CN107359154B - 一种远程荧光led器件及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED器件，特别是涉及一种远程荧光LED器件及其制备方法与应用。本发明所述远程荧光LED器件，包含封装基板、块状固体荧光材料、头部为楔形的导热柱、蓝光LED芯片和封装硅胶；其中，所述封装基板设置有功能区域，所述功能区域内进一步设置通槽；所述功能区用于固定所述蓝光LED芯片，所述蓝光LED芯片与封装基板的电极实现电性连接；所述通槽的数量至少为2个；所述块状固体荧光材料覆盖于LED封装基板功能区的正上方，并与封装基板的功能区形成空腔；所述透明填充物填满所述空腔；所述头部为楔形的导热柱插入封装基板功能区的通槽，头部靠近或接触所述块状固体荧光材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED器件，特别是涉及一种远程荧光LED器件及其制备方法与应用。
背景技术
随着技术进步及应用领域的拓展，大功率的LED光源越来越受到人们的重视。传统LED光源一般是使用荧光粉混合有机胶体进行封装，这样的封装方式使得荧光粉紧贴LED芯片。在功率较小时，该封装形式是有效可行的，但随着功率密度增大，尤其是采用集成封装的方式时，两个大功率热源会互相叠加。这会导致LED芯片的结温极速升高，而荧光粉会出现衰减老化同时有机胶体甚至会出现碳化，从而导致光源发光效率降低寿命减少。
为了解决大功率LED光源荧光材料的耐热及散热问题，块状固体荧光材料结合远程荧光的激发方式被越来越广泛地使用。发明专利201310493235.4虽然使用了远程荧光的激发方式，但是在LED芯片与块状荧光材料之间没有用硅胶填充。其不益的效果为，增加了芯片界面的全反射，降低了芯片的外量子效率。同时远程荧光材料悬空的设计也很不利于荧光材料自身的散热。
常用的远程块状固体荧光材料大功率LED集成封装(也包括板上封装或称为COB封装)方式为：在封装基板的功能区内(一般为高反射率的材料)固定LED芯片，一般是多颗LED芯片进行有序的阵列式摆放，再按照开启电压与使用电流的要求进行电气连接的操作(合理的串并联数量)，用硅胶或混合了荧光粉的硅胶将散热基板的功能区填满，再将块状荧光材料贴于功能区的上方，最后经烘烤将硅胶固化。这种大功率LED光源结构及封装方法容易产生块状荧光材料的错位(由于烘胶过程要经历一个硅胶粘度变小的过程，这阶段块状荧光材料容易滑动)和功能区气泡问题(块状荧光材料贴合时可能封入气泡，硅胶烘烤过程中微气泡合并变大无法排出)。
发明专利201510602713.X同样提供了一种远程荧光的封装方式，即在散热基板上开有一个注射通孔，并往注射通孔内注入流体介质。该流体介质的粘度为30-1000mm2/s，其目的为用于充当冷却液。并非解决块状荧光材料应用硅胶填充并粘合产生的错位与气泡问题。同时目前市面上大功率LED所使用的硅胶，其粘度都在3000mm2/s以上，故其简单的一个注射通孔的设计也不能很好地解决以上问题。
同时该方法没有有效地对块状固体荧光体进行有效的散热，容易使块状固体荧光材料的温度升高，量子效率降低。同时在块状固体荧光体的中心与边缘产生较大的温度梯度，增加了荧光材料的热应力，使其断裂的可能性大大增强。
发明专利201510965435.4也是应用远程荧光的方式实现的LED器件，同时该发明专利也提出了应用导热柱对固体荧光材料进行散热。但其发明的技术实质为在封装基板上再安装导热柱，且导热柱与封装基板的连接方式为胶体连接。这样的结构在固体荧光材料与器件使用时的散热器之间有三个热界面，分别为固态荧光材料与导热柱的热界面；导热柱与封装基板间的热界面以及封装基板与散热器间的热界面。由于其技术实质是将导热柱用有机类胶体粘接于散热基板之上，而有机类胶体的热导率一般低于0.2W˙m-1˙K-1，这个界面将成为这个热通道上的最大制约因素，将大大降低对固态荧光体的散热效果。而如果使用热导率大于1W˙m-1˙K-1以上有机类粘结剂，该类粘结剂通常反射率较低，这将大大影响LED芯片的出光效率。所以该热界面的存在将影响固态荧光材料的散热效果。
同时现有的技术方案都没有提到LED芯片间的自吸收问题，由于LED芯片采用阵列排布的方式，一部份由芯片发出的光被相邻的芯片吸收，从而降低了LED器件的效率，该自吸收在大功率LED器件中表现的尤为明显。
发明内容
本发明提供了一种远程荧光LED器件，改善以上所述远程荧光LED器件的制备、其有效散热的难题及LED芯片间自吸收的问题。
本发明的技术方案为：
一种远程荧光LED器件，包含封装基板、块状固体荧光材料、头部为楔形的导热柱、蓝光LED芯片和封装硅胶；
其中，所述封装基板设置有功能区域，所述功能区域内进一步设置通槽；
所述功能区用于固定所述蓝光LED芯片，所述蓝光LED芯片与封装基板的电极实现电性连接；
所述通槽的数量至少为2个；
所述块状固体荧光材料覆盖于LED封装基板功能区的正上方，并与封装基板的功能区形成空腔；
所述透明填充物填满所述空腔；
所述头部为楔形的导热柱插入封装基板功能区的通槽，头部靠近或接触所述块状固体荧光材料。
根据本发明，所述蓝光LED芯片优选以阵列排布的方式固定在所述功能区内。
根据本发明，对于所述通槽的形状没有限制，为可插入任何型号导热柱的形状，例如为圆形，矩形，弧形或扇形等一切可机械加工的形状。
根据本发明，所述通槽位于功能区内，优选用于分隔每n行或列的蓝光LED芯片，其中n可以为1-20的整数，例如为1、2、3等；
作为实例，所述通槽的数量为7个。
根据本发明，所述块状固体荧光材料可以为具有荧光功能的陶瓷材料，单晶材料，玻璃体材料或有机材料等。
根据本发明，对于所述块状固体荧光材料的形状和大小没有特别限制，与封装基板的功能区形成一个空腔即可，例如可以为直径略大于所述功能区的片状、半球状或球面状。
根据本发明，所述导热柱为高导热不吸光的铝柱、表面镀银铜柱、蓝宝石柱或氧化铝陶瓷柱等。
对于所述导热柱的形状和大小没有限制，可以插入所述通槽即可；其个数不大于所述通槽的数量。
所述导热柱的头部与所述块状固体荧光材料的距离为0-3mm，优选为0-2mm，最优选为导热柱的头部与块状固体荧光材料完全接触。
所述导热柱的尾部与封装基板底面的距离为0-1mm，优选为0-0.5mm，最优选为导热柱的下平面与封装基板的底面共平面。
根据本发明，对于所述透明填充物没有特别限制，常用于填充封装基板与块状固体荧光材料形成的空腔即可，例如可以为封装硅胶。
本发明还提供如上所述远程荧光LED器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将蓝光LED芯片固定于LED封装基板的功能区内，并完成电性连接，得到固定有蓝光LED芯片的封装基板；
(2)将块状固体荧光材料覆盖于步骤(1)所得封装基板的上方，使二者相对固定，并在两者间形成空腔；
(3)由通槽向步骤(2)得到的空腔内注入透明填充物，当透明填充物充满上述空腔后将头部为楔形的导热柱插入通槽，使导热柱的头部靠近或接触块状固体荧光材料，使导热柱的下平面与封装基板的底面共平面；
(4)将步骤(3)得到的LED器件进行加热，使透明填充物固化，得到所述远程荧光LED器件。
根据本发明，在步骤(1)中，优选将所述蓝光LED芯片以阵列排布的方式固定在所述功能区内，实现电性连接。
根据本发明，在步骤(2)中，所述固定的方式可以为有机胶类的粘合、金属焊接或外加夹具使二者暂时固定在一起。
根据本发明，在步骤(3)中，由所述至少为2个中的至少1个通槽将透明填充物注入空腔内，将空腔内的空气由剩余通槽排出，从而使透明填充物充满所述空腔。
根据本发明，在步骤(3)中，在插入导热柱时，优选使导热柱与所述块状固体荧光材料的距离为0-3mm，更优选为0-2mm，最优选为导热柱与块状固体荧光材料完全接触。
根据本发明，在步骤(3)中，在插入导热柱时，所述导热柱的尾部与封装基板底面的距离为0-1mm，优选为0-0.5mm，最优选为导热柱的下表面与块状固体荧光材料的底面共平面。
根据本发明，在步骤(4)中，所述加热为任意可使透明填充物进行固化的加热方式，例如使用温度为150℃的烤箱进行烘烤。
本发明还提供如上所述远程荧光LED器件的用途，为用于照明，优选为对光源的亮度要求较高，或二次配光要求较高的领域，如用作高杆灯、探照灯、体育场馆照明、机场照明、港口招照明、捕鱼照明或集鱼照明等方面。
优选地，所述远程荧光LED器件还可用作机器视觉识别的照明光源。
本发明的有益效果：
1)本发明所述LED光源采用蓝光LED芯片远程激发块状固体荧光材料的方式获得白光，块状固体荧光材料放置于LED封装基板发光面的上方，并与封装基板构成一个完整封闭的腔体，同时所述封装基板在功能区内设有通槽，头部为楔形的导热柱贯穿通槽并靠近或完全接触块状固体荧光材料。
2)本发明所述远程荧光LED器件结构有效地解决了固体荧光材料基的LED器件在制备过程中的灌胶难题。采用头部为楔形的导热柱的结果为，LED芯片之间被导热柱隔开，增加LED芯片出光的同时减小了LED芯片之间的自吸收导致的能量损失，提高了LED器件的效率。
3)本发明的制备方法简单，与传统白光LED器件的制备方法类似，设备可以相兼容，同时无需新增任何新设备，而制备得到的LED器件质量却有较大提高。企业利用本发明的制备方法可实现快速的转型。
附图说明
图1实施例1封装基板的俯视图。
图2实施例1封装基板的立体图。
图3实施例1芯片的固定位置图。
其中，图1-3中各附图标记含义如下：封装基板10、功能区12、通槽11。图4实施例1块状固体荧光材料与封装基板的侧视图，其中各附图标记含义如下：封装基板10、通槽111-117、LED芯片20、块状固体荧光材料30、空腔40。
图5实施例1插入导热柱的侧视图，其中各附图标记含义如下：封装基板10、通槽11、LED芯片20、块状固体荧光材料30、空腔40、导热柱50。
图6实施例1头部为楔形的导热柱的立体图，其中附图标记含义如下：导热柱50。
图7实施例1整体器件结构的侧视图，其中各附图标记含义如下：封装基板10、LED芯片20、块状固体荧光材料30、空腔40、导热柱50。
图8实施例1整体器件结构的立体爆炸图，其中各附图标记含义如下：封装基板10、LED芯片20、块状固体荧光材料30、导热柱50。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的远程荧光LED器件结构及其制备方法和应用做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的零部件均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
本实施例的封装基板结构如图1、图2所示。封装基板10的功能区为高反射镜面铝的铝基板，功能区镀银的铜基板或者为表面经过金属电极化的氧化铝陶瓷基板。其功能区12为正方形，在功能区12内采用阵列方式均匀排布着蓝光LED芯片20，如图3所示。在功能区12内设有7个矩形的通槽11。块状固体荧光材料30为Ce:YAG陶瓷，其外形为正方形，其边长略大于功能区12的边长。将块状固体荧光材料的圆周边缘涂抹产业上常用的LED封装硅胶，后将该块状固体荧光材料30贴于已经安装了LED芯片20的基板10上。块状固体荧光材料30的中心与LED封装基板10的功能区12的中心共轴。安装完成后将LED器件放入烤箱烘烤，使硅胶固化。当硅胶固化后，块状固体荧光材料30与封装基板10间形成一个空腔40，如图4所示。再将封装硅胶由封装基板10的通槽111注入该空腔40内。封装硅胶在注入空腔40的过程中，逐渐将空腔40内的空气由封装基板10上的通槽112-117排除，最终封装硅胶完全占满空腔40，而无残留的空气泡。再将如图5与图6所示的头部为楔形的导热柱插入封装基板相应尺寸的通槽内。头部为楔形的导热柱50插入封装基板10的通槽11后，其头部的上表面与块状固体荧光材料的距离为3mm，此处根据机械加工的精度，应尽量缩小导热柱50头部的上表面与块状固体荧光材料30的距离，最理想的情况为导热柱的头部的上表面可以正好接触块状固体荧光材料的下表面，如图7所示。同时导热柱50的下表面与封装基板10的下表面的距离也应尽量缩小，最理想的情况为导热柱的下表面与封装基板的下表面共面，如图7所示。将插入导热柱50的LED器件放入烤箱烘烤，以使填满空腔40的硅胶固化，从而完成整个器件的制作过程，图8为器件整体结构的爆炸图。
实施例2
采用与实施例1相同的方式制备LED器件，与实施例1不同之处为功能区12与块状固体荧光材料30为圆形，通槽11与导热柱50均为圆弧形。
上述内容只是本发明的具体实施例，而并非对本发明的限制，凡是依据本发明的技术方案对上面的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍然属于本发明的技术内容和范围。
Claims (13)
1.一种远程荧光LED器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将蓝光LED芯片固定于LED封装基板的功能区内，并完成电性连接，得到固定有蓝光LED芯片的封装基板；
(2)将块状固体荧光材料覆盖于步骤(1)所得封装基板的上方，使二者相对固定，并在两者间形成空腔；
(3)由通槽向步骤(2)得到的空腔内注入透明填充物，当透明填充物充满上述空腔后将头部为楔形的导热柱插入通槽，使导热柱的头部靠近或接触块状固体荧光材料，使导热柱的下平面与封装基板的底面共平面；
(4)将步骤(3)得到的LED器件进行加热，使透明填充物固化，得到所述远程荧光LED器件；
所述远程荧光LED器件包含封装基板、块状固体荧光材料、头部为楔形的导热柱、蓝光LED芯片和封装硅胶；所述封装基板设置有功能区域，所述功能区域内进一步设置通槽；
所述功能区用于固定所述蓝光LED芯片，所述蓝光LED芯片与封装基板的电极实现电性连接；
所述通槽的数量至少为2个；
所述块状固体荧光材料覆盖于LED封装基板功能区的正上方，并与封装基板的功能区形成空腔；
采用透明填充物填满所述空腔；
所述头部为楔形的导热柱插入封装基板功能区的通槽，头部靠近或接触所述块状固体荧光材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蓝光LED芯片以阵列排布的方式固定在所述功能区内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述通槽的形状没有限制，为可插入任何型号导热柱的形状，为圆形，矩形，弧形或扇形；
所述通槽位于功能区内，用于分隔每n行或列的蓝光LED芯片，其中n为1-20的整数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述块状固体荧光材料为具有荧光功能的陶瓷材料，为单晶材料，玻璃体材料或有机材料；
对于所述块状固体荧光材料的形状和大小没有特别限制，与封装基板的功能区形成一个空腔即可。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述块状固体荧光材料为直径略大于所述功能区的片状、半球状或球面状。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导热柱为高导热不吸光的铝柱、表面镀银铜柱、蓝宝石柱或氧化铝陶瓷柱；
对于所述导热柱的形状和大小没有限制，能插入所述通槽即可；其个数不大于所述通槽的数量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导热柱的头部与所述块状固体荧光材料的距离为0-3mm；
所述导热柱的尾部与封装基板底面的距离为0-1mm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明填充物为封装硅胶。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，将所述蓝光LED芯片以阵列排布的方式固定在所述功能区内，实现电性连接；
在步骤(2)中，所述固定的方式为有机胶类的粘合、金属焊接或外加夹具使二者暂时固定在一起；
在步骤(3)中，由所述至少为2个中的至少1个通槽将透明填充物注入空腔内，将空腔内的空气由剩余通槽排出，从而使透明填充物充满所述空腔；
在步骤(3)中，在插入导热柱时，使导热柱与所述块状固体荧光材料的距离为0-3mm；
在步骤(3)中，在插入导热柱时，所述导热柱的尾部与封装基板底面的距离为0-1mm；
在步骤(4)中，所述加热为任意可使透明填充物进行固化的加热方式。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述加热为使用温度为150℃的烤箱进行烘烤。
11.如权利要求1-10任一项所述方法制备的远程荧光LED器件的用途，其特征在于，用于照明领域。
12.如权利要求11所述的用途，其特征在于，用作高杆灯、探照灯、体育场馆照明、机场照明、港口招照明、捕鱼照明或集鱼照明方面。
13.如权利要求11所述的用途，其特征在于，所述远程荧光LED器件还可用作机器视觉识别的照明光源。
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