荧光陶瓷层或荧光晶体层的出光面上打孔，形成多孔荧光陶瓷层或多孔荧光晶体层；(s4)采用多孔荧光陶瓷层或多孔荧光晶体层的非出光面和结合层封装所述led芯片；制备得到白光led芯片。优选地，步骤(s3)中，通过激光或机械打孔。8.权利要求1-6任一项所述的白光led芯片在半导体照明领域中的应用，优选用于半导体照明器件，更优选为白光led器件。9.一种半导体照明器件，其特征在于，其包括权利要求1-6任一项所述的白光led芯片。优选地，所述半导体照明器件包括所述白光led芯片、电极和导电基板。10.一种白光led器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将权利要求1-6任一项所述的白光led芯片、电极焊接，通过smd或cob封装模式，得到白光led器件。

技术总结
本发明公开了一种荧光陶瓷封装白光LED芯片及其制备方法与应用，所述白光LED芯片，包括：LED芯片和无机材料封装层；所述无机材料封装层包括荧光陶瓷层或荧光晶体层，和结合层；所述结合层位于荧光陶瓷层或荧光晶体层、和LED芯片之间；所述结合层选自金属单质层、胶合层、烧结界面层以及陶瓷结合层中的至少一种。本发明克服了现有LED封装的不足，能够实现真正的无机封装方式，荧光陶瓷层或荧光晶体层与荧光粉有机胶相比，热稳定性好、光衰小，白光芯片可高能量密度排布，适用于制造大功率LED灯具；白光LED芯片直接发出白光，不用覆盖荧光粉胶层，减少了点胶等工序与相应成本。减少了点胶等工序与相应成本。减少了点胶等工序与相应成本。


技术研发人员：张修强 洪茂椿 张数江 周有福 林晓
受保护的技术使用者：福建中科芯源光电科技有限公司
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2023/8/28