CN104471730B - 发光器件和创建发光器件的方法 - Google Patents
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Abstract
陶瓷绿色波长转换元件（120）涂敷有红色波长转换材料（330）并且被放置在蓝光发射元件（110）上方使得陶瓷元件（120）被附着到发光元件（110），从而提供从红色和绿色转换体（330,120）到发光元件（110）及其相关联的热沉的高效热耦合。为了保护红色转换体涂层（330）免受随后过程的影响，在红色转换体元件（330）上方创建牺牲透净涂层（340）。该透净涂层（340）可以被提供为透净材料的分立层，或者它可以通过允许红色转换体沉淀到其悬浮材料的底部来产生，从而形成可以经受随后制造过程的没有转换体的上层。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件的领域，并且具体地涉及包括发光元件、陶瓷绿色波长转换元件和红色波长转换层的发光器件。
背景技术
诸如磷光体之类的波长转换体通常用来提供包括来自单个波长发光元件的多个波长的光。复合光输出通常是在吸收来自发光元件的一些光发射时从转换体发射的光和来自发光元件的未被吸收的光的剩余部分的组合。
在诸如图1A中所图示的示例实施例中，发光器件101包括发射蓝光的发光元件110和其上方的包括蓝到绿波长转换体材料的陶瓷元件120。出于引用的方便，发射绿光的波长转换体（与被转换体吸收的光的波长无关）在此之后被称为绿色转换体，影响转换的各个元件或颗粒被称为绿色转换体材料。当陶瓷元件120中的绿色转换体材料吸收来自发光元件110的蓝光时，它们发射绿光。复合光比从发光元件发射的蓝光更接近于“白”光，并且可以用于精选的应用，诸如机动车头灯，其当前允许冷白色照射。
陶瓷元件120允许绿色转换体材料通过元件120的相当均匀和一致的分布。元件120的陶瓷成分的刚性性质服务于向元件120中的绿色转换体材料的该分布提供永久性。陶瓷元件120的表面125也可以被粗糙化以增强光输出效率而不显著影响元件120的结构和特性。陶瓷元件120的刚性还促进用于诸如拾取和放置过程（其将陶瓷元件120安置在发光元件110顶上）之类的过程的元件的处置。
具有陶瓷元件120的发光元件110被围封在诸如硅树脂加载氧化钛TiO之类的反射材料140中。反射材料140服务于保护发光器件101并且将来自发光元件110和陶瓷元件120的侧发射光反射到陶瓷元件120的表面125，以提供更高的投影对比度（在被照射和未被照射区之间良好限定的边界），其在诸如机动车照明之类的某些应用中是优选的。
在典型的操作环境中，发光器件102耦合到热沉160，其吸收和耗散由光发射器110和陶瓷元件120中的绿色转换体生成的热。陶瓷元件120是高效的热导体，但是周围大气并不是，并且因此在陶瓷元件120中生成的热的仅小量被耗散。由蓝光到绿光的转换生成的热将通过胶合层115和蓝色发射器110被引导到热沉160。
尽管发光器件101的复合光输出比来自发光元件110的蓝光更接近于白色输出，但是一些应用要求具有“较暖”色温的光输出。
为了提供看起来比器件101的冷白光输出“更白”的光（具有较暖色温），可以添加发射红光的波长转换元件（“红色转换体”），如图1B的器件102中所示。然而，当前的技术不允许红色转换材料嵌入在陶瓷元件中，并且因此诸如红色转换体材料加载的硅树脂层130之类的分离涂层被应用在（蓝）光发射元件110和陶瓷（绿色）转换体元件120之间。
尽管器件102的蓝-红-绿发射元件的该布置具有许多优点，包括提供耐用的外部表面125和相对高的红色转换体效率，邻近蓝光发射元件110，其展现出不良的热耗散效率。
如以上所指出的，尽管陶瓷层120可以通过上表面125将一些热耗散到周围大气，但是该界面处的热传递效率是不良的。使问题恶化的是，红色转换体生成比绿色转换体更多的热，其不得不影响较大的波长转换。尽管该热中的一些将被传递到陶瓷元件120，但是陶瓷元件不能高效地耗散该附加热。
因此，大多数转换生成的热必须通过红色转换体层130和胶合层115行进到发射器110和热沉160。红色转换体层130和胶合层115通常是基于硅树脂的，并且硅树脂具有相对低的热传递效率。因而，层130和115将充当对这种所要求的热传递的热屏障。因而，图1B的器件的预期操作温度将是高的，这增加失效的可能性并且降低器件的寿命。
发明内容
将有利的是提供一种热学高效的发光器件，其产生比具有陶瓷绿色转换体元件的常规蓝光发射元件更暖的色温。还将有利的是提供一种产生这样的热学高效的发光器件的方法，其提供器件之中的一致色温。
为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，在本发明的实施例中，绿色转换体陶瓷元件涂敷有红色转换体加载的硅树脂并且被放置在蓝光发射元件上方使得陶瓷元件附着到发光元件，从而提供从红色和绿色转换体到发光元件及其相关联的热沉的高效热耦合。为了保护红色转换体涂层免受随后过程的影响，在红色转换体元件上方创建牺牲透净涂层。该透净涂层可以提供为透净材料的分立层，或者它可以通过允许红色转换体沉淀到其悬浮材料的底部来产生，从而形成可以经受随后制造过程的没有转换体的上层。
附图说明
参照附图进一步详细地并且通过示例的方式来解释本发明，其中：
图1A-1B图示了具有陶瓷转换体元件的示例现有技术发光器件。
图2图示了具有陶瓷转换体元件和受保护的红色转换体层的示例发光器件。
图3A-3C图示了用于在陶瓷绿色转换体元件上创建受保护的红色转换体层的示例过程。
图4A-4D图示了用于创建具有陶瓷绿色转换体元件和受保护的红色转换体层的发光器件的示例过程。
图5A-5E图示了用于创建具有陶瓷绿色转换体元件和受保护的红色转换体层的发光器件的示例可替换过程。
贯穿各图，相同参考标号指示类似或对应的特征或功能。附图是出于图示的目的而被包括的并且不旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述诸如特定架构、界面、技术等等之类的具体细节，以便提供对本发明的概念的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在脱离于这些具体细节的其它实施例中实践。以相似方式，本描述的文本涉及如图中所图示的示例实施例，并且不意图在超出权利要求中明确包括的限制之外限制所要求保护的发明。出于简单和清楚的目的，众所周知的器件、电路和方法的详细描述被省略以便不用非必要的细节混淆本发明的描述。
图2图示了具有发光元件110、陶瓷绿色转换体元件120、受保护的红色转换体层230和保护性反射涂层140的示例发光器件。在该示例实施例中，因为陶瓷绿色转换体元件120相比于红色转换体层230上方的环境是明显更好的热导体，并且因为红色转换体层230与绿色转换体元件120之间本身没有胶，因此来自红色转换体层230的热将被高效地引导到绿色转换体元件120中。该热和绿色转换体元件120中的转换所引起的热通过胶合层115和发光元件110被引导到其上将安装器件的热沉160中。
如以上所指出的，并且如以下进一步详述的，在将转换体元件120和转换体层230附着到发光元件110之后，发光器件经受随后的制造过程，诸如红色转换体层230的表面235上的任何残留材料的移除，和表面235的对应粗糙化以增加光提取效率。这些过程包括例如微珠喷砂，其通过将小颗粒以高速度投射到表面上来移除表面材料。当前通常使用“干法”喷砂过程，其中空气和小苏打的颗粒（大约80微米的直径）被投射到表面上，尽管还有“湿法”喷砂，其中水和塑料颗粒（大约180微米的直径）的泥浆被投射到表面上。
当诸如陶瓷元件120之类的耐用材料经受微珠喷砂时，表面逐渐磨损；该逐渐减少允许以相当高精度来控制微珠喷砂。当诸如嵌有转换体元件的硅树脂层230之类的不太耐用的材料经受微珠喷砂时，表面被快速地磨损，这仅允许减少程度的相对粗略的控制。
如果红色转换体层230经受具有减少程度的仅粗略控制的微珠喷砂，则器件之中的光输出的变化将是大的。在一些器件中，仅小量红色转换体将通过微珠喷砂移除；在其它器件中，较大量的红色转换体将通过微珠喷砂移除。红色转换体层230中剩余的红色转换体材料的数量将确定将产生的红光的量，并且由此确定复合光输出的色点。如果剩余红色转换体材料的数量由于缺乏微珠喷砂对转换体加载的硅树脂的影响的控制而在器件之中显著变化，则器件之中的色点将对应变化。
在本发明的优选实施例中，红色转换体层230被形成为使得层230中的红色转换体的量在器件之中相当一致，而不管对微珠喷砂以及应用于器件的其它过程的影响的精确控制的缺乏。通过提供没有转换体的牺牲（透净）层以保护包含红色转换体材料的层在随后过程期间免受损坏来维持该一致量的红色转换体材料。当应用损耗或以其它方式损坏上表面的微珠喷砂或其它过程时，材料中的减少将不引入红色转换体材料的量中的对应减少，这是因为材料将从不包含转换体的牺牲层移除。典型地，牺牲层对于转换体120,230或发射器110所生成的光的任何波长将是透明的。然而，本领域技术人员将认识到，牺牲层可以被尺寸设计成在其被损耗之后提供剩余层，其服务于提供诸如散射之类的其它效果并且本身不需要是透净的。
图3A-3C图示了用于在陶瓷绿色转换体元件120上创建受保护的红色转换体层330的示例过程。在图3A中，使用各种应用技术中的任何一种来将红色转换体层330应用到陶瓷元件120，所述技术包括刮刀涂敷膜的层压、丝网印刷、模版印刷、旋转铸造或者任何其它合适的方法，丝网印刷典型地是优选的。层330中的红色转换体可以包括例如BR102C、a-Sialon、BSSN2.0、BSSN2.6和BSSNE2.6，并且陶瓷元件120中的绿色转换体可以包括YAG、LuYAG、NYAG1,2等。红色转换体可以悬浮在任何合适的材料中，包括任何种类的硅树脂、氧化硅溶胶凝胶以及本领域中已知的其它材料。出于引用的方便，术语“硅树脂”在本文中用来包括这样的材料。
尽管用于在绿色转换体元件上直接应用红色转换体层130的上述“流体”技术非常好地适用于该应用，但是本领域技术人员将认识到也可以使用其它技术。例如，于2008年7月3日授予Haryanto Chandra的美国专利7,344,952“Laminating Encapsulant FilmContaining Phosphor Over LEDs（在LED之上层压含磷光体的密封剂膜）”公开了一种用于将磷光体膜层压到基板上的一组发光器件的技术，并且其通过引用并入于此。可以使用类似技术以用于将红色转换体层330创建为预形成的膜，然后将该膜层压到一组陶瓷元件120。以相似方式，尽管使用胶将在某种程度上降低热效率，但是本领域技术人员将认识到预形成的红色转换体可以胶合到陶瓷元件120。
在本发明的实施例中，转换体层330的厚度可以在5和50微米之间，典型地为约30微米，并且该层中的红色转换体的浓度可以在1%和70%之间，典型地在7%和20%之间。如果硅树脂被用作悬浮材料，则固化的安排可以是在80℃下1hr，接着在120℃下1hr，并且然后接着在150℃下4hr。
在图3B中，在红色转换体层330上方创建不包含转换体的透净牺牲层340。该牺牲层340可以包括例如硅树脂化合物KJR9222A/B和KRJ9226D，以及其它材料。优选地，牺牲层340具有与红色转换体层330相同的折射率，以避免层330,340之间的边界处的损失。牺牲层340可以使用各种技术中的任何一种在红色转换体层330之上形成，所述技术包括例如丝网印刷、层压、包覆成型、铸造或者任何其它合适的方法。
为了促进转换体层330之上的牺牲层340的形成，转换体层330可以经受处理，诸如氧等离子体、UV臭氧等，典型地持续2和30分钟之间。为了最大化该处理的有效性，牺牲层的处理与形成之间的延迟（如果存在的话）应当不超出几小时。
牺牲层340的厚度将取决于微珠喷砂或减小厚度的其它过程的影响的预期控制程度，并且范围可以从2到100微米。在采取常规加工技术的情况下，20-40微米的牺牲层厚度一般将是足够的。如果硅树脂被用作牺牲材料，则固化的安排可以是在80℃下1hr，接着在120℃下1hr，并且然后接着在150℃下4hr。
分别在层330和陶瓷元件120中的红色和绿色转换体材料的浓度以及层330和陶瓷元件120的厚度将主要确定复合光输出的结果得到的色点。因此，器件之中的色点的变化将主要由这些浓度和厚度的控制程度来确定，这些浓度和厚度的控制程度典型地大幅大于诸如微珠喷砂之类的其它过程的影响的控制程度。
当在陶瓷元件120上形成红色转换体层330和牺牲层340之后，组合被划片或“单个化”以产生单独的基于陶瓷的波长转换体元件350。如以上所指出的，基于陶瓷的结构的优点在于其足够刚性以促进这些结构的高效拾取和放置，如随后过程期间所要求的那样。
图4A-4D图示了用于创建具有陶瓷绿色转换体元件和受保护的红色转换体层的发光器件的示例过程。
在已经形成了多个基于陶瓷的波长转换体元件350的情况下，这些转换体元件350被附着到多个发光元件110，如图4A-4B中所示。为了促进该过程和随后的过程，发光元件110可以安装在衬底410上。该衬底410可以包括促进对发光元件110的外部连接的电气电路系统。
在基于陶瓷的转换体元件350被附着到发光元件110之后，可以使用包覆成型技术将诸如加载有TiO的硅树脂之类的保护性和反射材料450按压到这些元件110,350之间的空间中。为了便于制造，材料450可以被应用为覆盖所有元件110,350并且填充它们之间的空间的涂层，如图4C中所示。
为了从发光表面345移除覆盖的反射材料450，衬底410上的器件可以经受微珠喷砂过程或者损坏器件的暴露表面的其它过程。在本公开的上下文中，术语“损坏”包括暴露表面上的任何磨损或磨蚀，即便该损坏可能具有有益效果。例如，取决于微珠的尺寸和其它因素，过程可以提供暴露层340a，340b，340c上的粗糙化的表面345a，345b，345c，其可以改进通过该表面的光提取效率。
如以上所指出的，这样的过程还可能对器件的暴露层340a，340b，340c具有不同的影响，这是由于对诸如硅树脂之类的相对不耐用材料的这些影响的控制的粗略性质所致，如图4D中所示。
值得指出的是，尽管该随后加工对不同层340a，340b，340c具有不同影响，但是红色转换体层330a，330b，330c不受该随后加工的影响，其受到牺牲层340a，340b，340c的保护以免受损坏。因此，器件之中的色点将不取决于与这些随后过程相关联的变化。
图5A-5E图示了用于创建具有陶瓷绿色转换体元件和受保护的红色转换体层的发光器件的示例可替换过程。
图5A图示了厚红色转换体层530在陶瓷绿色转换体元件120上的示例应用。层530的厚度的范围一般将在30和150微米之间，50-80微米是最常见的。红色转换体层530可以包括嵌有红色转换体材料560的悬浮材料540。依照本发明的一方面，悬浮材料540是粘性的，并且红色转换体材料560能够在悬浮材料540完全固化之前“下沉”或向下沉淀到层的底部，如图5B中所示。红色转换体材料560的这种下沉或沉淀创建不包含红色转换体材料560的悬浮材料540的上区，以及包含以较密集形式的原始红色转换体材料560的下区。
实现给定深度的非转换体区的沉降时间将取决于悬浮材料540的粘性、红色转换体材料560的密度、红色转换体材料560在悬浮材料540中的浓度、红色转换体材料560的颗粒的电荷以及其它因素。红色转换体材料560在悬浮材料540中的浓度一般将在1%和70%之间，尽管25%以下的浓度是最常见的。
将光转换到正确色点所需要的红色转换体材料560的量基于目标色点和从蓝色发射器和绿色转换体材料发射的光。转换体层530中的红色转换体材料560的量以及因而红色转换的程度可以通过控制转换体层530的总厚度以及沉降时间来控制。
当材料560下沉以创建非转换体材料的适当深区（例如20-40微米）时，悬浮材料540被固化，从而使红色转换体材料560在悬浮材料540中的分布稳定。如果硅树脂被用作转换体层530中的悬浮材料540，则固化的安排可以是在80℃下1hr，接着在120℃下1hr，并且然后接着在150℃下4hr，尽管如25-60℃下持续1小时那样短的固化可能是足够的，这取决于转换体层530的特定组成。
本领域技术人员将认识到，微量的转换体材料560可能存在于转换体层530的上区中。在本公开的上下文中，具有比具有所沉淀的转换体材料的下层/区中的浓度小一个数量级的浓度的层/区被视为是非转换体层/区。
在图5C处，具有转换体层530的陶瓷元件120被附着到发光元件110，并且保护性和反射材料450被应用以填充具有陶瓷转换体元件120和层530的元件110之间的空间。
过量的材料450典型地经由微珠喷砂或其它材料移除过程来移除。该移除过程可以在转换体层530a，530b，530c中的每一个上导致不同的移除效果（损坏），如在图5D中通过其粗糙的不同高度和图案图示的那样。然而，倘若移除过程仅影响这些转换体层530a，530b，530c的非转换体区，则这些移除差异将对层530a，530b，530c的剩余部分中的红色转换体材料560a，560b，560c所产生的色点具有最小影响（如果存在的话）。
如图5E中所示，衬底410上的器件被划片/单个化以提供衬底410a，410b，410c上的单独的发光器件。如以上所指出的，尽管这些单独的发光器件具有不同的转换体层530a，530b，530c，但是每一个转换体层530a，530b，530c内的转换体浓度基本上相同，其未受到与转换体层530a，530b，530c被附着到陶瓷元件120和发光元件110之后所应用的过程相关联的变化的影响。
在操作中，衬底410被耦合到热沉160，使得在红色转换体层530和绿色转换体元件120处生成的热被引导通过陶瓷绿色转换体元件120，通过胶合层115、发光元件110和衬底160，并且通过热沉160耗散。可选地，衬底410可以被移除，或者衬底410可以包括热沉160。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是图示性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能使用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。
Claims (18)
1.一种发光器件，包括：
配置成发射具有第一波长的光的发光元件，
由第一波长转换材料形成的陶瓷波长转换元件，所述第一波长转换材料将来自发光元件的入射在其上的光转换成具有不同于第一波长的第二波长的光；
设置成与陶瓷波长转换元件直接接触的第二波长转换材料的层，所述第二波长转换材料将入射在其上的光转换成具有不同于第一波长和第二波长的第三波长的光；以及
设置成与第二波长转换材料的层直接接触的牺牲材料，其中牺牲材料对光的第一、第二和第三波长是透明的。
2.权利要求1的发光器件，其中牺牲材料的至少一个区被粗糙化。
3.权利要求1的器件，其中发光元件发射蓝光，第一波长转换材料是蓝色到绿色波长转换材料，并且第二波长转换材料包括蓝色吸收红色发射的材料。
4.权利要求1的器件，其中牺牲材料是硅树脂。
5.权利要求1的器件，其中第二波长转换材料的层具有5和50微米之间的厚度，并且牺牲材料具有2和100微米之间的厚度。
6.权利要求1的器件，还包括：
衬底；以及
热沉，
其中发光元件设置在衬底上，并且衬底设置在热沉上。
7.权利要求1的器件，还包括与每一个发光元件的侧表面、陶瓷波长转换元件、第二波长转换材料的层和牺牲材料直接接触的反射材料。
8.权利要求7的器件，其中反射材料包括与硅树脂混合的氧化钛（TiO）。
9.权利要求1的器件，还包括设置在发光元件与陶瓷波长转换元件之间的粘合材料。
10.一种创建发光器件的方法，包括：
提供包括第一波长转换材料的陶瓷元件；
在陶瓷元件上设置第二波长转换材料的层；
在第二波长转换材料的层上设置牺牲材料；以及，
将具有第二波长转换材料的层和牺牲材料的陶瓷元件附着到发光元件。
11.权利要求10的方法，还包括使具有第二波长转换材料的层和牺牲材料的陶瓷元件经受移除牺牲材料的至少部分的过程。
12.权利要求10的方法，其中发光元件发射蓝光，第一波长转换材料包括蓝色到绿色波长转换材料，并且第二波长转换材料包括蓝色吸收红色发射的材料。
13.权利要求10的方法，其中牺牲材料包括硅树脂。
14.权利要求10的方法，其中牺牲材料的厚度具有在2和100微米之间的厚度。
15.权利要求10的方法，还包括：
在衬底上设置发光元件；以及
在热沉上设置衬底。
16.权利要求10的方法，其中牺牲材料对光的第一、第二和第三波长是透明的。
17.权利要求10的方法，还包括设置与每一个发光元件的侧表面、陶瓷转换元件、第二波长转换材料的层和牺牲材料直接接触的反射材料。
18.权利要求17的方法，其中反射材料包括与硅树脂混合的氧化钛（TiO）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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