CN100489386C - 无反射高出光率单元wled功率扩容式大功率wled光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无反射高出光率单元WLED功率扩容式大功率WLED光源，在散热基板上焊接多个蓝光BLED芯片，在各BLED芯片上面涂上硅胶质荧光粉，形成白光WLED发光体，使用具有高透光率的高强度工业塑料PC制作成薄型等厚半球状外壳，采用和PC相同透光率的高透明硅凝胶填充到PC外壳中，形成硅胶半球透镜，把硅胶透镜对中封装于荧光粉上方形成无反射高出光率单元WLED光源，由各个单元WLED光源组合扩容成为大功率WLED光源。该光源可制成路灯、应急照明灯、矿井巷道安全照明灯、矿井帽灯、地铁及机场安全照明灯、室内照明灯等WLED灯具产品，具有结构科学合理、制作成本低、散热性能好、耗电量低、光效率高、使用寿命长等优点。

Description

无反射高出光率单元WLED功率扩容式大功率WLED光源

技术领域

本发明内容属于半导体照明应用技术领域，涉及一种高效节能的大功率WLED光源。

背景技术

迄今在各类电器设备中用电量最大的是照明设备，目前我国照明用电量占全国总发电量的20％左右，采用可节约电能的半导体照明灯(LED)无疑是构建节能型社会的重要因素。近年来，随着国家绿色照明工程的启动，国家发展和改革委员会等多部门共同组织实施了旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的活动，半导体照明灯已成为“国家绿色照明工程”中明确要求推广应用的主要产品。

目前，由于单只LED灯的功率<5w，尚达不到大功率照明的要求，所以大功率LED照明领域公知LED照明灯的光源一般均采用由多只小于5w的LED芯片通过串联、并联组合而成。其基本封装工艺结构如图1所示：在散热基板1上焊接蓝色发光芯片(BLED芯片)2；在BLED芯片2上面涂上硅胶质荧光粉3；再在荧光粉3上面平面封装保护硅胶6。上述常见的大功率LED光源结构虽基本解决了LED照明的功率扩容问题，但它仍存在有出光效率较低等不足，其原因归结于图2所示的光路结构分析。

在图2所示的LED灯单元中，LED芯片2所发出的光束通过荧光粉3后射入硅胶6时形成180°光源，光线再从硅胶6射入空间。光线是由光密介质射入光疏介质，是两种不同折射率的介质，光线会发生向偏离法线方向折射现象，当入射角大于临界角时会在硅胶中产生全反射。

其中：n₁＝n_s＝1.53    n_s为硅胶折射率

      n₂＝n_A＝1.0     n_A为空气折射率

则由斯涅尔公式得：θ_c＝sin^-1(n₂/n₁)＝sin^-1(1/1.53)＝41⁰。

因为硅胶出光面平面所致，光束从硅胶射入空气中，仅当光束中光线入射角度θ<θ_c×2＝41⁰×2＝82⁰的部分才能折射输出至空气空间中，其余很大部分光线在硅胶内部形成全反射损耗，不能输出到空气空间。和LED芯片所发光源通过荧光粉后射入硅胶的角度180⁰相比，出光角度比仅为：82/180＝0.46。考虑到射入硅胶光束的入射角较大，其中入射光线入射角在120⁰以上时，对外辐射光强影响已经较弱，其光强贡献率按30％计，则通过硅胶射入空气中的光束将会使光输出效率降低为：E＝82⁰/[120⁰+(60⁰×30％)]＝60％，即：会使光通量损失40％左右；另一方面光线在硅胶内的全反射能量产生热，使LED芯片温度升高，LED芯片工作在较高温度上时会大幅度降低发光效率，使LED芯片产生发光衰减。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，进而提供一种结构科学合理、制作成本低、散热性能好、耗电量低、光效率高、光衰减小、使用寿命长的无反射高出光率单元WLED功率扩容式大功率WLED光源。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的无反射高出光率单元WLED功率扩容式大功率WLED光源如图3和图4所示，它具有一块厚度为H1的散热基板1，在散热基板1上焊接有多个按行列式灯阵排布组成的芯片发光宽度为2w的BLED芯片2，在各芯片2上面分别涂一层硅胶质荧光粉3，形成白光WLED发光体，芯片2的厚度+荧光粉3的厚度为h，在散热基板1上各发光体外用高透光率、高强度工业塑料PC按H＝R-0.577w-0.33h的关系式分别罩设一个壁厚为0.2mm且透光率为n₁＝1.40的薄型等厚半球状外壳5，式中H为半球状外壳5的高度，R为半球状外壳5的半径，R＝H+H₁，在半球状外壳5与发光体和基板1围成的空间内采用和PC相同透光率的高透明硅凝胶填充到PC外壳中形成硅胶半球透镜4，由此组成无反射高出光率单元WLED光源，进而由各个单元WLED光源组合扩容成为大功率WLED光源。

根据斯涅尔公式：n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂。

其中，n₁和n₂分别是两个介质的折射率，θ₁和θ₂分别是入射角和折射角。

得：入射角θ₁＝0⁰时：θ₂＝sin^-1(0⁰)＝0⁰

即：当入射光线从一种折射率的介质垂直射入不同折射率的另一种介质表面时，光线不发生折射和反射，而是垂直透射进入。

该WLED光源内各单元WLED工作中，在通过硅胶内光束中光线入射角θ<120⁰的光线无反射、无折射、垂直射入空间。

如图4所示，透镜高度H的关系式：

H＝R-H1

H1＝w₁×tan(30⁰)

w₁＝w-h×tan(30⁰)

H＝R-H1＝R-w₁×tan(30⁰)＝R-[w-h×tan(30⁰)×tan(30⁰)]

   ＝R-0.577(w-0.577h)＝R-0.577w-0.33h

即：当透镜半球高度满足：H＝R-0.577w-0.33h时通过硅胶内光束中光线入射角θ<120⁰的光线能无反射、无折射、垂直射入空间。

另外，通过硅胶内光束中光线入射角120⁰≤θ≤180⁰的光线也能无反射的进入空间，如图4所示。

从上述推导知，LED芯片所发出的光束通过荧光粉后射入硅胶时形成180°平面光源，即：从硅胶射入到空气界面时光束角度为180°

∵θ₁＝30⁰-θ₃、θ₃≥0⁰

∴θ₁≤30⁰

临界角：θ_c＝sin^-1(n₂/n₁)

其中介质1为硅胶，透光率n₁＝1.40，介质2为空气，透光率n₂＝1

由斯涅尔公式得：θ_c＝sin^-1(n₂/n₁)＝sin^-1(1/1.40)＝45⁰

∵θ₁≤30⁰、θ_c＝45⁰

∴θ₁<θ_c

因为入射角小于临界角，故通过硅胶内光束中光线入射角120⁰≤θ≤180⁰的光线可以无反射的进入空间。

与现有技术比较，本发明具有的主要优点是：

一、无反射、高出光率

本发明采用了无反射单元WLED光源功率扩容封装技术，使单元WLED光源的出光角大幅度提高，在单元WLED光源内部无光反射，相邻单元WLED光源间光干涉很小，光损耗很小，使光输出效率较常见功率扩容扩展技术增加光效率30％以上。

二、结构科学、合理、新颖

1、该单元WLED光源功率扩容式封装和常见封装方式相比，使芯片密度相对减小，则热功率密度相应减小，有利于芯片散热，提高了芯片发光效率；使发光面积相对增加，则光通过面积相应增加，减小光通过损失、增加光通量、降低光线眩目。

2、由于芯片密度相对减小，降低了生产难度，有利于提高产品成品率，降低了生产制程成本。

3、光源散热器和一体化散热灯具接触面积较大、散热加固方式方便、坚固，有利于光源的散热和加固。

4、采用工程塑料PC制作的WLED透镜外壳具有很强很高的抗冲击强度，可极大程度地提高光源使用可靠性。

5、在PC透镜外壳内填充少量高透光率、高弹性、高导热性、硅凝胶，其固化后为柔态，能缓解LED芯片热胀冷缩的张力，和LED芯片随动。PC外壳解决了硅凝胶的对外强度。

三、低成本

该单元WLED光源功率扩容式封装和常见封装方式相比，在相同光通量条件下，可减少LED芯片用量30％，减少硅胶用量40％，减少制作成本20％以上，由此大幅度降低原材料的成本。

四、散热性能好、低功耗、光效率高

该单元WLED光源功率扩容式封装和常见封装方式相比，因为其具有散热性能好，出光率高的优点，使LED芯片可在较低温度下工作，能很大程度的提高LED芯片的发光效率，降低LED芯片热功耗，降低电功率耗损。

五、光衰减小、寿命长

该单元WLED功率扩容式大功率WLED光源可在相同光通量条件下降低工作功率，LED芯片长期工作在较小功率、较低温度下，可以使LED芯片的光衰减很小，能极大程度的延长LED芯片的使用寿命。

附图说明

图1为目前常见大功率LED发光体的结构示意图。

图2为常见大功率LED发光体结构的硅胶介质平面到空气介质光折射(临界角)示意图。

图3为本发明所述大功率WLED光源的结构示意图。

图4为本发明所述大功率WLED光源的无反射原理图。

图5为单元WLED芯片的封装结构示意图。

图6为多单元WLED扩容结构示意图。

图7为BLED芯片装焊示意图。

图8为透镜选取示意图。

图9为50W路灯WLED光源的结构示意图。

具体实施方式

参见图3～图5，在散热基板1上按行列式灯阵排布焊接多个芯片发光宽度为2w的蓝光BLED芯片2；在各BLED芯片2上面涂上硅胶质荧光粉3，形成白光WLED发光体；使用具有高透光率的高强度工业塑料PC按H＝R-0.577w-0.33h关系式设计制作成薄型(0.2mm)等厚半球状外壳5；采用和PC相同透光率(n₁＝1.40)的高透明硅凝胶填充到PC外壳中，形成硅胶半球透镜4；把硅胶半球透镜4对中封装于荧光粉上方形成无反射高出光率单元WLED光源，由各个单元WLED光源组合扩容成为大功率WLED光源。

图6为多单元WLED扩容结构示意图，在散热基板1上封装多个单元WLED光源，扩容光输出功率以达到大功率的要求。

在图6中，当X>R时，单元WLED光源所发出的角度大于θ的直射光线不能进入另外相邻单元WLED光源硅胶透镜中，相邻单元WLED光源之间的距离有一定的限制。图6中标号I表示光线远离透镜，标号II表示光线相切透镜通过。

X＝直射光线与相邻透镜的距离；

R＝透镜半径；

L＝相邻透镜间的距离；

θ＝最小出光角度。

L＝X/sinθ

∵在X≥R时直射光线不能进入相邻透镜

∴X_min＝R，L_min＝X_min/sinθ＝R/sinθ

L_min＝R/sinθ

即：相邻单元WLED光源之间的距离L≥R/sinθ。

本发明具体实施例中BLED芯片装焊以及透镜选取的形式分别如图7和图8所示，单元WLED光源采用1×1mm表面发光、金属衬底、单引出线8、蓝光BLED芯片2。其发光宽度为：w＝1/2＝0.5mm、芯片+荧光粉高度为：h＝0.5mm。为了保证芯片的散热面积(Y)、引线焊点强度(Y2)、耐压特性(Y3)、方便生产(Y1)等取：Y＝2w+0.2＝1.4mm，Y1＝0.3mm，Y2＝0.8mm，Y3＝0.4mm。图7中标号7为芯片焊点，9为焊线点。

在图8所示的透镜选取形式中，X_min＝Y/2+Y1+Y2+Y3

                               ＝1.4/2+0.3+0.8+0.4＝2.2mm

即：X≥X_min＝2.2mm；

透镜半径R_min≥X≥2.2mm，

H1＝R-H＝R-(R-0.557w-0.33h)

  ＝0.577w+0.33h＝0.577×0.5+0.33×0.5＝0.45，

即：H1＝0.45mm

$X=\sqrt{R^2-{\left(H1\right)}^2}=\sqrt{R^2-{0.45}^2}=\sqrt{R^2-0.2}=R\&times;\sqrt{1-\frac{0.2}{R^2}}$

R_min>X≥2.2mm，

当R＝2.2mm时，0.2/R²＝0.2/2.2²＝0.04

X＝0.98R

当R>2.2mm时，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

R_min＝1.02X_min＝1.02×2.2＝2.25mm

即：R≥2.25mm

为了降低成本，减少昂贵材料PC和高透明硅胶的用量，R不能选取的过大，以选取值R＝2.5mm为宜。

当LED芯片w＝0.5mm，h＝0.5mm；最小出光角θ<30°，为了提高出光率，取最小出光角θ＝25°。

则：H＝R-0.577w-0.33h

     ＝2.5-0.577×0.5-0.33×0.5

     ＝2.04mm≈2.0mm

取透镜R＝2.5mm，H＝2.0mm，最小出光角θ＝25°

则：相邻透镜间的距离L≥R/sinθ

                     ＝2.5/sin(25°)＝5.9mm

取：L＝6.0mm。

本发明设计者在上述技术方案的基础上已开发出了多种大功率WLBD光源，利用大功率WLED光源研制成功有：路灯、应急照明灯、矿井巷道安全照明灯、矿井帽灯、地铁及机场安全照明灯、医院和宾馆用照明灯、室内照明灯管、室内照明灯泡等WLED灯具产品。

图9为根据本发明技术方案设计的50W路灯WLED光源示意图。在厚为3.0mm高导热性能敷铜铝基板上按串并联关系制成大功率印制电路板，在铝基板上超声焊接封装52只单元WLED光源，形成50W大功率WLED光源，把此光源加固到一体化散热灯具的外壳上，加上控制电路后即成为路灯等灯具。

Claims (1)

1、一种无反射高出光率单元WLED功率扩容式大功率WLED光源，其特征在于具有一块厚度为H1的散热基板(1)，在散热基板(1)上焊接有多个按行列式灯阵排布组成的芯片发光宽度为2w的BLED芯片(2)，在各芯片(2)上面分别涂一层硅胶质荧光粉(3)，形成白光WLED发光体，芯片(2)厚度+荧光粉(3)厚度为h，在散热基板(1)上各发光体外用高透光率、高强度工业塑料PC按H＝R-0.577w-0.33h的关系式分别罩设一个壁厚为0.2mm且透光率为n₁＝1.40的薄型等厚半球状外壳(5)，式中H为半球状外壳(5)的高度，R为半球状外壳(5)的半径，R＝H+H1，在半球状外壳(5)与发光体和基板(1)围成的空间内采用和PC相同透光率的高透明硅凝胶填充到PC外壳中形成硅胶半球透镜(4)，由此组成无反射高出光率单元WLED光源，进而由各个单元WLED光源组合扩容成为大功率WLED光源。

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