CN103137839B - 一种薄片型白光led封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄片型白光LED封装结构，包括透明薄片、封装在透明薄片中的荧光粉、设置在透明薄片上的LED芯片和荧光粉膜、设置在LED芯片水平侧面的反射镜、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，反射镜的镜面面向LED芯片并与透明薄片的平面垂直。若在所述透明薄片的上侧或下侧设置有底面反射镜，且在透明薄片的周向边缘设置有与之成钝角的斜角反射镜，则可实现单面发光。本发明可以降低光散射损失，提升白光效率，还可以通过改变LED芯片与透明薄片边缘的距离来调节光色性能，同时增加了荧光粉和芯片的距离，白光效率进一步改善。

Description

一种薄片型白光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。

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，OpticsExpress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：本发明的一种薄片型白光LED封装结构，包括透明薄片、封装在透明薄片中的荧光粉、设置在透明薄片上的LED芯片和荧光粉膜、设置在LED芯片水平侧面的反射镜、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，反射镜的镜面面向LED芯片并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。

本发明的一个优选方案中，透明薄片的周向边缘设置有斜角反射镜。

上一优选方案中，透明薄片上侧或下侧还可设置有一个底面反射镜，且底面反射镜的镜面与斜角反射镜的镜面之间的夹角为钝角。

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。

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，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的透明薄片，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芯片的侧面设置有反射镜，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。LED芯片发出的光在透明薄片中传播时激发荧光粉发光或被荧光粉颗粒散射，剩余的光从透明薄片边缘出射。荧光粉发出的光、被散射的光和从边缘出射的光组成白光。若在透明薄片的一个表面设置反射镜，且在透明薄片边缘设置斜面反射镜，则光可从单面出射。

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LED芯片发出的大部分蓝光由于光的全反射而被限制在透明薄片中横向传播。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或被荧光粉颗粒散射后出射。未能激发荧光粉发光的剩余蓝光和荧光粉发出的部分黄光将从透明薄片周向边缘出射。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。因此，本发明的第一个益处是：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的光色性能可以通过改变LED芯片与透明薄片边缘的距离来调节，距离越远，出射的蓝光越多，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2a、图2b分别是依据本发明的实施例2的白光LED的侧视和正视示意图。

图3是依据本发明的实施例3的白光LED的侧视示意图。

图4a、图4b分别是依据本发明的实施例4的白光LED的侧视和正视示意图。

图中有：1．LED芯片、2．反射镜、3．荧光粉、4．透明薄片、5．荧光粉膜、6．电极、7．斜角反射镜、8．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反射镜2。蓝光或紫外光LED芯片1设置在反射镜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的折射率大于或等于1.35的透明材料填充在该凹面内。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4。

在LED芯片1的上下两个面设置荧光粉膜5。该荧光粉膜5可以用含有荧光粉的透明材料在LED芯片1的上方和下方直接涂布，也可以制成荧光粉胶膜后设置在LED芯片1的上方和下方。荧光粉膜5中使用的荧光粉与透明薄片4中的荧光粉3相同，但浓度更高。

当电极6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4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，而被限制在透明薄片中横向传播。光在传播过程中激发荧光粉3发光，未能激发荧光粉的光将从透明薄片4的周向边缘出射。荧光粉3发出的光、被荧光粉颗粒散射的光和从透明薄片4的周向边缘出射的光混合成白光。LED芯片1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5所覆盖的区域，激发荧光粉膜5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4。

若使用蓝光LED芯片，所得白光的光色性能与透明薄片4的尺寸和形状有关，LED芯片1与透明薄片4的边缘的距离越远，出射的蓝光也越多，最终形成的白光色温就越高。

在本实施例中，通过降低荧光粉3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4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2a、图2b分别是依据本发明的实施例2的白光LED的侧视和正视示意图。在此实施例中，LED芯片1、反射镜2、荧光粉3、透明薄片4、荧光粉膜5、电极6均和实施例1相同，区别是在透明薄片4的周向边缘设置了斜角反射镜7。斜角反射镜7相对于水平面倾斜一定角度，可以破坏光的全反射条件，将横向传播的光导出透明薄片4，提高出光效率。本实施例中斜角反射镜7采用了与透明薄片4的底面135度夹角的设置方案，但本发明的范围不限于这个角度，只要斜角反射镜7与水平面的倾斜角度可将横向传播的光导出透明薄片4即可。

图3是依据本发明的实施例3的白光LED的侧视示意图。在此实施例中，LED芯片1、反射镜2、荧光粉3、透明薄片4、荧光粉膜5、电极6、斜角反射镜7均和实施例2相同，区别是在透明薄片4的一个表面设置了底面反射镜8，斜角反射镜7的镜面与底面反射镜8的镜面的夹角为钝角，例如可设为与实施例2相同的135度。斜角反射镜7可以破坏光的全反射条件，将横向传播的光导出透明薄片4。在此实施例中，白光是单侧出射的。

图4a、图4b分别是依据本发明的实施例4的白光LED的侧视和正视示意图。在此实施例中，LED芯片1、反射镜2、荧光粉3、扩散粉4、透明薄片4、荧光粉膜5、斜角反射镜7和底面反射镜8均与实施例3相同。区别是两个LED芯片1被背向设置在透明薄片4的中央位置，电极6从底部引出，即LED芯片1封装在透明薄片4内部。荧光粉膜5被设置在两个LED芯片1的上方。

当电极6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4中横向传播。光在传播过程中激发荧光粉3发光，未能激发荧光粉的光将被设置透明薄片周向边缘的斜角反射镜7反射后出射。荧光粉3发出的光、被荧光粉颗粒散射的光和被斜角反射镜7导出的光混合成白光。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5所覆盖的区域，激发荧光粉膜5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4。

若使用蓝光LED芯片，所得白光的光色性能与透明薄片的尺寸和形状有关，LED芯片1和透明薄片边缘的距离越远，出射的蓝光也越多，最终形成的白光色温就越高。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的透明薄片，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芯片的侧面设置有反射镜，反射镜的镜面面向LED芯片并与之相邻，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。蓝光或紫外光在透明薄片中传播时激发荧光粉发光，荧光粉发出的光从透明薄片的两个表面出射，剩余的蓝光从薄片边缘出射。若在透明薄片的一个表面设置反射镜，且在透明薄片周向边缘设置斜角反射镜，则光可从单面出射。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。通过改变LED芯片和透明薄片边缘的距离，可以调节白光LED的光色性能。

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。

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 (6)

1.一种薄片型白光LED封装结构，其特征在于，该封装结构包括透明薄片(4)、封装在所述透明薄片(4)中的荧光粉(3)、设置在透明薄片(4)上的LED芯片(1)和荧光粉膜(5)、设置在LED芯片(1)水平侧面的反射镜(2)、与所述LED芯片(1)连接的电极(6)，所述荧光粉膜(5)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(4)的平面平行，反射镜(2)的镜面面向LED芯片(1)并与透明薄片(4)的平面垂直，为平面反射镜，荧光粉(3)离散分布在透明薄片(4)中，所述透明薄片(4)由折射率大于或等于1.35的透明材料制成，透明薄片(4)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，所述的透明薄片(4)的厚度不超过5mm。

2.根据权利要求1所述的薄片型白光LED封装结构，其特征在于，所述透明薄片(4)的周向边缘设置有斜角反射镜(7)。

3.根据权利要求2所述的薄片型白光LED封装结构，其特征在于，所述透明薄片(4)的上侧或下侧设置有一个底面反射镜(8)，且所述底面反射镜(8)的镜面与所述斜角反射镜(7)的镜面之间的夹角为钝角。

4.根据权利要求1、2或3所述的薄片型白光LED封装结构，其特征在于，所述LED芯片(1)封装在透明薄片(4)的内部或设置在透明薄片(4)的周向边缘。

5.根据权利要求1、2或3所述的薄片型白光LED封装结构，其特征在于，所述荧光粉膜(5)为封装有荧光粉的透明材料制成。

6.根据权利要求1、2或3所述的薄片型白光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。