高密度led光源結構及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高密度LED光源結構及其制備方法，所述光源結構包括固態熒光轉化材料基體和至少一個電路基板，所述固態熒光轉化材料基體的至少一個端面為出光面，所述固態熒光轉化材料基體上鍍有與出光波長匹配的反射膜，且所述出光面上未鍍有反射膜，所述電路基板設于所述固態熒光轉化材料基體的至少一側面上，所述電路基板上設有LED芯片陣列，所述LED芯片陣列與固態熒光轉化材料基體的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。本發明中的高密度LED光源結構采用獨特的空間立體范圍進行光轉換，在一個小面輸出，單位面積出光量達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制，出光密度提高一個數量級。
【專利說明】
高密度LED光源結構及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種光源結構及其制備方法，具體設及一種高密度Lm)光源結構及其 制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前Lm)照明行業發展迅速，大功率Lm)具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉 換效率高、響應速度快、節能環保等優點，已陸續得到應用。由于受光學設計的限制，除了器 件的總光通量，很多應用領域對器件單位面積光通量(光密度)在不斷提高。
[0003] 提高Lm)的單位面積光通量主要有兩個途徑，增加忍片內部電光轉化的光子總數 和提高已產生光子的出光效率:一.增加忍片內部電光轉化的光子總數一方面可通過改進 忍片外延層的質量，提高電光轉化效率實現；另一方面可通過增加使用時的功率即電流密 度實現。受半導體中載流子密度的限制，LED的單位面積電功率不可能無限增加，因此LED單 位面積的出光量也存在最大極限。專利"超大功率垂直忍片的集成封裝"（公開號 CN105261693A)中公布的電流密度范圍為0.35~3.5A/mm2，但其上限已很難達到，當前高性 能忍片實際穩態工作時能達到的最大電流密度約為1.5A/mm2。而且隨著器件功率的增加， 單位面積和單位功率的出光效率均會明顯下降；二.提高已產生光子的出光效率主要指改 變LED出光面的表面結構W增加取光效率，把忍片內部的發光盡可能得輸出，如安裝具有各 種表面結構的透鏡，鍛增透膜等。通過改進忍片外延層的發光結構也可W適當提高光效，如 歐司朗公司2016年5月最新推出的3D納米白光L抓技術的忍片，通過增加藍光出光層的表面 積，可W把單位面積的出光效率提高20%左右。總之，單純通過提高忍片本身質量W增加出 光密度的方式存在物理極限，將無法滿足長遠需求。
[0004] 由于存在光學擴展量的限制，一個高效的高密度光源肯定無法通過單純擴大LED 出光面積然后聚光的方式實現，因此出光面越小，光密度越高，對后續的光學設計越有利。 如大屏幕高亮度投影顯示領域對出光源光面的尺寸有嚴格要求(通常不大于2.6*3.2mm2)， 尺寸過大無法實現有效成像;一些軍事領域的高亮度窄擴散角照明器件必須把光源的總發 光面積限制在很小范圍（如5*5mm2,光密度要求160流明/mm2);微創手術照明對光源面積通 常限制在10~12mm2,光密度要求250流明/mm2。顯然普通LED光學結構將很難勝任今后高密 度發光領域的發展趨勢，而其他高密度光源如激光則存在結構復雜，成本高，效率低，受法 規限制等各種不利因素，因此尋找一種合理的高密度光源解決方案將具有非常巨大的價 值。
【發明內容】
[0005] 為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種高密度LED光源結構及其制備 方法，從而在巧光材料棒的端面輸出高密度光，其出光密度可比目前市場最高端的大功率 L邸提高一個數量級。
[0006] 為達到上述目的，本發明的技術方案如下：
[0007] -方面，本發明提供一種高密度L邸光源結構，包括固態巧光轉化材料基體和至少 一個電路基板，所述固態巧光轉化材料基體的至少一端面為出光面，所述固態巧光轉化材 料基體上鍛有與出光波長匹配的反射膜，且所述出光端面上未鍛有反射膜，所述電路基板 設于所述固態巧光轉化材料基體的至少一側面上，所述電路基板上設有Lm)忍片陣列，所述 L邸忍片陣列與固態巧光轉化材料基體的入光面的外形相匹配，并與其禪合連接。
[0008] 本發明的高密度Lm)光源結構，通過在多面鍛反射膜的固態巧光轉化材料基體的 側面設置Lm)忍片陣列，在固態巧光轉化材料基體的側面注入某種波長的光(通常由Lm)忍 片產生），由于巧光材料中存在大量發光中屯、，運些發光中屯、通過受激和發射過程會將該波 長的光高效得轉化成另一波長的光，新產生的光在巧光材料棒內部經過一系列反射過程， 最終在巧光材料棒的頂端輸出高密度光;采用獨特的空間立體范圍進行光轉換并在一個小 面輸出的方式，黃綠光的單位面積出光量可達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限 審IJ。其出光密度可比目前市場最高端的大功率L邸提高一個數量級。
[0009] 作為優選的方案，所述出光面上還設有與出光波長相匹配的增透膜。
[0010] 采用上述優選的方案，在提高光密度的同時，提高出光效率。
[0011] 作為優選的方案，還包括散熱系統，所述散熱系統包括第一散熱基板和第二散熱 基板，所述第一散熱基板設在所述電路基板上與Lm)忍片陣列相對的一面，所述第二散熱基 板設在所述反射膜外，所述散熱系統與所述固態巧光轉化材料基體的外形相適配。
[0012] 采用上述優選的方案，在提高光密度的同時，提高散熱效果。
[0013] 作為優選的方案，所述Lm)忍片陣列中的忍片為倒裝忍片、正裝忍片或垂直忍片 中。
[0014] 作為優選的方案，所述Lm)忍片陣列中的忍片根據激發波長需要可為紫外光忍片、 藍光忍片或綠光忍片。
[0015] 作為優選的方案，所述固態巧光轉化材料基體的縱截面為矩形或梯形，所述固態 巧光轉化材料基體的橫截面為圓形或方形。
[0016] 采用上述優選的方案，梯形的截面方便取光。
[0017] 作為優選的方案，所述反射膜包括介質膜，所述介質膜外設有金屬膜，所述介質膜 為20~90層的多層膜，每層厚度為對應反射波長的一半，所述金屬膜的厚度為0.2~2微米。
[0018] 采用上述優選的方案，介質膜反射帶寬60~250納米，反射角小于85°時反射率 99.5%，反射角大于85°時反射率45%;侶膜全角度的反射率均為92%，可增加整體反射效 果。
[0019] 作為優選的方案，所述固態巧光轉化材料基體由選自黃綠光巧光材料、藍光巧光 材和紅光巧光材料中的至少一種構成。
[0020] 采用上述優選的方案，除了傳統的白光，還可W產生不同波長的高密度光源，可W 實現紅綠藍(RGB)S種顏色的高密度光源，波長可選擇，對于大屏幕高亮度投影等現代顯示 技術有極大幫助。
[0021] 作為優選的方案，所述黃綠光巧光材料選自Ce離子滲雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG 晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，所述藍光巧光材選自BG0、PW0或Ce離子滲雜的YS0、 LS0、GS0中的至少一種，所述紅光巧光材料選自化、Ce、化、Bi、Si等離子滲雜的侶酸鹽、娃酸 鹽或者氣化物晶體、陶瓷、玻璃材料，或滲雜氮化物紅光巧光粉的透明玻璃中的至少一種。
[0022] 另一方面，本發明還提供一種上述高密度Lm)光源結構的制備方法，包括如下步 驟：
[0023] 1)處理固態巧光轉化材料，得到固態巧光轉化材料基體；
[0024] 2)再將相應的增透膜鍛在固態巧光轉化材料基體的至少一個側面上，然后在所述 固態巧光轉化材料基體的剩余的其他側面鍛反射膜，得到鍛膜后的固態巧光轉化材料基 體；
[0025] 3)制作帶Lm)忍片陣列的電路基板，然后將電路基板帶Lm)陣列的一側與所述鍛膜 后的固態巧光轉化材料基體的入光面通過導光膠禪合;再將所述電路基板的另一側與第一 散熱基板連接；
[0026] 4)再將所述鍛膜后的固態巧光轉化材料基體的未禪合電路基板的反射面上貼覆 第二散熱基板，即得。
[0027] 作為優選的方案，在步驟2)中，先在所述固態巧光轉化材料基體的剩余的其他側 面鍛多層的介質膜，然后在介質膜上鍛金屬膜，所述介質膜于200~400°C鍛膜，所述金屬膜 于150~200°C鍛膜。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明的高密度L邸光源結構的結構示意圖；
[0029] 其中；
[0030] 1.固態巧光轉化材料基體，2.出光面，3.反射膜，4丄抓忍片陣列，5.第一散熱基 板，6.電路基板。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施方式。
[0032] 為了達到本發明的目的，如圖1所示，本發明的高密度L邸光源結構，包括固態巧光 轉化材料基體1和至少一個電路基板6,固態巧光轉化材料基體1的至少一端面為出光面2， 固態巧光轉化材料基體1上鍛有反射層3,且出光端面2上未鍛有反射膜層3,電路基板6設于 固態巧光轉化材料基體1的至少一側面上，電路基板6上設有L抓忍片4陣列，L抓忍片陣列4 與固態巧光轉化材料基體1的入光面的外形相匹配，并與其禪合連接。
[0033] 本發明實施例的高密度LED光源結構，通過在多面鍛反射膜的固態巧光轉化材料 基體的側面設置Lm)忍片陣列，在固態巧光轉化材料基體的側面注入某種波長的光(通常由 L抓忍片產生），由于巧光材料中存在大量發光中屯、，運些發光中屯、通過受激和發射過程會 將該波長的光高效得轉化成另一波長的光，新產生的光在巧光材料棒內部經過一系列反射 過程，最終在巧光材料棒的頂端輸出高密度光;采用獨特的空間立體范圍進行光轉換并在 一個小面輸出的方式，單位面積出光量可達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制。 其出光密度可比目前市場最高端的大功率L邸提高一個數量級。
[0034] 為了進一步地優化本發明的實施效果，出光面2上還設有增透膜。在提高光密度的 同時，提高出光效率。
[0035] 為了進一步地優化本發明的實施效果，還包括散熱系統，散熱系統包括第一散熱 基板5和第二散熱基板，第一散熱基板5設在電路基板6上與L邸忍片陣列4相對的一面，第二 散熱基板設在反射膜3外，散熱系統與固態巧光轉化材料基體I的外形相適配。在提高光密 度的同時，提高散熱效果。
[0036] 為了進一步地優化本發明的實施效果，L抓忍片陣列4中的忍片選自倒裝忍片、正 裝忍片和垂直忍片中的至少一種。
[0037] 為了進一步地優化本發明的實施效果，Lm)忍片陣列4中的忍片根據激發波長需要 可為紫外光忍片、藍光忍片或綠光忍片。
[0038] 為了進一步地優化本發明的實施效果，固態巧光轉化材料基體1的縱截面為矩形 或梯形，固態巧光轉化材料基體的橫截面為圓形或方形。梯形的截面方便取光。
[0039] 為了進一步地優化本發明的實施效果，反射面膜3包括介質膜，介質膜外設有金屬 膜，介質膜為20~90層的多層膜，金屬膜的厚度為0.2~2微米。從而使反射帶寬60~250納 米，反射角小于85°時反射率99.5%，反射角大于85°時反射率45% ;通過金屬膜使反射率提 高至92%。具體實施時，介質膜可由氧化鐵層、氧化娃層和氧化錯層組合而成，金屬膜為侶 膜。
[0040] 為了進一步地優化本發明的實施效果，固態巧光轉化材料基體1由選自黃綠光巧 光材料、藍光巧光材和紅光巧光材料中的至少一種構成。除了傳統的白光，還可W產生不同 波長的的高密度光源，可W實現紅綠藍(RGB)S種顏色的高密度光源，波長可選擇，對于大 屏幕高亮度投影等現代顯示技術有極大幫助。
[0041] 為了進一步地優化本發明的實施效果，黃綠光巧光材料選自Ce離子滲雜的YAG， LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，藍光巧光材選自BGO、PWO或Ce離子 滲雜的YS0、LS0、GS0中的至少一種，紅光巧光材料選自吐、〔6、611、81、51等離子滲雜的侶酸 鹽或者娃酸鹽晶體、陶瓷、玻璃材料，或滲雜氮化物紅光巧光粉的透明玻璃中的至少一種。
[0042] W下W具體實施例的方式，來對本發明進行進一步說明。
[0043] 除非特別指明，W下實施例中所用的試劑和藥品，均可從正規渠道商購獲得。
[0044] 實施例1
[0045] 1)切割研磨拋光長寬高分別為40*1.5*2.6mm3規格的Ce : YAG透明晶體巧光棒（固 態巧光轉化材料基體）。注入藍光，出射黃綠光。
[0046] 2)在Ce = YAG透明晶體巧光棒的4個側面、1個端面鍛氧化鐵和氧化娃基質的黃綠光 反射膜，并在注入藍光的側面加鍛藍光增透膜，其中反射面中的介質膜的層數為40層，反射 帶寬為120納米，即位于520-640納米之間，金屬膜為侶膜，膜厚0.2微米。
[0047] 3)制作倒裝藍光Lm)忍片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍光忍片，忍片發光波段為 455納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將L邸忍片 發光的一側與Ce = YAG透明晶體巧光棒鍛藍光增透膜的側面緊密貼合。使忍片發光能有效進 入晶體內部。
[0048] 4)制作與透明巧光棒外形配套的散熱裝置，并與透明巧光棒的兩側面緊密貼合， 使巧光棒得到有效散熱。
[0049] 使用遠方PMS-80積分球測試系統，測定上述方法制得的高密度L抓光源結構的光 通量為8000流明，黃綠光的單位面積出光量可達2051流明/mm2。
[00加]實施例2
[0051 ] 1)切割研磨拋光長寬高分別為40巧.6*3.2mm3規格的Ce: LuAG透明晶體巧光棒（固 態巧光轉化材料基體）。注入藍光，出射綠光。
[0052] 2)在Ce = LuAG透明晶體巧光棒注入藍光的兩個側面鍛氧化鐵和氧化娃基質的黃綠 光反射膜和藍光增透膜，在出光面鍛藍光增透膜，其余3個面鍛金屬反射膜，其中反射面中 的介質膜的層數為90層，反射帶寬為250納米，金屬膜為侶膜，膜厚0.8微米。
[0053] 3)制作倒裝藍光Lm)忍片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍光忍片，忍片發光波段為 445納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將L邸忍片 發光的一側與Ce = LuAG透明晶體巧光棒的側面緊密貼合。使忍片發光能有效進入晶體內部。
[0054] 4)制作與透明巧光棒外形配套的散熱裝置，并與透明巧光棒的兩側面緊密貼合， 使巧光棒得到有效散熱。
[0055] 使用遠方PMS-80積分球測試系統，測定上述方法制得的高密度L抓光源結構的光 通量為17990流明，黃綠光的單位面積出光量可達2162流明/mm2。
[0056] 實施例3
[0057] 1)切割研磨拋光長寬高分別為40巧.6*3.2mm3規格的化:YAG透明晶體紅光巧光棒 (固態巧光轉化材料基體）。注入黃綠光，出射紅光。
[0058] 2)在Cr = YAG透明晶體紅光巧光棒的4個側面、1個端面鍛氧化鐵、氧化錯和氧化娃 的紅光反射膜，其中兩個寬度為2.6毫米對稱的側面加鍛黃綠光增透膜，其中反射面中的介 質膜的層數為40層，反射帶寬為120納米，即位于580-700納米之間，金屬膜為侶膜，膜厚1.5 微米。
[0059] 3)制作綠光Lm)忍片陣列，使用20顆功率為1.5瓦的綠光忍片，忍片發光波段為560 納米左右，通過鍛銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片Lm)忍片發 光的面與化:YAG透明晶體巧光棒的兩側面緊密貼合。使忍片發光能有效進入晶體內部。
[0060] 4)制作與透明巧光棒外形配套的散熱裝置，并與透明巧光棒的兩側面緊密貼合， 使巧光棒得到有效散熱。
[0061 ]使用遠方PMS-80積分球測試系統，測定上述方法制得的高密度L抓光源結構的紅 光光通量為720流明，紅光的單位面積出光量為87流明/mm2。
[0062] 實施例4
[0063] 1)切割研磨拋光長寬高分別為25*1.5巧.6mm3規格的小功率Ce: YAG透明陶瓷巧光 棒(固態巧光轉化材料基體）。注入藍光，出射黃綠光。
[0064] 2)在Ce = YAG透明陶瓷巧光棒入藍光的側面鍛氧化鐵和氧化娃基質的黃綠光反射 膜和藍光增透膜，在出光面鍛藍光增透膜，其余4個面鍛金屬反射膜，其中反射面中的介質 膜為60層，反射帶寬為180納米，金屬膜為侶膜，膜厚1微米。
[0065] 3)制作倒裝藍光Lm)忍片陣列，使用15顆功率為3瓦的藍光忍片，忍片發光波段為 450納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將L邸忍片 發光的一側與Ce = YAG透明陶瓷巧光棒的側面緊密貼合。使忍片發光能有效進入晶體內部。
[0066] 4)制作與透明巧光棒外形配套的散熱裝置，并與透明巧光棒的兩側面緊密貼合， 使巧光棒得到有效散熱。
[0067] 使用遠方PMS-80積分球測試系統，測定上述方法制得的高密度L抓光源結構的光 通量為4998流明，黃綠光的單位面積出光量為600流明/mm2。
[006引實施例5
[0069] I)切割研磨拋光長寬高分別為20*1.5巧.6mm3規格的Ce: GSO藍光巧光晶體棒。
[0070] 2)在Ce = GSO藍光巧光晶體棒的3個側面、1個端面鍛氧化鐵和氧化娃的藍光反射 膜，其中兩個寬度為2.6毫米對稱的側面加鍛紫光增透膜，其中反射面中的多層介質膜為20 層，反射帶寬為60納米，金屬膜為侶膜，膜厚2微米。
[0071] 3)制作紫光Lm)忍片陣列，使用15顆功率為1.5瓦的紫光忍片，忍片發光波段為360 納米左右，通過鍛銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片Lm)忍片發 光的面與Ce = GSO巧光晶體棒的兩側面緊密貼合。使忍片發光能有效進入玻璃內部。
[0072] 4)制作與Ce = GSO巧光晶體棒外形配套的散熱裝置，并與巧光棒的兩側面緊密貼 合，使巧光棒得到有效散熱。
[0073] 使用遠方PMS-80積分球測試系統，測定上述方法制得的高密度L抓光源結構的藍 光光功率光通量為300流明，藍光的單位面積出光量為77流明/mm2。
[0074] 具體實驗實施例
[0075] 將當前國際頂級商用大功率LED(白光）的出光密度，使用遠方PMS-80積分球測試 系統測定比較，結果如下述表1所示：
[0076] 表 1
[0077]
[0078] 從上述表1可看出，本發明的高密度Lm)光源結構，光密度遠遠大于現有技術中的 Lm)的光密度，在典型的1.5*2.6mm2的截面積可W出光大于8000流明，單位面積出光量可達 2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制。
[0079] W上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可W做出若干變形和改進，運些都屬于本發明 的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高密度LED光源結構，其特征在于，包括固態熒光轉化材料基體和至少一個電路 基板，所述固態熒光轉化材料基體的至少一端面為出光面，所述固態熒光轉化材料基體上 鍍有與出光波長匹配的反射膜，且所述出光面上未鍍有反射膜，所述電路基板設于所述固 態熒光轉化材料基體的至少一側面上，所述電路基板上設有LED芯片陣列，所述LED芯片陣 列與固態熒光轉化材料基體的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。2. 根據權利要求1所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述出光面上還設有與出 光波長相匹配的增透膜。3. 根據權利要求2所述的高密度LED光源結構，其特征在于，還包括散熱系統，所述散熱 系統包括第一散熱基板和第二散熱基板，所述第一散熱基板設在所述電路基板上與所述 LED芯片陣列相對的一面，所述第二散熱基板設在所述反射膜外，所述散熱系統與所述固態 熒光轉化材料基體的外形相適配。4. 根據權利要求1至3中任一項所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述LED芯片 陣列中的芯片為倒裝芯片、正裝芯片或垂直芯片，或： 所述LED芯片陣列中的芯片為紫外光芯片、藍光芯片或綠光芯片。5. 根據權利要求1至3中任一項所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述固態熒光 轉化材料基體的縱截面為矩形或梯形，所述固態熒光轉化材料基體的橫截面為圓形或方 形。6. 根據權利要求1至3中任一項所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述反射膜包 括介質膜，所述介質膜外設有金屬膜，所述介質膜為20~90層的多層膜，所述金屬膜的厚度 為0.2~2微米。7. 根據權利要求1至3中任一項所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述固態熒光 轉化材料基體由選自黃綠光熒光材料、藍光熒光材和紅光熒光材料中的至少一種構成。8. 根據權利要求7所述的高密度LED光源結構，其特征在于，所述黃綠光熒光材料選自 Ce離子摻雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，所述藍光熒光材 選自BGO、PWO或Ce離子摻雜的YSO、LSO、GSO中的至少一種，所述紅光熒光材料選自Cr、Ce、 Eu、Bi、Si離子摻雜的鋁酸鹽、硅酸鹽或者氟化物晶體、陶瓷、玻璃材料，或摻雜氮化物紅光 熒光粉的透明玻璃中的至少一種。9. 根據權利要求1至8中任一項所述的高密度LED光源結構的制備方法，包括如下步驟： 1) 處理固態熒光轉化材料，得到固態熒光轉化材料基體； 2) 再將相應的增透膜鍍在固態熒光轉化材料基體的出光面上，然后在所述固態熒光轉 化材料基體的剩余的其他側面鍍反射膜，得到鍍膜后的固態熒光轉化材料基體； 3) 制作帶LED芯片陣列的電路基板，然后將電路基板帶LED芯片陣列的一側與所述鍍膜 后的固態熒光轉化材料基體的入光面耦合;再將所述電路基板的另一側與第一散熱基板連 接； 4) 再將所述固態熒光轉化材料基體的未耦合電路基板的反射面上貼覆散第二熱基板， 即得。10. 根據權利要求9所述的高密度LED光源結構的制備方法，其特征在于，在步驟2)中， 先在所述固態熒光轉化材料基體的剩余的其他側面鍍多層的介質膜，然后在介質膜上鍍金 屬膜，所述介質膜于200~400 °C鍍膜，所述金屬膜于150~200 °C鍍膜。
【文檔編號】H01L33/64GK106098900SQ201610615452
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610615452.X, CN 106098900 A, CN 106098900A, CN 201610615452, CN-A-106098900, CN106098900 A, CN106098900A, CN201610615452, CN201610615452.X
【發明人】曹頓華, 梁月山, 李抒智, 董永軍
【申請人】昆山銳峰晶體材料有限公司