CN103107268A - 一种全反射式白光led封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全反射式白光LED封装结构，包括透明薄片、沿透明薄片周向设置的内柱面反射镜、封装在透明薄片中的荧光粉和扩散粉，以及设置在透明薄片上的LED芯片、设置在LED芯片上方或下方的荧光粉膜、与LED芯片连接的电极，LED芯片封装在透明薄片的内部或设置在透明薄片周向边缘与内柱面反射镜之间，LED芯片的法向与透明薄片的平面平行，内柱面反射镜与透明薄片的平面垂直。本发明可以降低光散射损失，提升白光效率，光色性能可以在荧光粉中掺入适量的扩散粉来调节，同时增加了荧光粉和芯片的距离，减少了芯片产生的热所造成的荧光粉性能劣化，也使得白光效率进一步改善。

Description

一种全反射式白光LED封装结构

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及白光发光二极管（LED）封装结构，尤其是一种全反射侧向出光式白光LED封装结构。

背景技术

LED是一种能发光的半导体电子元件，其物理性质已为人熟知，并在照明和显示行业得到广泛应用。

目前常见的白光LED技术，是使用LED芯片所产生的蓝光，激发涂布在芯片上方或周围的荧光粉，荧光粉受激发后发出绿光、黄光或红光，与LED芯片的蓝光搭配而产生白光。另外还有一种与之相近的白光LED技术，其使用紫外LED芯片所产生的紫外光，激发涂布在芯片上方或周围的荧光粉，发出蓝光、绿光或红光，混合出白光。美国专利US005998925A、US006069440A、US006600175A、US006614179A、US007592192A、US08227273A、US005847507A、US005959316A，US006163038A、US006299498B1、US006576930B2、US006812500B2、US007592192B2、US007750359B2、US005813753A、US006614179B1、US00329988B2，中国专利CN102593269A、CN1870309A、CN101702421B、CN101521257B、CN102169951A、CN101320773B、CN101771129A、CN102569558A、CN101432895A和CN102110681A，均使用了类似的技术。其中美国专利US006614179B1、US00329988B2、中国专利CN101432895A和CN102110681A使用了侧向导光技术，但其白光仍是芯片与涂布在芯片上的荧光粉搭配产生的。

在上述白光LED技术中，荧光粉均直接涂布在芯片上方或环绕在芯片周围，所得白光的光色、光效与荧光粉的浓度和用量关系很大。以最常用的蓝光芯片和黄色荧光粉组合为例，白光是由蓝光激发荧光粉得到的黄光和透过荧光粉层的蓝光混合而成，芯片和荧光粉所发出的光必须透过高浓度的荧光粉层，而荧光粉层对光会产生散射和阻挡，而造成很大的光损失。黄光的比例越高，荧光粉的用量也越多，荧光粉层造成的光损失越大。对于6000K左右的正白光LED来说，最终透过荧光粉层的出射光的比例低于50%。而对于2800K左右的暖白光LED来说，由于使用的荧光粉量更多，最终透过荧光粉层的出射光的比例仅约30%。

为减少光通过荧光粉层时的损失，Optics Express期刊2009年4月第17卷第9期报道了使用蓝光通-黄光反射滤光片以提高白光LED的效率的方法。但在该方法中，芯片和荧光粉所发出的光仍需要透过高浓度的荧光粉层，不能显著提高光的出射比例。

综上所述，现有的使用荧光粉技术的白光LED封装技术存在严重的问题，即由于荧光粉层散射及阻挡等原因而导致的大量光损失，如若能解决该问题，将能大幅度提高白光LED的光出射效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可显著降低光在传播过程中的损失、提高LED光效的白光封装结构。

技术方案：本发明的全反射式白光LED封装结构，包括透明薄片、沿透明薄片周向设置的内柱面反射镜、封装在透明薄片中的荧光粉和扩散粉，以及设置在透明薄片上的LED芯片和荧光粉膜、与LED芯片连接的电极，荧光粉膜设置在LED芯片的上方或下方，LED芯片的法向与透明薄片的平面平行，内柱面反射镜与透明薄片的平面垂直，透明薄片由折射率大于或等于1.35的透明材料制成。

本发明中，LED芯片封装在透明薄片的内部或设置在透明薄片的周向边缘与内柱面反射镜之间。

本发明中，荧光粉膜为封装有荧光粉的透明材料制成。

本发明中，透明薄片的上侧或下侧设置有一个底面反射镜，以实现单侧出光。

本发明中，透明薄片的上侧或下侧设置有一个采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透镜。

本发明中，透明薄片的上侧和下侧分别设置有一个采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透镜。

本发明中，LED芯片发出的是蓝光或紫外光。

本发明中，透明薄片中的荧光粉与透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之间。

本发明中，透明薄片的厚度不超过5mm。

本发明设计了一个含有荧光粉或荧光粉与扩散粉混合物的透明薄片，透明薄片的周向边缘设有内柱面反射镜，蓝光或紫外光LED芯片被设置在透明薄片的内部或周向边缘，LED芯片的上方和下方设置有荧光粉膜。LED芯片发出的大部分光射入透明薄片。由于透明薄片材料的折射率比空气大，射入透明薄片的光因发生全反射而被限制在透明薄片中传播。少部分不满足全反射条件的光可以通过荧光粉膜将其利用。光在透明薄片中传播时激发荧光粉发光或被扩散粉散射，荧光粉发出的光和被散射的光组成白光。白光从透明薄片的两个表面出射。若在透明薄片的一个表面设置反射镜，则光可从单面出射。相对于LED芯片来说，白光是从侧向导出的。在透明薄片表面设置凸透镜，可以提高光出射效率。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

下面以蓝光芯片和黄色荧光粉组合为例，来说明本发明的第一个益处。在透明薄片中传播的蓝光在遇到荧光粉之前，由于光的全反射和内柱面反射镜的反射而被限制在透明薄片中无法出射。当蓝光遇到荧光粉颗粒时，激发荧光粉发黄光，由于荧光粉的发光方向是随机的，所以部分黄光会从透明薄片的表面出射，未直接出射的黄光经过多次散射后也会出射。在本发明中，荧光粉发出的光是从透明薄片的表面导出的，相对于LED芯片来说，白光是从侧向导出的。降低荧光粉的浓度，减薄透明薄片的厚度，能使光在出射前受到的荧光粉的散射损失减少，白光效率也因此得到提升。而由于蓝光的传播被限制在透明薄片内，无论是降低荧光粉的浓度，还是减薄透明薄片的厚度，都不会增加蓝光的出射比例，即不会改变白光LED的光色。因此，本发明的第一个益处是：在不改变白光LED光色的同时，可以降低荧光粉层所导致的光散射损失，提升白光效率。

本发明的第二个益处是，白光LED的光色性能可以在荧光粉中掺入适量的扩散粉来调节。以蓝光芯片和黄色荧光粉组合为例，若不掺入扩散粉，出射的光将主要是黄光，还有少量被荧光粉颗粒散射出来的蓝光，色温较低。加入扩散粉后，可以提高蓝光出射的比例。扩散粉的掺入量越多，被散射出的蓝光比例越高，白光LED的色温也越高。

本发明的另一益处是增加了荧光粉和芯片的距离，减少了芯片产生的热所造成的荧光粉性能劣化，也使得白光效率进一步改善。

附图说明

图1a、图1b分别是依据本发明的实施例1的白光LED的侧视和正视示意图。

图2是依据本发明的实施例2的白光LED的侧视示意图。

图3a、图3b分别是依据本发明的实施例3的白光LED的侧视和正视示意图。

图中有：1.LED芯片、2.内柱面反射镜、3.荧光粉、4.扩散粉、5.透明薄片、6.荧光粉膜、7.电极、8.外壳、9.透明凸透镜、10.底面反射镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明技术方案做进一步具体说明。

图1a、图1b分别是依据本发明的实施例1的白光LED的侧视和正视示意图。如图所示，首先选用金属、玻璃或塑料等为外壳材料，制作出一个环形薄片，环形薄片的厚度建议不超过5mm。在环形薄片的内柱面设置内柱面反射镜2。蓝光或紫外光LED芯片1设置在内柱面反射镜2上，LED芯片1的法向和环形薄片平行，和内柱面垂直。

将此环形薄片置于一个光滑基底上，构成一个凹面，然后将含有荧光粉3和扩散粉4的折射率大于或等于1.35的透明材料填充在该凹面内。扩散粉4是指可以利用折射或反射现象改变光传播方向的粉末，比如二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、有机硅树脂、丙烯酸树脂、或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等制成的粉末。透明材料可使用硅橡胶（折射率n≈1.41）、硅树脂（折射率n≈1.54）或环氧树脂（折射率n≈1.52）等。透明材料固化后移除光滑基底，可得到本实施例中的透明薄片5。

在LED芯片1的上下两个面设置荧光粉膜6。该荧光粉膜6可以用含有荧光粉的透明材料在LED芯片1的上方和下方直接制作，也可以制成荧光粉胶膜后放置在LED芯片1的上方和下方。荧光粉膜6中使用的荧光粉与透明薄片5中的荧光粉3相同。

当电极7上施加电压后时，LED芯片1会被驱动而发出蓝光或紫外光。LED芯片1发出的大部分光能够满足全反射条件，在透明薄片5中横向传播。由于透明薄片材料的折射率远大于空气，射入透明薄片的光因发生全反射，在遇到荧光粉3或扩散粉4之前，一直被限制在透明薄片中传播。传播至透明薄片5的周向边缘的蓝光或紫外光会被反射回到透明薄片5中，继续激发荧光粉3发光或被扩散粉4散射。荧光粉3发出的光与扩散粉4散射的光混合成白光。LED芯片发出的少部分不满足全反射条件的光会直接发射到荧光粉膜6所覆盖的区域，激发荧光粉膜6中的荧光粉发光，荧光粉发出的光直接出射或被散射进入透明薄片5。

作为本实施例的一个优选实施方案，在透明薄片5的上方和下方设置了一个凸透镜9，凸透镜的高度控制在不破坏全反射条件的范围内。凸透镜可以使用与透明薄片5相同的材料制作，固化后和透明薄片5及荧光粉膜6成为一体。该凸透镜可以一步提高光的出射比例。本优选实施方案中，也可以只在透明薄片5的上方或下方设置一个凸透镜9，凸透镜的高度控制在不破坏全反射条件的范围内。

若使用蓝光LED芯片，所得白光的色温与扩散粉4的掺入量有关。扩散粉4的掺入量越多，散射的蓝光也越多，因而最终形成的白光色温就越高。

在本实施例中，白光是从透明薄片5的两个表面导出的，相对于LED芯片1来说是侧向导出的。通过降低荧光粉的浓度（建议荧光粉与透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之间），减薄透明薄片5的厚度，可以使光在出射前受到的荧光粉的散射损失减少，提高白光效率。

图2是依据本发明的实施例2的白光LED的侧视示意图。在此实施例中，LED芯片1、内柱面反射镜2、荧光粉3、扩散粉4、透明薄片5、荧光粉膜6和透明凸透镜9均和实施例1相同，区别是在透明薄片5的一个表面设置了底面反射镜10，以实现白光的单侧出射。

图3a、图3b分别是依据本发明的实施例3的白光LED的侧视和正视示意图。在此实施例中，LED芯片1、内柱面反射镜2、荧光粉3、扩散粉4、透明薄片5、荧光粉膜6、透明凸透镜9和底面反射镜10均与实施例2相同。区别是两个LED芯片1被背向设置在透明薄片5的中央位置，电极7从底部引出，即LED芯片1封装在透明薄片5内部。荧光粉膜6被设置在两个LED芯片1的上方。

当电极7上施加电压后时，LED芯片1会被驱动而发出蓝光或紫外光。LED芯片1发出的大部分光能够满足全反射条件，在透明薄片5中横向传播。光在传播过程中激发荧光粉3发光或被扩散粉4散射。传播至透明薄片5的周向边缘的蓝光或紫外光会被反射回到透明薄片5中，继续激发荧光粉3发光或被扩散粉4散射。白光由荧光粉发出的光和被散射的光所组成。LED芯片发出的少部分不满足全反射条件的光会直接发射到荧光粉膜6所覆盖的区域，激发荧光粉膜6中的荧光粉发光，荧光粉发出的光直接出射或被散射进入透明薄片5。

若使用蓝光LED芯片，扩散粉4的掺入量越多，白光的色温就越高。在本实施例中，白光亮斑接近圆形，且位于中心区域，光色均匀性更好。

综上所述，本发明设计了一个含有荧光粉或荧光粉与扩散粉混合物的透明薄片，透明薄片的周向边缘设有内柱面反射镜。LED芯片被封装在透明薄片的内部或周向边缘，其法向与透明薄片的水平方向平行。在LED芯片的上方或下方设置有荧光粉膜。LED芯片发出的大部分光能够满足全反射条件，而被限制在透明薄片中横向传播。LED芯片发出的少部分不满足全反射条件的光会直接发射到荧光粉膜所覆盖的区域，激发荧光粉膜中的荧光粉发光，荧光粉发出的光直接出射或被散射进入透明薄片。蓝光或紫外光激发荧光粉发光或被扩散粉散射，荧光粉发出的光和散射光从透明薄片的两个表面出射。若在透明薄片的一个表面设置反射镜，则光可从单面出射。荧光粉发出的光从透明薄片的表面导出，相对于LED芯片来说是侧向导出的。通过降低荧光粉的浓度、减薄透明薄片的厚度，可以减少光在出射前受到的荧光粉的散射损失，从而大幅度提高白光效率。在透明薄片上方设置透明凸透镜，可以进一步提高出光效率。

本发明还可以延伸得到其它的白光LED结构样式。白光LED的形状不限于圆形，LED芯片的数量和安装方式也不限于前述实施例的范围，蓝光的导出也可以采用改变透镜高度等方式来实现。

通过以上具体实施例的描述，可以更加清楚地说明本发明的特征和本质。但上述具体实施形式并不对本发明的范围构成限制。而且，本发明要求保护的范围还包括在权利要求范围内的各种改变和等同特征的替换。

Claims (9)

1.一种全反射式白光LED封装结构，其特征在于，该封装结构包括透明薄片（5）、沿所述透明薄片（5）周向设置的内柱面反射镜（2）、封装在所述透明薄片（5）中的荧光粉（3）和扩散粉（4），以及设置在透明薄片（5）上的LED芯片（1）和荧光粉膜（6）、与所述LED芯片（1）连接的电极（7），所述荧光粉膜（6）设置在LED芯片（1）的上方或下方，LED芯片（1）的法向与透明薄片（5）的平面平行，内柱面反射镜（2）与透明薄片（5）的平面垂直，所述透明薄片（5）由折射率大于或等于1.35的透明材料制成。

2.根据权利要求1所述的全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述LED芯片（1）封装在透明薄片（5）的内部或设置在透明薄片（5）的周向边缘与内柱面反射镜（2）之间。

3.根据权利要求1所述的全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述荧光粉膜（6）为封装有荧光粉的透明材料制成。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述透明薄片（5）的上侧或下侧设置有一个底面反射镜（10），以实现单侧出光。

5.根据权利要求1至3任一权利要求所述的全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述透明薄片（5）的上侧或下侧设置有一个采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透镜（9）。

6.根据权利要求1至3任一权利要求所述的全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述透明薄片（5）的上侧和下侧分别设置有一个采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透镜（9）。

7.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述的LED芯片（1）发出的是蓝光或紫外光。

8.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述的透明薄片（5）中的荧光粉（3）与透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之间。

9.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种全反射式白光LED封装结构，其特征在于，所述的透明薄片（5）的厚度不超过5mm。

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