CN109804196B

CN109804196B - 具有夹紧的光转换器的光转换装置

Info

Publication number: CN109804196B
Application number: CN201780064238.2A
Authority: CN
Inventors: C.戈尔德曼; C.克莱吉南; R.吉尔特
Original assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Current assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: JP7018442B2; EP3526513B1; US20200032981A1; CN109804196A; EP3309446A1; EP3526513A1; US10808910B2; JP2019532344A; WO2018073065A1

Abstract

本发明描述了一种光转换装置（130），其包括：‑光转换器（134），用于将激光（10）转换为经转换光（20），经转换光（20）具有比激光（10）更长的峰值发射波长，‑散热器（131），其包括反射性结构（137），和‑夹紧结构（132），其将光转换器（134）机械耦合到散热器（131），夹紧结构（132）用于将光转换器（134）压在散热器（131）的表面上，使得光转换器（134）和散热器（131）之间的热导率增大，并且当借助于激光（10）照射时，经转换光（20）的至少一部分借助于反射性结构（137）而被反射，‑在光转换器（134）和散热器（131）之间没有任何黏合剂或连接层。本发明还描述了包括这种光转换装置（130）的基于激光器的光源（100），以及包括这种基于激光器的光源（100）的车辆头灯。

Description

具有夹紧的光转换器的光转换装置

技术领域

本发明涉及具有夹紧的光转换器的光转换装置、包括这种光转换装置的基于激光器的光源和包括这种基于激光器的光源的车辆头灯。

背景技术

在高亮度光源中，常常使用由例如被激光器发射的蓝光激励的光转换装置。该光转换装置的磷光体借助于被提供在散热器和磷光体之间的焊料或胶的层来粘附到散热器。尤其是蓝色激光的高强度和由借助于磷光体进行光转换导致的高温可能导致可靠性问题。

代替使用这种焊料或胶的层，JP2012226986A通过使用连接部段来将磷光体层连接到基板，连接部段由具有光反射性、热传导性和流动性的材料制成；并且通过固定构件将磷光体层固定到基板，固定构件例如由从上方覆盖磷光体层并被螺接到基板的固定部件组成。

发明内容

本发明的一目的是提供一种具有改进的可靠性的光转换装置。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有优势的实施例。

根据第一方面，提供了一种光转换装置。该光转换装置包括光转换器。该光转换器被适配为将激光转换为经转换光。经转换光的峰值发射波长比激光的激光峰值发射波长处于更长的波长范围中。光转换装置还包括散热器，散热器包括反射性结构。光转换装置还包括夹紧结构，夹紧结构将光转换器机械耦合到散热器。夹紧结构被布置为将光转换器压在散热器的表面上，使得光转换器和散热器之间的热导率增大，并且当借助于激光照射时，经转换光的至少一部分借助于反射性结构而被反射。接触压力的下界可以例如是1 MPa左右，这将等效于在直径为150 μm的磷光体上的0.1 N的力。光转换器和散热器之间的热导率优选地大于10.000 W/(m²K)，更优选地大于50.000 W/(m²K)，并且最优选地大于100.000 W/(m²K)。光转换器和散热器之间的相对高的热导率是通过借助于夹紧结构将光转换器压在散热器上的力而能够实现的。

对于基于蓝色激光器加用于转换为白光的光转换器（如磷光体）的激光源而言，存在两种基础设置类型，透射性的和反射性的。在第一种情况中，磷光体安装在透明基底上，该透明基底同时充当散热器。在后一种情况中，基底是反射性的，其暗示常常使用金属散热器。对于两种类型而言，一关键需求是光转换器到散热器的结的低热阻。否则，热去除将被阻碍，从而导致热损坏，这可能容易地变成灾难性的，即不可逆转的。为了实现这一点，通常在光转换器和散热器之间应用“连接器材料”或黏合剂的薄层。如果所使用的连接技术是胶接，那么连接器材料或黏合剂将是布置在光转换器和散热器之间的胶（例如硅树脂）的薄层。如果连接技术是焊接，那么可焊材料、反射性材料和进一步增强反射性的二向色性滤光器的多层堆叠被附接到焊接在散热器上的光转换器或磷光体。然而，在两种情况中，这些“连接层”都导致问题：对于胶接层而言，在没有随时间的胶退化（例如褐变或开裂）的情况下的承受高温和高辐照水平的能力是有限的。对于焊接层而言，实现在磷光体的底部侧处的高反射性的努力是巨大的：磷光体板必须被抛光，并且具有高反射性层的厚的二向色性滤光器以及最后可焊金属层必须被应用。就过程成本以及还就热阻性（如果二向色性滤光器的厚度接近若干微米的话）两者而言，这都是不期望的。此外，可能借助于激光的转换而导致的高热负载可能导致多层堆叠的分层，尤其是在二向色性滤光器和下方的金属层之间。

具有夹紧结构的光转换装置避免了光转换器和散热器之间的任何黏合剂或连接层。与没有附加力被施加到光转换器的情况相比，借助于夹紧结构施加的接触压力降低了光转换器和散热器之间的热阻。此外，夹紧结构和具有高强度的激光和高热负载的区域之间的距离避免或至少限制了夹紧结构的老化。如上文所描述的由黏合剂或连接层导致的可靠性问题可以因此被避免。

夹紧结构可以包括固定材料，其中，固定材料被布置为将光转换器压在散热器的表面上。固定材料可以是或可以包括适合于在将光转换器压在散热器上时黏合或焊接光转换器的任何材料。固定材料还被布置为保存在固定过程期间将光转换器压在散热器上的接触压力的至少一部分。该接触压力大于由将光传感器放置在散热器上（或反之亦然）的纯粹重力导致的接触压力。光转换器可以例如借助于机械装置而被压在散热器上，并且黏合剂或胶（如例如硅树脂）可以被提供在光转换器的一个或多个边或侧表面处，以便将光转换器的边机械耦合到散热器的表面。只要黏合剂或胶在光转换器的一个或多个边和散热器表面之间提供可靠的机械耦合，压力就被施加。一旦黏合剂或胶已经硬化，就移除在形成固定期间使用的机械装置。

固定材料可以可替换地包括将光转换器的至少一个侧表面固定在散热器的表面上的焊料。

夹紧结构可以可替换地包括将光转换器压到散热器的表面的机械结构（如例如夹具）。该机械结构可以可移除地或永久地耦合到散热器。

光转换器可以包括附接到光转换器的至少一个侧表面的夹紧耦合件。夹紧耦合件可以是适合于能够实现光转换器的侧表面的焊接或胶接的任何结构或材料。光转换器可以例如具有盘状形状，其中，在侧表面处提供涂层，这能够实现光转换器的焊接。在焊接过程期间，光转换器被压到散热器。夹紧耦合件可以可替代地是布置在光转换器周围的机械结构（如框架）。框架可以被布置成使得光转换器可以借助于该框架而被压到散热器。框架或夹紧耦合件可以进一步被布置成使得，当光转换器被压在散热器上时，该框架和散热器之间存在间隙。黏合剂或焊料可以被布置在位于框架和散热器之间的间隙中，以便将夹紧耦合件耦合到散热器并由此将光转换器耦合到散热器。夹紧耦合件或框架可以可替代地借助于螺钉而被固定。螺钉可以用于借助于夹紧耦合件而将压力施加在光转换器上，以便增加热导率。

光转换器可以包括附接到光转换器的至少一个侧表面的侧反射器。侧反射器被布置为反射经转换光。侧反射器可以进一步被布置为反射激光。侧反射器可以是夹紧结构或夹紧耦合件的一部分。侧反射器可以是例如提供在光转换器和能够实现光转换器在侧表面处的胶接或焊接的层之间的二向色性涂层。

散热器可以包括用于焊接光转换器的至少一个焊盘。至少一个焊盘可以被布置为避免光转换器和反射性结构之间的焊料的溢出。焊盘可以被布置在比反射性结构相对于散热器的与具有反射性结构的侧相对的一侧的水平更低的水平处。与光转换器和散热器之间的接触区域相比的焊盘的较低水平可以支撑光转换器和散热器之间的接触压力，尤其是如果在硬化期间焊料收缩的话。焊料因此可以在固定过程期间在冷却期间保持接触压力。

光转换器被压到的散热器的反射性结构或整个区域可以是焊料排斥的，以便避免光转换器和反射性结构之间的焊料溢出。

反射性结构可以包括二向色性滤光器和高反射性金属层（例如银或铝层），该高反射性金属层被布置在二向色性滤光器和由散热器包括的热传导材料之间。热传导材料可以具有至少20 W/(mK)的热导率。

光转换装置可以进一步包括夹紧板。夹紧结构可以被布置为借助于夹紧板而将光转换器压在散热器上。夹紧板可以是透明材料，其相对于激光和经转换光而言是透明的。透明材料可以例如是蓝宝石。

可以是黏合剂或焊料的固定材料在此情况中可以被布置为将夹紧板固定到光转换器上。夹紧板和光转换器两者都可以借助于固定材料来固定。可替换地，仅夹紧板可以被固定，以便将光转换器压在散热器上。

固定材料可以包括具有散射颗粒的胶。散射颗粒可以被布置为对激光或经转换光进行散射。

夹紧结构可以包括被布置为将夹紧板夹到光转换器的至少一个夹具。夹紧结构可以可替代地包括至少一个夹紧保持件和至少一个夹紧固定件。至少一个夹紧保持件可以包括用于接纳夹紧板的凹陷。至少一个夹紧固定件被布置为将至少一个夹紧保持件固定到散热器。夹紧固定件可以例如包括螺钉，其可以被引入到在夹紧保持件中的对应的螺纹中。

根据另一方面，提供了一种基于激光器的光源。该基于激光器的光源包括如上文所描述的光转换装置和被适配为发射激光的至少一个激光器。

基于激光器的光源可以包括两个、三个、四个或更多个发射例如蓝色激光的激光器（例如作为阵列）。

根据另一方面，提供了一种车辆头灯。该车辆头灯包括至少一个如上文所描述的基于激光器的光源。车辆头灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上文所描述的基于激光器的光源。在此情况中，光转换器可以包括黄色磷光体石榴石（例如Y_(3-0.4)Gd_0.4,Al₅O₁₂:Ce）或由其组成。蓝色激光和黄色经转换光的混合可以用于生成白光。大约21%的蓝色激光可以被反射，而剩余的蓝色激光可以被转换为黄光。通过将例如磷光体中的斯托克斯损失（Stokes loss）考虑在内，这能够实现在由基于激光器的光源发射的混合光中的26%的蓝色激光和74%的黄色经转换光的比率。

应当理解的是，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。

下文限定了进一步有优势的实施例。

附图说明

本发明的这些及其他方面通过后文描述的实施例将是清楚的，并且将参考后文描述的实施例得以阐释。

现在将通过示例的方式参考附图基于实施例来描述本发明。

在附图中：

图1 示出了光转换装置的第一实施例的主要简图

图2 示出了光转换装置的第二实施例的主要简图

图3 示出了基于激光器的光源的第一实施例的主要简图

图4 示出了基于激光器的光源的第二实施例的主要简图

图5 示出了基于激光器的光源的测量结果

在附图中，相同的附图标记从始至终指相同对象。附图中的对象不必按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助于附图来描述本发明的各种实施例。

图1示出了光转换装置130的第一实施例的主要简图。包括陶瓷磷光体材料片材的光转换器134借助于夹紧结构132被压到散热器131的表面。陶瓷磷光体材料片材被压到的散热器131的表面的一部分包括反射性结构137。反射性结构137被布置为反射激光10（成为经反射的激光11），激光10优选地处于蓝色波长范围中。激光10进入光转换器134，并且被至少部分地转换成经转换光20。反射性结构137进一步被布置为反射经转换光20（例如黄光）。在此情况中，夹紧结构132是硅树脂胶，其在以预定接触压力将光转换器134压到散热器131的表面上的同时硬化。在此情况中，反射性结构137是与银层相组合的二向色性滤光器，该银层被提供在二向色性滤光器和散热器131的表面之间。仿真示出，这种夹紧设置的热阻随夹紧力增大而减小。

夹紧力[N]	固体导率[W/m²K]	气体间隙导率[W/m²K]
			0.01	2688	107668
0.1	23960	109752
			1	213540	111478
10	1903173	112898

磷光体的大小是0.3×0.3 mm。仿真结果清楚地示出，固体材料的热导率以及薄气体（空气）间隙的热导率随夹紧力增大而增大。由于表面的粗糙度，两者都必须被考虑在内。在上文表格中呈现的仿真中假设了反射性结构137和光转换器134两者的3 nm的表面粗糙度Ra。夹紧力可以具有光转换器和散热器之间的固体接触区域增大的附加效果。借助于夹紧结构提供的光转换器和散热器之间的接触压力因此使光转换器和散热器之间的热导率增大。已经通过具有光转换器134或者反射性结构137的不同表面粗糙度的仿真验证了该仿真。结果取决于表面粗糙度，但是热导率随接触压力增大而增大的大体趋势是相同的。关于图5讨论了测量结果。

图2示出了光转换装置130的第二实施例的主要简图。大体设置与关于图1讨论的实施例相似。在光转换器的134的侧表面处，光转换器134被提供有侧反射器136。在此情况中，侧反射器136是具有不同折射率的薄层的堆叠（例如TiO₂和SiO₂层的交替堆叠），其被沉积在侧表面处，以便提供二向色性反射镜。侧反射器136仅需要限制沿着光转换器134的相对小的侧表面的光学损失。此外，致使在此实施例中不必要对光转换器134的底部层进行抛光，对光转换器134的底部层进行抛光在现有技术设置中是必要的，以便能够实现在具有被焊接到散热器的厚的二向色性滤光器的底部层处的足够高的反射性。夹紧耦合件138被提供在侧反射器136的顶部上。夹紧耦合件138优选地包括高反射性层（诸如银或铝）以及能够实现沿着侧表面焊接光转换器134的可选的其他涂层（例如镍金饰面）。具有侧反射器136和夹紧耦合件138的光转换器134被压在散热器131的反射性结构137上。然后在焊盘135上提供例如金锡的焊料。优选的无通量的焊料被加热，使得在焊盘135与光转换器134的夹紧耦合件138和侧表面之间提供可靠连接。硬化的焊料充当夹紧结构132，其保存在焊接过程期间借助于压制工具提供的接触压力的至少一部分。可选地与夹紧耦合件138的一个或多个金属层相组合的一个或多个侧反射器136被布置为，反射经转换光20和经反射的激光11，经反射的激光11例如在散热器131的反射性结构137处被反射。

图3示出了基于激光器的光源100的第一实施例的主要简图。透明夹紧板139被压在光转换器134上，使得接触压力被提供在光转换器134和散热器131之间。透明夹紧板139是例如蓝宝石板，其与光转换器134在侧表面处胶接在一起。胶“填充”有例如TiO_x的散射颗粒，颗粒直径~100 nm至几微米；这种胶典型地用于LED磷光体的侧涂层。胶作为侧涂层被分配在蓝宝石板和光转换器134（磷光体）周围并且在合适的位置固化。此侧涂层同时保持住蓝宝石板和磷光体，并且确保与散热器基底的良好的热接触，如果胶的弹性通过对胶材料和固化过程的适当选择而在固化后被充分压制的话。胶在硬化或固化后充当夹紧保持件132。在此布置中，光转换器134通过借助于蓝宝石板和夹紧保持件132提供的压力来固定。激光器110被布置为发射蓝色激光10，蓝色激光10经由蓝宝石板进入光转换器134（例如黄色磷光体石榴石）。蓝色激光10的一部分被转换为黄色经转换光20。经反射的蓝色激光11和经转换光20的混合经由蓝宝石板发射，其中经反射的蓝色激光11在反射性结构137处被反射，反射性结构137是散热器131的抛光表面。基于激光器的光源100被布置为发射白光，该白光包括经反射的激光11和经转换光20的混合。

此胶接的磷光体/散热器封装不经受由过高的激光器功率造成的意外辐照。由高温下的蓝色辐照引起的长期退化也不再是问题，因为在磷光体和反射性结构之间不存在可能被不可逆转地损坏的胶层。

侧涂层还可以帮助将在夹紧板139内被引导的经反射的激光11和经转换光20耦合出。自然地，代替蓝宝石，可以使用任何其他合适的光学（半）透明材料。在胶接/固化过程期间的高压是可能的，这将是危急的，如果压力将被施加在仅光转换器134上而没有蓝宝石或另一覆盖板的话。通过侧涂层胶，避免了覆盖板中的光学损失。此外，针对光转换装置130的组件，代替典型的两步骤（（1）光转换器134到散热器131，（2）侧涂层），仅需要一个胶接步骤。

图4示出了基于激光器的光源100的第二实施例的主要简图。类似于在关于图3讨论的实施例中那样，光转换器134借助于夹紧板139而被压在散热器131的抛光表面上。透明夹紧板139相对于激光10和经转换光20是透明的。在此情况中，夹紧结构包括机械夹紧保持件132a和机械夹紧固定件132b。夹紧固定件132b是例如通过散热器131被螺接到夹紧保持件132a的对应螺纹中的螺钉。夹紧板139被布置在例如夹紧保持件132a的凹陷中，使得当螺钉固定夹紧保持件132a时，力可以被施加到夹紧板139。此力用于将光转换器134压在散热器131上，以便改进光转换器134和散热器131之间的热耦合。

图5示出了基于激光器的光源的测量结果。光转换装置的配置与关于图4讨论的布置非常相似。蓝宝石夹紧板139被压在光转换器134上，以便将光转换器134压在散热器131上。散热器131相对于借助于激光器发射的蓝色激光以及相对于经转换的黄光是高反射性的。光转换器是黄色磷光体石榴石（例如Y_(3-0.4)Gd_0.4,Al₅O₁₂:Ce）。具有超过6 W的蓝色光学功率的激光在没有磷光体的显著热淬火的情况下可以被照射到设置上。相对光输出151被绘制为激光器电流[mA] 152的函数161。980 mA处的电流与磷光体目标处的约6 W的光通量相对应。从几乎线性的曲线161可以推论，磷光体没有达到其淬火点，在淬火点处，可以预期性能下降。光转换器134在散热器131上的接触压力因此能够实现改进的热导率，使得热淬火被避免。

尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述应被视为说明性或示例性而非限制性的。

通过阅读本公开，对于本领域技术人员而言，其他修改将是显而易见的。这种修改可以涉及其他特征，这些其他特征是本领域中已经已知的，并且这些其他特征可以替代或附加于本文已经描述的特征来使用。

通过研究附图、公开内容及所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现对所公开实施例的变化。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”（“a”或“an”）不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实不指示不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

附图标记列表：

10 激光

11 经反射的激光

20 经转换光

100 基于激光器的光源

110 激光器

130 光转换装置

131 散热器

132 夹紧结构

132a 夹紧保持件

132b 夹紧固定件

134 光转换器

135 焊盘

136 侧反射器

137 反射性结构

138 夹紧耦合件

139 夹紧板

151 相对光输出

152 激光器电流

161 作为激光器电流的函数的光学功率。

Claims

1.一种光转换装置（130），包括：

- 光转换器（134），其中，所述光转换器（134）被适配为将激光（10）转换为经转换光（20），其中，所述经转换光（20）的峰值发射波长比所述激光（10）的激光峰值发射波长处于更长的波长范围中，

- 散热器（131），所述散热器（131）包括反射性结构（137），和

- 夹紧结构（132），所述夹紧结构（132）将所述光转换器（134）机械耦合到所述散热器（131），其中，所述夹紧结构（132）被布置为将所述光转换器（134）压在所述散热器（131）的表面上，使得所述光转换器（134）和所述散热器（131）之间的热导率增大，并且当借助于所述激光（10）照射时，所述经转换光（20）的至少一部分借助于所述反射性结构（137）而被反射，

- 在所述光转换器（134）和所述散热器（131）之间没有任何黏合剂或连接层。

2.根据权利要求1所述的光转换装置（130），其中，所述夹紧结构（132）包括将所述光转换器（134）的至少一个侧表面固定在所述散热器（131）的所述表面上的固定材料，并且其中，所述固定材料被布置为将所述光转换器（134）压在所述散热器（131）的所述表面上。

3.根据权利要求2所述的光转换装置，其中，所述固定材料包括焊料。

4.根据权利要求2或3所述的光转换装置（130），其中，所述光转换器（134）包括夹紧耦合件（138），所述夹紧耦合件（138）被附接到所述光转换器（134）的所述至少一个侧表面。

5.根据权利要求2或3所述的光转换装置（130），其中，所述光转换器（134）包括侧反射器（136），所述侧反射器（136）被附接到所述光转换器（134）的所述至少一个侧表面，其中，所述侧反射器（136）被布置为反射经转换光（20）。

6.根据权利要求3所述的光转换装置（130），其中，所述散热器（131）包括用于焊接所述光转换器（134）的至少一个焊盘（135），其中，所述至少一个焊盘（135）被布置为避免所述光转换器（134）和所述反射性结构（137）之间的焊料的溢出。

7.根据权利要求3所述的光转换装置（130），其中，所述反射性结构（137）是焊料排斥的。

8.根据权利要求1或2所述的光转换装置（130），其中，所述反射性结构（137）包括二向色性滤光器和布置在所述二向色性滤光器和由所述散热器（131）包括的热传导材料之间的高反射性金属层，其中，所述热传导材料具有至少20 W/(mK)的热导率。

9.根据权利要求2所述的光转换装置（130），还包括夹紧板（139），其中，所述夹紧结构（132）被布置为借助于所述夹紧板（139）而将所述光转换器（134）压在所述散热器（131）上。

10.根据权利要求9所述的光转换装置（130），其中，所述固定材料进一步被布置为将所述夹紧板（139）固定在所述光转换器（134）上。

11.根据权利要求10所述的光转换装置（130），其中，所述固定材料包括具有散射颗粒的胶。

12.根据权利要求9所述的光转换装置（130），其中，所述夹紧结构（132）包括至少一个夹紧保持件（132a）和至少一个夹紧固定件（132b），其中，所述至少一个夹紧保持件（132a）包括用于接纳所述夹紧板（139）的凹陷，并且其中，所述至少一个夹紧固定件（132b）被布置为将所述至少一个夹紧保持件（132a）固定到所述散热器（131）。

13.一种基于激光器的光源（100），包括：

- 根据权利要求1-12中任一项所述的光转换装置（130），和

- 至少一个激光器（110），其中，所述至少一个激光器（110）被适配为发射激光（10）。

14.一种车辆头灯，包括至少一个根据权利要求13所述的基于激光器的光源（100）。