CN101741009B - 一种制备半导体固态白光光源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备半导体固态白光光源的方法，该方法包括：将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片烧结在热沉和基板上，并封装到管壳上；将荧光粉与固化剂混合，并在一定温度下固化在洁净的玻璃片上；利用半导体激光器光源激发固化后的荧光粉，使荧光粉产生白光。利用本发明所制备的白光光源具有较高能效、较高光通量和较高亮度；可单独对核心器件进行温控制冷，避免高温时器件和荧光粉发生退化；可制备出很小尺寸、具有特殊用途的白光光源。

Description

一种制备半导体固态白光光源的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件技术领域，特别是指一种制备半导体固态白光光源的方法。

背景技术

人类的电光源照明起始于爱迪生发明的白炽灯，后来又陆续发明了低压钠灯、荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯、三基色荧光灯、紧凑型荧光灯和高频无极灯等电光源。通常光源的评价标准有能效、光通量、显色指数、色温等参数，其中光源能效的高低反应了其节电能力，半导体固态白光光源具有高能效、长寿命等特点，被公认为是继白炽灯、日光灯之后的第三代照明光源。

目前在半导体照明领域，多采用发光二极管做激发光源，激发相应的荧光粉获得固态白光光源。以发光二极管为基础的白光光源有三个主要方案：第一种是用蓝光发光二极管激发黄色荧光粉，荧光粉在蓝光的激发下发射黄光，再与透出的部分蓝光混合，由补色原理而呈现白光，该方案制备的白光显色指数比较低且白光参数随温度和工作电流变化比较大；第二种是由红绿蓝三基色发光二极管直接混合成白光，由于三个发光二极管的效率、光功率随注入电流、温度、时间等参数不同步变化，因此要求比较高的控制电路；第三种是由紫外或近紫外发光二极管激发红绿蓝三基色荧光粉，由于人视觉对紫外或近紫外光不敏感，这种白光的颜色只由荧光粉决定，因此该方案显色指数高且白光参数比较稳定。

在以上这三种方案中，核心器件与荧光粉的发展水平都具有举足轻重的作用，与白光光源能效和光通量直接相关的是核心器件的电光转换效率和光输出功率，发光二极管的光功率在高电流注入的情况下趋于饱和，因此高功率高效率的发光二极管是目前最大的技术难点之一。而本发明是采用半导体激光器代替发光二极管来激发荧光粉，获得白光光源。

半导体激光器与发光二极管都属于固态半导体光源。但本质上的区别在于：发光二极管是一种自发辐射光源，而半导体激光器是由注入有源区的过剩载流子的受激辐射形成的激光光源。与发光二极管相比，半导体激光器具备发光二极管几乎所用的优点，同时半导体激光器的光束能量相对集中，输出光斑易于整形或耦合进入光纤输出，可利用这一特点来准备高亮度的白光固态发光器件，并且利用激光器来激发荧光粉片时可以把荧光粉片放置的位置灵活调节，避免了高温带来核心器件荧光粉效率的下降，还可以使核心器件单独制冷，制备具有特殊用途的白光光源。

因此本发明采用蓝光半导体激光器激发黄色荧光粉来制备固态白光光源，为了提高固态白光的显色指数，还可以在黄粉的基础上添加绿色或红色或其他多种混合荧光粉。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种制备半导体固态白光光源的方法，以制备出具有较高能效、较高光通量和较高亮度的白光光源，并避免高温时器件和荧光粉发生退化。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备半导体固态白光光源的方法，该方法包括：

将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片烧结在热沉和基板上，并封装到管壳上；

将荧光粉与固化剂混合，并在一定温度下固化在洁净的玻璃片上；

利用半导体激光器光源激发固化后的荧光粉，使荧光粉产生白光。

上述方案中，所述将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片烧结在热沉和基板上，并封装到管壳上，具体包括：将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片用焊料烧结在热沉上，再将热沉烧结在基板上，再将散热基板固定在激光器管壳上。

上述方案中，所述热沉由硅、碳化硅、金刚石或氧化铍制成，所述基板由铝、铜或硅制成，所述激光器管壳是标准的TO管壳封装。

上述方案中，所述荧光粉是黄色荧光粉，或者是黄色与绿色、红色混合后的荧光粉；所述固化剂是透明硅胶或透明环氧树脂。

上述方案中，所述利用半导体激光器光源激发固化后的荧光粉，使荧光粉产生白光，具体包括：将固化后的荧光粉与半导体激光器光源直接固定在一起，或是将半导体激光器的输出光斑通过非球面透镜或透镜组进行整形后再激发荧光粉，或是先将半导体激光器与光纤进行耦合，使半导体激光器带尾纤输出后再去激发荧光粉发白光。

上述方案中，所述将固化后的荧光粉与半导体激光器光源直接固定在一起，是将混合后的荧光粉与半导体激光器光源连接在一起。

上述方案中，所述将半导体激光器的输出光斑通过非球面透镜或透镜组进行整形后再激发荧光粉，是根据应用需要制备高亮度的点光源器件，将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚后再与混合荧光粉固定；若根据应用要求制备亮度均匀的面光源，则将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光束平行后再与混合荧光粉固定。

上述方案中，所述先将半导体激光器与光纤进行耦合，使半导体激光器带尾纤输出后再去激发荧光粉发白光，是根据应用需要制备高亮度直射光束，将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚到光纤的一个端面上，光纤的另外一个端面与混合荧光粉固定。

上述方案中，所述非球面透镜或透镜组的两个端面均蒸镀增透膜，面向透镜的光纤端面也蒸镀增透膜，以减少光的反射损耗。

(三)有益效果

本发明提供的这种制备半导体固态白光光源的方法，利用激射波长位于蓝光的半导体激光器代替常规的发光二极管做激发光源，来激发黄色荧光粉或黄色与红色、绿色混合后的荧光粉，使其发白光。其优点在于以下三点：

1、半导体激光器更容易做到高功率和高电光转换效率输出，而核心器件性能的提高将直接导致所制备的白光光源性能的提高。

2、本发明是将荧光粉与激发光源的芯片隔离，避免了荧光粉因器件发热而导致发光效率的下降；若根据应用需要，当器件工作在高电流高温度环境时，由于固定荧光粉的金属套筒和半导体激光器紧密相连，使激光器芯片和荧光粉同时进行温控制冷，避免了在高温或高注入电流工作时器件输出功率和电光转换效率的下降，同时也能避免高温时荧光粉发光效率的下降。

3、半导体激光器的光斑很容易整形，甚至可耦合进入光纤输出，可以用这个方法可制备具有特殊用途的固态白光光源。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明制备半导体固态白光光源的方法流程图；

图2为半导体激光器芯片的烧结方式示意图；

图3～图6为各种半导体固态白光光源的组件示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明制备半导体固态白光光源的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片烧结在热沉和基板上，并封装到管壳上；

步骤2：将荧光粉与固化剂混合，并在一定温度下固化在洁净的玻璃片上，固化后可将粉片完好无损地取下；

步骤3：利用半导体激光器光源激发固化后的荧光粉，使荧光粉产生白光。

上述步骤1具体包括：将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片用焊料烧结在热沉上，再将热沉烧结在基板上，再将散热基板固定在激光器管壳上。其中，热沉可由硅、碳化硅、金刚石或氧化铍等材料制成，基板可由铝、铜或硅等材料制成，激光器管壳可以是标准的TO管壳封装，也可以是其它形式的管壳。

上述步骤2中所述荧光粉是黄色荧光粉，或者是黄色与绿色、红色混合后的荧光粉；所述固化剂是透明硅胶或透明环氧树脂。固化后的粉片可完好无损地取下，这样做是为了提高激光光源的利用率。

上述步骤3具体包括：将固化后的荧光粉与半导体激光器光源直接固定在一起，或是将半导体激光器的输出光斑通过非球面透镜或透镜组进行整形后再激发荧光粉，或是先将半导体激光器与光纤进行耦合，使半导体激光器带尾纤输出后再去激发荧光粉发白光。

步骤3中三个方案取决于对最终白光器件封装形式的要求。第一个方案是将混合后的荧光粉与半导体激光器光源连接在一起；第二个方案是根据应用需要制备高亮度的点光源器件，可将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在特殊设计的金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚后再与混合荧光粉固定；若根据应用要求制备亮度均匀的面光源，可将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在特殊设计的金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光束平行后再与混合荧光粉固定；第三个方案是根据应用需要高亮度直射光束，可将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在特殊设计的金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚到光纤的一个端面上，光纤的另外一个端面与混合荧光粉固定。该步骤中用到的非球面透镜或透镜组的两个端面均蒸镀增透膜，面向透镜的光纤端面也蒸镀增透膜，以减少光的反射损耗。

请参阅图2～图6所示的具体实施例。本发明是一种用半导体激光器为核心器件，来激发黄色荧光粉或黄色与红色、绿色混合的荧光粉来制备各种形式固态白光光源的方法，其具体的制备工艺包括以下步骤：

(1)将制备好的蓝光半导体激光器芯片1用具有高导热能力的焊料烧结在具有高散热能力的热沉2上，热沉材料可包括硅热沉、碳化硅热沉、金刚石热沉等，再将热沉烧结到具有高散热能力的基板3上，基板可由铝、铜、硅等材料制成，如图2所示。再将散热基板固定在激光器管壳上，这里的激光器管壳可以是标准TO管壳4，也可以是其他设计形式的管壳。

(2)把黄色荧光粉依与透明硅胶或环氧树脂按照一定比例混合均匀，将带有荧光粉的胶体在高温下固化在透明薄片上，固化后从透明薄片上取下荧光粉胶体。

(3)如图3，若制备无特殊要求的固态白光光源，可将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里。

(4)如图4，若根据应用需要制备高亮度的点光源器件，可将具有会聚作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，再将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里，并将位置调整到焦点上。

(5)如图5，若根据应用要求制备亮度均匀的面光源，可将具有发散作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，再将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里，并将位置调整好。

(6)如图6，若根据应用要求制备高亮度高方向性的光源，可将具有会聚作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，并将光纤的一端通过金属套筒6固定在光源的焦点上，另一端可直接把荧光粉7固化在光纤端面上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，该方法利用激射波长位于蓝光的半导体激光器代替发光二极管做激发光源，来激发黄色荧光粉或黄色与红色、绿色混合后的荧光粉，使其发白光，具体包括：

将激射波长位于蓝光的半导体激光器芯片用焊料烧结在热沉上，再将热沉烧结在基板上，再将散热基板固定在激光器管壳上；

将荧光粉与固化剂混合，并在一定温度下固化在洁净的玻璃片上；

将固化后的荧光粉与半导体激光器光源直接固定在一起，或是将半导体激光器的输出光斑通过非球面透镜或透镜组进行整形后再激发荧光粉，或是先将半导体激光器与光纤进行耦合，使半导体激光器带尾纤输出后再去激发荧光粉发白光。

2.根据权利要求1所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述热沉由硅、碳化硅、金刚石或氧化铍制成，所述基板由铝、铜或硅制成，所述激光器管壳是标准的TO管壳封装。

3.根据权利要求1所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述荧光粉是黄色荧光粉，或者是黄色与绿色、红色混合后的荧光粉；所述固化剂是透明硅胶或透明环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述将固化后的荧光粉与半导体激光器光源直接固定在一起，是将混合后的荧光粉与半导体激光器光源连接在一起。

5.根据权利要求1所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述将半导体激光器的输出光斑通过非球面透镜或透镜组进行整形后再激发荧光粉，是根据应用需要制备高亮度的点光源器件，将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚后再与混合荧光粉固定；若根据应用要求制备亮度均匀的面光源，则将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光束平行后再与混合荧光粉固定。

6.根据权利要求1所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述先将半导体激光器与光纤进行耦合，使半导体激光器带尾纤输出后再去激发荧光粉发白光，是根据应用需要制备高亮度直射光束，将满足要求的非球面透镜或透镜组先固定在金属套筒中，给激光器加电，调整相应装有非球面透镜或透镜组的金属套筒的位置，使输出光斑会聚到光纤的一个端面上，光纤的另外一个端面与混合荧光粉固定。

7.根据权利要求6所述的制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，所述非球面透镜或透镜组的两个端面均蒸镀增透膜，面向透镜的光纤端面也蒸镀增透膜，以减少光的反射损耗。

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