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CN102074637B - 封装固态发光芯片的方法、结构及使用该封装结构的光源装置 - Google Patents

封装固态发光芯片的方法、结构及使用该封装结构的光源装置 Download PDF

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Abstract

一种封装固态发光芯片的方法、结构，尤其是，基于散热基底以及设置或封装在该散热基底上的单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片，将各所述固态发光芯片的发光面设置为裸面；该封装固态发光芯片的结构还包括单个或呈阵列分布的复数个准直装置，架设在各所述固态发光芯片的上方并对准所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。使用本封装结构或方法的光源装置或包括光源装置的灯光照明装置，具有较低的光学扩展量，低成本地实现高亮度、高功率光输出。

Description

封装固态发光芯片的方法、结构及使用该封装结构的光源装置
技术领域本发明涉及固态发光器件，例如适用于光发射的半导体器件，尤其涉及所述固态发光器件的封装方法及结构。
背景技术目前大功率舞台灯光光源主要采用金卤放电泡。金卤放电泡为白色光源，使用寿命较低，一般为几百小时到数千小时不等。因金卤放电泡的发光谱为白色连续光谱，舞台灯光所需的不同色彩只能靠彩色滤光片来滤光实现，使得灯光投射出的图案具有较低的色彩饱和度，色彩既不鲜艳，也不丰富。
固态光源，包括半导体发光器件(例如但不限于发光二极管)，可在驱动电功率作用下发光(例如但不限于可见光)，为绿色无污染的干净节能光源。与传统光源相比，固态光源具有使用寿命较长、功耗低、波长可调等优点。限于现有LED(发光二极管)的散热和光通量等性能指标的不足，LED光源暂主要应用于一些小功率、低端的换色灯产品上。若大功率舞台灯光采用LED光源，则可以省掉所述彩色滤光片，并通过调节不同基色LED的电流来改变光源的颜色，从而利用单色LED较高的色彩饱和度，可使舞台灯光色彩的表现自由度大为提高。但现常用LED发热量大，发光效率还不够高，且单个LED芯片不能承受高功率，因此大功率舞台灯光的高光通量往往要靠LED阵列或LED芯片阵列来实现。例如，申请号为200720061982.0的中国专利所公开的一种舞台灯光源组件，就采用了一个LED阵列和大型散热装置来提供一百瓦的发光功率。
目前大功率LED芯片的大小约为1x1毫米，厚度约为100微米，蓝光LED芯片所采用的GAN材料的折射率为2.5，绿光LED芯片所采用的AlGaInP材料的折射率为3.4，而空气的折射率为1。可见LED芯片和空气二者的折射率具有较大反差，这将使得LED芯片具有较小的光出射临界角。从而在LED芯片中，因出射角度大于该临界角的光线将被反射回去，造成了较大的临界损失。现有光源为了提高LED的发光效率，往往将LED封装为：在LED芯片上直接封装一个半球形的透镜，来减小临界损失；或是在LED芯片上覆盖一层薄薄的硅胶，一来可以增加光线的透射率，二来可以防止芯片受到机械损伤。
上述现有技术的不足之处在于：采用所述封装结构的LED光源只能用在没有角度限制的产品上，如换色灯、洗墙灯等低端产品上，此类光源出射光一般直接投射往墙壁，或通过二次光学透镜再投射往墙壁，均未在光源系统中采用投影镜头，因而不必考虑LED光源光线角度的匹配，光源光通量越高越好。而对于大功率LED图案灯等投影系统，因成像系统对光线的角度限制、成像系统体积所受到的限制、及系统对成像质量和大功率光输出亮度的较高要求，LED光源除了要考虑高光通量输出以外，还要考虑低光学扩展量，来提高整个光学系统的光学效率。
发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种封装固态发光芯片的方法及结构，使采用该封装结构的光源装置具有较低的光学扩展量，以提高光学系统整体的光学效率。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：现有光源往往用具有一定折射率的介质来封装固态发光芯片的发光面以提高光通量，但基于成像系统对光线的角度限制及光输出亮度的较高要求，有必要着重考虑降低光源的光学扩展量；为此，本发明考虑以牺牲部分光通量指标来换取光学扩展量指标的改善，无疑将使光源更适用于成像系统。因此，较为简便可取的方式放弃对所述具有一定折射率的介质的使用，直接采用固态发光芯片的裸芯片封装结构。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种封装固态发光芯片的方法，包括将单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片直接设置或封装在散热基底上的步骤，尤其是，还包括步骤：设置各所述固态发光芯片的发光面为裸面；设置单个或呈阵列分布的复数个准直装置来对准各所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。
具体地说，上述方案中，所述准直装置为聚焦透镜，所述复数个准直装置一体成型地相接。可以用放置在散热基底上的支架来支承所述准直装置，以架设所述准直装置于所述固态发光芯片的上方。所述固态发光芯片为半导体发光芯片，尤其是发光二极管芯片。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种封装固态发光芯片的结构，包括散热基底，以及设置或封装在该散热基底上的单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片，尤其是，各所述固态发光芯片的发光面裸于空气中；还包括单个或呈阵列分布的复数个准直装置，架设在各所述固态发光芯片的上方并对准所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。
上述方案中，所述封装结构还包括放置在散热基底上的支架，用来支承所述准直装置。或所述封装结构还包括封装外壳，连结所述散热基底与准直装置，以在该散热基底与准直装置之间围合出一个容纳所述固态发光芯片的空间。
上述方案中，所述准直装置与所述固态发光芯片的发光面之间的距离不大于该固态发光芯片外接圆直径的50％。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种包括上述任一封装固态发光芯片的结构的光源装置。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种灯光照明装置，包括散热基底，以及设置或封装在该散热基底上的三个由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列，同一所述固态发光芯片阵列上的各固态发光芯片为一同色发光芯片；还包括一个分光合色装置，将源自各固态发光芯片阵列的光汇聚成一束，投射往一聚焦透镜，通过该聚焦透镜聚焦到一图案盘或该图案盘所携带的图案片上；尤其是，各所述固态发光芯片的发光面裸于空气中；还包括呈阵列分布的复数个准直装置，架设在各所述固态发光芯片的上方并对准所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光输出往所述分光合色装置。
采用上述各技术方案，具有结构简单，成本低，易于实现的优点。
附图说明图1示意了现有LED的封装结构之一；
图2示意了现有LED的封装结构之二；
其中图2b表现了图2a中的部分细节；
图3以单个LED芯片为例示意了本发明封装结构；
图4以复数个LED芯片为例示意了本发明封装结构；
图5示意了使用本发明光源装置的舞台灯光照明装置的结构；
其中，各附图标记为：1——LED芯片，11——PN结；2——散热装置或散热基底，3——透镜，4——保护硅胶，5——聚焦透镜，6——支架。
具体实施方式下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
以LED为例，图1示意了现有技术中一种固态发光芯片的封装结构：将大功率LED芯片1直接封装在散热基底2上，所述散热基底2可以是形成所述LED芯片1的衬底，各电极在该衬底的发光面之外形成；在该LED芯片1上封装一个半球形的硅胶或塑胶透镜3，此透镜3用来保护LED芯片表面及芯片电连接引线免受机械损伤，同时用来提高光源光通量，可使LED光源的光通量达到最大。作为衡量光源通光能力的一个重要参数，光学扩展量(Etendue)的公式表达为
E＝n2*s*sin2(a)
其中n为透镜3的折射率，s为发光源的发光面积，a为发光源发光的发散半角。根据该公式，使用透镜3封装之后，以一般硅胶的折射率n＝1.46来计算，光源的光学扩展量E约增大到LED裸芯片的两倍；但与此同时，光源的光通量并没有增大到两倍，因而该光源并不适合用于舞台灯光或是带有投影系统的光学产品，例如投影仪中。
图2a示意的封装结构为：将大功率LED芯片1直接封装在散热基底2上，在该LED芯片1上覆盖一层薄薄的保护硅胶4。假设硅胶层4的面积无限大时，根据上述公式，光源的光学扩展量也会扩大为LED裸芯片的n2倍。但实际上如图2b所示，该硅胶层4往往面积只比LED芯片稍大。设LED芯片1中可发光的PN结11离芯片上表面间隔为3-5微米，芯片上表面大小为1x1毫米，保护硅胶4的厚度一般大于100微米；则会有部分光从硅胶层4的侧边射出。这样光源由原来的LED裸芯片上表面发光变成了由LED芯片上表面和硅胶侧端面同时发光，此时，光学扩展量应为E＝(s+s1)*sin2(a)，其中s1为硅胶侧端面的面积。可见，采用该封装结构的光源的光学扩展量比图1所示模型的更大。因此，该光源基于光通量并没有等比增大，同样不适合用于舞台灯光或是带有投影系统的光学产品。
为此，本发明封装固态发光芯片的方法中舍弃对所述封装透镜3或保护硅胶4的使用，在包括步骤--将单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片直接设置或封装在散热基底上的基础上，设置各所述固态发光芯片的发光面为裸面；还设置单个或呈阵列分布的复数个准直装置来对准各所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。所述近平行光的发散半角可以限制为
Figure G2009101895200D00041
或更小，视光源使用场合不同而定。
根据现有技术，所述固态发光芯片包括但不限于半导体发光芯片，例如发光二极管芯片。为叙述方便，以下均以LED芯片为例。
图3以单个LED芯片为例说明依据本发明方法所采用的封装结构。该结构包括散热基底2及设置或封装在该散热基底上的LED芯片1，使LED芯片1的发光面裸于空气中；还包括准直装置5，架设在LED芯片1的上方并对准该芯片。准直装置5可以简便地采用聚焦透镜，以将源自发光芯片的大角度光准直成近平行光进行光输出。准直装置5也可以采用透镜组，但无疑将不具有成本及结构优势。所述聚焦透镜可以是非球面的塑胶或玻璃透镜，也可以是高折射率的玻璃球面镜片。因此，聚焦透镜5靠近芯片表面的面可以是凹面，图示的平面，甚至为凸面。可以用放置在散热基底上的支架6来支承所述聚焦透镜5；也可以采用一个封装外壳来连结所述散热基底与准直装置，以在该散热基底与准直装置之间围合出一个容纳所述LED芯片1的空间；从而将该LED芯片1密封起来，使聚焦透镜5下表面与LED芯片1上表面保持一定间隔，以折射率约为1的空气隔开，既保护LED芯片免受机械损伤，又降低了光源的光学扩展量。虽然，该光源的光通量输出可能小于现有的技术，但考虑成像系统整体，还是可以保持整体的最高光效率。
为了便于收集来自LED芯片1的光线，聚焦透镜5离芯片1上表面的距离以不大于该固态发光芯片外接圆直径的50％为宜。
图4以呈阵列分布的复数个LED芯片为例说明依据本发明方法所采用的封装结构。该结构与图3不同的是，采用呈阵列分布的复数个准直装置，分别与各LED芯片相对应。所述复数个准直装置最好一体成型地相接，现有技术有多种结构可供选用，例如专利号为200720196085的中国专利所公开的透镜阵列是其选择之一，故不再赘述。假设各单芯片的发光面积为1mm2，则光源的光学扩展量E与折射率的平方及芯片阵列中的LED数目成正比。在本实施例中，基于空气折射率n为1，则采用本发明方法的光源在保持现有光学扩展量的前提下，可以比现有光源拥有更大的LED数目，从而提高光输出亮度的基础上，还可以提高光通量。
采用本发明上述方法或结构的光源装置使用于投影系统时，为提高输出亮度，可以包括呈阵列分布的复数个LED芯片。以但不限于舞台灯光为例，如图5所示意，照明装置可以包括三个单色光源装置，各光源装置采用具有相同发光波长的复数个LED芯片，例如分别发出红、绿、蓝光。分光合光装置8，例如但不限于X型合色滤光装置，的三个光入口端分别对准一个所述光源装置，将源自各固态发光芯片阵列的光汇聚成一束大功率合光，并使合成光的光学扩展量保持不变。该束合光投射往一聚焦透镜9，通过该聚焦透镜9聚焦到一图案盘或该图案盘所携带的图案片7上。受投影镜头体积和成像质量的限制，投影系统对图案片上的光线出射角度有所限制。因本发明光源装置具有最小的光学扩展量，投影系统的光利用率及光通量得到了尽可能的提高，具体比较如下：
以舞台灯光照明装置的图案盘有效外直径大小受限为24毫米，投影镜头的FNO(＝焦距/入射孔径或有効口径)为1.8为例，该镜头的光学扩展量E(p)＝π*(24/2)2*(sin(π*16/180))2＝34；假设单LED芯片的收光角为±60度，则在镜头光学扩展量E(p)＞＝光源光学扩展量E(s)的前提下，以图1中封装透镜折射率n＝1.5为例，现有技术光源可容许LED阵列中LED数目约为20个，而本发明光源可容许45个。假设现有封装技术单LED芯片输出的光通量比采用本发明封装的可多20％，则采用本发明封装的LED光源可达到的光源光通量将为现有技术的45/(20*(1+20％))＝1.88倍。

Claims (13)

1.一种封装固态发光芯片的方法，包括将单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片直接设置或封装在散热基底上的步骤，其特征在于，还包括步骤：
设置各所述固态发光芯片的发光面为裸面；设置单个或呈阵列分布的复数个准直装置来对准各所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。
2.根据权利要求1所述封装固态发光芯片的方法，其特征在于：
所述准直装置为聚焦透镜，所述复数个准直装置一体成型地相接。
3.根据权利要求1或2所述封装固态发光芯片的方法，其特征在于：
用放置在散热基底上的支架来支承所述准直装置，以架设所述准直装置于所述固态发光芯片的上方。
4.根据权利要求1所述封装固态发光芯片的方法，其特征在于：
所述固态发光芯片为半导体发光芯片。
5.根据权利要求1或4所述封装固态发光芯片的方法，其特征在于：
所述固态发光芯片为发光二极管芯片。
6.根据权利要求1所述封装固态发光芯片的方法，其特征在于：
所述近平行光的发散半角为
Figure FDA00002526381500011
。
7.一种封装固态发光芯片的结构，包括散热基底，以及设置或封装在该散热基底上的单个或呈阵列分布的复数个固态发光芯片，其特征在于：
各所述固态发光芯片的发光面裸于空气中；还包括单个或呈阵列分布的复数个准直装置，架设在各所述固态发光芯片的上方并对准所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光进行光输出。
8.根据权利要求7所述封装固态发光芯片的结构，其特征在于：
所述准直装置为聚焦透镜，所述复数个准直装置一体成型地相接。
9.根据权利要求7所述封装固态发光芯片的结构，其特征在于：
还包括放置在散热基底上的支架，用来支承所述准直装置。
10.根据权利要求7或9所述封装固态发光芯片的结构，其特征在于：
还包括封装外壳，连结所述散热基底与准直装置，以在该散热基底与准直装置之间围合出一个容纳所述固态发光芯片的空间。
11.根据权利要求6所述封装固态发光芯片的结构，其特征在于：
所述准直装置与所述固态发光芯片的发光面之间的距离不大于该固态发光芯片外接圆直径的50％。
12.一种光源装置，包括固态发光芯片，其特征在于：
还包括权利要求7～11任一项所述的封装固态发光芯片的结构。
13.一种灯光照明装置，包括散热基底，以及设置或封装在该散热基底上的三个由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列，同一所述固态发光芯片阵列上的各固态发光芯片为一同色发光芯片；还包括一个分光合色装置，将源自各固态发光芯片阵列的光汇聚成一束，投射往一聚焦透镜，通过该聚焦透镜聚焦到一图案盘或该图案盘所携带的图案片上；其特征在于：
各所述固态发光芯片的发光面裸于空气中；还包括呈阵列分布的复数个准直装置，架设在各所述固态发光芯片的上方并对准所述固态发光芯片，以将源自该固态发光芯片的光准直成近平行光输出往所述分光合色装置。
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