本實(shí)用新型涉及一種光源結(jié)構(gòu)，具體涉及一種高密度LED光源結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前LED照明行業(yè)發(fā)展迅速，大功率LED具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已陸續(xù)得到應(yīng)用。由于受光學(xué)設(shè)計(jì)的限制，除了器件的總光通量，很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷挝幻娣e光通量(光密度)在不斷提高。

提高LED的單位面積光通量主要有兩個(gè)途徑，增加芯片內(nèi)部電光轉(zhuǎn)化的光子總數(shù)和提高已產(chǎn)生光子的出光效率：一.增加芯片內(nèi)部電光轉(zhuǎn)化的光子總數(shù)一方面可通過改進(jìn)芯片外延層的質(zhì)量，提高電光轉(zhuǎn)化效率實(shí)現(xiàn)；另一方面可通過增加使用時(shí)的功率即電流密度實(shí)現(xiàn)。受半導(dǎo)體中載流子密度的限制，LED的單位面積電功率不可能無限增加，因此LED單位面積的出光量也存在最大極限。專利“超大功率垂直芯片的集成封裝”(公開號(hào)CN105261693A)中公布的電流密度范圍為0.35～3.5A/mm²，但其上限已很難達(dá)到，當(dāng)前高性能芯片實(shí)際穩(wěn)態(tài)工作時(shí)能達(dá)到的最大電流密度約為1.5A/mm²。而且隨著器件功率的增加，單位面積和單位功率的出光效率均會(huì)明顯下降；二.提高已產(chǎn)生光子的出光效率主要指改變LED出光面的表面結(jié)構(gòu)以增加取光效率，把芯片內(nèi)部的發(fā)光盡可能得輸出，如安裝具有各種表面結(jié)構(gòu)的透鏡，鍍?cè)鐾改さ?。通過改進(jìn)芯片外延層的發(fā)光結(jié)構(gòu)也可以適當(dāng)提高光效，如歐司朗公司2016年5月最新推出的3D納米白光LED技術(shù)的芯片，通過增加藍(lán)光出光層的表面積，可以把單位面積的出光效率提高20％左右?？傊?，單純通過提高芯片本身質(zhì)量以增加出光密度的方式存在物理極限，將無法滿足長遠(yuǎn)需求。

由于存在光學(xué)擴(kuò)展量的限制，一個(gè)高效的高密度光源肯定無法通過單純擴(kuò)大LED出光面積然后聚光的方式實(shí)現(xiàn)，因此出光面越小，光密度越高，對(duì)后續(xù)的光學(xué)設(shè)計(jì)越有利。如大屏幕高亮度投影顯示領(lǐng)域?qū)Τ龉庠垂饷娴某叽缬袊?yán)格要求(通常不大于2.6*3.2mm²)，尺寸過大無法實(shí)現(xiàn)有效成像；一些軍事領(lǐng)域的高亮度窄擴(kuò)散角照明器件必須把光源的總發(fā)光面積限制在很小范圍(如5*5mm²，光密度要求160流明/mm²)；微創(chuàng)手術(shù)照明對(duì)光源面積通常限制在10～12mm²，光密度要求250流明/mm²。顯然普通LED光學(xué)結(jié)構(gòu)將很難勝任今后高密度發(fā)光領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，而其他高密度光源如激光則存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，效率低，受法規(guī)限制等各種不利因素，因此尋找一種合理的高密度光源解決方案將具有非常巨大的價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種高密度LED光源結(jié)構(gòu)及其制備方法，從而在熒光材料棒的端面輸出高密度光，其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一方面，本實(shí)用新型提供一種高密度LED光源結(jié)構(gòu)，包括固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體和至少一個(gè)電路基板，所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的至少一端面為出光面，所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體上鍍有與出光波長匹配的反射膜，且所述出光端面上未鍍有反射膜，所述電路基板設(shè)于所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的至少一側(cè)面上，所述電路基板上設(shè)有LED芯片陣列，所述LED芯片陣列與固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。

本實(shí)用新型的高密度LED光源結(jié)構(gòu)，通過在多面鍍反射膜的固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的側(cè)面設(shè)置LED芯片陣列，在固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的側(cè)面注入某種波長的光(通常由LED芯片產(chǎn)生)，由于熒光材料中存在大量發(fā)光中心，這些發(fā)光中心通過受激和發(fā)射過程會(huì)將該波長的光高效得轉(zhuǎn)化成另一波長的光，新產(chǎn)生的光在熒光材料棒內(nèi)部經(jīng)過一系列反射過程，最終在熒光材料棒的頂端輸出高密度光；采用獨(dú)特的空間立體范圍進(jìn)行光轉(zhuǎn)換并在一個(gè)小面輸出的方式，黃綠光的單位面積出光量可達(dá)2051流明/mm²，突破了單片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

作為優(yōu)選的方案，所述出光面上還設(shè)有與出光波長相匹配的增透膜。

采用上述優(yōu)選的方案，在提高光密度的同時(shí)，提高出光效率。

作為優(yōu)選的方案，還包括散熱系統(tǒng)，所述散熱系統(tǒng)包括第一散熱基板和第二散熱基板，所述第一散熱基板設(shè)在所述電路基板上與LED芯片陣列相對(duì)的一面，所述第二散熱基板設(shè)在所述反射膜外，所述散熱系統(tǒng)與所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的外形相適配。

采用上述優(yōu)選的方案，在提高光密度的同時(shí)，提高散熱效果。

作為優(yōu)選的方案，所述LED芯片陣列中的芯片為倒裝芯片、正裝芯片或垂直芯片中。

作為優(yōu)選的方案，所述LED芯片陣列中的芯片根據(jù)激發(fā)波長需要可為紫外光芯片、藍(lán)光芯片或綠光芯片。

作為優(yōu)選的方案，所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的縱截面為矩形或梯形，所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的橫截面為圓形或方形。

采用上述優(yōu)選的方案，梯形的截面方便取光。

作為優(yōu)選的方案，所述反射膜包括介質(zhì)膜，所述介質(zhì)膜外設(shè)有金屬膜，所述介質(zhì)膜為20～90層的多層膜，每層厚度為對(duì)應(yīng)反射波長的一半，所述金屬膜的厚度為0.2～2微米。

采用上述優(yōu)選的方案，介質(zhì)膜反射帶寬60～250納米，反射角小于85°時(shí)反射率99.5％，反射角大于85°時(shí)反射率45％；鋁膜全角度的反射率均為92％，可增加整體反射效果。

作為優(yōu)選的方案，所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體由選自黃綠光熒光材料、藍(lán)光熒光材和紅光熒光材料中的至少一種構(gòu)成。

采用上述優(yōu)選的方案，除了傳統(tǒng)的白光，還可以產(chǎn)生不同波長的高密度光源，可以實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)(RGB)三種顏色的高密度光源，波長可選擇，對(duì)于大屏幕高亮度投影等現(xiàn)代顯示技術(shù)有極大幫助。

作為優(yōu)選的方案，所述黃綠光熒光材料選自Ce離子摻雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，所述藍(lán)光熒光材選自BGO、PWO或Ce離子摻雜的YSO、LSO、GSO中的至少一種，所述紅光熒光材料選自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等離子摻雜的鋁酸鹽、硅酸鹽或者氟化物晶體、陶瓷、玻璃材料，或摻雜氮化物紅光熒光粉的透明玻璃中的至少一種。

另一方面，本實(shí)用新型還提供一種上述高密度LED光源結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

1)處理固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料，得到固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體；

2)再將相應(yīng)的增透膜鍍?cè)诠虘B(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的至少一個(gè)側(cè)面上，然后在所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的剩余的其他側(cè)面鍍反射膜，得到鍍膜后的固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體；

3)制作帶LED芯片陣列的電路基板，然后將電路基板帶LED陣列的一側(cè)與所述鍍膜后的固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的入光面耦合；再將所述電路基板的另一側(cè)與第一散熱基板連接；

4)再將所述鍍膜后的固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的未耦合電路基板的反射面上貼覆第二散熱基板，即得。

作為優(yōu)選的方案，在步驟2)中，先在所述固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的剩余的其他側(cè)面鍍多層的介質(zhì)膜，然后在介質(zhì)膜上鍍金屬膜，所述介質(zhì)膜于200～400℃鍍膜，所述金屬膜于150～200℃鍍膜。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：

1.固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體，2.出光面，3.反射膜，4.LED芯片陣列，5.第一散熱基板，6.電路基板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。

為了達(dá)到本實(shí)用新型的目的，如圖1所示，本實(shí)用新型的高密度LED光源結(jié)構(gòu)，包括固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1和至少一個(gè)電路基板6，固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1的至少一端面為出光面2，固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1上鍍有反射層3，且出光端面2上未鍍有反射膜層3，電路基板6設(shè)于固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1的至少一側(cè)面上，電路基板6上設(shè)有LED芯片4陣列，LED芯片陣列4與固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。

本實(shí)用新型實(shí)施例的高密度LED光源結(jié)構(gòu)，通過在多面鍍反射膜的固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的側(cè)面設(shè)置LED芯片陣列，在固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的側(cè)面注入某種波長的光(通常由LED芯片產(chǎn)生)，由于熒光材料中存在大量發(fā)光中心，這些發(fā)光中心通過受激和發(fā)射過程會(huì)將該波長的光高效得轉(zhuǎn)化成另一波長的光，新產(chǎn)生的光在熒光材料棒內(nèi)部經(jīng)過一系列反射過程，最終在熒光材料棒的頂端輸出高密度光；采用獨(dú)特的空間立體范圍進(jìn)行光轉(zhuǎn)換并在一個(gè)小面輸出的方式，單位面積出光量可達(dá)2051流明/mm²，突破了單片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，出光面2上還設(shè)有增透膜。在提高光密度的同時(shí)，提高出光效率。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，還包括散熱系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)包括第一散熱基板5和第二散熱基板，第一散熱基板5設(shè)在電路基板6上與LED芯片陣列4相對(duì)的一面，第二散熱基板設(shè)在反射膜3外，散熱系統(tǒng)與固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1的外形相適配。在提高光密度的同時(shí)，提高散熱效果。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，LED芯片陣列4中的芯片選自倒裝芯片、正裝芯片和垂直芯片中的至少一種。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，LED芯片陣列4中的芯片根據(jù)激發(fā)波長需要可為紫外光芯片、藍(lán)光芯片或綠光芯片。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1的縱截面為矩形或梯形，固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體的橫截面為圓形或方形。梯形的截面方便取光。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，反射面膜3包括介質(zhì)膜，介質(zhì)膜外設(shè)有金屬膜，介質(zhì)膜為20～90層的多層膜，金屬膜的厚度為0.2～2微米。從而使反射帶寬60～250納米，反射角小于85°時(shí)反射率99.5％，反射角大于85°時(shí)反射率45％；通過金屬膜使反射率提高至92％。具體實(shí)施時(shí)，介質(zhì)膜可由氧化鈦層、氧化硅層和氧化鋯層組合而成，金屬膜為鋁膜。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體1由選自黃綠光熒光材料、藍(lán)光熒光材和紅光熒光材料中的至少一種構(gòu)成。除了傳統(tǒng)的白光，還可以產(chǎn)生不同波長的的高密度光源，可以實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)(RGB)三種顏色的高密度光源，波長可選擇，對(duì)于大屏幕高亮度投影等現(xiàn)代顯示技術(shù)有極大幫助。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本實(shí)用新型的實(shí)施效果，黃綠光熒光材料選自Ce離子摻雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，藍(lán)光熒光材選自BGO、PWO或Ce離子摻雜的YSO、LSO、GSO中的至少一種，紅光熒光材料選自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等離子摻雜的鋁酸鹽或者硅酸鹽晶體、陶瓷、玻璃材料，或摻雜氮化物紅光熒光粉的透明玻璃中的至少一種。

以下以具體實(shí)施例的方式，來對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明。

除非特別指明，以下實(shí)施例中所用的試劑和藥品，均可從正規(guī)渠道商購獲得。

實(shí)施例1

1)切割研磨拋光長寬高分別為40*1.5*2.6mm³規(guī)格的Ce：YAG透明晶體熒光棒(固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體)。注入藍(lán)光，出射黃綠光。

2)在Ce：YAG透明晶體熒光棒的4個(gè)側(cè)面、1個(gè)端面鍍氧化鈦和氧化硅基質(zhì)的黃綠光反射膜，并在注入藍(lán)光的側(cè)面加鍍藍(lán)光增透膜，其中反射面中的介質(zhì)膜的層數(shù)為40層，反射帶寬為120納米，即位于520-640納米之間，金屬膜為鋁膜，膜厚0.2微米。

3)制作倒裝藍(lán)光LED芯片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍(lán)光芯片，芯片發(fā)光波段為455納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側(cè)與Ce：YAG透明晶體熒光棒鍍藍(lán)光增透膜的側(cè)面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進(jìn)入晶體內(nèi)部。

4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。

使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定上述方法制得的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的光通量為8000流明，黃綠光的單位面積出光量可達(dá)2051流明/mm²。

實(shí)施例2

1)切割研磨拋光長寬高分別為40*2.6*3.2mm³規(guī)格的Ce：LuAG透明晶體熒光棒(固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體)。注入藍(lán)光，出射綠光。

2)在Ce：LuAG透明晶體熒光棒注入藍(lán)光的兩個(gè)側(cè)面鍍氧化鈦和氧化硅基質(zhì)的黃綠光反射膜和藍(lán)光增透膜，在出光面鍍藍(lán)光增透膜，其余3個(gè)面鍍金屬反射膜，其中反射面中的介質(zhì)膜的層數(shù)為90層，反射帶寬為250納米，金屬膜為鋁膜，膜厚0.8微米。

3)制作倒裝藍(lán)光LED芯片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍(lán)光芯片，芯片發(fā)光波段為445納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側(cè)與Ce：LuAG透明晶體熒光棒的側(cè)面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進(jìn)入晶體內(nèi)部。

4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。

使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定上述方法制得的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的光通量為17990流明，黃綠光的單位面積出光量可達(dá)2162流明/mm²。

實(shí)施例3

1)切割研磨拋光長寬高分別為40*2.6*3.2mm³規(guī)格的Cr：YAG透明晶體紅光熒光棒(固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體)。注入黃綠光，出射紅光。

2)在Cr：YAG透明晶體紅光熒光棒的4個(gè)側(cè)面、1個(gè)端面鍍氧化鈦、氧化鋯和氧化硅的紅光反射膜，其中兩個(gè)寬度為2.6毫米對(duì)稱的側(cè)面加鍍黃綠光增透膜，其中反射面中的介質(zhì)膜的層數(shù)為40層，反射帶寬為120納米，即位于580-700納米之間，金屬膜為鋁膜，膜厚1.5微米。

3)制作綠光LED芯片陣列，使用20顆功率為1.5瓦的綠光芯片，芯片發(fā)光波段為560納米左右，通過鍍銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片LED芯片發(fā)光的面與Cr：YAG透明晶體熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進(jìn)入晶體內(nèi)部。

4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。

使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定上述方法制得的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的紅光光通量為720流明，紅光的單位面積出光量為87流明/mm²。

實(shí)施例4

1)切割研磨拋光長寬高分別為25*1.5*2.6mm³規(guī)格的小功率Ce：YAG透明陶瓷熒光棒(固態(tài)熒光轉(zhuǎn)化材料基體)。注入藍(lán)光，出射黃綠光。

2)在Ce：YAG透明陶瓷熒光棒入藍(lán)光的側(cè)面鍍氧化鈦和氧化硅基質(zhì)的黃綠光反射膜和藍(lán)光增透膜，在出光面鍍藍(lán)光增透膜，其余4個(gè)面鍍金屬反射膜，其中反射面中的介質(zhì)膜為60層，反射帶寬為180納米，金屬膜為鋁膜，膜厚1微米。

3)制作倒裝藍(lán)光LED芯片陣列，使用15顆功率為3瓦的藍(lán)光芯片，芯片發(fā)光波段為450納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側(cè)與Ce：YAG透明陶瓷熒光棒的側(cè)面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進(jìn)入晶體內(nèi)部。

4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。

使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定上述方法制得的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的光通量為4998流明，黃綠光的單位面積出光量為600流明/mm²。

實(shí)施例5

1)切割研磨拋光長寬高分別為20*1.5*2.6mm³規(guī)格的Ce：GSO藍(lán)光熒光晶體棒。

2)在Ce：GSO藍(lán)光熒光晶體棒的3個(gè)側(cè)面、1個(gè)端面鍍氧化鈦和氧化硅的藍(lán)光反射膜，其中兩個(gè)寬度為2.6毫米對(duì)稱的側(cè)面加鍍紫光增透膜，其中反射面中的多層介質(zhì)膜為20層，反射帶寬為60納米，金屬膜為鋁膜，膜厚2微米。

3)制作紫光LED芯片陣列，使用15顆功率為1.5瓦的紫光芯片，芯片發(fā)光波段為360納米左右，通過鍍銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片LED芯片發(fā)光的面與Ce：GSO熒光晶體棒的兩側(cè)面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進(jìn)入玻璃內(nèi)部。

4)制作與Ce：GSO熒光晶體棒外形配套的散熱裝置，并與熒光棒的兩側(cè)面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。

使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定上述方法制得的高密度LED光源結(jié)構(gòu)的藍(lán)光光功率光通量為300流明，藍(lán)光的單位面積出光量為77流明/mm²。

具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施例

將當(dāng)前國際頂級(jí)商用大功率LED(白光)的出光密度，使用遠(yuǎn)方PMS-80積分球測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定比較，結(jié)果如下述表1所示：

表1

從上述表1可看出，本實(shí)用新型的高密度LED光源結(jié)構(gòu)，光密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)中的LED的光密度，在典型的1.5*2.6mm²的截面積可以出光大于8000流明，單位面積出光量可達(dá)2051流明/mm²，突破了單片LED的光密度限制。

以上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。