CN112789343B - 荧光体板和使用它的发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种荧光体板，由包含α型塞隆荧光体与烧结体的复合体构成，上述烧结体包含氧化铝。

Description

荧光体板和使用它的发光装置

技术领域

本发明涉及荧光体板和使用它的发光装置。

背景技术

至今为止对于荧光体板进行了各种各样的开发。作为这种技术，例如已知专利文献1所记载的技术。在专利文献1中记载了将无机荧光体分散于SiO₂系玻璃而成的板状的发光色转换构件(专利文献1的图4、权利要求1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－132923号公报

发明内容

然而，本发明人进行了研究，结果发现在上述专利文献1所记载的板状的发光色转换构件中，在发光效率方面有改善的余地。

本发明人进而进行了研究，发现通过将α型塞隆荧光体与氧化铝(Al₂O₃)这样适当的材料组合并复合化，能够实现得到稳定的发光效率的荧光体板，从而完成了本发明。

根据本发明，提供一种荧光体板，其由包含α型塞隆荧光体与烧结体的复合体构成，上述烧结体包含氧化铝。

另外根据本发明，提供一种发光装置，其具备第III族氮化物半导体发光元件与设置于上述第III族氮化物半导体发光元件的一面上的上述荧光体板。

根据本发明，提供发光效率优异的荧光体板和使用它的发光装置。

附图说明

上述目的以及其他目的、特征和优点通过以下描述的优选实施方式及其附带的以下的附图而变得更清楚。

图1：表示本实施方式的荧光体板的构成的一个例子的示意图。

图2：(a)是示意性地表示倒装型的发光装置的构成的截面图，(b)是示意性地表示引线接合型的发光元件的构成的截面图。

图3：用于测定复合体的发光光谱的装置的概略图。

图4：由实施例1、2和比较例1的复合体得到的发光光谱。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式使用附图进行说明。应予说明，在全部的附图中，对同样的构成要素标以同样的符号，适当省略说明。另外，图是概略图，与实际的尺寸比率不一致。

说明本实施方式的荧光体板的概要。

本实施方式的荧光体板由板状构件构成，上述板状构件由包含α型塞隆荧光体与烧结体的复合体构成，上述烧结体包含氧化铝。

上述荧光体板可以作为将照射的蓝色光转换成橙色光而发光的波长转换体发挥作用。

根据本发明人的见解，发现通过组合α型塞隆荧光体与氧化铝(Al₂O₃)这样适当的材料作为构成复合体的成分，能够实现得到稳定的发光效率的荧光体板。

详细的机理还不明确，但是认为通过适当地减小α型塞隆荧光体与氧化铝的折射率差，与α型塞隆荧光体和玻璃粉末(SiO₂)的复合体相比，更容易取出由α型塞隆荧光体发出的光，光的转换效率提高。另外，与使用玻璃粉末的情况相比，通过使用氧化铝可以提高热传导率。由此，由于抑制由加热引起的发光强度的降低，所以能够将本实施方式的荧光体板应用于高输出的发光元件。

另一方面，如果像YAG荧光体与氧化铝的组合那样折射率差过小，则难以进行光散射，为了防止蓝色光的透过需要提高荧光体含有率。与此相对，认为α型塞隆荧光体与氧化铝的折射率差适当地大，促进蓝色光的散射，能够以低的荧光体含有率高效地抑制蓝色光的透过，能够发出亮度高的橙色光。

这里，作为各成分的折射率的代表值，已知α型塞隆荧光体：2左右、YAG荧光体：约1.8、Al₂O₃：约1.7、SiO₂：约1.4。

根据上述荧光体板，在照射波长455nm的蓝色光的情况下，从荧光体板发出的波长转换光的峰值波长优选为585nm以上且605nm以下。另外，由此，通过将荧光体板组合于发出蓝色光的发光元件，能够得到发出亮度高的橙色光的发光装置。

对本实施方式的荧光体板的构成进行详细描述。

在构成上述荧光体板的复合体中混合存在有α型塞隆荧光体与氧化铝。混合存在是指在成为母材(基体相)的氧化铝中分散有α型塞隆荧光体的状态。即，复合体可以具有在母材构成的(多)结晶体的晶粒间和/或晶粒内分散有α型塞隆荧光体粒子的结构。该α型塞隆荧光体粒子可以均匀分散于母材(氧化铝烧结体)中。

(α型塞隆荧光体)

本实施方式的α型塞隆荧光体包含由下述通式(1)表示的含有Eu元素的α型塞隆荧光体。

(M)_m(1－x)/p(Eu)_mx/2(Si)_12－(m+n)(Al)_m+n(O)_n(N)_16－n··通式(1)

上述通式(1)中，M表示选自Li、Mg、Ca、Y和镧系元素(不包括La和Ce)中的1种以上的元素，p表示M元素的价数，0＜x＜0.5，1.5≤m≤4.0，0≤n≤2.0。n例如可以是2.0以下，可以是1.0以下，也可以是0.8以下。

α型塞隆的固溶组成是将α型氮化硅的晶胞(Si₁₂N₁₆)的m个Si－N键置换为Al－N键，将n个Si－N键置换为Al－O键，为了保持电中性，m/p个阳离子(M、Eu)渗入固溶于晶格内，如上述通式那样地表示。特别是如果使用Ca作为M，则α型塞隆在宽广的组成范围稳定化，通过用成为发光中心的Eu置换其中一部分，从而激发从紫外到蓝色的宽广的波长域的光，得到显示从黄到橙色的可见发光的荧光体。

一般来说，对于α型塞隆，由于与该α型塞隆不同的第二晶相、不可避免地存在的非晶相，因此不能通过组成分析等来严格规定固溶组成。作为α型塞隆的晶相，优选为α型塞隆单相，作为其他晶相，可以包含β型塞隆、氮化铝或其多型体(polytypoid)、Ca₂Si₅N₈、CaAlSiN₃等。

作为α型塞隆荧光体的制造方法，有将由氮化硅、氮化铝和渗入固溶元素的化合物构成的混合粉末在高温的氮气氛中加热并使其反应的方法。在加热工序中构成成分的一部分形成液相，物质在该液相中移动，从而生成α型塞隆固溶体。合成后的α型塞隆荧光体的多个等轴状的一次粒子烧结而形成块状的二次粒子。本实施方式中的一次粒子是指粒子内的结晶方位相同且能够单独存在的最小粒子。

α型塞隆荧光体的平均粒径的下限优选为5μm以上，更优选为10μm以上。另外，α型塞隆荧光体的平均粒径的上限优选为30μm以下，更优选为20μm以下。α型塞隆荧光体的平均粒径是上述二次粒子的尺寸。通过使α型塞隆荧光体的平均粒径为5μm以上，能够更加提高复合体的透明性。另一方面，通过使α型塞隆荧光体的平均粒径为30μm以下，能够在用切粒机等切断加工荧光体板时抑制切屑产生。

这里，α型塞隆荧光体的平均粒径是指在通过激光衍射散射式粒度分布测定法(Beckman Coulter,Inc.制，LS13－320)进行测定而得到的体积基准粒度分布中，从小粒径侧起的通过量累计(累计通过分率)50％的粒径D50。

相对于复合体整体，α型塞隆荧光体的含量的下限值换算成体积例如为5Vol％以上，优选为10Vol％以上，更优选为15Vol％以上。由此，能够提高薄层的荧光体板的发光强度。另外，能够提高荧光体板的光转换效率。另一方面，相对于复合体整体，α型塞隆荧光体的含量的上限值换算成体积例如为50Vol％以下，优选为45Vol％以下，更优选为40Vol％以下。能够抑制荧光体板的热传导性的降低。

上述烧结体中的氧化铝由于可见光的吸收少，所以能够提高荧光体板的发光强度。另外，氧化铝由于热传导性高，所以能够提高包含氧化铝的荧光体板的耐热性。进而，氧化铝由于机械强度也优异，所以能够提高荧光体板的耐久性。

从光的取出效率的观点出发，上述烧结体中的氧化铝优选杂质少。例如，在上述烧结体中的氧化铝中，Al₂O₃化合物的纯度例如可以为98％wt以上，优选为99％wt以上。

上述烧结体中的氧化铝可以包含选自α氧化铝和γ氧化铝中的一种以上。由此，能够提高荧光体板的光转换效率。

相对于复合体整体，α型塞隆荧光体和氧化铝的含量的下限值例如换算成体积为95Vol％以上，优选为98Vol％以上，更优选为99Vol％以上。也就是说，表示构成荧光体板的复合体包含α型塞隆荧光体和氧化铝作为主成分。由此，能够在提高耐热性、耐久性的基础上实现稳定的发光效率。另一方面，α型塞隆荧光体和氧化铝的含量的上限值不特别限定，但是相对于复合体整体，例如换算成体积可以是100Vol％以下。

上述荧光体板的热传导率的下限值例如为10W/m·K以上，优选为15W/m·K，更优选为20W/m·K以上。由此，由于能够实现高热传导率，所以能够实现耐热性优异的荧光体板。另一方面，上述荧光体板的热传导率的上限值不特别限定，但是例如可以是40W/m·K以下。

近年，已知由于光源的高亮度化而荧光体高温化的倾向。即使在这样的情况下，也可以通过使用热传导率优异的荧光体板，稳定地发出高亮度的橙色光。

可以对上述荧光体板的至少主面或主面和背面这两面的表面进行表面处理。作为表面处理，例如可以举出使用金刚石砂轮等的磨削、擦光、抛光等研磨等。

上述荧光体板的主面的表面粗糙度Ra例如为0.1μm以上且2.0μm以下，优选为0.3μm以上且1.5μm以下。

另一方面，上述荧光体板的背面的表面粗糙度Ra例如为0.1μm以上且2.0μm以下，优选为0.3μm以上且1.5μm以下。

通过使上述表面粗糙度为上述上限值以下，能够抑制光的取出效率、面内方向的光强度的偏差。通过使上述表面粗糙度为上述下限值以上，从而期待提高与粘附物的密合性。

在上述荧光体板中，450nm的蓝色光的光线透射率的上限值例如为10％以下，优选为5％以下，更优选为1％以下。由此，能够抑制蓝色光透过荧光体板，因此能够发出亮度高的橙色光。通过适当调整α型塞隆荧光体的含量、荧光体板的厚度，能够减少450nm的蓝色光的光线透射率。

应予说明，450nm的蓝色光的光线透射率的下限值不特别限定，但是例如可以是0.01％以上。

对本实施方式的荧光体板的制造工序进行详细描述。

本实施方式的荧光体板的制造方法可以具有工序(1)和工序(2)：工序(1)：将氧化铝粉末与作为发光中心至少含有Eu元素的α型塞隆荧光体粉末混合；工序(2)：将氧化铝粉末与α型塞隆荧光体粉末的混合物在1300℃以上且1700℃以下加热而烧制致密的复合体。

在工序(1)中，作为原料使用的氧化铝粉末和α型塞隆荧光体粉末优选尽量为高纯度，优选除了构成元素以外的元素的杂质为0.1％以下。另外，本发明的荧光体板通过氧化铝粉末的烧结而进行致密化，因此优选使用微粉末的氧化铝，优选作为原料使用的氧化铝粉末的平均粒径为1μm以下。原料粉末的混合可以应用干式、湿式的各种方法，但是优选尽量不粉碎作为原料使用的α塞隆荧光体粒子、另外混合时尽量不混入来自装置的杂质的方法。

在工序(2)中，将氧化铝粉末和α塞隆荧光体粉末的混合物在1300℃以上且1700℃以下进行煅烧。为了使复合体致密化，煅烧温度优选高的温度，但是由于煅烧温度越高α塞隆荧光体的荧光特性越降低，因此优选上述范围。煅烧方法可以是常压烧结也可以是加压烧结，但是为了抑制α塞隆荧光体的特性降低且得到致密的复合体，优选比常压烧结更容易致密化的加压烧结。作为加压烧结方法，可以举出热压烧结、放电等离子体烧结(SPS)、热等静压烧结(HIP)等。在热压烧结、SPS烧结的情况下，压力为10MPa以上，优选为30MPa以上，优选为100MPa以下。

为了防止α塞隆的氧化，煅烧气氛优选为氮气、氩气等非氧化性的惰性气体或真空气氛下。

对本实施方式的发光装置进行说明。

本实施方式的发光装置具备第III族氮化物半导体发光元件(发光元件20)与设置于第III族氮化物半导体发光元件的一面上的上述的荧光体板10。第III族氮化物半导体发光元件是例如由AlGaN、GaN、InAlGaN系材料等第III族氮化物半导体构成的具备n层、发光层和p层的元件。作为第III族氮化物半导体发光元件，可以使用发蓝色光的蓝色LED。

荧光体板10可以直接配置于发光元件20的一面上，可以介由透光性构件或隔离物来配置。

配置于发光元件20上的荧光体板10可以使用图1所示的圆板形状的荧光体板100(荧光体晶片)，可以使用将荧光体板100分片而得的荧光体板。

图1是表示荧光体板的构成的一个例子的示意图。作为图1所示的荧光体板100的厚度，例如可以是100μm以上且1mm以下。荧光体板100的厚度可以在上述的制造工序后通过磨削等适当调整。

应予说明，与四角形状的情况相比，圆板形状的荧光体板100抑制角部的缺口、破裂的产生，因此耐久性、搬运性优异。

将上述的半导体装置的一个例子示于图2(a)、(b)。图2(a)是示意性地表示倒装型的发光装置110的构成的截面图，图2(b)是示意性地表示引线接合型的发光装置120的构成的截面图。

图2(a)的发光装置110具备基板30、介由焊料40(模具粘合(die bond)材料)与基板30电气连接的发光元件20以及设置于发光元件20的发光面上的荧光体板10。倒装型的发光装置110可以是面朝上型和面朝下型的任意结构。

另外，图2(b)的发光装置120具备基板30、介由接合引线60和电极50与基板30电气连接的发光元件20以及设置于发光元件20的发光面上的荧光体板10。

图2中，用公知的方法粘贴发光元件20与荧光体板10，例如可以用有机硅系粘合剂、热熔接等方法粘合。

另外，发光装置110、发光装置120可以用透明密封材料将整体密封。

应予说明，可以对贴装于基板30的发光元件20粘贴分片的荧光体板10。可以将多个发光元件20粘贴于大面积的荧光体板100后通过切割而对每个带荧光体板10的发光元件20进行分片。另外，可以将大面积的荧光体板100粘贴于在表面形成有多个发光元件20的半导体晶片，然后将半导体晶片和荧光体板100一并进行分片。

以上，对于本发明的实施方式进行了描述，但是它们是本发明的例示，也可以采用除上述以外的各种构成。

实施例

以下，参照实施例对本发明详细地进行说明，但是本发明不限于这些实施例的记载。

(实施例1)

作为实施例1的荧光体板的原料，使用氧化铝粉末(TM－DAR，大明化学工业株式会社制)、Ca－α塞隆荧光体(ALONBRIGHT YL－600B，电化株式会社制，平均粒径D50：15μm)。将氧化铝粉末称重7.857g，将Ca－α塞隆荧光体粉末称重2.833g，用玛瑙乳钵进行干式混合。将混合后的原料通过网眼75μm的尼龙制网状筛而解开凝集，得到原料混合粉末。应予说明，由原料的真密度(氧化铝：3.97g/cm³、Ca－α塞隆荧光体：3.34g/cm³)算出的配合比为氧化铝：Ca－α塞隆荧光体＝70：30体积％。

将约11g的原料混合粉末填充于设置有碳制下冲头的内径30mm的碳制模头，设置碳制上冲头，夹入原料粉末。应予说明，为了防止原料混合粉末与碳夹具之间粘结，设置厚度0.127mm的碳片(GraTech公司制，GRAFOIL)。

将填充有该原料混合粉末的热压夹具放于碳加热器的多用途高温炉(富士电波工业株式会社制，HIGHMULTI 5000)。将炉内真空排气至0.1Pa以下，保持减压状态用55MPa的压力加压上下冲头。维持加压状态，以每分钟5℃的速度升温至1600℃。到达1600℃后停止加热，逐渐冷却至室温，进行除压。然后，回收外径30mm的煅烧物，使用平面磨床和圆筒磨床磨削外圆周部，得到直径25mm、厚度1.5mm的圆板状的荧光体板。

通过依据JIS－R1634：1998的方法来测定实施例1的荧光体板的体积密度，结果为3.729g/cm³。由原料的真密度和配合比算出的混合物的理论密度为3.781g/cm³，因此实施例1的荧光体板的相对密度为98.6％。

研磨实施例1的荧光体板并实施SEM观察，结果观察到在氧化铝基体相之间分散有Ca－α塞隆荧光体粒子的状态。

应予说明，依据JIS B0601：1994，使用表面粗糙度测定器(MITUTOYO制，SJ－400)测定的实施例1的荧光体板的主面的表面粗糙度Ra为1.0μm，与主面相反侧的背面的表面粗糙度Ra为1.0μm。

(实施例2)

作为实施例2的荧光体板的原料，使用与实施例1相同的氧化铝粉末和Ca－α塞隆荧光体。将氧化铝粉末称重6.701g，将Ca－α塞隆荧光体称重3.777g，用玛瑙乳钵进行干式混合。由原料的真密度算出的配合比为氧化铝：Ca－α塞隆荧光体＝60：40体积％。

除了氧化铝粉末和Ca－α塞隆荧光体的配合比不同之外，实施例2的荧光体板的制成方法与实施例1的荧光体板的制成方法同样。

与实施例1的测定方法同样地测定实施例2的荧光体板的体积密度，结果为3.665g/cm³。原料混合物的理论密度为3.717g/cm³，因此实施例2的荧光体板的相对密度为98.6％。

实施例2的荧光体板的主面的表面粗糙度Ra为1.0μm，与主面相反侧的背面的表面粗糙度Ra为1.1μm。

(比较例1)

作为比较例1的荧光体板的原料，使用SiO₂粉末(FB－9DC等级，电化株式会社制)、Ca－α塞隆荧光体(ALONBRIGHT YL－600B，电化株式会社制)。将SiO₂粉末称重4.354g，将Ca－α塞隆荧光体粉末称重2.723g，用玛瑙乳钵进行干式混合。将混合后的原料通过网眼75μm的尼龙制网状筛，得到原料混合粉末。由原料的真密度算出的配合比为SiO₂：Ca－α塞隆荧光体＝70：30体积％。

将约7g的原料混合粉末与实施例1同样地填充于热压用的碳模头，用多用途高温炉进行热压烧结。将炉内真空排气至0.1Pa以下，保持减压状态从室温以每分种20℃的速度升温，在800℃向炉内导入氮气，使炉内气氛压力为0.1MPa·G。氮气导入后以每分种5℃的速度升温至1375℃，在1375℃保持15分钟。然后，以每分种5℃的速度降温至室温，除压后回收外径30mm的煅烧物，与实施例1同样地进行加工，得到直径25mm、厚度1.5mm的圆板状的荧光体板。

[热传导率测定]

实施例1、2和比较例1的荧光体板在室温(25℃)的热传导率依据JIS1611：2010，通过闪光法进行测定。

·热扩散率：使用氙气闪光分析器(LFA447，Netzsch Japan Co.,Ltd.制)进行测定。

·比热容量：依据JIS K7123，使用DSC测定装置(DSC8000，PerkinElmer公司制)求出。

·体积密度：用依据JIS－R1634：1998的方法进行测定。

热传导率(W/m·K)＝体积密度(g/cm³)×热扩散率(m²/s)×比热容量(J/(kg·K))

实施例1的荧光体板的热传导率为18W/m·K，实施例2的荧光体板的热传导率为15W/m·K，比较例1的荧光体板的热传导率为1.9W/m·K。

[晶体结构解析]

用乳钵粉碎实施例1、2的荧光体板并制成粉末状的样品，使用X射线衍射装置(制品名：UltimaIV，Rigaku公司制)，测定得到的样品的衍射图案，结果确认在氧化铝烧结体中存在晶相。可知在该晶相中作为主相包含有α氧化铝，稍微混合存在有γ氧化铝。

[光学特性的评价]

荧光体板的光学特性使用板上芯片型(COB型)的LED封装体130进行测定。图3是用于测定荧光体板100的发光光谱的装置(LED封装体130)的概略图。

首先，将得到的厚度1.5mm的圆板状的荧光体板100的厚度实施薄加工到0.25mm。

接着，准备形成有凹部70的铝基板(基板30)。使凹部70的底面的直径φ为13.5mm，使凹部70的开口部的直径φ为16mm。在基板30的凹部70的内部安装蓝色LED(发光元件20)作为蓝色发光光源。

然后，以堵住基板30的凹部70的开口部的方式在蓝色LED的上部设置圆形状的荧光体板100，制成图3所示的装置(板上芯片型(COB型)的LED封装体130)。

使用总光通量测定系统(HalfMoon/φ1000mm积分球系统，大塚电子株式会社制)，测定将制成的LED封装体130的蓝色LED点亮时的荧光体板100的表面的发光光谱。将测定结果示于图4。

图4表示使用实施例1、2和比较例1的荧光体板时的发光光谱。图4的纵轴的发光强度是将实施例1的最大发光强度设为100时的相对值。应予说明，在发光光谱中，将波长为595nm以上且605nm的橙色光(Orange)的发光强度的最大值设为T_O，将波长为445nm以上且465nm的蓝色光(Blue)的发光强度的最大值设为T_B时，将来自蓝色LED的蓝色光的透射量定义为T_B/T_O。

如图4所示，实施例1、2和比较例1的发光光谱的峰值波长为约600nm。然而，明确了实施例1、2中的峰值波长的发光强度显示比比较例1高的值。

另外，在实施例1、2和比较例1中，均在波长450nm附近稍微观测到来自蓝色LED的透射光的光谱。然而，明确了实施例1、2中的来自蓝色LED的蓝色光的透射率T_B/T_O显示与比较例1为同程度的值。

应予说明，在实施例1的荧光体板中，波长450nm的蓝色光的光线透射率为1.5％，因此可知充分抑制蓝色光的透过。

可知通过使用实施例1、2的荧光体板，能够实现橙色光的荧光强度优异、将蓝色光转换为橙色光的发光效率优异的发光装置。

本申请主张以2018年10月4日申请的日本申请特愿2018－189141号为基础的优先权，并将其公开的全部内容纳入本文。

Claims (9)

1.一种荧光体板，由包含α型塞隆荧光体与烧结体的复合体构成，所述烧结体包含氧化铝，

所述复合体是在所述包含氧化铝的烧结体中分散有所述α型塞隆荧光体粒子的状态，

其中，相对于所述复合体整体，所述α型塞隆荧光体和所述氧化铝的含量的合计值换算成体积为95Vol%以上且100Vol%以下，

该荧光体板的热传导率为10W／m・K以上且40W／m・K以下。

2.根据权利要求1所述的荧光体板，其中，相对于所述复合体整体，所述α型塞隆荧光体的含量换算成体积为5Vol%以上且50Vol%以下。

3.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其中，所述α型塞隆荧光体包含由下述通式（1）表示的含有Eu元素的α型塞隆荧光体，

（M）_{m（1－x）／p}（Eu）_mx／2（Si）_{12－（m＋n）}（Al）_m＋n（O）_n（N）_16－n・・通式（1）

所述通式（1）中，M表示选自Li、Mg、Ca、Y和镧系元素中的1种以上的元素，所述镧系元素不包括La和Ce，p为M元素的价数，0＜x＜0.5、1.5≤m≤4.0、0≤n≤2.0。

4.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其中，所述氧化铝包含选自α氧化铝和γ氧化铝中的一种以上。

5.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其中，所述复合体中的α型塞隆荧光体的平均粒径D50为5μm以上且30μm以下。

6.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其中，该荧光体板的主面的表面粗糙度Ra为0.1μm以上且2.0μm以下。

7.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其作为将所照射的蓝色光转换成橙色光而发光的波长转换体使用。

8.根据权利要求1或2所述的荧光体板，其中，450nm的蓝色光的光线透射率为10%以下。

9.一种发光装置，具备第III族氮化物半导体发光元件与设置于所述第III族氮化物半导体发光元件的一面上的权利要求1～8中任一项所述的荧光体板。