CN102077011A - 具有远程磷光体涂层的led灯和制造该灯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管（LED）灯包括具有一个或多个LED芯片的底座、在所述LED芯片之上的内部盖体（16），其中，所述盖体（16）是半透明陶瓷，其导热率大于玻璃的导热率，其中，所述盖体具有与所述LED芯片分隔开一定间隙的内表面，并且其中，所述盖体的外表面被涂有磷光体。陶瓷盖体（16）优选地具有至少5W/（m·k）的整体导热率，诸如多晶氧化铝。LED芯片优选地是蓝色LED，并且磷光体被选择为使得该灯发射白光。在制造灯的方法中，可以向所述盖体的外表面施加磷光体作为预制成片材或在涂层中。

Description

具有远程磷光体涂层的LED灯和制造该灯的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年6月26日提交且题为“Highly Efficient Small Form Factor LED Retrofit Lamp”的序号为61/075,866的临时申请的优先权，该临时申请通过引用整体地结合到本文中。
技术领域
本发明涉及具有远程磷光体涂层的LED灯和制造该灯的方法。
背景技术
本发明针对一种发光二极管（LED）灯和制造该灯的方法。
固态照明技术由于最近LED器件和光源效能的增加而开始渗透白光照明市场。在其中可以分布LED以减轻热管理的困难的应用中能够找到LED解决方案，诸如直线条带（linear strip）和其中光源相对大的向下式照明解决方案。具有高光通量的小形状因数（form factor）LED改造（retrofit）的开发已经由于用于驱动器电子装置的有限体积和用于散热的表面面积而具有挑战性。
诸如图1所示的常规50W Sylvania MR16卤素反射灯是主要在内部零售店和住宅应用中使用的小形状因数灯。MR16的尺寸在直径方面仅仅约2.0英寸（inch）且在全长方面为1.9英寸。50W卤灯实现约600流明。射束角随着应用而改变，从小于10°的窄角光（narrow spot）至约60°的超广角光的范围内变动。在零售应用中，颜色质量是重要的，因为从灯输出的光必须以非常高的质量呈现商品。
通常，最有效的高CRI暖白光方法是将经白色磷光体转换的InGaN LED与红色InGaAlP LED混合。由于两种材料具有不同的热特性，所以需要复杂且昂贵的感测和反馈控制机制来使白色点稳定。这种技术不适合于小MR16灯；仅仅存在不足以容纳LED驱动器和控制系统两者的空间，并且此类替换灯可能不具有足以保持这种技术所需的低InGaAlP结温度的散热面积。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决了现有技术的问题的适合于小形状因数改造的新型LED灯和这种灯的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种新型LED灯，其包括具有一个或多个LED芯片的底座、在LED芯片之上的内部盖体（cover），其中，所述盖体是半透明陶瓷，其中，所述盖体具有与LED芯片分隔开一定间隙的内表面，并且其中，所述盖体的外表面涂有磷光体。所述陶瓷盖体优选地具有至少5W/(m·K)的整体导热率，诸如多晶氧化铝。LED芯片优选地是蓝色LED，并且磷光体被选择为使得该灯发射白光。
本发明的另一目的是提供制造这种灯的新型方法。
在考虑优选实施例的以下附图和说明之后，本领域的技术人员将清楚本发明的这些及其它目的和优点。
附图说明
图1是现有技术灯的示例。
图2示出从LED发射的光的现有技术芯片级转换。
图3示出在本发明中的从LED发射的光的远程磷光体（remote phosphor）转换。
图4是本发明的实施例的分解图。
图5是本发明的实施例的剖视图。
图6是本发明的实施例的图形表示。
图7是本发明的另一实施例的部分剖视图。
图8是本发明的又一实施例的示意图。
图9是用于本发明的集成驱动器的实施例的框图。
具体实施方式
在任何LED改造灯的核心处的是光引擎。常规白色LED光引擎（诸如图2中所示的光引擎）包含蓝色发光LED芯片，其具有与LED芯片直接接触的磷光体涂层，这在本文中称为芯片级转换（CLC）。诸如图3中所示的本发明的实施例是CLC的替换，并且可以称为远程磷光体（RP）转换。在RP转换中，磷光体移动而脱离与LED芯片的表面的接触。也就是说，承载磷光体的基底的内表面与LED芯片分隔开一定的间隙。由于斯托克斯位移（Stokes shift）而由磷光体产生的热被基底驱散，其中，所述基底具有明显好于玻璃的导热率（“玻璃”是基本上透明的无定形材料，主要包括但不限于硅石、氧化铅、或氧化钛，并具有约1 W/(m·K)的导热率）。所述基底优选地是诸如多晶氧化铝或多晶铝氧化物（每个在本文中称为PCA）之类的陶瓷。
如图4中的本发明的分解图所示，本发明的发光二极管（LED）灯包括具有在操作上安装在其上的一个或多个LED芯片14的底座（base）12（诸如印刷电路板），和在LED芯片之上附着于底座的内部盖体16，所述盖体16是至少半透明的陶瓷，其导热率大于玻璃，其中，盖体16的内表面与所述LED芯片由间隙来分隔开，并且其中，磷光体涂敷所述盖体的外表面。所述磷光体将由LED芯片14发射的第一波长范围的光转换成由该灯发射的不同波长范围的光。
还参考图5和6，本发明的实施例还可以包括具有散热鳍片（fin）20的外壳18、外部盖体22、反射镜24、和用于灯的适当电连接26。底座和鳍片可以由具有高导热率的材料制成，诸如铝，并且可以根据将由灯发射的射束来选择外部盖体22和反射镜24（安装在外壳18中以重定向由涂敷磷光体的陶瓷盖体16发射的光）。底座12可以包括覆盖所述盖体下面的底座的光反射表面，诸如图3中的LED芯片14周围的底座12上的反射表面11。可以在外壳18中安装驱动器28。
不是在所有实施例中都需要存在外部盖体22，并且其可以是透明或半透明的，这取决于应用。在某些实施例中，外部盖体可以是透镜。所述外部盖体可以包括保护性元件。
可以以考虑多个LED芯片14所产生的热的方式将它们布置在底座12上。例如，如图7所示，多个芯片14可以在底座12上间隔开约4～6 mm。
在某些实施例中，内部盖体16可以是圆顶状的，并因此是空心的，如图3所示，或者可以是如例如图8所示的管状的。实施例可以包括单个光引擎，例如，当灯将模拟蜡烛时，或者当灯将以类似于管状荧光灯的方式发射光时，包括沿着管的长度间隔开的多个光引擎。根据应用，还可以采用其它形状，诸如平板。内部盖体16优选地由PCA制成，其为用于钠汽灯和金属卤化物灯的常规半透明陶瓷。PCA是相对廉价的，并且可以被烧结至高可见光透射率。虽然内部盖体16需要具有大于玻璃的导热率，但用于PCA盖体的优选最小导热率是28W/(m·K)。还可以使用具有大于玻璃的整体导热率（期望地具有至少5W/(m·K)的整体导热率）的其它陶瓷，诸如多晶和单晶氧化铝、氮化铝、和氮氧化铝。在某些实施例中，LED芯片14与盖体16的内表面之间的间隙可以填充以空气或另一适当气体，或者填充以用于LED芯片的环氧树脂或硅酮树脂密封（silicone encapsulation）。
本发明的实施例优选地使用热稳健的InGaN蓝色LED，其在通过优化磷光体混合物和蓝色LED波长来实现优良的色彩呈现的同时提供更简单且更具有成本效率的解决方案。此外，RP转换技术相对于CLC而言具有效能和热管理益处两者。远程磷光体蓝色至白色转换具有比CLC高20%的光学效率。陶瓷磷光体基底（例如，PCA）的导热率允许保持小的远程磷光体尺寸，即使是对于高激发强度、对小形状因数的要求、高通量灯而言也是如此。结果产生的热负荷的减少和导热磷光体基底的使用与CLC相比能够显著地降低LED结和磷光体温度。本文所描述的实施例为诸如MR16替换之类的小形状因数高性能暖白光灯提供理想的解决方案。
RP转换技术至少部分地由于较高的潜在光学和热效率而提供相对于CLC技术的优点。对于CLC而言，磷光体发射并将相当量的光反射回到芯片中，因此，光学转换效率（ηOC）受到芯片反射率的限制。对于适当设计的RP配置而言，可以以比CLC高的效率提取从磷光体反射和向回发射的光。对于白色RP LED，已经发现达到0.99的光学转换效率，同时，在考虑斯托克斯转换损耗之后，使用市售蓝色LED封装、具有高反射率保形涂层的电路板、和具有外部硅树脂/钇铝石榴石（YAG）：Ce磷光体涂层的2cm直径PCA灯泡的原型实施例具有对于CCT～5800 K而言平均90%的ηOC。这相对于现有CLC技术的当前状态而言是显著的改进。
实施例的瞬态启动（instant-on）效能和通量的估计指示与CLC相比而言用于RP转换的此类值的20%的增加。另外，由于增加的光学效率，少于17%的热将被驱散，这也可以产生增加的热效率。
使用四个高功率（1mm2）芯片；峰值波长～460 nm；对于350 mA电流而言，驱动电压3.2 V，斯托克斯效率＝77%，频谱光学效率＝300 lm/W，以及上述磷光体转换效率，我们可以如下表所示地计算光引擎通量和效能。
技术 电流 蓝色LED（WPE） TLED（℃） T磷光体（℃） 通量（lm） 效能（lm/W）
CLC 350 60% 25 25 466 104
PCA上RP 350 60% 25 25 559 125
CLC 350 70% 25 25 543 121
PCA上RP 350 70% 25 25 652 146
表1. 在25℃的投射光引擎通量和效能值
蓝色LED的效率几年来已稳定地提高，现在产生在350mA下能够具有大于50%的效率的高功率蓝色芯片。Osram Opto Semiconductors已经报告了对于超过50%的插座效率（wall plug efficiency，WPE）而言在350mA达到643 mW的输出功率的值，如可以在http://www3.interscience.wiley.com/journal/121660909/abstract.中看到的。
由于典型的MR16尺寸的灯泡几乎不留下产生具有大表面面积的散热器的空间，所以只有热管理解决方案才能解决此难题。本文所描述的实施例提供用于热管理的优点；其使用具有随着上升的温度固有地较少的通量衰减的蓝色LED、和沉积在PCA上的远程磷光体、提供来自磷光体的热传导的致密陶瓷，所述磷光体由于斯托克斯位移和量子转换损耗而加热。
典型的灯壳（lamp envelope）应用要求约1mm的材料厚度。在此厚度下，成品材料是半透明的，并具有约30 W/(m·K)的整体导热率。通过比较，以下光学材料的导热率是：玻璃约1、硅树脂或PMMA约0.2、以及YAG约13。因此，PCA的导热率大约是光学聚合物的150倍、是玻璃的30倍、并且是YAG的2倍。如果使用玻璃或光学硅树脂作为盖体材料，则磷光体温度将远远超过正常极限，并将器件热效率降低至不可接受的程度。RP/PCA组合允许磷光体温度比CLC的低。
PCA 玻璃 光学硅树脂 PMMA YAG
导热率W/(m·K) 30 1 0.2 0.2 13
相对导热率 1.00 0.033 0.0067 0.0067 0.43
表2：在25℃的光学材料的导热率
在优选实施例中，使用PCA灯泡作为用于远程磷光体层的导热但光学上半透明的基底。PCA的高内部透射率和高导热率的唯一组合使本文所述的实施例的优越稳态效能成为可能。
为了将CLC的稳态性能与PCA上R P技术相比较，需要热分析来确定平衡LED结和磷光体温度。一旦知道了平衡温度，可以根据已知LED和磷光体数据来计算被定义为与瞬态启动值相比被保持的百分比效能或通量的热效率。
表3总结来自此类热分析的结果，在单个封装中采用四个高功率（1mm2）芯片；结至板热阻是4K/W，峰值波长是～460 nm，并且对于350mA电流而言，驱动电压是3.2V。另外，所使用的斯托克斯效率是77%，频谱光学效率是300 lm/V，电学转换效率＝90%，并且板至环境热阻是15K/W。
技术 电流（mA） 蓝色LED（WPE） TL（℃） TP（℃） 热效率
CLC 350 60% 91 91 86%
PCA上RP 350 60% 83 82 88%
CLC 350 70% 87 87 87%
PCA上RP 350 70% 78 79 89%
表3. 采用相同蓝色LED芯片和磷光体的PCA光引擎上的RP和CLC 的稳态热比较
在350mA，使用具有WPE≥50%的蓝色LED，热效率超过85%（热效率被定义为被保持在热平衡的25℃处通量或效能的百分比）。用于CLC的热效率比PCA上RP值低约2%。因此，在所有情况下，用于PCA上RP的组件温度的降低引起高2%的热效率。
低压轨道灯（track light）系统一般使用在60Hz或20～50 kHz为12/24VAC、或可替换地为12/24VDC的MR16灯。由于LED需要恒定的DC电流，所以用改造LED灯替代常规卤素灯可能要求替换集成驱动器30（参见表4和图9）。LED技术的发展已产生以低功率运行并因此要求较低功率驱动器的更高效的光源。期望地，集成驱动器在6W的功率水平应满足90%的效率并适合MR16的紧凑形状因数，并与照明轨道上的磁性/电子变压器兼容。
参数 值 单位
功率 6 W
驱动器输出电流 350 mA
效率 90 %
功率因数 >0.9 Const
寿命 50,000 小时
表4：驱动器参数
在制造例如图3所示的灯的方法中，与磷光体涂层相关联的问题之一是陶瓷上的均匀、可再现涂层的施加，尤其是当陶瓷具有非平面表面时，诸如本文所描述的实施例的圆柱形或半球形盖体。喷涂和浆体沉积两者使用液体悬浮液来向基底施加磷光体颗粒。涂层的均匀度在很大程度上取决于悬浮液的粘度、悬浮液中的颗粒浓度、和诸如环境温度和湿度之类的环境因素。由于悬浮液在干燥之前的流动和每日涂层厚度变化而引起的涂层缺陷是常见的问题。
本文的实施例使用被粘附于基底的预制成片材，类似于壁纸。可以在有机溶剂中制备磷光体、表面活性剂、和聚合物的悬浮液。然后可以通过挤压或浇铸、或倾注到由玻璃制成的平板上并允许干燥来将悬浮液制成为片材。可以从其临时基底去除或剥落结果得到的磷光体/聚合物/表面活性剂片材并使用溶剂或腈基丙烯酸酯粘合剂将其施加于陶瓷盖体。在900℉下烘焙涂敷片材的盖体，烧除聚合物基质并留下磷光体涂层。
在特定示例中，通过挤压将纤维素聚合物和YAG:Ce磷光体颗粒的悬浮液制成为片材。通过用异丙醇润湿基底并施加压力来将片材粘附于圆柱形基底。溶剂软化片材并允许在提供片材到基底的充分粘附的同时挤出气泡。在900℉在空气中烘焙被涂敷的圆柱以烧掉聚合物，留下涂敷聚合物的圆柱。可以通过将磷光体与硅树脂混合来涂敷具有不那么复杂的形状的基底，所述硅树脂随后被施加于基底并固化。在这种实例下，在涂敷之后不去除硅树脂粘结剂。请注意，当在空气中被加热至900℉时，将使得将蓝色转换成橙红色的磷光体不可用，并且在这种情况下，应使用具有较低烧化温度的不同聚合物。在某些实施例中，烧化温度应在500℉至1000℉范围内。
如下表5所示，使用本文所述实施例的结果得到的灯能够充当MR16改造灯，其在3500 K的相关色温处分别具有104 lm/W和518 lm的投射稳态效能和通量。光通量和结果得到的中心射束烛光（CBCP）与35W卤素灯相当。LED改造灯可以在许多现有卤素灯装置中使用。为了满足这一点，电源将把通常施加于卤素灯的12V AC转换成适合于LED的电流控制的DC。另外，光源将满足对MR16的ANSI最大尺寸要求。使用陶瓷光引擎上远程磷光体技术来获得比利用常规芯片级转换的情况下可获得的更高的光学和热效率。蓝色LED的直接观察被遮蔽（obscure），并且由于陶瓷半透明性而获得LED和磷光体发射光的优良混合。结果得到的漫射发射在外观上类似于磨砂白炽灯泡，并且是悦目的。
表5. MR16替换的规格
另外，紧凑式封装中的高光学和热效率的组合使得本文所述的实施例对于多种白色LED应用而言是具有吸引力的。例如，来自涂敷磷光体的圆顶的漫射、超广角发射特别适合于其中发现了大射束角的白炽灯的替换。
虽然已在前述说明书和附图中描述了本发明的实施例，但应当理解的是当根据说明书和附图来阅读时，由以下权利要求来限定本发明。

Claims (20)

1. 一种发光二极管（LED）灯，包括： 
底座，具有在操作上安装在其上的一个或多个LED芯片； 
所述LED芯片之上的底座上的内部盖体，所述盖体是至少半透明的陶瓷，所述至少半透明的陶瓷的导热率大于玻璃，所述盖体的内表面与所述LED芯片由间隙来分隔开；以及 
涂敷所述盖体的外表面的磷光体，所述磷光体将由所述LED芯片发射的第一波长范围的光转换成不同波长范围的光。
2. 权利要求1的灯，其中，所述陶瓷具有至少5 W/(m·K)的整体导热率。
3. 权利要求2的灯，其中，所述陶瓷具有至少28 W/(m·K)的整体导热率。
4. 权利要求2的灯，其中，所述陶瓷是多晶氧化铝、多晶氮化铝、和多晶氮氧化铝之一。
5. 权利要求2的灯，其中，所述第一波长范围是440～480 nm，并且所述磷光体包括YAG:Ce，以便所述灯发射白光。
6. 权利要求1的灯，其中，所述盖体是圆顶。
7. 权利要求1的灯，其中，所述盖体是管。
8. 权利要求1的灯，其中，所述盖体是平板。
9. 权利要求2的灯，其中，所述陶瓷是单晶氧化铝、氮化铝、和氮氧化铝之一。
10. 权利要求1的灯，还包括其中安装有底座的外壳，所述外壳具有覆盖有反射镜的内表面和具有散热鳍片的外表面，所述反射镜被布置成重定向由涂敷磷光体的盖体所发射的光。
11. 权利要求1的灯，还包括覆盖所述盖体下面的底座的光反射表面。
12. 一种制造发光二极管（LED）灯的方法，包括步骤： 
在底座上在操作上安装一个或多个LED芯片； 
用内部盖体覆盖所述LED芯片，所述盖体是至少半透明的陶瓷，所述至少半透明的陶瓷的导热率大于玻璃，所述盖体的内表面与所述LED芯片由间隙来分隔开；以及 
用磷光体涂敷所述盖体的外表面，所述磷光体将由所述LED芯片发射的第一波长范围的光转换成不同波长范围的光。
13. 权利要求12的方法，其中，所述陶瓷具有至少5 W/(m·K)的整体导热率。
14. 权利要求13的方法，其中，所述陶瓷是多晶氧化铝。
15. 权利要求13的方法，其中，所述第一波长范围是440～480 nm，并且所述磷光体包括YAG:Ce，以便所述灯发射白光。
16. 权利要求12的方法，还包括将底座安装在外壳中，所述外壳具有覆盖有反射镜的内表面和具有散热鳍片的外表面，所述反射镜被布置成重定向由涂敷磷光体的盖体所发射的光。
17. 权利要求12的方法，还包括用光反射表面覆盖所述盖体下面的底座。
18. 权利要求12的方法，其中，所述涂敷步骤包括：
制成包括所述磷光体和聚合物基质的片材，
用粘合剂将所述片材粘附于所述盖体的外表面，以及
通过将所述片材加热到至少900℉来从所述片材去除所述聚合物基质，将所述磷光体留在所述盖体的外表面上。
19. 权利要求12的方法，其中，所述涂敷步骤包括：
用包含所述磷光体和有机粘结剂的悬浮液来涂覆所述盖体的外表面，以及
通过加热来去除所述有机粘结剂，将所述磷光体留在所述盖体的外表面上。
20. 权利要求12的方法，其中，所述涂覆步骤包括：
用包含所述磷光体和硅树脂的悬浮液来涂敷所述盖体的外表面，以及
固化所涂敷的外表面，将所述磷光体和硅树脂留在所述盖体的外表面上。
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