CN110211949A - 一种高流明密度高显指白光led光源模组及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高流明密度高显指白光LED光源模组，包括基板、蓝光LED芯片组、独立散热支架、固态荧光片、透明硅胶、绝缘导热透明垫块；蓝光LED芯片组与绝缘导热透明垫块通过固晶焊固定在基板上，绝缘导热透明垫块分布在蓝光LED芯片组间隙之间，独立散热支架固定在基板上，独立散热支架台阶高度与绝缘导热透明垫块高度一致；固态荧光片同时置于独立散热支架台阶与绝缘导热透明垫块上，通过混有红光荧光粉的透明硅胶实现粘接固定。本发明采用红光荧光粉与固态荧光片复合封装结构，提高出光品质，显色指数Ra>90，固态荧光片通过散热支架独立散热，有效降低大功率LED光源的温度，增强LED光源可靠性，提高LED光源寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率白光LED光源模组，具体涉及一种高流明密度高显指白光LED光源模组及封装方法。
背景技术
目前荧光转化型LED光源是获得白光光源最主要的技术路线，通过蓝光LED芯片激发荧光层转化为黄绿光混合得到白光，透明固态荧光片因其良好的抗高温猝灭特性、高热导率特性在大功率、超大功率固态照明中备受瞩目。然而，当前荧光陶瓷、荧光单晶、荧光玻璃等主要是掺杂Ce3+、Lu3+、Eu2+等单相荧光离子，其荧光光谱在500nm-580nm之间，导致光谱中红光部分严重缺失，显色指数偏低，难以满足市场对大功率高显色指数光源的需求。
热效应是大功率、超大功率LED光源失效最主要的原因之一，在荧光转化型LED光源模组中存在两个热源：一是蓝光LED芯片的发热，蓝光LED芯片不到40%的能量转化为光能，约有60%以上电能转化为热能；另一是荧光转化时存在能量损失（下转换的光子能量损失）以及荧光转换层波导效应导致的能量损失，导致荧光转化层发热，特别是在大功率、高功率密度的荧光转化型LED光源中，荧光转化层的散热问题甚至占据主导地位。当前的封装方式荧光转化层热量仅能够通过基板进行散热传导，热流负荷很高，这种单一散热通道难以满足高功率流密度的光源散热，严重限制了大功率LED光源流明密度的提升。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种散热效果好、成本低廉、显色指数高、功率密度大的高流明密度高显指白光LED光源模组及封装方法。具体技术方案如下：
一种高流明密度高显指白光LED光源模组，包括基板、蓝光LED芯片组、独立散热支架、固态荧光片以及混入红色荧光粉的透明硅胶。
所述蓝光LED芯片组通过固晶焊固定在基板上并实现电气连接。基板上设置可与电源连接的正电极与负电极；蓝光LED芯片组中的芯片通过金属导线串联后再并联连接在基板正负电极上。所述蓝光LED芯片组4为多块呈阵列排布的蓝光LED芯片组成。
所述独立散热支架固定在基板上并对蓝光LED芯片组形成围坝，在围坝内沿设有台阶。
所述固态荧光片安装在独立散热支架所形成围坝的台阶上并位于蓝光LED芯片组正上方, 通过混有红光荧光粉的透明硅胶实现粘接固定；固态荧光片也拥有良好的导热性能, 并能够产生黄绿光的，固态荧光片上的热量传导到独立散热支架上，通过独立散热支架把光源热量导出外部散热热沉。固态荧光片能够承受高功率密度的光热辐射，混有红色荧光粉的透明硅胶置于固态荧光片之下，为光源稳定提供波长600-700nm的红光补给，显色指数Ra>90，同时，透明硅胶的折射率接近蓝光芯片组的芯片和固态荧光片，不仅降低了菲涅尔效应带来的能量损失，也保证了固态荧光片的粘接可靠性，增强光源模组的机械强度；其次，固态荧光片与蓝光LED芯片组不直接接触，固态荧光片同时与透明垫块和独立散热支架连接，对荧光转化层形成独立散热通道，及时带走荧光层热量，有效降低光源温度，降低高温热猝灭风险，提高发光品质和光效。
所述透明硅胶灌注在固态荧光片与蓝光LED芯片组之间；混有红色荧光粉的透明硅胶层能够提供稳定的红光补色。混有红色荧光粉的透明硅胶置于固态荧光片之下，能够有效固定固态荧光片，保证封装可靠性；混有红色荧光粉的透明硅胶置于能够产生黄绿光的固态荧光片之下，还能避免不同荧光离子的相互影响，在有效补充红光的同时还能保证光效。
通过调节透明硅胶中红色荧光粉浓度和固态荧光片发光离子掺杂浓度及厚度来调节色坐标，可得到高显色指数、高光效、高流明密度的光源。
还包括通过固晶焊固定在蓝光LED芯片组间隙之间的绝缘导热透明垫块；所述绝缘导热透明垫块具有良好的绝缘性、导热性以及可见光透过性；绝缘导热透明垫块高度高于蓝光LED芯片组高度,且其顶部与固态荧光片底部实现有效接触。也即是说固态荧光片同时与绝缘导热透明垫块和独立散热支架接触。绝缘导热透明垫块能够有效导通蓝光LED芯片组与固态荧光片的散热通道，将蓝光LED芯片组形成的热量导通到固态荧光片，再由固态荧光片传导到独立散热支架上，通过独立散热支架把光源热量导出外部散热。
进一步地，所述固态荧光片在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性；所述固态荧光片还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K。
进一步地，所述固态荧光片的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种。
进一步地，所述绝缘导热透明垫块为长条形结构，对于380nm-780nm可见光或紫外光有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或单晶。
进一步地，所述透明硅胶中红色荧光粉在蓝光激发下能够产生波长为600-750nm的红光，透明硅胶对380nm-780nm可见光透光率大于80%，折射率为1.4-1.6。
进一步地，所述独立散热支架对蓝光LED芯片组所形成围坝台阶的高度与绝缘导热透明垫块高度一致。
进一步地，所述独立散热支架两端向外延伸并超出基板边沿后与外部热沉的连接。（所谓热沉，是指它的温度不随传递到它的热能的大小变化，它可以是大气、大地等物体；工业上是指微型散热片，用来冷却电子芯片的装置；航天工程上指用液氮壁板内表面涂黑漆来模拟宇宙冷黑环境的装置。在LED照明封装领域，由于LED发光时会产生高热量，会使用高导热率的铜柱，使热量导向封装体外面，此LED铜柱即为热沉）。独立散热支架采用上述结构后，使散热面积大大增加，灵活的实现与外部热沉的连接，增加独立散热通道，快速带走荧光层热量。
进一步地，所述独立散热支架为金属材质或陶瓷材质，热导率高于100W/m•K。
更优地，所述独立散热支架的材质为铜合金、铝合金、镁合金中一种。
一种高流明密度高显指白光LED光源模组的封装方法，包括以下步骤：
步骤a. 在基板上采用固晶焊固定蓝光LED芯片组和绝缘导热透明垫块，绝缘导热透明垫块分布在蓝光LED芯片组间隙之间；基板上设置可与电源连接的正电极与负电极；蓝光LED芯片组中的芯片通过金属导线串联后在并联连接在基板正负电极上。
步骤b. 独立散热支架放置在基板上，对蓝光LED芯片组形成围坝，在独立散热支架形成的围坝中灌注适量的混有红光荧光粉的透明硅胶。
步骤c. 在60℃环境下烘烤10-15min，加快透明硅胶流平并排出气泡。
步骤d. 待透明硅胶流平后，在真空环境下压上固态荧光片并固定，抽真空30s，防止固态荧光片与硅胶之间产生气泡，保证固态荧光片与混有荧光粉的透明硅胶能够完全贴合。
步骤e. 上述步骤完成后，将完整的光源模组置于温度50℃，烘烤30min,或者温度为80℃，烘烤0.5H，进行充分的热固化。
本发明有如下优点：
（1）采用红光荧光粉与黄绿光固态荧光片复合封装技术，红光补给稳定充足，光源模组光谱具有三个波峰，显色指数Ra>90，满足高品质半导体光源的需求，同时工艺简单成熟，成本低廉。
（2）独立散热支架增加光源模组荧光层散热通道，可以快速带走芯片和荧光层的热量，有效减少热流累积，减少光衰，提高光源寿命，独立散热结构加工方便、成本低廉、结构灵活。
（3）本发明固态荧光片的为主要的荧光转化层，能够耐受高功率密度光热辐射，可以实现大功率小发光面出光，可以制备流明密度为3000-5000lm/cm2的白光LED光源，满足远程搜救探照灯、投影仪光源等特种领域的需求。
附图说明
图1为本发明一种高流明密度高显指白光LED光源模组的俯视示意图和剖视图;(图中上部的图为剖视图,下部的图为俯视示意图)
图2为本发明一种高流明密度高显指白光LED光源模组的LED光源荧光光谱曲线图;
图3为本发明一种高流明密度高显指白光LED光源模组的光源白光出光光谱曲线图;
图中所示：1-固态荧光片、2-独立散热支架、3-基板、4-蓝光LED芯片组、5-绝缘导热透明垫块、6-透明硅胶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步详细描述，所举实例只用于解释发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示本发明的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，包括基板3、蓝光LED芯片组4、独立散热支架2、固态荧光片1以及混入红色荧光粉的透明硅胶6。
所述蓝光LED芯片组4通过固晶焊固定在基板3上并实现电气连接。基板3上设置可与电源连接的正电极与负电极；蓝光LED芯片组4中的芯片通过金属导线串联后再并联连接在基板3正负电极上，实现电气连接。所述蓝光LED芯片组4为多块呈阵列排布的蓝光LED芯片组成。
所述独立散热支架2通过硅胶固定在基板3上并对蓝光LED芯片组4形成围坝，在围坝内沿设有台阶。
所述固态荧光片1安装在独立散热支架2所形成围坝的台阶上并位于蓝光LED芯片组4正上方, 通过混有红光荧光粉的透明硅胶实现粘接固定。；固态荧光片1也拥有良好的导热性能，固态荧光片1上的热量传导到独立散热支架上，通过独立散热支架2把光源热量导出外部散热热沉。固态荧光片1能够承受高功率密度的光热辐射，混有红色荧光粉的透明硅胶6置于固态荧光片1之下，为光源稳定提供波长600-700nm的红光补给，显色指数Ra>90，同时，透明硅胶6的折射率接近蓝光芯片组4的芯片和固态荧光片1，不仅降低了菲涅尔效应带来的能量损失，也保证了固态荧光片1的粘接可靠性，增强光源模组的机械强度；其次，固态荧光片1与蓝光LED芯片组4不直接接触，固态荧光片1同时与绝缘导热透明垫块5和独立散热支架2连接，对荧光转化层形成独立散热通道，及时带走荧光层热量，有效降低光源温度，降低高温热猝灭风险，提高发光品质和光效。
所述透明硅胶6灌注在固态荧光片1与蓝光LED芯片组4之间；混有红色荧光粉的透明硅胶层6能够提供稳定的红光补色。混有红色荧光粉的透明硅胶6置于固态荧光片1之下，能够有效固定固态荧光片1，保证封装可靠性；混有红色荧光粉的透明硅胶6置于能够产生黄绿光的固态荧光片1之下，还能避免不同荧光离子的相互影响，在有效补充红光的同时还能保证光效。
通过调节透明硅胶6中红色荧光粉浓度和固态荧光片1发光离子掺杂浓度及厚度来调节色坐标，可得到高显色指数、高光效、高流明密度的光源。
还包括通过固晶焊固定在蓝光LED芯片组4间隙之间的绝缘导热透明垫块5；所述绝缘导热透明垫块5具有良好的绝缘性、导热性以及可见光透过性；绝缘导热透明垫块5高度高于蓝光LED芯片组4高度,且其顶部与固态荧光片1底部实现有效接触。也即是说固态荧光片1同时与绝缘导热透明垫块5和独立散热支架2接触。绝缘导热透明垫块5能够有效导通蓝光LED芯片组4与固态荧光片1的散热通道，将蓝光LED芯片组4形成的热量导通到固态荧光片1，再由固态荧光片1传导到独立散热支架2上，通过独立散热支架2把光源热量导出外部散热。
进一步地，所述固态荧光片1在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性；所述固态荧光片1还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K。
进一步地，所述固态荧光片1的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种。
进一步地，所述绝缘导热透明垫块5为长条形结构，对于380nm-780nm可见光或紫外光有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或单晶。
进一步地，所述透明硅胶6中红色荧光粉在蓝光激发下能够产生波长为600-750nm的红光，透明硅胶6对380nm-780nm可见光透光率大于80%，折射率为1.4-1.6。
进一步地，所述独立散热支架2对蓝光LED芯片组4所形成围坝台阶的高度与绝缘导热透明垫块5高度一致。
进一步地，所述独立散热支架2两端向外延伸并超出基板3边沿后与外部热沉的连接。（所谓热沉，是指它的温度不随传递到它的热能的大小变化，它可以是大气、大地等物体；工业上是指微型散热片，用来冷却电子芯片的装置；航天工程上指用液氮壁板内表面涂黑漆来模拟宇宙冷黑环境的装置。在LED照明封装领域，由于LED发光时会产生高热量，会使用高导热率的铜柱，使热量导向封装体外面，此LED铜柱即为热沉）。独立散热支架2采用上述结构后，使散热面积大大增加，灵活的实现与外部热沉的连接，增加独立散热通道，快速带走荧光层热量。
进一步地，所述独立散热支架2为金属材质或陶瓷材质，热导率高于100W/m•K。
更优地，所述独立散热支架2的材质为铜合金、铝合金、镁合金中一种。
一种高流明密度高显指白光LED光源模组的封装方法，包括以下步骤：
步骤a. 在基板3上采用固晶焊固定蓝光LED芯片组4和绝缘导热透明垫块5，绝缘导热透明垫块5分布在蓝光LED芯片组4间隙之间；基板3上设置可与电源连接的正电极与负电极；蓝光LED芯片组4中的芯片通过金属导线串联后在并联连接在基板3正负电极上。
步骤b. 独立散热支架2放置在基板3上，对蓝光LED芯片组4形成围坝，在独立散热支架2形成的围坝中灌注适量的混有红光荧光粉的透明硅胶5。
步骤c. 在60℃环境下烘烤10-15min，加快透明硅胶6流平并排出气泡。
步骤d. 待透明硅胶6流平后，在真空环境下压上固态荧光片1并固定，抽真空30s，防止固态荧光片1与硅胶之间产生气泡，保证固态荧光片1与混有荧光粉的透明硅胶6能够完全贴合。
步骤e. 上述步骤完成后，将完整的光源模组置于温度50℃，烘烤30min,或者温度为80℃，烘烤0.5H，进行充分的热固化。
如图2、图3所示，本发明采用红光荧光粉与黄绿光固态荧光片复合封装技术，红光补给稳定充足，光源模组光谱具有三个波峰，显色指数Ra>90，满足高品质半导体光源的需求，同时工艺简单成熟，成本低廉。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围.凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高流明密度高显指白光LED光源模组，包括基板、蓝光LED芯片组、独立散热支架、固态荧光片以及混入红色荧光粉的透明硅胶，所述蓝光LED芯片组通过固晶焊固定在基板上并实现电气连接；所述独立散热支架固定在基板上并对蓝光LED芯片组形成围坝，在围坝内沿设有台阶；所述固态荧光片安装在独立散热支架所形成围坝的台阶上并位于蓝光LED芯片组正上方；所述透明硅胶灌注在固态荧光片与蓝光LED芯片组之间；通过调节透明硅胶中红色荧光粉浓度和固态荧光片发光离子掺杂浓度及厚度来调节色坐标，可得到高显色指数、高光效、高流明密度的光源；其特征在于：还包括通过固晶焊固定在蓝光LED芯片组间隙之间的绝缘导热透明垫块；所述绝缘导热透明垫块具有良好的绝缘性、导热性以及可见光透过性；绝缘导热透明垫块高度高于蓝光LED芯片组高度,且其顶部与固态荧光片底部实现有效接触。
2.根据权利要求1所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述固态荧光片在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性；所述固态荧光片还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K。
3.根据权利要求1或2所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述固态荧光片的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述绝缘导热透明垫块为长条形结构，对于380nm-780nm可见光或紫外光有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或单晶。
5.根据权利要求1所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述透明硅胶中红色荧光粉在蓝光激发下能够产生波长为600-750nm的红光，透明硅胶对380nm-780nm可见光透光率大于80%，折射率为1.4-1.6。
6.根据权利要求1所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架对蓝光LED芯片组所形成围坝台阶的高度与绝缘导热透明垫块高度一致。
7.根据权利要求1或6所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架两端向外延伸并超出基板边沿后与外部热沉的连接。
8.根据权利要求7所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架为金属材质或陶瓷材质，热导率高于100W/m•K。
9.根据权利要求8所述的一种高流明密度高显指白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架的材质为铜合金、铝合金、镁合金中一种。
10.一种如权利要求1所述高流明密度高显指白光LED光源模组的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a. 在基板上采用固晶焊固定蓝光LED芯片组和绝缘导热透明垫块，绝缘导热透明垫块分布在蓝光LED芯片组间隙之间；
步骤b. 独立散热支架放置在基板上，对蓝光LED芯片组形成围坝，在独立散热支架形成的围坝中灌注适量的混有红光荧光粉的透明硅胶；
步骤c. 在60℃环境下烘烤10-15min，加快透明硅胶流平并排出气泡；
步骤d. 待透明硅胶流平后，在真空环境下压上固态荧光片并固定，抽真空30s，防止固态荧光片与硅胶之间产生气泡，保证固态荧光片与混有荧光粉的透明硅胶能够完全贴合；
步骤e. 上述步骤完成后，将完整的光源模组置于温度50℃，烘烤30min,或者温度为80℃，烘烤0.5H，进行充分的热固化。
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