具有磷光體波長轉換的發光裝置的制作方法

專利名稱：具有磷光體波長轉換的發光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有磷光體波長轉換的發光裝置，且明確地說(但并不完全)涉及基于一個或一個以上發光二極管(LEDs)的白光產生裝置。而且，本發明的實施例涉及用于一般照明應用的用于高發射強度(即，>50流明(lumens)發光強度或> IW輸入功率)白光發射裝置的封裝布置。
背景技術：
白光發射LED( “白色LED”)是相對較新的創新，并為全新一代節能照明系統的出現提供了可能。據預測，白色LED由于其較長的操作壽命(很可能為100，000多小時)以及其在低功耗方面的高效率而可替換燈絲(白熾燈)、熒光和緊湊式熒光光源。直到開發出以電磁波譜的藍色/紫外部分發射的LED，開發基于LED的白光源才變得實際。如例如在 US 5，998，925中所教示，白色LED包含一種或一種以上磷光體材料，其為光致發光材料，吸收由LED發射的輻射的一部分，并重新發射不同顏色(波長)的輻射。通常，LED芯片或裸片產生藍光，且磷光體吸收某一百分比的藍光，并重新發射黃光或者綠光與紅光、綠光與黃光或黃光與紅光的組合。LED所產生的藍光的未被磷光體吸收的部分與磷光體所發射的光組合將提供人眼看起來顏色接近白色的光。可通過高壓(110/220V)交流(AC)電源操作的基于LED的發光裝置的一個實例描述于2009年12月3日公開的第US 2009/(^94780號共同待決美國專利申請公開案中，并示意性地展示于圖1中。參看圖1，裝置10包括陶瓷封裝12(例如，低溫共燒陶瓷(LTCC))， 其具有九個圓形凹座(空腔)14的陣列(圖1展示呈3行乘3列的正方形陣列布置的九個凹座的陣列)，其中每一凹座14經配置以容納相應的LED芯片16(通常為基于氮化鎵的藍光發射LED芯片)。凹座14的壁是傾斜的，且可包含反射表面17 (例如，銀或鋁的金屬化層)，以使每一凹座14包括用于增加所述裝置的光發射的反射杯。封裝12為多層結構，且并入有導電軌道18的圖案，所述導電軌道18經配置以將LED芯片16按所要配置(例如， 用于自整流布置的串聯連接的弦線或橋接配置)互連。導電軌道18經配置以使其一部分延伸到凹座中，從而在凹座14的底板上提供一對電極極板(electrode pad)20，用以電連接到相應的LED芯片16。在封裝12的底面上提供一個或一個以上焊盤(solder pad) 22, 用以將裝置10電連接到AC電源。焊盤22由導電通孔M連接到導電軌道18。使用例如載銀環氧化物(silver loaded epoxy)等導熱粘合劑或者通過焊接將每一 LED芯片16安裝成與凹座的底板熱連通。LED芯片16上的電極沈、28由接合線30、32連接到凹座底板上的相應電極極板20。每一凹座14用載有粉末狀磷光體材料的例如硅樹脂等透明聚合物材料 34完全填充(罐裝)。既定用于需要約500-600流明或更高的高強度輸出(S卩，輸入功率為約6. 5W到 8W)的一般照明的現有發光裝置，尤其是白光發射裝置的問題是，磷光體材料隨時間發生熱降解，這可導致由裝置發射的光的相關色溫(CCT)和/或強度的顯著改變。本發明人已進一步理解，磷光體在裝置操作期間對水的吸收也可顯著影響磷光體材料且因此所述裝置的性能。水吸收對光致發光的影響在磷光體組合物之間變化，且對于能夠更容易地形成水溶性化合物的基于硅酸鹽的磷光體材料，這一影響可能更明顯。最初的測試表明，即使在磷光體材料被包封在聚合物膠合劑(例如，硅樹脂)中時也可發生水的吸收，且對于在溫度為25°C 的潮濕環境(即，彡80%相對濕度)中操作200小時以上的具有原硅酸鹽磷光體的裝置來說，可能會發生光發射減少約10 %的情況。和磷光體降解一樣，其它封裝材料也可受水的存在的影響，例如，包封聚合物材料的透明度，反射表面的反射率以及LED芯片的性能。

發明內容
本發明實施例試圖提供一種發光裝置，其至少部分克服已知布置的局限性，且明確地說(但并不完全)減少輸出發射強度>50流明(S卩，輸入功率)的裝置中的磷光體降解。更明確地說，本發明設法消除或者至少減少利用基于硅酸鹽的磷光體材料的發光裝置中的水吸收。本發明的實施例是針對一種發光裝置，其中一個或一個以上發光二極管(LED)和磷光體材料容納在水密性，優選為氣密性的外殼中。優選所述一種或一種以上磷光體材料提供于外殼遠離LED(通常最小距離為約0.2mm到Imm)的內表面上。將LED和磷光體材料并入到水密性/氣密性(不透氣密封)的外殼內將防止磷光體材料因從環境中攝取水而降解。而且，當提供的磷光體材料遠離LED而非與LED熱接觸時，這可減少磷光體材料的熱降解。根據本發明，提供一種發光裝置，其包括導熱襯底；至少一個發光二極管(LED)， 其經安裝成與所述襯底的表面熱連通，且可操作以發射主波長在第一波長范圍內的激發光；外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述至少一個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；以及至少一種磷光體材料，其提供于所述體積內在所述外殼的內表面上，所述磷光體材料可操作以吸收所述激發光的至少一部分，并發射主波長在第二波長范圍內的光；且其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積實質上為水密性的。在本專利說明書中，“水密性”指能夠防止水或水蒸氣通過。有利的是，外殼附接到襯底以使得所述體積實質上為氣密性的。為了達到所要的發射強度，所述裝置可包括經安裝成與襯底的表面熱連通的多個 LED，且外殼經配置以使得外殼和襯底一起界定完全封閉所述多個LED的體積。本發明的裝置特別適用于一般照明中，其中發射產物(emission product)將通常為顏色呈白色且由第一和第二波長范圍的光構成的光。出于一般照明應用的目的，所述裝置具有強度為至少50 流明，優選至少100流明，更優選至少250流明且甚至更優選至少500流明的發射產物。因此，對于現有的LED，例如基于氮化鎵(GaN)的LED，所述至少一個LED或所述多個LED具有1瓦特或者更高的輸入功率，且優選約10瓦特和更高的輸入功率。在一種布置中，所述體積可至少部分填充透光(透明)導熱材料，例如凝膠、礦物油或導熱聚合物。這種材料可有助于耗散由LED產生的熱。優選透光材料的折射率盡可能接近LED和磷光體材料的折射率，以便通過提供某一程度的折射率匹配來增加LED的光發射。實際上，透光材料的折射率> 1.2。或者，當外殼為氣密性的時，可用干燥氣體(例如，氮氣、氖、氬、氪或氙)來填充所述體積。此布置確保將磷光體材料維持在干燥的惰性氛圍內，進而減少磷光體材料和/或其它封裝材料氧化和/或減少的可能性。可通過使用金/鍺(Au/Ge)、金/錫(Au/Sn)或其它錫合金進行焊接；使用銅、銅/ 鎢(Cu/W)或鐵-鎳(i^e/Ni)合金進行硬焊；或者使用例如載金屬環氧化物等粘合劑，來將外殼附接到襯底，以形成水密性/氣密性密封。在一種布置中，外殼的透光部分包括由附接到外殼的窗覆蓋的在外殼中的開口。 所述窗是通過例如焊接、壓縮密封或使用例如載金屬環氧化物等粘合劑附接到外殼，以致形成水密性，優選氣密性密封。通常，窗包括玻璃，例如二氧化硅玻璃、石英玻璃，或例如透明氧化鋁(Al2O3)等透光無機材料。設想窗可包括例如聚碳酸酯或丙烯酸等聚合物材料，在此情況下要求外殼為水密性的，與氣密性相對。或者，外殼可包括透光材料，例如二氧化硅玻璃、石英玻璃，或例如透明氧化鋁 (Al2O3)等透光無機材料。其中所述裝置為水密性的，所述外殼材料可包括例如聚碳酸酯或丙烯酸等聚合物材料。由透光材料制造的外殼提供使水密性/氣密性密封的數目最小化的益處。在另一布置中，外殼包括實質上為半球形的殼。為了協助熱的耗散，外殼可包括例如金屬等優選具有低熱膨脹系數的導熱材料， 例如，Invar· 鎳鐵合金。或者，外殼可包括例如鋁或銅等其它金屬和/或合金，或者導熱聚合物或導熱陶瓷。在一種布置中，外殼包括實質上呈拋物面的反射器。一般來說，磷光體材料是通過旋涂法、刮刀涂布法、流延成型法(tape-casting)、 噴霧法、噴墨印刷法或者通過其它沉積技術以實質上均一厚度的層形式提供于外殼的透光部分(例如，窗)上。對于激發光有助于最終發射產物(不管最終發射產物是白色還是另一顏色)的裝置，且為了增加發射強度，磷光體材料層可包含不具有磷光體材料的至少一個區(區域)。不具有磷光體材料的區域充當允許發射第二波長范圍的激發光和光致發光產生的光兩者的窗。為了在裝置的整個發光表面區(即，外殼的透光部分)上達到均一的發射顏色和/或色溫，磷光體材料層包括以規則圖案或陣列形式實質上均勻地分布于發光表面上的不含磷光體材料的多個區域。通過絲網印刷一種或一種以上磷光體材料與合適膠合劑(例如，麗色達(NAZDAR)澄清絲網油墨9700)的混合物來將磷光體材料的圖案便利地沉積在外殼上。或者，可通過其它沉積方法(例如，噴墨印刷法、平版印刷法或凹版印刷法) 來產生磷光體材料的圖案。襯底可包括任何導熱材料，例如印刷電路板(PCB)、金屬芯印刷電路板(MCPCB)、 陶瓷電路板，或導熱陶瓷，例如低溫共燒陶瓷(LTCC)或氧化鋁。根據本發明另一方面，提供一種白光發射裝置，其包括導熱襯底；多個發光二極管，其經安裝成與所述襯底的表面熱連通，且可操作以發射主波長在第一波長范圍內的光； 外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述多個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；以及至少一種磷光體材料，其提供于所述體積內在所述外殼的內表面上，所述磷光體可操作以吸收激發光的至少一部分，并發射第二波長范圍的光，其中所述裝置的發射產物包括所述第一和第二波長范圍的光，且顏色呈白色；且其中所述外殼附接到所述襯底以使所述體積至少為水密性的，且其中所述裝置的發射產物強度為至少50流明。盡管優選遠離LED芯片(S卩，物理上與其分離)提供磷光體材料，但設想將并入有磷光體材料的LED(即，其中磷光體提供于LED芯片的表面上的LED)容納在水密性/氣密性的封閉容器中可為有益的。根據本發明又一方面，提供一種發光裝置，其包括導熱襯底； 至少一個并入有磷光體材料的發光二極管，其經安裝成與所述襯底的表面熱連通；以及外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述至少一個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；且其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積至少為水密性的。


為了更好地理解本發明，現將參照附圖僅以實例的方式來描述根據本發明實施例的發光裝置，附圖中圖1是如先前所描述的具有磷光體波長轉換的已知的高功率AC白光發射裝置的示意性截面圖；圖2是根據本發明第一實施例的發光裝置的部分分解示意性透視圖；圖3是經由線“A-A”得到的圖2的發光裝置的示意性截面圖；圖4是根據本發明第二實施例的發光裝置的示意性截面圖；圖5是根據本發明第三實施例的發光裝置的示意性截面圖；圖6是根據本發明第四實施例的發光裝置的示意性截面圖；圖7是根據本發明第五實施例的發光裝置的示意性截面圖；以及圖8是根據本發明第六實施例的發光裝置的示意性截面圖。
具體實施例方式在本說明書中全篇使用相同的參考標號來指示相同的部分。現將參照附圖的圖2和圖3來描述根據本發明第一實施例的發光裝置50。裝置 50經配置以產生具有特定相關色溫(CCT)(例如，2700K)且發射強度彡250流明(S卩，彡3W 輸入功率)，優選彡500-600流明(S卩，彡6W輸入功率)的白光。所述裝置既定用于一般照明應用，例如替換白熾燈、熒光或冷陰極熒光光源。應理解，本發明的裝置不限于此類應用、 發射顏色或發射強度。參照圖2和圖3，裝置50包括導熱襯底52，例如金屬芯印刷電路板(MCPCB)；經封裝LED陣列54;中空金屬外殼(罐)56;透光(透明)窗58 ；以及在窗58上的一種或一種以上磷光體材料60的層。如已知的，MCPCB通常用于安裝產生大量熱(S卩，彡5W)且具有層狀結構的電組件，所述層狀結構包括導熱底座62 (通常為金屬，例如鋁(Al))，以及非導電/ 導熱電介質材料64和導電軌道66(通常由銅(Cu)制成)的交替層。電介質層64十分薄， 以致其可將熱從安裝在導電軌道上的組件傳導到底座62。導電軌道66經配置以界定用于將電力提供到LED陣列54的電路。如在圖2中極易看出，導電軌道66在MCPCB的上表面 (即，與鋁底座62相對的面)上界定以下各項用于安裝LED陣列54的導熱安裝墊68 ’沿著安裝墊68的相對邊緣安置的用于電連接到LED陣列54的兩個接觸墊70、72 ；用于安裝包圍安裝墊68和接觸墊70、72的外殼56的環形安裝墊74 ；以及位于環形安裝墊74外部用于將裝置50連接到電源的一對電極接觸墊76、78。電極接觸墊76、78經由在下面通過環形安裝墊74的相應內埋式導電軌道80、82電連接到接觸墊70、72中相應的一者(圖3)。在圖2和圖3的示范性實施例中，經封裝LED陣列54包括基于InGaN/GaN (氮化銦鎵/氮化鎵)的藍光發射LED芯片83的陣列，其被封裝在(例如)如在2009年12月3日公開的第US 2009/0294780號共同待決美國專利申請公開案中所描述的類型的陶瓷封裝 (參看圖1)中，所述美國專利申請公開案的說明書和圖式以引用的方式并入本文中。所述陶瓷封裝可為具有圓形凹座(空腔)陣列的低溫共燒陶瓷(LTCC)，其中每一凹座經配置以容納相應的LED芯片83。所述凹座的壁是傾斜的，且可包含光反射表面17 (例如銀或鋁的金屬化層)，以使得每一凹座包括用于增加裝置的光發射的反射杯。應注意，LED陣列54并未在凹座內并入有磷光體材料。出于說明的目的，僅將LED陣列54展示為包括由九個LED 芯片83構成的正方形陣列，但實際上，LED陣列54通常會包括更多LED芯片以達到所要的發射強度。舉例來說，對于IlOV操作，裝置50可包含各自含有四十五個串聯連接的65mW LED芯片83的一個或一個以上陣列54，以致每一陣列具有約2. 9W的輸入功率和約220流明的光強度輸出。每一 LED芯片83可操作以產生主波長入1在第一波長范圍(例如，藍光為約400nm到480nm)內的光，其提供用于激發磷光體材料60的激發能量(輻射)，且鑒于此功能，由LED陣列54產生的光將在下文中被稱為激發光(輻射)。LED陣列54為表面安裝封裝，且具有沿其底座的相對邊緣延伸的一對電極極板84、86。LED陣列54借助于導熱材料88 (例如，散熱器填料(heat sink compound))安裝成與熱安裝墊68熱連通，且電極極板84、86通過例如焊接89電連接到電極極板70、72中相應的一者。金屬外殼(罐)56經配置以使其在安裝到MCPCB 52上時完全圍繞并封閉經封裝 LED陣列54。如所說明，外殼56大體上為圓柱形，且在一端具有向外(徑向)延伸的凸緣 (唇緣)90，其界定用于將外殼56附接到環形安裝墊74的環形支腳，且在相對端具有用于附接窗58的向內延伸的唇緣(凸緣)92。外殼56優選由具有高導熱性和低熱膨脹的金屬 (例如，Invar· 鎳鐵合金)制成。在替代性實施例中，其可包括銅(Cu)或銅合金。環形安裝墊74的形狀和大小經配置以對應于環形凸緣90的軌跡(footprint)，且通過用金/鍺 (Au/Ge)、金/錫(Au/Sn)或其它錫合金焊料將凸緣90焊接94到安裝墊74來將外殼56附接到MCPCB 52。如將進一步描述，焊接點94在外殼56與MCPCB 52之間形成水密性，優選氣密性密封(不透氣密封)，并防止水進入裝置中。在本專利說明書的上下文中，“不透氣” 密封指實質上為水密性或氣密性的密封。窗58包括對于由LED芯片83產生的光以及由磷光體材料60產生的光致發光型光實質上可透射(透明)的防水/防氣材料。通常，其可包括玻璃，例如二氧化硅玻璃或石英玻璃，或例如透明氧化鋁(Al2O3)等透光無機材料。如所說明，窗58可包括經配置以配合于外殼56內的圓形平面盤。窗58由密封96(例如，焊接點)附接到唇緣92的內表面，所述密封96在外殼56與窗58之間形成水密性，優選氣密性不透氣密封，并防止水進入裝置中。密封96可包括例如金/鍺(Au/Ge)、金/錫(Au/Sn)或其它錫合金等焊接點；使用例
8如銅、銅/鎢(Cu/W)或者鐵-鎳(i^e/Ni)合金的硬焊接點；或者例如載金屬環氧化物或硅樹脂材料等粘合劑接點。所述窗可包含用于促進與金屬外殼的接合的金屬化層。應理解， MCPCB 52、外殼56以及窗58 —起界定完全封閉LED陣列M和磷光體材料60的水(濕氣) 密性，優選氣密性體積(封閉容器或空腔)98。通常呈粉末形式的磷光體材料60以預先選定的比例與透光(透明)膠合劑材料 (例如，聚合物材料，例如熱或UV可固化硅樹脂、熱或UV可固化環氧化物材料、合適的溶劑， 或澄清油墨，例如麗色達(Nazdar)9700絲網油墨)充分混合。合適的硅樹脂材料的實例是 GE集團的硅樹脂RTV615。磷光體對聚合物膠合劑的載重量比通常在35%到95%的范圍內， 其中準確的負載取決于裝置的發射產物的所要CCT。磷光體/聚合物沉積在窗58的面上， 由此在窗的整個表面上形成實質上均一厚度的層。視膠合劑材料而定，磷光體/聚合物層 60可通過旋涂法、刮刀涂布法(即，使用刮板或柔性刀片)、流延成型法、噴霧法、噴墨印刷法或者通過對所屬領域技術人員顯而易見的相關其它沉積技術施加到晶片。磷光體/聚合物層60的厚度通常在約10 μ m到約500 μ m,優選約10 μ m到約100 μ m的范圍內。與磷光體對聚合物的載重量的情況相同，磷光體/聚合物層60的厚度將取決于由裝置產生的光的目標CCT。本發明的發光裝置適于與無機或有機磷光體兩者一起使用，無機磷光體的實例為一般組成為A3Si (0，D) 5或A2Si (0，D) 4的基于硅酸鹽的磷光體，其中Si為硅，0為氧，A包括鍶(Sr)、鋇(Ba)、鎂(Mg)或鈣(Ca)，且D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基于硅酸鹽的磷光體的實例揭示于第US 2007/0029526 Al號共同待決美國專利申請公開案，以及美國專利US 7，311，858 B2、US 7, 575,697 B2以及US 7,601,276 B2中(全部讓渡給英特曼帝克司公司antematix Corporation))，各案的內容均以引用的方式并入本文中。如US 7，575，697 B2中所教示，銪(Eu2+)激活的基于硅酸鹽的綠色磷光體具有通式(Sr5A1)x(SijA2) (0，A3h+x:Eu2+，其中=A1為2+陽離子，I+陽離子與3+陽離子的組合中的至少一者，例如 Mg、Ca、Ba、鋅( )、鈉(Na)、· (Li) (Bi)、釔(Y)或鈰(Ce) ;A2 為 3+、4+或 5+陽離子，例如硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga) M (C)、鍺(Ge)、N或磷(P)，且A3為1_、2_或3_陰離子，例如F、Cl、溴(Br)、N或S。寫出的通式指示A1陽離子替換Sr, A2陽離子替換Si且 A3陰離子替換氧。χ的值是介于1. 5與2. 5之間的整數或非整數。US 7，311，858 B2揭示一種具有式A2SiO4 = Eu2+D的基于硅酸鹽的黃色-綠色磷光體，其中A為包括Sr、Ca、Ba、Mg、ai或鎘(Cd)的二價金屬中的至少一者；且D為包括F、C1、 Br、碘(I)、P、S以及N的摻雜劑。磷光體中摻雜劑D的存在量可以在約0. 01摩爾％到20 摩爾％范圍內，且摻雜劑中至少有一些取代氧陰離子而并入到磷光體的晶格中。磷光體可包括(31~1_!￡_力&具)5104工112+0，其中] 包括0&、]\%、&1或0(1，且其中0彡1彡1且0彡y彡1。US 7，601，276 B2教示一種基于硅酸鹽的雙相磷光體，其具有晶體結構與 (Ml)2SiO4的晶體結構實質上相同的第一相；以及晶體結構與(M2)3Si05的晶體結構實質上相同的第二相，其中Ml和M2各自包括Sr、Ba、Mg、Ca或Si。至少一相是以二價銪(Eu2+)激活的，且所述相中至少一者含有摻雜劑D，其包括F、Cl、Br、S或N。相信摻雜劑原子中至少有一些位于基質硅酸鹽晶體的氧原子晶格位置上。程(Cheng)等人的US 2007/0029526 Al 揭示一種具有式(SivxMx)yEuzSiO5 的基于硅酸鹽的橙色磷光體，其中M為包括Ba、Mg、Ca或Si的二價金屬中的至少一者；0 < χ
9<0. 5 ;2. 6 < y < 3. 3 ；且0. 001 < ζ < 0. 5。所述磷光體經配置以發射峰值發射波長大于約565nm的可見光。磷光體還可包括例如在第US 2006/0158090 Al號共同待決美國專利申請公開案以及美國專利US 7，390，437 B2 (也讓渡給英特曼帝克司公司)中教示的基于鋁酸鹽的材料，或者如在共同待決申請案US 2008/0111472 Al中教示的硅酸鋁磷光體，各案內容均以引用的方式并入本文中。王(Wang)等人的US 2006/0158090 Al 教示一種具有式 MhEuxAly0[1+3y/2]的基于鋁酸鹽的綠色磷光體，其中M為包括Ba、Sr、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Cd、Sm或銩(Tm)的二價金屬中的至少一者，且其中0. 1 <x <0.9且0.5彡y彡12。US 7，390，437 B2揭示一種具有式(MhEux) 2_zMgzAly0[2+3y/2]的基于鋁酸鹽的藍色磷光體，其中M為二價金屬Ba或Sr中至少一者。在一種組成中，磷光體經配置以吸收波長在約^Onm到420nm范圍內的輻射，并發射波長在約420nm到560nm范圍內的可見光，且0. 05
<χ < 0. 5或0. 2 < χ < 0. 5 ;3彡y彡12且0. 8彡ζ彡1. 2。磷光體可進一步摻雜有例如Cl、Br或I等鹵素摻雜劑H，且具有一般組成(MhEux)2_zMgzAly0[2+3y/2] H。劉(Liu)等人的US 2008/0111472 Al 教示一種通式為(Sivx_yMxTy) 3_mEum (SihAlz) O5的具有混合的二價和三價陽離子的硅酸鋁橙色-紅色磷光體，其中M為量在0 < χ < 0. 4 范圍內的至少一種選自Ba、Mg或Ca的二價金屬；T為量在0彡y彡0. 4范圍內的選自Y、 鑭(La)、Ce、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、 Tm、鐿(Yt)、镥(Lu)、釷(Th)、鏷(Pa)或鈾⑶的三價金屬，且ζ和m在0彡ζ彡0. 2以及 0. 001 ^m^ 0.5的范圍內。磷光體經配置以使得鹵素駐留在硅酸鹽晶體內的氧晶格位置上。磷光體還可包括例如在2008年5月19日申請的標題為“基于次氮基硅酸鹽的紅色磷光體(Nitridosilicate-based red phosphors) ”的共同待決美國臨時專利申請案61/054，399以及2008年12月15日申請的標題為“基于氮化物的紅色磷光體 (Nitride-based red phosphors) ”中教示的基于氮化物的紅色磷光體材料，各案內容以引用的方式并入本文中。61/054，399 和 61/122，569 教示具有式 lMaMbD3wN[(2/3)m+z+a+(4/3)b_w]Zx 的基于氮化物的紅色磷光體，其中Mm為選自鈹(Be)、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd或汞(Hg)的二價元素；Ma為選自B、Al、Ga、In、Y、Se、P、As、La、Sm、鋪(Sb)或Bi的三價元素；Mb為選自C、 Si、Ge、錫(Sn)、Ni、鉿(Hf)、· (Mo)、鎢(W)、Cr、Pb、Ti 或鋯(Zr)的四價元素；D 為選自 F、 Cl、Br或I的鹵素；Z為選自Eu、Ce、Mn、Tb或Sm的激活劑，且N是量為0. 01彡m彡1.5、 0. 01彡a彡1. 5,0. 01彡b彡1. 5,0. 0001彡w彡0. 6且0. 0001彡ζ彡0. 5的氮。所述磷光體經配置以發射峰值發射波長大于640nm的可見光。應理解，磷光體材料不限于本文所描述的實例，且可包括包含有機或無機磷光體材料兩者的任何磷光體材料，例如氮化物和/或硫酸鹽磷光體材料、氧氮化物和氧硫酸鹽磷光體或石榴石材料(YAG)。本發明的裝置尤其適于性能受水攝取影響的磷光體材料，例如基于硅酸鹽的磷光體材料。如所描述，MCPCB 52、外殼56以及窗58 —起界定水(濕氣)密性，優選氣密性體積(空腔)98，其中容納有LED陣列M和磷光體材料60。外殼56經配置以使得磷光體60 距LED芯片83的發光表面的最小距離通常為0. 2mm到1mm。與磷光體材料通常提供在LED芯片的表面上的已知裝置相比，將磷光體材料60與LED芯片83分離將提供多個優點，即 由于將磷光體材料提供在較大的表面積上，使得所產生的光的CCT和/或色調更一致；以及由于磷光體材料遠離(離開)LED芯片定位，使得磷光體材料的熱降解減少。為了改善遠離LED芯片83的熱的傳導和/或改善LED芯片的光發射，設想用透光材料100來填充或至少部分填充體積(空腔)98。舉例來說，當空腔98為氣密性的時，其可用干燥氣體(例如，氮氣、二氧化碳，或惰性氣體，例如氖、氬或氪)來填充。用干燥氣體填充空腔98的益處在于，磷光體材料60被維持在干燥的惰性氛圍中，設想這樣可通過防止水和/或氧氣的攝取來減少磷光體材料的降解。或者，可用例如礦物油或透光凝膠等透光液體來填充空腔98。有利的是，液體/ 凝膠經選定以使其折射率在切實可行的情況下接近于LED芯片83和磷光體材料的折射率。 舉例來說，InGaN/GaN LED芯片的折射率為η 2. 4到2. 5，而高折射率硅樹脂的折射率為 η 1.2到1.5。因此，實際上，凝膠/液體的折射率優選> 1.2。包含透光凝膠/液體可通過提供某一程度的折射率匹配來增加LED芯片83的光發射。還設想用例如聚合物材料(例如，硅樹脂或環氧化物材料)等透光固體來填充空腔98。所述材料的折射率也優選> 1.2。 為便利制造，可用選定材料透過外殼56中的開口(未圖示)來填充空腔98，隨后可通過例如焊接來密封所述開口。參照圖4，展示了根據本發明第二實施例的發光裝置50的示意性截面圖，其中使用單個透光外罩102來代替外殼56/窗58組合件。外罩102優選包括玻璃，例如二氧化硅玻璃或石英玻璃，或例如透明氧化鋁(Al2O3)等透光無機材料。磷光體材料60是作為均一層提供于外罩102的內表面上。可將包括例如銅(Cu)、鎳(Ni)或鉻(Cr)的金屬化層104 至少提供在外罩102的底座上，以使外罩102能夠被焊接94或者以其它方式附接到安裝墊 74。使用單個玻璃外罩部件102的優點在于，僅需要與襯底52的單一密封94。圖5是根據本發明第三實施例的發光裝置50的示意性截面圖。在此實施例中，玻璃外罩部件102包括實質上為半球形(圓頂形)的殼。為了使裝置50的光發射最大化，可在外罩部件102的內表面上提供從外罩的底座延伸的金屬化層106。如圖5中所示，個別 LED芯片83被安裝成與MCPCB 52而非經封裝LED陣列直接熱連通，這是板上芯片(COB)布置。圖6展示根據本發明第四實施例的發光裝置50的示意性截面圖，其中外殼56 經配置為拋物面反射器形式，且通常呈盤形。與在其它實施例中一樣，外殼56附接到 MCPCB(襯底)52以形成水密性，優選氣密性密封。在所說明的實施例中，窗58通過壓縮接合108附接到外殼的前部開口。為了協助熱的耗散，外殼56優選由導熱材料(例如，具有低熱膨脹的金屬)制造。外殼的內表面優選包含例如銀、鉻或鋁等高反射率金屬的金屬化層110。為了增加激發光(X1)有助于最終發射產物(不管最終發射產物是白色還是另一顏色)的裝置的光發射，磷光體60可包含不具有磷光體材料的窗區域(區)112的圖案(陣列)。窗區域112充當允許發射激發光和光致發光所產生的光兩者的窗。歸因于磷光體光致發光的各向同性性質，這意味著磷光體將其輻射的約百分之五十在一個方向上發射回到空腔98中。此光將由反射性外殼的內表面朝向玻璃窗58反射回去。由于窗區域112對于激發光(X1)和由磷光體材料產生的光(λ2)兩者可透射(透明)，故窗區域112可增加裝置50的總體發射強度。為了在裝置的整個發光表面區(即，窗58)上達到均一的發射顏色和/或色溫，窗區域112是以規則圖案的形式(例如，圓形窗區域的正方形陣列，或者線形窗區域的柵格)均勻地分布在發光表面上。通過絲網印刷一種或一種以上磷光體材料與合適膠合劑(例如，麗色達(Nadar)澄清絲網油墨9700)的混合物來將磷光體材料的圖案便利地沉積在窗58上。或者，可通過其它沉積方法(例如，噴墨印刷法、平版印刷法或凹版印刷法)產生磷光體材料的圖案。圖7是根據本發明第五實施例的發光裝置50的示意性截面圖。在此實施例中，與圖5的實施例一樣，玻璃外罩部件102為大體上呈半球形(圓頂形)的殼。如圖7中所示， 單個1瓦特(即，> 50流明的輸出強度)LED芯片83經安裝成與導熱襯底52而非LED陣列直接熱連通。導熱襯底包括由具有導電銅軌道66的圖案的電絕緣載體110(例如，阻燃劑4(FR-4))構成的印刷電路板。由于FR-4為電絕緣體，且因此為不良的熱導體，故可使用鍍通孔(plated through via) 114在襯底52的外(如說明的底)表面上在安裝墊68與對應的墊116之間提供熱傳導路徑。盡管優選遠離LED芯片(S卩，物理上與其分離)提供磷光體材料，但設想將LED芯片和磷光體材料容納在水密性/氣密性、不透氣密封的封閉容器中可對其中磷光體材料提供于LED芯片的表面上的裝置有益。圖8是根據本發明第六實施例的發光裝置50的示意性截面圖，其中磷光體材料60并入經封裝LED陣列M內。在此實施例中，LED芯片83的陣列被容納在陶瓷封裝討中，且磷光體材料60作為與LED芯片直接接觸包封而提供。封裝M安裝在MCPCB 52上。與在其它實施例中一樣，外殼56附接到襯底以形成水密性，優選氣密性密封。應了解，本發明不限于所描述的示范性實施例，且可作出在本發明的范圍內的變化。舉例來說，本發明的裝置可用于產生任何顏色和/或色調的光，包含其中所有的激發光都被磷光體材料吸收且發射產物僅由光致發光所產生的光構成的布置。而且，為了產生所要的顏色和/或色溫，設想使用兩種或兩種以上磷光體材料的混合物。盡管本發明涉及具有高發射強度(通常> 50流明)的裝置，其同樣適用于較低功率的裝置，但不透氣密封的封裝的成本對不同于專門應用中的此類裝置可能是不合理的。 此外，本發明可應用于個別LED芯片或含有多個LED芯片的晶片的封裝。而且，導熱襯底可包括其它形式，例如導熱陶瓷襯底，例如氧化鋁(Al2O3)或低溫共燒陶瓷。
權利要求
1.一種發光裝置，其包括導熱襯底；至少一個發光二極管，其安裝成與所述襯底的表面熱連通，且可操作以發射主波長在第一波長范圍內的激發光；外殼，其附接到所述襯底， 且經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述至少一個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；以及至少一種磷光體材料，其提供于所述體積內所述外殼的內表面上，所述磷光體可操作以吸收所述激發光的至少一部分并發射主波長在第二波長范圍內的光；且其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積至少為水密性的。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述裝置的發射產物包括所述第一和第二波長范圍的光且顏色呈白色。
3.根據權利要求1所述的裝置，且其包括安裝成與所述襯底的表面熱連通的多個發光二極管，且其中所述外殼經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述多個發光二極管的體積。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述裝置具有強度選自由以下各項組成的群組的發射產物至少50流明、至少100流明、至少250流明以及至少500流明。
5.根據權利要求1所述的裝置，且其進一步包括用透光導熱材料至少部分填充所述體積。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述透光導熱材料是選自由以下各項組成的群組凝膠、礦物油以及導熱聚合物。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積實質上為氣密性的。
8.根據權利要求7所述的裝置，且其進一步包括用選自由以下各項組成的群組的氣體來填充所述體積氮氣、氖、氬、氪以及氙。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述外殼通過選自由以下各項組成的群組的方法附接到所述襯底焊接、硬焊、粘合劑以及載金屬環氧化物。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中所述外殼的所述透光部分包括由附接到所述外殼的窗覆蓋的開口。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中所述窗通過選自由以下各項組成的群組的方法附接到所述外殼焊接、粘合劑以及壓縮密封。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述窗是選自由以下各項組成的群組玻璃、二氧化硅玻璃、石英玻璃、透明氧化鋁、聚合物材料、聚碳酸酯以及丙烯酸。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述外殼包括選自由以下各項組成的群組的導熱材料金屬、因瓦合金(invar alloy)、鋁、銅、導熱聚合物以及導熱陶瓷。
14.根據權利要求1所述的裝置，其中所述外殼包括實質上呈拋物面的反射器。
15.根據權利要求1所述的裝置，其中所述外殼包括透光的材料。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中所述外殼是選自由以下各項組成的群組玻璃、 二氧化硅玻璃、石英玻璃、透明氧化鋁、聚合物材料、聚碳酸酯以及丙烯酸。
17.根據權利要求15所述的裝置，其中所述外殼包括半球形的殼。
18.根據權利要求1所述的裝置，其中所述襯底是選自由以下各項組成的群組印刷電路板、金屬芯印刷電路板、陶瓷電路板、導熱陶瓷、低溫共燒陶瓷以及氧化鋁。
19.根據權利要求1所述的裝置，其中從所述至少一個發光二極管的所述發光表面到所述至少一種磷光體材料的最小距離在0. 2mm到Imm的范圍內。
20.根據權利要求1所述的裝置，其中所述磷光體材料為基于硅酸鹽的材料。
21.一種白光發射裝置，其包括a)導熱襯底；b)多個發光二極管，其安裝成與所述襯底的表面熱連通，且可操作以發射主波長在第一波長范圍內的激發光；c)外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述多個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；以及d)至少一種磷光體材料，其提供于所述體積內所述外殼的內表面上，所述磷光體可操作以吸收所述激發光的至少一部分并發射主波長在第二波長范圍內的光，其中所述裝置的發射產物包括所述第一和第二波長范圍的光，且顏色呈白色；且其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積至少為水密性的，且其中所述裝置的所述發射產物強度為至少50流明。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述裝置具有強度選自由以下各項組成的群組的發射產物至少100流明、至少250流明以及至少500流明。
23.一種發光裝置，其包括a)導熱襯底；b)至少一個發光二極管，其并入有磷光體材料且安裝成與所述襯底的表面熱連通；以及c)外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述至少一個發光二極管的體積，所述外殼包括透光的至少一部分；且其中所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積至少為水密性的。
全文摘要
一種發光裝置包括導熱襯底(MCPCB)；至少一個LED，其安裝成與所述襯底的表面熱連通；外殼，其附接到所述襯底，且經配置以使得所述外殼和襯底一起界定完全封閉所述至少一個LED的體積，所述外殼包括透光的至少一部分(窗)；以及至少一種磷光體材料，其提供于所述體積內所述外殼的內表面上，所述磷光體可操作以吸收由所述至少一個發光二極管發射的激發光的至少一部分并發射第二波長范圍的光。所述外殼附接到所述襯底以使得所述體積實質上為水密性的，優選為氣密性的。
文檔編號F21V9/00GK102272517SQ200980153464
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月23日 優先權日2008年12月31日
發明者李依群, 楊海濤 申請人:英特曼帝克司公司