專利名稱：無反射高出光率單元wled功率擴容式大功率wled光源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明內容屬于半導體照明應用技術領域，涉及一種高效節(jié)能的 大功率WLED光源。
背景技術：
迄今在各類電器設備中用電量最大的是照明設備，目前我國照明 用電量占全國總發(fā)電量的20%左右，采用可節(jié)約電能的半導體照明燈 (LED)無疑是構建節(jié)能型社會的重要因素。近年來，隨著國家綠色照 明工程的啟動，國家發(fā)展和改革委員會等多部門共同組織實施了旨在 節(jié)約電能、保護環(huán)境、改善照明質量的活動，半導體照明燈已成為"國 家綠色照明工程"中明確要求推廣應用的主要產品。
目前，由于單只LED燈的功率< 5w，尚達不到大功率照明的要求， 所以大功率LED照明領域公知LED照明燈的光源一般均采用由多只小 于5w的LED芯片通過串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。其基本封裝工藝結構如 圖1所示在散熱^ 1上焊接藍色發(fā)光芯片(BLED芯片)2;在BLED 芯片2上面涂上硅膠質熒光粉3;再在熒光粉3上面平面封裝保護硅 膠6。上述常見的大功率LED光源結構雖基本解決了 LED照明的功率 擴容問題，但它仍存在有出光效率較低等不足，其原因歸結于圖2 所示的光路結構分析。
在圖2所示的LED燈單元中，LED芯片2所發(fā)出的光束通過熒光 粉3后射入珪膠6時形成180°光源，光線再從硅膠6射入空間。光線 是由光密介質射入光疏介質，是兩種不同折射率的介質，光線會發(fā) 生向偏離法線方向折射現(xiàn)象，當入射角大于臨界角時會在硅膠中產 生全反射。 其中iu = ns=1.53 ns為硅膠折射率 n2 = nA =1. 0 n,為空氣折射率 則由斯涅爾公式得6。-sirf1( n2/ni) =siif1 ( 1/1. 53) - 41°。
因為硅膠出光面平面所致，光束從硅膠射入空氣中，僅當光束 中光線入射角度e < 6^2 = 41Qx2 = 82°的部分才能折射輸出 至空氣空間中，其余很大部分光線在硅膠內部形成全反射損耗，不 能輸出到空氣空間。和LED芯片所發(fā)光源通過熒光粉后射入硅膠的 角度180°相比，出光角度比僅為82/180 = 0.46?？紤]到射入硅 膠光束的入射角較大，其中入射光線入射角在120。以上時，對外輻 射光強影響已經較弱，其光強貢獻率按30%計，則通過硅膠射入空氣 中的光束將會使光輸出效率降低為E=827[120°+ (60、 30%)]= 60%,即會使光通量損失40%左右；另一方面光線在珪膠內的全反 射能量產生熱，使LED芯片溫度升高，LED芯片工作在較高溫度上時 會大幅度降低發(fā)光效率，使LED芯片產生發(fā)光衰減。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的不足，進而提供一種結 構科學合理、制作成本低、散熱性能好、耗電量低、光效率高、光 衰減小、使用壽命長的無反射高出光率單元WLED功率擴容式大功率 WLED光源。
為實現(xiàn)上迷發(fā)明目的而采用的技術解決方案是這樣的所提供 的無反射高出光率單元WLED功率擴容式大功率WLED光源如圖3和 圖4所示，它具有一塊厚度為Hl的散熱基板1,在散熱基板1上焊 接有多個按行列式燈陣排布組成的芯片發(fā)光寬度為2w的BLED芯片 2,在各芯片2上面分別涂一層砝膠質熒光粉3，形成白光WLED發(fā)光 體，芯片2的厚度+熒光粉3的厚度為h，在散熱基板1上各發(fā)光體 外用高透光率、高強度工業(yè)塑料PC按H = R - 0. 577w - 0. 33h的
關系式分別罩設一個壁厚為0. 2mm且透光率為ru = 1. 40的薄型等厚 半球狀外殼5，式中H為半球狀外殼5的高度，R為半球狀外殼5的 半徑，R = H + & ，在半球狀外殼5與發(fā)光體和基板1圍成的空間 內采用和PC相同透光率的高透明珪凝膠填充到PC外殼中形成硅膠 半球透鏡4，由此組成無反射高出光率單元WLED光源，進而由各個 單元WLED光源組合擴容成為大功率WLED光源。 根據(jù)斯涅爾公式ihsin6i = n2sin62。
其中，ru和n2分別是兩個介質的折射率，6i和6 2分別是入射角
和折射角。
得入射角6產0。時e2-sin—1(0。) =0°
即當入射光線從一種折射率的介質垂直射入不同折射率的另 一種介質表面時，光線不發(fā)生折射和反射，而是垂直透射進入。
該WLED光源內各單元WLED工作中，在通過硅膠內光束中光線 入射角6 <120°的光線無反射、無折射、垂直射入空間。
如圖4所示，透鏡高度H的關系式
H = R-H1
Hl = wj tan(300)
Wi = w - h x tan (30。)
H = R - HI = R - Wi x tan (30。) = R - [w -h x tan (30。) x tan (30。)] =R-0. 577 (w - 0. 577h) =R-0. 577w -0. 33h
即當透鏡半球高度滿足H = R-0. 577w-0. 33h時通過硅膠內光 束中光線入射角6 <120°的光線能無反射、無折射、垂直射入空間。
另外，通過硅膠內光束中光線入射角120、 6 <180°的光線也能 無反射的ii^空間，如圖4所示。
從上述推導知，LED芯片所發(fā)出的光束通過熒光粉后射入硅膠時 形成180。平面光源，即從硅膠射入到空氣界面時光束角度為180°'
...6 、30。
臨界角6<: = sin1( n2/n》
其中介質1為硅膠，透光率n產l. 40，介質2為空氣，透光率n2=l 由斯涅爾公式得e,sin1( ih/iu) =sin_1( 1/1.40) = 45。
..6、30。、 6C=45。
因為入射角小于臨界角，故通過硅膠內光束中光線入射角120° < 6 <180°的光線可以無反射的^空間。
與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明具有的主要優(yōu)點是
一、 無反射、高出光率
本發(fā)明釆用了無反射單元WLED光源功率擴容封裝技術，使單元 WLED光源的出光角大幅度提高，在單元WLED光源內部無光反射，相 鄰單元WLED光源間光干涉很小，光損擬艮小，使光輸出效率較常見 功率擴容擴展技術增加光效率30%以上。
二、 結構科學、合理、新穎
1、 該單元WLED光源功率擴容式封裝和常見封裝方式相比，使芯 片密度相對減小，則熱功率密度相應減小，有利于芯片散熱，提高 了芯片發(fā)光效率；使發(fā)光面積相對增加，則光通過面積相應增加， 減小光通過損失、增加光通量、降低光線眩目。
2、 由于芯片密度相對減小，降低了生產難度，有利于提高產品 成品率，降低了生產制程成本。
3、 光源散熱器和一體化散熱燈具接觸面積較大、散熱加固方式 方便、堅固，有利于光源的散熱和加固。
4、 釆用工程塑料PC制作的WLED透鏡外殼具有很強很高的抗沖 擊強度，可極大程度地提高光源使用可靠性。 5、在PC透鏡外殼內填充少量高透光率、高彈性、高導熱性、硅 凝膠，其固化后為柔態(tài)，能緩解LED芯片熱脹冷縮的張力，和LED 芯片隨動。PC外殼解決了硅凝膠的對外強度。
三、 低成本
該單元WLED光源功率擴容式封裝和常見封裝方式相比，在相同 光通量條件下，可減少LED芯片用量3(W，減少硅膠用量40%,減少 制作成本20 4以上，由此大幅度降低原材料的成本。
四、 散熱性能好、低功耗、光效率高
該單元WLED光源功率擴容式封裝和常見封裝方式相比，因為其 具有散熱性能好，出光率高的優(yōu)點，使LED芯片可在較低溫度下工 作，能很大程度的提高LED芯片的發(fā)光效率，降低LED芯片熱功耗， 降低電功率耗損。
五、 光衰減小、壽命長
該單元WLED功率擴容式大功率WLED光源可在相同光通量條件下 降低工作功率，LED芯片長期工作在較小功率、較低溫度下，可以使 LED芯片的光衰減很小，能極大程度的延長LED芯片的使用壽命。


圖1為目前常見大功率LED發(fā)光體的結構示意圖。
圖2為常見大功率LED發(fā)光體結構的硅膠介質平面到空氣介質光
折射(臨界角)示意圖。
圖3為本發(fā)明所述大功率WLED光源的結構示意圖。 圖4為本發(fā)明所述大功率WLED光源的無反射原理圖。 圖5為單元WLED芯片的封裝結構示意圖。 圖6為多單元WLED擴容結構示意圖。 圖7為BLED芯片裝焊示意圖。 圖8為透鏡選取示意圖。
圖9為50W路燈WLED光源的結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖3~圖5,在散熱基板l上按行列式燈陣排布焊接多個芯 片發(fā)光寬度為2w的藍光BLED芯片2;在各BLED芯片2上面涂上硅 膠質熒光粉3，形成白光WLED發(fā)光體；使用具有高透光率的高強度 工業(yè)塑料PC按H = R-O. 577w-0. 33h關系式設計制作成薄型(0. 2咖) 等厚半球狀外殼5;采用和PC相同透光率(n產1.40)的高透明硅凝膠 填充到PC外殼中，形成硅膠半球透鏡4;把硅膠半球透鏡4對中封 裝于熒光粉上方形成無反射高出光率單元WLED光源，由各個單元 WLED光源組合擴容成為大功率WLED光源。
圖6為多單元WLED擴容結構示意圖，在散熱基板1上封裝多個 單元WLED光源，擴容光輸出功率以達到大功率的要求。
在圖6中，當X〉R時，單元WLED光源所發(fā)出的角度大于e的直 射光線不能進入另外相鄰單元WLED光源硅膠透鏡中，相鄰單元WLED 光源之間的距離有一定的限制。圖6中標號I表示光線原離透鏡，標 號n表示光線相切透鏡通過。
X-直射光線與相鄰透鏡的距離；
R-透鏡半徑；
L-相鄰透鏡間的距離；
6 -最小出光角度。
L = X/sin6
在X^R時直射光線不能ii^相鄰透鏡 . X由-R， Ui,Xmin/sin6 =R/sin6 I^in = R/sin6
即相鄰單元WLED光源之間的距離L > R/sin6。 本發(fā)明具體實施例中BLED芯片裝焊以及透鏡選取的形式分別如
圖7和圖8所示，單元WLED光源采用lxlmm表面發(fā)光、金屬襯底、 單引出線8、藍光BLED芯片2。其發(fā)光寬度為w=l/2=0. 5咖、芯片 +熒光粉高度為h=0.5mm。為了保證芯片的散熱面積(Y )、引線焊 點強度(Y2 )、耐壓特性(Y3 )、方便生產(Yl )等取:Y=2w+0. 2=1. 4mm， Y1=0. 3咖，Y2=0. 8mm， Y3-0. 4mm。圖7中標號7為芯片焊點，9為焊 線點。
在圖8所示的透鏡選取形式中，Xnin = Y/2+Yl+Y2+Y3
=1. 4/2+0. 3+0. 8+0. 4 - 2. 2咖
即X>Xnin=2. 2,;
透鏡半徑DX》2. 2咖， HI = R - H = R - (R - 0. 557w — 0. 33h)
=0. 577w+0. 33h = 0. 577 x 0. 5+0. 33 x 0. 5 = 0. 45， 即H1 = 0. 45 mm
V 及 Rmin>X> 2. 2,，
當R = 2,2mm 時，0. 2/R2 = 0, 2/2. 22 = 0. 04 X = 0. 98R
當R>2. 2咖時，0. 2/R2 < 0. 2/2. 22=0. 04 X= 0. 98R
即R >2. 2mm ， R>X>0. 98R R > X/0. 98=1. 02X Rmin = 1. 02Xmin = 1. 02 x 2. 2 = 2. 25mm 即R > 2. 25mm
為了降低成本，減少昂貴材料PC和高透明硅膠的用量，R不能選 取的過大，以選取值R = 2. 5mm為宜。
當LED芯片w=0. 5咖，h= 0.5mm;最小出光角6 < 30° ，為了提 高出光率，取最小出光角6=25。。 貝，J: H-R-O. 577w - 0. 33h
=2. 5 - 0. 577 x 0. 5 - 0. 33 x 0. 5 =2. 04咖"2. 0mm 取透鏡R-2. 5mm， H = 2. Oram,最小出光角6=25° 則相鄰透鏡間的距離L > R/sin6
=2. 5/sin(25° ) = 5. 9咖
取L = 6. 0咖。
本發(fā)明設計者在上述技術方案的基礎上已開發(fā)出了多種大功率 WLED光源，利用大功率WLED光源研制成功有路燈、應急照明燈、 礦井巷道安全照明燈、礦井帽燈、地鐵及機場安全照明燈、醫(yī)院和 賓館用照明燈、室內照明燈管、室內照明燈泡等WLED燈具產品。
圖9為根據(jù)本發(fā)明技術方案設計的50W路燈WLED光源示意圖。 在厚為3.0mm高導熱性能敷銅鋁基板上按串并聯(lián)關系制成大功率印 制電路板，在鋁基板上超聲烊接封裝52只單元WLED光源，形成50W 大功率WLED光源，把此光源加固到一體化散熱燈具的外殼上，加上 控制電路后即成為路燈等燈具。
權利要求
1、一種無反射高出光率單元WLED功率擴容式大功率WLED光源，其特征在于具有一塊厚度為H1的散熱基板(1)，在散熱基板(1)上焊接有多個按行列式燈陣排布組成的芯片發(fā)光寬度為2w的BLED芯片(2)，在各芯片(2)上面分別涂一層硅膠質熒光粉(3)，形成白光WLED發(fā)光體，芯片(2)厚度+熒光粉(3)厚度為h，在散熱基板(1)上各發(fā)光體外用高透光率、高強度工業(yè)塑料PC按H＝R-0.577w-0.33h的關系式分別罩設一個壁厚為0.2mm且透光率為n1＝1.40的薄型等厚半球狀外殼(5)，式中H為半球狀外殼(5)的高度，R為半球狀外殼(5)的半徑，R＝H+H1，在半球狀外殼(5)與發(fā)光體和基板(1)圍成的空間內采用和PC相同透光率的高透明硅凝膠填充到PC外殼中形成硅膠半球透鏡(4)，由此組成無反射高出光率單元WLED光源，進而由各個單元WLED光源組合擴容成為大功率WLED光源。
2 、根據(jù)權利要求1所述的無反射高出光率單元WLED功率擴容 式大功率WLED光源，其特征在于相鄰透鏡(4)間的距離L > R/sin 6 ， 式中6 <30° 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無反射高出光率單元WLED功率擴容式大功率WLED光源，在散熱基板上焊接多個藍光BLED芯片，在各BLED芯片上面涂上硅膠質熒光粉，形成白光WLED發(fā)光體，使用具有高透光率的高強度工業(yè)塑料PC制作成薄型等厚半球狀外殼，采用和PC相同透光率的高透明硅凝膠填充到PC外殼中，形成硅膠半球透鏡，把硅膠透鏡對中封裝于熒光粉上方形成無反射高出光率單元WLED光源，由各個單元WLED光源組合擴容成為大功率WLED光源。該光源可制成路燈、應急照明燈、礦井巷道安全照明燈、礦井帽燈、地鐵及機場安全照明燈、室內照明燈等WLED燈具產品，具有結構科學合理、制作成本低、散熱性能好、耗電量低、光效率高、使用壽命長等優(yōu)點。
文檔編號F21V29/00GK101173758SQ20071001870
公開日2008年5月7日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權日2007年9月20日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請人:胡家培;胡民海