專利名稱：全反射側(cè)向出光型白光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)得到廣泛應用。目前常見的白光LED技術(shù)，是使用LED芯片所產(chǎn)生的藍光，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)出藍光、綠光或紅光，混合出白光。美國專利US005998925A、US006069440A、US006600175A、US006614179A、US007592192A、US08227273A、US005847507A、US005959316A, US006163038A, US006299498B1, US006576930B2, US006812500B2,US007592192B2、US007750359B2、US005813753A、US006614179B1、US00329988B2，中國專利CN102593269A、CN1870309A、CN101702421B、CN101521257B、CN102169951A、CN101320773B、CN101771129A、CN102569558A、CN101432895A 和 CN102110681A，均使用了類似的技術(shù)。其中美國專利 US006614179B1、US00329988B2、中國專利 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。以最常用的藍光芯片和黃色熒光粉組合為例，白光是由藍光激發(fā)突光粉得到的黃光和透過突光粉層的藍光混合而成，芯片和突光粉所發(fā)出的光必須透過高濃度的熒光粉層，而熒光粉層對光會產(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。對于6000K左右的正白光LED來說，最終透過熒光粉層的出射光的比例低于50%。而對于2800K左右的暖白光LED來說，由于使用的熒光粉量更多，最終透過熒光粉層的出射光的比例僅約 30%ο為減少光通過突光粉層時的損失，Optics Express期刊2009年4月第17卷第9期報道了使用藍光通-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)存在嚴重的問題，即由于熒光粉層散射及阻擋等原因而導致的大量光損失，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)明的全反射側(cè)向出光型白光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散粉，以及設(shè)置在透明薄片上的LED芯片和聚光反射器、與LED芯片連接的電極,聚光反射器位于LED芯片水平一偵1J,聚光反射器的開口朝向LED芯片,LED芯片與聚光反射器的開口內(nèi)側(cè)表面相鄰，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，聚光反射器為拋物面、弧面或梯形錐。本發(fā)明中，LED芯片和聚光反射器封裝在透明薄片內(nèi)部。本發(fā)明中，LED芯片和聚光反射器設(shè)置在透明薄片的周向邊緣，聚光反射器的開口朝向透明薄片。本發(fā)明中，透明薄片的上側(cè)或下側(cè)設(shè)置有一個底面反射鏡，以實現(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5mm。本發(fā)明設(shè)計了一個含有熒光粉或熒光粉與擴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，藍光或紫外光LED芯片和聚光反射器被設(shè)置在透明薄片的內(nèi)部或周向邊緣。LED芯片發(fā)出的光在聚光反射器的作用下射入透明薄片。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。光在透明薄片中傳播時激發(fā)熒光粉發(fā)光或被擴散粉散射，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表面出射。若在透明薄片的一個表面設(shè)置反射鏡，則光可從單面出射。相對于LED芯片來說，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:下面以藍光芯片和黃色熒光粉組合為例，來說明本發(fā)明的第一個益處。在透明薄片中傳播的藍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法出射。當藍光遇到熒光粉顆粒時，激發(fā)熒光粉發(fā)黃光，由于熒光粉的發(fā)光方向是隨機的，所以部分黃光會從透明薄片的表面出射，未直接出射的黃光經(jīng)過多次散射后也會出射。在本發(fā)明中，熒光粉發(fā)出的光是從透明薄片的表面導出的，相對于LED芯片來說，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。而由于藍光的傳播被限制在透明薄片內(nèi)，無論是降低熒光粉的濃度，還是減薄透明薄片的厚度，都不會增加藍光的出射比例，即不會改變白光LED的光色。因此，本發(fā)明的第一個益處是:在不改變白光LED光色的同時，可以降低熒光粉層所導致的光散射損失，提升白光效率。本發(fā)明的第二個益處是，白光LED的光色性能可以在熒光粉中摻入適量的擴散粉來調(diào)節(jié)。以藍光芯片和黃色熒光粉組合為例，若不摻入擴散粉，出射的光將主要是黃光，還有少量被熒光粉顆粒散射出來的藍光，色溫較低。加入擴散粉后，可以提高藍光出射的比例。擴散粉的摻入量越多，被散射出的藍光比例越高，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，也使得白光效率進一步改善。


圖la、圖1b分別是依據(jù)本發(fā)明的實施例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.擴散粉、5.透明薄片、6.聚光反射器、7.電極、8.外殼、9.透明凸透鏡、10.底面反射鏡。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明技術(shù)方案做進一步具體說明。圖la、圖1b分別是依據(jù)本發(fā)明的實施例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，制作出一個環(huán)形薄片，環(huán)形薄片的厚度建議不超過5_。在環(huán)形薄片的內(nèi)柱面設(shè)置內(nèi)柱面反射鏡2。聚光反射器6被設(shè)置在內(nèi)柱面反射鏡的邊緣，開口向內(nèi)，藍光或紫外光LED芯片I設(shè)置在聚光反射器6的開口一側(cè)。聚光反射器6可以是梯形錐、拋物面、弧面等形狀。將此環(huán)形薄片置于一個光滑基底上，構(gòu)成一個凹面，然后將含有熒光粉3和擴散粉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η 1.41)、硅樹脂(折射率η 1.54)或環(huán)氧樹脂(折射率η 1.52)等。透明材料固化后移除光滑基底，可得到本實施例中的透明薄片5。當電極7上施加電壓后時，LED芯片I會被驅(qū)動而發(fā)出藍光或紫外光。LED芯片I發(fā)出的光經(jīng)聚光反射器會聚后，在透明薄片5中橫向傳播。由于透明薄片材料的折射率遠大于空氣，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的周向邊緣的藍光或紫外光會被反射回到透明薄片5中，繼續(xù)激發(fā)熒光粉3發(fā)光或被擴散粉4散射。熒光粉3發(fā)出的光與擴散粉4散射的光混合成白光。作為本實施例的一個優(yōu)選實施方案，在透明薄片5的上方和下方設(shè)置了一個凸透鏡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)。若使用藍光LED芯片，所得白光的色溫與擴散粉4的摻入量有關(guān)。擴散粉4的摻入量越多，散射的藍光也越多，因而最終形成的白光色溫就越高。在本實施例中，白光是從透明薄片5的兩個表面導出的,相對于LED芯片I來說是側(cè)向?qū)С龅?。通過降低熒光粉的濃度(建議熒光粉與透明材料的重量比在0.0Ol: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)明的實施例2的白光LED的側(cè)視示意圖。在此實施例中，LED芯片
1、內(nèi)柱面反射鏡2、熒光粉3、擴散粉4、透明薄片5、聚光反射器6和透明凸透鏡9均和實施例I相同，區(qū)別是在透明薄片5的一個表面設(shè)置了底面反射鏡10，以實現(xiàn)白光的單側(cè)出射。在實施例2中，聚光反射器6可以是梯形錐、拋物面、弧面等形狀。圖3a、圖3b分別是依據(jù)本發(fā)明的實施例3的白光LED的側(cè)視和正視示意圖。在此實施例中，LED芯片1、內(nèi)柱面反射鏡2、熒光粉3、擴散粉4、透明薄片5、聚光反射器6、透明凸透鏡9和底面反射鏡10均與實施例2相同。區(qū)別是兩個聚光反射器6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和聚光反射器6封裝在透明薄片5內(nèi)部。當電極7上施加電壓后時，LED芯片I會被驅(qū)動而發(fā)出藍光或紫外光。在聚光反射器6的作用下，LED芯片I發(fā)出的光在透明薄片5中橫向傳播。光在傳播過程中激發(fā)熒光粉3發(fā)光或被擴散粉4散射。傳播至透明薄片5的周向邊緣的藍光或紫外光會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。若使用藍光LED芯片，擴散粉4的摻入量越多，白光的色溫就越高。在本實施例中，白光亮斑接近圓形，且位于中心區(qū)域，光色均勻性更好。在實施例3中，聚光反射器6可以是梯形錐、拋物面、弧面等形狀。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計了一個含有熒光粉或熒光粉與擴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。藍光或紫外光LED芯片被設(shè)置在聚光反射器的開口一側(cè)。聚光反射器和LED芯片被封裝在透明薄片的內(nèi)部或周向邊緣，其開口朝向透明薄片并與透明薄片的水平方向平行。LED芯片光因發(fā)生全反射而被限制在透明薄片中橫向傳播。藍光或紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)光或被擴散粉散射，熒光粉發(fā)出的光和散射光從透明薄片的兩個表面出射。若在透明薄片的一個表面設(shè)置反射鏡，則光可從單面出射。熒光粉發(fā)出的光從透明薄片的表面導出，相對于LED芯片來說是側(cè)向?qū)С龅?。通過降低熒光粉的濃度、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，可以進一步提高出光效率。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施例的范圍，藍光的導出也可以采用改變透鏡高度等方式來實現(xiàn)。通過以上具體實施例的描述，可以更加清楚地說明本發(fā)明的特征和本質(zhì)。但上述具體實施形式并不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。而且，本發(fā)明要求保護的范圍還包括在權(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
1.一種全反射側(cè)向出光型白光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)和擴散粉(4)，以及設(shè)置在透明薄片(5)上的LED芯片(I)和聚光反射器(6)、與所述LED芯片(I)連接的電極(7 )，所述聚光反射器(6 )位于LED芯片(I)水平一側(cè)，聚光反射器(6)的開口朝向LED芯片(I)，LED芯片(I)與聚光反射器(6)的開口內(nèi)側(cè)表面相鄰，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所述的全反射側(cè)向出光型白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述聚光反射器(6)為拋物面、弧面或梯形錐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全反射側(cè)向出光型白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED芯片(I)和聚光反射器(6)封裝在透明薄片(5)內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全反射側(cè)向出光型白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED芯片(I)和聚光反射器(6)設(shè)置在透明薄片(5)的周向邊緣，聚光反射器(6)的開口朝向透明薄片(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的全反射側(cè)向出光型白光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)置有一個底面反射鏡(10)，以實現(xiàn)單側(cè)出光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的全反射側(cè)向出光型白光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4任一權(quán)利要求所述的全反射側(cè)向出光型白光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 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的一種全反射側(cè)向出光型白光LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的LED芯片(I)發(fā)出的是藍光或紫外光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的一種全反射側(cè)向出光型白光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。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的一種全反射側(cè)向出光型白光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5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全反射側(cè)向出光型白光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散粉，以及設(shè)置在透明薄片上的LED芯片和聚光反射器、與LED芯片連接的電極，聚光反射器位于LED芯片水平一側(cè)，聚光反射器的開口朝向LED芯片，LED芯片與聚光反射器的開口內(nèi)側(cè)表面相鄰，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)明可以降低熒光粉層所導致的光散射損失，提升白光效率，光色性能可以在熒光粉中摻入適量的擴散粉來調(diào)節(jié)，同時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，也使得白光效率進一步改善。
文檔編號H01L33/58GK103151443SQ201310053289
公開日2013年6月12日 申請日期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 申請人:東南大學