CN102272517A - 具有磷光体波长转换的发光装置 - Google Patents

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Abstract

一种发光装置包括：导热衬底(MCPCB)；至少一个LED，其安装成与所述衬底的表面热连通；外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述至少一个LED的体积，所述外壳包括透光的至少一部分(窗)；以及至少一种磷光体材料，其提供于所述体积内所述外壳的内表面上，所述磷光体可操作以吸收由所述至少一个发光二极管发射的激发光的至少一部分并发射第二波长范围的光。所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积实质上为水密性的，优选为气密性的。

Description

具有磷光体波长转换的发光装置
相关申请案的交叉参考
本申请案主张由李毅群(Yi-Qun Li)等人在2009年12月16日申请的标题为“具有磷光体波长转换的发光装置(Light Emitting Device with Phosphor WavelengthConversion)”的第12/639,688号美国非临时专利申请案的优先权的权益。本申请案还主张由李毅群等人在2008年12月31日申请的第61/141,948号美国临时申请案的优先权，所述各案的说明书和图式以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及具有磷光体波长转换的发光装置，且明确地说(但并不完全)涉及基于一个或一个以上发光二极管(LEDs)的白光产生装置。而且，本发明的实施例涉及用于一般照明应用的用于高发射强度(即，≥50流明(1umens)发光强度或≥1W输入功率)白光发射装置的封装布置。
背景技术
白光发射LED(“白色LED”)是相对较新的创新，并为全新一代节能照明系统的出现提供了可能。据预测，白色LED由于其较长的操作寿命(很可能为100,000多小时)以及其在低功耗方面的高效率而可替换灯丝(白炽灯)、荧光和紧凑式荧光光源。直到开发出以电磁波谱的蓝色/紫外部分发射的LED，开发基于LED的白光源才变得实际。如例如在US 5,998,925中所教示，白色LED包含一种或一种以上磷光体材料，其为光致发光材料，吸收由LED发射的辐射的一部分，并重新发射不同颜色(波长)的辐射。通常，LED芯片或裸片产生蓝光，且磷光体吸收某一百分比的蓝光，并重新发射黄光或者绿光与红光、绿光与黄光或黄光与红光的组合。LED所产生的蓝光的未被磷光体吸收的部分与磷光体所发射的光组合将提供人眼看起来颜色接近白色的光。
可通过高压(110/220V)交流(AC)电源操作的基于LED的发光装置的一个实例描述于2009年12月3日公开的第US 2009/0294780号共同待决美国专利申请公开案中，并示意性地展示于图1中。参看图1，装置10包括陶瓷封装12(例如，低温共烧陶瓷(LTCC))，其具有九个圆形凹座(空腔)14的阵列(图1展示呈3行乘3列的正方形阵列布置的九个凹座的阵列)，其中每一凹座14经配置以容纳相应的LED芯片16(通常为基于氮化镓的蓝光发射LED芯片)。凹座14的壁是倾斜的，且可包含反射表面17(例如，银或铝的金属化层)，以使每一凹座14包括用于增加所述装置的光发射的反射杯。封装12为多层结构，且并入有导电轨道18的图案，所述导电轨道18经配置以将LED芯片16按所要配置(例如，用于自整流布置的串联连接的弦线或桥接配置)互连。导电轨道18经配置以使其一部分延伸到凹座中，从而在凹座14的底板上提供一对电极极板(electrode pad)20，用以电连接到相应的LED芯片16。在封装12的底面上提供一个或一个以上焊盘(solder pad)22，用以将装置10电连接到AC电源。焊盘22由导电通孔24连接到导电轨道18。使用例如载银环氧化物(silver loaded epoxy)等导热粘合剂或者通过焊接将每一LED芯片16安装成与凹座的底板热连通。LED芯片16上的电极26、28由接合线30、32连接到凹座底板上的相应电极极板20。每一凹座14用载有粉末状磷光体材料的例如硅树脂等透明聚合物材料34完全填充(罐装)。
既定用于需要约500-600流明或更高的高强度输出(即，输入功率为约6.5W到8W)的一般照明的现有发光装置，尤其是白光发射装置的问题是，磷光体材料随时间发生热降解，这可导致由装置发射的光的相关色温(CCT)和/或强度的显著改变。本发明人已进一步理解，磷光体在装置操作期间对水的吸收也可显著影响磷光体材料且因此所述装置的性能。水吸收对光致发光的影响在磷光体组合物之间变化，且对于能够更容易地形成水溶性化合物的基于硅酸盐的磷光体材料，这一影响可能更明显。最初的测试表明，即使在磷光体材料被包封在聚合物胶合剂(例如，硅树脂)中时也可发生水的吸收，且对于在温度为25℃的潮湿环境(即，≥80％相对湿度)中操作200小时以上的具有原硅酸盐磷光体的装置来说，可能会发生光发射减少约10％的情况。和磷光体降解一样，其它封装材料也可受水的存在的影响，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。
发明内容
本发明实施例试图提供一种发光装置，其至少部分克服已知布置的局限性，且明确地说(但并不完全)减少输出发射强度≥50流明(即，≥1W输入功率)的装置中的磷光体降解。更明确地说，本发明设法消除或者至少减少利用基于硅酸盐的磷光体材料的发光装置中的水吸收。
本发明的实施例是针对一种发光装置，其中一个或一个以上发光二极管(LED)和磷光体材料容纳在水密性，优选为气密性的外壳中。优选所述一种或一种以上磷光体材料提供于外壳远离LED(通常最小距离为约0.2mm到1mm)的内表面上。将LED和磷光体材料并入到水密性/气密性(不透气密封)的外壳内将防止磷光体材料因从环境中摄取水而降解。而且，当提供的磷光体材料远离LED而非与LED热接触时，这可减少磷光体材料的热降解。
根据本发明，提供一种发光装置，其包括：导热衬底；至少一个发光二极管(LED)，其经安装成与所述衬底的表面热连通，且可操作以发射主波长在第一波长范围内的激发光；外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述至少一个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；以及至少一种磷光体材料，其提供于所述体积内在所述外壳的内表面上，所述磷光体材料可操作以吸收所述激发光的至少一部分，并发射主波长在第二波长范围内的光；且其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积实质上为水密性的。在本专利说明书中，“水密性”指能够防止水或水蒸气通过。有利的是，外壳附接到衬底以使得所述体积实质上为气密性的。
为了达到所要的发射强度，所述装置可包括经安装成与衬底的表面热连通的多个LED，且外壳经配置以使得外壳和衬底一起界定完全封闭所述多个LED的体积。本发明的装置特别适用于一般照明中，其中发射产物(emission product)将通常为颜色呈白色且由第一和第二波长范围的光构成的光。出于一般照明应用的目的，所述装置具有强度为至少50流明，优选至少100流明，更优选至少250流明且甚至更优选至少500流明的发射产物。因此，对于现有的LED，例如基于氮化镓(GaN)的LED，所述至少一个LED或所述多个LED具有1瓦特或者更高的输入功率，且优选约10瓦特和更高的输入功率。
在一种布置中，所述体积可至少部分填充透光(透明)导热材料，例如凝胶、矿物油或导热聚合物。这种材料可有助于耗散由LED产生的热。优选透光材料的折射率尽可能接近LED和磷光体材料的折射率，以便通过提供某一程度的折射率匹配来增加LED的光发射。实际上，透光材料的折射率≥1.2。
或者，当外壳为气密性的时，可用干燥气体(例如，氮气、氖、氩、氪或氙)来填充所述体积。此布置确保将磷光体材料维持在干燥的惰性氛围内，进而减少磷光体材料和/或其它封装材料氧化和/或减少的可能性。
可通过使用金/锗(Au/Ge)、金/锡(Au/Sn)或其它锡合金进行焊接；使用铜、铜/钨(Cu/W)或铁-镍(Fe/Ni)合金进行硬焊；或者使用例如载金属环氧化物等粘合剂，来将外壳附接到衬底，以形成水密性/气密性密封。
在一种布置中，外壳的透光部分包括由附接到外壳的窗覆盖的在外壳中的开口。所述窗是通过例如焊接、压缩密封或使用例如载金属环氧化物等粘合剂附接到外壳，以致形成水密性，优选气密性密封。通常，窗包括玻璃，例如二氧化硅玻璃、石英玻璃，或例如透明氧化铝(Al2O3)等透光无机材料。设想窗可包括例如聚碳酸酯或丙烯酸等聚合物材料，在此情况下要求外壳为水密性的，与气密性相对。
或者，外壳可包括透光材料，例如二氧化硅玻璃、石英玻璃，或例如透明氧化铝(Al2O3)等透光无机材料。其中所述装置为水密性的，所述外壳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壳提供使水密性/气密性密封的数目最小化的益处。在另一布置中，外壳包括实质上为半球形的壳。
为了协助热的耗散，外壳可包括例如金属等优选具有低热膨胀系数的导热材料，例如，Invar
Figure BPA00001392490400041
镍铁合金。或者，外壳可包括例如铝或铜等其它金属和/或合金，或者导热聚合物或导热陶瓷。在一种布置中，外壳包括实质上呈抛物面的反射器。
一般来说，磷光体材料是通过旋涂法、刮刀涂布法、流延成型法(tape-casting)、喷雾法、喷墨印刷法或者通过其它沉积技术以实质上均一厚度的层形式提供于外壳的透光部分(例如，窗)上。对于激发光有助于最终发射产物(不管最终发射产物是白色还是另一颜色)的装置，且为了增加发射强度，磷光体材料层可包含不具有磷光体材料的至少一个区(区域)。不具有磷光体材料的区域充当允许发射第二波长范围的激发光和光致发光产生的光两者的窗。为了在装置的整个发光表面区(即，外壳的透光部分)上达到均一的发射颜色和/或色温，磷光体材料层包括以规则图案或阵列形式实质上均匀地分布于发光表面上的不含磷光体材料的多个区域。通过丝网印刷一种或一种以上磷光体材料与合适胶合剂(例如，丽色达(NAZDAR)澄清丝网油墨9700)的混合物来将磷光体材料的图案便利地沉积在外壳上。或者，可通过其它沉积方法(例如，喷墨印刷法、平版印刷法或凹版印刷法)来产生磷光体材料的图案。
衬底可包括任何导热材料，例如印刷电路板(PCB)、金属芯印刷电路板(MCPCB)、陶瓷电路板，或导热陶瓷，例如低温共烧陶瓷(LTCC)或氧化铝。
根据本发明另一方面，提供一种白光发射装置，其包括：导热衬底；多个发光二极管，其经安装成与所述衬底的表面热连通，且可操作以发射主波长在第一波长范围内的光；外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述多个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；以及至少一种磷光体材料，其提供于所述体积内在所述外壳的内表面上，所述磷光体可操作以吸收激发光的至少一部分，并发射第二波长范围的光，其中所述装置的发射产物包括所述第一和第二波长范围的光，且颜色呈白色；且其中所述外壳附接到所述衬底以使所述体积至少为水密性的，且其中所述装置的发射产物强度为至少50流明。
尽管优选远离LED芯片(即，物理上与其分离)提供磷光体材料，但设想将并入有磷光体材料的LED(即，其中磷光体提供于LED芯片的表面上的LED)容纳在水密性/气密性的封闭容器中可为有益的。根据本发明又一方面，提供一种发光装置，其包括：导热衬底；至少一个并入有磷光体材料的发光二极管，其经安装成与所述衬底的表面热连通；以及外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述至少一个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；且其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积至少为水密性的。
附图说明
为了更好地理解本发明，现将参照附图仅以实例的方式来描述根据本发明实施例的发光装置，附图中：
图1是如先前所描述的具有磷光体波长转换的已知的高功率AC白光发射装置的示意性截面图；
图2是根据本发明第一实施例的发光装置的部分分解示意性透视图；
图3是经由线“A-A”得到的图2的发光装置的示意性截面图；
图4是根据本发明第二实施例的发光装置的示意性截面图；
图5是根据本发明第三实施例的发光装置的示意性截面图；
图6是根据本发明第四实施例的发光装置的示意性截面图；
图7是根据本发明第五实施例的发光装置的示意性截面图；以及
图8是根据本发明第六实施例的发光装置的示意性截面图。
具体实施方式
在本说明书中全篇使用相同的参考标号来指示相同的部分。
现将参照附图的图2和图3来描述根据本发明第一实施例的发光装置50。装置50经配置以产生具有特定相关色温(CCT)(例如，2700K)且发射强度≥250流明(即，≥3W输入功率)，优选≥500-600流明(即，≥6W输入功率)的白光。所述装置既定用于一般照明应用，例如替换白炽灯、荧光或冷阴极荧光光源。应理解，本发明的装置不限于此类应用、发射颜色或发射强度。
参照图2和图3，装置50包括：导热衬底52，例如金属芯印刷电路板(MCPCB)；经封装LED阵列54；中空金属外壳(罐)56；透光(透明)窗58；以及在窗58上的一种或一种以上磷光体材料60的层。如已知的，MCPCB通常用于安装产生大量热(即，≥5W)且具有层状结构的电组件，所述层状结构包括导热底座62(通常为金属，例如铝(Al))，以及非导电/导热电介质材料64和导电轨道66(通常由铜(Cu)制成)的交替层。电介质层64十分薄，以致其可将热从安装在导电轨道上的组件传导到底座62。导电轨道66经配置以界定用于将电力提供到LED阵列54的电路。如在图2中极易看出，导电轨道66在MCPCB的上表面(即，与铝底座62相对的面)上界定以下各项：用于安装LED阵列54的导热安装垫68；沿着安装垫68的相对边缘安置的用于电连接到LED阵列54的两个接触垫70、72；用于安装包围安装垫68和接触垫70、72的外壳56的环形安装垫74；以及位于环形安装垫74外部用于将装置50连接到电源的一对电极接触垫76、78。电极接触垫76、78经由在下面通过环形安装垫74的相应内埋式导电轨道80、82电连接到接触垫70、72中相应的一者(图3)。
在图2和图3的示范性实施例中，经封装LED阵列54包括基于InGaN/GaN(氮化铟镓/氮化镓)的蓝光发射LED芯片83的阵列，其被封装在(例如)如在2009年12月3日公开的第US 2009/0294780号共同待决美国专利申请公开案中所描述的类型的陶瓷封装(参看图1)中，所述美国专利申请公开案的说明书和图式以引用的方式并入本文中。所述陶瓷封装可为具有圆形凹座(空腔)阵列的低温共烧陶瓷(LTCC)，其中每一凹座经配置以容纳相应的LED芯片83。所述凹座的壁是倾斜的，且可包含光反射表面17(例如银或铝的金属化层)，以使得每一凹座包括用于增加装置的光发射的反射杯。应注意，LED阵列54并未在凹座内并入有磷光体材料。出于说明的目的，仅将LED阵列54展示为包括由九个LED芯片83构成的正方形阵列，但实际上，LED阵列54通常会包括更多LED芯片以达到所要的发射强度。举例来说，对于110V操作，装置50可包含各自含有四十五个串联连接的65mW LED芯片83的一个或一个以上阵列54，以致每一阵列具有约2.9W的输入功率和约220流明的光强度输出。每一LED芯片83可操作以产生主波长λ1在第一波长范围(例如，蓝光为约400nm到480nm)内的光，其提供用于激发磷光体材料60的激发能量(辐射)，且鉴于此功能，由LED阵列54产生的光将在下文中被称为激发光(辐射)。LED阵列54为表面安装封装，且具有沿其底座的相对边缘延伸的一对电极极板84、86。LED阵列54借助于导热材料88(例如，散热器填料(heat sink compound))安装成与热安装垫68热连通，且电极极板84、86通过例如焊接89电连接到电极极板70、72中相应的一者。
金属外壳(罐)56经配置以使其在安装到MCPCB 52上时完全围绕并封闭经封装LED阵列54。如所说明，外壳56大体上为圆柱形，且在一端具有向外(径向)延伸的凸缘(唇缘)90，其界定用于将外壳56附接到环形安装垫74的环形支脚，且在相对端具有用于附接窗58的向内延伸的唇缘(凸缘)92。外壳56优选由具有高导热性和低热膨胀的金属(例如，Invar
Figure BPA00001392490400071
镍铁合金)制成。在替代性实施例中，其可包括铜(Cu)或铜合金。环形安装垫74的形状和大小经配置以对应于环形凸缘90的轨迹(footprint)，且通过用金/锗(Au/Ge)、金/锡(Au/Sn)或其它锡合金焊料将凸缘90焊接94到安装垫74来将外壳56附接到MCPCB 52。如将进一步描述，焊接点94在外壳56与MCPCB 52之间形成水密性，优选气密性密封(不透气密封)，并防止水进入装置中。在本专利说明书的上下文中，“不透气”密封指实质上为水密性或气密性的密封。
窗58包括对于由LED芯片83产生的光以及由磷光体材料60产生的光致发光型光实质上可透射(透明)的防水/防气材料。通常，其可包括玻璃，例如二氧化硅玻璃或石英玻璃，或例如透明氧化铝(Al2O3)等透光无机材料。如所说明，窗58可包括经配置以配合于外壳56内的圆形平面盘。窗58由密封96(例如，焊接点)附接到唇缘92的内表面，所述密封96在外壳56与窗58之间形成水密性，优选气密性不透气密封，并防止水进入装置中。密封96可包括例如金/锗(Au/Ge)、金/锡(Au/Sn)或其它锡合金等焊接点；使用例如铜、铜/钨(Cu/W)或者铁-镍(Fe/Ni)合金的硬焊接点；或者例如载金属环氧化物或硅树脂材料等粘合剂接点。所述窗可包含用于促进与金属外壳的接合的金属化层。应理解，MCPCB 52、外壳56以及窗58一起界定完全封闭LED阵列54和磷光体材料60的水(湿气)密性，优选气密性体积(封闭容器或空腔)98。
通常呈粉末形式的磷光体材料60以预先选定的比例与透光(透明)胶合剂材料(例如，聚合物材料，例如热或UV可固化硅树脂、热或UV可固化环氧化物材料、合适的溶剂，或澄清油墨，例如丽色达(Nazdar)9700丝网油墨)充分混合。合适的硅树脂材料的实例是GE集团的硅树脂RTV615。磷光体对聚合物胶合剂的载重量比通常在35％到95％的范围内，其中准确的负载取决于装置的发射产物的所要CCT。磷光体/聚合物沉积在窗58的面上，由此在窗的整个表面上形成实质上均一厚度的层。视胶合剂材料而定，磷光体/聚合物层60可通过旋涂法、刮刀涂布法(即，使用刮板或柔性刀片)、流延成型法、喷雾法、喷墨印刷法或者通过对所属领域技术人员显而易见的相关其它沉积技术施加到晶片。磷光体/聚合物层60的厚度通常在约10μm到约500μm，优选约10μm到约100μm的范围内。与磷光体对聚合物的载重量的情况相同，磷光体/聚合物层60的厚度将取决于由装置产生的光的目标CCT。
本发明的发光装置适于与无机或有机磷光体两者一起使用，无机磷光体的实例为一般组成为A3Si(O，D)5或A2Si(O，D)4的基于硅酸盐的磷光体，其中Si为硅，O为氧，A包括锶(Sr)、钡(Ba)、镁(Mg)或钙(Ca)，且D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基于硅酸盐的磷光体的实例揭示于第US 2007/0029526 A1号共同待决美国专利申请公开案，以及美国专利US 7,311,858 B2、US 7,575,697 B2以及US 7,601,276 B2中(全部让渡给英特曼帝克司公司(Intematix Corporation))，各案的内容均以引用的方式并入本文中。
如US 7,575,697 B2中所教示，铕(Eu2+)激活的基于硅酸盐的绿色磷光体具有通式(Sr，A1)x(Si，A2)(O，A3)2+x:Eu2+，其中：A1为2+阳离子，1+阳离子与3+阳离子的组合中的至少一者，例如Mg、Ca、Ba、锌(Zn)、钠(Na)、锂(Li)、铋(Bi)、钇(Y)或铈(Ce)；A2为3+、4+或5+阳离子，例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、碳(C)、锗(Ge)、N或磷(P)，且A3为1-、2-或3-阴离子，例如F、Cl、溴(Br)、N或S。写出的通式指示A1阳离子替换Sr，A2阳离子替换Si且A3阴离子替换氧。x的值是介于1.5与2.5之间的整数或非整数。
US 7,311,858 B2揭示一种具有式A2SiO4:Eu2+D的基于硅酸盐的黄色-绿色磷光体，其中A为包括Sr、Ca、Ba、Mg、Zn或镉(Cd)的二价金属中的至少一者；且D为包括F、Cl、Br、碘(I)、P、S以及N的掺杂剂。磷光体中掺杂剂D的存在量可以在约0.01摩尔％到20摩尔％范围内，且掺杂剂中至少有一些取代氧阴离子而并入到磷光体的晶格中。磷光体可包括(Sr1-x-yBaxMy)SiO4:Eu2+D，其中M包括Ca、Mg、Zn或Cd，且其中0≤x≤1且0≤y≤1。
US 7,601,276 B2教示一种基于硅酸盐的双相磷光体，其具有：晶体结构与(M1)2SiO4的晶体结构实质上相同的第一相；以及晶体结构与(M2)3SiO5的晶体结构实质上相同的第二相，其中M1和M2各自包括Sr、Ba、Mg、Ca或Zn。至少一相是以二价铕(Eu2+)激活的，且所述相中至少一者含有掺杂剂D，其包括F、Cl、Br、S或N。相信掺杂剂原子中至少有一些位于基质硅酸盐晶体的氧原子晶格位置上。
程(Cheng)等人的US 2007/0029526 A1揭示一种具有式(Sr1-xMx)yEuzSiO5的基于硅酸盐的橙色磷光体，其中M为包括Ba、Mg、Ca或Zn的二价金属中的至少一者；0＜x＜0.5；2.6＜y＜3.3；且0.001＜z＜0.5。所述磷光体经配置以发射峰值发射波长大于约565nm的可见光。
磷光体还可包括例如在第US 2006/0158090 A1号共同待决美国专利申请公开案以及美国专利US 7,390,437 B2(也让渡给英特曼帝克司公司)中教示的基于铝酸盐的材料，或者如在共同待决申请案US 2008/0111472 A1中教示的硅酸铝磷光体，各案内容均以引用的方式并入本文中。
王(Wang)等人的US 2006/0158090 A1教示一种具有式M1-xEuxAlyO[1+3y/2]的基于铝酸盐的绿色磷光体，其中M为包括Ba、Sr、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Cd、Sm或铥(Tm)的二价金属中的至少一者，且其中0.1＜x＜0.9且0.5≤y≤12。
US 7,390,437 B2揭示一种具有式(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]的基于铝酸盐的蓝色磷光体，其中M为二价金属Ba或Sr中至少一者。在一种组成中，磷光体经配置以吸收波长在约280nm到420nm范围内的辐射，并发射波长在约420nm到560nm范围内的可见光，且0.05＜x＜0.5或0.2＜x＜0.5；3≤y≤12且0.8≤z≤1.2。磷光体可进一步掺杂有例如Cl、Br或I等卤素掺杂剂H，且具有一般组成(M1-xEux)2-zMgzAlyO[2+3y/2]:H。
刘(Liu)等人的US 2008/0111472 A1教示一种通式为(Sr1-x-yMxTy)3-mEum(Si1-zAlz)O5的具有混合的二价和三价阳离子的硅酸铝橙色-红色磷光体，其中M为量在0≤x≤0.4范围内的至少一种选自Ba、Mg或Ca的二价金属；T为量在0≤y≤0.4范围内的选自Y、镧(La)、Ce、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、Tm、镱(Yt)、镥(Lu)、钍(Th)、镤(Pa)或铀(U)的三价金属，且z和m在0≤z≤0.2以及0.001≤m≤0.5的范围内。磷光体经配置以使得卤素驻留在硅酸盐晶体内的氧晶格位置上。
磷光体还可包括例如在2008年5月19日申请的标题为“基于次氮基硅酸盐的红色磷光体(Nitridosilicate-based red phosphors)”的共同待决美国临时专利申请案61/054,399以及2008年12月15日申请的标题为“基于氮化物的红色磷光体(Nitride-based red phosphors)”中教示的基于氮化物的红色磷光体材料，各案内容以引用的方式并入本文中。61/054,399和61/122,569教示具有式MmMaMbD3wN[(2/3)m+z+a+(4/3)b-w]Zx的基于氮化物的红色磷光体，其中Mm为选自铍(Be)、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd或汞(Hg)的二价元素；Ma为选自B、Al、Ga、In、Y、Se、P、As、La、Sm、锑(Sb)或Bi的三价元素；Mb为选自C、Si、Ge、锡(Sn)、Ni、铪(Hf)、钼(Mo)、钨(W)、Cr、Pb、Ti或锆(Zr)的四价元素；D为选自F、Cl、Br或I的卤素；Z为选自Eu、Ce、Mn、Tb或Sm的激活剂，且N是量为0.01≤m≤1.5、0.01≤a≤1.5、0.01≤b≤1.5、0.0001≤w≤0.6且0.0001≤z≤0.5的氮。所述磷光体经配置以发射峰值发射波长大于640nm的可见光。
应理解，磷光体材料不限于本文所描述的实例，且可包括包含有机或无机磷光体材料两者的任何磷光体材料，例如氮化物和/或硫酸盐磷光体材料、氧氮化物和氧硫酸盐磷光体或石榴石材料(YAG)。本发明的装置尤其适于性能受水摄取影响的磷光体材料，例如基于硅酸盐的磷光体材料。
如所描述，MCPCB 52、外壳56以及窗58一起界定水(湿气)密性，优选气密性体积(空腔)98，其中容纳有LED阵列54和磷光体材料60。外壳56经配置以使得磷光体60距LED芯片83的发光表面的最小距离通常为0.2mm到1mm。与磷光体材料通常提供在LED芯片的表面上的已知装置相比，将磷光体材料60与LED芯片83分离将提供多个优点，即：由于将磷光体材料提供在较大的表面积上，使得所产生的光的CCT和/或色调更一致；以及由于磷光体材料远离(离开)LED芯片定位，使得磷光体材料的热降解减少。
为了改善远离LED芯片83的热的传导和/或改善LED芯片的光发射，设想用透光材料100来填充或至少部分填充体积(空腔)98。举例来说，当空腔98为气密性的时，其可用干燥气体(例如，氮气、二氧化碳，或惰性气体，例如氖、氩或氪)来填充。用干燥气体填充空腔98的益处在于，磷光体材料60被维持在干燥的惰性氛围中，设想这样可通过防止水和/或氧气的摄取来减少磷光体材料的降解。
或者，可用例如矿物油或透光凝胶等透光液体来填充空腔98。有利的是，液体/凝胶经选定以使其折射率在切实可行的情况下接近于LED芯片83和磷光体材料的折射率。举例来说，InGaN/GaN LED芯片的折射率为n≈2.4到2.5，而高折射率硅树脂的折射率为n≈1.2到1.5。因此，实际上，凝胶/液体的折射率优选≥1.2。包含透光凝胶/液体可通过提供某一程度的折射率匹配来增加LED芯片83的光发射。还设想用例如聚合物材料(例如，硅树脂或环氧化物材料)等透光固体来填充空腔98。所述材料的折射率也优选≥1.2。为便利制造，可用选定材料透过外壳56中的开口(未图示)来填充空腔98，随后可通过例如焊接来密封所述开口。
参照图4，展示了根据本发明第二实施例的发光装置50的示意性截面图，其中使用单个透光外罩102来代替外壳56/窗58组合件。外罩102优选包括玻璃，例如二氧化硅玻璃或石英玻璃，或例如透明氧化铝(Al2O3)等透光无机材料。磷光体材料60是作为均一层提供于外罩102的内表面上。可将包括例如铜(Cu)、镍(Ni)或铬(Cr)的金属化层104至少提供在外罩102的底座上，以使外罩102能够被焊接94或者以其它方式附接到安装垫74。使用单个玻璃外罩部件102的优点在于，仅需要与衬底52的单一密封94。
图5是根据本发明第三实施例的发光装置50的示意性截面图。在此实施例中，玻璃外罩部件102包括实质上为半球形(圆顶形)的壳。为了使装置50的光发射最大化，可在外罩部件102的内表面上提供从外罩的底座延伸的金属化层106。如图5中所示，个别LED芯片83被安装成与MCPCB 52而非经封装LED阵列直接热连通，这是板上芯片(COB)布置。
图6展示根据本发明第四实施例的发光装置50的示意性截面图，其中外壳56经配置为抛物面反射器形式，且通常呈盘形。与在其它实施例中一样，外壳56附接到MCPCB(衬底)52以形成水密性，优选气密性密封。在所说明的实施例中，窗58通过压缩接合108附接到外壳的前部开口。为了协助热的耗散，外壳56优选由导热材料(例如，具有低热膨胀的金属)制造。外壳的内表面优选包含例如银、铬或铝等高反射率金属的金属化层110。为了增加激发光(λ1)有助于最终发射产物(不管最终发射产物是白色还是另一颜色)的装置的光发射，磷光体60可包含不具有磷光体材料的窗区域(区)112的图案(阵列)。窗区域112充当允许发射激发光和光致发光所产生的光两者的窗。归因于磷光体光致发光的各向同性性质，这意味着磷光体将其辐射的约百分之五十在一个方向上发射回到空腔98中。此光将由反射性外壳的内表面朝向玻璃窗58反射回去。由于窗区域112对于激发光(λ1)和由磷光体材料产生的光(λ2)两者可透射(透明)，故窗区域112可增加装置50的总体发射强度。为了在装置的整个发光表面区(即，窗58)上达到均一的发射颜色和/或色温，窗区域112是以规则图案的形式(例如，圆形窗区域的正方形阵列，或者线形窗区域的栅格)均匀地分布在发光表面上。通过丝网印刷一种或一种以上磷光体材料与合适胶合剂(例如，丽色达(Nadar)澄清丝网油墨9700)的混合物来将磷光体材料的图案便利地沉积在窗58上。或者，可通过其它沉积方法(例如，喷墨印刷法、平版印刷法或凹版印刷法)产生磷光体材料的图案。
图7是根据本发明第五实施例的发光装置50的示意性截面图。在此实施例中，与图5的实施例一样，玻璃外罩部件102为大体上呈半球形(圆顶形)的壳。如图7中所示，单个1瓦特(即，≥50流明的输出强度)LED芯片83经安装成与导热衬底52而非LED阵列直接热连通。导热衬底包括由具有导电铜轨道66的图案的电绝缘载体110(例如，阻燃剂4(FR-4))构成的印刷电路板。由于FR-4为电绝缘体，且因此为不良的热导体，故可使用镀通孔(plated through via)114在衬底52的外(如说明的底)表面上在安装垫68与对应的垫116之间提供热传导路径。
尽管优选远离LED芯片(即，物理上与其分离)提供磷光体材料，但设想将LED芯片和磷光体材料容纳在水密性/气密性、不透气密封的封闭容器中可对其中磷光体材料提供于LED芯片的表面上的装置有益。图8是根据本发明第六实施例的发光装置50的示意性截面图，其中磷光体材料60并入经封装LED阵列54内。在此实施例中，LED芯片83的阵列被容纳在陶瓷封装54中，且磷光体材料60作为与LED芯片直接接触包封而提供。封装54安装在MCPCB 52上。与在其它实施例中一样，外壳56附接到衬底以形成水密性，优选气密性密封。
应了解，本发明不限于所描述的示范性实施例，且可作出在本发明的范围内的变化。举例来说，本发明的装置可用于产生任何颜色和/或色调的光，包含其中所有的激发光都被磷光体材料吸收且发射产物仅由光致发光所产生的光构成的布置。而且，为了产生所要的颜色和/或色温，设想使用两种或两种以上磷光体材料的混合物。
尽管本发明涉及具有高发射强度(通常≥50流明)的装置，其同样适用于较低功率的装置，但不透气密封的封装的成本对不同于专门应用中的此类装置可能是不合理的。此外，本发明可应用于个别LED芯片或含有多个LED芯片的晶片的封装。而且，导热衬底可包括其它形式，例如导热陶瓷衬底，例如氧化铝(Al2O3)或低温共烧陶瓷。

Claims (23)

1.一种发光装置，其包括：导热衬底；至少一个发光二极管，其安装成与所述衬底的表面热连通，且可操作以发射主波长在第一波长范围内的激发光；外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述至少一个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；以及至少一种磷光体材料，其提供于所述体积内所述外壳的内表面上，所述磷光体可操作以吸收所述激发光的至少一部分并发射主波长在第二波长范围内的光；且其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积至少为水密性的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置的发射产物包括所述第一和第二波长范围的光且颜色呈白色。
3.根据权利要求1所述的装置，且其包括安装成与所述衬底的表面热连通的多个发光二极管，且其中所述外壳经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述多个发光二极管的体积。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置具有强度选自由以下各项组成的群组的发射产物：至少50流明、至少100流明、至少250流明以及至少500流明。
5.根据权利要求1所述的装置，且其进一步包括用透光导热材料至少部分填充所述体积。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述透光导热材料是选自由以下各项组成的群组：凝胶、矿物油以及导热聚合物。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积实质上为气密性的。
8.根据权利要求7所述的装置，且其进一步包括用选自由以下各项组成的群组的气体来填充所述体积：氮气、氖、氩、氪以及氙。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳通过选自由以下各项组成的群组的方法附接到所述衬底：焊接、硬焊、粘合剂以及载金属环氧化物。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳的所述透光部分包括由附接到所述外壳的窗覆盖的开口。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述窗通过选自由以下各项组成的群组的方法附接到所述外壳：焊接、粘合剂以及压缩密封。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述窗是选自由以下各项组成的群组：玻璃、二氧化硅玻璃、石英玻璃、透明氧化铝、聚合物材料、聚碳酸酯以及丙烯酸。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述外壳包括选自由以下各项组成的群组的导热材料：金属、因瓦合金(invar alloy)、铝、铜、导热聚合物以及导热陶瓷。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳包括实质上呈抛物面的反射器。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳包括透光的材料。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述外壳是选自由以下各项组成的群组：玻璃、二氧化硅玻璃、石英玻璃、透明氧化铝、聚合物材料、聚碳酸酯以及丙烯酸。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述外壳包括半球形的壳。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底是选自由以下各项组成的群组：印刷电路板、金属芯印刷电路板、陶瓷电路板、导热陶瓷、低温共烧陶瓷以及氧化铝。
19.根据权利要求1所述的装置，其中从所述至少一个发光二极管的所述发光表面到所述至少一种磷光体材料的最小距离在0.2mm到1mm的范围内。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述磷光体材料为基于硅酸盐的材料。
21.一种白光发射装置，其包括：
a)导热衬底；
b)多个发光二极管，其安装成与所述衬底的表面热连通，且可操作以发射主波长在第一波长范围内的激发光；
c)外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述多个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；以及
d)至少一种磷光体材料，其提供于所述体积内所述外壳的内表面上，所述磷光体可操作以吸收所述激发光的至少一部分并发射主波长在第二波长范围内的光，其中所述装置的发射产物包括所述第一和第二波长范围的光，且颜色呈白色；且
其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积至少为水密性的，且其中所述装置的所述发射产物强度为至少50流明。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述装置具有强度选自由以下各项组成的群组的发射产物：至少100流明、至少250流明以及至少500流明。
23.一种发光装置，其包括：
a)导热衬底；
b)至少一个发光二极管，其并入有磷光体材料且安装成与所述衬底的表面热连通；以及
c)外壳，其附接到所述衬底，且经配置以使得所述外壳和衬底一起界定完全封闭所述至少一个发光二极管的体积，所述外壳包括透光的至少一部分；且
其中所述外壳附接到所述衬底以使得所述体积至少为水密性的。
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