一种LED荧光玻璃透镜的制备方法与流程

本发明属于发光材料领域，具体涉及一种白光LED用荧光玻璃透镜的制备方法。

背景技术：

现有技术中，白光LED产品以蓝光LED芯片搭配黄色荧光粉最为普遍，已成为白光LED主流。但直接涂覆在LED芯片表面的荧光粉易受温度影响出现老化和光衰，且不易分散均匀而出现色斑，一致性难以满足高显色性和背光源等应用要求。以经典白光LED仿流明式封装为例，如图1所示：将LED芯片通过焊料邦定(bonding)在热沉或者基板1上，然后焊接金线完成电气连接，之后在芯片2上涂覆混有荧光粉的硅胶3，然后填充不含荧光粉的硅胶4，最后盖上PC(聚碳酸酯)透镜5。

对于LED可靠性的研究指出，LED失效案例中很多属于封装失效，以仿流明式封装为例，其存在的问题是：由于PC透镜形变导致外界湿气、热气进入LED模组内部、对硅胶的透射和率折射率性能产生恶劣影响；含有荧光粉的硅胶与外界空气中的污染成分接触导致老化变色(碳化、硫化、氯化)，导致了LED光通量下降、色温大幅度漂移，致使LED失效；另外，由于荧光粉距离芯片很近，而芯片作为LED模组热量的主要来源，工作温度极高(室温下，350mA驱动时，芯片结温高达100℃甚至更高)，如此高温会降低荧光粉的光致发光效率。

经最新研究表明，除了LED芯片之外，荧光粉在吸收蓝光发出黄光的过程中，也会释放一些热量，与LED芯片一起构成LED模组的两个发热源，两个热源距离如此之近，使得含荧光粉硅胶这一区域成为LED失效的重灾区。

现有技术针对上述LED可靠性问题做了一些改进，通过荧光玻璃的烧结技术，将荧光粉与玻璃体成分烧结在一起，用于白光LED的封装，这种封装的新方式省去了含荧光粉的硅胶，用热稳定性更好的玻璃来替代PC塑料制作透镜、使得透镜机械性能更好、热稳定性也更好。

现有技术其存在的问题是：烧结制得的荧光玻璃体需要通过二次加工才能得到用于LED封装的玻璃荧光透镜。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中烧结制得的荧光玻璃体需要通过二次加工才能用于LED封装问题，提出一种LED荧光玻璃透镜的制备方法，使用该方法可以一次性烧结加工成型用于白光LED封装的荧光玻璃透镜。

本发明LED荧光玻璃透镜的制备方法，包括以下步骤：

S1：按照LED模组所需透镜的形状尺寸，加工放电等离子体烧结机靶室内的上下石墨压头，使其成为烧结荧光玻璃透镜的模具；

S2：将荧光玻璃透镜的原材料粉末研磨混合均匀；

S3：将上述混合均匀的荧光玻璃粉末填入到上述加工好的压头模具中，并压紧，在放电等离子体烧结机中完成烧结。

优选地，所述步骤S1中的上下石墨压头，是在精密数控机床上使用石墨加工制得的。

优选地，所述步骤S1中加工的上下石墨压头，一对上下压头能够同时烧结加工一个以上的荧光玻璃透镜，按照阵列的方式在压头内排布。

优选地，所述步骤S2中的荧光玻璃透镜的原材料粉末，按摩尔百分比包含以下成分：氧化铝60-75％、氧化硅5-15％、氧化钇10-25％、氧化铈为0.25-5％。

优选地，所述步骤S2中的荧光玻璃透镜的原材料粉末，按摩尔百分比包含以下成分：氧化铝65-70％、氧化硅8-12％、氧化钇15-20％、氧化铈为1-4％。

优选地，所述步骤S2中研磨是在球磨机中进行的。

优选地，所述步骤S2中研磨过程在室温下进行，研磨的转速为400-800rad/min，研磨时间为10-15h，研磨至400目以上。

优选地，所述步骤S2中，研磨过程中还可以在球磨中添加易挥发的溶剂。

优选地，所述易挥发的溶剂为甲醇，乙醇或者丙酮中的一种。

优选地，所述步骤S3中的烧结过程为：2-4min从室温升温至500-700℃，3-5min从500-700℃升温至1000-1200℃，之后在最高温度保持1-3min，烧结时的压力为46-60MPa，烧结后降至室温，将透镜取出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明LED荧光玻璃透镜的制备方法，在现有的放电等离子体烧结靶室上下压头的基础上，通过重新加工铸造压头，改变上下压头的形状，使其成为LED模组透镜的模具，将混有荧光粉的玻璃体粉末填充满上下压头的空间，一次性烧结加工成型用于白光LED封装的远程激发荧光玻璃透镜，减少了加工工序，提高了工作效率。并且，放电等离子烧结技术和其他的烧结技术相比，形成同样的玻璃体所需的温度更低、能耗更低、能量使用率更高、时间更短。

附图说明

图1是本发明背景技术中现有的LED封装结构示意图。

图2是本发明实施例1中加工的上下压头模具的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例1中上下压头模具的填充过程的剖面示意图。

图4是本发明实施例1中上下压头模具压紧后的剖面结构示意图。

图5是本发明实施例1中烧结完成后上下压头模具的剖面结构示意图。

图6是本发明实施例1中荧光玻璃透镜用于LED封装的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。在下述实施例中，所使用的实验方法如无特别说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等如无特别说明，均可以从市购获得，所述的“常温”是指15-30℃。

实施例1

本发明实施例1采用放电等离子体烧结机，提供一种白光LED用荧光玻璃透镜的制备方法。所述方法需要的设备包括：等离子放电烧结机一台、精密数控机床一台、行星式球磨机一台。所需要的原材料包括：石墨，用作加工烧结室的压头；氧化硅、氧化铝和氧化钇，作为荧光玻璃体的主要基材；氧化铈，用作荧光玻璃体内的荧光体。本实施例LED用荧光玻璃透镜的制备方法包括以下步骤：

S1：按照LED模组所需透镜的形状尺寸，加工放电等离子体烧结机靶室内的上下石墨压头，使其成为烧结荧光玻璃透镜的模具。

首先将位于放电等离子体烧结机的靶室核心部位的上下压头取出，按照LED模组所需透镜的形状尺寸，在精密数控机床上使用石墨重新加工上压头6和上压头7，如图2所示，压头的尺寸根据荧光透镜的尺寸可做灵活调整，以现在常用的1W白光LED模组为例，下压头内径为5毫米左右。一对压头可同时烧结加工多个透镜，按照阵列的方式在压头内排列，本实施例的图2中只给出一对压头对应一枚透镜的情况。

S2：将荧光玻璃透镜的原材料粉末研磨混合均匀。

荧光玻璃透镜的原材料粉末，按摩尔百分比包含以下成分：氧化铝60-75％、氧化硅5-15％、氧化钇10-25％、氧化铈为0.25-5％。氧化铈的含量根据封装之后模组的色温可以进行调整，模组色温高，则少添加氧化铈成分，光谱中蓝光成分较多，黄光成分较少；反之，模组色温低，则多添加氧化铈成分，光谱中蓝光成分较少，黄光成分较多。在本实施例中的荧光玻璃透镜的原材料粉末，具体的配比为(摩尔百分比)：氧化铝70％、氧化硅8％、氧化钇21％、氧化铈为1％。上述原材料粉末的研磨在球磨机中进行，室温下研磨的转速为600rad/min，研磨时间为12个小时，研磨至400目即可。研磨过程中还可以在球磨中添加易挥发的溶剂。优选地，所述易挥发的溶剂为甲醇，乙醇或者丙酮中的一种，在本实施例中选用乙醇作为研磨溶剂，帮助原材料粉体的混合分散。

S3：将上述混合均匀的荧光玻璃粉末填入到上述加工好的压头模具中，并压紧，在放电等离子体烧结机中完成烧结。

如图3所示，在上下压头的空隙处填满上述混合均匀的荧光玻璃粉的混合物8，并将上下压头压紧盖严，如图4所示。烧结的具体过程为：3min从室温升温至600℃，4min从600℃升温至1100℃，之后在最高温度保持2min，烧结时的压力为50MPa，烧结后降至室温，如图5所示，将烧结好的透镜9取出。

如图6所示，将烧结好的荧光玻璃透镜9用于白光LED封装。在图6中，1为金属热沉或者基板，2为LED芯片，4为不含荧光粉的硅胶，9为荧光玻璃透镜。

本实施例在现有的放电等离子体烧结靶室上下压头的基础上，通过重新加工铸造压头，改变上下压头的形状，使其成为LED模组透镜的模具，将混有荧光粉的玻璃体粉末填充满上下压头的空间，一次性烧结加工成型白光LED封装用的远程激发荧光透镜。一次性烧结加工成型，减少了加工工序，提高了加工效率。

与图1中现有技术中的白光LED封装相比，本实施例在LED的封装过程中省去了紧贴芯片表面的含荧光粉硅胶层，减少了一个热阻层，转而将荧光粉置于玻璃透镜中，实现了远程激发涂覆，降低了荧光粉的环境温度，提高了荧光激发效率；与此同时，由于无机透镜的使用，减小了透镜的形变系数，提升了模组的气密性。并且，放电等离子烧结技术和其他的烧结技术相比，形成同样的玻璃体所需的温度更低、能耗更低、能量使用率更高、时间更短。

实施例2

本实施例的LED荧光玻璃透镜的制备方法中，步骤S2中，荧光玻璃透镜的原材料粉末，具体的配比为(摩尔百分比)：氧化铝65％、氧化硅12％、氧化钇19％、氧化铈为4％。其他步骤的操作与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例的LED荧光玻璃透镜的制备方法中，步骤S2中，荧光玻璃透镜的原材料粉末，具体的配比为(摩尔百分比)：氧化铝60％、氧化硅14.75％、氧化钇25％、氧化铈为0.25％。其他步骤的操作与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

本实施例的LED荧光玻璃透镜的制备方法中，步骤S2中，荧光玻璃透镜的原材料粉末，具体的配比为(摩尔百分比)：氧化铝75％、氧化硅5％、氧化钇15％、氧化铈为5％。其他步骤的操作与实施例1相同，在此不再赘述。

本发明LED荧光玻璃透镜的制备方法，在现有的放电等离子体烧结靶室上下压头的基础上，通过重新加工铸造压头，改变上下压头的形状，使其成为LED模组透镜的模具，将混有荧光粉的玻璃体粉末填充满上下压头的空间，一次性烧结加工成型白光LED封装用的远程激发荧光透镜，一次性烧结加工成型，减少了加工工序，提高了加工效率。

最近的研究表明，在白光LED中，黄色荧光粉在吸收蓝光发出黄光的同时，也会产生一部分的热量，因此除了LED芯片本身，荧光粉也是一个发热源。与图1中现有技术中的白光LED封装相比，本发明在LED的封装过程中省去了紧贴芯片表面的含荧光粉硅胶层，减少了一个热阻层，并将芯片和荧光粉这两个发热源分开，通过使用荧光玻璃透镜实现了远程涂覆，使得荧光粉远离主要的热源即LED芯片，降低了荧光粉本身所处的环境温度，提高了其光致发光效率。

另外，无机玻璃透镜的使用，避免了原本PC透镜由于形变性能较差所导致的模组气密性的破坏，避免含荧光粉硅胶的氯化、硫化和碳化所导致的LED模组失效。并且，放电等离子烧结技术和其他的烧结技术相比，形成同样的玻璃体所需的温度更低、能耗更低、能量使用率更高、时间更短。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。