CN102217098A - 具有透明热传导层的发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光器件以及生产该器件的方法。所述发光器件包括：透明热传导层；在所述透明热传导层上提供的荧光层；以及，配置为朝向所述透明热传导层以及所述荧光层发光的至少一个发光半导体。

Description

具有透明热传导层的发光器件
技术领域
本发明涉及发光器件，更具体地说，涉及具有荧光层(phosphor layer)的半导体发光器件。
背景技术
发光二极管(LED：Light emitting diode)是用于替代传统的光源(例如，白炽灯以及荧光光源)的具有吸引力的备选者。LED比白炽灯具有充分地更高的光转换效率，并且比两种类型的传统光源具有更长的寿命。此外，某些类型的LED目前具有比荧光光源更高的转换效率，并且在实验室论证了更高的转换效率。而且，LED需要比荧光灯更低的电压，因此，LED更适用于必须从低电压源(例如，电池或者内部计算机直流电源)供电的光源。
不幸地是，LED在相对较窄的光谱带中产生光。为了替代传统的光源，需要产生在观察者看来是“白色”光的LED。可以从覆盖有将一部分蓝光转换为黄光的荧光层的蓝光发光半导体，来构造转换效率比得上荧光光源的转换效率、并且呈现白色的光源。如果正确地选择蓝光与黄光的比率，所产生的光源在观察者看来是白色的。然而，因为在转换过程中荧光层本身产生热量，在需要更高的照明功率的应用中，荧光层会过热。如果没有充分地散热，会导致荧光层的退化，并且降低器件的性能以及寿命。
为了改善输出光的效率以及色彩一致性(consistency)，一些现有的发光器件被设计成具有可独立制造的荧光层，该荧光层被安装远离发光二极管。然而，该方法产生了额外的问题。由于光转换过程本身，荧光层可以明显地加热起来，导致效率降低以及退化。由于没有提供任何从荧光层散热的方法，因此，这种设计没有有效地解决散热问题。
因此，尽管现有的LED被证明通常适合于其预期的用途，但是其具有固有的缺陷，降低了其整体的效果以及期望(desirability)。这样看来，需要小的、高功率“白光”LED，并且该LED具有从荧光层散热的系统。
发明内容
在本公开的一个方面，提供一器件，包括：透明热传导层、在透明热传导层上提供的荧光层、以及至少一个发光半导体。该发光半导体配置成朝向透明热传导层以及荧光层发光。
在本公开的另一个方面，提供一器件，包括：具有替换层的堆叠、以及至少一个用于朝向该堆叠发光所配置的发光半导体。其中该替换层具有至少一个透明热传导层以及至少一个荧光层。
在本公开的另一个方面，提供一发光器件包括：在透明热传导层上提供的至少一个荧光层。其中该透明热传导层的热导率高于该至少一个荧光层的热导率。
在本公开的另一个方面，提供用于制造发光器件的方法，该方法包括在透明热传导层上沉积至少一种荧光混合物。
应理解的是，从下面的详细描述中，发光器件的其它方面对于本领域技术人员来说显然很容易，仅通过图解在发光器件的各个方面的示例中进行示出并描述。正如将要了解到的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在此公开的发光器件的各个方面能够在各种其它方面中进行修改。因此，以下的附图与具体的描述，在性质上视为说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在附图中通过示例(而不是通过限制)来阐明本公开的各个方面，在附图中：
图1所示为发光器件的示例的截面图；
图2所示为具有透明热传导层的发光器件的示例的截面图；
图3所示为具有透明热传导层以及多个发光半导体的发光器件的示例的截面图；
图4所示为具有封装的发光半导体以及透明热传导层的发光器件的示例的截面图；
图5所示为具有透明热传导层以及多个封装的发光半导体的发光器件的示例的截面图；并且
图6所示为用于组合荧光层以及透明热传导层的过程的示例的流程图。
具体实施方式
以下所阐述的与附图相关的具体描述旨在作为发光器件的多种方面的描述，并不旨在表示可以实践本发明的各个方面的所有方法。具体的描述可以包括为了提供对于发光器件的多种方面的彻底的理解的特定的细节；然而，对于本领域技术人员明显的是，没有这些特定的细节也可以实践本发明。在一些情况下，以框图的形式概要地描述和/或示出熟知的结构以及组件，以避免混淆本发明的概念。
此外，在此使用的各种描述的术语(例如，“在……上提供”以及“透明的”)应当被给予在本公开的上下文内所可能的最广泛的含义。例如，当表述“在另一层上提供一层”时，应理解的是，一层可以被沉积、刻蚀、附着、或者另外准备，或者直接地或间接地制作在其它层上。而且，将某物描述为“透明的”应被理解为以下特性：在所关注的特定的波长(或多个波长)中，允许没有电磁辐射的明显的阻碍或吸收。
图1所示为具有荧光层112的发光器件100的示例的截面图。在该示例中，该器件可以包括在基板104上提供的蓝色发光半导体102。可以通过电源(未示出)来驱动蓝色发光半导体102，通过导电线路(未示出)将所述电源电连接至发光半导体102。基板104可以是绝缘材料(例如，陶瓷或者环氧薄片)。在基板104上提供的凹壳106可以通过在材料层(例如，陶瓷、树脂、聚邻苯二甲酰胺、聚碳酸酯、或其它合适的材料)上钻空腔108(例如，圆锥空腔)来形成；在空腔108的内壁110上涂上反射材料(例如，铝、银、或通过利用二氧化钛注射成型来灌注的合适的塑料)；然后将凹壳106键合在基板104上。可选地，凹壳106可以通过直接在基板104中钻空腔108来形成。发光半导体102可以在形成凹壳106之后键合至基板104。
在发光半导体102键合至基板104之后，可以将透明的配率材料(例如，硅树脂)沉积到空腔108中。其后，可以在覆盖空腔108以及发光半导体102的凹壳106上提供荧光层112。
荧光层112与发光半导体102结合使用，以产生具有色温范围以及光谱组成的光。荧光层112可以包括硅树脂与荧光微粒的混合物，所述荧光微粒均匀地分布并悬浮在硅树脂中。荧光微粒可以是不同的颜色(例如，黄色、红色、蓝色)，以增强通过器件100所产生的光的显色指数。荧光层112可以具有圆盘状的形状，以提供一致的辐射方向图。
在操作期间，发光半导体102可以发射蓝光。可以通过荧光层112的荧光微粒来吸收一部分蓝光，剩余的蓝光可以穿过荧光层112。一旦通过荧光微粒吸收蓝光，荧光微粒则可以发射其各自颜色的光。来自荧光微粒的有色光的二次发射与剩余的蓝光进行光学混合，从而，所产生的混合的光谱通过人眼感知是白色的。
不幸地是，在荧光体中将蓝光转换为其它波长不是100％有效的。各个蓝光光子仅可以在更短的波长(以及以更低的能量)产生一个光子，该过程也已知为斯托克斯位移。此外，通过荧光微粒所吸收的各个蓝光光子并不总是产生不同波长的光子。在两种情况中，该损耗的能量被荧光体所吸收，并且作为热量发散到荧光层112中。针对较小的器件，所产生的该热量是很小的，并且对于器件的性能通常没有明显的影响。但是对于更加强大的器件(例如消耗电能超过1瓦特的那些器件)，如果没有充分地消散，在荧光层内所产生的热量将变得显著。因而，过多的热量会使荧光层退化，并且降低其效率。即，荧光层将仍然吸收相同数量的光辐射功率，但是将发射较少的光。结果，亮度会降低，并且色温会从白色转移至蓝色，反而影响器件100的性能。为了消散在荧光层112内部所产生的热量，如图2所示，可以将散热结构集成到发光器件中。
图2所示为具有利用透明热传导层214的散热结构的器件200的示例的截面图。图2中的发光半导体202、基板204、凹壳206、空腔208、反射内壁210、以及荧光层212分别对应于图1的发光半导体102、基板104、凹壳106、空腔108、反射内壁110、以及荧光层112，同样地，省略其各自的描述。器件200的散热结构可以包括透明层214、金属壳216、热沉218、以及鳍片220。金属壳216、热沉218、以及鳍片220都可以由热传导材料组成，例如，铜、铝、氮化铝、或者钻石。
可以通过层压、丝网印刷、或者任何其它将荧光层212热耦合至透明层214的合适的方法，在透明层214上提供荧光层212。透明层214可以是透明的并且热传导的材料，例如，玻璃、蓝宝石、钻石、或者任何其它具有比荧光层212的热导率更高的热导率的透明的热传导材料。荧光层212可以是包括特定颜色的、或者颜色(例如，黄色、红色、绿色)的组合的、并且特定类型(例如，石榴石结构荧光体(例如，钇铝石榴石、铽铝石榴石)、硫化物荧光体(例如，硫化锌、硫化锶)、硒化物荧光体(硒化镉、硒化锌)、硅酸盐荧光体(例如，硅酸钡、硅酸锶、硅酸钙)、以及碱卤化物荧光体(例如，氯化铯、溴化钾))的荧光微粒的荧光体-硅树脂混合物。任何前述的荧光体对于铈、铕、或其它本领域技术人员所熟悉的相似的稀土金属是有活性的。荧光微粒可以具有大约3μm至25μm的直径，但是不限于此。
一旦热耦合，荧光层212以及透明层214可以提供在覆盖空腔208的凹壳206上。虽然图2示出荧光层212位于透明层214的上面，但是层的顺序可以颠倒，以使得荧光层212位于透明层214的下面。此外，任何数量的荧光层212以及任何数量的透明层214可以彼此耦合，以形成堆叠的层结构。例如，可以将具有不同的颜色、类型、和/或厚度的荧光体的两个荧光层212用两个不同的透明层以交替的方式堆叠，使得两个荧光层212被一个透明层214所分隔，并且两个透明层214被一个荧光层212所分隔。
透明层214可以通过任何合适的方法热耦合至金属壳216，例如，焊接、软焊、或者机械卷边。在透明层214与金属壳216之间所产生的热键和也可以是密封键合，其密封并且保护空腔208以抵挡极端的温度波动、压力、以及其它环境条件。
可以将金属壳216键合至热沉218，以使得金属壳216与热沉218彼此热耦合或者彼此热隔离。可以在凹壳206与基板204的外壁提供金属壳216与热沉218，热沉218热耦合至基板204的底部。
在热沉218的温度由于通过发光半导体202所产生的高温而超过荧光层212的温度的情况下，希望将金属壳216与热沉218热隔离。这种热隔离阻止热量从热沉218通过金属壳216转移至荧光层212。从而，金属壳216可以具有其自己的散热鳍片(未示出)，并且充当针对荧光层212的热沉。在荧光层212的温度大于热沉218的温度的情况下，希望将金属壳216与热沉218热耦合，以允许热量从荧光层212通过金属壳216转移至热沉218。
在器件200的操作期间，在金属壳216与热沉218热耦合的情况下，通过荧光层212中的荧光微粒所产生的热量通过透明层214以及荧光层212本身从荧光层212发散到金属壳216。金属壳216将热量转移至热沉218，热沉218通过鳍片220依次将热量排出到外部环境中。如此，荧光层212被冷却，防止或减少其退化。
图3所示为具有透明热传导层314以及多个发光半导体302的发光器件300的示例的截面图。图3中的每个发光半导体302、基板304、凹壳306、空腔308、反射内壁310、荧光层312、透明层314、金属壳316、热沉318、以及鳍片320分别对应于图2的发光半导体202、基板204、凹壳206、空腔208、反射内壁210、荧光层212、透明层214、金属壳216、热沉218、以及鳍片220，同样地，省略其各自的描述。
器件300在发光半导体302的数量上与图2的器件200不同。器件300可以包括以任何尺寸的阵列(例如，以3×3阵列排列的九个发光半导体302)排列的任何数量的发光半导体302(例如，九个发光半导体302)。
图4所示为具有透明热传导层414以及在封装层422内部的发光半导体402的发光器件400的示例的截面图。图4的发光半导体402、基板404、凹壳406、空腔408、反射内壁410、荧光层412、透明层414、金属壳416、热沉418、以及鳍片420分别对应于图2的发光半导体202、基板204、凹壳206、空腔208、反射内壁210、荧光层212、透明层214、金属壳216、热沉218、以及鳍片220，同样地，省略其各自的描述。
器件400与图2的器件200的不同在于器件400包括可以沉积以封装发光半导体402的封装层422。封装层422可以由例如硅树脂或者相似的材料组成。封装层422可以是任何合适的形状(例如，半球形穹面)。可以用氮、空气、或其它合适的气体来填充空腔408内部的、封装层422外面的空间。
图5所示为具有透明热传导层514以及多个封装的发光半导体502的发光器件500的示例的截面图。图5的每个发光半导体502、封装层522、基板504、凹壳506、空腔508、反射内壁510、荧光层512、透明层514、金属壳516、热沉518、以及鳍片520分别对应于图4的发光半导体402、封装层422、基板404、凹壳406、空腔408、反射内壁410、荧光层412、透明层414、金属壳416、热沉418、以及鳍片420，同样地，省略其各自的描述。
器件500在封装的发光半导体502的数量上与图4的器件400不同。器件500可以包括以任何尺寸的阵列排列的任何数量的发光半导体502，与图3中所示的器件300相似。
图6所示为用于组合荧光层以及透明层的处理的示例的流程图600，例如图2的荧光层212以及透明热传导层214。处理开始并且进行至框602，其中，将荧光层212的各种组分混合。例如，一个特定颜色的、或者颜色的组合(例如，黄色、红色、绿色)的特定数量的荧光粉可以与特定数量的载体(例如，液态硅树脂)混合。荧光粉以及载体可以在50摄氏度的真空炉中混合，以对混合物进行有效地混合与除气(degas)，从而，荧光微粒悬浮并且均匀地分布在载体内部，并且混合物完全没有气泡。
一旦准备好混合物，处理进行至框604，其中，通过丝网印刷、型板印刷、或者任何其它合适的方法将混合物均匀地沉积在透明层上。针对该目的，可以使用例如用于制造电路板的器件。可以沉积混合物以覆盖大部分的透明层，例如，作为一个连续的层、特定的图案、或者点阵列。可以控制所沉积的混合物的厚度，以获得所期望的荧光层的最终厚度。
在将混合物沉积在透明层上之后，处理进行至框606，其中，在特定的温度以预定数量的时间(例如，30分钟)将混合物硬化。
在所沉积的混合物硬化之后，处理进行至框608，其中，关于所有期望的荧光体(例如，荧光微粒的颜色和/或类型)是否都存在于透明层上做出确定。如果确定并非所有期望的荧光体都存在于透明层上，则处理向后进行至框602，其中，将附加的颜色的和/或类型的荧光粉与载体混合，并且处理向下进行，通过框604至608，直到所有所期望的荧光体存在于透明层上。如果在框608确定所有所期望的荧光体都存在于透明层上，则处理进行至框610。在框610，通过芯片切割机或类似的装置将硬化的混合物以及透明层切割为预定的形状(例如，圆盘)。在框610之后，处理结束。
在处理在框604中针对各个不同的荧光粉经历反复的情况下，可以将各种荧光体混合物作为堆叠的荧光层结构中单独的层沉积在透明层上。堆叠的荧光层结构可以包括交替透明层以及荧光层、或者至少一个透明层以及至少一个荧光层的任何种类的堆叠布置。另选地，可以将各种荧光体混合物以预定的阵列沉积在其在透明层上的各个空间内。所产生的荧光层可以是多个堆叠的层与荧光体混合物的阵列的组合。可以在丝网印刷各个混合物时用特定的网印图案来实现该荧光层。阵列可以是这样的，即，沉积各种荧光体混合物，只要不与邻近的荧光体混合物相重叠。希望在这种阵列中沉积不同颜色的荧光体，以减少光被不同颜色的邻近的荧光微粒所吸收。此外，以堆叠的方式还是以阵列的方式来分离地沉积各种荧光体混合物要考虑到在所产生的荧光层中存在不相容的荧光体混合物，其中，不相容的荧光体混合物位于其各个层内部和/或阵列内部的区域中。
可以在许多应用中使用具有包括透明热传导层的散热结构的LED。作为示例，这些LED非常适合于液晶显示器(LCD：liquid crystal display)背光应用。其它应用可以包括(但是不限于)汽车内部照明、电灯泡、灯笼、街灯、闪光灯、或者任何其它可以使用LED的应用。
提供以上描述以使本领域的任何技术人员能够实践在此描述的各个方面。对于这些方面的各种修改对于本领域技术人员将容易地变得明显，并且可以将在此定义的一般原理应用至其它方面。从而，权利要求并不旨在限制在此示出的方面，而是符合与权利要求的语言一致的完整范围，其中，除非特定地规定，涉及到单数的元件并不旨在表示“一个并且仅有一个”，而是表示“一个或更多个”。除非另外特别规定，措辞“一些”表示一个或更多个。对于本领域技术人员来讲，贯穿于本公开所记载的各个方面的元件的所有结构与功能性等同物，都已是可知的、或者随后成为可知的，通过引用清楚地合并于此，并且旨在包含于权利要求的范围内。此外，没有任何在此的公开旨在不顾这种公开是否在权利要求中明确地陈述而用于公众。没有权利要求元件在提供35U.S.C.§112、第六节之下进行解释，除非利用短语“用于……装置”确切地表述元件，或者，在方法权利要求的情况下，利用短语“用于……步骤”来表述要素。

Claims (21)

1.一种器件，包括：
透明热传导层；
在所述透明热传导层上提供的荧光层；以及
配置为朝向所述透明热传导层以及所述荧光层发光的至少一个发光半导体。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，将所述透明热传导层配置为消散来自所述荧光层的热量。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述透明热传导层将所述荧光层热耦合至热沉。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述荧光层包括多个荧光体部件。
5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述荧光体部件是荧光体点的阵列。
6.根据权利要求4所述的器件，其中，所述荧光体部件是多个分离的荧光体图案。
7.根据权利要求4所述的器件，其中，所述荧光体部件是将一个荧光层堆叠在另一个荧光层上的多个荧光层。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，所述多个荧光层中的各个荧光层与多个透明热传导层中的各个透明热传导层以交替的方式堆叠。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述多个荧光层中的各个荧光层通过所述多个透明热传导层中的至少一个透明热传导层热耦合至热沉。
10.根据权利要求4所述的器件，其中，至少一个所述荧光体部件配置为：产生与至少另一个所述荧光体部件所发光的颜色不同的光。
11.根据权利要求4所述的器件，其中，至少一个所述荧光体部件包括：与至少另一个所述荧光体部件的荧光微粒的类型不同的荧光微粒。
12.根据权利要求1所述的器件，还包括具有空腔的凹壳，其中，所述空腔是气密地封好的。
13.根据权利要求1所述的器件，其中，形成所述透明热传导层的材料选自于：由玻璃、蓝宝石、以及钻石所组成的群组。
14.一种器件，包括：
包含至少一个透明热传导层以及至少一个荧光层的层的堆叠；以及
配置为朝向所述堆叠发光的至少一个发光半导体。
15.根据权利要求14所述的器件，其中，所述至少一个透明热传导层与所述至少一个荧光层是以交替方式堆叠的。
16.根据权利要求14所述的器件，其中，所述至少一个透明热传导层配置为消散来自所述至少一个荧光层的热量。
17.一种发光器件，包括：
在透明热传导层上提供的至少一个荧光层，所述透明热传导层的热导率高于所述至少一个荧光层的热导率。
18.一种制造发光器件的方法，包括：
在透明热传导层上沉积至少一种荧光体混合物。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将一种所述荧光体混合物沉积在荧光体部件的第一阵列中，并且，将另一种所述荧光体混合物沉积在荧光体部件的第二阵列中，使得所述第一阵列的所述荧光体部件不与所述第二阵列的所述荧光体部件相重叠。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，将至少一种所述荧光体混合物配置为：产生与至少另一种所述荧光体混合物所发光的颜色不同的光。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，至少一种所述荧光体混合物包括：与至少另一种所述荧光体混合物的荧光微粒的类型不同的荧光微粒。
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