一种主动散热的白光光源

1.本发明属于照明光源领域，更具体地，涉及一种主动散热的白光光源。


背景技术：

2.在当前全球能源短缺的背景下，半导体固态照明以其高光效、低能耗、长寿命、环境友好等优点，引领了国家节能环保能力的持续提升。基于荧光转换的半导体白光光源，器件温度影响其发光性能。对于荧光转换白光光源而言，芯片部分输入电能转化为热量，此外，荧光转换材料也会发生非辐射跃迁而产生热量，热量积累导致光源温度升高，不仅影响芯片的发光性能，还会影响荧光转换材料的发光效率，对半导体白光光源的性能和可靠性均有不利影响。因此，散热问题是大功率半导体白光光源发展的技术瓶颈之一。
3.为了解决这一问题，研究者们从半导体照明封装的被动散热和主动散热两个方面进行设计。被动散热依赖于封装材料和结构的导热，考虑到其局限性，大功率半导体照明主要采用主动散热，如强制风冷、循环液冷、热管和热电制冷等方式。然而，大多数主动散热方式只是针对白光光源的激发芯片或激发模块的散热，未考虑荧光转换材料的热耗散，特别是对于高功率密度的白激光光源，荧光转换材料的热量聚集问题更严重。因此，有必要统筹考虑激发芯片和荧光转换材料的散热问题，从而满足高亮度半导体白光光源的应用需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种主动散热的白光光源，其目的在于同时解决荧光转换材料和激发芯片温度过高以及其导致的传统有机封装在高温下失效的问题，提高了半导体白光光源封装的性能和可靠性。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种主动散热的白光光源，包括：热电制冷器，自下往上依次包括下层陶瓷基板、中层陶瓷基板和上层陶瓷基板，还包括填充在所述下层陶瓷基板和所述中层陶瓷基板之间以及填充在所述下层陶瓷基板和所述上层陶瓷基板之间的热电粒子，所述上层陶瓷基板位于所述中层陶瓷基板的外侧；波长转换单元，固定设置在所述上层陶瓷基板的上表面，并与所述上层陶瓷基板和所述中层陶瓷基板形成腔体；发光单元，固定设置在所述中层陶瓷基板的上表面，位于所述腔体内，用于发射蓝光并激发所述波长转换单元以形成白光；所述热电制冷器用于对所述波长转换单元和所述发光单元同时进行主动散热。
6.更进一步地，还包括：反射单元，固定设置在所述中层陶瓷基板的上表面且环绕所述发光单元，用于对所述发光单元发射的蓝光进行反射。
7.更进一步地，所述反射单元的内表面为漫反射层或镜面反射层，且反射率大于90％。
8.更进一步地，还包括：粘接层，位于所述波长转换单元和所述上层陶瓷基板之间，用于将所述波长转换单元固定至所述上层陶瓷基板的上表面。
9.更进一步地，所述粘接层的材料为金属焊料或高导热胶，导热系数大于30w/(m
·
k)。
10.更进一步地，所述发光单元为蓝光激光器或者蓝光led，所述中层陶瓷基板中设置有导电通孔，所述发光单元通过所述导电通孔与外部电连接。
11.更进一步地，所述波长转换单元的材料为荧光玻璃、荧光陶瓷或荧光单晶，用于在所述蓝光激光器或者蓝光led产生的蓝光的激发下形成白光。
12.更进一步地，所述中层陶瓷基板与所述上层陶瓷基板之间的高度差d为8mm～16mm，所述白光光源的高度h为10mm～20mm，d＜h。
13.更进一步地，所述热电制冷器中陶瓷基板的材料为氧化铝或氮化铝，所述热电粒子通过陶瓷基板上的铜层焊接至陶瓷基板。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：对热电制冷器的结构进行设计，得到异形的、带有凹坑的、与波长转换单元和发光单元均接触的热电制冷器，使得发光单元(激发芯片)和波长转换单元(荧光转换材料)同时通过热电制冷器进行散热，同时解决了激发芯片和荧光转换材料的散热问题，提高了芯片的发光性能与荧光转换材料的发光效率，大大提高了白光光源的性能和可靠性，从而满足高亮度半导体白光光源的应用需求；此外，设计反射单元减少光的损耗，进一步提高了白光光源的性能，使得该白光光源具有高功率、高亮度、散热好和光损耗小的优势。
附图说明
15.图1为本发明实施例提供的主动散热的白光光源的结构示意图；
16.图2为本发明一实施例提供的发光单元的结构示意图；
17.图3为本发明另一实施例提供的发光单元的结构示意图。
18.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
19.1为热电制冷器，11为下层陶瓷基板，12为中层陶瓷基板，13为上层陶瓷基板，14为热电粒子，2为波长转换单元，3为发光单元，4为反射单元，5为粘接层。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
21.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
22.图1为本发明实施例提供的主动散热的白光光源的结构示意图。参阅图1，结合图2-图3，对本实施例中主动散热的白光光源进行详细说明。
23.参阅图1，主动散热的白光光源包括热电制冷器1、波长转换单元2和发光单元3。热电制冷器1自下往上依次包括下层陶瓷基板11、中层陶瓷基板12和上层陶瓷基板13，还包括填充在下层陶瓷基板11和中层陶瓷基板12之间以及填充在下层陶瓷基板11和上层陶瓷基板13之间的热电粒子14。上层陶瓷基板13位于中层陶瓷基板12的外侧，以形成异形的、带有凹坑的热电制冷器1。
24.波长转换单元2固定设置在上层陶瓷基板13的上表面，并与上层陶瓷基板13和中层陶瓷基板12形成腔体。发光单元3固定设置在中层陶瓷基板12的上表面，位于波长转换单元2、上层陶瓷基板13和中层陶瓷基板12形成的腔体内，用于发射蓝光并激发波长转换单元2以形成白光。热电制冷器1可以对波长转换单元2和发光单元3同时进行主动散热。
25.根据本发明的实施例，主动散热的白光光源还包括反射单元4。反射单元4固定设置在中层陶瓷基板12的上表面且环绕发光单元3，用于对发光单元3发射的蓝光进行反射，减少光的损耗，进一步提高了白光光源的性能。反射单元4的内表面为漫反射层或镜面反射层，且反射率大于90％。
26.根据本发明的实施例，主动散热的白光光源还包括粘接层5。粘接层5位于波长转换单元2和上层陶瓷基板13之间，用于将波长转换单元2固定粘接至上层陶瓷基板13的上表面。粘接层5的材料为金属焊料或高导热胶，且其导热系数大于30w/(m
·
k)，在满足粘接强度的要求下，能够有效传导高功率蓝光激发下的波长转换单元2产生的热量。
27.热电制冷器1中陶瓷基板(下层陶瓷基板11、中层陶瓷基板12和上层陶瓷基板13)的材料为氧化铝或氮化铝。热电粒子14通过陶瓷基板上的铜层焊接至陶瓷基板。
28.根据本发明的实施例，中层陶瓷基板12中设置有导电通孔，发光单元3通过导电通孔与外部电连接。发光单元3可以通过高导热粘附层固定在中层陶瓷基板12表面。优选地，中层陶瓷基板12与上层陶瓷基板13之间的高度差d为8mm～16mm，白光光源的总高度h为10mm～20mm，d＜h。
29.发光单元3为蓝光发光二极管(light emitting diode，led)或蓝光激光器。当发光单元3为蓝光激光器或者蓝光led时，波长转换单元2的材料为荧光玻璃、荧光陶瓷或荧光单晶，用于在蓝光激光器或者蓝光led产生的蓝光的激发下形成白光，其可见光透过率大于60％。
30.本发明一实施例中，发光单元3为蓝光led，如图2所示。发光单元3为蓝光led时，热电制冷器1中陶瓷基板的材质为氧化铝；波长转换单元2的材料例如为含有yag黄色荧光粉的荧光玻璃，可见光透过率为75％；反射单元4的内表面为漫反射表面，材质例如为硫酸钡，反射率为95％；粘接层5的材质例如为高导热胶，导热系数为35w/(m
·
k)。白光光源的总高度h例如为10mm，中层陶瓷基板12与上层陶瓷基板13之间的高度差d为8mm。
31.本发明另一实施例中，发光单元3为蓝光激光器，如图3所示。发光单元3为蓝光激光器时，热电制冷器1中陶瓷基板的材质为氮化铝；波长转换单元2的材料例如为含有yag黄色荧光粉的荧光玻璃，可见光透过率为70％；反射单元4的内表面为镜面反射层，材质例如为银膜，反射率为95％；粘接层5的材质例如为金属焊料，导热系数为100w/(m
·
k)。白光光源的总高度h例如为20mm，中层陶瓷基板12与上层陶瓷基板13之间的高度差d为16mm。
32.本发明实施例中主动散热的白光光源利用热电制冷效应，同时实现发光单元和荧光转换材料的主动散热，满足大功率激光照明和led照明中封装体的散热需求，使得该白光光源具有高功率、高亮度、散热好和光损耗小的优势。
33.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。