CN106876561A - 一种远程荧光粉封装结构及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种远程荧光粉封装结构及其实现方法，包括基板、垂直安装在所述基板外围的反光板与散热板，所述基板与反光板形成腔体；在所述基板上固定设置有LED芯片，在所述腔体内的LED芯片上方设置有若干荧光粉膜，各相邻荧光粉膜之间设置有透明介质层；其中，经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜设置在底层，位于底层荧光粉膜上方的荧光粉膜按照经所述LED芯片激发出的光被其他荧光粉膜吸收的严重程度由弱至强依次设置在底层荧光粉膜的上方。本发明结构简单，制备方便，可将所得远程荧光粉封装结构应用于蓝光LED芯片、紫外LED芯片及近紫外LED芯片，且出光均匀，用粉量少，得到高效、低成本、使用寿命长的灯具。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光粉封装结构，具体地说是涉及一种远程荧光粉封装结构及其实现方法。
背景技术
目前白光LED的实现方式主要为蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，其封装形式通常是将荧光粉和硅胶混合均匀后，直接涂覆或灌封于芯片表面，由芯片产生的蓝光一部分直接通过荧光粉膜，其余部分光激发荧光粉产生黄光，两部分光混合后在人眼的视觉下呈现为白光。这种LED芯片封装结构工艺简单，成本低，但由于荧光粉与芯片紧密接触，使得芯片发光时所产生的热量难以及时散发，导致芯片温度升高，发光效率、可靠性及寿命降低，且芯片的热量传递到荧光粉膜，使荧光粉也处于较高温度之下，降低荧光粉的发光效率，加快荧光粉的老化，从而影响白光LED灯具的光学效率及可靠性。
近几年，研究者们将远程荧光粉技术应用于LED芯片设计，将LED芯片和荧光粉分离，改善了LED芯片和荧光粉的散热环境，提高了灯具的发光效率及可靠性，但也存在以下问题：(1)LED出光面面积较大，荧光粉置于出光面透明基质上，所需荧光粉较多，导致成本增加；(2)LED荧光膜远离LED芯片，其光损增加，且荧光粉层或荧光粉膜至芯片的距离和荧光粉层或荧光粉膜的厚度存在偏差，导致出光不均匀，如CN204459825及CN203718451中的光源实现方式在实际应用中存在出光不均匀等现象。
此外，传统的蓝光LED+黄色荧光粉封装形式显色指数低，最高仅能达到70，随着人们对光品质要求的提高，逐渐出现了蓝光LED芯片+红色荧光粉+绿色荧光粉、紫外LED芯片+红色荧光粉+绿色荧光粉+蓝色荧光粉的形式。紫外LED芯片由于技术不成熟、芯片成本高，尚不能广泛应用；蓝光LED芯片+红色荧光粉+绿色荧光粉逐渐成为高显照明的主流趋势，但现有封装形式是将红色荧光粉、绿色荧光粉和硅胶混合形成混合荧光粉层或膜，如CN103557457中单层荧光粉的设计，其红色荧光粉与绿荧光粉颗粒相互接触，存在光的二次吸收。例如，现在主流使用的(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉，其激发光谱较宽，在500～600nm仍存在较强吸收，而绿色荧光粉经LED芯片激发出的绿光会有一部分被红色荧光粉吸收，导致绿色荧光粉的用量增加、芯片需求功率增加，从而使成本增加。
综上，远程荧光粉封装形式存在下述问题：(1)用粉量大，(2)光损大，出光不均匀，(3)荧光粉膜之间存在光的再吸收问题，造成成本增加，这些限制了远程荧光粉封装形式的广泛应用。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种远程荧光粉封装结构，以解决现有远程荧光粉封装结构用粉量大、出光不均匀及荧光粉膜之间存在的光再吸收等问题。
本发明的目的之二是提供一种远程荧光粉封装结构的实现方法，以制备用粉量少、高效、出光均匀、使用寿命长的新型远程荧光封装结构。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种远程荧光粉封装结构，包括基板、垂直安装在所述基板外围的反光板与散热板，所述基板与反光板形成腔体；在所述基板上固定设置有LED芯片，在所述腔体内的LED芯片上方设置有若干荧光粉膜，各相邻荧光粉膜之间设置有透明介质层；其中，经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜设置在底层，位于底层荧光粉膜上方的荧光粉膜按照经所述LED芯片激发出的光被其他荧光粉膜吸收的严重程度由弱至强依次设置在底层荧光粉膜的上方。经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜是指该荧光粉膜经LED芯片激发出的光不被其他荧光粉膜所吸收。例如，在红、绿、蓝三基色荧光粉中的两种或两种以上的混合物之间存在所发出的光被再次吸收的问题，由于红色荧光粉的激发光谱较宽，对蓝光、绿光产生较强的再吸收，并且绿色荧光粉的激光光谱宽，对蓝光产生再吸收，则将不存在被吸收问题的红色荧光粉膜设置在底层，被吸收最严重的蓝色荧光粉膜设置在顶层，绿色荧光粉膜设置在两者之间，红、绿、蓝荧光粉膜之间采用透明介质层隔开。
在所述LED芯片与所述底层荧光粉膜之间设置有第一透明介质层。
所述LED芯片为蓝光LED芯片、紫外LED芯片或近紫外LED芯片。
所述透明介质层的材质为硅胶、PMMA、ABS、PSU、COP、TPX或PC中的一种，优选地，所述透明介质层的材质为硅胶。
所述第一透明介质层呈倒凹型，且底部与所述基板和LED芯片贴合。
所述反光板及散热板的形状为四棱柱形、圆柱形、不规则形状或其他形状。
所述基板至顶层荧光粉膜上端的距离略低于或等于所述反光板的高度，优选地，所述基板至顶层荧光粉膜上端的距离与所述反光板的高度相等。
所述LED芯片为蓝光LED芯片，若干荧光粉膜包括红色荧光粉膜和绿色荧光粉膜，且红色荧光粉膜设置在蓝光LED芯片上方，绿色荧光粉膜位于红色荧光粉膜上方，红色荧光粉膜与绿色荧光粉膜之间设置有透明介质层，优选地，在蓝光LED芯片与红色荧光粉膜之间也设置有透明介质层。
所述LED芯片为近紫外LED芯片，若干荧光粉膜包括红色荧光粉膜、绿色荧光粉膜和蓝色荧光粉膜，且红色荧光粉膜设置在近紫外LED芯片上方，其次是绿色荧光粉膜，蓝色荧光粉膜位于最上方，红色荧光粉膜、绿色荧光粉膜与蓝色荧光粉膜之间均设置有透明介质层，优选地，在近紫外LED芯片与红色荧光粉膜之间也设置有透明介质层。
本发明的目的之二是这样实现的：
一种远程荧光粉封装结构的实现方法，包括如下步骤：
(1)在基板的上表面固定LED芯片；
(2)以LED芯片为中心，在基板的外围依次安装形状相同的反光板和散热板，散热板位于外侧，反光板位于内侧，反光板和散热板的高度相等且无缝隙贴合；
(3)在所述腔体内的LED芯片上方设置有若干荧光粉膜，各相邻荧光粉膜之间设置有透明介质层，其中，经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜设置在底层，位于底层荧光粉膜上方的荧光粉膜按照经所述LED芯片激发出的光被其他荧光粉膜吸收的严重程度由弱至强依次设置在底层荧光粉膜的上方。
所述透明介质层的材质为硅胶、PMMA、ABS、PSU、COP、TPX或PC中的一种，优选地，所述透明介质层的材质为硅胶。
在所述LED芯片与底层荧光粉膜之间设置第一透明介质层。
所述第一透明介质层呈倒凹型，且底部与基板和蓝光LED芯片贴合。
所述第一透明介质层的材质为硅胶、PMMA、ABS、PSU、COP、TPX或PC中的一种。
本发明在相邻两层荧光粉膜之间采用高折射率的透明介质隔开，并在LED芯片与荧光粉膜之间设置一定厚度的透明介质层，既提高了激发光源到荧光粉的光吸收率，又避免了芯片与荧光粉的直接接触，LED芯片产生热量通过底部导热基板以及反光板和散热板逸散，避免了荧光粉的光效降低和老化，并且封装单元小，芯片与荧光粉膜距离小，出光均匀；有效减少荧光粉之间的吸收，进一步提高光效、降低用粉量及芯片成本，从而降低整体封装单元成本，并延长远程荧光粉封装结构的使用寿命。
本发明结构简单，制备方便，可将所得远程荧光粉封装结构应用于蓝光LED芯片、紫外LED芯片及近紫外LED芯片，且该远程封装结构出光均匀，用粉量少，既可单独组装灯具，也可多个封装单元组装灯具，得到高效、低成本、使用寿命长的灯具。
附图说明
图1为本发明实施例1所示远程荧光粉封装结构的示意图。
图2为对比例1远程荧光粉封装结构的示意图。
图3为本发明实施例2所示远程荧光粉封装结构的示意图。
图4为(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+激发光谱、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+激发、发射光谱以及(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+发射光谱图。
图中，1、基板，2、蓝光LED芯片，31、第一硅胶层，32、第二硅胶层，3、硅胶层，4、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜，5、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜，6、反光板，7、散热板，21、反光罩，22、蓝光LED，23、荧光粉，24、PC罩。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。
实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的目的。
实施例1
如图1所示，一种远程荧光粉封装结构，其包括基板1、蓝光LED芯片2、第一硅胶层31、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、第二硅胶层32、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5、反光板6和散热板7。第一硅胶层31的厚度为1.2～1.6mm，第二硅胶层32的厚度为0.1～0.2mm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4与Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5的厚度均为0.1～0.3mm。蓝光LED芯片2也可由紫外LED芯片或近紫外LED芯片替代，可根据远程荧光粉封装结构的应用、光源实现形式、光品质要求及成本等因素选择使用LED芯片。
反光板6和散热板7均为圆柱形且高度相等，反光板6和散热板7无缝贴合并垂直安装在基板1的外围，反光板6与基板1构成一腔体。蓝光LED芯片2固定在基板1的上表面上，且位于上表面的中心。第一硅胶层31设置在腔体内，其呈倒凹型，且底部与基板1和蓝光LED芯片2贴合，用以隔离蓝光LED芯片2和荧光粉膜。第一硅胶层31也可采用其他透明、高折射率、耐温的材质替代，如PMMA、ABS、PSU、COP、TPX及PC等。在第一硅胶层31上方依次设置有(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、第二硅胶层32及Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5，且顶层Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5与反光板6和散热板7顶端等高。
该远程荧光粉封装结构的实现方法包括下述步骤：(1)在基板1的上表面中央固定蓝光LED芯片2。(2)以蓝光LED芯片2为中心，在基板1的外围依次圆柱形的反光板6和散热板7，散热板7位于外侧，反光板6位于内侧，反光板6和散热板7的高度相等且无缝隙贴合。(3)在由基板1与反光板6形成的腔体内设置透明介质层——第一硅胶层31，其呈倒凹型，且其底部与基板1和蓝光LED芯片2贴合。(4)在第一硅胶层31上依次设置(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、第二硅胶层32及Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5，且使基板1至顶层Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5的距离与反光板6和散热板7等高。
对比例1
采用CN103557457中一种远程激发荧光粉LED灯具图2的结构进行重复性实验，主要结构为：反光罩21、蓝光LED22、荧光粉23、PC罩24，蓝光LED22和荧光粉23分离，荧光粉23附着在透明PC罩24上，其结构图见图2。
对比例2
按照实施例1的远程荧光粉的封装结构，采用相同峰值波长的Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜，仅改变红色荧光粉膜和绿色荧光粉膜的设置顺序，得到相应的远程荧光粉封装结构。
实施例2
如图3所示，一种远程荧光粉封装结构，其包括基板1、蓝光LED芯片2、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、硅胶层3、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5、反光板6和散热板7。反光板6和散热板7均为圆柱形且高度相等，反光板6和散热板7无缝贴合并垂直安装在基板1的外围，反光板6与基板1构成一腔体。蓝光LED芯片2固定在基板1的上表面上，且位于上表面的中心。在腔体内，基板1与蓝光LED芯片2的上方依次设置有(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、第二硅胶层32及Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5，且顶层Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5与反光板6和散热板7顶端等高。(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4距离芯片1.2～1.6mm，不填充透明介质层，硅胶层3的厚度为0.1～0.2mm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4与Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5的厚度均为0.1～0.3mm。
该远程荧光粉封装结构的实现方法包括下述步骤：(1)在基板1的上表面中央固定蓝光LED芯片2。(2)以蓝光LED芯片2为中心，在基板1的外围依次安装圆柱形的反光板6和散热板7，散热板7位于外侧，反光板6位于内侧，反光板6和散热板7的高度相等且无缝隙贴合。(3)在基板1与蓝光LED芯片2的上方依次设置(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、硅胶层3及Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5，且使基板1至顶层Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5的距离与反光板6和散热板7等高。
实施例3～5
按照实施例1的远程荧光粉封装结构，采用不同峰值波长的(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜4、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜5，得到相应的远程荧光粉封装结构。
对比例3～5
将实施例1的远程荧光粉封装结构中，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜与Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜更换为两者的混合荧光粉膜，且无第二硅胶层，其中，第一硅胶层的厚度为1.2～1.6mm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉与Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉混合粉膜的厚度均为0.2～0.6mm，得到相应的远程荧光粉封装结构。
实施例6
按照实施例1的远程荧光粉封装结构，将第一透明介质层和第二透明介质层的材质改为PMMA，即采用PMMA替代硅胶，得到相应的远程荧光粉封装结构。
实施例7
按照实施例1的远程荧光粉封装结构，将反光板和散热板形状改为四棱柱形，且高度相等，得到相应的远程荧光粉封装结构。
将实施例1～7、对比例1～5的远程荧光粉封装结构进行测试，测试结果如表1所示。
表1
从表1中可以看出，将实施例1与对比例1、对比例2相对比，对比例1中绿色荧光粉的用量多于实施例1中的用量，对比例2中将红色荧光粉膜设置在绿色荧光粉膜上方。虽然实施例1与对比例1、对比例2采用相同种类的荧光粉，但由于实施例1中各荧光粉膜分离，且将绿色荧光粉膜设置在红色荧光粉膜上方，红色荧光粉对绿色荧光粉辐射出的绿光吸收减少，所以其绿色荧光粉用粉量少，且光效较高。(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉与Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉在蓝光LED芯片激发下的相互作用如图4所示。
实施例2的荧光粉膜和芯片之间没有填充透明、高折射率的硅胶层，其光效低于实施例1，但仍高于对比例1。
将实施例3～5与对比例3～5分别进行对比，可以看出，相同的荧光粉用量，采用本发明实施例1的封装结构，绿光效损失少，配粉方案色温偏高，光效高。
实施例6和实施例7采用和本发明实施例1的封装结构，分别改变透明介质层的材质、反光板与散热板的形状，同样减少红色荧光粉对绿色荧光粉的吸收，达到配粉方案中用粉量少、光效高的目的。
实施例8
一种远程荧光粉封装结构，其包括基板、近紫外LED芯片、第一硅胶层、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、第二硅胶层、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜、第三硅胶层、(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜，反光板和散热板。第一硅胶层的厚度为1.0～1.4mm，第二硅胶层、第三硅胶层的厚度为0.1～0.2mm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜以及(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜的厚度均为0.1～0.3mm。
反光板和散热板均为圆柱形且高度相等，反光板和散热板无缝贴合并垂直安装在基板的外围，反光板与基板构成一腔体。近紫外LED芯片固定在基板的上表面上，且位于上表面的中心。第一硅胶层设置在腔体内，其呈倒凹型，且底部与基板和近紫外LED芯片贴合，用以隔离近紫外LED芯片和荧光粉膜。在第一硅胶层上方依次设置有(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、第二硅胶层、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜、第三硅胶层以及(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜，且基板至顶层(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜的距离与反光板等高。
该远程荧光粉封装结构的实现方法包括下述步骤：(1)在基板的上表面中央固定近紫外LED芯片。(2)以近紫外LED芯片为中心，在基板的外围依次安装圆柱形的反光板和散热板，散热板位于外侧，反光板位于内侧，反光板和散热板的高度相等且无缝隙贴合。(3)在由基板与反光板形成的腔体内设置透明介质层——第一硅胶层，其呈倒凹型，且其底部与基板和近紫外LED芯片贴合。(4)在第一硅胶层上依次设置(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、第二硅胶层、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜、第三硅胶层以及(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜，且基板至顶层(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜的距离与反光板和散热板等高。
对比例6
将实施例8的远程荧光粉封装结构中，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉膜、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉膜和(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉膜更换为三者的混合荧光粉膜，且无第二硅胶层和第三硅胶层。第一硅胶层的厚度为1.0～1.4mm，混合荧光粉膜与芯片的距离保持不变，厚度为0.3～0.9mm，得到相应的远程荧光粉封装结构。
将实施例8、对比例6的远程荧光粉封装结构进行测试，测试结果如表2所示。
表2
从表2中可以看出，虽然实施例8与对比例6采用相同种类的荧光粉，但实施例6中各荧光粉膜分离，且将绿色荧光粉膜设置在红色荧光粉膜上方，蓝色荧光粉膜设置在绿色荧光粉膜上方，红色荧光粉对蓝色荧光粉、绿色荧光粉辐射出的蓝光、绿光的吸收减少，绿色荧光粉对蓝色荧光粉辐射出的蓝光吸收也减少，所以其绿色荧光粉、蓝色荧光粉的用粉量少，且光效高。(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+红色荧光粉、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+绿色荧光粉、(Ba,Sr)Si2O2N2:Eu2+蓝色荧光粉的激发发射谱图如图4所示。
Claims (10)
1.一种远程荧光粉封装结构，包括基板、垂直安装在所述基板外围的反光板与散热板，所述基板与反光板形成腔体；在所述基板上固定设置有LED芯片，其特征在于，在所述腔体内的LED芯片上方设置有若干荧光粉膜，各相邻荧光粉膜之间设置有透明介质层；其中，经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜设置在底层，位于底层荧光粉膜上方的荧光粉膜按照经所述LED芯片激发出的光被其他荧光粉膜吸收的严重程度由弱至强依次设置在底层荧光粉膜的上方。
2.根据权利要求1所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，在所述LED芯片与所述底层荧光粉膜之间设置有第一透明介质层。
3.根据权利要求1所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述LED芯片为蓝光LED芯片、紫外LED芯片或近紫外LED芯片。
4.根据权利要求1所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述透明介质层的材质为硅胶、PMMA、ABS、PSU、COP、TPX或PC中的一种。
5.根据权利要求2所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述第一透明介质层呈倒凹型，且底部与所述基板和LED芯片贴合。
6.根据权利要求1或2所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述反光板及散热板的形状为四棱柱形、圆柱形或不规则形状。
7.根据权利要求1所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述基板至顶层荧光粉膜上端的距离与所述反光板的高度相等。
8.一种如权利要求1所述远程荧光粉封装结构的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在基板的上表面固定LED芯片；
（2）以LED芯片为中心，在基板的外围依次安装形状相同的反光板和散热板，散热板位于外侧，反光板位于内侧，反光板和散热板的高度相等且无缝隙贴合；
（3）在所述腔体内的LED芯片上方设置有若干荧光粉膜，各相邻荧光粉膜之间设置有透明介质层，其中，经所述LED芯片激发出的光不存在被吸收问题的荧光粉膜设置在底层，位于底层荧光粉膜上方的荧光粉膜按照经所述LED芯片激发出的光被其他荧光粉膜吸收的严重程度由弱至强依次设置在底层荧光粉膜的上方。
9.根据权利要求8所述的远程荧光粉封装结构的实现方法，其特征在于，在所述LED芯片与底层荧光粉膜之间设置第一透明介质层。
10.根据权利要求8所述的远程荧光粉封装结构，其特征在于，所述第一透明介质层呈倒凹型，且底部与基板和蓝光LED芯片贴合；
所述第一透明介质层的材质为硅胶、PMMA、ABS、PSU、COP、TPX或PC中的一种。
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