专利名称：一种自由曲面透镜及其实现保形涂覆的方法
技术领域：
本发明属于LED封装技术，涉及LED封装中的一种自由曲面透镜及其在LED封装中控制荧光粉层的几何形貌，特别应用于LED封装中实现荧光粉层的保形涂覆和光束控制的方法。
背景技术：
LED (Light Emitting Diode)是一种基于P_N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。大功率白光LED通常是由两波长光(蓝色光+黄色光)或者三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)混合而成。目前广泛采用的白光LED是通过蓝色LED芯片(GaN)和黄色荧光粉(YAG或TAG)组成。在LED封装中荧光粉的几何形貌严重影响LED的出光效率、色温、空间颜色均勻性等重要光学性能；在LED封装过程中实现理想的荧光粉层形貌至关重要。LED封装最常用的荧光粉涂覆方式是通过点胶机将注射器中的荧光粉胶点涂在LED芯片周围，荧光粉呈现球冠型，在实际的使用过程中常常会出现黄色的光斑。为了改善荧光粉点涂带来的空间颜色不均勻性和提高LED的出光效率，荧光粉的保形涂覆是LED中较为理想涂覆方式。目前实现保形涂覆技术一般较为复杂，一些技术存在环保等问题，且成本较高，所以寻找一种工艺简单、低成本、荧光粉分布均勻的涂覆方式在LED封装中非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自由曲面透镜，可以利用其内表面实现荧光粉层的保形涂覆，利用其外表面实现光束可控；本发明还提供了一种利用该自由曲面透镜实现保形涂覆的方法，它可以有效的实现荧光粉硅胶的保形涂覆中硅胶的形貌控制。本发明提供的一种自由曲面透镜，它包括透镜安装面、透镜外表面和透镜内表面，透镜安装面为平面，其特征在于，所述透镜外表面为自由曲面，作为自由曲面透镜的光学出射面，所述透镜内表面为向透镜外表面延伸的平底凹槽，透镜内表面作为自由曲面透镜的光学入射面。本发明提供的利用上述自由曲面透镜实现保形涂覆的方法，其特征在于，在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将自由曲面透镜安装在基板上，在自由曲面透镜内表面与基板或支架之间的间隙内填充满荧光粉胶，通过调节凹槽的高度控制荧光粉层的厚度，达到保形涂覆的效果。本发明提供的自由曲面透镜可以用于实现荧光粉层的保形涂覆，并且使用它可以易于控制照明设备光斑形状和均勻度。本发明提供的保形涂覆的方法可以通过点胶机加注射器点胶或者喷涂等简单的方式就能实现同其他复杂保形涂覆技术相同的荧光粉均勻分布的效果。由于这种方法仅仅对LED中的透镜结构进行设计，荧光粉的涂覆方式和目前工业中广泛采用LED荧光粉点涂相同，所以能够很快地应用于工业中大规模的LED封装，提升LED光源的出光效率、色温、空间颜色均勻性等重要光学性能。自由曲面透镜的内表面高度可以根据不同LED封装形式进行调节，高度可控，可以应用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装等封装形式。经过外表面能够实现光束控制，满足各种不同照明要求，实现多种不同的照明效果，如均勻圆形光斑、均勻矩形光斑、均勻多边形光斑等。
图1为本发明提供的自由曲面透镜的结构示意图；图2为第一实施例示意图；图3为安装自由曲面透镜后荧光粉胶的填充过程；图4为第二实施例示意图；图5为第三实施例示意图；图6为第四实施例示意图；图7(a)、7(b)、7 (c)为第五实施例示意图；图8 (a)、8(b)为第六实施例示意图；图9为采用所述的设计方法设计的一款轴对称自由曲面透镜及其照明效果；图10为将图9中自由曲面替换成半球面的透镜及其照明效果。 图中符号说明，1由曲面透镜，2透镜内表面，3透镜外表面，4透镜安装面，5透镜安装脚，6LED芯片，7金线，8荧光粉胶，9引线框架，10模塑料，11铜热沉，12注射器，13注胶口，14硅基板，15印刷电路板，16铜柱。
具体实施例方式如图1所示，自由曲面透镜1具有两个光学面，自由曲面透镜1的透镜安装面4为平面，以透镜的安装面4为底面，透镜外表面3为自由曲面，为自由曲面透镜1的光学出射面，透镜内表面2为向透镜外表面3延伸的平底凹槽，透镜内表面2为自由曲面透镜1的光学入射面。自由曲面透镜1的主体部分由透镜内表面2、透镜外表面3、透镜安装面4共同构成。所述的自由曲面透镜1的材质是PC(聚碳酸酯)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PP(聚甲基丙烯酸甲酯)或ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)或PVC(聚氯乙烯)或玻璃材质。所述的自由曲面透镜1外表面下部设置有与基板或支架的卡槽配合的安装脚5。所述的自由曲面透镜1的横截面为矩形或圆角矩形或梯形。
所述的自由曲面透镜1可以通过开模注塑或精密加工等其它加工方式实现。所述的自由曲面透镜1为单颗或阵列形式，安装时自由曲面透镜1与光源对应关系为一对一或一对多或多对一关系。所述的自由曲面透镜1在LED封装中实现荧光粉胶8保形涂覆的方法为将荧光粉加入胶材中，并混合均勻，调节荧光粉和胶材之间的比例，配比浓度为0. 01g/ml 5. Og/ml的荧光粉胶8，在完成固定LED芯片6和电路连接工序后，将自由曲面透镜1安装在LED支架或硅基板14或印刷电路板15上，然后将荧光粉胶8滴入注胶口 13后，填充足够的荧光粉胶8，直到荧光粉胶8从另外一边的注胶口 13流出或看到，则停止注胶，可以在自由曲面透镜1的内部空间中将形成厚度均勻的荧光粉层，达到保形涂覆的效果，其中自由曲面透镜1内表面的高度可以从几十微米(如70μπι)至几毫米，对于不同光学性能要求不同封装形式的荧光粉层厚度有所不同；通过后续的荧光粉固化工艺完成LED的封装。所述的用于封装的LED芯片6可以是GaN等二元材料或者AlGaNP等四元材料组成的芯片或其它芯片。所述的荧光粉胶8中的荧光粉可以是YAG和TAG等所有LED封装采用的荧光粉。所述的配置荧光粉胶8使用的胶材可以是硅胶、环氧树脂和液态玻璃等胶材组成。所述的方法可以适用于支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装等LED封装形式。所述的自由曲面透镜，利用内表面实现荧光粉胶的保形涂覆，利用外表面实现光束控制，满足各种不同照明要求，实现多种不同的照明效果，如均勻圆形光斑、均勻矩形光斑、均勻多边形光斑等。下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。实例1参见图2和图3，本实施例中涉及的是LED支架式封装。LED支架的结构是铜热沉11和引线框架9固定在模塑料10中，模塑料10还与自由曲面透镜1固定在一起。将LED芯片6固定在LED支架的铜热沉11的中心处，金线7将LED芯片6与引线框架9相连，形成连通的电路。自由曲面透镜1的横截面为矩形。通过点胶机将注射器12中的荧光粉胶滴入注胶口 13，直到荧光粉胶8从另外一个注胶口 13中流出，则停止注胶过程。荧光粉胶8中的胶材为硅胶，荧光粉为YAG荧光粉。荧光粉胶8在自由曲面透镜1与LED支架之间达到平衡状态后，放入烘烤箱或自然环境中固化，完成荧光粉的保形涂覆工序和LED封装过程。本实施例中自由曲面透镜1的材质是PC(聚碳酸酯)。LED芯片6是GaN芯片。荧光粉胶8中的荧光粉是YAG荧光粉。实例2参见图4，本实施例与实例1的区别是自由曲面透镜1横截面为梯形。实例3参见图5，本实施例与实例1的区别是自由曲面透镜1的横截面为圆角矩形。实例 4
参见图6，本实施例与实例1的区别是LED支架的铜柱11表面不是平面，具有反光杯结构。实例 5参见图7(a)和图7(b)和图7 (c)，本实施例中涉及的是LED硅基封装。单颗或阵列LED芯片6固定在硅基板14上，完成电互连后，安装自由曲面透镜1到硅基板14上，然后填充满荧光粉胶8。通过点胶机将注射器12中的荧光粉胶滴入注胶口 13，直到荧光粉胶8从另外一个注胶口 13中流出，则停止注胶过程。注胶口 13可以在硅基板14顶面也可以在硅基板14底面。本实施例中荧光粉胶8的厚度可以控制在几十微米到几毫米，荧光粉胶8中的荧光粉可以是YAG和TAG等所有LED封装采用的荧光粉。本实施例中自由曲面透镜1的材质是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。本实施例中LED芯片6是单颗和阵列封装形式，LED芯片6可以是GaN等二元材料或者AWaNP等四元材料组成的芯片和其它芯片。自由曲面透镜1的横截面为矩形。实例6参见图8(a)和图8(b)，本实施例中涉及的是LED印刷电路板(PCB)封装。印刷电路板15上具有通孔结构，通孔中填充有高导热系数的铜柱16或其他金属结构。单颗或阵列LED芯片6固定在印刷电路板15中填充的铜柱16上，铜柱16的尺寸与LED芯片6的尺寸一致。完成电互连后，安装自由曲面透镜1到印刷电路板15上，然后填充满荧光粉胶8。荧光粉胶8填充过程与实例7类似。注胶口 13可以在印刷电路板15顶面也可以在印刷电路板15底面。本实施例中荧光粉胶8的厚度可以控制在几十微米到几毫米，荧光粉胶8中的荧光粉可以是TAG荧光粉。本实施例中自由曲面透镜1的材质是PVC(聚氯乙烯)。本实施例中LED芯片6可以是单颗和阵列封装形式，LED芯片6可以是AlGaNP等四元材料组成的芯片。自由曲面透镜1的横截面为圆角矩形。图9是通过所述的方法设计的一款轴对称自由曲面透镜1，透镜内表面2为圆柱形，透镜外表面3为自由曲面。透镜内表面高度为1mm，透镜外表面初始高度为2mm。在原点处放置的光源经过自由曲面透镜1以后在目标面上的照度分布图如图9(b)所示。图10是将图9中自由曲面透镜1的透镜外表面2换成球面，其他参数与图9相同，其照度分布图如图10(b)所示。对比图9和图10，可以看出，所述的方法设计的自由曲面透镜1可以大大提高照度均勻度，提高光能利用率。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种自由曲面透镜，它包括透镜安装面、透镜外表面和透镜内表面，透镜安装面为平面，其特征在于，所述透镜外表面为自由曲面，作为自由曲面透镜的光学出射面，所述透镜内表面为向透镜外表面延伸的平底凹槽，透镜内表面作为自由曲面透镜的光学入射面。
2.根据权利要求1所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述的自由曲面透镜的制作材料是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯或玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述的自由曲面透镜外表面下部设置有与基板或支架的卡槽配合的安装脚。
4.根据权利要求1或2所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述的自由曲面透镜的横截面为矩形、圆角矩形或梯形。
5.根据权利要求1或2所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述的自由曲面透镜为单颗或阵列形式。
6.根据权利要求4所述的自由曲面透镜，其特征在于，所述的自由曲面透镜为单颗或阵列形式。
7.一种利用权利要求1所述的自由曲面透镜实现保形涂覆的方法，其特征在于，在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将自由曲面透镜安装在基板上，在自由曲面透镜内表面与基板或支架之间的间隙内填充满荧光粉胶，通过调节凹槽的高度控制荧光粉层的厚度，达到保形涂覆的效果。
8.根据权利要求7所述的实现保形涂覆的方法，其特征在于，所述的荧光粉胶中的荧光粉为包括YAG、TAG在内的用于LED封装的各种荧光粉。
9.根据权利要求7或8所述的实现保形涂覆的方法，其特征在于，所述的荧光粉胶使用的胶材为硅胶、环氧树脂或液态玻璃。
10.根据权利要求7或8所述的实现保形涂覆的方法，其特征在于，所述实现保形涂覆的方法适用于包括支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装在内的各种LED封装形式。
全文摘要
本发明属于LED封装技术，为一种自由曲面透镜及其实现保形涂覆的方法。自由曲面透镜的外表面为自由曲面，作为光学出射面，内表面为向透镜外表面延伸的平底凹槽，作为自由曲面透镜的光学入射面。在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将自由曲面透镜安装在基板上，在自由曲面透镜内表面与基板或支架之间的间隙内填充满荧光粉胶，通过调节凹槽的高度控制荧光粉层的厚度，达到保形涂覆的效果。本发明提供的自由曲面透镜，可以利用内表面实现荧光粉层的保形涂覆，利用其外表面实现光束可控，达到不同的照明效果。本发明方法具有工艺简单，适用面广的特点，可以应用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装等封装形式。
文档编号H01L33/50GK102569615SQ20121001367
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者付星, 刘胜, 吴步龙, 罗小兵, 胡润 申请人:华中科技大学