CN102683560B - 发光二极管中的荧光体位置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管中的荧光体位置，其中具体公开了形成具有所需分布的荧光体的LED灯的方法。该方法混合未固化环氧树脂中的多个荧光体颗粒，由此响应温度，能控制粘度，以便在树脂中形成基本上均匀的荧光体颗粒的悬浮物。然后，将未固化树脂放在与LED芯片相邻的限定位置中，增加树脂的温度，相应地降低其粘度，但低于树脂将不合理迅速地固化的温度。激励荧光体颗粒以便在降低粘度的树脂中稳定到相对于LED芯片的所需位置；以及此后，使树脂的温度增加到将固化和凝固的点。
Description
本申请是申请日为2007年8月31日、申请号为200710148326.9，发明名称为“发光二极管中的荧光体位置”发明专利申请的分案申请。
技术领域
本申请要求来自2006年9月1日提交的临时申请序列号No.60/824,385的优先权。
背景技术
本发明表示包含用于颜色转换目的、混合或两者的荧光体的发光二极管的制造和结构的改进。
发光二极管（LED）是半导体器件类，当电流通过p-n结时产生光子。在它们的基础结构中，发光二极管包括至少一个p型层以及一个n型层，一起定义该结。当电流注入该结上时，电子和空穴重新结合并能产生光子。根据电子和物理的非常公知的原理，光子的波形（由此频率）基于重新组合的能量变化。反过来，通过半导体材料的带隙，即材料的价带及其导带间的能量差，限定或限制能量。
因此，通过形成它的材料，大大地限定由LED发出的颜色。由砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）形成的二极管倾向于在可见光谱的低能红和黄部分中产生光子。材料，诸如碳化硅（SiC）和III族氮化物具有更大带隙，由此能产生具有出现在可见光谱的绿、蓝和紫色部分中以及电磁光谱的紫外线部分中的更大能量的光子。
在一些应用中，当将其输出调节或转换成不同颜色时，LED更有用。特别地，当发蓝光的LED的可用性大大地增加时，使用能转换蓝光子的发黄光的荧光体也同样地增加。特别地，由二极管发出的蓝光和由荧光体发出的黄光的结合能产生白光。反过来，来自固体源的白光的可用性提供在许多应用中结合它们的能力，特别是包括照明和作为用于彩色显示器的背光。在这些设备（例如平面计算机屏幕、个人数字助理和蜂窝电话）中，蓝LED和黄荧光体产生白光，然后以照射彩色元件（通常由液晶形成，“LCD”）的一些形式分布。
在本申请中，一般意义上使用术语“白光”。熟悉人眼感知的多种颜色或颜色生成的人将意识到频率的特定混合能限定为用于具体目的的“白色”。尽管在此所述的一些二极管能产生这类精确的输出，但在此更广泛地使用术语“白色”以及术语“白色”包括不同个人或检测器将感知为具有稍微倾向例如黄色或蓝色的色彩的光。
结合LED使用的许多荧光体是位于LED芯片附近的荧光成分的细微颗粒。在大多数典型的例子中，LED芯片安装在电路板或其他电连接（例如引线框）上以及由形成透镜的基本上透明的材料封装。最常见的是，透镜是聚合物，通常是环氧树脂或硅铜。当包含荧光体时，通常引入其为树脂中的悬浮物。然后，将悬浮物施加到LED上并固化。最终封装（芯片、电引线、透镜）通常称为LED灯。
因为荧光体由颗粒制成，以及因为其分布在树脂中，其相对于LED芯片的物理位置会影响LED的效率和输出。当不能适当地控制荧光体颗粒在树脂中的分布时，最终LED灯会经受比其物理和电子特性能提供的更不适当的输出。
随着结合黄荧光体使用的蓝LED已经增加，某些树脂，包括许多环氧树脂较不适合于这种较高能量设备已经变得显而易见，因为它们当暴露于蓝和较高能量光子时，更易于光化学反应（不幸的是，通常导致老化）。
作为另一因素，将荧光体颗粒添加到聚合物树脂上，然后，将含荧光体树脂施加到LED芯片要求一系列制作步骤。一般地说，必须经液体形式准备树脂，以便它能铸造或形成为所需封装形状。另外，荧光体必须机械地与以这种液体形式的树脂混合，以便能包含在该封装中，对实际制造目的，树脂应当具有合理的“适用期”，即在开始固化前，能工作的时间间隔。
因此，需要荧光体和树脂的结合，以及用于处理荧光体和树脂的技术，其增强而不是复杂化用于制造发光二极管灯的过程。
发明内容
本发明是选择、混合、操作和固化承载荧光体的树脂以便相对于灯封装中的LED芯片产生荧光体的所需位置的方法。
基于结合附图的下述详细描述，本发明的上述和其他目的和优点及其实现的方式将变得更清楚。
附图说明
图1是具有密封剂和荧光体的悬浮物的LED封装的截面视图。
图2是根据本发明并示例说明凹弯月镜的LED封装的截面视图。
图3是根据本发明并示例说明平或稍后凸弯月镜的LED封装的截面视图。
图4是根据本发明的示例性树脂的粘度、时间和温度特性的组合视图。
具体实施方式
本发明是控制设备中的荧光体的所需位置的树脂和荧光体的属性的过程。
在第一方面中，本发明包括选择存在于电磁光谱的绿、蓝和紫色部分中的光子中，惰性或最小电抗的树脂。尽管在许多LED灯封装中，环氧树脂用于灯封装，但这些树脂倾向于相对易于（比较方面）受较高能量光子影响，即，在存在这些光子的情况下，它们倾向于经受光化学降解反应。因此，对这种发光二极管来说，它们是不太期望的，与它们是否包含颜色转换荧光体无关。
根据本发明，已经发现基于聚硅氧烷的（也称为“硅酮”树脂）是适当的，因为它们不太易于光化学退化。通常，术语聚硅氧烷是指在-（-Si-O）n-的骨干上构成的任何聚合物（通常具有有机侧基）。
这些树脂是（或能选择为）在大范围的波长（包括大多数可见光谱）上的光学上透明。由特定功能族化学而定，根据需要或希望，能选择或控制诸如硬化（硬度计）、固化特性、扩张强度、热膨胀系数和挥发物含量（在其他物理和化学特性中）的属性。在Riegler,INDEXMATCHINGSILICONFORHIGHBRIGHTNESSLEDPACKAGING,LEDsMagazine,2006年2月（www.ledsmagazine.com）中阐述了这种技术的有用描述。还参见InformationAboutDowBrandLEDMaterials（www.dowcorning.com，Midland,MIUSA）。除DowCorning外，可从GEAdvncedMaterialSilicones（WiltonCT,USA）和NuSilSiliconeTechnology（Carpinteria,CAUSA）获得典型的聚硅氧烷。
作为第二方面，树脂必须证明在固化前，根据温度的函数能合理地调节的粘度特性。关于这一点，将理解到当大多数热固树脂处于前体或未固化状态时，它们将开始固化（即使非常慢），而与温度无关。因此，通常要求加热以在合理的时间周期内设置的树脂实际上将开始设置在更中等的温度（例如室温），但高于对商业生产来说不可接受慢的时间周期。
另外，其他树脂将不可接受快地固化，由此使用温度，对粘度控制提供小的范围。如果粘度太高，荧光体将不以有用方式迁移。
最佳树脂将证明在有用温度范围上的粘度范围。增加这些树脂的温度对期望目的来说将足够地降低它们的粘度，但不会快速地固化树脂。然而，当在有用范围内进一步增加温度时，树脂将以更快方式固化。由此，在第一升高的温度，以所需降低的粘度，通过合理的适用期，树脂将仍然保持不固化。以进一步（更高）升高的温度，根据需要，树脂将有利地固化。
这允许两步过程，其中，混合树脂和荧光体以便以相对中等温度（潜在地包括室温），形成所需悬浮物。因此，将悬浮物铸造成铸模或在一些情况下，包含LED芯片的灯封装。当在液态状态下，使树脂-荧光体悬浮物升高到中等温度，在该温度下，树脂的粘度足够地降低以便允许荧光体迁移（在重力的影响下）到封装内的适当位置，通常（但不一定排它地）覆盖LED芯片和相邻的水平表面。
在最后步骤中，使树脂升高到足够固化它的温度并在所需位置中，与荧光体形成固体。
尽管图示例说明用于在封装的底面上的荧光体的所需位置，但将理解到能结合其他技术使用在此所述的粘度控制来定位除封装的底面上的荧光体。例如，通过增加少量树脂以及允许它固化，除底面外的表面能被限定到当添加未固化树脂时荧光体能迁移到的表面。
在另一方面中，本发明包括控制荧光体颗粒的大小成分。通常对任何指定粘度，以及在重力的影响下（或诸如向心力的另一外力），在重力的影响下，较大（较重）颗粒将更易于迁移，然后，将是较轻（较小）颗粒。作为一个极端，如果颗粒足够小，树脂的分子运动将基本上平衡重力，以及这些颗粒将简单地保持悬浮达不合理长的时间周期。因此，必须选择和控制荧光体的颗粒大小，以便以中等温度，以树脂的粘度，在重力的影响下，根据需要移动。
本领域的普通技术人员很容易理解颜色转换荧光体，以及在此将不详细地论述。常见和广泛可用黄色转换荧光体由掺杂铈的钇铝石榴石（YAG：Ce）形成，以及当如上所述，使用基于硅酮的树脂时，约6微米的平均颗粒大小（颗粒上的最大尺寸）将是适当的。
通常，树脂和荧光体悬浮物在室温时应当具有约几小时的适用期。对在此所述的基于硅酮的树脂，约70°C的温度是适合于允许荧光体在约30分钟和一小时间的周期上稳定。尽管树脂在70°C加热几小时后最终固化，在以该温度固化前的时间量足够高以便允许荧光体适当地稳定。然后，能使该温度提高到更适当的固化温度（例如约140-150°C）达约1小时以便完成固化步骤。尽管适用期有点主观，对大多数LED封装过程，大于8小时的适用期更足够。在一些情况下，短至15分钟的适用期也是适当的，但短于约5分钟的适用期通常不可接受。
换句话说，能将该方法描述为在中等温度，在足以允许悬浮物分散到适当的灯封装的时间间隔中，选择荧光体和树脂的组合并将其混合到将保持均匀的悬浮物中。当在适当的时间间隔中，使温度升高到中等稍高温度（以及降低树脂粘度）时，以允许荧光体稳定（settle）到所需位置的方式，定向潜在的封装。最后，只要荧光体到位，使温度升高到在适当的时间间隔内树脂固化的点。
图1是根据本发明的封装二极管的截面视图，示例说明在加热树脂来降低其粘度的步骤前，悬浮在密封剂13中的荧光体16。所示的实施例表示侧视图表面安装应用（也称为“侧视图”）。封装二极管大致用10表示，以及包括为最大反光目的在通常由白聚合物树脂形成的封装12上的LED芯片11。密封剂13（例如如上所述聚硅氧烷）填充由封装12的侧壁14和15形成的凹口。荧光体表示为块点16。可以与导线21一起，对LED芯片11提供适当的电触点17和20。
图2和3示例说明在允许稳定荧光体16后，本发明的两个实施例。同样的元件用与图1中相同的参考数字表示。如图2所示，密封剂13不再承载悬浮物中的大部分荧光体16，以及已经固化到凹弯月镜。荧光体16位于芯片11上，并沿封装12的底面15（底面通常包括至少一个金属触点）。
图1至3示例说明除限制定向外的例子，将理解到如果期望荧光体相对于不同壁或不同位置稳定，则能以激励荧光体以那种形式移动的方式，定向封装。例如，如果目标是使所有荧光体位于弯月镜的顶部，与图1至3比较，通过颠倒方向中的芯片实施该过程。
在图1、2和3中，LED芯片11能是任何适当的发光二极管，以及本发明相对于蓝发光二极管特别有利，包括可从本发明的受让人、Cree,Inc.（Durham,DCUSA）获得的那些二极管。然而，本领域的普通技术人员非常了解多种发光二极管，由此能将Cree二极管提供为示例，而不是限制能根据本发明使用的二极管。
图3示例说明与图2类似的实施例，但具有形成平面或稍微圆顶的弯月镜23。平或稍微圆顶（但不是球形或半球形）弯月镜的优点在2006年9月1日提交的、共同受让申请No.60/824,390，“EncapsulantProfileforLightEmittingDiodes”中阐述过，其全部内容在此引入以供参考。图3中的各个元件及其位置元件的剩余部分与图2中相同。
图4是示例说明本发明的方法方面的三维制图。在垂直水平轴上绘制时间和温度，而垂直地绘制粘度（以任意对数单位）。由此，最终三维图像表示多个时间、湿度和粘度点的树脂的特性。因此，当在时间和温度的拐角处开始，使温度增加到约80°C或以上达一或二小时将导致固化树脂（即平稳状态）。另外，如果使温度保持相对中等，大量时间期满，而不产生固化树脂。
然而，图4示例说明与室温相比，更适度地增加温度，即在约40°和80°间减小树脂的粘度。因此，图4示例说明与在约室温和80°C间的凹部类似的温度-粘度图像。
因此，在本发明的示例性实施例中，首先在由图4中的数字1表示的时间和温度（约40°C），首先混合树脂和荧光体。由数字1和2间的箭头表示适用期的部分。数字2和3间的虚线表示将树脂加热到温度（本实施例中，在约40°和80°C间）的步骤，在该温度，粘度充分地降低以便荧光体稳定。数字3和4间的线表示时间间隔，在该期间，允许荧光体稳定，同时树脂仍然处于较低粘度。当然，不存在允许荧光体稳定的假定时间上限，但短至10分钟或长至5小时的间隔能是适当的，以及30分钟到1小时更常见。
数字4和5间的线表示使温度增加到树脂将相对快速地固化的点（例如通常在约100°C-200°C间，以及在所示的实施例中为约140°C），以及固化本身通常由数字5和6间的线表示。
将理解到如果固化树脂是唯一目的，那么以可能的方式，通过从位置1到位置6，例如通过在约2小时中，将树脂加热到约120°C，能固化树脂。然而，本发明表示以由图4所示的方式，通过使用树脂的属性，能有利地控制最终灯封装中的荧光体的位置。
在本发明的优选实施例中阐述的附图和说明书中，尽管采用特定的术语，但仅在一般和描述意义上使用它们，而不是用于限制目的，本发明的范围在权利要求中限定。
Claims (8)
1.一种LED灯，包括：
封装，包括用于保持密封剂的壁；
在所述封装的所述壁的底面上的LED芯片；
覆盖所述LED芯片以及填充所述壁的至少一部分的密封剂，所述密封剂包括聚合物树脂；
在所述密封剂内主要在LED芯片上并沿所述封装的所述底面分布的荧光体；
其中所述荧光体被稳定在相对于所述LED芯片的所需位置；
其中在未固化时基于所述聚合物树脂的粘度来选择所述荧光体的颗粒大小，在未固化时，响应于温度控制所述粘度以在所述聚合物树脂中形成所述荧光体颗粒的大体上均匀的悬浮物。
2.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述封装为白聚合物树脂。
3.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述LED芯片包括从III族氮化物材料体系选择的发光部分以及在可见光谱的蓝色部分发光。
4.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述荧光体包括掺杂铈的YAG。
5.如权利要求4所述的LED灯，其中，所述荧光体由具有约6微米的平均颗粒大小的颗粒形成。
6.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述密封剂包括聚硅氧烷树脂。
7.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述密封剂限定凹弯月镜。
8.如权利要求1所述的LED灯，其中，所述密封剂限定凸弯月镜。
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