CN101696777B - 高可靠白光led平面光源模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED光源技术领域，具体地说是一种采用特殊槽形结构金属基板的高可靠白光LED平面光源模块，其特征在于：金属基板上表面具有特殊凹槽形结构，金属基板内含有图形化的电路层和具有高反射率的绝缘层，金属基板凹槽内直接装有LED发光芯片，并采用透明树脂或硅胶填充凹槽，并覆盖LED发光芯片形成填充层，填充层上还依次设有散光层、荧光粉层。本发明与现有技术相比，采用激光雕刻或干湿蚀刻法等自动化加工工艺制作特殊的凹槽，以营造芯片良好的安装环境，加上散光层与发光层的结合使用，组成的平面光源厚度小，面积可扩性强，且稳定、亮度高、均匀性好；LED芯片直接固定在具有电路层的金属基板上，导热性能好。

Description

高可靠白光LED平面光源模块

[技术领域]

本发明涉及LED光源技术领域，具体地说是一种采用特殊槽形结构金属基板的高可靠白光LED平面光源模块。

[背景技术]

由于大部分LED光源的辐射角分布为110～120°的郎伯分布，在没有经过配光的情况下，照在对象表面的光型是圆型的光斑，当光强较大时易产生眩光、照度不均匀等问题。根据《标准照明体及照明观测条件》的标准，要求通用照明的照度均匀达到0.7以上，针对该要求，LED白光通用照明光源的设计主要有如下3种：

一种是将高亮度的多颗LED以特定的设计密排组合并集成，如专利200720086515.3，200510024511.8等描述，该类光源的点光源光斑集中，照射面积小，方向性强，且密集型结构致使散热差，光源衰减严重，限制了其在通用照明中的应用；

一种是将LED发光芯片密排，在灯具外壳如透明面罩等组件上涂覆单色及混色荧光粉，通过芯片发光激发平面荧光粉层，通过混光效果来实现白光平面照明的效果，发光芯片与荧光粉为非接触型激发，如CN201177219专利等的描述，该类平面光源可解决眩光，照度不均匀，但是由于荧光层是在透明面罩上，发光芯片与荧光层之间间距较大，光激发荧光粉的混光亮度会比较低，严重影响LED平面光源的亮度和转换效率；

还有一种方法是，将LED发光模组垂直放置在导光板外周，通过导光作用实现平面化照明，如对比专利CN10142555所述，该类平面光源均匀性非常好，因亮度低而主要应用在显示器背光源，亮度无法满足照明要求。

[发明内容]

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采取了与传统平面贴装和单颗金属碗杯封装工艺不同的平面封装工艺，通过激光雕刻或干湿蚀刻法等自动化加工工艺在金属基板内制造特殊的凹槽结构，以营造芯片的特殊安装环境，实现平面光源的连续制造工艺，并将散光层与作为发光层的荧光粉层结合使用，解决了平面光源用于照明时产生的眩光、均匀性差和亮度低等问题。

为了实现上述目的，一种高可靠白光LED平面光源模块，包括金属基板、电路层、绝缘层、LED发光芯片、散光层、荧光粉层、电极，其特征在于：金属基板的上表面均布有凹槽，金属质的凹槽内壁形成光反射面，每个凹槽内的底部放置LED发光芯片，在金属基板内毗邻两个凹槽之间的部分嵌有图形化的电路层，电路层上设有高反射率的绝缘层，LED发光芯片顶部两端分别采用电极连通两旁的电路层，采用透明树脂或硅胶填充金属基板的凹槽，形成的透明树脂或硅胶填充层上表面与金属基板上表面在同一水平面，在该水平面上再依次涂覆散光层和荧光粉层；LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点的切线面与凹槽底部相交形成的交点与LED发光芯片的中心点的水平间距为a、LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点的切线面与LED发光芯片侧面的夹角为α、LED发光芯片表面光线的出射光角度为β、LED发光芯片厚度为h、凹槽的深度为d；经凹槽反射后光线的出射角度为β-2α；凹槽的深度d大于芯片厚度h，则有公式 $d=h+\frac{a+2\mathrm{htg\α}}{\mathrm{tg\β}}.$ 由反射原理可知，当β＝2α时，通过槽形结构反射所得的出射光为垂直于芯片上表面，实现光的平行出射。

所述的凹槽为梯形或半圆形或半椭圆形，当凹槽为梯形时，α角度为0-70°；当凹槽为半圆形或半椭圆形时，α角度为0-135°。

所述的金属基板为铝基板或铜基板。

所述的散光层是由透明树脂或硅胶添加粒径为20-500nm的纳米金刚石或粒径为1-10μm的氧化硅微粒形成的厚为1μm-1mm的薄膜。

毗邻两个LED发光芯片的安装间距为3-8毫米，LED发光芯片的宽度

与该安装间距的比例为10-30μm：3000-5500μm。

所述的电极采用金线电极。

所述的电路层采用铜箔电路层。

该高可靠白光LED平面光源模块，可通过拼接工艺组成形状各异的、发光均匀的白光LED平面光源。

本发明与现有技术相比，采用激光雕刻或干湿蚀刻法等自动化加工工艺制作特殊的凹槽结构，以营造芯片的良好的安装环境，加上散光层与发光层的结合使用，不但组成的平面光源厚度小，面积可扩性强，且能够在长时间周期内获得高亮度、高均匀性、稳定的用于通用照明的LED平面光源；LED芯片直接固定在具有电路层的金属基板上，导热性能好。

[附图说明]

图1为本发明的光学结构设计原理示意图；

图2为本发明实施例中具有梯形槽结构的白光LED平面光光源模组的剖视图；

图3是本发明另一实施例中具有圆弧形槽结构的白光LED平面光光源模块的剖视图；

图4是本发明中将模块拼装后组成的白光LED平面光源简示图。

参见图1-图4，1为金属基板；2为电路层；3为绝缘层；4为LED发光芯片；5为填充层，采用透明树脂或硅胶原填充料；6为散光层；7为电极；8为凹槽；9为荧光粉层。

[具体实施方式]

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图2所示，该白光LED平面光源模块包括：铝基板1，铝基板中间设有图形化的铜箔电路层2和绝缘层3，事先通过激光雕刻或干湿蚀刻法等自动化加工工艺在铝基板上表面制造了特殊的梯形槽结构，以营造芯片的特殊安装环境，实现平面光源的连续制造工艺，该梯形的凹槽8的底部直接装有LED发光芯片4，毗邻两个LED发光芯片4之间的间距为4mm，LED发光芯片4的高度h＝0.5mm，LED发光芯片4宽度为0.8mm，LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点的切线面与凹槽底部相交形成的交点与LED发光芯片的中心点的水平间距a为0.5mm，光滑的凹槽内侧壁成为光反射面，LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点的切线面，对梯形槽来说也即内壁斜坡面与垂直面的夹角α为30°，梯形凹槽8的深度d＝0.6mm，对于LED发光芯片表面光线的出射光角度β为60度的光线可垂直于LED发光芯片上表面，实现平行光输出；

LED发光芯片经金线电极7与两端的电路层2相连，用透明树脂或硅胶填充凹槽8来覆盖LED发光芯片，直至该填充层5与金属基板1的上表面呈同一水平面；

为使光线分布均匀，在平整的透明树脂或硅胶填充层5上方覆盖一层散光层6，该散光层采用添加纳米金刚石的透明树脂或硅胶固化而成，纳米金刚石的颗粒大小为20-500nm，从而使光源发光均匀；再在散光层6上方直接涂覆固化制作作为发光层的荧光粉层9，散光层与发光层结合使用，使出射光分布均匀。

实施例2

如图3所示，该白光LED平面光源模块包括：铝基板1，铝基板中间有图形化的铜箔电路层2和绝缘层03，铝基板上表面具有圆弧形的凹槽8，圆弧半径0.5mm，毗邻的LED发光芯片4之间的间距为5mm，LED发光芯片4的厚度h＝0.3mm，LED发光芯片4宽为0.4mm，a为0.25mm，圆弧形凹槽8的深度d＝0.5mm，对于LED发光芯片表面光线的出射光角度β大于70度的光线经反射后的出射光角度可缩至20-60°范围内，实现光线聚集输出；

LED发光芯片经金线电极7与图形化的铜箔电路层2相连，用透明树脂或硅胶填充圆弧形凹槽覆盖LED发光芯片，直至该填充层5与金属基板1的上表面呈同一水平面；

为使光线分布均匀，在平整的透明树脂或硅胶层填充层5上方覆盖一层散光层6，该散光层采用添加氧化硅微粒的透明树脂或硅胶固化而成，氧化硅颗粒大小为1-10μm，通过反射与折射作用使光源发光均匀；再在散光层6上方直接涂覆固化制作作为发光层的荧光粉层9，散光层与发光层结合使用，使出射光分布均匀。

由公式 $d=h+\frac{a+2\mathrm{htg\α}}{\mathrm{tg\β}}$ 可见，在芯片厚度h相同的情况下，可根据需要调整LED发光芯片的中心点与反光点切线面之间的水平间距a、LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点切线面与LED发光芯片侧面的夹角α、凹槽的深度d，从而来控制LED发光芯片表面光线的出射光角度β，进而来控制白光LED平面光源模块发出的发射光角度，使其光线均匀，不产生眩光，且实现最大外出光效率。

将上述实施例中制得的白光LED平面光源模块，通过拼接工艺组成形状各异、发光均匀的白光LED平面光源，如图4所示，如将尺寸同为12mm×90mm的白光矩形LED平面光源模块10拼接，可形成尺寸为24mm×270mm的平面光源，该类平面光源厚度小，面积可扩性强，能够在长的时间周期内获得高亮度、高均匀性、稳定的用于通用照明的LED平面光源。

Claims (7)

1.一种白光LED平面光源模块，包括金属基板、电路层、绝缘层、LED发光芯片、散光层、荧光粉层、电极，其特征在于：金属基板(1)的上表面均布有凹槽(8)，金属质的凹槽内壁形成光反射面，每个凹槽(8)内的底部放置LED发光芯片(4)，在金属基板(1)内毗邻两个凹槽之间的部分嵌有图形化的电路层(2)，电路层(2)上设有绝缘层(3)，LED发光芯片(4)顶部两端分别采用电极(7)连通两旁的电路层(2)，采用透明树脂或硅胶填充金属基板(1)的凹槽，形成的透明树脂或硅胶填充层(5)上表面与金属基板(1)上表面在同一水平面，在该水平面上再依次涂覆散光层(6)和荧光粉层(9)；LED光线入射到凹槽内侧壁形成的光反射点的切线面与凹槽底部相交形成的交点与LED发光芯片的中心点的水平间距为a、凹槽内侧壁的光反射面上的反射点切线面与LED发光芯片侧面的夹角为α、LED发光芯片表面光线的出射光角度为β、LED发光芯片厚度为h、凹槽的深度为d；经凹槽反射后光线的出射角度为β-2α；凹槽的深度d大于芯片厚度h。

2.如权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：所述的凹槽(8)为梯形或半圆形或半椭圆形，当凹槽为梯形时，α角度为0-70°；当凹槽为半圆形或半椭圆形时，α角度为0-135°。

3.如权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：所述的金属基板(1)为铝基板或铜基板。

4.如权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：所述的散光层(6)是由透明树脂或硅胶添加粒径为20-500nm的纳米金刚石或粒径为1-10μm的氧化硅微粒形成的厚为1μm-1mm的薄膜。

5.如权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：毗邻两个LED发光芯片的安装间距为3-8毫米。

6.权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：所述的电极(7)采用金线电极。

7.权利要求1所述的一种白光LED平面光源模块，其特征在于：所述的电路层(2)采用铜箔电路层。

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