CN102142511A - 基于光波长转换的固态光源及其封装方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光波长转换的固态光源及其封装方法，所述固态光源包括光波长转换材料层以及设置在基底上的固态发光芯片，尤其是，将包括光波长转换材料的光波长转换材料层厚度设置成小于或等于该固态发光芯片的外接圆直径的20％，贴覆在该固态发光芯片的发光面上；将所述光波长转换材料层的另一面裸置于空气中。还可以在所述所述光波长转换材料层的上方架设一光收集透镜组件，以将受激发光准直成近平行光进行光输出。使用本发明的光源具有较低的光学扩展量，便于系统低成本地实现高亮度、高功率光输出。

Description

基于光波长转换的固态光源及其封装方法

技术领域    本发明涉及带固态发光器件，例如适用于光发射的半导体器件的光源，尤其涉及所述光源的封装方法及结构。

背景技术    固态光源，包括半导体发光器件(例如但不限于发光二极管)，可在驱动电功率作用下发光(例如但不限于可见光)，为绿色无污染的干净节能光源，在装饰照明、舞台照明和投影机光源中，已有着广阔的应用。

目前最佳绿光LED光源采用了基于InGaN材料的绿光LED，红光LED光源采用了基于AlInGap材料的红光LED。但限于材料发光机制的限制，特定波长的LED发光效率可能很低，具体如图1所示：实曲线表示人眼对不同发光波长的光的敏感度；以InGaN材料所对应的虚曲线为例，发光波长为450纳米的蓝光LED外量子效率约为25％，而530纳米左右的绿光LED外量子效率仅为10％左右。且绿光LED由于生长条件苛刻，加工难度高而造成成本很高：以当前市场为例，同等档次下绿光LED的价格比蓝光LED的高约一倍以上。这严重阻碍了特定波长LED的全面应用。

为此，以绿光光源为例，有人提出基于固态发光芯片(例如蓝光LED)采用光波长转换材料(例如绿色荧光粉)来构造光源，代替现有绿光LED。美国专利US 6,496,322和US6,682,207分别提出了一种绿光荧光粉材料及其成分，与蓝光或UV(紫外)光LED混合产生绿光。该类光源至少包括LED、荧光粉及用来改变光方向的反射杯，所述LED置于反射杯的底部开口；如图2，发表在2005年日本应用物理期刊(Journal of Applied Physics，Japan)第44卷第21期第649～651页，为例常用的封装结构有：

a)将荧光粉3直接涂覆于LED芯片1之上，胶体4覆盖荧光粉3并填充反射杯2的剩余空间，从而荧光粉3在来自LED芯片1的激发光的激励下，产生特定波长的受激发光并经反射杯2收集定向射出；

b)为避免荧光粉发光效率和寿命受LED芯片发热产生的不利影响，将a方案中荧光粉3改为均匀散布于胶体4中，可以既提高荧光转换效率，延长荧光粉寿命，又提高光源输出的均匀性；

c)在反射杯2正对LED芯片1的开口处设置一荧光粉层，该荧光粉层与LED芯片之间的空间填充以具有折射系数匹配的胶体；

d)将c方案中所述反射杯的杯壁由镜面反射特性改为漫反射特性，以提高荧光转换效率。

上述现有技术的不足之处在于：所述几种方案，包括美国专利US 6,496,322所提出的光源结构都将造成光源光斑的大幅扩散，当该类光源用于对光源光学扩展量(Etendue)有所限制的场合如投影机系统、舞台照明系统时，虽然光源的光输出流明可能超出现有绿光LED，但光源的亮度(即单位面积上的流明数)却将大大降低，因此不适合该类应用场合。

发明内容    本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种带固态发光芯片的光源及其封装方法，具有较低的光学扩展量，以满足光学系统高效率高亮度的需求。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：对光斑尺寸进行限制，最好采用薄型封装结构来使固态发光芯片的光斑基本保持不扩散；并经经验验证，放弃对光源发光面用具有一定折射率的介质进行的保护性封装，直接采用紧凑的裸封装结构来提高光输出亮度。

作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种基于光波长转换的固态光源，包括光波长转换材料以及设置在基底上的固态发光芯片，尤其是，所述光波长转换材料所在的光波长转换材料层直接贴覆在所述固态发光芯片上或通过透明填充介质来粘覆在该固态发光芯片上，该光波长转换材料层的上表面裸于空气中；且该光波长转换材料层的厚度小于或等于所述固态发光芯片的外接圆直径的20％。

具体地说，上述方案中，所述透明填充介质折射率高于1.3，包括硅胶。所述光波长转换材料层还包括一种或一种以上的透明材料，用来将所述光波长转换材料结合在一起。所述透明材料为透明胶体或透明玻璃材料，例如硅胶，与所述光波长转换材料混合或溶合成型；或者为透明塑料薄膜材料，所述光波长转换材料被热压在该透明塑料薄膜材料上。

上述方案中，所述固态发光芯片为半导体发光芯片。例如发光二极管芯片。所述光波长转换材料包括荧光粉、纳米发光材料或发光染料，例如硅酸盐绿色荧光粉或YAG:Ce黄色荧光粉。所述基底采用导热材料。

上述方案中，还包括波长选择滤光片，隔着空气隙放置在所述光波长转换材料层的上方；该波长选择滤光片反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该波长选择滤光片。或者还包括角度选择滤光片，隔着空气隙放置在所述光波长转换材料层的上方；该角度选择滤光片反射大于预定入射角度的入射光线。或者还包括架设在所述光波长转换材料层上方的光收集透镜组，该光收集透镜组的底部表面与所述光波长转换材料层或波长选择滤光片或角度选择滤光片上表面之间的距离小于所述固态发光芯片的外接圆直径的50％。该光收集透镜组为一个具有上、下表面的光收集透镜；所述光收集透镜至少有一个表面镀有光波长选择透射膜，该光波长选择透射膜反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该光波长选择透射膜。或者该光收集透镜组的底部表面镀有角度选择透射膜，该角度选择透射膜反射大于预定入射角度的入射光线。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种基于光波长转换的固态光源的封装方法，所述固态光源包括设置在一基底上的固态发光芯片；尤其是，包括在所述固态发光芯片的发光面上贴覆一厚度小于或等于该固态发光芯片的外接圆直径的20％的光波长转换材料层的步骤，该光波长转换材料层包括光波长转换材料；将所述光波长转换材料层的另一面裸置于空气中。

上述方案中，是采用透明填充介质来将所述光波长转换材料层贴覆到固态发光芯片发光面上的。或者还包括隔着空气隙在所述波长转换材料上方放置光波长选择滤光片的步骤，该光波长选择滤光片反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该光波长选择滤光片。进一步地，该光波长选择滤光片具有导热透明基材。或者还包括在所述光波长转换材料层上架设光收集透镜组的步骤，使该光收集透镜组的底部表面与所述光波长转换材料层上表面之间的距离小于所述固态发光芯片的外接圆直径的50％。或者还包括将所述基底设置在散热器或散热片上的步骤。

上述方案中，所述光波长转换材料层为一种或一种以上透明材料与颗粒状的所述光波长转换材料混合或溶合后固化成型的。或者该光波长转换材料层为将颗粒状的所述光波长转换材料喷洒并热压在透明塑料薄膜材料的表面而形成的。

采用上述各技术方案，具有结构简单，成本低，易于实现的优点。

附图说明    图1曲线示意了现有发光材料所带来的外量子效率与波长关系；

图2a～d示意了现有固态光源的若干种封装结构；

图3示意了本发明固态光源的封装结构；

图4a及4b通过比较示意了图3所述结构可具有的优化效果；

图5示意了图3结构的改进实施例；

图6示意了图3实施例对光输出亮度的改进效果

图7示意了图3结构的又一改进实施例

图8示意了图7实施例的改进效果

其中，各附图的标记为：1——LED芯片，2——反射杯，3——光波长转换材料/荧光粉，4——胶体，50～53、60～62——光线，7——收集透镜，71、72——上、下表面，8——光波长选择滤光片。

具体实施方式    下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

本发明光源包括设置在一基底上的固态发光芯片，根据现有技术，该固态发光芯片包括但不限于半导体发光芯片，例如发光二极管芯片。所述基底可以是形成该固态发光芯片的衬底，各电极在该衬底的发光面之外形成。与现有技术相区别，本发明光源封装方法是在所述固态发光芯片的发光面上贴覆一厚度小于或等于该固态发光芯片的外接圆直径的20％的光波长转换材料层，该光波长转换材料层包括光波长转换材料；并将该光波长转换材料层的另一面裸置于空气中。图3示意了依本发明方法得到的光源结构：覆在固态发光芯片1的发光面之上的是光波长转换材料层，厚度h小于或等于所述固态发光芯片的外接圆直径D的20％，上表面裸于空气中。所述光波长转换材料层还包括一种或一种以上的透明材料，用来将光波长转换材料结合在一起。所述透明材料可以是一种透明胶体如硅胶，与所述光波长转换材料混合后固化成型成一层。该透明胶体的折射率一般高于1.3。本发明并不限制光波长转换材料与所述透明胶体在光波长转换材料层中的相对分布，但为了提高光输出亮度，经实验验证，排除用所述透明胶体包覆光波长转换材料使之与空气隔绝的做法。

所述透明材料还可以是一种透明玻璃材料，将光波长转换材料溶解于其中再浇铸成型形成一层。所述透明材料也可以是一种透明塑料薄膜材料，将荧光粉颗粒喷洒并热压在该透明塑料薄膜材料的表面。实际上，所述光波长转换材料层的构成或成型方法并不限于这些例子，现有技术中还有多种方式可以引用。

为了利于荧光粉散热，所述光波长转换材料层应与所述发光面紧密接触。因此还可以用透明填充介质来填充，使所述光波长转换材料层更好地贴覆到固态发光芯片发光面上。该透明填充介质的折射率一般高于1.3，甚至该透明填充介质可以是所述透明胶体。

作为该实施例的替换，在所述光波长转换材料层内，还可以将所述光波长转换材料与透明胶体相分离，即把所述光波长转换材料涂敷在该透明胶体上与所述固态发光芯片相背的一面，这样通过透明胶体来将光波长转换材料粘附在所述发光面上，同时使位于上方的光波长转换材料完全裸于空气中。所述光波长转换材料包括荧光粉，发光染料或纳米发光材料，例如但不限于硅酸盐绿色荧光粉或YAG:Ce黄色荧光粉。

图4示意了不同光波长转换材料层厚度h对受激发光的影响：图4a代表本发明光源结构，光波长转换材料层厚度比较薄，小于一预定角度的小角度出射光线52由光波长转换层射出；大角度出射的激发光线50、53由于全反射现象的存在而被反射回固态发光芯片，再因由该芯片表面微结构的反射作用经一次或多次反射而改变出射角度射出，例如经一次反射的激发光线51。图4b示意了较厚光波长转换材料层带来的效果，同样因全反射没有出射的光线50反射回来后未能射往固态发光芯片，由此一部分光线51′被损耗掉，另一部分光线51从光波长转换层的侧面射出；此外也有部分出射光线53以小角度入射角直接从光波长转换层的侧面射出；在对光学扩展量(Etendue)有所限制的应用来说，从侧面出射的光线难以被收集并加以利用，因此，厚度h越大，光损耗越大。

以固态发光芯片采用蓝光或UV光LED，光波长转换材料采用基于InGaN的荧光粉为例，经过验证，采用本发明结构的绿光光源成本几乎等同于蓝光LED，比绿光LED降低至少50％；在本发明一实施例中，光波长转换材料层包括相混合的硅酸盐荧光粉与硅胶(折射率为1.53)，令h为0.05mm，LED上表面大小为1mmx1mm(其外接圆直径为1.41mm)，验证如图6所示，当采用直流驱动时，相同强度的驱动电流下，本发明绿光光源的光输出亮度比绿光LED的输出亮度要高，甚至可提高10％以上。

为了进一步提高光源光输出亮度，如图7结构所示，本发明方法还包括隔着空气隙在所述波长转换材料上方放置光波长选择滤光片8的步骤。该光波长选择滤光片8反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该光波长选择滤光片；这样部分未被吸收利用的激发光将得以被二次利用，从而提高光波长转换材料的萃取效率。该空气隙越小越好。实验发现，当所述滤光片8采用导热透明基材时，在较小的空气隙下将有助于光波长转换层的散热。图8示意了在空气隙小于5微米时的效果：当LED驱动电流小于1安培时，放置光波长选择滤光片后光源在60度收集角度内的光输出相对光强略有提高；而在1安培以上驱动电流越大，LED的发热越严重，此时滤光片导热对所述相对光强的提升越明显。

另外，为了进一步提高光源光输出亮度，本发明还可以用一角度选择滤光片来代替所述光波长选择滤光片8，隔着空气隙放置在所述光波长转换材料层的上方；或者在所述光波长选择滤光片8的上方或下方增设一所述角度滤光片。该角度选择滤光片反射大于预定入射角度的入射光线，小或等于该入射角度的入射光则穿透该角度选择滤光片。

进一步地，本发明方法还可以包括在所述光波长转换材料层上架设光收集透镜组的步骤，如图5所示，使该光收集透镜组的底部表面与所述光波长转换材料层(当有波长选择滤光片或角度选择滤光片存在时，则为最上方的波长选择滤光片或角度选择滤光片)上表面之间的距离小于所述固态发光芯片的外接圆直径的50％。该实施例中，所述光收集透镜组为一个具有上、下表面71、72的光收集透镜7，将受激发光准直成近平行光进行光输出。所述近平行光的发散半角可以限制为

或更小，视光源使用场合不同而定。可以在所述光收集透镜的至少一个表面(例如下表面72)上镀光波长选择透射膜，来反射源自所述固态发光芯片的激发光(如光线62)，而源自所述光波长转换材料的受激发光60、61可透射穿过该光波长选择透射膜；这样，没有被光波长转换材料吸收的激发光可以被反射回光波长转换层以得到二次激发的利用机会。所述光收集透镜7可以是非球面的塑胶或玻璃透镜，可以用放置在基底上的支架来支承；也可以采用一个封装外壳来连结基底与该光收集透镜7，以在该基底与光收集透镜7之间围合出一个容纳所述固态发光芯片1和光波长转换材料层的空间，同时使光收集透镜7下表面与光波长转换材料层上表面保持一定间隔，以折射率约为1的空气隔开，既保护光波长转换材料免受机械损伤，又降低了光源的光学扩展量。所述支架或封装外壳因可借鉴现有技术，不再在此详述。

作为该实施例的替换，所述光收集透镜组还可以包括一个以上相互分离的球面或非球面透镜。进一步地，可以在所述光收集透镜组的底部表面镀波长选择透射膜。

在本发明中，当所述固态发光芯片为大功率发光芯片时，为提高光源寿命，所述基底最好采用导热材料。光源封装时，还可以考虑增设将所述基底设置在散热器或散热片上的步骤。

Claims (10)

1.一种基于光波长转换的固态光源，包括光波长转换材料以及设置在基底上的固态发光芯片，其特征在于：

所述光波长转换材料所在的光波长转换材料层直接贴覆在所述固态发光芯片上或通过透明填充介质来粘覆在该固态发光芯片上，该光波长转换材料层的上表面裸于空气中；且该光波长转换材料层的厚度小于或等于所述固态发光芯片的外接圆直径的20％。

2.根据权利要求1所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

所述光波长转换材料层还包括一种或一种以上的透明材料，用来将所述光波长转换材料结合在一起。

3.根据权利要求3所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

所述透明材料为透明胶体或透明玻璃材料，与所述光波长转换材料混合或溶合成型；或者，所述透明材料为透明塑料薄膜材料，所述光波长转换材料被热压在该透明塑料薄膜材料上。

4.根据权利要求1所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

还包括波长选择滤光片，隔着空气隙放置在所述光波长转换材料层的上方；该波长选择滤光片反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该波长选择滤光片。

5.根据权利要求1或4所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

还包括角度选择滤光片，隔着空气隙放置在所述光波长转换材料层的上方；该角度选择滤光片反射大于预定入射角度的入射光线。

6.根据权利要求1、4或5任一项所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

还包括架设在所述光波长转换材料层上方的光收集透镜组，该光收集透镜组的底部表面与所述光波长转换材料层、波长选择滤光片或角度选择滤光片上表面之间的距离小于所述固态发光芯片的外接圆直径的50％。

7.根据权利要求6所述基于光波长转换的固态光源，其特征在于：

所述光收集透镜组为一个具有上、下表面的光收集透镜；所述光收集透镜至少有一个表面镀有光波长选择透射膜，该光波长选择透射膜反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该光波长选择透射膜。

8.一种基于光波长转换的固态光源的封装方法，所述固态光源包括设置在一基底上的固态发光芯片；其特征在于，包括：

在所述固态发光芯片的发光面上贴覆一厚度小于或等于该固态发光芯片的外接圆直径的20％的光波长转换材料层的步骤，该光波长转换材料层包括光波长转换材料；

将所述光波长转换材料层的另一面裸置于空气中。

9.根据权利要求8所述基于光波长转换的固态光源的封装方法，其特征在于：

还包括隔着空气隙在所述波长转换材料上方放置光波长选择滤光片的步骤，该光波长选择滤光片反射源自所述固态发光芯片的激发光，而源自所述光波长转换材料的受激发光可透射穿过该光波长选择滤光片；或者，

还包括在所述光波长转换材料层上架设光收集透镜组的步骤，使该光收集透镜组的底部表面与所述光波长转换材料层上表面之间的距离小于所述固态发光芯片的外接圆直径的50％。

10.根据权利要求8所述基于光波长转换的固态光源的封装方法，其特征在于：

还包括将所述基底设置在散热器或散热片上的步骤。

Images