CN102945919B - 一种改善大功率led光斑的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED，尤其涉及一种改善大功率LED光斑的LED封装结构。本发明的一种改善大功率LED光斑的方法，在LED封装结构中的填充胶内均匀分布多面体结构的透明颗粒，所述透明颗粒占填充胶的2%-10%重量比。所述透明颗粒是凹透镜形状的PMMA透明颗粒、3至8面体形状的SiO2透明颗粒和大于8面的多面体形状的PC透明颗粒的混合颗粒；所述SiO2透明颗粒占填充胶的0.6%-3.7%重量比，所述PC透明颗粒占填充胶的0.2%-2.3%重量比，所述PMMA透明颗粒占填充胶的1.2%-6.3%重量比。本发明应用于改善大功率LED的光斑。
Description
技术领域
本发明涉及LED（Light-Emitting Diode，发光二极管），尤其涉及一种改善大功率LED光斑的LED封装结构。
背景技术
利用荧光粉转换的方法实现LED发出白光是目前研究得最多最热的一种方法。在实现LED发出白光过程中，荧光材料（荧光粉）覆盖LED的封装结构及工艺技术则是白光LED制成的关键核心。
例如，对于用于照明领域的功率型白光LED，其色温与色度的空间分布均匀性是产品性能的重要指标。人眼能分辨的色温差异为50-100K，目前普通LED器件色度的均匀性仍不理想，甚至单颗 LED的角向色温差异可大到800K。可见，对于白光LED，出射白光光斑均匀性研究与改善是一个重要课题。
现有对改善光斑的方法，基本上是从荧光胶工艺方面着手，例如申请日为2011.12.28、申请号为201110445591.X的发明专利，公开了一种LED光斑改善方法，该方法包括步骤1：选料：选择杯深为0.46±0.02mm，杯口角度为135度的支架，并选择粒径17-19um和粒径4-5um的荧光粉相互搭配；步骤2：点胶：用黄色荧光胶点成半球形结构，与透镜成近似平行的两个面。上述方法通过选择粒径17-19um和粒径4-5um的荧光粉相互搭配，有效提高了光通量，且将黄色荧光胶点成半球形结构，增大了发光区域。上述专利对光斑的改善有一定的效果，但无法消除LED的边缘黄斑现象，因为边缘黄斑现象是由于LED的边缘蓝光出射少，而荧光粉发出的黄光出射多造成的。
另外也有在荧光胶中加入扩散粉来缓解光斑的问题，但是由于光无法通过扩散粉，光在扩散粉的表面发生漫反射，则会降低光通量。因此，一专利申请号为200910251589.1的发明专利，公开了一种LED荧光胶，该发明是通过扩散粉和增白粉的结合，来提升扩散性并利于光体的折射。其中，扩散粉是以内径小于5微米的可融性TO粉，将该扩散粉充分混合于硅胶以提升扩散性，达到光斑扩散，提升其一致性。增白粉是由菱形体SiO2与Al2O3结合形成的，增白粉可于混合体中形成一面坚实的屏障，以便于光体的折射。该专利中，需要将扩散粉和增白粉结合使用才能达到缓解光斑的效果。且SiO2 的折射率约为1.55，经过其折射后再经过Al2O3粉剂（金属球形颗粒）的金属表面反射，使得光得以扩散，因此需要SiO2 和Al2O3搭配使用；另外，Al2O3易受粉尘污染不易储存，需要即取即用，因此工艺复杂，制备不易。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种改善大功率LED光斑的方法，通过多种混合颗粒的配合，代替SiO2和Al2O3搭配使用，在保证光通量的前提下，改善大功率LED光斑的问题，解决边缘黄斑问题，同时简化工艺，使得制备变得简单。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种改善大功率LED光斑的方法，在LED封装结构中的硅胶层和/或荧光胶层内均匀分布多面体结构的透明颗粒，所述透明颗粒占填充胶的2%-10%重量比。所述透明颗粒是SiO2透明颗粒、PC（聚碳酸脂）透明颗粒和PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）透明颗粒的混合颗粒;所述SiO2透明颗粒占填充胶的0.6%-3.7%重量比, 所述PC透明颗粒占填充胶的0.2%-2.3%重量比, 所述PMMA透明颗粒占填充胶的1.2%-6.3%重量比。其中，PMMA透明颗粒是凹透镜形状（中间薄两边厚形状），SiO2透明颗粒是3至8面体形状，PC透明颗粒是大于8面的多面体形状（例如六棱柱、七棱锥、七棱柱、八棱柱等等）。
其中LED封装结构包括LED芯片、支架、荧光胶层、光学透镜，以及硅胶层。其中，硅胶层和/或荧光胶层均匀分布了多面体结构的透明颗粒。支架上设有放置LED芯片的杯碗、将LED芯片的正负极通过导线引出的正导电脚和负导电脚、以及包覆上述正导电脚和负导电脚的基座；所述LED芯片放置于所述支架的杯碗内，所述荧光胶层完全覆盖所述LED芯片，所述硅胶层位于荧光胶层和光学透镜之间。通过在原有的LED封装结构中的填充胶散布多面体结构的透明颗粒，改善大功率LED光斑现象。
其中，PMMA透明颗粒的折射率为1.49，SiO2透明颗粒折射率为1.55，PC透明颗粒的折射率为1.5872，根据折射率从大到小，其颗粒的多面体的表面也更多。且上述材料的折射率与硅胶层的填充胶折射率（1.4）以及荧光胶折射率（1.5）接近，膨胀系数接近，且三个混合颗粒的结合，使得光线在不同折射率颗粒间相互折射，其扩散性更好。具体的，光线经过折射率较小的凹透镜形状的PMMA透明颗粒时，由光学原理，光线折射范围有限；光线经过折射率较大的3至8面体形状的SiO2透明颗粒时，光线折射范围扩大；光线经过折射率更大的大于8面的多面体形状的PC透明颗粒时，光线折射更分散，但有些光线向下折射，而造成一定的光线损失。而通过上述三种透明颗粒的结合，使得光线均匀扩散效果最好，且光线损失最小。
当然，该透明颗粒还可以选择折射率为1.5左右的其他颗粒。通过在上述硅胶层和/或荧光胶层散布有多面体结构的透明颗粒，可改变光的行进路线，使光均匀分散。
作为更进一步的技术方案，所述透明颗粒的最大直径为100-500um，上述透明颗粒可以通过激光切割实现，也可用氢氟酸腐蚀的方法实现。实验证明，选择该直径范围的透明颗粒，使得光的扩散最为均匀。
作为更进一步的技术方案，所述光学玻璃的出光面是粗糙的。该粗糙的出光面具体是若干个半球形突起形成。这样，经过该粗糙面，光的出射角度更大，减少光的全反射。增加出光角度（即光的出射角度），可以提高光通量。同时由于全反射主要是发生在LED芯片的边缘位置（光的入射角大造成的），减少全反射的同时亦可以减少光斑的产生。
本发明采用上述方案，LED芯片发出的光可穿过透明颗粒，出光率高，对光通量影响小，同时，由于透明颗粒和硅胶层的填充胶之间存在折射率差异（以及透明颗粒和荧光胶层的荧光胶之间存在折射率差异），光在通过两者的界面时发生折射，而改变了出光角度，从而使光线更加均匀与柔和。另外，蓝光和被激发后的荧光粉所发出的光在LED各个发光角度均匀混合，有效的增加了蓝光在LED边缘的出射率，从而解决了边缘黄斑问题。
附图说明
图1是本发明的实施例的支架结构示意图（含LED芯片）。
图2是本发明的实施例的结构示意图。
图3是本发明的实施例的光学透镜的剖面示意图。
图4是本发明的实施例的凹透镜形状的透明颗粒改变光线路径的示意图。
图5是本发明的实施例的三棱锥形状的透明颗粒改变光线路径的示意图。
图6是本发明的实施例的八面体形状的透明颗粒的截面图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的一种改善大功率LED光斑的方法，其通过现有的LED封装结构中的硅胶层和/或荧光胶层内均匀散布多面体结构的透明颗粒来实现。所述透明颗粒占填充胶的2%-10%重量比。那么填充胶占90%-98%重量比，具体的，所述透明颗粒是凹透镜形状的PMMA透明颗粒、3至8面体形状的SiO2透明颗粒和大于8面的多面体形状的PC透明颗粒的混合颗粒; 所述SiO2透明颗粒占填充胶的0.6%-3.7%重量比, 所述PC透明颗粒占填充胶的0.2%-2.3%重量比, 所述PMMA透明颗粒占填充胶的1.2%-6.3%重量比。上述所述透明颗粒的最大直径为100-500um。通过在硅胶层和/或荧光胶层散布有上述多面体结构的透明颗粒，可改变光的行进路线，使光均匀分散。
作为一个具体实施例，如图1-图3所示，该LED封装结构包括LED芯片1、支架2、荧光胶层5、光学透镜4、以及由分布了多面体结构的透明颗粒的填充胶组成的硅胶层3。支架2上设有放置LED芯片1的杯碗、将LED芯片1的正负极通过导线13引出的正导电脚11和负导电脚12、以及包覆上述正导电脚11和负导电脚12的基座14；所述LED芯片1放置于所述支架2的杯碗内，所述荧光胶层5完全覆盖所述LED芯片1，所述硅胶层3位于荧光胶层5和光学透镜4之间。所述支架2上还设有通孔16，用于注入填充胶。
其中，所述硅胶层3包括填充胶，填充胶内均匀分布有多面体结构的透明颗粒，本实施例中，选取SiO2透明颗粒占填充胶的2%重量比, 所述PC透明颗粒占填充胶的1.5%重量比, 所述PMMA透明颗粒占填充胶的3%重量比。透明颗粒选用SiO2透明颗粒、PC透明颗粒和PMMA透明颗粒，上述材料的折射率与硅胶层的填充胶折射率接近，膨胀系数接近。也可以选取其他折射率约在1.5左右的透明材料颗粒。
具体的，由于SiO2透明颗粒折射率（1.55）、PC透明颗粒折射率（1.5872）和PMMA透明颗粒折射率（1.49）均略高于填充胶的折射率（一般为1.4），光线在通过透明颗粒和填充胶两者之间的界面时，光线发生偏移。图4为凹透镜形状的PMMA透明颗粒改变光线路径的示意图。根据折射定律，光在凹透镜形状的透明颗粒介质中角度小，在硅胶介质中的角度大。平行光线通过凹透镜形状的透明颗粒后，光线向各个方向发散。光线再经过折射率较大的3至8面体形状的SiO2透明颗粒以及折射率更大的大于8面的多面体形状的PC透明颗粒等一定数量的透明颗粒后，经过多次的发散作用后，发散角度变得更大，光在各个角度达到均匀分布的效果。 因此，通过本发明可以获得一种均匀发光的LED。图5为三棱锥形状的透明颗粒改变光线路径的示意图。图6为八面体形状的PC透明颗粒的截面图。
所述光学玻璃的出光面是粗糙的。该粗糙的出光面具体是若干个半球形突起形成。该粗糙的出光面可以由光刻实现或者模具实现。这样，经过该粗糙面，光的出射角度更大，减少光的全反射。
为了检验LED出射光斑的光学一致性，任意选取5个样品，通过9点法测得每个LED的色坐标空间分布值，根据公式计算其色坐标的标准差及主波长分布，结果如下表所示：
| 样品号 | 样品1 | 样品2 | 样品3 | 样品4 | 样品5 |
| 9点标准差 | 0.00479 | 0.00517 | 0.00443 | 0.00469 | 0.00471 |
| 主波长（nm） | 502-528 | 485-502 | 492-504 | 493-506 | 475-481 |
由上表可见，5个样品的色坐标标准差均相对较小，主波长范围分布也较小，因此，上述工艺能更好的改善大功率LED光斑的问题，使得出射光斑更均匀，同时减少边缘黄斑现象。
下面具体介绍上述透明颗粒的制备：
1. SiO2透明颗粒（即玻璃透明颗粒）：用激光切割的方法将玻璃切割，得到3至8面体形状。也可用氢氟酸腐蚀的方法得到需要的形状;
2. PC透明颗粒：由模具挤压成型的方法得到折射率在1.4-1.6之间，形状为大于8面的多面体形状、分子量在2-20万之间的PC材料;
3. PMMA透明颗粒：由模具挤压成型的方法得到折射率在1.4-1.6之间，形状为凹透镜形状、分子量在2-20万之间的PMMA材料。
在制作本发明的LED封装结构时，首先制作填充胶，在填充胶内加入2%-10%重量比的透明颗粒；然后在支架2上完成LED芯片1的固晶焊线，然后点荧光胶形成荧光胶层5，然后将光学透镜4盖上支架2并压边，然后通过支架2上的通孔灌注混合有透明颗粒的填充胶。
当然也可以在荧光胶层填充，也可以同时在硅胶层和荧光胶层填充，其原理同上述的硅胶层填充，这里不再重复叙述。
本发明区别于目前常用的扩散粉，因为光是无法通过扩散粉的，光在扩散粉的表面发生漫反射，则会降低光通量。由于本发明在填充胶内加入三种不同形状不同折射率混合透明颗粒，而光是可以穿过透明颗粒的，其出光率高，对光通量影响小。同时，由于透明颗粒和填充胶之间存在折射率差异，光在通过两者的界面时发生折射，而改变了出光角度，从而使光线更加均匀与柔和。另外，选用100-500um范围内的颗粒，使得光的分散更为均匀。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种改善大功率LED光斑的方法，其特征在于：在LED封装结构中的硅胶层和/或荧光胶层内均匀分布多面体结构的透明颗粒，所述透明颗粒占填充胶的2%-10%重量比；所述透明颗粒是凹透镜形状的PMMA透明颗粒、3至8面体形状的SiO2透明颗粒和大于8面的多面体形状的PC透明颗粒的混合颗粒; 所述SiO2透明颗粒占填充胶的0.6%-3.7%重量比, 所述PC透明颗粒占填充胶的0.2%-2.3%重量比, 所述PMMA透明颗粒占填充胶的1.2%-6.3%重量比;
所述LED封装结构包括LED芯片、支架、荧光胶层、光学透镜以及硅胶层；支架上设有放置LED芯片的杯碗、将LED芯片的正负极通过导线引出的正导电脚和负导电脚、以及包覆上述正导电脚和负导电脚的基座；LED芯片放置于所述支架的杯碗内，荧光胶层完全覆盖所述LED芯片，所述硅胶层位于荧光胶层和光学透镜之间；
所述透明颗粒的最大直径为100-500um。
2.根据权利要求1所述的一种改善大功率LED光斑的方法，其特征在于：所述光学玻璃的出光面是粗糙的。
3.根据权利要求2所述的一种改善大功率LED光斑的方法，其特征在于：该粗糙的出光面具体是若干个半球形突起形成。
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Denomination of invention: Method for improving problem of light spots of high-power light-emitting diode (LED) Effective date of registration: 20150923 Granted publication date: 20150422 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Xiamen branch Pledgor: XIAMEN DACOL PHOTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2015350000074 |
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