CN111881586B - 减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法及系统,该方法步骤包括:统计所用材料的属性参数,计算不同浓度荧光元件的等效导热率并建立荧光元件的热阻模型;计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;计算荧光元件不同深度上的荧光激发的光线能量及转化后的热量;设定初始化荧光粉浓度参数以及需优化的梯度浓度区域;在热阻模型代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值;判断每一个浓度区域最高温度值是否小于设定要求。本发明综合考虑等效导热率以及多荧光颗粒光热转化率,匹配激发光源光型,避免荧光元件高发热的浓度区域发生,同时不改变转化后的光强分布、光谱强度等性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明器件技术领域,具体涉及一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法及系统。
背景技术
由于荧光粉材料比聚合物材料导热率高,随着荧光粉在聚合物胶体中浓度的增加,荧光元件的等效导热率会增加,有利于避免热量聚集;同时,随着荧光粉浓度的增加,荧光转化激发光源的能量也会增加,由于斯托克斯损失存在,会产生更多的热量。等效导热率和荧光转化率两个方面的影响,在一定的激发能量下,荧光元件存在一个极易发生热量聚集的浓度区间,容易影响转化后的光强分布和光谱强度。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足,本发明提供一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法及系统,综合考虑等效导热率以及多荧光颗粒光热转化率,匹配激发光源光型,避免荧光元件高发热的浓度区域发生,同时不改变转化后的光强分布、光谱强度等性能。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法,其特征在于,包括下述步骤:
统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率、导热率、粒径分布和颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率和导热率参数,所设计荧光元件厚度,直径以及荧光粉浓度参数;
计算不同浓度荧光元件的等效导热率以及建立荧光元件的热阻模型;
计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;
计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量;
设定初始化荧光粉浓度参数以及需要进行浓度优化的梯度浓度区域;
根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在热阻模型中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设计温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。
作为优选的技术方案,所述计算不同浓度荧光元件的等效导热率,具体计算公式为:
log k=VRG2log kR+VYG3log kY+(1-VR-VY)log G1kpoly;
其中,VR表示荧光元件中氮化红色荧光粉,G2表示荧光元件中形成氮化红色荧光粉导热链的可能性,kR表示氮化红色荧光粉的导热系数,VY表示荧光元件中黄色荧光粉,G3表示荧光元件中形成黄色荧光粉导热链的可能性,kY表示黄色荧光粉的导热系数,G1表示荧光元件中封装粘结材料的结晶度和晶体大小,kpoly表示荧光元件中封装粘结材料的导热系数。
作为优选的技术方案,所述建立荧光元件的热阻模型,具体计算公式为:
荧光元件的总热阻计算公式为:
荧光转化器的总热阻计算公式为:
其中,Rconv1表示基板对环境的自然对流热阻,Rconv2表示激光输入表面对环境的自然对流热阻,Rconv3表示荧光转化器周围表面对环境的自然对流热阻,Rt表示荧光转化器基板的总热阻。
作为优选的技术方案,所述计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量,转化后的热量Qheat的具体计算公式为:
Qheat=Pin-Pout=Pin-(JB(0)+JY(0)+JR(0)+IB(d)+IY(d)+IR(d));
其中,Pin表示入射激光功率,Pout表示出射激光功率;
JB(0)表示初始时刻蓝色激光向后散射的能量,由如下公式计算获得:
JB(0)=C1(1+β)+C2(1-β)
JY(0)表示初始时刻黄色荧光粉向后散射的能量,由如下公式计算获得:
JR(0)表示初始时刻红色荧光粉向后散射的能量,由如下公式计算获得:
IB(d)表示初始时刻蓝色激光向前散射的能量,由如下公式计算获得:
IB(d)=C1(1-β)eαd+C2(1+β)e-αd
IY(d)表示初始时刻黄色荧光粉向前散射的能量,由如下公式计算获得:
R(d)表示初始时刻红色荧光粉向前散射的能量,由如下公式计算获得:
其中,ηB-Y、ηB-R、ηY-R分别为蓝光到黄光、蓝光到红光、黄光到红光的能量转换效率;aB1、aB2、aY2分别为黄色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对黄光的吸收系数;aB、aY、aR分别为蓝光、黄光、红光的吸收系数;sB、sY、sR分别为蓝光、黄光、红光的散射系数;C1、C2、C3、C4、C5、C6为待定常系数。
本发明还提供一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,包括:属性参数统计模块、等效导热率计算模块、热阻模型构建模块、散射及吸收参数计算模块、光线能量及热量计算模块、荧光粉浓度区域参数设定模块、最高温度值计算模块和判断模块;
所述属性参数统计模块用于统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率、导热率、粒径分布和颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率和导热率参数,所设计荧光元件厚度,直径以及荧光粉浓度参数;
所述等效导热率计算模块用于计算不同浓度荧光元件的等效导热率;
所述热阻模型构建模块用于建立荧光元件的热阻模型;
所述散射及吸收参数计算模块用于计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;
所述光线能量及热量计算模块用于计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量;
所述荧光粉浓度区域参数设定模块用于设定荧光元件的梯度浓度区域分布参数;
所述最高温度值计算模块用于根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在热阻模型当中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
所述判断模块用于判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设定温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。
作为优选的技术方案,所述荧光元件采用不同浓度多环结构,具体从中心到外圆的荧光粉浓度呈现负梯度设置,不同浓度配置借助荧光元件的热阻模型计算所得。
作为优选的技术方案,所述荧光元件采用封装粘结材料与荧光粉按不同质量比例混合均匀,分区域分浓度涂布,通过热固化或热烧结方式制备而成。
作为优选的技术方案,所述封装粘结材料采用树脂材料、玻璃颗粒或陶瓷颗粒。
作为优选的技术方案,所述荧光粉采用黄色荧光粉或红色荧光粉的一种或者多种混合。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本发明能够有效避免荧光元件高发热的浓度区域发生,降低荧光元件的碳化几率,提高荧光元件在实际生产中的工作寿命。
(2)本发明能综合考虑等效导热率以及多荧光颗粒光热转化率在荧光元件中的作用,这样有利于减少荧光元件热量积累,同时不改变转化后的光强分布,光谱强度等性能,提高资源利用效率。
(3)本发明采用荧光元件负梯度浓度配置的技术方案,解决了大功率半导体照明领域中的荧光元件材料利用率低、材料成本高等问题,达到了高效、低成本照明的技术效果。
附图说明
图1为本实施例减少半导体照明荧光元件热量聚集的转化器的制造方法流程示意图。
图2为本实施例荧光元件热阻模型原理图;
图3为本实施例不同浓度、5环结构荧光元件表面温度随中心距离的温度变化图。
图4为本实施例减少半导体照明荧光元件热量聚集的转化器的结构示意图;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示,本实施例提供一种减少半导体照明荧光元件热量聚集的转化器的制造方法,包括下述步骤:
S1:统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率(η)、导热率(κph)、粒径分布(s)、颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率(i),导热率(κpoly)参数,所设计荧光元件厚度(d),直径(D)以及荧光粉浓度(c)参数;
S2:计算不同浓度荧光元件的等效导热率以及建立荧光元件的热阻模型;
在本实施例中,不同浓度荧光元件的等效导热率(k)的计算方法具体为:
log k=VRG2log kR+VYG3log kY+(1-VR-VY)log G1kpoly;
其中,VR表示荧光元件中氮化红色荧光粉,G2表示荧光元件中形成氮化红色荧光粉导热链的可能性,取值范围为0~100%;kR表示氮化红色荧光粉的导热系数(ISO22007-2标准,使用热盘(TPS 2500)测得);VY表示荧光元件中黄色荧光粉(YAG:Ce3+);G3表示荧光元件中形成黄色荧光粉(YAG:Ce3+)导热链的可能性,取值范围为0~100%;kY表示黄色荧光粉(YAG:Ce3+)的导热系数,ISO22007-2标准,使用热盘(TPS 2500)测得;G1表示荧光元件中封装粘结材料的结晶度和晶体大小,取值范围为0~100%;kpoly表示荧光元件中封装粘结材料的导热系数,可以通过查阅相关手册获得。
在本实施例中,如图2所示,建立荧光元件的热阻模型,图中YAG黄色荧光粉和氮化红色荧光粉的SEM图像如图2左侧所示,荧光元件工作过程中的内部能量转换及分布如图2中间所示,荧光元件工作过程中的热阻网络如图2右侧所示。该热阻模型具体计算公式为:
荧光元件的总热阻由如下公式计算获得:
荧光转化器的总热阻由如下公式计算获得:
其中,Rconvl表示基板对环境的自然对流热阻,Rconv2表示激光输入表面对环境的自然对流热阻,Rconv3表示荧光转化器周围表面对环境的自然对流热阻,Rt表示荧光转化器基板的总热阻;
S3:计算不同粒径颗粒对不同波长(380nm-830nm)的散射截面、散射系数、吸收截面、吸收系数;
在本实施例中,散射截面(Csca),散射系数(Ksca(λ)),吸收截面(Cabs),吸收系数(Kabs(λ))的计算方法具体为:
其中,Csca(λ)为散射截面,Ksca(λ)为散射系数,Psca(λ)为经粒子散射的功率,Cabs(λ)为散射截面,Kabs(λ)为散射系数,Pabs(λ)为经粒子散射的功率,Isource(λ)为入射总功率,SP为粒子截面积。
S4:计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量(Qheat);
Qheat=Pin-Pout=Pin-(JB(0)+JY(0)+JR(0)+IB(d)+IY(d)+IR(d));
式中:
Pin-入射激光功率;
Pout-出射激光功率;
JB(0)-初始时刻蓝色激光向后散射的能量,可由如下公式计算获得:
JB(0)=C1(1+β)+C2(1-β)
JY(0)-初始时刻黄色荧光粉向后散射的能量,可由如下公式计算获得:
JR(0)-初始时刻红色荧光粉向后散射的能量,可由如下公式计算获得:
IB(d)-初始时刻蓝色激光向前散射的能量,可由如下公式计算获得:
IB(d)=C1(1-β)eαd+C2(1+β)e-αd
IY(d)-初始时刻黄色荧光粉向前散射的能量,可由如下公式计算获得:
IR(d)-初始时刻红色荧光粉向前散射的能量,可由如下公式计算获得:
其中,ηB-Y、ηB-R、ηY-R分别为蓝光到黄光、蓝光到红光、黄光到红光的能量转换效率;aB1、aB2、aY2分别为黄色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对黄光的吸收系数;aB、aY、aR分别为蓝光、黄光、红光的吸收系数;sB、sY、SR分别为蓝光、黄光、红光的散射系数;C1、C2、C3、C4、C5、C6为待定常系数,可由边界条件方程求解,如下面方程式所示;
IB(0)=Pin,JB(d)=0
IY(0)=0,JY(d)=0
IR(0)=0,JR(d)=0
S5:设定初始化荧光粉浓度参数以及需要进行浓度优化的梯度浓度区域;
在本实施例中,其荧光元件的具体结构为多环结构,其中多环结构可以是3环或3环以上,荧光元件从中心到外圆的荧光粉浓度呈现负梯度配置,即中间浓度低,外圆浓度高,不同浓度参数的荧光粉分布在不同的圆环中,从而构成不同浓度圆形多环结构的荧光转化器。本实施例的多环结构仅列举5环结构,但不限于此。
荧光元件的梯度浓度配置采用负梯度浓度配置(5NT)。采用该种方式,如图3所示,荧光元件表面温度从中心到外圆逐步下降,同时,中心最高温比传统不做处理的荧光元件(5UT)、正梯度浓度配置的荧光元件(5PT)都低。
S6:根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在热阻模型中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
Tmax=QheatRtotal+Ta
式中,Ta表示荧光转化器工作时的初始温度;
S7:判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设定温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。
在本实施例中,还提供一种减少半导体照明荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,包括:属性参数统计模块、等效导热率计算模块、热阻模型构建模块、散射及吸收参数计算模块、光线能量及热量计算模块、荧光粉浓度区域参数设定模块、最高温度值计算模块和判断模块;
在本实施例中,属性参数统计模块用于统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率、导热率、粒径分布和颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率和导热率参数,所设计荧光元件厚度,直径以及荧光粉浓度参数;
在本实施例中,等效导热率计算模块用于计算不同浓度荧光元件的等效导热率;
在本实施例中,热阻模型构建模块用于建立荧光元件的热阻模型;
在本实施例中,散射及吸收参数计算模块用于计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;
在本实施例中,光线能量及热量计算模块用于计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量;
在本实施例中,荧光粉浓度区域参数设定模块用于设定所设计荧光元件的梯度浓度区域分布参数;
在本实施例中,最高温度值计算模块用于根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在所计算的热阻模型当中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
在本实施例中,判断模块用于判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设计温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。如图4所示,本实施例转化器为荧光元件,采用不同浓度多环结构,如图4所示为不同浓度、5环结构荧光转化器。具体从中心到外圆的荧光粉浓度呈现负梯度设置,不同浓度配置通过荧光元件的热阻模型计算得到,同时不同浓度荧光元件可通过调节封装粘结材料和荧光粉的质量比例获得;
在本实施例中,封装粘结材料为道康宁OE6650,PDMS等树脂材料,或者玻璃颗粒,或者陶瓷颗粒。
在本实施例中,荧光粉为黄色荧光粉或红色荧光粉的一种或其混合。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法,其特征在于,包括下述步骤:
统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率、导热率、粒径分布和颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率和导热率参数,所设计荧光元件厚度,直径以及荧光粉浓度参数;
计算不同浓度荧光元件的等效导热率以及建立荧光元件的热阻模型;
计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;
计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量;
设定初始化荧光粉浓度参数以及需要进行浓度优化的梯度浓度区域;
根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在热阻模型中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设定温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。
2.根据权利要求1所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法,其特征在于,所述计算不同浓度荧光元件的等效导热率,具体计算公式为:
log k=VRG2log kR+VYG3log kY+(1-VR-VY)log G1kpoly;
其中,VR表示荧光元件中氮化红色荧光粉,G2表示荧光元件中形成氮化红色荧光粉导热链的可能性,kR表示氮化红色荧光粉的导热系数,VY表示荧光元件中黄色荧光粉,G3表示荧光元件中形成黄色荧光粉导热链的可能性,kY表示黄色荧光粉的导热系数,G1表示荧光元件中封装粘结材料的结晶度和晶体大小,kpoly表示荧光元件中封装粘结材料的导热系数。
4.根据权利要求1所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造方法,其特征在于,所述计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量,转化后的热量Qheat的具体计算公式为:
Qheat=Pin-Pout=Pin-(JB(0)+JY(0)+JR(0)+IB(d)+IY(d)+IR(d));
其中,Pin表示入射激光功率,Pout表示出射激光功率,d表示荧光元件的厚度;
JB(0)表示初始时刻蓝色激光向后散射的能量,由如下公式计算获得:
JB(0)=C1(1+β)+C2(1-β)
JY(0)表示初始时刻黄色荧光粉向后散射的能量,由如下公式计算获得:
JR(0)表示初始时刻红色荧光粉向后散射的能量,由如下公式计算获得:
IB(d)表示初始时刻蓝色激光向前散射的能量,由如下公式计算获得:
IB(d)=C1(1-β)eαd+C2(1+β)e-αd
IY(d)表示初始时刻黄色荧光粉向前散射的能量,由如下公式计算获得:
IR(d)表示初始时刻红色荧光粉向前散射的能量,由如下公式计算获得:
其中,ηB-Y、ηB-R、ηY-R分别为蓝光到黄光、蓝光到红光、黄光到红光的能量转换效率;aB1、aB2、aY2分别为黄色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对蓝光、红色荧光粉对黄光的吸收系数;aB、aY、aR分别为蓝光、黄光、红光的吸收系数;sB、sY、sR分别为蓝光、黄光、红光的散射系数;C1、C2、C3、C4、C5、C6为待定常系数。
5.一种减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,包括:属性参数统计模块、等效导热率计算模块、热阻模型构建模块、散射及吸收参数计算模块、光线能量及热量计算模块、荧光粉浓度区域参数设定模块、最高温度值计算模块和判断模块;
所述属性参数统计模块用于统计所用材料的属性参数,包括所用荧光粉的荧光转化效率、导热率、粒径分布和颗粒近似形状参数,所用封装粘结材料的折射率和导热率参数,所设计荧光元件厚度,直径以及荧光粉浓度参数;
所述等效导热率计算模块用于计算不同浓度荧光元件的等效导热率;
所述热阻模型构建模块用于建立荧光元件的热阻模型;
所述散射及吸收参数计算模块用于计算不同粒径颗粒对不同波长的散射截面、散射系数、吸收截面和吸收系数;
所述光线能量及热量计算模块用于计算荧光元件不同深度上的实际参与荧光激发的光线能量以及转化后的热量;
所述荧光粉浓度区域参数设定模块用于设定荧光元件的梯度浓度区域分布参数;
所述最高温度值计算模块用于根据荧光粉浓度参数及需要优化的梯度浓度区域,在热阻模型当中代入荧光元件产生热量值计算荧光元件梯度浓度区域最高温度值Tmax;
所述判断模块用于判断荧光元件每一个浓度区域最高温度值Tmax是否小于设定要求,如果Tmax小于预期设定温度,则认为荧光元件的浓度区域设计合理,如果Tmax大于预期设定温度,则返回重新调整荧光元件的浓度区域分布。
6.根据权利要求5所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,所述荧光元件采用不同浓度多环结构,具体从中心到外圆的荧光粉浓度呈现负梯度设置,不同浓度配置借助荧光元件的热阻模型计算所得。
7.根据权利要求5所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,所述荧光元件采用封装粘结材料与荧光粉按不同质量比例混合均匀,分区域分浓度涂布,通过热固化或热烧结方式制备而成。
8.根据权利要求7所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,所述封装粘结材料采用树脂材料、玻璃颗粒或陶瓷颗粒。
9.根据权利要求5所述的减少半导体荧光元件热量聚集的转化器制造系统,其特征在于,所述荧光粉采用黄色荧光粉或红色荧光粉的一种或者多种混合。
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2020
- 2020-07-30 CN CN202010750048.XA patent/CN111881586B/zh active Active
Patent Citations (3)
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CN111881586A (zh) | 2020-11-03 |
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