CN109585632A - 大功率远程荧光粉型白光led散热封装 - Google Patents

大功率远程荧光粉型白光led散热封装 Download PDF

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Abstract

大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，涉及一种LED散热封装。目的是解决LED封装结构的散热性能差的问题。封装结构由基板、芯片、导热环、聚光透镜、支撑透镜和荧光粉结构层构成；基板上设置有凸台，凸台设置有盲孔且内壁为反光面，芯片安装在盲孔的底部，盲孔内填充有封装胶，导热环套设在凸台上，聚光透镜覆盖在盲孔上，荧光粉结构层涂布在聚光透镜上表面，支撑透镜套设在荧光粉结构层上，荧光粉结构层内含有空心玻璃微珠。本发明白光LED散热封装结构利用空心玻璃微珠改善白光的空间色度均匀性，降低成本；该封装结构能够提高芯片和荧光层的散热效率和芯片发光的利用率。本发明适用于制备大功率远程荧光粉型白光LED。

Description

大功率远程荧光粉型白光LED散热封装
技术领域
本发明涉及一种LED散热封装。
背景技术
荧光转换型白光 LED封装的发光原理是在 LED 芯片表面涂覆一层荧光粉，荧光粉在芯片发出的光的激发下产生其他颜色的光，与芯片发出的光混合而产生白光。远程荧光粉型白光LED封装是在荧光粉与 LED 芯片之间填充一定厚度的封装胶，利用封装胶隔离荧光粉与 LED 芯片，进而增加荧光粉与芯片的距离，提高灯具的出光效率。
现有采用LED封装的灯具有节能高效的优点，但是LED封装中的 LED 芯片的光转换效率在 20%~30% 左右，剩余能量转换为内能导致芯片温度升高，芯片温度升高会导致与其直接接触的封装胶的使用寿命将缩短甚至碳化，影响LED封装寿命。现有的LED封装中LED芯片的散热和荧光粉层的散热共同通过基座完成，LED芯片与荧光粉层会产生相互加热；并且现有的LED封装中基座多为平面形，平面形基座的受热面积小，因此散热性能较差。综上，现有LED封装存在散热性能较差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有LED封装的散热性能差的问题，提出一种大功率远程荧光粉型白光LED散热封装。
本发明大功率远程荧光粉型白光LED散热封装由基板、芯片、导热环、聚光透镜、支撑透镜和荧光粉结构层构成；
所述基板的上表面设置有圆柱形的凸台，凸台上表面中心设置有倒圆台形的盲孔，盲孔的内壁为反光面；导热环为环形，导热环上表面上靠近内圆周面处设置有环形凸起，环形凸起的外圆周直径尺寸由下至上递减，环形凸起的内圆周面为倾斜反光面；导热环上表面环形凸起的外部设置有与环形凸起同心的环形槽；芯片安装在基板中倒圆台形的盲孔的底部，盲孔内填充有封装胶，导热环套设在基板的上表面设置的凸台上，聚光透镜为半球形透镜，聚光透镜平面侧朝向盲孔覆盖在盲孔开口处，荧光粉结构层涂布在导热环倾斜反光面之间的聚光透镜上表面，支撑透镜为空心半球形透镜，支撑透镜套设在荧光粉结构层上、且支撑透镜的开口嵌入环形槽内部；
所述荧光粉结构层由表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠和硅胶混合而成，其中附着有荧光粉的空心玻璃微珠的体积分数为60~65%。
本发明原理及有益效果为：
1、本发明利用空心玻璃微珠表面附着荧光粉，得到含有表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的荧光粉结构层，空心玻璃微珠具有完美的球形表面和高度透明的特性，荧光粉结构层出光面背侧荧光粉激发产生的白光能够经空心玻璃微珠传递至出光面，同时结合荧光粉结构层中存在的多层表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠，能够在荧光粉结构层出光面产生叠加的白光，改善了白光的空间色度均匀性和避免了分散光、黄斑或蓝心等异常的发生；空心玻璃微珠具有完美的球形表面，光线入射后能够产生多角度出射光，使光更加均匀，替代了光扩散剂的使用；
现有的荧光粉层一般是将荧光粉混入环氧树脂或硅胶中制备成荧光胶，最终将荧光胶涂覆在封装胶的表面，荧光胶中环氧树脂或硅胶占比较高，因此提高了环氧树脂或硅胶的老化概率和成本；本发明中荧光粉结构层中硅胶作为粘接材料，以空心玻璃微珠填充，减少了硅胶的用量，仅为现有LED封装硅胶用量的35~40%，还能够降低成本，空心玻璃微珠的高隔热性能还能够降低荧光粉发热对周边硅胶的影响。
2、本发明分别设置了荧光粉层散热路径和芯片的散热路径，其中基板为芯片散热，导热环为荧光粉结构层散热；导热环的环形凸起与荧光粉结构层接触用于传输热量；由于支撑透镜的开口嵌入环形槽内部，环形凸起和荧光粉结构层的上表面与支撑透镜内表面形成空腔结构，荧光粉结构层产热能够经空腔结构传递至环形凸起上表面吸收并散热。导热环的外圆周面裸露在支撑透镜外部并与大气接触利于荧光粉结构层的热量散发；基板中盲孔能够增大基座的受热面积，提高芯片的散热效率；
3、本发明聚光透镜和盲孔内填充的封装胶能够阻隔荧光粉结构层与芯片之间的热传导，同时荧光粉结构层产生的白光经聚光透镜折射后会照射在芯片周围，避免了荧光粉结构层对芯片的辐射产热；
4、盲孔内壁的反光面、导热环中环形凸起的倾斜反光面和聚光透镜能够将芯片发光聚集在荧光粉结构层，能够提高芯片发光的利用率。
附图说明
图1为发明大功率远程荧光粉型白光LED散热封装的结构示意图；
图2为基板1的结构示意图；
图3为导热环3的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一： 结合图1~3说明本实施方式，本实施方式大功率远程荧光粉型白光LED散热封装由基板1、芯片2、导热环3、聚光透镜5、支撑透镜6和荧光粉结构层7构成；
所述基板1的上表面设置有圆柱形的凸台11，凸台11上表面中心设置有倒圆台形的盲孔12，盲孔12的内壁为反光面；导热环3为环形，导热环3上表面上靠近内圆周面处设置有环形凸起31，环形凸起31的外圆周直径尺寸由下至上递减，环形凸起31的内圆周面为倾斜反光面；导热环3上表面环形凸起31的外部设置有与环形凸起31同心的环形槽33；芯片2安装在基板1中倒圆台形的盲孔12的底部，盲孔12内填充有封装胶4，导热环3套设在基板1的上表面设置的凸台11上，聚光透镜5为半球形透镜，聚光透镜5平面侧朝向盲孔12覆盖在盲孔12开口处，荧光粉结构层7涂布在导热环3倾斜反光面之间的聚光透镜5上表面，支撑透镜6为空心半球形透镜，支撑透镜6套设在荧光粉结构层7上、且支撑透镜6的开口嵌入环形槽33内部；
所述荧光粉结构层7由表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠和硅胶混合而成，其中附着有荧光粉的空心玻璃微珠的体积分数为60~65%。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式利用空心玻璃微珠表面附着荧光粉，得到含有表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的荧光粉结构层7，空心玻璃微珠具有完美的球形表面和高度透明的特性，荧光粉结构层7出光面背侧荧光粉激发产生的白光能够经空心玻璃微珠传递至出光面，同时结合荧光粉结构层7中存在的多层表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠，能够在荧光粉结构层7出光面产生叠加的白光，改善了白光的空间色度均匀性和避免了分散光、黄斑或蓝心等异常的发生；空心玻璃微珠具有完美的球形表面，光线入射后能够产生多角度出射光，使光更加均匀，替代了光扩散剂的使用；
现有的荧光粉层一般是将荧光粉混入环氧树脂或硅胶中制备成荧光胶，最终将荧光胶涂覆在封装胶的表面，荧光胶中环氧树脂或硅胶占比较高，因此提高了环氧树脂或硅胶的老化概率和成本；本实施方式中荧光粉结构层7中硅胶作为粘接材料，以空心玻璃微珠填充，减少了硅胶的用量，仅为现有LED封装硅胶用量的35~40%，还能够降低成本，空心玻璃微珠的高隔热性能还能够降低荧光粉发热对周边硅胶的影响。
2、本实施方式分别设置了荧光粉层散热路径和芯片的散热路径，其中基板1为芯片2散热，导热环3为荧光粉结构层7散热；导热环3的环形凸起31与荧光粉结构层7接触用于传输热量；由于支撑透镜6的开口嵌入环形槽33内部，环形凸起31和荧光粉结构层7的上表面与支撑透镜6内表面形成空腔结构，荧光粉结构层7产热能够经空腔结构传递至环形凸起31上表面吸收并散热。导热环3的外圆周面裸露在支撑透镜6外部并与大气接触利于荧光粉结构层7的热量散发；基板1中盲孔12能够增大基座的受热面积，提高芯片2的散热效率；
3、本实施方式聚光透镜5和盲孔12内填充的封装胶4能够阻隔荧光粉结构层7与芯片2之间的热传导，同时荧光粉结构层7产生的白光经聚光透镜5折射后会照射在芯片2周围，避免了荧光粉结构层7对芯片2的辐射产热；
4、盲孔12内壁的反光面、导热环3中环形凸起31的倾斜反光面和聚光透镜5能够将芯片2发光聚集在荧光粉结构层7，能够提高芯片2发光的利用率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述盲孔12内壁的反光面和导热环3中环形凸起31的倾斜反光面是经过抛光或涂覆反光涂层获得；或者所述盲孔12内壁的反光面和导热环3中环形凸起31的倾斜反光面镀有镍层或银层。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述封装胶4为硅胶。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述基板1为mcpcb铝基板。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述导热环3的材质为纯铜或铝合金。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述铝合金为Al-Si合金或Al-Si-Mg合金。其他步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的制备方法为：将空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液混合，加入交联剂ADH，搅拌均匀后与荧光粉混合并搅拌，干燥后得到表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液的体积比为1:0.04~0.05，空心玻璃微珠与荧光粉的体积比为1:0.01~0.02，聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为9~10%。其他步骤和参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述荧光粉为黄色荧光粉和红色荧光粉的混合物，其中黄色荧光的质量分数为90~9.15%。不同的是：所述空心玻璃微珠的粒度为20~30μm,壁厚为1~2μm。其他步骤和参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：所述荧光粉为黄色荧光粉和红色荧光粉的混合物，其中黄色荧光的质量分数为90~9.15%。其他步骤和参数与具体实施方式七至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例大功率远程荧光粉型白光LED散热封装由基板1、芯片2、导热环3、聚光透镜5、支撑透镜6和荧光粉结构层7构成；
所述基板1的上表面设置有圆柱形的凸台11，凸台11上表面中心设置有倒圆台形的盲孔12，盲孔12的内壁为反光面；导热环3为环形，导热环3上表面上靠近内圆周面处设置有环形凸起31，环形凸起31的外圆周直径尺寸由下至上递减，环形凸起31的内圆周面为倾斜反光面；导热环3上表面环形凸起31的外部设置有与环形凸起31同心的环形槽33；芯片2安装在基板1中倒圆台形的盲孔12的底部，盲孔12内填充有封装胶4，导热环3套设在基板1的上表面设置的凸台11上，聚光透镜5为半球形透镜，聚光透镜5平面侧朝向盲孔12覆盖在盲孔12开口处，荧光粉结构层7涂布在导热环3倾斜反光面之间的聚光透镜5上表面，支撑透镜6为空心半球形透镜，支撑透镜6套设在荧光粉结构层7上、且支撑透镜6的开口嵌入环形槽33内部；所述荧光粉结构层7由表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠和硅胶混合而成，其中附着有荧光粉的空心玻璃微珠的体积分数为65%；
所述盲孔12内壁的反光面和导热环3中环形凸起31的倾斜反光面是经过抛光获得；封装胶4为硅胶；基板1为mcpcb铝基板；导热环3的材质为纯铜；表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的制备方法为：将空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液混合，加入交联剂ADH，搅拌均匀后与荧光粉混合并搅拌，干燥后得到表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠；空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液的体积比为1: 0.04，空心玻璃微珠与荧光粉的体积比为1: 0.02，聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为10%；空心玻璃微珠的粒度为30μm,壁厚为1μm；荧光粉为黄色荧光粉和红色荧光粉的混合物，其中黄色荧光的质量分数为90%。
利用测光积分球进行测试光通量、色温和显色指数，测试电流为120mA，10h后在室温下25℃利用电压法测量LED结温为75℃，同时利用红外热像仪测量导热环3裸露处的温度为35℃，说明荧光粉结构层7的热量被有效导出；本实施例大功率远程荧光粉型白光LED散热封装的白光输出稳定，在连续点亮1200h后，光通量基本没有变化，显色指数达到88，色温为3800K。
实施例2：
本实施例大功率远程荧光粉型白光LED散热封装由基板1、芯片2、导热环3、聚光透镜5、支撑透镜6和荧光粉结构层7构成；
所述基板1的上表面设置有圆柱形的凸台11，凸台11上表面中心设置有倒圆台形的盲孔12，盲孔12的内壁为反光面；导热环3为环形，导热环3上表面上靠近内圆周面处设置有环形凸起31，环形凸起31的外圆周直径尺寸由下至上递减，环形凸起31的内圆周面为倾斜反光面；导热环3上表面环形凸起31的外部设置有与环形凸起31同心的环形槽33；芯片2安装在基板1中倒圆台形的盲孔12的底部，盲孔12内填充有封装胶4，导热环3套设在基板1的上表面设置的凸台11上，聚光透镜5为半球形透镜，聚光透镜5平面侧朝向盲孔12覆盖在盲孔12开口处，荧光粉结构层7涂布在导热环3倾斜反光面之间的聚光透镜5上表面，支撑透镜6为空心半球形透镜，支撑透镜6套设在荧光粉结构层7上、且支撑透镜6的开口嵌入环形槽33内部；所述荧光粉结构层7由表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠和硅胶混合而成，其中附着有荧光粉的空心玻璃微珠的体积分数为65%；
所述盲孔12内壁的反光面和导热环3中环形凸起31的倾斜反光面镀有银层；基板1为mcpcb铝基板；导热环3的材质为Al-Si-Mg合金；封装胶4为硅胶；表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的制备方法为：将空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液混合，加入交联剂ADH，搅拌均匀后与荧光粉混合并搅拌，干燥后得到表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠；空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液的体积比为1: 0.05，空心玻璃微珠与荧光粉的体积比为1: 0.01，聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为9.5%；空心玻璃微珠的粒度为20μm,壁厚为1.5μm；荧光粉为黄色荧光粉和红色荧光粉的混合物，其中黄色荧光的质量分数为91%。
利用测光积分球进行测试光通量、色温和显色指数，测试电流为120mA，10h后在室温下25℃利用电压法测量LED结温为73℃，同时利用红外热像仪测量导热环3裸露处的温度为33℃，说明荧光粉结构层7的热量被有效导出；本实施例大功率远程荧光粉型白光LED散热封装的白光输出稳定，在连续点亮1200h后，光通量基本没有变化，显色指数达到85，色温为4000K。

Claims (10)

1.一种大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：该大功率远程荧光粉型白光LED散热封装由基板（1）、芯片（2）、导热环（3）、聚光透镜（5）、支撑透镜（6）和荧光粉结构层（7）构成；
所述基板（1）的上表面设置有圆柱形的凸台（11），凸台（11）上表面中心设置有倒圆台形的盲孔（12），盲孔（12）的内壁为反光面；导热环（3）为环形，导热环（3）上表面上靠近内圆周面处设置有环形凸起（31），环形凸起（31）的外圆周直径尺寸由下至上递减，环形凸起（31）的内圆周面为倾斜反光面；导热环（3）上表面环形凸起（31）的外部设置有与环形凸起（31）同心的环形槽（33）；芯片（2）安装在基板（1）中倒圆台形的盲孔（12）的底部，盲孔（12）内填充有封装胶（4），导热环（3）套设在基板（1）的上表面设置的凸台（11）上，聚光透镜（5）为半球形透镜，聚光透镜（5）平面侧朝向盲孔（12）覆盖在盲孔（12）开口处，荧光粉结构层（7）涂布在导热环（3）倾斜反光面之间的聚光透镜（5）上表面，支撑透镜（6）为空心半球形透镜，支撑透镜（6）套设在荧光粉结构层（7）上、且支撑透镜（6）的开口嵌入环形槽（33）内部；
所述荧光粉结构层（7）由表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠和硅胶混合而成，其中附着有荧光粉的空心玻璃微珠的体积分数为60~65%。
2.根据权利要求1所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述盲孔（12）内壁的反光面和导热环（3）中环形凸起（31）的倾斜反光面是经过抛光或涂覆反光涂层获得；或者所述盲孔（12）内壁的反光面和导热环（3）中环形凸起（31）的倾斜反光面镀有镍层或银层。
3.根据权利要求1所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述封装胶（4）为硅胶。
4.根据权利要求1所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述基板（1）为mcpcb铝基板。
5.根据权利要求1所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述导热环（3）的材质为纯铜或铝合金。
6.根据权利要求5所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述铝合金为Al-Si合金或Al-Si-Mg合金。
7.根据权利要求1所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠的制备方法为：将空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液混合，加入交联剂ADH，搅拌均匀后与荧光粉混合并搅拌，干燥后得到表面附着有荧光粉的空心玻璃微珠。
8.根据权利要求7所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述空心玻璃微珠与聚乙烯醇水溶液的体积比为1:（0.04~0.05），空心玻璃微珠与荧光粉的体积比为1:（0.01~0.02），聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为9~10%。
9.根据权利要求7所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述空心玻璃微珠的粒度为20~30μm，壁厚为1~2μm。
10.根据权利要求7所述的大功率远程荧光粉型白光LED散热封装，其特征在于：所述荧光粉为黄色荧光粉和红色荧光粉的混合物，其中黄色荧光的质量分数为90~9.15%。
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