一种基于二极管和荧光粉膜的组合式白光激光光源模组的制作方法

1.本发明涉及照明装置技术领域。具体而言，涉及一种基于二极管和荧光粉膜的组合式白光激光光源模组。


背景技术：

2.白光源广泛用于日常照明中。传统的白色光源包括通过电阻加热灯丝而发光的灯丝灯泡、利用由放电气体产生的紫外线激发白色荧光体的荧光灯等。然而，白炽灯泡存在发光效率很低、寿命短的问题，而荧光灯也存在效率低、体积大而空间受限的问题。目前，led照明被广泛应用于固态照明领域。而led照明中，通过是由双波长光(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。目前广泛应用的激光白光是通过蓝色光激光二极管(gan/ingan)和黄色光荧光粉(yag或tag)组成。
3.考虑到目前采用的led光源常见为二极管光源，其光电转化效率一般都较低并且二极管芯片的尺寸很小,导致二极管芯片的热流密度非常大，尤其是在高光功率需求下二极管的散热更具有挑战性。此外为了实现高亮度照明，激发荧光粉的光斑直径都很小，导致激发光能量密度非常高。在荧光粉层中除了光致发光过程(吸收蓝光发出黄光)，同样伴随着光致发热现象，因此荧光粉膜以及其涂覆的基板可以被认为是一个具有高热流密度的小型化热源。研究表明在没有散热措施下，荧光粉温度极易上升至热淬灭温度，导致效率下降、性能衰减甚至失效。
4.查阅相关已公开的技术方案，公开号为wo2022100647a1的技术方案提出一种绿色荧光陶瓷材料及其制备方法和应用，该绿色荧光陶瓷材料的化学组成包括有石墨烯，使得所述绿色荧光陶瓷材料具有热导率高、散热性好、发光波长在490～540nm范围内可控等特点；公开号为us20170074502a1的技术方案通过将发光二极管与灯组的金属外壳连接，使发光二极管的热量能传导到外壳上并随之散发后散热；公开号为jp2017045002a的技术方案通过布置于光源模组中央的一个散热风扇，对模组中的多个光源进行散热，并且能够通过多个光源的发热情况进行散热风扇的转速调整从而实现差异化的散热效果。
5.然而以上提及的方案没法解决由于光源的高集成度以及在极狭窄空间下的积热问题，因此其散热效率还有待提高。
6.背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种公共常识的一部分。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提供一种基于二极管和荧光粉膜的组合式白光激光光源模组；所述光源模组包括激发光源、反射镜、荧光粉膜、基板、基板底座和散热板，其中所述激发光源与涂覆了所述荧光粉膜的所述基板都置于所述基板底座上；所述基板底座与所述散热板紧密接触以保证热传递效率；所述激发光源与所述基板的热量能通过热传递迅速传导到所述散热板，并通过所述散热板进一步将热量消散。其中，所述散热板采用蒸发式腔室散
热板，其内部的毛细结构具有位置差异，能显著地将所述激发光源与所述基板的热量通过吸热流体的流通迅速带到所述散热板中温度较低的位置，从而实现快速散热。
8.本发明采用如下技术方案：
9.一种基于二极管和荧光粉膜的组合式白光激光光源模组，所述光源模组包括激发光源、反射镜、荧光粉膜、基板、基板底座和散热板；其中
10.所述激发光源，被配置为采用激光二极管发出波长范围在425nm至480nm的蓝色激光作为初始光源；
11.所述反射镜用于将所述激发光源的蓝色激光反射到所述荧光粉膜上；
12.所述荧光粉膜通过将荧光粉涂布于所述基板的工作面上形成；所述荧光粉膜被配置为通过接收由所述激发光源所发射的蓝色激光从而发生光致发光反应后，激发放出黄光；
13.所述基板为高透明度材料，其第一面为所述工作面，与第一面相对的第二面为反射面；部分蓝色激光在穿透所述荧光粉膜后，在所述反射面上发生完全反射并折返形成反射蓝光；由所述荧光粉膜发出的黄光与所述反射蓝光混合后形成最终需要的白光；
14.所述基板底座为金属材料；所述基板底座的第一侧用于固定所述激发光源的金属管座以及所述基板；所述基板底座的第一侧表面布置有连接电路，用于连接所述激发光源以及提供所述激发光源使用的电源；所述基板底座同时吸收所述激发光源以及所述基板工作时所产生的热量从而对所述激发光源和所述基板进行散热；
15.所述散热板位于与所述基板底座的第一侧相对的第二侧，所述散热板为所述基板底座进行散热；
16.其中，所述散热板为蒸气腔室式散热板；所述散热板包括外壳以及由所述外壳完整覆盖从而形成的腔室；所述腔室为真空腔体，并且在所述腔室内设有吸热流体；并且在所述腔室内部的上表面与下表面覆盖有吸液芯；所述吸液芯具有毛细结构，使所述吸热流体吸附在所述吸液芯内，或者在所述吸液芯内部流动；
17.并且，所述散热板在与所述激发光源的金属管座的接近部分为第一吸热部，在所述第一吸热部位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第一密度ρ1；所述散热板在与所述基板的接近部分为第二吸热部，在所述第二吸热部位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第二密度ρ2；所述吸液芯的其余位置的毛细结色的的孔径分布密度为第三密度ρ3；并且满足：
18.ρ1》ρ2》ρ3；
19.优选地，所述吸液芯由粉末烧结形成毛细结构；
20.优选地，所述基板底座与所述散热板之间设置有导热层；所述导热层由导热材料构成；
21.优选地，所述激发光源的金属管座通过使用钎焊工艺与所述基板底座连接固定，从而提高所述金属管座与所述基板底座的导热性能；
22.优选地，所述激发光源的发射端包括设置有光学微腔层；所述激发光源的发射端包括设置有光学微腔层；所述光学微腔层由第一微腔以及第二微腔交替堆叠而成，所述第一微腔、所述第二微腔分别采用两种不同折射率的材料所形成；所述第一微腔的材料为氧化硅，以及所述第二微腔的材料为氧化钛。
23.本发明所取得的有益效果是：
24.1.本发明的光源模组通过将模组内的光源以及基板等组件位置进行优化设计后，能够通过同一块基板底座对光源以及荧光粉膜的基板进行同时散热，简化了散热部件的设计难度同时提高了散热效能；
25.2.本发明的光源模组通过使用基于蒸汽真空腔的散热板技术进行对模组组件的快速散热，其热导率与以往采用散热片的散热方式提高大约50％，而相比使用液冷的散热方式的安全性能亦明显提高；
26.3.本发明的光源模组通过采用具有光学微腔层的过滤层对激发光源进行初次过滤，能够有效减少荧光粉膜及基板在反射光线导致的发热以及光谱混乱情况，提高了白光光照的色准和色纯度；
27.4.本发明的光源模组其各组件采用模块化设计和配合，后期可通过对硬件进行灵活优化和变更，节省了量产化后大量维护和升级成本。
附图说明
28.从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
29.图1为本发明所述光源模组的示意图；
30.图2为本发明实施例中所述散热板的示意图；
31.图3为本发明实施例中所述散热板的支柱示意图；
32.图4为本发明实施例中所述散热板的散热鳍片的示意图。
33.附图图例说明：10-蓝色激光；20-反射光束；30-出射蓝光；40-黄光；50-白光；101-激发光源；102-反射镜；103-荧光粉膜；104-基板；105-基板底座；106-导热层；107-散热板；108-光学微腔层；201-外壳；203-腔室；211-上表面；212-下表面；210-第一吸热部；220-第二吸热部；230-第三吸热部；205-支柱；207-散热鳍片。
具体实施方式
34.为了使得本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统.方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内.包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
35.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位.以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.实施例一：
37.如附图1所示，一种基于二极管和荧光粉膜的组合式白光激光光源模组，所述光源模组包括激发光源101、反射镜102、荧光粉膜103、基板104、基板底座105和散热板107；其中
38.所述激发光源101，被配置为采用激光二极管发出波长范围在425nm至480nm的蓝色激光作为初始光源；
39.所述反射镜102用于将所述激发光源101的蓝色激光反射到所述荧光粉膜103上；
40.所述荧光粉膜103通过将荧光粉涂布于所述基板104的工作面上形成；所述荧光粉膜103被配置为通过接收由所述激发光源101所发射的蓝色激光从而发生光致发光反应后，激发放出黄光；
41.所述基板104为高透明度材料，其第一面为所述工作面，与第一面相对的第二面为反射面；部分蓝色激光在穿透所述荧光粉膜103后，在所述反射面上发生完全反射并折返形成反射蓝光；由所述荧光粉膜103发出的黄光与所述反射蓝光混合后形成最终需要的白光；
42.所述基板底座105为金属材料；所述基板底座105的第一侧用于固定所述激发光源101的金属管座以及所述基板104；所述基板底座105的第一侧表面布置有连接电路，用于连接所述激发光源101以及提供所述激发光源101使用的电源；所述基板底座105同时吸收所述激发光源101以及所述基板104工作时所产生的热量从而对所述激发光源和所述基板进行散热；
43.所述散热板107位于与所述基板底座105的第一侧相对的第二侧，所述散热板107为所述基板底座105进行散热；
44.其中，所述散热板107为蒸气腔室式散热结构；所述散热板107包括外壳以及由所述外壳完整覆盖从而形成的腔室；所述腔室为真空腔体，并且在所述腔室内设有吸热流体；并且在所述腔室内部的上表面与下表面覆盖有吸液芯；所述吸液芯具有毛细结构，使所述吸热流体吸附在所述吸液芯内，或者在所述吸液芯内部流动；
45.并且，所述散热板107在与所述激发光源101的金属管座的接近部分为第一吸热部，在所述第一吸热部位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第一密度ρ1；所述散热板107在与所述基板104的接近部分为第二吸热部，在所述第二吸热部位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第二密度ρ2；所述吸液芯的其余位置的毛细结色的的孔径分布密度为第三密度ρ3；并且满足：ρ1》ρ2》ρ3；
46.优选地，所述吸液芯由粉末烧结形成毛细结构；
47.优选地，所述基板底座105与所述散热板107之间设置有导热层106；所述导热层106由导热材料构成；
48.优选地，所述激发光源101的金属管座通过使用钎焊工艺与所述基板底座105连接固定，从而提高所述激发光源101的金属管座与所述基板底座105的导热性能。
49.优选地，所述激发光源101的发射端包括设置有光学微腔层108；所述光学微腔层108由第一微腔以及第二微腔交替堆叠而成，所述第一微腔、所述第二微腔分别采用两种不同折射率的材料所形成；所述第一微腔的材料为氧化硅，以及所述第二微腔的材料为氧化钛；如附图1所示的示意图，所述光源模组的基本工作原理为，所述激发光源101发射出的蓝色激光10向外发射，并到达所述反射镜102中；可选地，设置一个透镜在所述激发光源101的发射端，用于将发射的蓝色激光10进行聚焦并形成准直光束；准直光束入射到所述反射镜102的镜面发生镜面反射，经过所述反射镜102的镜面反射后，形成反射光束20，并以一定角
度入射到水平放置的所述荧光粉膜103上，部分蓝光被所述荧光粉膜103吸收并转化为黄光40；通过反射镜与水平的夹角，可以实现入射光斑与所述荧光粉膜103的尺寸匹配，从而提高光能量的利用率；所述荧光粉膜103涂覆于所述基板104上，两者具有相同的截面形状和尺寸；所述基板104为反射面涂覆有高反射率材质涂层的透明基板，直接透过所述荧光粉膜103的出射蓝光30和在所述荧光粉膜103产生的黄光40在所述基板104的反射面会发生镜面反射，重新在所述荧光粉膜103中发生吸收和转化，最后出射的出射蓝光30和黄光40混合形成白光50；
50.优选地，所述激发光源101的激光二极管的发射波长为425nm至480nm的蓝光，采用的是to形式封装的激光二极管光源；
51.优选地，反射镜102的镜面反射率≥95％；
52.优选地，荧光粉膜103为玻璃荧光粉、含透明荧光粉的陶瓷粉末、单晶荧光粉中的任一种，其峰值发射波长为520～570nm；
53.优选地，所述基板104为高透明树脂材质，并在其所述反射面进行镀膜形成反射涂层，镀膜的材料可以为银、钛之一或者两者的合金组成的高反射材料；
54.优选地，所述基板底座105为铝/铝合金、铜/铜合金、碳化硅(sic)、氮化铝(aln)或其他高导热材料。
55.实施例二：
56.本实施例应当理解为至少包含前述任意一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进；
57.进一步的，由于所述激发光源101发出的蓝色激光10其光谱带较宽，而所述荧光粉膜104的有效光致反应的带宽范围可能比蓝色激光10的光谱带窄；一般来说，荧光粉吸收入射光和放出激发光的发光效率与入射光的光谱中心以及荧光粉的吸收光谱中心有关，当两者的重合度越高，激发光的能量就越高；因为激发光谱比吸收光谱的带宽窄，随着激发光谱与吸收光谱的比例减小，用于激发蓝色激光10的损失将增加；同时，未发生光致反应的少量多余的蓝光将影响最终白光50的色准度，因此，通过设置所述光学微腔层108对蓝色激光10的光谱范围进行调制；所述光学微腔层108使所述光源发射的蓝色激光10带宽变窄,中心波长的强度增加；这种趋势随着不同折射率材料层数的增加而增加；
58.优选地，所述光学微腔层108由两种不同折射率的材料交替堆叠而成；两种不同折射率的材料层可以分别由氧化硅和氧化钛制成，微腔优选堆叠2～4层不同折射率的两种材料；通过实验测得，当微腔的层数超过4层时，蓝光的透射率降低，从而提供给黄色荧光体的蓝光强度太弱；本实施方式中的光学微腔层108减小了蓝光的光谱带宽，提高了黄色荧光粉的蓝光吸收效率；此外，光学微腔层108还用于将从所述荧光粉膜反射的少量蓝光反射回到所述荧光粉膜的方向上。
59.实施例三：
60.本实施例应当理解为至少包含前述任意一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进；
61.为确保白光光源能满足使用寿命以及白光色度和光度满足使用要求，因此需要进一步优化光源的散热效能；故设置所述散热板107用于对所述基板底座105进行快速散热，以同时对所述激发光源101、所述荧光粉膜103，以及所述基板104提供足够的冷却条件；
62.如附图2所示，所述散热板107包括外壳201，以及贴附于所述外壳201内各内壁面上的吸液芯；其中，所述外壳201优选地由具有散热特性的材质制成，例如黄铜、紫铜、铝合金等；
63.进一步的，所述该外壳201内部为一个真空的腔室203，所述腔室203呈密封状态，并注入有吸热流体；设定所述腔室203的上、下两个较大面积的内表面分别为上表面211与下表面212；示例性地以附图2为例，其中，以所述下表面212为与所述基板底座105最接近的内表面；
64.进一步的，所述吸液芯贴附着于所述上表面211以及所述下表面212；所述吸液芯实际为具有毛细组织结构的微结构区域；毛细组织可为编织网或粉末烧结而成；当编织网交织分布越松散、或烧结粉末的颗粒越大时，所形成的网目(即孔洞)越大、孔径越大；反之，当编织网交织分布越致密或烧结粉末的颗粒越小时，所形成网目越小、孔径越小；另外，使用“毛细密度”参数，指示毛细组织在相同面积或体积下，其毛细疏密的程度；由于毛细孔径越小者，在相同面积或体积下，区域内能分布的孔洞数量越多，因此其毛细疏密程度较密，毛细密度较高；反之，毛细孔径越大者，所能分布的孔洞数量越少，故其毛细疏密程度较疏，毛细密度较低；
65.进一步的，在所述下表面212由第一吸热部210、第二吸热部220以及第三吸热部230所构成；所述第一吸热部210位于所述激发光源的金属管座的正上方，并且优选地所述第一吸热部210的面积s1为所述金属管座在所述基板底座105上的投影面积sa的1.05倍到1.1倍；
66.进一步的，所述第二吸热部220位于所述基板104的正上方，并且优选地，所述第二吸热部220的面积s2为所述基板104在所述基板底座105上的投影面积sb的1.03倍到1.1倍；
67.而所述上表面211上的吸液芯部分，均为第三吸热部230；
68.并且根据本发明要求，设定第一吸热部210位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第一密度ρ1；所述第二吸热部220位置的所述吸液芯的毛细结构的孔径分布具有第二密度ρ2；所述第三吸热部230具有第三密度ρ3；并且满足：
69.ρ1》ρ2》ρ3；
70.就毛细孔径而言，所述第一吸热部210为最小者，其次为所述第二吸热部220，而毛细孔径最大者为所述第三吸热部230；而就毛细密度而言，所述第一吸热部210为最高者，其次为所述第二吸热部220，而毛细密度最低者为所述第三吸热部230；通过设置不同的毛细孔径或毛细密度，使吸液芯各部位能藉由不同的毛细孔径或毛细密度而发挥所述散热板对应于不同散热部位所需要的吸热特性；下面详细陈述；
71.例如对应于发热源位置，即所述激发光源101的金属管座位置，以及所述基板104所在位置，其需要使流动于该位置附近吸液芯内的吸热流体快速汽化，则设置这些发热源位置的吸液芯其毛细孔径小、毛细密度高，其内部流通的吸热流体容易被分散而稀少，即易于快速汽化；而若需储存较多的吸热流体量，则其毛细孔径大、毛细密度低；
72.通过以上设计，在所述光源模组未通电工作且产生热量前，所述散热板107内的吸热流体均呈现液态，并囤积于吸液芯内且动态平衡地分布于第一、第二、第三吸热部；
73.当所述光源模组通电工作且产生热量时，发热源开始发热，同时所述散热板因遇热而吸收热量；至此，由于所述第一吸热部210以及所述第二吸热部220具有比所述第三吸
热部230更小的毛细孔径或更高的毛细密度，故流通于所述第一吸热部210以及所述第二吸热部220内的吸热流体也较容易被分散，且被分散后的吸热流体量也较为稀少；因而于遇热后，所述第一吸热部210以及所述第二吸热部220内的吸热流体能较所述第三吸热部230内的吸热流体先达到汽化状态；故可以更快地将发热源部份的热量以蒸汽形式通过，并且流向所述散热板的较冷部位，藉此缩短吸热流体汽化时所需花费的汽化时间，以达到快速传热之目的；
74.而当汽化后的吸热流体经所述散热板的较冷部位冷却后，恢复成液态的吸热流体则可透过所述第三吸热部230快速回流至受热端的所述第一吸热部210以及所述第二吸热部220处，此时，由于所述第三吸热部230又具有较所述第一吸热部210以及所述第二吸热部220更大的毛细孔径或更低的毛细密度，而毛细孔径较大或毛细密度较低者，其内流通的吸热流体也较容易聚集而囤积，故可方便恢复成液态的吸热流体大量回流，并提供储存预备汽化的吸热流体量，避免均温板发生乾烧问题；
75.进一步的，在一些实施方法中，如附图3所示，为提高所述散热板107的结构稳定，避免腔室203在受热板发生形变，优选地在所述上表面211以及所述下表面212之间，设置多个支柱结构205，用于保持所述上表面211与所述下表面212之间的固定间距；
76.进一步的，在一些实施方式中，包括在所述散热板107的外表面通过焊接方式设置多片散热鳍片207；所述散热鳍片207的形状可以为圆柱状、正四边棱形或者薄片状；通过设置散热鳍片207可进一步加快所述散热板内热量的散发，加强所述光源模组的散热效能。
77.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
78.虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
79.在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
80.综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。