一种远程荧光粉透镜和制造方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种远程荧光粉透镜，包括一种复合曲面结构,其中复合曲面结构是一个具有较大曲率半径的类半球壳体和一个具有较小曲率半径的类半球实心曲面体的复合体，复合体的横截面为类半圆形；较大曲率半径的壳体和具有较小曲率半径的实心曲面体的类半圆形截面共有一个圆心；或是一个底面为正方形的具有方伞型凸面形状结构的大远程荧光粉壳体和一个小的方伞型凸面形状结构实心曲面体的复合体；或是一个底面为长方形的具有变形的半园柱体形状结构的大远程荧光粉壳体和一个小的变形的半园柱体形状结构实心曲面体的复合体。
【专利说明】一种远程荧光粉透镜和制造方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及照明【技术领域】，尤其涉及一种远程荧光粉透镜和制造方法及其应用
【背景技术】
[0002]COB集成白光光源(Chip On Board)就是将多颗蓝光LED发光芯片粘结在金属基或陶瓷基板上，然后利用金线将蓝光LED芯片与基板的线路实现电气连接。将LED黄色荧光粉与硅胶的混合物涂覆在蓝光LED芯片上并进行固化，这就是所说的COB集成光源封装，其中的硅胶层还可以对COB光源的芯片及金线起到保护作用。当给COB集成光源的电气连接线路加载适当的电压或电流后，蓝光LED芯片发出的部分蓝光激发荧光粉发出黄光，与蓝光LED芯片发出的部分蓝光混合后就可以得到白光。此外，还可以在黄色荧光粉中加入适当的LED红色荧光粉或绿色荧光粉，来调节光源的色温及显示指数。由于上述特征，COB集成光源又叫做COB面光源，是一种平面封装结构。
[0003]COB集成白光光源本身具有高功率密度的特点，蓝光芯片工作时会产生大量的热量，荧光粉被LED芯片发出的蓝光激发所产生的大量热量也会传递给芯片，这些热量在狭小的空间内无法及时散发，使得LED蓝光芯片及荧光粉始终处于高的工作温度下，导致芯片发光效率下降，同时使得荧光粉的发光强度逐渐衰减，从而引发光源的发光效率下降。对于暖白光的COB集成光源，由于黄色荧光粉和红色荧光粉等其他荧光粉的衰减规律不一样，高的工作温度还会导致COB集成光源的色偏差。此外，在现有的COB集成光源封装技术中，荧光粉紧贴LED蓝光芯片，因此LED蓝光芯片发出的部分蓝光会重新进入芯片，在芯片中产生热效应，加剧COB集成光源的散热问题，而且降低了光源的光线提取效率。
[0004]另外，在上述传统的COB集成光源的平面封装技术中，硅胶与荧光粉混合层与空气间存在一个水平的界面。硅胶的折射率一般在1.4?1.7之间，而空气的折射率约为1，因此硅胶层中荧光粉发出的部分黄光及LED蓝光芯片发出的部分蓝光只要其入射角大于某一临界角度时，就会在硅胶/空气界面处发生全反射，重新进入硅胶层，降低了光源的光线提取效率。这些被全反射的光线部分会被芯片或荧光粉吸收以热量的形式被释放出来。
[0005]在上述传统的COB集成光源的平面封装技术中，由于其固有的封装结构，光源的发光角度也受到一定限制。
[0006]为了提高COB集成白光光源的光线提取效率，在封装行业中出现了在COB集成白光光源表面直接成型硅胶透镜的技术，但是这种技术目前还只用在小功率COB光源的封装中。在直接成型硅胶透镜技术的热固化工艺中，硅胶自身的应力及热收缩还会导致互联芯片间金线断裂的风险。如中国发明专利申请103681991A“用于LED封装的硅胶透镜及其制造方法”的技术中公布了一种具有不同折射率的硅胶多层结构透镜，来提高光线提取效率，并提高光线提取效率。上述改进措施尽管一定程度上提高了光线提取效率及出光角度，但是光线提取效率及出光角度提高有限，并且仍然无法解决荧光粉的衰减问题。
【发明内容】
[0007]针对上述传统COB集成光源封装技术及改进型封装技术中存在的缺点，本发明提供一种远程荧光粉透镜和制造方法及其应用。
[0008]本发明所涉及的一种远程荧光粉透镜，包括一种类半球体的复合曲面结构，如图1所示。类半球体的复合曲面结构是一个具有较大曲率半径的壳体3和一个具有较小曲率半径的实心曲面体4的复合体；复合曲面结构的横截面可以为圆形，较大曲率半径的壳体3和具有较小曲率半径的实心曲面体4的圆形截面共有一个圆心O。
[0009]其中，壳体3具有一个外表面I和一个内表面2 ;壳体3的外表面I可以为球面、或抛物面或任意光滑的凸面；壳体3的厚度可以是均匀的，也可以根据其最终的应用环境来调节；壳体3的厚度范围为50微米?3毫米；壳体3的内表面2与实心曲面体4的表面物理形状完全一致，可以为球面、或抛物面或任意光滑表面；实心曲面体4的表面与较大曲率半径的壳体3的内表面2完全贴合。
[0010]其中，较大曲率半径的壳体3是一种远程焚光粉结构，包含一种透明有机物基体A与荧光粉B颗粒的混合物；
[0011]其中，透明有机物基体A的材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂、或硅胶；具体可以根据使用环境温度环境来选择。
[0012]其中，荧光粉B为LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉与LED红色荧光粉的混合物，或者是LED黄色荧光粉与少量LED红色荧光粉的混合物；
[0013]其中，较小曲率半径的实心曲面体4为一种透明的有机物C，其材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂、或硅胶；具体可以根据使用环境温度环境来选择。
[0014]其中，壳体3的有机物基体A与实心曲面体4的材质C可以相同，也可以不同；壳体3的有机物基体A与实心曲面体4的材质C具有相同或相近的折射率，以避免光线的传播损失；
[0015]其中，上述较大曲率半径的远程荧光粉壳体3还可以包含双层结构，如图2所示，该双层结构包含远程焚光粉壳体5和远程焚光粉壳体6的复合结构；壳体6的外表面7与壳体5的内表面的物理形貌完全一样，所用材质也相同；壳体6与壳体5的厚度可以相同，也可以不同；壳体5中包含机物基体A和荧光粉D的混合物，壳体6中包含机物基体A和荧光粉E的混合物；
[0016]一般而言，上述2层及2层以上的远程荧光粉壳体的安置顺序或各自的厚度，都会对LED发光器件的出光质量有一定影响，因此有必要对上述各个远程荧光粉壳体的厚度、彼此之间的排列循序作最佳化设计。以图2所述远程荧光粉透镜为例，远程荧光粉壳体6中的荧光粉E为绿色荧光粉，远程荧光粉壳体5中的荧光粉D为红色荧光粉。蓝光芯片发出的蓝光首先进入实心曲面体4，然后从实心曲面体4的表面9穿出，分别进入远程荧光粉壳体5和6。远程荧光粉壳体6中的绿色荧光粉E受LED蓝光芯片发出的蓝色光激发后发出绿色光。绿色光的波长大于蓝色光的波长，但小于红色光的波长。根据物理学原理，远程荧光粉壳体6中绿色荧光粉E受激发后发出的绿色光中的部分光线可以激发远程荧光粉壳体5中的红色荧光体D，使其发出红色光。而LED蓝光芯片发出的蓝色光的一部分也会在穿透远程荧光粉壳体6之后激发远程荧光粉壳体5中的红色荧光粉D，使其受激发出红色光。蓝光芯片发出的蓝色光中，除用于激发远程荧光粉壳体6和5中的荧光粉发光外的剩余光线、远程荧光粉壳体6中荧光粉E受激发后发出的绿色光中，除了用于激发远程荧光粉壳体5中的红色荧光粉D发光外的剩余光线，都将和远程荧光粉壳体5中受蓝色光和绿色光激发发出的红色光相混合，从而可以在远程焚光粉壳体5的外表面8出射白光。在如此合成的白光中，绿色光的含量(相对强度)比预期的要小一些，而红色光的含量(相对强度)则会比预期的要大一些。为了不使白光的质量(例如显色指数)劣化，可以适当增加远程荧光粉壳体6中的绿色荧光粉含量，并适当减少远程荧光粉壳体5中的红色荧光粉含量；或者适当地增加远程荧光粉壳体6的厚度，并适当地减少远程荧光粉壳体5的厚度也可以达到同样目的。总之，所发白光的品质可以通过调节各个远程荧光粉壳体的厚度及其所含荧光粉的量来进行精细的调整。
[0017]上述远程荧光粉壳体6中的荧光粉E还可以是LED黄色荧光粉、或LED红色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；上述远程荧光粉壳体5中的荧光粉D还可以是LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；但远程荧光粉壳体6和远程荧光粉壳体5所用荧光粉成分不同。
[0018]本发明所涉及远程荧光粉透镜，还可以具有方伞型凸面形状结构，示意图如图3。方伞型凸面形状结构是一个具有方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10和一个较小的方伞型凸面形状结构实心曲面体11的复合体；方伞型凸面形状结构实心曲面体11的底面为一正方形，四条边的交点分别为H、1、J和K ;
[0019]其中，方伞型凸面形状结构实心曲面体11是由以正方形的两条相对的边JK和HI的中点连线为轴线的半圆柱体及以正方形的两条相对的边IJ和KH的中点连线为轴线的半园柱体的重叠部分构成的区域；两个半圆柱体之间的交线JL、IL、HL和KL相较于L点。为了获得均匀的出射光线，两个半圆柱体之间的交线几、IL、HL和KL区域做平滑处理，L点成为四个平滑曲面汇聚区域的中心点。方伞型凸面形状结构实心曲面体11的表面与方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10的内表面完全一致，且方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10具有均匀的厚度，厚度范围为50微米?3毫米。
[0020]本发明所涉及远程荧光粉透镜，还可以具有变形的半园柱体形状结构，示意图如图4。变形的半园柱体形状结构是一个具有变形的半园柱体形状结构的较大远程荧光粉壳体13和一个较小的变形的半园柱体形状结构实心曲面体14的复合体；底面为一长方形，四条边的交点分别为M、N、P和Q ;
[0021]其中，变形的半园柱体形状结构实心曲面体14是由以长方形的两条相对的边MN和PQ的中点连线为轴线的半圆柱体及以长方形的两条相对的边MQ和PN的中点连线为轴线的半园柱体的重叠部分构成的区域；两个半圆柱体之间的交线为QR、MR、PS和NS。为了获得均匀的出射光线，需要对两个半圆柱体之间的交线QR、MR、PS和NS区域做平滑处理。变形的半园柱体形状实心曲面体14的表面与变形的半园柱体形状的较大远程荧光粉壳体13的内表面完全一致，且变形的半园柱体形状的较大远程荧光粉壳体13具有均匀的厚度，厚度范围为50微米?3毫米。
[0022]术语“蓝色光”是指中心波长位于400纳米与490纳米之间的光；术语“绿色光”特别涉及中心波长位于500纳米到560纳米之间的光；术语“黄色光”特别涉及中心波长约位于560纳米到590纳米之间的光；术语“红色光”特别涉及中心波长约位于590纳米到650纳米之间的光；术语“黄色荧光粉”是指，在被波长小于自身发光波长的光线所激发下，能发出中心波长约位于560纳米到590纳米之间的受激光的发光材料；术语“绿色荧光粉”是指，在被波长小于自身发光波长的光线所激发下，能发出中心波长约位于500纳米到560纳米之间的受激光的发光材料；术语“红色发光荧光粉”是指，在被波长小于自身发光波长的光线激发下，能发出中心波长约位于590纳米到650纳米之间的受激光的发光材料。
[0023]上述黄色荧光粉包括含三价铈的石榴石((Gd, Y) 3 (Al1Ga)5O12: Ce3+(YAG),或者 TlvxRExO12:Ce3+(TAG), RE = Y, Gd, La, Lu)、含三价铈的硅氮化物(La3Si6N11:Ce3+;CaAlSiN3 = Ce3+)、含二价铕的氮氧化物(Eu2+:MSi202_sN2+2/3S，M = Ca, Sr, Ba ；a -SIALON:Eu2+)、含二价铕的硅酸盐(M2S14 = Eu2+, M = Ca, Sr, Ba)、含二价铕的硫代镓酸盐(th1gallate, Sr1^xCaxGa2S4:Eu2++zGa2S3)，优选含三价钟的石植石，但不仅限于上述几种化合物。
[0024]上述绿色荧光粉包括含二价铕的硅酸盐(M2S i O4: Eu2+，M = Ca，Sr ,Ba)、含二价铕的硫化物(M4Ga2S7:Eu2+，M = Ca，Sr，Ba)、含二价铕的氮氧化物(Si6_zAlz0zN8_z:Eu2+，M =Ca, Sr, Ba ；MSi202N2:Eu2+, M = Ca, Sr, Ba ； a -SIALON: Yb3+)等，但不仅限于上述几种化合物。
[0025]上述红色荧光粉包括含二价铕的硅氮化合物(M2Si具:Eu2+，M = Ca，Sr，Ba ;CaAlSiN3IEu2+)、二价铕的硫化物(CaS = Eu2+)、二价铕的硅酸盐(Ca3Si2O7 = Eu2+)、含二价铕的氮氧化物(Ca-a-SIAL0N:Eu2+)等，但不仅限于上述几种化合物。
[0026]为达上述目的，本发明另提出一种远程荧光粉透镜的制造方法。
[0027]对于有机物基体A和有机物C的材质均为热塑性树脂时，具有类半球体复合曲面结构的远程荧光粉透镜的制造方法包括下列步骤:
[0028]步骤一:将树脂C的颗粒加入注塑机的料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得实心曲面体4 ；
[0029]步骤二:将树脂A的粉末与荧光粉B的粉末充分混合后加入注塑机料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得远程荧光粉壳体3 ;
[0030]步骤三:将实心曲面体4放入远程荧光粉壳体3中，在真空中烘烤使得实心曲面体4的外表面与远程荧光粉壳体3的内表面充分贴合；其中烘烤温度的特征在于使得有机物C和有机物A发生软化粘连，但未形成熔化状态。
[0031]其中步骤二和三还可以采用下列步骤来取代完成，如图5所示，具体如下:
[0032]S301:将树脂A粉末、荧光粉B粉末和溶剂混和成均匀的浆料，其中树脂A粉末与荧光粉B粉末的质量比为100:10 - 20:150，荧光粉B粉末加树脂A粉末混合物的总体积与溶剂的体积比为10:100 - 300:100,且树脂A粉末和荧光粉B粉末的粒径在I微米到60微米之间；其中溶剂是液体的醇、醚、酮、酯、烃类。
[0033]S303:将上述浆料均匀涂覆在实心曲面体4的表面上，将涂覆浆料的实心曲面体4恒温干燥，干燥温度为40°C -130°C，干燥时间为5分钟-10小时；浆料的涂覆工艺包括丝网印刷及静电喷涂等。
[0034]S305:将干燥后的涂有浆料的实心曲面体4烘烤，烘烤温度1\为100°C -260°C，升温速率为1-10°C /分钟，烘烤时间为5分钟-20小时，降温时间为20分钟-10小时，在实心曲面体4表面得到含有荧光粉B与树脂C的混合涂层；烘烤温度!\高于树脂C的玻璃化转变温度，但低于树脂A的融化温度10°C以上，且!\接近但低于树脂A的融化温度；在烘烤温度1\下，有机溶剂完全挥发或分解；在烘烤温度T ，树脂A粉末软化并结合成连续的玻璃体，即可在实心曲面体4表面得到含荧光体B的树脂A涂层。
[0035]树脂A应该比树脂C有更好的流动性，而且树脂A的玻璃化转变温度及融化温度均低于树脂A的玻璃化转变温度及融化温度10°C以上，在烘烤温度T1下树脂A的粉末软化、甚至接近融化，在树脂C表面上相互粘连，形成均匀分布的连续玻璃体；此时，荧光粉B颗粒被连续的玻璃体(树脂A)分隔并包裹，在实心曲面体4表面上形成均匀的含荧光粉B的树脂A涂层。
[0036]树脂A应该有与树脂C相近或相同的热膨胀系数，以免从烘烤温度T1冷却至室温的过程中，由于两种树脂的热膨胀系数的差异导致实心曲面体4变形；对于热膨胀系数差异不大的两种树脂，可以借助于模具来固定实心曲面体4的形状；优选树脂A和树脂C为同一种树脂的不同衍生品种，则树脂C涂层与实心曲面体4会完全融为一体化的结构。
[0037]上述步骤S303中干燥过程能在空气中进行，也能在真空中进行。
[0038]上述步骤S305中烘烤过程能在空气中进行，也能在真空中进行，烘烤方式是利用红外线直接烘烤或利用电热丝加热烘烤；
[0039]上述步骤S303和S305可以合并为一个分步加热步骤进行。
[0040]多次重复步骤S301?S305，直至远程荧光粉壳体3满足厚度要求为止。
[0041]对于两层或多层远程荧光粉壳体结构，其制备方法类似。
[0042]具有方伞型凸面形状结构及变形的半园柱体形状结构的远程荧光粉透镜的制造方法与上述方法类似，仅使用的模具有所不同。
[0043]对于有机物基体A和有机物C的材质均为热固性树脂或硅胶时，具有类半球体复合曲面结构的远程荧光粉透镜的制造方法包括下列步骤:
[0044]步骤一:将热固性树脂或硅胶调匀，去气泡后注入模具，在50°C?200°C下固化20分钟?2小时，然后冷却至室温，即可获得实心曲面体4 ;
[0045]步骤二:将热固性树脂或硅胶与荧光粉B的粉末充分混合，去气泡后注入模具，在50°C?200°C下固化20分钟?2小时，然后冷却至室温，即可获得远程荧光粉壳体3 ;
[0046]步骤三:在远程荧光粉壳体3的内表面涂覆透明的有机胶水，然后将实心曲面体4放入远程荧光粉壳体3中，在真空中烘烤使得实心曲面体4的外表面与远程荧光粉壳体3的内表面充分贴合；有机胶水与实心曲面体4和远程荧光粉壳体3有相同或相近的折射率，以免造成光线传输损失。
[0047]对于两层或多层远程荧光粉壳体结构，其制备方法类似。
[0048]具有方伞型凸面形状结构及变形的半园柱体形状结构的远程荧光粉透镜的制造方法与上述方法类似，仅使用的模具有所不同。
[0049]为了增强光线的混合效果，在制备远程荧光粉壳体时，还可以在荧光粉中加入适量的二氧化娃(S12)、二氧化错(ZrO2)、三氧化二销(Al2O3)等无机氧化物颗粒，以起到混光作用。其中荧光粉与氧化物颗粒的体积比为100:1?100:150。上述无机氧化物颗粒也可以根据需要由两种或两种以上的种类搭配构成。
[0050]本发明还提供一种运用远程荧光粉透镜的白光发光装置，包含一个发光区域为圆形COB集成蓝光光源和一个类半球体复合曲面结构的远程荧光粉透镜。
[0051]其中，COB集成蓝光光源结构示意图如图6所示，包含基板16，基板16上的LED芯片区域(圆形)粘贴多个(组)蓝光LED芯片20，多个蓝光LED芯片通过金线21与基板16上的电路连接，17和22为COB集成蓝光光源的电气连接端子。
[0052]其中，LED芯片区域上覆盖一层透明硅胶层19，透明硅胶层的厚度以刚好覆盖芯片及金线为好，将远程荧光粉透镜安置在透明硅胶层上，透镜外侧刚好紧贴围坝18，在透镜与围坝的连接处涂有硅胶。
[0053]将上述COB蓝光光源+远程荧光粉透镜组合放置在恒温烘箱中烘烤固化，烘烤温度为50°C?200°C，烘烤时间为10分钟?2.5小时。待烘箱冷却至室温后，将固化后的COB蓝光光源+远程荧光粉透镜组合取出就得到了本发明的白光发光装置，如图7所示。
[0054]在上述白光发光装置中，荧光粉与蓝光芯片间是一种“远程荧光粉”设置，与传统的将荧光粉与硅胶或环氧的混合物直接涂覆在蓝光芯片表面不同，蓝光芯片与荧光粉间不直接接触，有一定的物理空间。
[0055]在上述白光发光装置中，通过电气连接端子17和22给发光装置提供一定工作电压或工作电流后，蓝光芯片20发出蓝色光线，并首先进入实心曲面体4，其中部分蓝色光线照射到远程荧光粉壳体中的荧光粉颗粒B上，激发其发出波长较长的黄色光线。这样LED芯片发出的部分蓝色光线与荧光粉受激发出的黄色光线混合就得到了白色光线。
[0056]为了说明本发明的有益效果，下面对使用传统技术封装的加硅胶透镜的COB集成白光光源及本发明中的COB蓝光集成光源加远程荧光粉透镜的白光光源的光线传输特征加以说明。使用传统技术封装的加硅胶透镜的COB集成白光光源的横截面图如图8所示，其中硅胶透镜的横截面为一半圆形，23为基板，24为蓝光芯片，25为所涂覆的硅胶区域，26和27为围坝，28为被硅胶区域所包覆的荧光粉颗粒；
[0057]如图8所示，运用传统技术封装的加硅胶透镜的COB集成白光光源中，荧光粉颗粒28受到蓝光芯片所发出的蓝光激发后发出黄光32，以入射角Θ i入射到透镜与空气界面处的T点，由于硅胶的折射率大于空气的折射率，该黄色光线33将以稍大折射角Θ 2从T点出射；荧光粉颗粒29受到蓝光芯片所发出的蓝光激发后发出黄光30，以入射角Θ 3入射到透镜与空气界面处的U点，该黄色光线31将以稍大折射角Θ 4从U点出射。
[0058]为了与运用传统技术封装的平面结构的COB集成白光光源的出光效果做对比，图9显示了运用传统技术封装的平面结构的COB集成白光光源的横截面图，其中23为基板，24为蓝光芯片，25为所涂覆的硅胶区域，26和27为围坝，28为被硅胶区域所包覆的荧光粉颗粒，虚线34为硅胶与空气的界面；对应于图8中的荧光粉颗粒29受到蓝光芯片发出的蓝光激发后所发出的黄光30，图9中的黄色光线35以入射角Θ 5入射到硅胶与空气界面处的V点后，该光线36以稍大的折射角θ6出射。与图8所示的运用传统技术封装的加硅胶透镜的COB集成白光光源的光线出射效果相比，两者的出光效果并无太大不同。
[0059]本发明中的COB蓝光集成光源加远程荧光粉透镜的白光光源的横截面图如图10所示，其中透镜具有半球体型的复合曲面结构，壳体和实心曲面体的界面均为半圆形，圆心为0，23为基板，24为蓝光芯片，25为所涂覆的硅胶区域，26和27为围坝，37为散射剂颗粒，壳体和实心曲面体的有机材质为硅胶，且与涂覆芯片区域的硅胶有相同的折射率。如图10所示，采用COB蓝光集成光源加远程荧光粉透镜组合的白光光源，其发光特征与运用传统技术封装的加透镜的COB集成白光光源完全不同。荧光粉颗粒在受到蓝光芯片发出的部分蓝色光线激发后所发出的黄色光线(如39、41和45等)及蓝光芯片发出的剩余蓝色光线(如42等)经散射剂的折射作用后在透镜表面会发生漫散射(如43等)，混合后得到的白光会产生各种出射方向，发光角度大幅增加，使得出射光线在空间上分布更均匀，避免了眩光现象。
[0060]在上述白光发光装置中，由于蓝光芯片与荧光粉间不直接接触，有一定的空间距离，荧光粉受LED蓝光芯片发出的蓝光激发所发出的波长较长的光线(如黄光、红光等)重新进入芯片被吸收的机会大幅减少，可以有效提高光源的光线提取效率，提高发光效率，同时减少光源的发热量。
[0061]在上述白光发光装置中，COB蓝光集成光源加远程焚光粉透镜组合成的白光光源与空气的交界面为凸型的曲面，因此与运用传统技术封装的平面结构的COB集成白光光源相比，LED蓝光芯片所发出的蓝光及荧光粉受激所发出的波长较长的光线中在与空气交界面出被全反射进入发光装置而重新被吸收的数量大幅减少，可以有效提高光源的发光效率，并同时减少光源的发热量。
[0062]上述白光发光装置由于可以大幅提高光源的发光效率，因此可以大幅减少光源的发热，使得芯片的工作温度大幅降低，可以大幅提高LED蓝光芯片的发光效率。
[0063]在上述白光发光装置中，荧光粉远离芯片，并且光源的发热量大幅减少，使得荧光粉的工作温度大幅降低，因此光衰大幅降低，发光装置的使用寿命可以大幅延长。
[0064]在上述白光发光装置中，远程荧光粉为预制元件，不会产生额外的应力，工艺相对简单，有助于提尚广品的良率。
[0065]本发明所涉及的一种运用远程荧光粉透镜的白光发光装置，并不仅限于包含一个发光区域为圆形COB集成蓝光光源和一个类半球体复合曲面结构的远程荧光粉透镜，还可以是包含一个发光区域为正方形COB集成蓝光光源和一个方伞型凸面形状结构的远程荧光粉透镜，或是包含一个发光区域为长方形COB集成蓝光光源和一个变形的半园柱体形状结构的远程荧光粉透镜。
[0066]综上所述本发明的有益效果在于，
[0067]使用COB集成蓝光光源和一个远程荧光粉透镜组合的白光发光装置，具有如下优点:荧光粉与蓝光芯片间是一种“远程荧光粉”设置，与传统的将荧光粉与硅胶或环氧的混合物直接涂覆在蓝光芯片表面不同，蓝光芯片与荧光粉间不直接接触，有一定的物理空间；在远程荧光粉透镜加COB蓝光集成光源组合成的白光发光装置中，荧光粉与蓝光芯片间是一种“远程荧光粉”设置，荧光粉受LED蓝光芯片所发蓝光激发而发出的波长较长的光线(如黄光、红光等)重新进入芯片被吸收的机会大幅减少，可以有效提尚光源的发光效率，同时减少光源的散热；远程荧光体壳体中的荧光粉颗粒在空间无序分布，光线在这些颗粒间发生漫反射，最终在远程荧光粉壳体表面光线可以沿任意方向出射，发光角度大幅增加，使得出射光线在空间上分布更均匀，避免了眩光现象；发光装置与空气的交界面为凸型的曲面，因此与传统技术封装的平面结构COB集成白光光源相比，LED蓝光芯片所发出的蓝光及荧光粉受激所发出的波长较长的光线中在与空气交界面处被全反射重新进入发光装置的数量大幅减少，光线提取效率大幅提高，发光角度大幅增加，且荧光粉工作温度大幅降低，荧光粉光衰大幅降低，光源的发光效率大幅提高，同时减少光源的发热；荧光粉远离芯片，工作温度大幅降低，可以大幅降低荧光粉的光衰，减少色偏，并大幅延长发光装置的使用寿命；工艺简单，有助于提高产品良率。发光装置的使用寿命大幅延长。【专利附图】
【附图说明】:
[0068]图1.半球形远程荧光粉透镜的结构示意图。
[0069]图2.半球形双层壳体构造的远程荧光粉透镜的结构示意图。
[0070]图3.方伞型凸面形状结构远程荧光粉透镜的结构示意图。
[0071]图4.变形的半园柱体形状结构远程荧光粉透镜的结构示意图。
[0072]图5.实心曲面体表面制备树脂基远程荧光粉壳体的工艺流程图。
[0073]图6.COB蓝光集成光源的结构示意图。
[0074]图7.COB蓝光光源加远程荧光粉透镜组合成的白光发光装置结构示意图。
[0075]图8.使用传统技术封装的加硅胶透镜的COB集成白光光源的横截面图。
[0076]图9.运用传统技术封装的平面结构的COB集成白光光源的横截面图。
[0077]图10.COB蓝光集成光源加远程荧光粉透镜的白光光源的横截面图。
具体实施例:
[0078]为了更清晰地表述本发明，下面结合附图对本发明做进一步地描述。
[0079]实施例1:
[0080]以图1对实施例1做具体说明。
[0081]图1为半球形远程荧光粉透镜的结构示意图，其中3是一个具有较大曲率半径的远程荧光粉半球型壳体，4是一个具有较小曲率半径的实心半球体，O是远程荧光粉半球型壳体3和实心半球体4共同的球心。
[0082]其中，壳体3具有一个外表面I和一个内表面2 ;壳体3的外表面I也可以为球面、或抛物面或任意光滑的凸面；壳体3的厚度可以是均匀的，也可以根据其最终的应用环境来调节；壳体3的厚度范围为50微米?3毫米；壳体3的内表面2与实心曲面体4的表面物理形状完全一致，可以为球面、或抛物面或任意光滑表面；实心曲面体4的表面与较大曲率半径的壳体3的内表面2完全贴合。
[0083]其中，较大曲率半径的壳体3是一种远程焚光粉结构，包含一种透明有机物基体A与荧光粉B颗粒的混合物；
[0084]其中，透明有机物基体A的材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂；
[0085]其中，荧光粉B为LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉与LED红色荧光粉的混合物，或者是LED黄色荧光粉与少量LED红色荧光粉的混合物；
[0086]其中，较小曲率半径的实心曲面体4为一种透明的有机物C，其材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂。
[0087]其中，壳体3的有机物基体A与实心曲面体4的材质C可以相同，也可以不同；壳体3的有机物基体A与实心曲面体4的材质C具有相同或相近的折射率，以避免光线的传播损失；
[0088]图1所示的半球形远程荧光粉透镜的制备步骤如下:
[0089]步骤一:将树脂C的颗粒加入注塑机的料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得实心曲面体4 ；
[0090]步骤二:将树脂A的粉末与荧光粉B的粉末充分混合后加入注塑机料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得远程荧光粉壳体3 ;
[0091]步骤三:将实心曲面体4放入远程荧光粉壳体3中，在真空中烘烤使得实心曲面体4的外表面与远程荧光粉壳体3的内表面充分贴合；其中烘烤温度的特征在于使得有机物C和有机物A发生软化粘连，但未形成熔化状态。
[0092]其中步骤二和三还可以采用下列步骤来取代完成，如图5所示:
[0093]S301:将树脂A粉末、荧光粉B粉末和溶剂混和成均匀的浆料，其中树脂A粉末与荧光粉B粉末的质量比为100:10 - 20:150，荧光粉B粉末加树脂A粉末混合物的总体积与溶剂的体积比为10:100 - 300:100,且树脂A粉末和荧光粉B粉末的粒径在I微米到60微米之间；其中溶剂是液体的醇、醚、酮、酯、烃类。
[0094]S303:将上述浆料均匀涂覆在实心曲面体4的表面上，将涂覆浆料的实心曲面体4恒温干燥，干燥温度为40°C -130°C，干燥时间为5分钟-10小时；浆料的涂覆工艺包括丝网印刷及静电喷涂等。
[0095]S305:将干燥后的涂有浆料的实心曲面体4烘烤，烘烤温度1\为100°C -260°C，升温速率为1-10°C /分钟，烘烤时间为5分钟-20小时，降温时间为20分钟-10小时，在实心曲面体4表面得到含有荧光粉B与树脂C的混合涂层；烘烤温度!\高于树脂C的玻璃化转变温度，但低于树脂A的融化温度10°C以上，且!\接近但低于树脂A的融化温度；在烘烤温度1\下，有机溶剂完全挥发或分解；在烘烤温度T ，树脂A粉末软化并结合成连续的玻璃体，即可在实心曲面体4表面得到含荧光粉B的树脂A涂层。
[0096]树脂A应该比树脂C有更好的流动性，而且树脂A的玻璃化转变温度及融化温度均低于树脂A的玻璃化转变温度及融化温度10°C以上，在烘烤温度T1下树脂A的粉末软化、甚至接近融化，在树脂C表面上相互粘连，形成均匀分布的连续玻璃体；此时，荧光粉B颗粒被连续的玻璃体(树脂A)分隔并包裹，在实心曲面体4表面上形成均匀的含荧光粉B的树脂A涂层。
[0097]树脂A应该有与树脂C相近或相同的热膨胀系数，以免从烘烤温度T1冷却至室温的过程中，由于两种树脂的热膨胀系数的差异导致实心曲面体4变形；对于热膨胀系数差异不大的两种树脂，可以借助于模具来固定实心曲面体4的形状；优选树脂A和树脂C为同一种树脂的不同衍生品种，则树脂C涂层与实心曲面体4会完全融为一体化的结构。
[0098]上述步骤S303中干燥过程能在空气中进行，也能在真空中进行。
[0099]上述步骤S305中烘烤过程能在空气中进行，也能在真空中进行，烘烤方式是利用红外线直接烘烤或利用电热丝加热烘烤；
[0100]上述步骤S303和S305可以合并为一个分步加热步骤进行。
[0101]多次重复步骤S301?S305，直至远程荧光粉壳体3满足厚度要求为止。
[0102]实施例2:
[0103]实施例2与实施例1的区别在于，为了增强光线的混合效果，在制备远程荧光粉壳体3时，还可以在荧光粉B粉末与树脂A粉末的混合粉末中加入适量的二氧化硅
[0104](S12)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)等无机氧化物颗粒，以起到混光作用。其中荧光粉B粉末与这些氧化物颗粒的体积比为100:1?100:150o所加氧化物颗粒的粒径可根据具体的实际要求选择。上述无机氧化物颗粒也可以根据需要由两种或两种以上的种类搭配构成。
[0105]在图7中，通过电气连接端子17和22给发光装置提供一定工作电压或工作电流后，蓝光芯片20发出蓝色光线，并首先进入实心曲面体4，其中部分蓝色光线照射到远程荧光粉壳体中的荧光粉颗粒B上，激发其发出波长较长的黄色光线。这样LED芯片发出的部分蓝色光线与荧光粉受激发出的黄色光线混合就得到了白色光线。
[0106]额外加进的(S12)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)等无机氧化物颗粒会对LED蓝光芯片20发出的蓝色光中，未被程荧光粉壳体3中的荧光粉B颗粒所吸收的那部分蓝光和荧光粉B颗粒受激发所发出的波长较长的光进行更复杂的反射及折射，使得所述的两部分光线进行更充分的混合，因此获得更好质量的白光。
[0107]实施例3:
[0108]以图3对实施例3做具体说明。
[0109]图3是方伞型凸面形状结构的远程荧光粉透镜结构示意图，其中，方伞型凸面形状结构实心曲面体11的底面为一正方形，四条边的交点分别为H、1、J和K，方伞型凸面形状结构实心曲面体11是由以线段JK和线段HI的中点连线为轴线的半圆柱体及以线段IJ和线段HK中点连线为轴线的半园柱体的重叠部分构成的区域；方伞型凸面形状结构实心曲面体11的表面与方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10的内表面完全一致，且方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10具有均匀的厚度，厚度范围为I毫米。；
[0110]方伞型凸面形状结构的远程荧光粉透镜的制备步骤如下:
[0111]步骤一:将硅胶注入模具，经60?150°C固化30分钟?2小时，冷却后即可获得实心曲面体11 ；
[0112]步骤二:将硅胶与荧光粉B的粉末充分混合，经真空去气泡后注入模具，经60?150°C固化30分钟?2小时，冷却后即可获得方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10。
[0113]步骤三:在方伞型凸面形状结构的较大远程荧光粉壳体10的内表面涂覆透明胶水，将实心曲面体11安置进远程荧光粉壳体10内，经60?150°C固化30分钟?2小时，冷却后即可获得方伞型凸面形状结构的远程荧光粉透镜。
[0114]有机胶水与实心曲面体和远程荧光粉壳体有相同或相近的折射率，以免造成光线传输损失。
[0115]实施例4:
[0116]以图6和图7对实施例4做具体说明。
[0117]图7表示由COB蓝光光源加远程荧光粉透镜组合成的白光发光装置结构示意图，图6表示图7中COB蓝光集成光源(22W)的结构示意图，包含基板16，基板16上的LED芯片区域粘贴多个(组)蓝光LED芯片20，多个蓝光LED芯片通过金线21与基板16上的电路连接，17和22为光源的电气连接端子。
[0118]其中，LED芯片区域上覆盖一层透明硅胶19，透明硅胶层的厚度以刚好覆盖芯片及金线为好，将远程荧光粉透镜安置在透明硅胶层上，透镜外侧刚好紧贴围坝18，在透镜与围坝的连接处涂有硅胶。远程荧光粉透镜中实心曲面体4及远程荧光粉壳体3的有机物均为硅胶，荧光粉B包含LED绿色荧光粉(发光中心波长554nm)与红色荧光粉(波长643nm)。
[0119]将上述COB蓝光光源加远程荧光粉透镜组合放置在恒温烘箱中烘烤固化，烘烤温度为100°c，烘烤时间为2小时。待烘箱冷却至室温后，将固化后的COB蓝光光源加远程荧光粉透镜组合取出就得到了本发明的白光发光装置。
[0120]经测试表明，采用传统平面封装工艺的22W COB集成白光光源的亮度为2444流明，显指为90，而本发明中的白光发光装置的亮度为3080流明，显指为90。
【权利要求】
1.一种远程荧光粉透镜，其特征是包括一种复合曲面结构，其中复合曲面结构是一个具有较大曲率半径的类半球壳体和一个具有较小曲率半径的类半球实心曲面体的复合体，复合体的横截面为类半圆形；较大曲率半径的壳体和具有较小曲率半径的实心曲面体的类半圆形截面共有一个圆心；或是一个底面为正方形的具有方伞型凸面形状结构的大远程荧光粉壳体和一个小的方伞型凸面形状结构实心曲面体的复合体；或是一个底面为长方形的具有变形的半园柱体形状结构的大远程荧光粉壳体和一个小的变形的半园柱体形状结构实心曲面体的复合体。
2.根据权利要求1所述的远程荧光粉透镜，其特征在于壳体具有一个外表面和一个内表面；壳体的外表面为球面、抛物面或任意光滑的凸面；壳体的厚度是均匀的，或根据其最终的应用环境来调节；壳体的厚度范围为50微米?3毫米；壳体的内表面与实心曲面体表面的物理形状完全一致，为球面、或抛物面或任意光滑表面；较小的实心曲面体表面与较大的壳体内表面完全贴合。
3.根据权利要求1所述的远程荧光粉透镜，其特征在于，较大的壳体是一种远程荧光粉结构，包含一种透明有机物基体A与荧光粉B颗粒的混合物；其中，透明有机物基体A的材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂、或硅橡胶；其中，荧光粉B为LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉与LED红色荧光粉的混合物，或者是LED黄色荧光粉与少量LED红色荧光粉的混合物；较小的实心曲面体为一种透明的有机物C，其材质为PMMA、PMMA合金树脂、聚碳酸酯、PC合金树脂、环氧、丁苯、苯砜树脂、CR-39、MS、NAS、聚氨脂光学树脂、尼龙或PC增强的PMMA或MS树脂、或硅橡胶；具体可以根据使用温度环境来选择。
4.根据权利要求1、2和3所述的远程荧光粉透镜，其特征在于，壳体的有机物基体A与实心曲面体的材质C相同或不同；壳体的有机物基体A与实心曲面体的材质C具有相同或相近的折射率，以避免光线的传播损失。
5.根据权利要求1所述的远程荧光粉透镜，其特征在于，较大的远程荧光粉壳体还包含双层结构，该双层结构包含远程荧光粉外层壳体和远程荧光粉内层壳体的复合结构；内层壳体的外表面与外层壳体的内表面的物理形貌完全一样，所用材质也相同；内层壳体与外层壳体的厚度相同或不同；外层壳体中包含机物基体A和荧光粉D的混合物，内层壳体中包含机物基体A和荧光粉E的混合物；远程荧光粉内层壳体中的荧光粉是LED黄色荧光粉、或LED红色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；上述远程荧光粉外层壳体中的荧光粉D是LED黄色荧光粉、或LED绿色荧光粉，或上述任意二种荧光粉的混合物；但远程荧光粉内层壳体和远程荧光粉外层壳体所用荧光粉成分不同。
6.一种远程荧光粉透镜的制备方法，其特征在于，对于有机物基体A和有机物C的材质均为热塑性树脂时，包括下列步骤: 步骤一:将树脂C的颗粒加入注塑机的料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得实心曲面体； 步骤二:将树脂A的粉末与荧光粉B的粉末充分混合后加入注塑机料筒熔化，借助于模具通过注塑工艺获得远程荧光粉壳体； 步骤三:将实心曲面体放入远程荧光粉壳体中，在真空中烘烤使得实心曲面体的外表面与远程荧光粉壳体的内表面充分贴合；其中烘烤温度的特征在于使得有机物C和有机物A发生软化粘连，但未形成熔化状态。
7.根据权利要求6所述的一种远程荧光粉透镜的制备方法，其特征在于，步骤二和三还可以采用下列步骤来取代完成，具体如下: S301:将树脂A粉末、荧光粉B粉末和溶剂混和成均匀的浆料，其中树脂A粉末与荧光粉B粉末的质量比为100:10 - 20:150，荧光粉B粉末加树脂A粉末混合物的总体积与溶剂的体积比为10:100 - 300:100,且树脂A粉末和荧光粉B粉末的粒径在I微米到60微米之间；其中溶剂是液体的醇、醚、酮、酯、烃类。 S303:将上述浆料均匀涂覆在实心曲面体的表面上，将涂覆浆料的实心曲面体恒温干燥，干燥温度为40°C -130°C，干燥时间为5分钟-10小时；浆料的涂覆工艺包括丝网印刷及静电喷涂； S305:将干燥后的涂有浆料的实心曲面体烘烤，烘烤温度！\为100°C -260°C，升温速率为1-1O0C /分钟，烘烤时间为5分钟-20小时，降温时间为20分钟-10小时，在实心曲面体表面得到含有荧光粉B与树脂C的混合涂层；烘烤温度!\高于树脂C的玻璃化转变温度，但低于树脂A的融化温度10C以上，且1\接近但低于树脂A的融化温度；在烘烤温度T !下，有机溶剂完全挥发或分解；在烘烤温度1\下，树脂A粉末软化并结合成连续的玻璃体，即可在实心曲面体表面得到含荧光体B的树脂A涂层。 上述步骤S303中干燥过程能在空气或在真空中进行。 上述步骤S305中烘烤过程能在空气或在真空中进行，烘烤方式是利用红外线直接烘烤或利用电热丝加热烘烤； 上述步骤S303和S305能合并为一个分步加热步骤进行。
8.根据权利要求6和7所述的一种远程荧光粉透镜的制备方法，其特征在于，树脂A应该比树脂C有更好的流动性，而且树脂A的玻璃化转变温度及融化温度均低于树脂A的玻璃化转变温度及融化温度10C以上，在烘烤温度T1下树脂A的粉末软化、甚至接近融化，在树脂C表面上相互粘连，形成均匀分布的连续玻璃体；此时，荧光粉B颗粒被连续的玻璃体即树脂A分隔并包裹，在实心曲面体4表面上形成均匀的含荧光粉B的树脂A涂层；树脂A应该有与树脂C相近或相同的热膨胀系数，以免从烘烤温度!\冷却至室温的过程中，由于两种树脂的热膨胀系数的差异导致实心曲面体变形；优选树脂A和树脂C为同一种树脂的不同衍生品种。
9.一种远程荧光粉透镜的制备方法，其特征在于，对于有机物基体A和有机物C的材质均为热固性树脂或硅胶时，远程荧光粉透镜的制造方法包括下列步骤: 步骤一:将热固性树脂或硅橡胶调匀，去气泡后注入模具，在50oC?200oC下固化20分钟?2小时，然后冷却至室温，即可获得实心曲面体； 步骤二:将热固性树脂或硅橡胶与荧光粉B的粉末充分混合，去气泡后注入模具，在50oC?200oC下固化20分钟?2小时，然后冷却至室温，即可获得远程荧光粉壳体3 ;步骤三:在远程荧光粉壳体的内表面涂覆透明的有机胶水，然后将实心曲面体放入远程荧光粉壳体中，在真空中烘烤使得实心曲面体的外表面与远程荧光粉壳体的内表面充分贴合；有机胶水与实心曲面体和远程荧光粉壳体有相同或相近的折射率，以免造成光线传输损失。
10.根据权利要求1、6和9所述的一种远程荧光粉透镜的制备方法，其特征在于，为了增强光线的混合效果，在制备远程荧光粉壳体时，还可以在荧光粉中加入适量的二氧化硅(S12)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)等无机氧化物颗粒，以起到混光的作用。其中荧光粉与氧化物颗粒的体积比为100:1?100:150 ;上述无机氧化物颗粒也可以根据需要由两种或两种以上的种类搭配构成。
11.一种运用远程荧光粉透镜的白光发光装置，其特征在于，包含一个发光区域为圆形COB集成蓝光光源和一个类半球体复合曲面结构的远程荧光粉透镜，或包含一个发光区域为正方形COB集成蓝光光源和一个方伞型凸面形状结构的远程荧光粉透镜，或包含一个发光区域为长方形COB集成蓝光光源和一个变形的半园柱体形状结构的远程荧光粉透镜；荧光粉与蓝光芯片间是一种“远程荧光粉”设置，与传统的将荧光粉与硅胶或环氧的混合物直接涂覆在蓝光芯片表面不同，蓝光芯片与荧光粉间不直接接触，有一定的物理空间。
【文档编号】H01L33/48GK104485411SQ201410649313
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】殷江, 陆建新, 卢伟, 殷俊 申请人:江苏脉锐光电科技有限公司