波长转换装置及其制备方法、相关发光装置和投影系统与流程

本发明涉及发光领域，特别是涉及一种波长转换装置及其制备方法、相关发光装置和投影系统。

背景技术：

随着显示和照明技术的发展，原始的卤素灯泡作为光源越来越不能满足显示和照明高功率和高亮度的需求。采用固态光源如LD(Laser Diode，激光二极管)发出的激发光以激发波长转换材料的方法能够获得各种颜色的可见光，该技术越来越多的应用于照明和显示中。这种技术具有效率高、能耗少、成本低、寿命长的优势，是现有白光或者单色光光源的理想替代方案。

由于反射式波长转换装置效率高，被广泛的应用于照明显示装置中，根据反射层材料的不同，其主要分为两种结构：一是金属镜面反射层，二是漫反射层。

首先，对于金属镜面反射结构，其耐候性能差，容易在高温下出现硫化氧化使得可靠性较低。

其次，对于漫反射层结构，一般以散射颗粒和玻璃粉组成，其反射率的热稳定性远高于金属镜面反射层，但是自身导热性差，这将导致发光层产生的热量难以通过漫反射层发散出去，导致热量聚集，进一步使得发光层产生的热量无法发散，从而降低了光源可靠性并同时降低了发光层的发光效率，导致光源效率低。而对于以散射颗粒和空隙组成的漫反射层结构，与上述散射颗粒和玻璃粉的方案相同，空隙的存在大大的增加了漫反射层的热阻，其导热效果很差，同样会导致光源效率低。

因此需要一种新的波长转换装置结构，能够同时具有良好的反射和热稳定性，从而在大功率发光的情况下保持高效稳定的出光。

技术实现要素：

针对上述现有技术中波长转换装置耐温性差和散热差的缺陷，本发明提供一种耐高温、散热良好的波长转换装置。

本发明提供了一种波长转换装置包括依次叠置的发光层、反射层和金属散热层，反射层与金属散热层通过键合层连接，键合层为(Cu,Al)O₂层。

优选地，键合层为CuAlO₂层。

优选地，键合层的厚度为1～10μm。

优选地，反射层为陶瓷反射层，该陶瓷反射层为氧化铝陶瓷反射层、氧化铝氮化硼复合陶瓷反射层或氧化铝氧化锆复合陶瓷反射层。

优选地，反射层的厚度为50～3000μm，优选地，反射层的厚度为100～1500μm。

优选地，金属散热层为铜散热层或铜铝合金散热层。

优选地，还包括金属镀层，金属镀层贴镀于金属散热层表面，金属镀层为镍镀层、金镀层或镍金双镀层。

优选地，发光层包括波长转换材料和粘接剂，波长转换材料为荧光粉、纳米发光材料或量子点，粘接剂为玻璃。

优选地，玻璃为SiO₂-B₂O₃-RO、SiO₂-TiO₂-Nb₂O₅-R’₂O、ZnO-P₂O₅中的一种或多种，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种，R’选自Li、Na、K中的一种或多种。

本发明还提供了一种发光装置，包括激发光源和上述的波长转换装置。

本发明还提供了一种投影系统，包括上述的发光装置。

本发明还提供了一种制备波长转换装置的方法，依次包括如下步骤：S1、获取含氧化铝的陶瓷反射层和含铜的金属散热层，采用直接敷铜法或真空扩散法将陶瓷反射层与金属散热层封接为一体，在陶瓷反射层与金属散热层之间形成(Cu,Al)O₂层键合层；S2、在金属散热层表面镀制金属镀层；S3、在陶瓷反射层远离金属散热层的表面上烧结形成发光层。

优选地，发光层包括波长转换材料和粘接剂，波长转换材料为荧光 粉、纳米发光材料或量子点，粘接剂为玻璃，烧结形成发光层的温度大于等于玻璃的软化点温度。

优选地，金属镀层为镍镀层、金镀层或镍金双镀层。

直接敷铜法的温度不低于步骤S3中的烧结温度，真空扩散法的温度不低于步骤S3中的烧结温度。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：反射层通过(Cu,Al)O₂键合层与金属散热层连接，使得反射层中的热量能够快速传递到金属散热层散失掉，这种连接方式不仅导热高、厚度薄而且连接牢固，能够耐受波长转换装置工作中的高温，从而使波长转换装置在大功率发光下保持高效稳定的出光。

附图说明

图1为本发明实施例一的波长转换装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的波长转换装置的变形实施例的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有的波长转换装置要使用耐高温的漫反射层做为反射层，则会因漫反射层散热差而导致热量积累，使得波长转换装置工作在高温下发光效率降低。

发明人意图将反射层与金属散热层结合在一起，以实现将反射层的热量快速散失，然而常规的机械固定、粘接等方法或者界面热阻大，或者不能承受高温，或者结合不牢固，无法适应波长转换装置长时间高功率下的工作。

此外，还要考虑在以反射层为基板制备发光层的过程中，反射层与金属散热层的连接结构的热稳定性问题，发光层的制备方法为将波长转换材料与玻璃在玻璃的软化点温度以上加热烧结后冷却成形，一般透过率高的玻璃的软化点都在700℃以上。与此同时，普通的焊接连接法中，目前应用成熟的银、锡焊的焊接温度约为700～800℃，那么在发光层的制备过程中，将不可避免的影响反射层与金属散热层的连接结构的稳定 性。

基于此，本发明提供了一种波长转换装置，以克服上述问题，将反射层和金属散热层以(Cu,Al)O₂层键合层连接，(Cu,Al)O₂层可以以很薄的厚度实现牢固的连接，而且导热性能良好，能够使波长转换装置在大功率发光下保持稳定。此外，(Cu,Al)O₂层的制备温度(或者破坏其稳定性的温度)高于一般透过率高的玻璃的软化点，那么在制备发光层过程中不会对(Cu,Al)O₂层产生破坏。

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

本发明结合结构示意图进行描述，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用发明的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例一的波长转换装置的结构示意图，该结构示意图为波长转换装置的剖面图，以便于清楚表达各层构成。如图1所示，波长转换装置包括发光层101、反射层102和金属散热层103，反射层102与金属散热层103之间通过键合层104连接。在波长转换装置工作状态下，激发光源发出激发光照射发光层101的光入射面，产生受激光并放出大量的热量。部分受激光穿过发光层101，入射到反射层102，被反射层102反射回发光层101并最终从发光层101的光入射面出射。而发光层101产生的热量到达反射层102后，经键合层104扩散到金属散热层103并最终散失到周围环境中。

本实施例中，反射层102为陶瓷反射层，该层主要起两个作用，一是反射发光层101产生的光，二是将发光层101产生的热量迅速传导到金属散热层103，因此要求反射层102既有较高的光反射率又有较高的热导率。此外，反射层102还具有承载发光层101的作用，要求反射层102与发光层101的热膨胀系数尽可能的接近，粘接力强。为实现上述作用，反射层102选择含有氧化铝的陶瓷反射层作为反射层，该陶瓷反射层为纯氧化铝陶瓷反射层，在本发明的其他实施方式中，陶瓷反射层也可以为氧化铝复合陶瓷反射层，例如氧化铝氮化硼复合陶瓷反射层、 氧化铝氧化锆复合陶瓷反射层等，其中，氧化铝氧化锆复合陶瓷中的氧化锆可以提高氧化铝陶瓷的结构韧性并提高反射层的反射率，是一种更优的技术方案。

本实施例中，反射层102的厚度优选为50～3000μm，在此区间内根据结构大小的需要而变动，反射层厚度低于50μm则无法满足反射率的要求，而厚度高于3000μm则无法满足散热的要求。更优选地，反射层的厚度选择为100～1500μm。

本实施例中，金属散热层103为含铜的金属散热层，例如铜散热层，其导热性能好，成本低。此外，金属散热层103也可以选择铜铝合金散热层，铝的抗热震性能更好，使得波长转换装置的热稳定性更优。

本实施例中，键合层104为(Cu,Al)O₂层，在低氧气压情况下，含氧化铝的陶瓷反射层与含铜的金属层在其界面高温熔融形成共晶液实现两者之间的键合，具体来说，铜在微量氧环境下，在其表面形成氧化亚铜，氧化亚铜在接近铜的熔点的高温下与氧化铝形成氧化铜铝的共晶液(Cu,Al)O₂，从而实现氧化铝与铜的连接，实现反射层102与金属散热层103的结合。在本发明的一个实施方案中，该键合层104为CuAlO₂层，此为(Cu,Al)O₂层的一个特殊实例。

本实施例中，键合层(Cu,Al)O₂层104在很薄的厚度下实现反射层102与金属散热层103的结合，优选地，键合层104的厚度为1～10μm。若键合层104厚度小于1μm，则导致结合力太弱，粘接力太低，而到键合层104厚度大于10μm，则键合层104在长大的过程中产生的自身缺陷增多，同样导致粘接力下降。

在本实施例中，发光层101包括波长转换材料和粘接剂，其中波长转换材料是指能够将入射到该材料的光转换成不同波长的出射光的材料，例如荧光粉、纳米发光材料和量子点。粘接剂通过粘接作用使波长转换材料成为层结构，本实施例中，粘接剂为玻璃，具体的，该玻璃材料为玻璃为SiO₂-B₂O₃-RO、SiO₂-TiO₂-Nb₂O₅-R’₂O、ZnO-P₂O₅中的一种或多种，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种，R’选自Li、Na、K中的一种或多种，该类玻璃材料的热膨胀系数与氧化铝接近，可以有效避免波长转换装置在工作或制造过程中因各层热膨胀系数 不同而产生的破坏。发光层101通过将波长转换材料与玻璃粘接剂混合后，在反射层102的表面烧结而成，在烧结过程中，玻璃粘接剂软化呈液态或半固半液态，形成连续体，将波长转换材料包覆其中。发光层101的烧结温度低于键合层104的形成温度，因此在制备发光层101的过程中，不会对键合层104产生破坏。

在本实施例中，波长转换装置还包括金属镀层105，如图1所示，该金属镀层105贴镀于金属散热层103的表面，在实施例一中，金属镀层105贴镀于金属散热层103的底面。在该实施例的一个变形实施例中，如图2所示，金属镀层105贴镀于金属散热层103的除了与键合层104连接的其他表面上。该金属镀层105用于防止金属散热层103氧化，尤其防止在发光层101的制备烧结过程中，较高的温度(玻璃粘接剂软化点温度)下金属散热层103的氧化。金属镀层105可以为镍镀层、金镀层或者在镀镍的基础上镀金的镍金双镀层。在制备发光层101过程中，由于烧结温度较高，金属镀层105不可避免的发生挥发现象，因此金属散热层103表面的金属镀层105可能会呈不连续分布或仅存小范围分布，这是本发明所希望看到的，因为金属镀层105的导热性不如铜金属散热层。金属镀层105仅作为波长转换装置在制备过程中防氧化层而发挥作用。

本实施例提供的波长转换装置，利用(Cu,Al)O₂层键合层104连接反射层102和金属散热层103，不仅导热高、厚度薄而且连接牢固，能够耐受波长转换装置工作中的高温，从而使波长转换装置在大功率发光下保持高效稳定的出光。

本发明的另一个实施例还提供了一种发光装置，该发光装置包括激发光源和上述实施例提供的波长转换装置，激发光源照射波长转换装置的发光层101，激发波长转换材料产生不同波长的受激光，从而实现提供多色光用于照明或者显示。激发光源可以为固态光源，例如发光二极管光源和激光二极管光源，尤其对于激光二极管光源，发光功率高，配合本发明的波长转换装置，能够发出高亮度的多色光。而本发明的波长转换装置优异的散热性、热稳定性和低光损耗(即高光反射率)能够满足大功率激光光源的应用。

本发明的又一个实施例还提供了一种投影系统，该投影系统包括上述发光装置，除此之外还包括分光合光系统、对光线进行调制的光调制系统以及光投影系统等。

本发明还提供了一种上述实施例中的波长转换装置的制备方法，具体步骤包括：

S1、获取含氧化铝的陶瓷反射层和含铜的金属散热层，采用直接敷铜法或真空扩散法将陶瓷反射层与金属散热层封接为一体，在陶瓷反射层与金属散热层之间形成(Cu,Al)O₂层键合层；

S2、在金属散热层表面镀制金属镀层；

S3、在陶瓷反射层远离金属散热层的表面上烧结形成发光层。

其中，步骤S1制备(Cu,Al)O₂层键合层的方法中，直接敷铜法为：首先在微量氧气气氛下，铜表面氧化成氧化亚铜，然后置于含氧化铝的陶瓷反射层上，在略低于铜熔点的温度范围内，铜与氧化铝形成(Cu,Al)O₂共晶液，实现氧化铝与铜的封接；真空扩散法为：将含氧化铝的陶瓷反射层和含铜的金属散热层表面经过清洗抛光处理，将两层紧压，然后在铜的熔点的附近温度范围内施加高压一段时间，其界面处的原子相互渗透形成(Cu,Al)O₂层，实现氧化铝与铜的封接。

在步骤S2中，利用化学电镀的方法在金属散热层表面镀制金属镀层，金属镀层为镍镀层、金镀层或镍金双镀层，用于防止在后续步骤中金属散热层表面被氧化。

在步骤S3中，首先用物理或化学方法清洁含氧化铝的陶瓷反射层远离金属散热层的表面，然后以该陶瓷反射层为基板，将波长转换材料与粘接剂的浆料涂覆其上，烧结形成发光层。波长转换材料为荧光粉、纳米发光材料或量子点，物理化学性能温度，不会在烧结过程中产生变化，而粘接剂为玻璃，烧结形成发光层的温度大于等于玻璃的软化点温度，使得玻璃具有一定的流动性，将各颗粒间的空气挤出，形成连续体，将波长转换材料包裹其中成为稳定的层体。该步骤S3中的烧结温度低于步骤S1中形成(Cu,Al)O₂层的温度，因此(Cu,Al)O₂层可以在烧结形成发光层过程中保持稳定。

步骤S1-S3为按照上述排列次序进行，其中，S1步骤中制备 (Cu,Al)O₂层键合层的温度最高，若先进行步骤S2或S3，则会导致金属镀层完全挥发或发光层形变。步骤S2作为防止金属散热层被步骤S3氧化的工序，自然在步骤S3之前。在进行步骤S3过程中，金属镀层部分挥发，而(Cu,Al)O₂层键合层保持稳定。

本实施例制备波长转换装置的方法制备出的波长转换装置结构稳定、热稳定性好、散热性能好，能够耐受波长转换装置工作中的高温，从而使波长转换装置在大功率发光下保持高效稳定的出光。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。