專利名稱：一種自由曲面透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于LED封裝技木，涉及LED封裝中的ー種自由曲面透鏡，它尤其適用于LED封裝中實現(xiàn)熒光粉層的保形涂覆和光束控制。
背景技術(shù)：
LED (Light Emitting Diode)是ー種基于P-N結(jié)電致發(fā)光原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、環(huán)保節(jié)能、體積小等優(yōu)點，被譽為21世紀(jì)綠色照明光源，如能應(yīng)用于傳統(tǒng)照明領(lǐng)域?qū)⒌玫绞诛@著的節(jié)能效果，這在全球能源日趨緊張的 當(dāng)今意義重大。隨著以氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，基于大功率高亮度發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在全球迅速興起，正成為半導(dǎo)體光電子產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟增長點，并在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域引發(fā)了ー場革命。LED由于其獨特的優(yōu)越性，已經(jīng)開始在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被業(yè)界認(rèn)為是未來照明技術(shù)的主要發(fā)展方向，具有巨大的市場潛力。大功率白光LED通常是由兩波長光(藍色光+黃色光)或者三波長光(藍色光+綠色光+紅色光)混合而成。目前廣泛采用的白光LED是通過藍色LED芯片(GaN)和黃色熒光粉(YAG或TAG)組成。在LED封裝中熒光粉的幾何形貌嚴(yán)重影響LED的出光效率、色溫、空間顏色均勻性等重要光學(xué)性能；在LED封裝過程中實現(xiàn)理想的熒光粉層形貌至關(guān)重要。LED封裝最常用的熒光粉涂覆方式是通過點膠機將注射器中的熒光粉膠點涂在LED芯片周圍，熒光粉呈現(xiàn)球冠型，在實際的使用過程中常常會出現(xiàn)黃色的光斑。為了改善熒光粉點涂帶來的空間顏色不均勻性和提高LED的出光效率，熒光粉的保形涂覆是LED中較為理想涂覆方式。目前實現(xiàn)保形涂覆技術(shù)一般較為復(fù)雜，一些技術(shù)存在環(huán)保等問題，且成本較高，所以尋找ー種エ藝簡單、低成本、熒光粉分布均勻的涂覆方式在LED封裝中非常重要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供ー種自由曲面透鏡，可以利用其內(nèi)表面實現(xiàn)熒光粉層的保形涂覆，利用其外表面實現(xiàn)光束可控；本實用新型還提供了ー種利用該自由曲面透鏡實現(xiàn)保形涂覆的方法，它可以有效的實現(xiàn)熒光粉硅膠的保形涂覆中硅膠的形貌控制。本實用新型提供的ー種自由曲面透鏡，它包括透鏡安裝面、透鏡外表面和透鏡內(nèi)表面，透鏡安裝面為平面，其特征在干，所述透鏡外表面為自由曲面，作為自由曲面透鏡的光學(xué)出射面，所述透鏡內(nèi)表面為向透鏡外表面延伸的平底凹槽，透鏡內(nèi)表面作為自由曲面透鏡的光學(xué)入射面。本實用新型提供的自由曲面透鏡可以用于實現(xiàn)熒光粉層的保形涂覆，并且使用它可以易于控制照明設(shè)備光斑形狀和均勻度。本實用新型提供的自由曲面透鏡可以用于保形涂覆。自由曲面透鏡的內(nèi)表面高度可以根據(jù)不同LED封裝形式進行調(diào)節(jié)，高度可控，可以應(yīng)用于LED支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等封裝形式。經(jīng)過外表面能夠?qū)崿F(xiàn)光束控制，滿足各種不同照明要求，實現(xiàn)多種不同的照明效果，如均勻圓形光斑、均勻矩形光斑、均勻多邊形光斑等。

圖I為本實用新型提供的自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為第一實施例示意圖；圖3為安裝自由曲面透鏡后熒光粉膠的填充過程；圖4為第二實施例示意圖；圖5為第三實施例示意圖；圖6為第四實施例示意圖；圖7(a)、7(b)、7 (C)為第五實施例示意圖；圖8(a)、8(b)為第六實施例示意圖；圖9 Ca)為采用所述的設(shè)計方法設(shè)計的一款軸對稱自由曲面透鏡的示意圖，圖9(b)為其照明效果；圖10 (a)為將圖9中自由曲面替換成半球面的透鏡的示意圖，圖10 (b)為其照明效果。圖中符號說明，I由曲面透鏡，2透鏡內(nèi)表面，3透鏡外表面，4透鏡安裝面，5透鏡安裝腳，6LED芯片，7金線，8熒光粉膠，9引線框架，10模塑料，11銅熱沉，12注射器，13注膠ロ，14硅基板，15印刷電路板，16銅柱。
具體實施方式
如圖I所示，自由曲面透鏡I具有兩個光學(xué)面，自由曲面透鏡I的透鏡安裝面4為平面，以透鏡的安裝面4為底面，透鏡外表面3為自由曲面，為自由曲面透鏡I的光學(xué)出射面，透鏡內(nèi)表面2為向透鏡外表面3延伸的平底凹槽，透鏡內(nèi)表面2為自由曲面透鏡I的光學(xué)入射面。自由曲面透鏡I的主體部分由透鏡內(nèi)表面2、透鏡外表面3、透鏡安裝面4共同構(gòu)成。所述的自由曲面透鏡I的材質(zhì)是PC (聚碳酸酷)或PMMA (聚甲基丙烯酸甲酷)或PP (聚甲基丙烯酸甲酷)或ABS (丙烯腈-苯こ烯-丁ニ烯共聚物)或PVC (聚氯こ烯)或玻璃材質(zhì)。所述的自由曲面透鏡I外表面下部設(shè)置有與基板或支架的卡槽配合的安裝腳5。所述的自由曲面透鏡I的橫截面為矩形或圓角矩形或梯形。所述的自由曲面透鏡I可以通過開模注塑或精密加工等其它加工方式實現(xiàn)。所述的自由曲面透鏡I為單顆或陣列形式，安裝時自由曲面透鏡I與光源對應(yīng)關(guān)系為ー對一或一對多或多對ー關(guān)系。、[0027]上述自由曲面透鏡I可以用于在LED封裝中實現(xiàn)熒光粉膠8保形涂覆，具體過程如下將熒光粉加入膠材中，并混合均勻，調(diào)節(jié)熒光粉和膠材之間的比例，配比濃度為
O.Olgml 5. Og/ml的熒光粉膠8，在完成固定LED芯片6和電路連接エ序后，將自由曲面透鏡I安裝在LED支架或硅基板14或印刷電路板15上，然后將熒光粉膠8滴入注膠ロ 13后，填充足夠的熒光粉膠8，直到熒光粉膠8從另外ー邊的注膠ロ 13流出或看到，則停止注膠，可以在自由曲面透鏡I的內(nèi)部空間中將形成厚度均勻的熒光粉層，達到保形涂覆的效果，其中自由曲面透鏡I內(nèi)表面的高度可以從幾十微米(如70 μ m)至幾毫米，對于不同光學(xué)性能要求不同封裝形式的熒光粉層厚度有所不同；通過后續(xù)的熒光粉固化エ藝完成LED的封裝。所述的用于封裝的LED芯片6可以是GaN等ニ元材料或者AlGaNP等四元材料組成的芯片或其它芯片。所述的熒光粉膠8中的熒光粉可以是YAG和TAG等所有LED封裝采用的熒光粉。所述的配置熒光粉膠8使用的膠材可以是硅膠、環(huán)氧樹脂和液態(tài)玻璃等膠材組 成。所述的方法可以適用干支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等LED封裝形式。所述的自由曲面透鏡，利用內(nèi)表面實現(xiàn)熒光粉膠的保形涂覆，利用外表面實現(xiàn)光束控制，滿足各種不同照明要求，實現(xiàn)多種不同的照明效果，如均勻圓形光斑、均勻矩形光斑、均勻多邊形光斑等。下面通過借助實施例更加詳細地說明本實用新型，但以下實施例僅是說明性的，本實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。實例I參見圖2和圖3，本實施例中涉及的是LED支架式封裝。LED支架的結(jié)構(gòu)是銅熱沉11和引線框架9固定在模塑料10中，模塑料10還與自由曲面透鏡I固定在一起。將LED芯片6固定在LED支架的銅熱沉11的中心處，金線7將LED芯片6與引線框架9相連，形成連通的電路。自由曲面透鏡I的橫截面為矩形。通過點膠機將注射器12中的熒光粉膠滴入注膠ロ 13，直到熒光粉膠8從另外一個注膠ロ 13中流出，則停止注膠過程。熒光粉膠8中的膠材為硅膠，熒光粉為YAG熒光粉。熒光粉膠8在自由曲面透鏡I與LED支架之間達到平衡狀態(tài)后，放入烘烤箱或自然環(huán)境中固化，完成熒光粉的保形涂覆エ序和LED封裝過程。本實施例中自由曲面透鏡I的材質(zhì)是PC (聚碳酸酷)。LED芯片6是GaN芯片。熒光粉膠8中的熒光粉是YAG熒光粉。實例2參見圖4，本實施例與實例I的區(qū)別是自由曲面透鏡I橫截面為梯形。實例3參見圖5，本實施例與實例I的區(qū)別是自由曲面透鏡I的橫截面為圓角矩形。實例4參見圖6，本實施例與實例I的區(qū)別是LED支架的銅柱11表面不是平面，具有反光杯結(jié)構(gòu)。實例5參見圖7(a)和圖7(b)和圖7 (C)，本實施例中涉及的是LED硅基封裝。單顆或陣列LED芯片6固定在硅基板14上，完成電互連后，安裝自由曲面透鏡I到硅基板14上，然后填充滿熒光粉膠8。通過點膠機將注射器12中的熒光粉膠滴入注膠ロ 13，直到熒光粉膠8從另外一個注膠ロ 13中流出，則停止注膠過程。注膠ロ 13可以在硅基板14頂面也可以在硅基板14底面。本實施例中熒光粉膠8的厚度可以控制在幾十微米到幾毫米，熒光粉膠8中的熒光粉可以是YAG和TAG等所有LED封裝采用的熒光粉。本實施例中自由曲面透鏡I的材質(zhì)是PMMA (聚甲基丙烯酸甲酷)。本實施例中LED芯片6是單顆和陣列封裝形式，LED芯片6可以是GaN等ニ元材料或者AlGaNP等四元材料組成的芯片和其它芯片。自由曲面透鏡I的橫截面為矩形。實例6參見圖8 (a)和圖8 (b)，本實施例中涉及的是LED印刷電路板(PCB)封裝。印刷電路板15上具有通孔結(jié)構(gòu)，通孔中填充有高導(dǎo)熱系數(shù)的銅柱16或其他金屬結(jié)構(gòu)。單顆或陣列LED芯片6固定在印刷電路板15中填充的銅柱16上，銅柱16的尺寸與LED芯片6的尺 寸一致。完成電互連后，安裝自由曲面透鏡I到印刷電路板15上，然后填充滿熒光粉膠8。熒光粉膠8填充過程與實例7類似。注膠ロ 13可以在印刷電路板15頂面也可以在印刷電路板15底面。本實施例中熒光粉膠8的厚度可以控制在幾十微米到幾毫米，熒光粉膠8中的熒光粉可以是TAG熒光粉。本實施例中自由曲面透鏡I的材質(zhì)是PVC (聚氯こ烯)。本實施例中LED芯片6可以是單顆和陣列封裝形式，LED芯片6可以是AlGaNP等四元材料組成的芯片。自由曲面透鏡I的橫截面為圓角矩形。圖9 (a)是通過所述的方法設(shè)計的一款軸對稱自由曲面透鏡1，透鏡內(nèi)表面2為圓柱形，透鏡外表面3為自由曲面。透鏡內(nèi)表面高度為1mm，透鏡外表面初始高度為2mm。在原點處放置的光源經(jīng)過自由曲面透鏡I以后在目標(biāo)面上的照度分布圖如圖9 (b)所示。圖10 (b)是將圖9中自由曲面透鏡I的透鏡外表面2換成球面，其他參數(shù)與圖9相同，其照度分布圖如圖10 (b)所示。對比圖9 (a)、(b)和圖10 (a)、(b),可以看出，所述的方法設(shè)計的自由曲面透鏡I可以大大提高照度均勻度，提高光能利用率。以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權(quán)利要求1.ー種自由曲面透鏡，它包括透鏡安裝面、透鏡外表面和透鏡內(nèi)表面，透鏡安裝面為平面，其特征在干，所述透鏡外表面為自由曲面，作為自由曲面透鏡的光學(xué)出射面，所述透鏡內(nèi)表面為向透鏡外表面延伸的平底凹槽，透鏡內(nèi)表面作為自由曲面透鏡的光學(xué)入射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面透鏡，其特征在干，所述的自由曲面透鏡的制作材料是聚碳酸酷、聚甲基丙烯酸甲酷、聚甲基丙烯酸甲酷、丙烯腈-苯こ烯-丁ニ烯共聚物、聚氯こ烯或玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自由曲面透鏡，其特征在于，所述的自由曲面透鏡外表面下部設(shè)置有與基板或支架的卡槽配合的安裝腳。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自由曲面透鏡，其特征在于，所述的自由曲面透鏡的橫截面為矩形、圓角矩形或梯形。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自由曲面透鏡，其特征在于，所述的自由曲面透鏡為單顆或陣列形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自由曲面透鏡，其特征在于，所述的自由曲面透鏡為單顆或陣列形式。
專利摘要本實用新型屬于LED封裝技術(shù)，為一種自由曲面透鏡。自由曲面透鏡的外表面為自由曲面，作為光學(xué)出射面，內(nèi)表面為向透鏡外表面延伸的平底凹槽，作為自由曲面透鏡的光學(xué)入射面。在完成固定LED芯片和電路連接工序后，將自由曲面透鏡安裝在基板上，在自由曲面透鏡內(nèi)表面與基板或支架之間的間隙內(nèi)填充滿熒光粉膠，通過調(diào)節(jié)凹槽的高度控制熒光粉層的厚度，達到保形涂覆的效果。本實用新型提供的自由曲面透鏡，可以利用內(nèi)表面實現(xiàn)熒光粉層的保形涂覆，利用其外表面實現(xiàn)光束可控，達到不同的照明效果。自由曲面透鏡的內(nèi)表面高度可以根據(jù)不同LED封裝形式進行調(diào)節(jié)，高度可控，可以應(yīng)用于LED支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等封裝形式。
文檔編號H01L33/58GK202487663SQ201220020018
公開日2012年10月10日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者付星, 劉勝, 吳步龍, 羅小兵, 胡潤 申請人:華中科技大學(xué)