專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶固態(tài)發(fā)光器件，例如適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件的光 源，尤其涉及所述光源的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
固態(tài)光源，包括半導(dǎo)體發(fā)光器件(例如但不限于發(fā)光二極管)，可在 驅(qū)動(dòng)電功率作用下發(fā)光(例如但不限于可見(jiàn)光)，為綠色無(wú)污染的干凈節(jié)能光源，在裝飾照 明、舞臺(tái)照明和投影機(jī)光源中，已有著廣闊的應(yīng)用。限于發(fā)光材料的發(fā)光效率及成本，現(xiàn)有固態(tài)光源往往基于固態(tài)發(fā)光芯片(例如藍(lán) 光LED)和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料來(lái)產(chǎn)生特定波長(zhǎng)范圍的光，以代替同等發(fā)光波長(zhǎng)范圍的LED。例 如美國(guó)專(zhuān)利US 6，496，322和US 6，682，207分別提出了一種綠光熒光粉材料及其成分，與 藍(lán)光或UV(紫外)光LED混合產(chǎn)生綠光。日本日亞公司(Nichia)的白光LED專(zhuān)利，公開(kāi)了 利用470納米藍(lán)光LED芯片來(lái)激發(fā)黃色YAG熒光粉發(fā)出白光的技術(shù)方案；該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 制造成本低、產(chǎn)品具有很強(qiáng)的實(shí)用性。該類(lèi)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換LED光源中，芯片發(fā)光效率、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的吸收和轉(zhuǎn)換效率 以及光源的封裝效率，直接影響到光源的流明效率，對(duì)降低光源成本、節(jié)能降耗都具有重要
眉、ο圖1示意了現(xiàn)有多種光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換LED光源的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)于2005年日本應(yīng)用物理期刊 (Journal of Applied Physics, Japan)第 44 卷第 21 期第 649 651 頁(yè)。一般來(lái)說(shuō)該類(lèi)光 源至少包括LED、以但不限于熒光粉為例的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料及用來(lái)改變光方向的反射杯，所 述LED置于反射杯的底部開(kāi)口。圖Ia的方案最為常見(jiàn)，將熒光粉3直接涂覆于LED芯片1 之上；用折射率匹配的膠體4來(lái)進(jìn)行封裝，殊如覆蓋熒光粉3并填充反射杯2的剩余空間； 這樣熒光粉3在LED芯片1發(fā)射出的光激勵(lì)下，發(fā)出特定波長(zhǎng)的光并經(jīng)反射杯2收集定向 射出。為避免該方案中熒光粉受LED芯片發(fā)熱影響導(dǎo)致的效率下降和老化，圖Ib的方案將 熒光粉3改為均勻散布于膠體4中。為了增加發(fā)光的均勻性，圖Ic的方案改將熒光粉分布 于封裝膠體的外層。圖Id的方案則在Ic方案的基礎(chǔ)上，將反射杯的杯壁由鏡面反射特性 改為漫反射特性以期提高光萃取效率。此外，SPIEdnternational Society for Optical Engineering)國(guó)際光學(xué)工程 學(xué)會(huì)關(guān)于第5次固態(tài)照明國(guó)際會(huì)議的學(xué)報(bào)里(Proceedings of SPIE 5491，第45-50頁(yè))， 也提出了一種性能得到提高的熒光轉(zhuǎn)換白光LED光源結(jié)構(gòu)，如圖2所示與圖Id相比，該方 案采用透射杯2’來(lái)替換反射杯2，還在支撐LED芯片1和透射杯2’的基底的表面鍍?nèi)瓷?膜5’ ；這樣使向背面發(fā)射的受激發(fā)光可以不再射回LED芯片或在反射杯中多次反射而被消 耗，而是透射出透射杯2’以外，入射到底面上的全反射膜5’上而提高光的萃取效率。該方 案中，仍然有一部分受激發(fā)光因返回到LED芯片及其附近而被吸收，同時(shí)光線返射回背面 反射膜雖能提高萃取效率，但將造成光斑擴(kuò)散，使得光源因收集效率不高或體積巨大而實(shí) 用性較差。專(zhuān)利CN101162745公布了一種高效熒光轉(zhuǎn)換的LED光源，提出使用截止濾光片來(lái) 高效收集和利用受激發(fā)光以提高熒光粉的萃取效率，具有結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì) 某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)還便于輸出純凈的熒光。
即使這樣，現(xiàn)有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換固態(tài)光源的光轉(zhuǎn)換效率仍應(yīng)有被進(jìn)一步提高的空間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提出 一種基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，具有更高光轉(zhuǎn)換效率。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基本構(gòu)思為現(xiàn)有技術(shù)中一般在反射腔體內(nèi)填充 一具有預(yù)定折射率的介質(zhì)，如空氣或膠水來(lái)進(jìn)行保護(hù)性封裝，而恰恰該反射腔體內(nèi)的光學(xué) 結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)光源的效率影響很大，因此，基于實(shí)驗(yàn)手段對(duì)腔體結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，有可能發(fā)現(xiàn) 具有更高總體效率的一種結(jié)構(gòu)。作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的技術(shù)方案是，提供一種基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，包括 設(shè)置或成形于基底上的固態(tài)發(fā)光芯片，以及安在該基底上的具有一通孔的封裝座，該通孔 的壁面對(duì)入射光具有反射作用；所述通孔的窄口端包圍著所述固態(tài)發(fā)光芯片，寬口端封有 一預(yù)定厚度的分布有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層；所述通孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率 的封裝膠體，將所述固態(tài)發(fā)光芯片包封在基底上；尤其是，在所述通孔內(nèi)還分布有低折射率 介質(zhì)，將所述封裝膠體與所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層隔開(kāi)；所述封裝膠體直接觸連所述固態(tài)發(fā)光芯 片；在與所述低折射率介質(zhì)相接處，該封裝膠體的邊界呈曲面，彎向所述固態(tài)發(fā)光芯片。具體地說(shuō)，上述方案中，所述封裝座與基底一體為帶凹坑的襯底，該凹坑相當(dāng)于所 述通孔，所述固態(tài)發(fā)光芯片形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂/鍍有光反射膜。所述通孔 呈截頭圓錐狀或碗狀。所述截頭圓錐狀的通孔的壁面與固態(tài)發(fā)光芯片的發(fā)光軸心間的夾角 為15 60度。在與該低折射率介質(zhì)相接處，所述封裝膠體呈半球狀，球心大致在所述固態(tài) 發(fā)光芯片的上表面中心；或呈橢球狀，橢球的中心大致在所述固態(tài)發(fā)光芯片的上表面中心。 所述封裝膠體的外接球球徑大于或等于所述固態(tài)發(fā)光芯片上表面的外接圓直徑的1. 5倍。 所述封裝膠體的折射率大于1. 33。所述低折射率介質(zhì)為空氣。所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料包括熒 光粉，納米發(fā)光材料或發(fā)光染料。例如包括紅、綠、藍(lán)、黃、橙單色熒光粉中的至少一種；相應(yīng) 地，固態(tài)發(fā)光芯片為發(fā)光波長(zhǎng)為250 480nm的LED芯片。所述固態(tài)發(fā)光芯片包括復(fù)數(shù)個(gè) 陣列排列的LED芯片。上述方案中，還包括置于所述通孔的寬口端的截止濾光片，介于所述低折射率介 質(zhì)與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層之間，讓源自所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光穿透該截止濾光片，同時(shí) 該截止濾光片反射來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光。當(dāng)所述寬口端口徑小于所述截止濾 光片的厚度的10倍時(shí)，該固態(tài)光源還包括介于該截止濾光片與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層之間的空氣 隙。上述方案中，還包括設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上的第二截止濾光片，讓來(lái)自光波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光穿透該第二截止濾光片，同時(shí)該第二截止濾光片反射或部分反射 源自所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光。進(jìn)一步地，還在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上設(shè)置角度選擇 濾光片，例如采用3M公司的亮度增強(qiáng)膜，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射角滿(mǎn)足預(yù)定角度范圍 的入射光穿透該角度選擇濾光片，超出該預(yù)定角度范圍的入射光則被該角度選擇濾光片所 反射。進(jìn)一步地，還可以在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上直接觸連設(shè)置封裝介質(zhì)，將光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 層與該光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上方的空氣隔開(kāi)；所述封裝介質(zhì)與空氣的交界面呈曲面，彎向所述光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層。作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的技術(shù)方案還是，提供一種點(diǎn)陣光源，包括設(shè)置或成形于基底上的呈陣列排列的復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片，尤其是，還包括安在該基底上的具有與固態(tài)發(fā) 光芯片相同數(shù)量的通孔的封裝座，各通孔與一固態(tài)發(fā)光芯片相對(duì)應(yīng)，具有如上述各方案所 述的特征。作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的技術(shù)方案還是，提供一種條形光源，包括設(shè)置或成形于基 底上的呈長(zhǎng)條形排列的復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片，尤其是，還包括安在該基底上的具有一長(zhǎng)條 形通孔的封裝座，該通孔的壁面對(duì)入射光具有反射作用；所述通孔的窄口端包圍著各所述 固態(tài)發(fā)光芯片，寬口端封有一預(yù)定厚度的分布有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層；所述通 孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率的封裝膠體，直接觸連并將各所述固態(tài)發(fā)光芯片整體或逐個(gè)包 封在基底上，該整體或逐個(gè)包封的封裝膠體邊界呈曲面，彎向所包封的固態(tài)發(fā)光芯片；在所 述通孔內(nèi)還分布有低折射率介質(zhì)，將所述封裝膠體與所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層隔開(kāi)。具體地，上述方案中，所述封裝座與基底一體為帶凹坑的襯底，該凹坑相當(dāng)于所述 通孔，所述固態(tài)發(fā)光芯片形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂/鍍有光反射膜。所述低折射 率介質(zhì)為空氣；所述封裝膠體的折射率大于1. 33。所述固態(tài)發(fā)光芯片包括復(fù)數(shù)個(gè)陣列排列 的LED芯片。上述方案中，還包括介于所述低折射率介質(zhì)與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層之間的截止濾光片， 讓源自各所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光穿透該截止濾光片，該截止濾光片反射來(lái)自于光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光?；蜻€包括設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上的第二截止濾光片，讓 來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光穿透該第二截止濾光片，同時(shí)該第二截止濾光片反射或 部分反射源自所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光。進(jìn)一步地，還包括設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 層上的角度選擇濾光片，例如采用3M公司的亮度增強(qiáng)膜，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射角滿(mǎn) 足預(yù)定角度范圍的入射光穿透該角度選擇濾光片，超出該預(yù)定角度范圍的入射光則被該角 度選擇濾光片所反射。所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料包括紅、綠、藍(lán)、黃、橙單色熒光粉中的至少一 種；所述固態(tài)發(fā)光芯片為發(fā)光波長(zhǎng)為250 480nm的LED芯片。所述不同材料的熒光粉在 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層中按塊分布或涂覆，與各所述LED芯片的分布相對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步地，還可以在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上直接觸連設(shè)置封裝介質(zhì)，將光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 層與該光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上方的空氣隔開(kāi)；所述封裝介質(zhì)與空氣的交界面呈曲面，彎向所述光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層。作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的技術(shù)方案還是，提供一種背光源，包括側(cè)光源與導(dǎo)光板，尤 其是，所述側(cè)光源為如上述各方案中所述的條形光源。采用上述各技術(shù)方案，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。


圖la、b、c、d是現(xiàn)有LED光源結(jié)構(gòu)示意2是對(duì)圖Id結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后的現(xiàn)有光源結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明固態(tài)光源結(jié)構(gòu)示意4示意了封裝膠體折射率對(duì)光源出射光強(qiáng)的影響；圖5示意了圖3中封裝膠體球大小對(duì)光源光提取效率的影響；圖6通過(guò)與現(xiàn)有技術(shù)比較示意了圖3結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果；圖7曲線示意了一個(gè)短波通截止濾光片的光透射特性；圖8通過(guò)與現(xiàn)有技術(shù)比較示意了本發(fā)明方法封裝效率的改進(jìn)程度；圖9示意了使用亮度增強(qiáng)膜對(duì)圖3結(jié)構(gòu)的影響；
圖10示意了基于圖3結(jié)構(gòu)的條形光源實(shí)施例之一；圖11示意了基于圖3結(jié)構(gòu)的條形光源實(shí)施例之二 ；圖12示意了對(duì)圖3結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)施例；圖13示意了采用本發(fā)明側(cè)光源實(shí)施例之一的背光源；圖14示意了采用本發(fā)明側(cè)光源實(shí)施例之二的背光源；圖15示意了圖3結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)施例圖16示意了圖15改進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果圖17示意了基于圖15結(jié)構(gòu)的條形光源實(shí)施例之一具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖3所示，本發(fā)明固態(tài)光源的結(jié)構(gòu)設(shè)置或成形于基底5上的固態(tài)發(fā)光芯片1，以 及安在該基底5上的具有一通孔的封裝座，該通孔的壁面2對(duì)入射光具有反射作用；所述通 孔的窄口端包圍著固態(tài)發(fā)光芯片1，寬口端封有一預(yù)定厚度的分布有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3 ；所述通孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率的封裝膠體4，直接觸連并將固態(tài)發(fā)光芯 片1包封在基底5上；在所述通孔內(nèi)還分布有低折射率介質(zhì)6，將封裝膠體4與所述光波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換層3隔開(kāi)；在與該低折射率介質(zhì)相接處，所述封裝膠體4的邊界呈曲面，彎向固態(tài)發(fā)光 芯片1。所述固態(tài)發(fā)光芯片1可以是半導(dǎo)體發(fā)光芯片，例如但不限于發(fā)光二極管(LED)芯 片，為闡述方便各實(shí)施例中以LED芯片為例。該實(shí)施例中，所述固態(tài)發(fā)光芯片1可以指單個(gè) LED芯片，也可以指多個(gè)陣列排列的LED芯片。所述基底5可以是形成所述固態(tài)發(fā)光芯片1的襯底。以LED芯片為例，各電極置 于該基底的下方或邊緣，可以降低對(duì)芯片發(fā)光面的影響。甚至，所述封裝座與基底5可以一 體為帶凹坑的襯底，該凹坑相當(dāng)于所述通孔，LED芯片形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂 /鍍有光反射膜。或者，所述封裝座可以是現(xiàn)有技術(shù)中的反射杯，例如圖1中具有鏡面反射 或漫反射杯壁的反射杯。因此，符合本發(fā)明思想的所述通孔的其它替換手段也將在本發(fā)明 保護(hù)范圍內(nèi)。所述通孔最好呈截頭圓錐狀或碗狀。作為一個(gè)具體實(shí)施例，截頭圓錐狀的反 射杯最容易被加工實(shí)現(xiàn)。為取得最佳聚光作用，所述截頭圓錐狀的通孔的壁面與固態(tài)發(fā)光 芯片的發(fā)光軸心間的夾角應(yīng)為15 60度。在固態(tài)發(fā)光芯片1的激發(fā)光波段，該壁面對(duì)光 的表面反射率應(yīng)大于50%。所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料包括熒光粉、納米發(fā)光材料、發(fā)光染料，常用熒光粉?？梢詫?熒光粉顆粒與膠體(例如透明樹(shù)脂)均勻混合，從而以貼膜的形式提供，或用涂覆的方式附 著在透光基片上，或如圖3所示的截止濾波片7或第二截止濾波片9的一面。該實(shí)施例中， 所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以包括紅、綠、藍(lán)、黃、橙單色熒光粉中的至少一種，可以是兩種或兩 種以上的混合；相應(yīng)地，固態(tài)發(fā)光芯片為發(fā)光波長(zhǎng)為250 480nm的LED芯片；從而利用不 同顏色的受激發(fā)光和未被吸收的激發(fā)光混合得到預(yù)定顏色的光源輸出光。為了提高光萃取的利用效率，如圖3所示，本發(fā)明光源還可以包括置于所述通孔 的寬口端的截止濾光片7，介于所述低折射率介質(zhì)6和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3之間，讓源自固態(tài)發(fā) 光芯片1的入射激發(fā)光穿透該截止濾光片，同時(shí)該截止濾光片反射來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3的 入射受激發(fā)光；這樣可以減少受激發(fā)光的損失。圖7示意了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的截止濾 光片7的特性為短波通截止濾波片，允許波長(zhǎng)為500nm以下的藍(lán)光穿透該截止濾波片，這
7樣LED芯片發(fā)射的藍(lán)光經(jīng)壁面2的聚光作用，大部分將以較小角度(例如15-25度)入射 到并穿透該截止濾波片7，激勵(lì)綠光熒光粉發(fā)射出綠色熒光(波長(zhǎng)505 550nm)，因綠光波 長(zhǎng)大于圖示曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)波長(zhǎng)(500nm)，部分射向截止濾波片7的受激發(fā)光將被反射輸出。 該實(shí)施例的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料以采用下轉(zhuǎn)換熒光粉為妥。對(duì)于上轉(zhuǎn)換熒光粉，所述截止濾光 片7應(yīng)采用長(zhǎng)波通截止濾光片。進(jìn)一步地，本發(fā)明光源還可以包括設(shè)置在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3上的第二截止濾光片9， 讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光穿透該第二截止濾光片，同時(shí)以該第二截止濾光片反 射或部分反射源自所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光。當(dāng)該第二截止濾光片反射所述入射 激發(fā)光且光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料為單一材料時(shí)可以得到預(yù)定顏色的單色光，同時(shí)也有利于提高熒 光粉對(duì)激發(fā)光二次吸收的利用率；若該第二截止濾光片部分反射所述入射激發(fā)光，則可以 得到混合輸出光。此外，還可以在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層或第二截止濾光片上設(shè)置角度選擇濾 光片，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射角滿(mǎn)足預(yù)定角度范圍的入射光穿透該角度選擇濾光片， 超出該預(yù)定角度范圍的入射光則被該角度選擇濾光片所反射，從而有利于提高出射光的亮 度。例如，該角度選擇濾光片采用3M公司的BEF (Brightness Enhancement Film，亮度 增強(qiáng)膜)膜片(如圖12所示的亮度增強(qiáng)膜9’)。圖9則示意了使用亮度增強(qiáng)膜對(duì)輸出光強(qiáng) 的影響橫坐標(biāo)表示光源的光發(fā)射角度，可見(jiàn)使用了亮度增強(qiáng)膜后，一定角度范圍內(nèi)(25 60度)的光輸出光強(qiáng)得到增強(qiáng)。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所述低折射率介質(zhì)的折射率越低越好，空氣為最為經(jīng)濟(jì)的選擇。 所述封裝膠體的折射率越接近于固態(tài)發(fā)光芯片的折射率，光源對(duì)光的提取效率越高。以采 用氮化鎵材料的藍(lán)光LED芯片為例，芯片折射率為2. 5左右，如圖4的折射率對(duì)光源輸出光 強(qiáng)的影響曲線所示，封裝膠體的折射率越接近2. 5越好可以看到光強(qiáng)隨膠體折射率的增 大而增大，當(dāng)膠體折射率大于1. 33時(shí)，輸出光強(qiáng)隨膠體折射率的增大增強(qiáng)得越快。因此，封 裝膠體可以采用業(yè)界所普遍使用的折射率為1. 53 1. 54的硅膠，在成本控制范圍內(nèi)采用 更高折射率的硅膠和環(huán)氧樹(shù)脂更好。該低折射率介質(zhì)的厚度不是影響光源光提取效率的主要因素，但所述封裝膠體的 形態(tài)對(duì)光提取效率有重大影響。該封裝膠體的界面若如現(xiàn)有技術(shù)采用平面，則光源光提取 效率改進(jìn)不大。因此以所述LED芯片為中心，封裝膠體呈半球狀(即球心大致在所述LED 芯片的上表面中心)或呈橢球狀(使橢球的下焦點(diǎn)或中心大致在所述固態(tài)發(fā)光芯片的上表 面中心)將具有最佳效果。不排除封裝膠體采用其它弧狀體，但實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，任何外形的封裝 膠體的外接球球徑應(yīng)大于或等于所述LED芯片上表面的外接圓直徑的1. 5倍，否則光提取 效率將大幅下降。如圖5所示，以尺寸為Ixlmm的單個(gè)LED芯片，采用以該芯片上表面中心 為球心的半球形封裝膠體為例，當(dāng)直徑小于2mm時(shí)，光提取效率隨封裝球體直徑的變大而 提高；當(dāng)直徑大于2mm以后，光提取效率基本穩(wěn)定在極值。同樣，當(dāng)采用LED芯片陣列時(shí)，封 裝膠體最好以該LED芯片陣列的上表面中心為球心。圖6對(duì)采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的光源輸出光強(qiáng)與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較設(shè)如專(zhuān)利CN 101162745所采用的僅在反射杯內(nèi)填充空氣時(shí)，光源輸出光強(qiáng)定義為1 ；則若用折射率為 1. 53的硅膠來(lái)填充滿(mǎn)該反射杯時(shí)，光源輸出光強(qiáng)下降至0. 8 ；而采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)，在該反射 杯內(nèi)填充具有相同折射率的球形硅膠及以空氣隙將球形硅膠與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層相隔離時(shí)，光 源輸出光強(qiáng)將增強(qiáng)到約1.3，可見(jiàn)光輸出效率大為提高。圖8則比較了相同驅(qū)動(dòng)電流(以350毫安為例)下本發(fā)明光源與現(xiàn)有技術(shù)光源的光提取效率以橫坐標(biāo)表示輸出光的相對(duì) 色溫，縱坐標(biāo)表示一瓦電功率下產(chǎn)生的流明，可見(jiàn)相同色溫輸出光下，本發(fā)明以圖3結(jié)構(gòu)為 代表的光源實(shí)施例具有更高的光提取效率。此外，本發(fā)明光源如圖3所示，或有必要在該截止濾光片7與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3之間 設(shè)置一空氣隙8或低折射率介質(zhì)層。該空氣隙8可以使所述熒光粉層中未被吸收利用的角 度較大的激發(fā)光在空氣界面處發(fā)生全反射而返回所述熒光粉層，有助于提高熒光轉(zhuǎn)換率。 設(shè)所述寬口端口徑為D，截止濾光片7厚度為h，實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)比例D/h遠(yuǎn)大于10時(shí)，空氣隙 8存在與否對(duì)光輸出強(qiáng)度影響不大；但當(dāng)D/h小于10時(shí)，該空氣隙8的存在將有助于提高光 輸出強(qiáng)度。具體示例如當(dāng)D/h = 35時(shí)，無(wú)空氣隙8時(shí)的光輸出為有空氣隙8時(shí)的95% ； 當(dāng)D/h = 8. 5時(shí)，無(wú)空氣隙8時(shí)的光輸出僅為有空氣隙8時(shí)的78%。根據(jù)上述各實(shí)施例中的光源結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還可以構(gòu)建一種具有高亮度的點(diǎn)陣光 源，用于諸如字牌顯示等領(lǐng)域。該點(diǎn)陣光源將包括設(shè)置或成形于基底上的呈陣列排列的復(fù) 數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片，如LED芯片，以及包括安在該基底上的具有與固態(tài)發(fā)光芯片相同數(shù)量 的通孔的封裝座，各通孔與一固態(tài)發(fā)光芯片相對(duì)應(yīng)，通孔內(nèi)或通孔上采用上述各實(shí)施例中 的封裝結(jié)構(gòu)。在圖像顯示等領(lǐng)域，本發(fā)明則為之構(gòu)建一種具有均勻光輸出的條形光源。如圖10 或11所示，該條形光源包括設(shè)置或成形于基底5上的呈長(zhǎng)條形排列的復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片 1，還包括安在該基底5上的具有一長(zhǎng)條形通孔的封裝座，該通孔的壁面對(duì)入射光具有反射 作用；所述通孔的窄口端包圍著各所述固態(tài)發(fā)光芯片1，寬口端封有一預(yù)定厚度的分布有 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3 ；所述通孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率的封裝膠體4，直接 觸連并將各所述固態(tài)發(fā)光芯片整體(如圖10所示)或逐個(gè)(如圖11所示)包封在基底上， 該整體或逐個(gè)包封的封裝膠體邊界呈曲面，彎向所包封的固態(tài)發(fā)光芯片；在所述通孔內(nèi)還 分布有低折射率介質(zhì)6，將所述封裝膠體4與所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3隔開(kāi)。在圖10中，所述封 裝膠體4呈柱狀，將大致以長(zhǎng)條形排列的固態(tài)發(fā)光芯片的上表面為柱體中心。在圖11中， 所述封裝膠體4呈多個(gè)半球狀或長(zhǎng)橢球狀，大致以其現(xiàn)對(duì)應(yīng)的固態(tài)發(fā)光芯片的上表面為球 心或下焦點(diǎn)。實(shí)際上，不排除使用其它形狀的封裝膠體，例如但不限于采用多個(gè)單體的膠體 球，各相鄰單體間有部分相互聯(lián)接，從而封裝膠體整體界面呈現(xiàn)為復(fù)雜的波浪形曲面。同樣，以圖10或11為代表的條形光源中，所述封裝座與基底可以一體為帶凹坑的 襯底，該凹坑相當(dāng)于所述通孔，所述固態(tài)發(fā)光芯片1形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂/ 鍍有光反射膜。所述低折射率介質(zhì)6最好為空氣；封裝膠體4的折射率最好大于1. 4。還可 以在所述低折射率介質(zhì)6與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3之間設(shè)置截止濾光片7讓源自各所述固態(tài)發(fā)光 芯片的入射激發(fā)光穿透該截止濾光片，及該截止濾光片反射來(lái)自于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的受激發(fā) 光。還可以在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3上設(shè)置第二截止濾光片9，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受 激發(fā)光穿透該第二截止濾光片，同時(shí)該第二截止濾光片反射或部分反射源自所述固態(tài)發(fā)光 芯片的入射激發(fā)光。還可以在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層或第二截止濾光片上設(shè)置角度選擇濾光片 /膜，例如亮度增強(qiáng)膜，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射角滿(mǎn)足預(yù)定角度范圍的入射光穿透該角 度選擇濾光片，超出該預(yù)定角度范圍的入射光則被該角度選擇濾光片所反射。因圖像顯示 領(lǐng)域中，對(duì)條形光源有白光輸出要求，所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以包括紅、綠、藍(lán)單色熒光粉 中的一種、兩種或三種；所述固態(tài)發(fā)光芯片為發(fā)光波長(zhǎng)為250 480nm的LED芯片。所述不同材料的熒光粉可以在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3中按塊分布或涂覆，與各所述LED芯片的分布相對(duì)應(yīng)。圖13及14則示意了使用上述條形光源的背光源。該背光源包括了導(dǎo)光板，以條 形光源為側(cè)光源，置于導(dǎo)光板的側(cè)面；可以提供高亮度背光。其中，圖14的背光源與圖13 的相比，條形光源中多使用了一層如圖12所示的亮度增強(qiáng)膜9’，將控制在與條形方向相垂 直方向上的條形光源光出射角度，從而減小使光斑更為集中。圖15示意了對(duì)本發(fā)明圖3的改進(jìn)?？梢栽诠獠ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3上直接觸連地設(shè)置一 封裝介質(zhì)42，來(lái)使光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3與該光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上方的空氣相隔開(kāi)。該封裝介質(zhì)42的 折射率可以高于1. 33。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置該封裝介質(zhì)42與空氣的交界面呈彎向所述光波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的曲面，例如但不限于使封裝介質(zhì)42呈半球狀，球心大致在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3的上 表面中心，或呈橢球狀，橢球的中心大致在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層3的上表面中心；一般使封裝介質(zhì) 42的外接球球徑大于所述通孔寬口端的直徑，均將有利于提高熒光粉的轉(zhuǎn)換效率。具體如 圖16所示意，以橫軸表示影響熒光粉濃度(指熒光粉層中的熒光粉質(zhì)量與填充介質(zhì)質(zhì)量間 的比例)，橫坐標(biāo)χ表示與100單位質(zhì)量的熒光粉相對(duì)應(yīng)的填充介質(zhì)的質(zhì)量單位，縱坐標(biāo)表 示熒光粉轉(zhuǎn)換效率，可見(jiàn)采用封裝介質(zhì)42之后，熒光粉轉(zhuǎn)換效率均有不等程度的提高。該改進(jìn)措施同樣適用于條形光源。如圖17所示，在條狀光源的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上直 接觸連設(shè)置封裝介質(zhì)42，使該封裝介質(zhì)與空氣的交界面呈曲面，彎向所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，同 樣將提高條形光源的熒光粉轉(zhuǎn)換效率。而在背光源中，該改進(jìn)措施受限于空間大小可以不 用；即使用，最好降低所述曲面的曲率。
權(quán)利要求
1.一種基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，包括設(shè)置或成形于基底上的固態(tài)發(fā)光芯片，以及 安在該基底上的具有一通孔的封裝座，該通孔的壁面對(duì)入射光具有反射作用；所述通孔的 窄口端包圍著所述固態(tài)發(fā)光芯片，寬口端封有一預(yù)定厚度的分布有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層；所述通孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率的封裝膠體，將所述固態(tài)發(fā)光芯片包封在基 底上；其特征在于在所述通孔內(nèi)還分布有低折射率介質(zhì)，將所述封裝膠體與所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層隔開(kāi)；所 述封裝膠體直接觸連所述固態(tài)發(fā)光芯片；在與所述低折射率介質(zhì)相接處，該封裝膠體的邊 界呈曲面，彎向所述固態(tài)發(fā)光芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于所述封裝座與基底一體為帶凹坑的襯底，該凹坑相當(dāng)于所述通孔，所述固態(tài)發(fā)光芯片 形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂/鍍有光反射膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于在與該低折射率介質(zhì)相接處，所述封裝膠體呈半球狀，球心大致在所述固態(tài)發(fā)光芯片 的上表面中心；或呈橢球狀，橢球的中心大致在所述固態(tài)發(fā)光芯片的上表面中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于所述封裝膠體的外接球球徑大于或等于所述固態(tài)發(fā)光芯片上表面的外接圓直徑的1. 5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于所述通孔呈截頭圓錐狀或碗狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于所述截頭圓錐狀的通孔的壁面與固態(tài)發(fā)光芯片的發(fā)光軸心間的夾角為15 60度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于還包括置于所述通孔的寬口端的截止濾光片，介于所述低折射率介質(zhì)與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層 之間，讓源自所述固態(tài)發(fā)光芯片的入射激發(fā)光穿透該截止濾光片，同時(shí)該截止濾光片反射 來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受激發(fā)光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于當(dāng)所述寬口端口徑小于所述截止濾光片的厚度的10倍時(shí)，該固態(tài)光源還包括介于該 截止濾光片與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層之間的空氣隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于還包括設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上的第二截止濾光片，讓來(lái)自光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的入射受 激發(fā)光穿透該第二截止濾光片，同時(shí)該第二截止濾光片反射或部分反射源自所述固態(tài)發(fā)光 芯片的入射激發(fā)光。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，其特征在于還包括直接觸連并設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上的封裝介質(zhì)，將光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層與該光波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上方的空氣隔開(kāi)；所述封裝介質(zhì)與空氣的交界面呈曲面，彎向所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層。
11.一種點(diǎn)陣光源，包括設(shè)置或成形于基底上的呈陣列排列的復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片，其 特征在于還包括安在該基底上的具有與固態(tài)發(fā)光芯片相同數(shù)量的通孔的封裝座，各通孔與一固 態(tài)發(fā)光芯片相對(duì)應(yīng)，具有如權(quán)利要求1 11任一項(xiàng)所述的特征。
12.—種條形光源，包括設(shè)置或成形于基底上的呈長(zhǎng)條形排列的復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光芯片， 其特征在于還包括安在該基底上的具有一長(zhǎng)條形通孔的封裝座，該通孔的壁面對(duì)入射光具有反射 作用；所述通孔的窄口端包圍著各所述固態(tài)發(fā)光芯片，寬口端封有一預(yù)定厚度的分布有光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層；所述通孔內(nèi)分布有具有預(yù)定折射率的封裝膠體，直接觸連 并將各所述固態(tài)發(fā)光芯片整體或逐個(gè)包封在基底上，該整體或逐個(gè)包封的封裝膠體邊界呈 曲面，彎向所包封的固態(tài)發(fā)光芯片；在所述通孔內(nèi)還分布有低折射率介質(zhì)，將所述封裝膠體與所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層隔開(kāi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的條形光源，其特征在于所述封裝座與基底一體為帶凹坑的襯底，該凹坑相當(dāng)于所述通孔，所述固態(tài)發(fā)光芯片 形成于該凹坑底部；該凹坑的壁面涂/鍍有光反射膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的條形光源，其特征在于還包括直接觸連并設(shè)置在所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上的封裝介質(zhì)，將光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層與該光波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層上方的空氣隔開(kāi)；所述封裝介質(zhì)與空氣的交界面呈曲面，彎向所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層。
15.一種背光源，包括側(cè)光源與導(dǎo)光板，其特征在于所述側(cè)光源為如權(quán)利要求11 14任一項(xiàng)所述的條形光源。
全文摘要
一種基于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā)光芯片及安在基底上具有一通孔的封裝座，該通孔的壁面可反射入射光；窄口端包圍著所述固態(tài)發(fā)光芯片，寬口端封有含光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層；通孔內(nèi)有用以觸連并將固態(tài)發(fā)光芯片包封在基底上的封裝膠體；尤其是，該通孔內(nèi)還分布有低折射率介質(zhì)，例如但不限于空氣，將所述封裝膠體與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層隔開(kāi)；所述封裝膠體的邊界面為彎向固態(tài)發(fā)光芯片的曲面。該封裝膠體可以呈半球狀或橢球狀；其外接球球徑大等于固態(tài)發(fā)光芯片上表面外接圓直徑的1.5倍。本發(fā)明光源應(yīng)用于點(diǎn)陣光源、條形光源或背光源，均有助于提高光提取效率，實(shí)現(xiàn)高亮度輸出。
文檔編號(hào)H01L33/54GK102142510SQ20101916404
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者許顏正 申請(qǐng)人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司