專利名稱：一種全反射式白光led封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及白光發(fā)光二極管(LED)封裝結(jié)構(gòu)，尤其是一種全反射側(cè)向出光式白光LED封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
LED是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件，其物理性質(zhì)已為人熟知，并在照明和顯示行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前常見的白光LED技術(shù)，是使用LED芯片所產(chǎn)生的藍(lán)光，激發(fā)涂布在芯片上方或周圍的熒光粉，熒光粉受激發(fā)后發(fā)出綠光、黃光或紅光，與LED芯片的藍(lán)光搭配而產(chǎn)生白光。另外還有一種與之相近的白光LED技術(shù)，其使用紫外LED芯片所產(chǎn)生的紫外光，激發(fā)涂布在芯片上方或周圍的熒光粉，發(fā)出藍(lán)光、綠光或紅光，混合出白光。美國(guó)專利US005998925A、US006069440A、US006600175A、US006614179A、US007592192A、US08227273A、US005847507A、US005959316A, US006163038A, US006299498B1, US006576930B2, US006812500B2,US007592192B2、US007750359B2、US005813753A、US006614179B1、US00329988B2，中國(guó)專利CN102593269A、CN1870309A、CN101702421B、CN101521257B、CN102169951A、CN101320773B、CN101771129A、CN102569558A、CN101432895A 和 CN102110681A，均使用了類似的技術(shù)。其中美國(guó)專利 US006614179B1、US00329988B2、中國(guó)專利 CN101432895A 和 CN102110681A 使用了側(cè)向?qū)Ч饧夹g(shù)，但其白光仍是芯片與涂布在芯片上的熒光粉搭配產(chǎn)生的。在上述白光LED技術(shù)中，熒光粉均直接涂布在芯片上方或環(huán)繞在芯片周圍，所得白光的光色、光效與熒光粉的濃度和用量關(guān)系很大。以最常用的藍(lán)光芯片和黃色熒光粉組合為例，白光是由藍(lán)光激發(fā)突光粉得到的黃光和透過(guò)突光粉層的藍(lán)光混合而成，芯片和突光粉所發(fā)出的光必須透過(guò)高濃度的熒光粉層，而熒光粉層對(duì)光會(huì)產(chǎn)生散射和阻擋，而造成很大的光損失。黃光的比例越高，熒光粉的用量也越多，熒光粉層造成的光損失越大。對(duì)于6000K左右的正白光LED來(lái)說(shuō)，最終透過(guò)熒光粉層的出射光的比例低于50%。而對(duì)于2800K左右的暖白光LED來(lái)說(shuō)，由于使用的熒光粉量更多，最終透過(guò)熒光粉層的出射光的比例僅約 30%o為減少光通過(guò)突光粉層時(shí)的損失，Optics Express期刊2009年4月第17卷第9期報(bào)道了使用藍(lán)光通-黃光反射濾光片以提高白光LED的效率的方法。但在該方法中，芯片和熒光粉所發(fā)出的光仍需要透過(guò)高濃度的熒光粉層，不能顯著提高光的出射比例。綜上所述，現(xiàn)有的使用熒光粉技術(shù)的白光LED封裝技術(shù)存在嚴(yán)重的問題，即由于熒光粉層散射及阻擋等原因而導(dǎo)致的大量光損失，如若能解決該問題，將能大幅度提高白光LED的光出射效率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種可顯著降低光在傳播過(guò)程中的損失、提高LED光效的白光封裝結(jié)構(gòu)。
技術(shù)方案:本發(fā)明的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，包括透明薄片、沿透明薄片周向設(shè)置的內(nèi)柱面反射鏡、封裝在透明薄片中的熒光粉和擴(kuò)散粉，以及設(shè)置在透明薄片上的LED芯片和熒光粉膜、與LED芯片連接的電極，熒光粉膜設(shè)置在LED芯片的上方或下方，LED芯片的法向與透明薄片的平面平行，內(nèi)柱面反射鏡與透明薄片的平面垂直，透明薄片由折射率大于或等于1.35的透明材料制成。本發(fā)明中，LED芯片封裝在透明薄片的內(nèi)部或設(shè)置在透明薄片的周向邊緣與內(nèi)柱面反射鏡之間。本發(fā)明中，熒光粉膜為封裝有熒光粉的透明材料制成。本發(fā)明中，透明薄片的上側(cè)或下側(cè)設(shè)置有一個(gè)底面反射鏡，以實(shí)現(xiàn)單側(cè)出光。本發(fā)明中，透明薄片的上側(cè)或下側(cè)設(shè)置有一個(gè)采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透鏡。本發(fā)明中，透明薄片的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透鏡。本發(fā)明中，LED芯片發(fā)出的是藍(lán)光或紫外光。本發(fā)明中，透明薄片中的熒光粉與透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之間。本發(fā)明中，透明薄片的厚度不超過(guò)5mm。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)含有熒光粉或熒光粉與擴(kuò)散粉混合物的透明薄片，透明薄片的周向邊緣設(shè)有內(nèi)柱面反射鏡，藍(lán)光或紫外光LED芯片被設(shè)置在透明薄片的內(nèi)部或周向邊緣，LED芯片的上方和下方設(shè)置有熒光粉膜。LED芯片發(fā)出的大部分光射入透明薄片。由于透明薄片材料的折射率比空氣大，射入透明薄片的光因發(fā)生全反射而被限制在透明薄片中傳播。少部分不滿足全反射條件的光可以通過(guò)熒光粉膜將其利用。光在透明薄片中傳播時(shí)激發(fā)熒光粉發(fā)光或被擴(kuò)散粉散射，熒光粉發(fā)出的光和被散射的光組成白光。白光從透明薄片的兩個(gè)表面出射。若在透明薄片的一個(gè)表面設(shè)置反射鏡，則光可從單面出射。相對(duì)于LED芯片來(lái)說(shuō)，白光是從側(cè)向?qū)С龅?。在透明薄片表面設(shè)置凸透鏡，可以提高光出射效率。有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):下面以藍(lán)光芯片和黃色熒光粉組合為例，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第一個(gè)益處。在透明薄片中傳播的藍(lán)光在遇到熒光粉之前，由于光的全反射和內(nèi)柱面反射鏡的反射而被限制在透明薄片中無(wú)法出射。當(dāng)藍(lán)光遇到熒光粉顆粒時(shí)，激發(fā)熒光粉發(fā)黃光，由于熒光粉的發(fā)光方向是隨機(jī)的，所以部分黃光會(huì)從透明薄片的表面出射，未直接出射的黃光經(jīng)過(guò)多次散射后也會(huì)出射。在本發(fā)明中，熒光粉發(fā)出的光是從透明薄片的表面導(dǎo)出的，相對(duì)于LED芯片來(lái)說(shuō)，白光是從側(cè)向?qū)С龅?。降低熒光粉的濃度，減薄透明薄片的厚度，能使光在出射前受到的熒光粉的散射損失減少，白光效率也因此得到提升。而由于藍(lán)光的傳播被限制在透明薄片內(nèi)，無(wú)論是降低熒光粉的濃度，還是減薄透明薄片的厚度，都不會(huì)增加藍(lán)光的出射比例，即不會(huì)改變白光LED的光色。因此，本發(fā)明的第一個(gè)益處是:在不改變白光LED光色的同時(shí)，可以降低熒光粉層所導(dǎo)致的光散射損失，提升白光效率。本發(fā)明的第二個(gè)益處是，白光LED的光色性能可以在熒光粉中摻入適量的擴(kuò)散粉來(lái)調(diào)節(jié)。以藍(lán)光芯片和黃色熒光粉組合為例，若不摻入擴(kuò)散粉，出射的光將主要是黃光，還有少量被熒光粉顆粒散射出來(lái)的藍(lán)光，色溫較低。加入擴(kuò)散粉后，可以提高藍(lán)光出射的比例。擴(kuò)散粉的摻入量越多，被散射出的藍(lán)光比例越高，白光LED的色溫也越高。
本發(fā)明的另一益處是增加了熒光粉和芯片的距離，減少了芯片產(chǎn)生的熱所造成的熒光粉性能劣化，也使得白光效率進(jìn)一步改善。


圖la、圖1b分別是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的白光LED的側(cè)視和正視示意圖。圖2是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2的白光LED的側(cè)視示意圖。圖3a、圖3b分別是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的白光LED的側(cè)視和正視示意圖。圖中有:1.LED芯片、2.內(nèi)柱面反射鏡、3.熒光粉、4.擴(kuò)散粉、5.透明薄片、6.熒光粉膜、7.電極、8.外殼、9.透明凸透鏡、10.底面反射鏡。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步具體說(shuō)明。圖la、圖1b分別是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的白光LED的側(cè)視和正視示意圖。如圖所示，首先選用金屬、玻璃或塑料等為外殼材料，制作出一個(gè)環(huán)形薄片，環(huán)形薄片的厚度建議不超過(guò)5_。在環(huán)形薄片的內(nèi)柱面設(shè)置內(nèi)柱面反射鏡2。藍(lán)光或紫外光LED芯片I設(shè)置在內(nèi)柱面反射鏡2上，LED芯片I的法向和環(huán)形薄片平行，和內(nèi)柱面垂直。將此環(huán)形薄片置于一個(gè)光滑基底上，構(gòu)成一個(gè)凹面，然后將含有熒光粉3和擴(kuò)散粉4的折射率大于或等于1.35的透明材料填充在該凹面內(nèi)。擴(kuò)散粉4是指可以利用折射或反射現(xiàn)象改變光傳播方向的粉末，比如二氧化硅、碳酸鈣、硫酸鋇、有機(jī)硅樹脂、丙烯酸樹月旨、或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等制成的粉末。透明材料可使用硅橡膠(折射率1.41)、硅樹脂(折射率n 1.54)或環(huán)氧樹脂(折射率n 1.52)等。透明材料固化后移除光滑基底，可得到本實(shí)施例中的透明薄片5。在LED芯片I的上下兩個(gè)面設(shè)置熒光粉膜6。該熒光粉膜6可以用含有熒光粉的透明材料在LED芯片I的上方和下方直接制作，也可以制成熒光粉膠膜后放置在LED芯片I的上方和下方。突光粉膜6中使用的突光粉與透明薄片5中的突光粉3相同。當(dāng)電極7上施加電壓后時(shí)，LED芯片I會(huì)被驅(qū)動(dòng)而發(fā)出藍(lán)光或紫外光。LED芯片I發(fā)出的大部分光能夠滿足全反射條件，在透明薄片5中橫向傳播。由于透明薄片材料的折射率遠(yuǎn)大于空氣，射入透明薄片的光因發(fā)生全反射，在遇到突光粉3或擴(kuò)散粉4之前,一直被限制在透明薄片中傳播。傳播至透明薄片5的周向邊緣的藍(lán)光或紫外光會(huì)被反射回到透明薄片5中，繼續(xù)激發(fā)熒光粉3發(fā)光或被擴(kuò)散粉4散射。熒光粉3發(fā)出的光與擴(kuò)散粉4散射的光混合成白光。LED芯片發(fā)出的少部分不滿足全反射條件的光會(huì)直接發(fā)射到熒光粉膜6所覆蓋的區(qū)域，激發(fā)熒光粉膜6中的熒光粉發(fā)光，熒光粉發(fā)出的光直接出射或被散射進(jìn)入透明薄片5。作為本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，在透明薄片5的上方和下方設(shè)置了一個(gè)凸透鏡9，凸透鏡的高度控制在不破壞全反射條件的范圍內(nèi)。凸透鏡可以使用與透明薄片5相同的材料制作，固化后和透明薄片5及熒光粉膜6成為一體。該凸透鏡可以一步提高光的出射比例。本優(yōu)選實(shí)施方案中，也可以只在透明薄片5的上方或下方設(shè)置一個(gè)凸透鏡9，凸透鏡的高度控制在不破壞全反射條件的范圍內(nèi)。若使用藍(lán)光LED芯片，所得白光的色溫與擴(kuò)散粉4的摻入量有關(guān)。擴(kuò)散粉4的摻入量越多，散射的藍(lán)光也越多，因而最終形成的白光色溫就越高。在本實(shí)施例中，白光是從透明薄片5的兩個(gè)表面導(dǎo)出的,相對(duì)于LED芯片I來(lái)說(shuō)是側(cè)向?qū)С龅摹Ｍㄟ^(guò)降低熒光粉的濃度(建議熒光粉與透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之間)，減薄透明薄片5的厚度，可以使光在出射前受到的熒光粉的散射損失減少，提高白光效率。圖2是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2的白光LED的側(cè)視示意圖。在此實(shí)施例中，LED芯片1、內(nèi)柱面反射鏡2、熒光粉3、擴(kuò)散粉4、透明薄片5、熒光粉膜6和透明凸透鏡9均和實(shí)施例I相同，區(qū)別是在透明薄片5的一個(gè)表面設(shè)置了底面反射鏡10，以實(shí)現(xiàn)白光的單側(cè)出射。圖3a、圖3b分別是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的白光LED的側(cè)視和正視示意圖。在此實(shí)施例中，LED芯片1、內(nèi)柱面反射鏡2、熒光粉3、擴(kuò)散粉4、透明薄片5、熒光粉膜6、透明凸透鏡9和底面反射鏡10均與實(shí)施例2相同。區(qū)別是兩個(gè)LED芯片I被背向設(shè)置在透明薄片5的中央位置，電極7從底部引出，即LED芯片I封裝在透明薄片5內(nèi)部。熒光粉膜6被設(shè)置在兩個(gè)LED芯片I的上方。當(dāng)電極7上施加電壓后時(shí)，LED芯片I會(huì)被驅(qū)動(dòng)而發(fā)出藍(lán)光或紫外光。LED芯片I發(fā)出的大部分光能夠滿足全反射條件，在透明薄片5中橫向傳播。光在傳播過(guò)程中激發(fā)熒光粉3發(fā)光或被擴(kuò)散粉4散射。傳播至透明薄片5的周向邊緣的藍(lán)光或紫外光會(huì)被反射回到透明薄片5中，繼續(xù)激發(fā)熒光粉3發(fā)光或被擴(kuò)散粉4散射。白光由熒光粉發(fā)出的光和被散射的光所組成。LED芯片發(fā)出的少部分不滿足全反射條件的光會(huì)直接發(fā)射到熒光粉膜6所覆蓋的區(qū)域，激發(fā)熒光粉膜6中的熒光粉發(fā)光，熒光粉發(fā)出的光直接出射或被散射進(jìn)入透明薄片5。若使用藍(lán)光LED芯片，擴(kuò)散粉4的摻入量越多，白光的色溫就越高。在本實(shí)施例中，白光亮斑接近圓形，且位于中心區(qū)域，光色均勻性更好。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)含有熒光粉或熒光粉與擴(kuò)散粉混合物的透明薄片，透明薄片的周向邊緣設(shè)有內(nèi)柱面反射鏡。LED芯片被封裝在透明薄片的內(nèi)部或周向邊緣，其法向與透明薄片的水平方向平行。在LED芯片的上方或下方設(shè)置有熒光粉膜。LED芯片發(fā)出的大部分光能夠滿足全反射條件，而被限制在透明薄片中橫向傳播。LED芯片發(fā)出的少部分不滿足全反射條件的光會(huì)直接發(fā)射到熒光粉膜所覆蓋的區(qū)域，激發(fā)熒光粉膜中的熒光粉發(fā)光，熒光粉發(fā)出的光直接出射或被散射進(jìn)入透明薄片。藍(lán)光或紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)光或被擴(kuò)散粉散射，熒光粉發(fā)出的光和散射光從透明薄片的兩個(gè)表面出射。若在透明薄片的一個(gè)表面設(shè)置反射鏡，則光可從單面出射。突光粉發(fā)出的光從透明薄片的表面導(dǎo)出，相對(duì)于LED芯片來(lái)說(shuō)是側(cè)向?qū)С龅?。通過(guò)降低熒光粉的濃度、減薄透明薄片的厚度，可以減少光在出射前受到的熒光粉的散射損失，從而大幅度提高白光效率。在透明薄片上方設(shè)置透明凸透鏡，可以進(jìn)一步提聞出光效率。本發(fā)明還可以延伸得到其它的白光LED結(jié)構(gòu)樣式。白光LED的形狀不限于圓形，LED芯片的數(shù)量和安裝方式也不限于前述實(shí)施例的范圍，藍(lán)光的導(dǎo)出也可以采用改變透鏡高度等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以上具體實(shí)施例的描述，可以更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的特征和本質(zhì)。但上述具體實(shí)施形式并不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。而且，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍還包括在權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種改變和等同特征的替換。
權(quán)利要求
1.一種全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該封裝結(jié)構(gòu)包括透明薄片(5)、沿所述透明薄片(5)周向設(shè)置的內(nèi)柱面反射鏡(2)、封裝在所述透明薄片(5)中的熒光粉(3)和擴(kuò)散粉(4)，以及設(shè)置在透明薄片(5)上的LED芯片(I)和熒光粉膜(6)、與所述LED芯片(I)連接的電極(7 )，所述熒光粉膜(6 )設(shè)置在LED芯片(I)的上方或下方，LED芯片(I)的法向與透明薄片(5)的平面平行，內(nèi)柱面反射鏡(2)與透明薄片(5)的平面垂直，所述透明薄片(5)由折射率大于或等于1.35的透明材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED芯片(I)封裝在透明薄片(5)的內(nèi)部或設(shè)置在透明薄片(5)的周向邊緣與內(nèi)柱面反射鏡(2)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述熒光粉膜(6)為封裝有熒光粉的透明材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述透明薄片(5)的上側(cè)或下側(cè)設(shè)置有一個(gè)底面反射鏡(10)，以實(shí)現(xiàn)單側(cè)出光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述透明薄片(5)的上側(cè)或下側(cè)設(shè)置有一個(gè)采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透鏡(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述透明薄片(5)的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)采用折射率大于或等于1.35的透明材料制作的透明凸透鏡(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的一種全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的LED芯片(I)發(fā)出的是藍(lán)光或紫外光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的一種全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的透明薄片(5)中的熒光粉(3)與透明材料的重量比在0.001:1至0.1:1之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一權(quán)利要求所述的一種全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的透明薄片(5)的厚度不超過(guò)5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全反射式白光LED封裝結(jié)構(gòu)，包括透明薄片、沿透明薄片周向設(shè)置的內(nèi)柱面反射鏡、封裝在透明薄片中的熒光粉和擴(kuò)散粉，以及設(shè)置在透明薄片上的LED芯片、設(shè)置在LED芯片上方或下方的熒光粉膜、與LED芯片連接的電極，LED芯片封裝在透明薄片的內(nèi)部或設(shè)置在透明薄片周向邊緣與內(nèi)柱面反射鏡之間，LED芯片的法向與透明薄片的平面平行，內(nèi)柱面反射鏡與透明薄片的平面垂直。本發(fā)明可以降低光散射損失，提升白光效率，光色性能可以在熒光粉中摻入適量的擴(kuò)散粉來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)增加了熒光粉和芯片的距離，減少了芯片產(chǎn)生的熱所造成的熒光粉性能劣化，也使得白光效率進(jìn)一步改善。
文檔編號(hào)H01L33/50GK103107268SQ20131005342
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月19日
發(fā)明者董巖, 宋立 申請(qǐng)人:東南大學(xué)