CN220647990U - 一种波长转换装置 - Google Patents
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Abstract
本方案属于照明及显示技术领域，公开了一种波长转换装置，包括依次层叠设置的波长转换层、烧结银层和热沉基板，波长转换层用于将至少部分激光转换成不同波长的受激光，其朝向烧结银层的一面镀覆有介质膜反射层，介质膜反射层至少用于反射受激光，烧结银层用于实现波长转换层与热沉基板的可靠性粘接。本方案采用反射率高、耐高温、耐氧化、耐硫化的介质膜作为反射层，同时通过烧结银层实现波长转换层与热沉基板的可靠性粘接，两者协同作用，彻底避免了反射层在封装过程中被焊锡侵蚀、封装后因气密性差而被硫化或氧化，既有利于提高波长转换装置的反射效果，又有利于提升波长转换层与热沉基板的粘接可靠性，还有利于保证波长转换装置的发光效率。
Description
技术领域
本方案属于照明及显示技术领域，具体涉及一种波长转换装置。
背景技术
激光照明最常用的方式为：蓝激光照射到含有黄色荧光粉的波长转换装置上，部分蓝激光被激发产生黄光，黄光和未被激发的蓝光混合形成视觉效果为白光的照明光。波长转换装置包括反射式波长转换装置和透射式波长转换装置，反射式波长转换装置包括波长转换层和用于承载波长转换层的反射基板，有的反射式波长转换装置还会在波长转换层和反射基板之间设置一层反射层用以提高反射率，如镀银，银层通过焊锡与反射基板粘接。然而，银层在环境中容易发生硫化、氧化，假如发光装置所处环境气密性封装做得不够好，银层容易受潮、氧化、变黑，极大影响反射率及使用可靠性；另外，银层耐焊锡侵蚀能力差，焊接封装时，银层容易被焊锡侵蚀，影响反射效果及粘接效果。
实用新型内容
本方案旨在克服现有技术中反射层容易氧化、硫化、被焊锡侵蚀的缺陷，提供一种波长转换装置。
为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：
一种波长转换装置，包括依次层叠设置的波长转换层、烧结银层和热沉基板，波长转换层用于将至少部分激光转换成不同波长的受激光，其朝向烧结银层的一面镀覆有介质膜反射层，介质膜反射层至少用于反射受激光，烧结银层用于实现波长转换层与热沉基板的可靠性粘接。
本方案摒弃以银层作为反射层和通过焊锡封装的设计理念，采用反射率高、耐高温、耐氧化、耐硫化的介质膜作为反射层，同时通过烧结银层实现波长转换层与热沉基板的可靠性粘接，两者协同作用，彻底避免了反射层在封装过程中被焊锡侵蚀、封装后因气密性差而被硫化或氧化，既有利于提高波长转换装置的反射效果，又有利于提升波长转换层与热沉基板的粘接可靠性。粘贴可靠性的提升一面有利于促进反射效果的提高，另一方面有利于热量传递，避免因波长转换层和反射层集聚热量而影响波长转换装置的发光效率。
介质膜反射层优选为介质全反膜，厚度优选为3～8μm。更优选为氧化钽介质膜、氧化钛介质膜、氧化硅介质膜中的多层交替膜层。介质全反膜的激光损伤阈值优选大于等于80w/mm2。介质全反膜优选对430～465nm波段和485～700nm波段均高反：在430～465nm波段内的平均反射率Ravg≥99.5％、最低反射率Rmin≥99％，在485～700nm波段内的平均反射率Ravg≥99％、最低反射率Rmin≥98.5％。
波长转换层优选为荧光陶瓷，厚度优选为0.05～0.3mm，形状优选直径0.5～10mm的圆形，更优选地为5～10mm的圆形。波长转换层可以单面抛光，也可以双面抛光，无论如何，波长转换层朝向烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≤0.02μm的第一抛光面，介质膜反射层镀覆于该第一抛光面。单面抛光时，波长转换层背向烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≥5μm的粗糙面，以增大荧光陶瓷对荧光的光提取。双面抛光时，波长转换层背向烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≤0.02μm的第二抛光面，该第二抛光面镀覆有增透膜，以减少入射至波长转换层表面的蓝光的反射损失，提高蓝光利用率。
烧结银层的厚度优选为5～30μm。
热沉基板优选为单晶/多晶金刚石基板、单晶硅基板、单晶/多晶碳化硅基板、单晶/多晶氧化铍基板或单晶/多晶氮化铝基板，热沉基板的热导率大于等于100w/(m·k)。
本方案与现有技术相比较有如下有益效果：本方案采用反射率高、耐高温、耐氧化、耐硫化的介质膜作为反射层，同时通过烧结银层实现波长转换层与热沉基板的可靠性粘接，两者协同作用，彻底避免了反射层在封装过程中被焊锡侵蚀、封装后因气密性差被硫化或氧化，既有利于提高波长转换装置的反射效果，又有利于提升波长转换层与热沉基板的粘接可靠性，还有利于保证波长转换装置的发光效率。
附图说明
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本方案的限制；为了更好说明本方案，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
图1是波长转换装置实施1的结构示意图。
图2是波长转换装置实施2的结构示意图。
附图标记说明：波长转换层100，增透膜101，介质膜反射层102，烧结银层200，热沉基板300。
具体实施方式
本方案提出的波长转换装置包括依次层叠设置的波长转换层100、烧结银层200和热沉基板300，其中波长转换层100朝向烧结银层200的一面镀覆有介质膜反射层102，如图1～2所示。
波长转换层100可以选用荧光陶瓷。荧光陶瓷作为本波长转换装置的波长转换材料，接受激光激发，生成受激荧光。荧光陶瓷可以是YAG、氮化物体系荧光黄陶瓷，LuAG、GaAG、β-塞隆及氮化物体系荧光绿陶瓷，α-塞隆、CaAlSiN体系荧光红陶瓷，也可以是荧光颗粒与氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化锌、镁铝尖晶石、氟化镁、氟化钙等封装体颗粒组成的复相荧光陶瓷，其中荧光颗粒为封装体颗粒的20～80wt％。荧光陶瓷厚度优选为0.05～0.3mm，形状优选为圆形，直径优选为0.5～10mm。荧光陶瓷可以单面抛光，也可以双面抛光，抛光面的表面粗糙度优选Ra≤0.02μm。单面抛光时，抛光面镀覆介质膜，形成介质膜反射层102，另一面粗化处理，表面粗糙度优选Ra≥5μm，以增大荧光陶瓷对荧光的光提取；双面抛光时，一面镀覆介质膜以形成介质膜反射层102，另一面可以镀覆增透膜101。增透膜101可以减少入射至波长转换层100表面的激光的反射损失，提高激光利用率。若激光为蓝光，则增透膜101选用蓝光增透膜101。
介质膜反射层102可以选用反射率高、耐高温、耐氧化、耐硫化的介质全反膜，厚度为3～8μm。介质全反膜作为本波长转换装置的反射层，对波长转换材料中产生的受激荧光及剩余激光起镜面反射作用，将混合光反射向波长转换层100，自波长转换层100的激光入射面引出。介质全反膜优选以耐激光的氧化钽、氧化钛及氧化硅为膜系材料，采用离子源辅助蒸镀方式镀覆于荧光陶瓷的抛光面，更优选为氧化钽介质膜、氧化钛介质膜和氧化硅介质膜的多层交替膜层，其层叠顺序不局限于前面所描述的顺序。介质全反膜优选耐激光功率损伤阈值大于等于80w/mm2，对430～465nm和485～700nm波段均高反。在430～465nm波段内，平均反射率Ravg≥99.5％，最低反射率Rmin≥99％；在485～700nm波段内，平均反射率Ravg≥99％，最低反射率Rmin≥98.5％。
烧结银层200作为本波长转换装置的粘接层，实现波长转换层100与热沉基板300的可靠性粘接。烧结银层200主要由银粉与玻璃粉750～800℃高温烧结制得。银粉与玻璃粉的混合组分中，玻璃粉占比优选为0.3～5wt％。银粉的粒径优选0.05～0.5μm，玻璃粉的软化温度优选600～650℃。在750～800℃高温下，部分银粉发生烧结，通过玻璃粉与镀覆于波长转换层100的介质膜反射层102粘接，并与热沉基板300可靠性粘接。烧结银层200的厚度优选5～30μm。
热沉基板300优选热导率λ≥100w/(m·k)，以配合烧结银层200，具体可以选用单晶/多晶金刚石基板、单晶硅基板、单晶/多晶碳化硅基板、单晶/多晶氧化铍基板、单晶/多晶氮化铝基板等。
本波长转换装置摒弃焊锡封装方式，以反射率高、耐高温、耐氧化、耐硫化的介质膜作为反射层，同时通过烧结银层200实现波长转换层100与热沉基板300的可靠性粘接，避免了反射层在封装时被焊锡侵蚀，既有利于提高波长转换装置的反射效果，又有利于提升波长转换层100与热沉基板300的粘接可靠性。
上述波长转换装置的制备过程包括如下步骤：
(1)加工荧光陶瓷。通过磨抛加工使荧光陶瓷减薄到目标厚度0.05～0.3mm，然后将荧光陶瓷的至少一面抛光，优选抛光到表面粗糙度Ra≤0.02μm，形成波长转换层100。
(2)镀介质全反膜。采用离子源辅助蒸镀方式，在荧光陶瓷一抛光面进行镀介质全反膜处理，控制膜层厚度到目标厚度3～8μm，形成介质膜反射层102。
(3)配置银浆。将银粉和玻璃粉按配比添加到松油醇有机溶剂中，采用三辊研磨机使银粉和玻璃粉均匀分散在松油醇中，得到银浆。
(4)封装。采用钢网印刷工艺，将银浆涂敷于热沉基板300一面以及波长转换层100的介质膜反射层102表面，使波长转换层100敷有银浆的一面与热沉基板300敷有银浆的一面相对、贴合，整体转移至120±5℃烤箱中预烘干处理1小时，使得有机溶剂挥发，然后转移至750～800℃烧结炉中，充分烧结，在介质膜反射层102与热沉基板300之间形成烧结银层200，使得波长转换层100与热沉基板300牢固粘接。
需要说明的是，步骤(3)也可以在步骤(1)或(2)之前完成。若步骤(1)对荧光陶瓷进行单面抛光处理，则步骤(1)还包括：对另一面进行粗化处理至表面粗糙度Ra≥5μm；若步骤(1)对荧光陶瓷进行双面抛光处理，则波长转换装置的制备还包括如下步骤(5)：采用离子源辅助蒸镀方式，在荧光陶瓷另一抛光面进行镀增透膜101处理。步骤(5)可以在步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)或步骤(4)之后完成。
为了让本领域的技术人员更好地理解本方案，下面结合具体实施例对本方案做进一步详细说明。实施例中所使用的工艺方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
请参见图1，本实施例的波长转换装置包括依次层叠设置的波长转换层100、烧结银层200和热沉基板300，其中波长转换层100朝向烧结银层200的一面镀覆有介质膜反射层102、背向烧结银层200的一面为粗糙面。
波长转换层100选用YAG荧光颗粒与氧化铝复合形成的复相荧光陶瓷，厚度为0.05～0.3mm，朝向烧结银层200的一面抛光形成表面粗糙度Ra≤0.02μm的抛光面，背向烧结银层200的一面粗化形成表面粗糙度Ra≥5μm的粗糙面。将波长转换层100制成圆形形状，直径为5～10mm。
介质膜反射层102为介质全反膜，膜层厚度为3～8μm，介质全反膜选用氧化钽介质膜、氧化钛介质膜和氧化硅介质膜的多层交替膜层，通过离子源辅助蒸镀方式在波长转换层100的抛光面镀覆形成。介质全反膜的耐激光功率损伤阈值大于等于80w/mm2，对430～465nm和485～700nm波段均高反，在430～465nm波段内的平均反射率Ravg≥99.5％、最低反射率Rmin≥99％，在485～700nm波段内的平均反射率Ravg≥99％、最低反射率Rmin≥98.5％。
烧结银层200由2wt％玻璃粉和余量银粉在波长转换层100的介质膜反射层102与热沉基板300之间750～800℃高温烧结形成，银粉的粒径0.05～0.5μm，玻璃粉的软化温度600～650℃，银层厚度5～30μm。
热沉基板300为单晶/多晶金刚石基板，热导率λ≥100w/(m·k)。
实施例2
请参见图2，本实施例的波长转换装置包括依次层叠设置的波长转换层100、烧结银层200和热沉基板300，其中波长转换层100的双面均抛光，表面粗糙度Ra≤0.02μm，其朝向烧结银层200的一面镀覆有介质膜反射层102、背向烧结银层200的一面镀覆有厚度为1～3μm的增透膜101。波长转换层100、介质膜反射层102、烧结银层200和热沉基板300与实施例1均相同，此处不再赘述。
对比例1
本对比例1的波长转换装置包括依次层叠设置的波长转换层、烧结银层和热沉基板，其中波长转换层朝向烧结银层的一面镀覆有反射银层、背向烧结银层的一面为粗糙面。本对比例1与实施例1的区别仅在于，用反射银层替代实施例1中的介质膜反射层。
对实施例1、实施例2、对比例1的波长转换装置进行性能测试，测试内容如下：
(1)耐蓝光功率极限值测试：将实施例和对比例的波长转换装置分别装机该光源系统。随蓝光功率增加，光通量不再上升甚至出现下降时的功率，为该波长转换装置耐蓝光功率的极限值。
(2)极限光通量测试：点亮光源，将光源出光口对准积分球入口，使得光线完全进入积分球，测试波长转换装置极限蓝光功率下的光通量，即为光通量的极限值。
(3)高低温使用可靠性测试：将本案实施例1、实施例2、以及对比例1的波长转换装置分别装机上述光源系统，测试高低温老化前后波长转换装置光通量变化，老化后光通量下降为老化前90％以下的为可承受的极限老化时长，计算循环个数，以此评估其可靠性。高低温测试环境：高温85℃，低温-40℃。一个循环2h。测试结果见表1：
表1
| 测试项目 | 耐蓝光功率极限值/w | 极限光通量/lm | 高低温老化循环数/个 |
| 实施例1 | 46 | 8632 | 500 |
| 实施例2 | 46 | 8768 | 500 |
| 对比例1 | 50 | 9478 | 200 |
由表1可知，实施例1～2的耐蓝光功率极限值均达到46w，极限光通量均达到8632lm以上，高低温老化循环数均达到500个，说明最终得到的波长转换装置波长转换效果好、发光效率高、性能稳定、可靠性好。
由实施例1与对比例1对比可知，反射层替换为反射银层的波长转换装置，虽然耐蓝光功率极限值和极限光通量有所上升，但上升较少，而且高低温老化循环数显著下降，这是因为反射银层相比于介质膜反射层容易受潮、氧化、硫化，且反射银层耐高温性较差，难以承受高温烧结银的温度，封装时反射银层容易损伤，最终导致波长转换装置的性能不稳定，可靠性显著下降。
显然，本方案的上述实施例仅仅是为清楚地说明本方案所作的举例，而并非是对本方案的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本方案权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波长转换装置，其特征在于，包括依次层叠设置的波长转换层、烧结银层和热沉基板，所述波长转换层用于将至少部分激光转换成不同波长的受激光，其朝向所述烧结银层的一面镀覆有介质膜反射层，所述介质膜反射层至少用于反射所述受激光，所述烧结银层用于实现所述波长转换层与所述热沉基板的可靠性粘接。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述介质膜反射层为介质全反膜，厚度为3～8μm。
3.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述介质全反膜为氧化钽介质膜、氧化钛介质膜、氧化硅介质膜的多层交替膜层。
4.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述介质全反膜的激光损伤阈值大于等于80w/mm2；所述介质全反膜在430～465nm波段内的平均反射率Ravg≥99.5％、最低反射率Rmin≥99％，在485～700nm波段内的平均反射率Ravg≥99％、最低反射率Rmin≥98.5％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层为荧光陶瓷，厚度为0.05～0.3mm，直径为0.5～10mm。
6.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层朝向所述烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≤0.02μm的第一抛光面。
7.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层背向所述烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≥5μm的粗糙面。
8.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层背向所述烧结银层的一面为表面粗糙度Ra≤0.02μm的第二抛光面，所述第二抛光面镀覆有增透膜。
9.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述烧结银层的厚度为5～30μm。
10.根据权利要求1～4任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述热沉基板为单晶/多晶金刚石基板、单晶硅基板、单晶/多晶碳化硅基板、单晶/多晶氧化铍基板或单晶/多晶氮化铝基板，所述热沉基板的热导率大于等于100w/(m·k)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322447535.0U CN220647990U (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种波长转换装置 |
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