CN104795475A - 一种led封装中复杂形貌透镜加工方法 - Google Patents

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刘胜
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Abstract

本发明公开了一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，是一种基于电流体动力学的LED封装中透镜形貌控制方法，通过电场在聚合物表面的诱导静电力作用实现透镜形貌控制；通过电场的改变实现透镜形貌的精确调控；电场的改变通过不同电极的配置和施加不同大小的电压来实现。本发明方法简单有效，降低了加工成本，缩短了加工周期，极大的提高了透镜的表面光洁度，从而改善了LED产品光学性能。

Description

一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法
技术领域
本发明属于LED封装技术，更具体地，涉及一种基于电流体动力学的LED封装中复杂形貌透镜的加工方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。
透镜作为LED照明主要的光形控制手段，不但能产生会聚光束，同时也能产生发散光束，并且可以对LED发出的各个角度的光进行有效控制，且设计自由度大，实现方式灵活。尤其是随着近几年LED照明用自由曲面透镜的兴起，各种非圆对称光斑的设计变得更加灵活与便捷。因此，透镜在LED照明中得到了越来越多的应用，成为光学设计的一个重要手段，而透镜制造成为LED封装的关键环节之一。
为了保证加工精度，自由曲面透镜往往需要用具有微米级加工精度的精密多轴加工系统来进行加工。然而，在实际批量制造过程中，为了提高生产效率，并且降低成本，往往采用模压成型的方法来生产自由曲面透镜。透镜的形貌和粗糙度完全由模具的形状和质量决定，对模具表面的精度要求很高；模具的加工比较困难，成本较高，制造的周期长，且容易磨损，多次使用后模具即报废，且脱模时容易损坏透镜，残留应力问题也会影响透镜的使用。此外，模压时的温度、压力、聚合物流体的粘度等可能会影响自由曲面透镜的表面形貌，从而影响其光学性能与照明效果。从上述内容可以获知传统的模压透镜加工方法存在严重不足。因此透镜形貌控制方法的改进是当前LED照明工业界实现低成本、高光性能产品面临的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透镜形貌加工控制方法，基于电流体动力学利用聚合物表面的诱导静电力实现透镜形貌的精确调控，在降低加工成本，提高加工效率的同时，还保证了透镜的表面粗糙度。
本发明提供的一种基于电流体动力学的LED封装中复杂透镜形貌加工控制方法，通过电场在聚合物表面的诱导静电力作用实现透镜制形貌控制。
进一步的，通过电场的改变实现透镜形貌的精确调控。
进一步的，所述电场的改变通过不同电极的配置和施加不同大小的电压来实现。
进一步的，上述的电极配置结构，包括平板、圆柱、圆环及其它用来实现的锥形、椭球和非轴对称等复杂形貌透镜的结构。
进一步的，所述施加不同大小的电压，使用直流电源施加电压，电压调节范围是0-30000V内连续可调。
进一步的，包括以下步骤：
1）用点胶设备将聚合物透镜制造材料转移到LED封装模块上，然后将LED封装模块置于上下电极之间；
2）调节直流电源输出电压大小，使聚合物表面所受的静电力足以克服表面张力作用，驱动聚合物的流动并对其形貌进行调控；
3）在保持电压不变的情况下采用加热固化的方法实现聚合物固化，最终得到任意形貌的透镜。
进一步的，所述的聚合物透镜制造材料为硅胶、环氧树脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯或玻璃中的一种。
进一步的，所述方法适用于包括支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装在内的各种LED封装形式。
综上所述，本发明所提出的以上技术方案与现有技术相比，优点是：利用电场在聚合物表面产生的静电力实现透镜形貌的精确调控，用于替代传统的模压透镜加工方法，降低了加工成本，缩短了加工周期，极大的提高了透镜的表面光洁度，从而改善了LED产品光学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1点胶过程示意图；
图2为本发明实施例1电场作用控制透镜形貌示意图；
图3为本发明实施例1聚合物透镜制造材料固化示意图；
图4为实施例1得到透镜形貌随时间变化过程；
图5为实施例1得到的锥形形貌透镜；
图6为实施例1得到的锥形形貌透镜的光强分布曲线；
图7为实施例2电场作用控制透镜形貌示意图；
图8为实施例2得到的椭球形貌透镜；
图9为实施例2得到的椭球形貌透镜的光强分布曲线；
图10为实施3电场作用控制透镜形貌示意图；
图11为实施例3得到的非对称形貌透镜；
图12为实施例3得到的非对称形貌透镜的光强分布曲线；
图13为通过原子力显微镜测得的实施例1至3得到的透镜表面粗糙度；
其中：1- LED封装模块，2- 聚合物，3 -点胶设备，4 -直流电源，5- 电极，6- 电极，7 -热板。
具体实施方式
下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1
本发明提供的一种基于电流体动力学的LED封装中透镜形貌加工方法，通过电场在聚合物表面的诱导静电力作用实现透镜形貌控制。通过电场的改变实现透镜形貌的精确调控。
电场的改变通过不同电极的配置和施加不同大小的电压来实现。电极配置包括平板、圆柱、圆环及其他设计的任意结构。使用直流电源施加电压，电压调节范围是0-30000V内连续可调。
透镜形貌控制方法，具体的步骤包括：
参见图1，1）用点胶设备3将聚合物2转移到LED封装模块1上，然后将LED封装模块1置于平板电极5和平板电极6之间；
参见图2，2）调节直流电源4输出电压大小，使聚合物2表面所受的静电力足以克服表面张力作用，驱动聚合物2的流动并对其形貌进行调控；
参见图3，保持电压不变的情况下采用热板7加热固化的方法实现聚合物固化，最终得到任意形貌的透镜。
聚合物透镜制造材料为硅胶、环氧树脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯或玻璃。
该方法适用于包括支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装在内的各种LED封装形式。
参见图4，在电场作用下，透镜形貌由初始的球貌变为了锥形，整个过程在10秒内完成。
参见图5，在不同电压的作用下，得到不同锥形高度的透镜，随着电压的增大，锥形高度增大。
参见图6，采用不同形貌的透镜LED封装样品的光强分布曲线表明锥形透镜将LED的出光汇聚到了中间区域。与自由成型透镜相比，电场作用得到了中间区域增强的光强分布，最大光强提高了35%。
实施例2
参见图7，本实施例与实施例1的不同之处在于：电极5为圆环电极。
参见图8，在不同电压的作用下得到不同椭球形高度的透镜，随着电压的增大，透镜高度降低。
参见图9，采用不同形貌透镜的LED封装样品的光强分布曲线表明椭球形透镜将LED的出光发散到了两侧区域。与自由成型透镜相比，电场作用得到了两侧区域增强的光强分布，最大光强提高了31%且发生在±46°视角处。
实施例3，
参见图10，本实施例与实施例1的不同之处在于：电极5为非对称圆柱电极。
参见图11，在不同电压的作用下得到不同高度的非对称透镜，随着电压的增大，透镜高度增大。
参见图12，采用不同形貌透镜的LED封装样品的光强分布曲线表明非对称透镜将LED的出光汇聚到了透镜更高的那一侧。与自由成型透镜相比，电场作用得到了一侧增强的光强分布，最大光强提高了39%且发生在-50°视角处。
参见图13，实施例1至3得到的不同形貌透镜的表面粗糙度小于5nm，本发明方案提出的透镜形貌控制方法加工的透镜具有非常高的表面质量。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：通过电场在聚合物透镜制造材料表面的诱导静电力作用实现透镜形貌控制。
2.根据权利要求1所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：通过电场的改变实现透镜形貌的精确调控。
3.根据权利要求2所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：所述电场的改变通过不同形状电极的配置和施加不同大小的电压来实现。
4.根据权利要求3所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：所述电极的配置结构，包括平板或圆柱或圆环形状。
5.根据权利要求3所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：所述施加不同大小的电压，使用直流电源施加电压，电压调节范围是0-30000V内连续可调。
6.根据权利要求5所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1）用点胶设备将聚合物透镜制造材料转移到LED封装模块上，然后将LED封装模块置于上下电极之间；
2）调节直流电源输出电压大小，使聚合物表面所受的静电力足以克服表面张力作用，驱动聚合物的流动并对其形貌进行调控；
3）保持电压不变的情况下采用加热固化的方法实现聚合物固化，最终得到锥形或椭球或非轴对称形状的复杂形貌的透镜。
7.根据权利要求6所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：所述的聚合物透镜制造材料包括硅胶或环氧树脂或聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或聚氯乙烯或玻璃中的一种。
8.根据权利要求7所述的一种LED封装中复杂形貌透镜加工方法，其特征在于：所述方法适用于包括支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装在内的多种LED封装形式。
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