全文摘要
本发明属于半导体装置技术领域，具体涉及一种半导体发光二极管装置。该半导体发光二极管装置，包括基板和LED芯片，所述基板表面设置有凹槽，所述凹槽表面依次设置有反射层和导热层，所述LED芯片固定在所述凹槽底面上的所述导热层表面，所述LED芯片上设有N层荧光粉胶层，且沿发光方向每层所述荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小，沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大；其中，N为大于或等于2的整数。该装置的出光具有优异的均匀性和光色稳定性，而且其落Bin率得到大幅度提升，进而能降低器件的制备成本。
主设计要求
1.一种半导体发光二极管装置，包括基板和LED芯片，所述基板表面设置有凹槽，其特征在于，所述凹槽表面依次设置有反射层和导热层，所述LED芯片固定在所述凹槽底面上的所述导热层表面，所述LED芯片上设有N层荧光粉胶层，且沿发光方向每层所述荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小，沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大；其中，N为大于或等于2的整数，所述N层荧光粉胶层用于提升出光效率和落Bin率。
设计方案
1.一种半导体发光二极管装置，包括基板和LED芯片，所述基板表面设置有凹槽，其特征在于，所述凹槽表面依次设置有反射层和导热层，所述LED芯片固定在所述凹槽底面上的所述导热层表面，所述LED芯片上设有N层荧光粉胶层，且沿发光方向每层所述荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小，沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大；其中，N为大于或等于2的整数，所述N层荧光粉胶层用于提升出光效率和落Bin率。
2.如权利要求1所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述LED芯片上层叠设置有2-5层荧光粉胶层。
3.如权利要求1所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且所述第一荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸为20-30微米，所述第二荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸为10-20微米，所述第三荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸为5-10微米。
4.如权利要求1所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且所述第一荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围为1.0-1.1，所述第二荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围为0.9-1.0，所述第三荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围在0.8-0.9。
5.如权利要求1所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉色坐标差值为±0.001；和\/或，
第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉半峰宽差值为±0.5nm；和\/或，
第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉峰值波长差值为±0.3nm。
6.如权利要求1所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述LED芯片通过石墨烯掺杂的锡膏固定在所述凹槽底部。
7.如权利要求6所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，以所述石墨烯掺杂的锡膏的总重量为100％计，所述锡膏含有如下重量百分比的成分：Sn 93％-95％，Ag 2％-3％，Cu2％-4％，Zn 0.01％-0.05％，石墨烯0.05％-1％。
8.如权利要求1-7任一项所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述反射层和所述导热层之间设置有缓冲层。
9.如权利要求8所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述缓冲层为有机玻璃缓冲层，且所述有机玻璃缓冲层的热膨胀系数介于所述反射层和所述导热层之间。
10.如权利要求1-7任一项所述的半导体发光二极管装置，其特征在于，所述反射层的材料选自Al、Ag和Au中的至少一种；和\/或，
所述导热层的材料选自石墨烯或胶体；和\/或，
所述基板为陶瓷基板、金属基板或陶瓷金属复合基板。
设计说明书
技术领域
本发明属于半导体装置技术领域，具体涉及一种半导体发光二极管装置。
背景技术
半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有高效、节能、环保、寿命长、体积小、易维护等优点，受到国内外研究者广泛关注；目前，LED正逐步替代传统光源成为照明光源的主流，应用领域包括商业照明、工业照明、户外照明、室内照明、特殊照明等领域。
现有白光LED的实现主要采用蓝光或紫光芯片激发荧光粉方式实现，封装器件的光效和可靠性很大程度上取决于封装材料(基板、芯片、荧光粉、固晶胶、荧光胶等)和封装技术。在封装技术方面，主要涉及到电致发光和光致发光两个领域，主要表现为LED芯片将电转化为光和芯片发出的光激发荧光粉然后复合为白光。但无论是电转光，还是光转光，很大一部分能量将转化为热的形式，在中功率及大功率白光LED应用中，如何散热并提升产品的出光率一直是业界亟待解决的共性技术问题；此外，从生产成本方面考虑，提升产品的落Bin率，降低产品的制备成本对白光LED的快速推广和应用也具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于一种半导体发光二极管装置，旨在解决现有LED器件散热效果不理想，且落Bin率差的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种半导体发光二极管装置，包括基板和LED芯片，所述基板表面设置有凹槽，所述凹槽表面依次设置有反射层和导热层，所述LED芯片固定在所述凹槽底面上的所述导热层表面，所述LED芯片上设有N层荧光粉胶层，且沿发光方向每层所述荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小，沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大；其中，N为大于或等于2的整数。
本发明提供的半导体发光二极管装置中，凹槽表面(即底面和侧面)依次设置有反射层和导热层，该反射层用于提高装置的出光率，而凹槽底面和侧面铺设的导热层能够使得器件上下导热，具有优异的散热性能，使内部产生的热量能够自上导出，可以降低界面之间热阻，进而减少其它封装材料的受热负担；而采用晶粒大小分布不同的N层荧光粉胶层(即沿发光方向每层荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小)，有利于减少芯片热量对荧光粉转换效率的影响，同时沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大，折射率依次增大与平均晶粒尺寸依次减小二者能够协同提升荧光粉的出光效率，使器件的出光具有优异的均匀性和光色稳定性，而且其落Bin率得到大幅度提升，进而能降低器件的制备成本。
附图说明
图1为本发明实施例的半导体发光二极管装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的三层荧光粉胶层中荧光粉晶粒形貌图；
其中，附图标记为：
111-基板，112-LED芯片，113-反射层，114-导热层，115-第一荧光粉胶层，116-第二荧光粉胶层，117-第三荧光粉胶层。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供了一种半导体发光二极管装置，包括基板和LED芯片，所述基板表面设置有凹槽，所述凹槽表面依次设置有反射层和导热层，所述LED芯片固定在所述凹槽底面上的所述导热层表面，所述LED芯片上设有N层荧光粉胶层，且沿发光方向每层所述荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小，沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大；其中，N为大于或等于2的整数。
本发明实施例提供的半导体发光二极管装置中，凹槽表面(即底面和侧面)依次设置有反射层和导热层(反射层铺设在凹槽表面上，导热层铺设在反射层上)，该反射层用于提高装置的出光率，而凹槽底面和侧面的导热层能够使得器件上下导热，具有优异的散热性能，使内部产生的热量能够自上导出，可以降低界面之间热阻，进而减少其它封装材料的受热负担；而采用晶粒大小分布不同的N层荧光粉胶层(即沿发光方向每层荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸依次减小)，有利于减少芯片热量对荧光粉转换效率的影响，同时沿发光方向每层所述荧光粉胶层的折射率依次增大，折射率依次增大与平均晶粒尺寸依次减小二者能够协同提升荧光粉的出光效率，使器件的出光具有优异的均匀性和光色稳定性，而且其落Bin率得到大幅度提升，进而能降低器件的制备成本。
进一步地，本发明实施例的半导体发光二极管装置中，N＝2-5，即所述LED芯片上层叠设置有2-5层荧光粉胶层。更优选地，本发明实施例的LED芯片上层叠设置有3层荧光粉胶层。若荧光粉胶层过少，荧光粉浓度和晶粒过渡性较差，光效和良率提升不明显；荧光粉胶层过多，其制备工艺相对比较复杂，对荧光粉晶粒控制工艺和点胶工艺要求较高，成本较高。基于多次试验，本发明实施例中，优选为3层荧光粉胶层，其光效和良率提升相对较高，而且制备成本较低。
在一实施例中，所述LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且所述第一荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸范围为20-30微米，所述第二荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸范围为10-20微米，所述第三荧光粉胶层中的荧光粉平均晶粒尺寸范围为5-10微米。
在依次层叠设置的第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中，三层荧光粉胶层的平均晶粒尺寸分布范围依次递减，进而使得荧光粉胶层耐热、折射率和光色性能稳定性起到缓冲作用，目的是提升器件的出光效率和落Bin率。第一荧光粉胶层平均晶粒尺寸范围在20-30微米，因为晶粒越大，其耐热性能越好，受激发效率高；第一荧光粉胶层主要包括蓝粉、绿粉、黄粉和红粉的一种或多种与白胶的混合物；第一荧光粉胶层和芯片直接接触，芯片产生的热量一部分会影响荧光粉的转换效率，由于第一层荧光粉晶粒尺寸大、空隙多、耐热性能好，出光效率相对较高；若第一荧光粉胶层平均晶粒尺寸过大，则点胶过程中荧光粉浓度较大，不利于点胶控制，造成光学性能和产品良率下降，更优选地，第一荧光粉胶层平均晶粒尺寸为22-28微米。第二荧光粉胶层平均晶粒尺寸范围在10-20微米，晶粒尺寸和常规荧光粉技术相当，主要是蓝粉、绿粉、黄粉和红粉的一种或多种与白胶形成的混合物，其耐热性和折射率介于第一荧光粉胶层和第三荧光粉胶层之间，主要在光传递过程中起到缓冲作用，有利于光输出光色性能的稳定性，更优选地，第二荧光粉胶层平均晶粒尺寸为12-18微米。所述第三荧光粉胶层平均晶粒尺寸范围在5-10微米，作为出光的最后一层，该层晶粒较小，荧光粉之间空隙少，折射率较大，有利于提升器件的出光效率。且芯片产生热量由第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层过渡后，基本对最外层荧光粉的影响较小，其光转换效率和光色性能的稳定性较高。
同时，本发明实施例在第一荧光粉胶层至第三荧光粉胶层的荧光粉粒径分布上逐步缩窄，荧光粉粒径分布主要采用离散系数来表征，离散系数计算方式为：(D90<\/sub>-D10<\/sub>)\/D50<\/sub>，离散系数越大粒径分布越分散，离散系数越小粒径分布越窄。上述计算公式中：D50<\/sub>表示荧光粉的中位粒径或中值粒径，D10<\/sub>表示荧光粉中粒径小于该尺寸的颗粒数占10％，D90<\/sub>表示荧光粉中粒径大于该尺寸的颗粒数占10％。以实施例1中的第一荧光粉胶层为例，D50<\/sub>＝30μm表示荧光粉中粒径为30μm，D10<\/sub>＝22μm表示荧光粉中粒径小于22μm的颗粒数占10％，D90<\/sub>＝55μm表示荧光粉中粒径大于55μm的颗粒数占10％。
在一实施例中，所述LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且所述第一荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围为1.0-1.1，所述第二荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围为0.9-1.0，所述第三荧光粉胶层中的荧光粉粒径离散系数范围在0.8-0.9。采用荧光粉胶层离散系数逐步减小的方式，有利于器件光色性能，尤其是色坐标更为集中，能够有效提升器件的落Bin率。
更优选地，为了避免器件设置不同荧光粉胶层导致出光的均匀和一致性，本发明实施例第一至第三荧光粉胶层的光色性能(坐标、半峰宽等参数)尽可能接近或保持一致，LED芯片上沿发光方向依次层叠设置第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层，且第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉色坐标差值为±0.001；和\/或，第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉半峰宽差值为±0.5nm；和\/或，第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中任意两层之间的荧光粉峰值波长差值为±0.3nm。
具体地，在本发明一实施例中，第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中各层之间色坐标差值为±0.001(即第一荧光粉胶层和第二荧光粉胶层的荧光粉色坐标相差-0.001～+0.001，第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉色坐标相差-0.001～+0.001，且第一荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉色坐标相差-0.001～+0.001)；在本发明另一实施例中，第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中各层之间半峰宽差值为±0.5nm(即第一荧光粉胶层和第二荧光粉胶层的荧光粉半峰宽相差-0.5nm～+0.5nm，第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉半峰宽相差-0.5nm～+0.5nm，且第一荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉半峰宽相差-0.5nm～+0.5nm)；在本发明又一实施例中，第一荧光粉胶层、第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层中各层之间峰值波长差值±0.3nm(即第一荧光粉胶层和第二荧光粉胶层的荧光粉峰值波长相差-0.3nm～+0.3nm，第二荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉峰值波长相差-0.3nm～+0.3nm，且第一荧光粉胶层和第三荧光粉胶层的荧光粉峰值波长相差-0.3nm～+0.3nm)。如此，三层荧光粉胶层的出光均匀性和一致性效果最佳。
进一步地，所述LED芯片通过固晶胶固定于基板底面上的导热层表面，所述固晶胶选用为石墨烯掺杂的锡膏，如掺杂有少量石墨烯的次微米Sn-Ag-Cu锡膏，所述石墨烯掺杂的锡膏中，以总重量为100％计，所述锡膏含有如下重量百分比的成分：Sn 93％-95％，Ag2％-3％，Cu 2％-4％，Zn 0.01％-0.05％，石墨烯0.05％-1％。掺杂少量石墨烯不仅能够提升锡膏的导热性能，而且还能和导热层有效匹配，将LED芯片产生的热量沿石墨烯材料自底部传自导热层，沿壁部进而向上导出。
进一步地，在本发明实施例的半导体发光二极管装置中，所述反射层和所述导热层之间设置有缓冲层。考虑到反射层和导热层之间材料热膨胀系数差异，反射层和导热层之间设置缓冲层优选为有机玻璃缓冲层，所述有机玻璃缓冲层的热膨胀系数介于反射层和导热层之间，其透光率>95％，该缓冲层能够有效稳定反射层和导热层，进而有效提升器件的可靠性。
进一步地，所述反射层的材料选自Al、Ag和Au中的至少一种；例如，反射层可以为为Ag层、Au层或者是Al层，优选地，反射层为Al层，因为Al层除了具有反射率高外的优点，其表面容易形成Al2<\/sub>O3<\/sub>薄膜，可以进一步防止壁部和底部氧化。进一步地，所述导热层的材料选自石墨烯或胶体，因石墨烯导热性最好，能够将芯片和荧光粉产生的热量自底部沿至壁部导出，能够减轻大部分热量流至底部自基板导出的负担，所以导热层优选为纳米级石墨烯导热层。
本发明所述基板为陶瓷基板、金属基板或陶瓷金属复合基板，其中金属基板包括铜基板、铝基板、钨铜合金基板、钨铝合金基板、铜银合金基板、铜铝合金基板等，所述陶瓷基板为氧化铝基板、氧化铍基板、氮化铝基板、氮化硅基板、碳化硅基板、AlN\/SiC复合基板，AlN\/BeO复合基板、Al2<\/sub>O3<\/sub>\/AlN复合基板等。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例发光二极管装置的结构如图1所示，包括基板111和LED芯片112，所述基板111表面设置有凹槽，所述凹槽表面依次设置有反射层113和导热层114，所述LED芯片112固定在所述凹槽底面上的所述导热层114表面，所述LED芯片上沿发光方向依次设置有第一荧光粉胶层115、第二荧光粉胶层，116、第三荧光粉胶层117。
其中，设置有凹槽结构的基板111为氮化铝覆铜基板，凹槽底部和壁部设置有导热层114为石墨烯层，反射层113为铝层，以及通过固晶胶(掺杂少量石墨烯的次微米Sn-Ag-Cu锡膏，所述锡膏重量百分比为：Sn占94％，Ag占2.5％，Cu占3％，Zn占0.03％，石墨烯占0.47％)将LED芯片112(芯片峰值波长为450-452nm)固定在凹槽底面上的导热层114表面。第一荧光粉胶层115、第二荧光粉胶层，116、第三荧光粉胶层117中的荧光粉均为铝酸盐黄粉，其粒径如表1所示，第一荧光粉胶层115的荧光粉平均晶粒尺寸大小约28μm，离散系数为1.1；第二荧光粉胶层116的荧光粉平均晶粒尺寸大小约18μm，离散系数约0.98；第三荧光粉胶层117的荧光粉平均晶粒尺寸约10μm，离散系数约0.85，且三层荧光粉的色坐标、峰值波长和半峰宽较为相近。采用该方案做4000K，70Ra方案产品数量10K左右，其光色性能如表2所示。
表1
申请码:申请号:CN201910022477.2 申请日:2019-01-10 公开号:CN109830592A 公开日:2019-05-31 国家:CN 国家/省市:94(深圳) 授权编号:CN109830592B 授权时间:20191112 主分类号:H01L 33/60 专利分类号:H01L33/60;H01L33/50;H01L33/58;H01L33/64 范畴分类:38F; 申请人:旭宇光电（深圳）股份有限公司 第一申请人:旭宇光电（深圳）股份有限公司 申请人地址:518000 广东省深圳市宝安区西乡鹤洲南片工业区2-3号阳光工业园A1栋厂房八楼 发明人:林金填;陈磊;卢淑芬;李超;邱镇民 第一发明人:林金填 当前权利人:旭宇光电（深圳）股份有限公司 代理人:方良 代理机构:44414 代理机构编号:深圳中一联合知识产权代理有限公司 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计 标签：夜光粉论文; 色坐标论文; 石墨结构论文; 陶瓷基板论文; 离散系数论文; 石墨论文; 光效论文; 发光二极管论文; led芯片论文; 半导体产业论文; 
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