CN101438406A - 具有无机外罩的发光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光设备，其包括至少一个用来发光的发光二极管以及被设置成接收至少一部分所述光的外罩。所述外罩包括半透明无机材料并且配备有至少一个凹口，该凹口包括定位和定向装置。所述至少一个发光二极管被设置在所述至少一个凹口内并且由所述定位和定向装置定位及定向，并且在所述至少一个凹口内、在所述至少一个发光二极管与所述外罩之间设置半透明无机接触层材料，以便接收至少一部分所述光并且把所述发光二极管连接到所述外罩。

Description

具有无机外罩的发光设备

技术领域

本发明涉及一种包括用于发光的发光二极管以及用于接收至少一部分所述光的发光设备。本发明还涉及用于制造这种发光设备的方法。

技术背景

诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)之类的半导体发光设备是当前可以获得的最为高效且鲁棒的光源之一。

光提取是发光设备的一个关键问题。半导体发光设备的一个共同问题在于，从该设备提取光的效率被降低，这是由于在该设备与周围环境之间的界面处的内部反射，其后是在该设备中对反射光的再吸收。所述内部反射是由于所述设备材料的折射率高于该设备被包装或者封装在其中的材料的折射率。

为了获得高效率的光提取，如果所述光提取材料与所述发光设备直接接触则是有利的。然而，在高功率应用中(其中单一固态发光设备具有高达3瓦特每平方毫米的效能，这种设备的阵列具有高达100瓦特或更高的总效能)，从所述发光设备耗散了许多热量。对于这种高功率应用，很容易达到250℃的温度。

因此，对于高功率应用，必须使用抗热封装。因此，有利的是使用完全无机的方案，因为可以选择非常抗高温的无机材料。

JP-2003179270-A描述了一种直接用半透明涂层材料涂覆的半导体发光元件，所述涂层材料由聚金属环氧乙烷(polymetaloxane)或者陶瓷制成并且抗热。

然而，用于连接所述涂层材料与所述发光元件的处理温度必须较低(例如低于340℃)，否则该发光元件中的n/p结将被损坏。

对于陶瓷材料的涂层/封装，在把其他组件(例如透镜)附着到所述封装上的各步骤中能够使用更高的温度将是有利的，这例如是为了增大可被使用的不同材料的范围。

然而，在其上设置各发光半导体设备的衬底和电路常常是对热敏感的。因此，有利的是具有一种允许所述封装的高温处理而不会损坏所述衬底和/或电路的设备。

对于高强度应用，有利的是能够很容易地把几个半导体发光设备设置在同一个封装中，以便例如减小所述设备的尺寸并且改进混色。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够克服现有技术的上述问题的发光设备。另一个目的是提供一种用于制造这种发光设备的方法。

因此，本发明的第一方面涉及一种发光设备，其包括至少一个用于发光的发光二极管以及用于接收至少一部分所述光的外罩。

所述外罩包括半透明无机材料并且设置有至少一个凹口，该凹口包括定位和定向装置。

所述至少一个发光二极管被设置在所述至少一个凹口中并且由所述定位和定向装置定位及定向，在该至少一个凹口内、在该至少一个发光二极管与所述外罩之间设置半透明无机接触层材料，以便接收至少一部分所述光并且把所述发光二极管连接到所述外罩。

无机外罩材料和无机接触层的使用使得所述设备能够抵抗远高于200℃的高温，其中当使用高功率LED操作该设备时可能出现所述高温，并且在所述高温下有机材料将发生解体。

所述定位和定向装置例如可以由所述至少一个凹口的壁构成。

为了把所述至少一个发光二极管连接到电源，根据本发明的设备中的发光二极管可以进一步包括一个衬底，在该衬底上设置有电路，其中该至少一个发光二极管被设置在该电路上并且连接到该电路。

所述设备可以包括由多个发光二极管构成的阵列，其中各LED将被设置在一个凹口中，每一个LED由所述定位和定向装置定位并且定向在单独的位置处。随后，对于每个LED，所述电路将被设置在该位置处的每个LED上并且连接到该LED。

在包括由多个LED构成的阵列的本发明的设备中，每个LED可以被设置在一个单独的凹口内。这样例如改进了对于不同的LED选择不同的接触层材料的可能性。

构成所述外罩的无机材料可以是陶瓷材料。陶瓷材料被有利地用作所述外罩材料，这是因为除了抗热之外，所述陶瓷材料常常具有与发光二极管基本上相同的热膨胀系数。因此，基本上不会由于设备操作期间的温度改变而在设备上产生张力。

所述无机外罩材料可以包括磷化合物。磷化合物可以被用在所述外罩材料中，以便把从所述发光二极管接收的光的颜色转换成想要的转换后颜色。

所述半透明无机接触层材料可以是玻璃材料。

优选地使用玻璃材料，这是因为可以很容易地塑造所述玻璃材料的形态以便填充凹口，比如通过在玻璃是液态的温度下熔融所述玻璃材料。此外，其热膨胀系数与陶瓷材料和发光二极管基本上相同。

所述半透明无机接触层还可以包括发光材料。

所述接触层中的发光复合材料可以被用来把从所述发光二极管接收的光的颜色转换成具有所期望的颜色的光。

在其中把多个发光二极管设置在外罩的各单独凹口内的实施例中，可以把不同的接触层材料(例如包括不同的发光材料)设置在不同的LED与所述外罩之间。因此，通过各单独的发光二极管的接触层所发出的光可以具有不同的颜色，即使所使用的发光二极管具有相同的固有颜色。

本发明的第二方面涉及一种用于制造发光设备的方法。这种方法包括提供至少一个发光二极管以及提供具有至少一个凹口的外罩，其中，所述外罩包括半透明无机材料。在该至少一个凹口中设置有定位和定向装置，并且在该凹口内设置有半透明无机接触层材料。随后，把至少一个发光二极管设置在所述凹口内的所述接触层材料上，从而通过所述定向和定位装置对该至少一个发光二极管进行定位和定向，并且所述接触层和所述外罩接收由所述发光二极管发出的至少一部分光。

所述方法的一个优点在于，可以在高温下把所述接触层设置在所述凹口中，优选地是在所述接触层材料处于液态的温度下，从而可以很容易地把所述接触层材料散布在所述凹口中，并且允许在所述接触层与所述外罩之间发生良好的接触。随后，还可以在高温下把所述发光二极管设置在所述凹口中并且将其连接到所述接触层，以便允许在所述接触层与该发光二极管之间发生良好的接触。

本发明的所述方法还可以包括把所述发光二极管连接到一个电路，这优选地可以在把该发光二极管设置在所述外罩中之后来执行。该步骤可以在对所述电路或者与之相关的各组件(比如在其上设置该电路的衬底)无害的温度下执行。

附图说明

图1示出了本发明的发光设备的横截面视图。

图2a-f概略地示出了用于制造本发明的发光设备的方法。

具体实施方式

下面将参照附图更为详细地描述本发明。

图1中示出的本发明的一个优选实施例包括设置有电路的衬底1。发光二极管(LED)2的一个阵列被设置在该电路上，并且该阵列的每个LED通过预定位置处的金属突起3单独连接到该电路。

各LED2被设置在半透明无机材料的外罩4中的单独凹口内，并且每个LED的位置和指向由所述凹口的壁确定。在所述凹口内、在每个LED与外罩4之间设置一个半透明无机接触层5，以便把所述LED光学地并且物理地与所述外罩相连结。

此外，在所述衬底1上设置一个镜面反射器6，以便对由所述设备发出的光进行准直。

在图2a-f中概略地描述了用于制造本发明的发光设备的优选方法。

提供了一个具有多个凹口7的无机半透明外罩4(图2a)。

在每个凹口7内设置半透明无机接触层材料5，这优选地是在所述接触层材料处于液态的温度下进行的，其高于所述接触层材料的软化温度，例如取决于所述接触层材料在300℃到1600℃的范围内，这样做改进了与所述外罩的接触(图2b)。

随后，在配备有接触层材料5的每个凹口7中设置一个LED 2，这是在玻璃温度与所述接触层材料的软化温度之间的一个温度下进行的，例如在250℃到400℃的范围内，优选地低于350℃(取决于所述接触层材料)，以便获得在接触层材料与LED之间的良好接触。如此形成的外罩-LED组件被冷却到这样一个温度，在该温度下通过所述接触层获得所述LED与所述外罩的粘结(图2c-d)。

随后，所述外罩-LED组件被设置在所述衬底1上，以便令所述各LED的连接器与设置在电路8上的各金属突起3相接触，其中该电路8被设置在该衬底上(图2e)。在足够高的温度下对所述外罩-LED组件与所述衬底进行热压缩，以便把所述LED连结到所述电路，但是该温度同时又足够低，从而不会损坏所述衬底以及所述衬底上的电路(图2f)。

上述方法允许在这样一种工艺中形成所述LED-外罩组件，其中所述工艺涉及到将会损坏所述电路以及所述衬底的温度。这样就允许把无机材料用作外罩和接触层材料。

应当理解，上面提到的优选实施例仅仅用于说明性的目的，并且本发明仅由所附权利要求书的范围限定。本领域技术人员将意识到，本发明可以有多种变型，这些变型仍然落在所附权利要求书的范围内。

所述衬底可以是能够在其上设置电路的任何适当的衬底。通常使用的衬底在本领域中是公知的，其中例如包括硅衬底和氮化铝衬底。

所述电路包括一个导电材料图案，比如金属或非金属导电化合物。在图2中，所述电路被设置成串联连接所有的LED。然而，其他电路配置也是可能的，比如对于每个LED的并联连接或者单独连接。

金属突起可以被用来把各LED连接到所述电路，并且所述金属突起包括导电材料，比如金或锡之类的金属。所述金属突起可以按照一定的图案被设置在所述电路上，该图案对应于各LED在所述外罩中的定位。因此，在各LED被设置在所述外罩中之后，各LED接触焊盘的位置与所述金属突起的图案相配合。

适用于本发明的发光二极管包括能够在从紫外光到红外光的范围内发光的LED。

这里使用的术语“发光二极管”指的是在从UV光到红外光的任何波长区间内发光的二极管，并且还被认为包括激光二极管。

适用于本发明的LED的例子包括通过在蓝宝石(单晶氧化铝)衬底上生长n/p发光层而构造的LED，以便获得具有平坦轮廓的LED，其中连接到该二极管的阴极和阳极的连接器都位于该LED的下侧，也就是说，在该LED的上侧(即该LED的主要发光的一侧)没有引线接合(倒装片LED)。这些LED被安装在外罩内，其上侧对着外罩，由此易于被连接。

在本发明的优选实施例中，所述LED是蓝色发光二极管或者UV发光二极管，这是因为蓝色/UV光可以很容易地被发光复合材料转换成其他颜色的光。

在本发明中可以有利地使用具有3瓦特每平方毫米或更高效能的高功率LED。

所述接触层充当把LED光学地连接到外罩并且将该LED物理地粘结到该外罩的一层。此外，所述接触层充当光提取层，其从所述发光二极管中提取出光。

所述接触层材料可以是半透明的(特别是透明的)玻璃材料，例如从包括以下各项的组中所选择的材料：硫属化物玻璃、硅酸铅玻璃、碲酸盐玻璃、铋玻璃等等。

这里所使用的术语“半透明的”应被理解为也包括“透明的”，其含义为透明材料也是半透明材料。玻璃材料是有利的，这是由于玻璃具有良好的光学属性并且可以很容易地在高于所述材料的软化点(在该温度下所述玻璃材料是液态的)但是又低于所述外罩材料的熔点的温度下把所述玻璃材料设置在该外罩中的凹口内，这例如是通过把所述液态玻璃材料分注在所述各凹口内或者是通过熔融放置在所述各凹口中的玻璃。

适于在本发明中使用的其他接触层材料包括正磷酸铝和氧化铝及其混合物。

优选地，所述接触层材料的折射率范围至少是从1.7到2.3或者甚至更高。

所述接触层的厚度可以在从小于2μm到高于150μm的范围内变化。所述接触层材料还可以包含发光复合材料，以便把由所述LED发出的光的颜色转换成所期望的颜色，例如把蓝色光转换成绿色光或红色光，或者把UV光转换成蓝色、绿色或红色光。适于合并到所述接触层材料中的这种发光复合材料是本领域技术人员所公知的。所述发光复合材料的例子包括(但不限于)氮化硅发光复合材料，比如掺杂有铕、铝或氧的Sr₂Si₅N₈。

这里使用的术语“发光材料”包括荧光材料和磷光材料，其吸收一定波长或波长区间的光并且发出另一波长或波长区间的光。

在包括被设置在单独的凹口内的几个LED的本发明的实施例中，可以在不同的凹口内设置不同的接触材料(其例如包括不同的发光材料)。因此，可以在所述外罩中设置相同类型的LED(例如UV发光二极管)的阵列，其中通过所述接触层中的不同发光材料把从不同LED发出的光转换成不同的颜色，例如分别转换成蓝色、绿色和红色光，以便提供一个RGB阵列。这样的阵列可以被用来提供白色光，或者当可以独立驱动各单独的LED时，所述阵列可以被用来提供颜色可变的发光设备。或者，为了形成一个RGB阵列，可以在外罩中设置一个蓝色和绿色LED的阵列，其中，在对应于某些LED的所述接触层中，可以分别通过蓝色-红色或绿色-红色发光材料对来自某些蓝色或绿色LED的光进行转换。

本发明的外罩由无机半透明材料制成。所述材料例如可以是陶瓷材料，其包括(但不限于)从由以下各项构成的组中所选择的材料：多晶氧化铝(Al₂O₃)、钇铝石榴石(YAG，Y₃Al₅O₁₂)、氧化钇(Y₂O₃)、(MgAl₂O₄)、MgAlON、氮化铝(AlN)、AlON、SiON、SiAlON和掺杂有二氧化钛(TiO₂)的氧化锆(ZrO₂)及其混合物。适用于本发明的其他材料例如包括具有接近于蓝宝石的热膨胀系数并且具有高于所述接触层材料的软化点的熔点的陶瓷玻璃合成物(例如AlMgSi氧化物)和玻璃材料。

适用于本发明的陶瓷材料是高度抗热的并且可以经受由高功率LED所耗散的高温，并且在把所述接触层材料填充到所述各凹口中时使用所述陶瓷材料。优选地，所述外罩材料可以抵抗甚至更高的温度，比如在把该外罩连接到陶瓷的或玻璃的光提取实体的可选步骤中所使用的温度。

本发明的外罩具有几种功能。其中一种功能是：在把所述LED外罩组件设置在所述衬底上并且把各LED连接到所述电路之前，把所述各LED设置在所期望的位置和指向中。

优选地，所述外罩中的凹口的尺寸被确定为使得LED可以很容易地容纳在所述凹口内，但是其变得被设置在所期望的位置和方向中，以便还被适当地连接到所述电路。当在一个外罩中的各单独凹口内设置一个LED阵列时这样做是特别有利的。所有的LED都变得在所述外罩中被适当地定位和对准，以便安装在预先生产的电路上。

在图1和2所示出的实施例中，每个LED被设置在一个单独的凹口内，并且所述各凹口的壁构成对应于每个LED的定位和定向装置。然而，在本发明的其他实施例中，可以在一个凹口内设置多于一个LED，在这种情况下，所述定位和定向装置例如可以由防止LED在所述LED的平面内移动或旋转的元件构成，但是该装置并不形成把所述凹口分隔成多个凹口的壁。

所述外罩的另一种可选的功能是把由该外罩接收到的光转换成所期望的颜色。在这种情况下，所述外罩材料包括一种发光复合材料或者两种或多种发光复合材料的组合。这种发光复合材料可以优选地从以下各项中选择：掺杂有铈、镨、铕或其组合的钇铝石榴石，例如(YAG:Ce)、(YAG:Ce，Pr)和(YAG:Ge，Eu)。

本领域技术人员将意识到，所述接触层和外罩可以有不同的材料组合。

例如，一个LED阵列可以配备有包括发光材料的接触材料，以便例如提供一个RGB阵列，该RGB阵列可以提供白色光或可变颜色光。在这种情况下，所述外罩不需要包括任何磷光材料来进一步转换所述光的颜色。

在另一个例子中，一个蓝色LED的阵列可以与不包括任何发光材料的接触层以及例如包括YAG:Ce以把蓝色光转换成白色光的外罩一起使用。然而，在后一种情况下，某些蓝色LED可以可选地由绿色LED所替换，并且/或者某些蓝色LED的接触材料可以可选地配备有蓝色-红色转换发光材料，以便改变所产生的光的色温。

此外，其他光学部件可以与本发明的设备组合使用。例如，可以在所述外罩上设置准直、聚焦或散射透镜，以便改变由各LED所发出的光的方向。如图1所示，还可以使用一个设置在所述衬底上的围绕所述外罩的镜面反射器以便对所发出的光进行准直/聚焦。

Claims (16)

1、一种发光设备，其包括至少一个在操作中发光的发光二极管(2)以及被设置成接收至少一部分所述光的外罩(4)，其特征在于：

所述外罩包括半透明无机材料并且配备有至少一个凹口(7)，该凹口包括定位和定向装置；

所述至少一个发光二极管被设置在所述至少一个凹口内并且由所述定位和定向装置定位及定向；以及

在所述至少一个凹口内、在所述至少一个发光二极管与所述外罩之间设置半透明无机接触层材料(5)，以便接收至少一部分所述光并且把所述至少一个发光二极管连接到所述外罩。

2、根据权利要求1的发光设备，其中，所述至少一个凹口(7)包括构成所述定位和定向装置的壁。

3、根据任意一条在前权利要求的发光设备，还包括在其上设置了电路(8)的衬底(1)，并且其中所述至少一个发光二极管(2)被设置在所述电路上并且连接到所述电路。

4、根据权利要求3的发光设备，包括由多个发光二极管构成的阵列，其中第一发光二极管被定位在第一位置处并且被定向在第一指向中，第二发光二极管被定位在第二位置处并且被定向在第二指向中，其中所述电路被设置在位于所述第一位置处的所述第一发光二极管上并且连接到所述第一发光二极管，并且所述电路被设置在位于所述第二位置处的所述第二发光二极管上并且连接到所述第二发光二极管。

5、根据权利要求4的发光设备，其中，所述第一发光二极管被设置在第一凹口内，并且所述第二发光二极管被设置在第二凹口内。

6、根据任意一条在前权利要求的发光设备，其中，被包括在所述外罩中的所述半透明无机材料包括从由以下各项构成的组中所选择的陶瓷材料：多晶氧化铝(Al₂O₃)、钇铝石榴石(YAG，Y₃Al₅O₁₂)、氧化钇(Y₂O₃)、(MgAl₂O₄)、MgAlON、AlON、AlMgSi氧化物、SiON、SiAlON和掺杂有二氧化钛(TiO₂)的氧化锆(ZrO₂)及其混合物。

7、根据任意一条在前权利要求的发光设备，其中，被包括在所述外罩中的所述半透明无机材料包括磷光复合材料，所述磷光复合材料包括掺杂有从由以下各项构成的组中所选择的元素的钇铝石榴石(YAG)：铈、镨、铕及其组合。

8、根据任意一条在前权利要求的发光设备，其中，所述接触层材料包括从由以下各项构成的组中选择的玻璃材料：硫属化物玻璃、硅酸铅、碲酸盐玻璃、铋玻璃及其组合。

9、根据任意一条在前权利要求的发光设备，其中，所述接触层材料包括发光材料。

10、根据权利要求4-9当中的任意一条的发光设备，其中，第一接触层材料被设置在所述第一发光二极管与所述外罩之间，第二接触层材料被设置在所述第二发光二极管与所述外罩之间，并且所述第一和第二接触层材料的至少其中之一包括发光材料。

11、一种用于制造发光设备的方法，包括：

提供至少一个发光二极管；

提供具有至少一个凹口的外罩，所述外罩包括半透明无机材料；

在所述至少一个凹口内设置定位和定向装置；

在所述凹口内设置半透明无机接触层材料；以及

把所述至少一个发光二极管设置在所述凹口内的所述接触层材料上，从而通过所述定向和定位装置对所述发光二极管进行定位和定向，并且所述接触层和所述外罩接收由所述发光二极管发出的至少一部分光。

12、根据权利要求11的方法，进一步包括把所述至少一个发光二极管连接到电路。

13、根据权利要求11-12当中的任意一条的方法，其中，所述接触材料在高于所述接触材料的软化温度的温度下被设置在所述凹口内。

14、根据权利要求13的方法，其中，高于所述接触材料的软化温度的所述温度处于从300℃到1600℃的范围内。

15、根据权利要求11-14当中的任意一条的方法，其中，所述发光二极管在玻璃温度与所述接触材料的软化温度之间的一个温度下被设置在所述凹口内。

16、根据权利要求15的方法，其中，在所述玻璃温度与所述软化温度之间的所述温度是从300℃到400℃。

Images