CN101517756A - 具有张力缓和的发光器件 - Google Patents
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Abstract
提供一种发光器件，包括发光二极管10，其中发光二极管10的发光表面11借助于结合材料12结合到光学元件13，所述结合材料包括具有Tg＜250℃的玻璃转化温度的磷酸盐玻璃或氧化物玻璃。在器件工作中，当温度接近或超过结合材料的Tg时，结合材料变成流体并且能够因此缓和在发光二极管和光学元件之间的任何热引发应力。
Description
技术领域
一种发光器件，包括至少一个发光二极管和借助于结合(bonding)材料结合到所述至少一个发光二极管的发光表面的至少一个光学元件。
背景技术
发光二极管(LED)现在被视为用于几种不同的照明应用的光源，并且预计在未来数年内发光二极管的使用会增长。
发光二极管典型地包括在封装中，该封装包含包括有源光产生层的实际LED芯片和布置在该LED芯片上的光引出光学器件(lightextraction optics)。在封装的光学器件和芯片之间的光引出效率是LED面对的主要问题。
关于这点，经典的方法包括主引出光学器件的使用，例如设置在LED芯片上的光学圆顶(optical dome)，所述光学圆顶基于它们的折射特性而引出光。这些光学圆顶的材料通常基于硅酮和聚合物(例如PMMA)。然而，这些光学圆顶限制了光热稳定性，这限制了所使用的LED芯片的功率，而这又限制了发光器件的流明功率。
解决该问题的一种方法是使用无机光学元件来从LED芯片引出光。这样的光学元件的材料可以例如是多晶陶瓷材料或玻璃。这样的无机光学元件具有高得多的光热稳定性，其允许发光器件具有高流明功率和输出。
然而，高功率LED可能耗散大量的热，并且辐射可能是强烈的。关于这点，LED芯片和引出光学器件之间的结合自身应当展现出高的光热稳定性，从而使其在发光器件中不是限制因素并使得能够从无机引出光学器件的高的光热稳定性获益，所述结合形成将来自LED芯片的光耦合到引出光学器件并且将引出光学器件物理地粘结到LED芯片的连接。
然而，由于高功率LED在工作中可能耗散大量的热，因此对于LED芯片、结合材料和引出光学器件的热膨胀系数之间的微小的差别导致封装中热引发张力(heat induced tension)的形成，最终导致封装的破损。于是，存在对其中LED芯片和引出光学器件之间的结合能够抵抗其受到的负载和应力的发光器件的需要。
发明内容
本发明的目的是克服该问题，并提供一种根据所附权利要求的、展现出对于上述热引发张力进行缓和(relaxation)的发光器件。
发明人已经发现，具有低于或者约等于工作期间在LED封装中达到的温度的玻璃转化温度(Tg)的玻璃材料可以有利地用作结合材料，以将光学元件结合到LED封装中的发光二极管。在LED工作期间，LED封装的温度将逐渐地从周围环境增加到工作温度，在工作温度下，LED芯片和光学元件之间热膨胀系数的差别可能导致封装的损坏。然而，当接近工作温度时，也接近结合材料的Tg，最终结合材料变成流体，并且任何热引发张力借助于充当张力缓冲物的所述流体层而缓和。
因此，在第一方面，本发明涉及一种发光器件，该发光器件包括至少一个发光二极管和借助于结合材料结合到所述至少一个发光二极管的发光表面的至少一个光学元件，其中所述结合材料包括玻璃材料，该玻璃材料选自磷酸盐玻璃和氧化物玻璃构成的组，并且具有高达250℃的Tg。
应当注意的是，磷酸盐玻璃已经为人所熟知并且先前已经连同发光二极管使用。例如，美国专利申请no 2002/0179919A1描述了磷酸盐玻璃的使用以将环形的顶部结合到LED的引线框架并结合到基体上。
当用做LED芯片和光学元件之间的结合材料时，有附加的效果，即该材料作为用来获得LED芯片和光学元件之间的物理和光学结合的结合材料展现出良好的特性，并且能够缓和热引发张力，因此使其非常适合作为LED芯片和直接布置在LED芯片上的光学元件之间的结合材料。
适合的磷酸盐玻璃的例子包括但不限于，磷酸锡玻璃、磷酸锂玻璃、磷酸钠玻璃、磷酸钾玻璃、磷酸铯玻璃、磷酸碲玻璃和它们的混合物。
适合的氧化物玻璃的例子包括但不限于，钨/碲氧化物玻璃、钠/锌/碲氧化物玻璃、钡锌/碲氧化物玻璃和它们的混合物。
在本发明的实施例中，LED是倒装芯片型的，其中阳极和阴极布置在发光表面的同一侧上。这种类型的LED提供了其上适于直接结合光学元件的发光表面。
在优选的实施例中，光学元件由无机材料形成。为了充分利用所提出的结合材料，有利的是光学元件是光和热稳定的，以便由发光二极管发出的光和从发光二极管耗散的热不会使光学元件劣化并由此危及器件的功能。无机材料，例如多晶陶瓷材料和某些玻璃材料，是在具有所需特性的材料之中的。
在本发明的实施例中，光学元件和/或布置在发光二极管和光学元件之间的结合材料可以包括发光化合物。在某些应用中，需要从发光二极管发射的光的至少部分的颜色转变。例如，可以通过使用发黄光的荧光化合物将部分蓝光转变为黄光，而从蓝光发光二极管产生白光。
在第二方面，本发明涉及用于制造发光器件的方法，所述方法包括：提供至少一个发光二极管和至少一个光学元件；在所述至少一个发光二极管的发光表面和/或所述至少一个光学元件的表面上，布置包括具有高达250℃的Tg的磷酸盐玻璃或氧化物玻璃的结合材料；将所述至少一个光学元件放置在所述至少一个发光二极管的所述发光表面上，在它们之间具有所述结合材料，以形成组件；以及，在Tg或者高于Tg的温度下加热所述结合材料，以将所述至少一个光学元件结合到所述至少一个发光二极管。
在本发明的实施例中，用于结合的加热可以在压缩所述组件的同时进行。
附图说明
现在将参见示出了本发明的当前优选实施例的附图，对本发明的这些和其他方面进行详细地说明。
图1为根据本发明的一个实施例的发光器件的截面图。
具体实施方式
在一个方面，本发明涉及一种发光器件，该发光器件包括LED芯片和光学元件，该光学元件通过基于使用玻璃材料的结合材料与所述LED芯片的发光表面结合，所述玻璃材料具有的玻璃转化温度低于LED封装的工作温度。
这样的发光器件1的一个实施例，如图1中所示，包括具有发光表面11的发光二极管(LED)10，发光表面11即是所产生的光通过其离开LED的表面。
光学元件13布置在LED 10的发光表面11上，并且借助于包括结合材料的结合物12结合到发光表面11。
结合材料主要由具有高达250℃的玻璃转化温度(Tg)的玻璃材料构成。
结合材料的位置不限于仅布置在LED的发光表面上，而是也可以位于发光二极管和光学元件之间的其他界面上。
优选地，选择结合材料使得玻璃转化温度处于或者低于工作时器件中达到的温度。
如这里所使用的，术语“发光二极管(缩写为LED)”涉及本领域技术人员所知的所有类型的发光二极管，并且包括但不限于基于无机物的发光二极管，例如聚合物LED和OLED的基于有机物的发光二极管，并且，也涉及激光二极管。在本发明的语境下，“光”包含从紫外线辐射到红外线辐射的波长范围，尤其是其中的可见和近可见的范围。
本中请的器件尤其适合但是不限于，使用高功率LED，例如在工作期间可以达到250℃以及以上的温度的那些LED。而且，所谓的倒装芯片LED，尤其考虑在本发明中使用，所述倒装芯片LED在发光表面的同一侧上具有阴极和阳极两者。
而且，具有比如单晶表面(例如蓝宝石)的无机发光表面的LED尤其考虑在本发明中使用。
布置在LED 10上的光学元件13可以由有机材料形成，例如PMMA，或者可以由无机材料形成，例如多晶陶瓷材料或玻璃材料。
对于由下面的LED发射出的光，光学元件13一般是半透明或透射的。
由于例如多晶陶瓷和玻璃的无机材料通常是更加光热稳定的，所以光学元件13优选由无机材料形成。
光学元件一般呈圆顶或板的形式，并且被设计成接收和传送由发光二极管发射的光。
在某些实施例中，光学元件可以包括可以转变由LED发射的光的颜色的发光(即，荧光和/或磷光)材料。
依赖于其形状和/或构造，光学元件可以例如用作折射元件，比如用于耦合输出光的透镜或圆顶，准直仪和/或颜色转变元件。
在某些实施例中，结合材料可以包括可以转变由LED发射的光的颜色的发光(即，荧光和/或磷光)材料。
适用于本发明的玻璃材料包括具有处于或者低于250℃的玻璃转化温度Tg的玻璃。这样的玻璃材料的例子包括磷酸盐玻璃(例如磷酸锡玻璃、磷酸锂玻璃、磷酸钠玻璃、磷酸钾玻璃、磷酸铯玻璃和磷酸碲玻璃)，以及氧化物玻璃(例如钨/碲氧化物玻璃、钠/锌/碲氧化物玻璃和钡/锌/碲氧化物玻璃)。
当器件1在工作时，LED 10在热的产生下发出光。LED的流明功率越高，从LED耗散的热越多。热耗散导致LED 10、结合物12和光学元件13的温度升高。而这又导致了LED、结合物和光学元件的尺寸的改变。这些改变的程度取决于热膨胀系数(L/L0(℃-1))。
高的温度增加导致大的尺寸改变，并且如果在各热膨胀系数之间即使有最微小的不匹配，那么张力将会在器件中产生。
然而，当器件的温度接近玻璃状结合材料的Tg时，结合材料变成流体状态。于是，在流体状态下的结合材料可以缓和在光学元件和发光二极管之间产生的张力。
因此，当本发明的结合材料被用于将LED结合到光学元件时，将会在热引发的损坏方面有强烈的减少。
本发明的发光器件可以通过下述方法生产。
在第一步骤中，提供如上所述的发光二极管和光学元件。此处结合材料包括如上所定义的具有处于或者低于250℃的Tg的玻璃材料，所述结合材料布置在发光二极管的发光表面上和/或适于面向发光二极管的光学元件的表面上。结合材料可以布置在这些表面的全部或部分上。
例如，结合材料可以通过在表面上熔化一块结合材料，借助玻璃箔转移或玻璃的高温喷射而布置在(一个或多个)表面上。
光学元件布置在LED上，在光学元件和LED之间具有结合材料，以形成组件。之后，至少是结合材料，但一般是整个组件，被加热到结合材料的Tg之上的温度，以将光学元件光学地结合到LED。
本领域技术人员了解，本发明决不受限于上述优选的实施例。相反，在所附权利要求范围内，许多改进和变化是可能的。例如，虽然在图1中示出了一个LED芯片，但是可以将多个LED芯片结合到一个光学元件，以形成多LED组件。
Claims (10)
1.一种发光器件(1)，包括至少一个发光二极管(10)和借助于结合材料(12)结合到所述至少一个发光二极管(10)的发光表面(11)的至少一个光学元件(13)，其特征在于，所述结合材料(12)包括玻璃材料，所述玻璃材料选自具有高达250℃的Tg的由磷酸盐玻璃和氧化物玻璃构成的组。
2.根据权利要求1的发光器件，其中所述磷酸盐玻璃选自磷酸锡玻璃、磷酸锂玻璃、磷酸钠玻璃、磷酸钾玻璃、磷酸铯玻璃、磷酸碲玻璃及其混合物构成的组。
3.根据权利要求1或2的发光器件，其中所述氧化物玻璃选自钨/碲氧化物玻璃、钠/锌/碲氧化物玻璃、钡/锌/碲氧化物玻璃及其混合物构成的组。
4.根据前述任一项权利要求的发光器件，其中所述至少一个发光二极管是倒装芯片型发光二极管。
5.根据前述任一项权利要求的发光器件，其中所述光学元件(13)由无机材料形成。
6.根据前述任一项权利要求的发光器件，其中所述光学元件(13)包括发光化合物。
7.根据前述任一项权利要求的发光器件，其中所述结合材料(12)包括发光化合物。
8.一种用于制造发光器件(1)的方法，包括：
提供至少一个发光二极管(10)和至少一个光学元件(13)；
在所述至少一个发光二极管(10)的发光表面(11)上和/或所述至少一个光学元件(13)的表面上布置包括玻璃材料的结合材料(12)，所述玻璃材料选自由磷酸盐玻璃和氧化物玻璃构成的组并具有高达250℃的Tg；
将所述至少一个光学元件(13)放置在所述至少一个发光二极管的所述发光表面(11)上而使所述结合材料(12)处于其间，以形成组件；
在其Tg之上的温度下加热所述结合材料(12)，从而将所述至少一个光学元件结合到所述至少一个发光二极管。
9.根据权利要求8的方法，其中在压缩所述组件的同时进行所述加热。
10.磷酸盐玻璃或氧化物玻璃的使用，用于将光学元件结合到发光二极管的发光表面。
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