DE112009001616T5

DE112009001616T5 - Leuchtvorrichtung mit transparenter, wärmeleitender Schicht

Info

Publication number: DE112009001616T5
Application number: DE112009001616T
Authority: DE
Inventors: Rene Livermore Helbing
Original assignee: Bridgelux Inc
Current assignee: Bridgelux Inc
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-05-19
Also published as: KR101193990B1; CN102217098A; WO2010002711A1; KR20110019394A; US20120153316A1; JP2012502449A; TW201013988A; US8159131B2; US20090322197A1

Abstract

Eine Vorrichtung, die Folgendes aufweist:
eine transparente, wärmeleitende Schicht;
eine Phosphor- bzw. Leuchtstoffschicht, die auf der transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist; und
zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter, der angeordnet ist, um Licht zu der transparenten, wärmeleitenden Schicht und der Leuchtstoffschicht zu emittieren.

Description

Hintergrund
Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Licht emittierende bzw. Leuchtvorrichtungen und insbesondere auf Halbleiterleuchtvorrichtungen mit einer Phosphor- bzw. Leuchtstoffschicht.
Hintergrund
Leuchtdioden (LEDs) sind attraktive Kandidaten für das Ersetzen herkömmlicher Lichtquellen, wie beispielsweise Glühlampen und fluoreszierende Lichtquellen. LEDs besitzen wesentlich höhere Lichtumwandlungswirkungsgrade als Glühlampen und längere Lebensdauern als beide Arten von herkömmlichen Lichtquellen. Darüber hinaus besitzen einige Arten von LEDs mittlerweile höhere Umwandlungswirkungsgrade als fluoreszierende Lichtquellen und noch höhere UmwandIungswirkungsgrade sind im Labor nachgewiesen worden. Darüber hinaus erfordern LEDs niedrigere Spannungen als fluoreszierende Lampen und sind daher besser für Anwendungen geeignet, in denen die Lichtquelle von einer Niederspannungsquelle mit Energie versorgt wird, wie beispielsweise einer Batterie oder einer rechnerinternen Gleichstromquelle.
Bedauerlicherweise erzeugen LEDs Licht in einem relativ engen Bandenspektrum. Um die herkömmlichen Lichtquellen zu ersetzen, sind LEDs erforderlich, die Licht erzeugen, welches dem menschlichen Beobachter als „weiß” erscheint. Eine Lichtquelle die scheinbar weiß ist und die einen Umwandlungswirkungsgrad aufweist, der dem fluoreszierender Lichtquellen vergleichbar ist, kann aus einem blaues Licht emittierenden Halbleiter konstruiert werden, der mit einer Schicht von Leuchtstoff bedeckt ist, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Wenn das Verhältnis von blauem zu gelbem Licht in geeigneter Weise gewählt wird, erscheint die resultierende Lichtquelle einem menschlichen Beobachter als weiß. In Anwendungen, die eine Hochleistungsbeleuchtung erfordern, kann sich die Leuchtstoffschicht jedoch überhitzen, da der Umwandlungsprozess selbst Wärme erzeugt. Wenn die Hitze nicht in ausreichender Weise abgeführt wird, kann diese eine Degeneration der Leuchtstoffschicht verursachen, was die Leistung und Lebensdauer der Vorrichtung verringert.
Um den Wirkungsgrad der Lichtausgabe ebenso wie die Farbbeständigkeit zu verbessern, sind gegenwärtige Vorrichtungen mit einer separat hergestellten Leuchtstoffschicht ausgeführt, die weiter entfernt von dem licht emittierenden Halbleiter angebracht ist. Dieser Ansatz erzeugt jedoch zusätzliche Probleme. Die Leuchtstoffschicht kann sich aufgrund des Lichtumwandlungsprozesses selbst in signifikanter Weise erwärmen, was zu einer verringerten Effizienz und Degeneration führt. Folglich adressiert ein derartiger Aufbau das Wärmeableitungsproblem nicht in effektiver Weise, da dieser kein Mittel zum Ableiten der Wärme weg von der Leuchtstoffschicht vorsieht.
Obwohl heutige LEDs sich als allgemein geeignet für ihre angedachten Zwecke erwiesen haben, weisen sie demgemäß jedoch inhärente Mängel auf, die ihre Gesamteffektivität und Attraktivität mindern. Infolgedessen besteht ein Bedarf für kleine, Hochleistungs-LEDs mit „weißem Licht” mit einem System zum Ableiten der Wärme aus der Leuchtstoffschicht.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt der Offenbarung weist eine Vorrichtung eine durchsichtige bzw. transparente, wärmeleitende Schicht, eine Leuchtstoffschicht, die auf der transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist, und zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter auf, der angeordnet ist, um Licht zu der transparenten, wärmeleitenden Schicht und der Leuchtstoffschicht hin zu emittieren.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst eine Vorrichtung einen Stapel mit abwechselnden Schichten von zumindest einer transparenten, wärmeleitenden Schicht und zumindest einer Leuchtstoffschicht auf, sowie zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter, der angeordnet ist, um Licht zu dem Stapel hin zu emittieren.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst eine Leuchtvorrichtung zumindest eine Leuchtstoffschicht, die auf einer transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als die der zumindest einen Leuchtstoffschicht ist.
In noch einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung das Ablagern von zumindest einer Leuchtstoffmischung auf einer transparenten, wärmeleitenden Schicht.
Es ist verständlich, dass weitere Aspekte der Leuchtvorrichtungen Fachleuten auf dem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung in einfacher Weise verständlich werden, wobei diese nur in Beispielen verschiedener Aspekte der Leuchtvorrichtungen mittels Darstellungen gezeigt und beschrieben sind. Wie erkannt werden wird, können die verschiedenen Aspekte der Leuchtvorrichtungen, die hierin offenbart sind, auf verschiedene Arten und Weisen modifiziert werden ohne den Umfang und Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Demgemäß sind die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung die folgen als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu betrachten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind mit Hilfe von Beispielen und nicht in beschränkender Weise in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, wobei zeigt:
1 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Licht emittierenden bzw. Leuchtvorrichtung darstellt;
2 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung mit einer transparenten, wärmeleitenden Schicht darstellt;
3 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung mit einer Vielzahl von Licht emittierenden Halbleitern und einer transparenten, wärmeleitenden Schicht darstellt;
4 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung mit einem eingekapselten Licht emittierenden Halbleiter und einer transparenten, wärmeleitenden Schicht darstellt;
5 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung mit einer Vielzahl von eingekapselten Licht emittierenden Halbleitern und einer transparenten, wärmeleitenden Schicht darstellt; und
6 eine Flussdiagramm, welches ein Beispiel eines Prozesses zum Kombinieren einer Leuchtstoffschicht und einer transparenten, wärmeleitenden Schicht darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ist als eine Beschreibung verschiedener Aspekte von Leuchtvorrichtungen bestimmt und soll nicht sämtliche Wege darstellen, in denen Aspekte der vorliegenden Erfindung praktisch umgesetzt werden können. Die detaillierte Beschreibung kann spezifische Details zum Liefern eines umfassenden Verständnisses der verschiedenen Aspekte der Leuchtvorrichtungen umfassen; es wird jedoch Fachleuten des Gebiets offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details praktisch umgesetzt werden kann. In einigen Fällen sind hinreichend bekannte Strukturen und Komponenten zusammenfassend beschrieben und/oder in Blockdiagrammform gezeigt, um ein Verschleiern der Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verhindern.
Darüber hinaus sollte verschiedenen beschreibenden Ausdrücken hierin, wie beispielsweise „vorgesehen auf” und „transparent” die breitest mögliche Bedeutung innerhalb des Zusammenhangs der vorliegenden Offenbarung gegeben werden. Wenn beispielsweise zum Ausdruck gebracht wird, dass eine Schicht „auf” einer anderen Schicht „vorgesehen” ist, sollte verstanden werden, dass diese eine Schicht oberhalb oder auf der anderen Schicht abgelagert, angeätzt, angebracht oder in anderer Weise aufbereitet oder direkt oder indirekt erzeugt werden kann. Ebenfalls sollte erkannt werden, dass etwas das als „transparent” beschrieben wird, als eine Eigenschaft besitzend angesehen werden sollte, die keine signifikante Behinderung oder Absorption elektromagnetischer Strahlung in der bestimmten Wellenlänge (oder Wellenlängen) von Interesse ermöglicht.
1 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung 100 mit einer Leuchtstoffschicht 112 darstellt. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung einen blaues Licht emittierenden Halbleiter 102 umfassen, der auf einem Substrat 104 vorgesehen ist. Der Licht emittierende Halbleiter 102 kann durch eine Leistungsquelle (nicht gezeigt) angetrieben werden, die elektrisch mit dem Licht emittierenden Halbleiter 102 über elektrisch leitende Spuren (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Das Substrat 104 kann ein isolierendes Material sein, wie beispielsweise Keramik- oder Epoxidlaminat. Ein Sitz bzw. ein eingelassenes Gehäuse 106, welches auf dem Substrat 104 vorgesehen ist, kann durch Bohren einer Aushöhlung 108, wie beispielsweise einer konischen Aushöhlung, zum Beispiel in einer Schicht eines Materials, wie beispielsweise Keramik, Harz, Polyphthalamid, Polycarbonat oder eines anderen geeigneten Materials gebildet sein; Beschichten einer Innenwand 110 der Aushöhlung 108 mit einem reflektierenden Material, wie beispielsweise Aluminium, Silber oder einem Kunststoff, der durch Spritzgießen beispielsweise mit Titandioxid imprägniert wurde; und dann Bonden des Gehäuses 106 auf das Substrat 104. Alternativ kann das eingelassene Gehäuse 106 durch Bohren der Aushöhlung 108 und zwar direkt in das Substrat 14 gebildet werden. Der Licht emittierende Halbleiter 102 kann auf das Substrat 104 gebondet werden, nachdem das eingelassene Gehäuse 106 gebildet wurde.
Nachdem der Licht emittierende Halbleiter 102 an das Substrat 104 gebondet wurde, kann ein transparentes Brechungsindexmaterial, wie beispielsweise Silikon, in der Aushöhlung 108 abgelagert werden. Daraufhin kann die Leuchtstoffschicht 112 auf der eingelassenen Aushöhlung 106 aufgebracht werden, die die Aushöhlung 108 und den Licht emittierenden Halbleiter 102 bedeckt.
Die Leuchtstoffschicht 112 wird in Kombination mit dem Licht emittierenden Halbleiter 102 verwendet, um Licht mit einer Bandbreite von Farbtemperaturen und Spektralzusammensetzungen zu erzeugen. Die Leuchtstoffschicht 112 kann eine Mischung aus Silikon- und Leuchtstoffpartikeln umfassen, die gleichmäßig in dem Silikon verteilt und enthalten sind. Die Leuchtstoffpartikel können unterschiedliche Farben (z. B. gelb, rot, blau) besitzen, um einen Farbwiedergabeindex des Lichts zu verstärken, der durch die Vorrichtung 100 erzeugt wird. Die Leuchtstoffschicht 112 kann eine runde scheibenartige Form besitzen, um ein gleichmäßiges Strahlungsmuster vorzusehen.
Während des Betriebs kann der Licht emittierende Halbleiter 102 ein blaues Licht emittieren. Ein Teil des blauen Lichts kann durch die Leuchtstoffpartikel der Leuchtstoffschicht 112 absorbiert werden und das restlich blaue Licht kann durch die Leuchtstoffschicht 112 hindurchgehen. Sobald das blaue Licht durch die Leuchtstoffpartikel absorbiert wird, können die Leuchtstoffpartikel ein Licht ihrer entsprechenden Farbe emittieren. Diese sekundäre Emission gefärbten Lichts von den Leuchtstoffpartikeln wird optisch mit dem restlichen blauen Licht gemischt und die gemischten Spektren, die auf diese Weise erzeugt werden, werden durch das menschliche Auge als weiß wahrgenommen.
Unglücklicherweise ist das Umwandeln des blauen Lichts in andere Wellenlängen in dem Leuchtstoff nicht zu 100% effizient. Jedes Photon des blauen Lichts kann nur ein Photon Licht mit einer niedrigeren Wellenlänge (und niedrigerer Energie) erzeugen, ein Prozess der ebenfalls als Stokesverschiebung bekannt ist. Zusätzlich kann jedes Photon blauen Lichts, das durch die Leuchtstoffpartikel absorbiert wird, nicht immer ein Photon einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugen. In beiden Fällen wird die verlorene Energie durch den Leuchtstoff absorbiert und wird als Wärme in die Leuchtstoffschicht 112 emittiert. Für kleine Vorrichtungen ist diese erzeugte Wärme sehr gering und hat typischer Weise keinen Effekt auf die Leistung der Vorrichtung. Aber für leistungsfähigere Vorrichtungen, wie beispielsweise solche die 1 Watt übersteigen, wird die verbrauchte elektrische Leistung, der Wärmebetrag der innerhalb der Leuchtstoffschicht erzeugt wird, signifikant, wenn diese nicht in ausreichender Weise abgeleitet wird. Übermäßige Wärme kann in der Folge die Leuchtstoffschicht degenerieren und ihre Effizienz verringern. D. h. die Leuchtstoffschicht wird weiterhin die gleiche Menge an optischer Strahlungsleistung aufnehmen, wird aber weniger Licht emittieren. Infolgedessen kann die Leuchtkraft abnehmen und die Farbtemperatur kann sich von weiß zu blau verschieben, was die Leistung der Vorrichtung 100 negativ beeinflusst. Um die Wärme abzuleiten, die innerhalb der Leuchtstoffschicht 112 erzeugt wird, kann eine Wärmeableitungsstruktur in der Leuchtvorrichtung integriert werden, wie in 2 dargestellt.
2 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Vorrichtung 200 mit einer Wärmeableitungsstruktur mit einer transparenten, wärmeleitenden Schicht 214 darstellt. Der Licht emittierende Halbleiter 202, das Substrat 204, das eingelassene Gehäuse 206, die Aushöhlung 208, die reflektierende Innenwand 210 und die Leuchtstoffschicht 212 der 2 entsprechen dem Halbleiter 102, dem Substrat 104, dem eingelassenen Gehäuse 106, der Aushöhlung 108, der reflektierenden Innenwand 110 bzw. der Leuchtstoffschicht 112 der 1 und infolgedessen werden ihre entsprechenden Beschreibungen ausgelassen. Die Wärmeableitungsstruktur der Vorrichtung 200 kann die transparente Schicht 214, ein Metallgehäuse 216, eine Wärmesenke 218 und Rippen 220 umfassen. Das Metallgehäuse 216, die Wärmesenke 218 und die Rippen 220 können alle aus einem wärmeleitenden Material bestehen, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Diamant.
Die Leuchtstoffschicht 212 kann auf der transparenten Schicht 214 durch Laminieren, Schablonen- bzw. Siebdruck oder irgendein anderes geeignetes Verfahren vorgesehen werden, welches die Leuchtstoffschicht 212 an die transparente Schicht 214 thermisch koppelt. Die transparente Schicht 214 kann ein transparentes und wärmeleitendes Material sein, wie beispielsweise Glas, Saphir, Diamant oder irgendein anderes geeignetes transparentes, wärmeleitendes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit die größer als die der Leuchtstoffschicht 212 ist. Die Leuchtstoffschicht 212 kann eine Leuchtstoff-Silikon-Mischung sein, die Leuchtstoffpartikel einer bestimmten Farbe oder einer Kombination von Farben (z. B. gelb, rot, grün) und einer bestimmten Art, wie beispielsweise Granatstruktur-Leuchtstoffe (z. B. Yttriumaluminiumgranat, Terbiumaluminiumgranat) Sulfid-Leuchtstoffe (z. B. Zinksulfid, Strontiumsulfid), Selenid-Leuchtstoffe (z. B. Cadmiumselenid, Zinkselenid), Silikat-Leuchtstoffe (z. B. Bariumsilikat, Strontiumsilikat, Calciumsilikat) und Alkalihalogenid-Leuchtstoffe (z. B. Cäsiumchlorid, Kaliumbromid) umfassen. Irgendeiner der vorangehenden Leuchtstoffe kann durch Cerium, Europium oder andere ähnliche Seltenerdmetalle, die Fachleuten des Gebiets bekannt sind, aktiviert werden. Die Leuchtstoffpartikel können einen Durchmesser von ungefähr 3 μm bis 25 μm aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Sobald sie thermisch gekoppelt sind, können die Leuchtstoffschicht 212 und die transparente Schicht 214 auf dem eingelassenen Gehäuse 206 vorgesehen werden, welches die Aushöhlung 208 bedeckt. Obwohl 2 die Leuchtstoffschicht 212 als über der transparenten Schicht 214 angeordnet zeigt, kann die Anordnung der Schichten umgekehrt werden, so dass die Leuchtstoffschicht 212 unterhalb der transparenten Schicht 214 gelegen ist. Ferner kann irgendeine Anzahl von Leuchtstoffschichten 212 und irgendeine Anzahl von transparenten Schichten 214 aneinander gekoppelt werden, um eine gestapelte Schichtstruktur zu erzeugen. Beispielsweise können zwei Leuchtstoffschichten 212 mit Leuchtstoff unterschiedlicher Farbe, Art und/oder Dicke mit zwei unterschiedlichen transparenten Schichten in einer abwechselnden Art und Weise gestapelt werden, so dass die zwei Leuchtstoffschichten 212 durch eine transparente Schicht 214 getrennt sind und die beiden transparenten Schichten 214 durch eine Leuchtstoffschicht 212 getrennt sind.
Die transparente Schicht 214 kann thermisch mit dem Metallgehäuse 216 durch ein geeignetes Verfahren gekoppelt werden, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder mechanischen Einfalzen bzw. Crimpen. Die entstehende thermische Haftung bzw. Bindung zwischen der transparenten Schicht 214 und dem Metallgehäuse 216 kann ebenfalls eine hermetische Bindung sein, die abdichtet und die Aushöhlung 208 vor extremen Schwankungen in der Temperatur, dem Druck und vor anderen Umwelteinflüssen schützt.
Das Metallgehäuse 216 kann an die Wärmesenke 218 geklebt bzw. gebondet werden, so dass das Metallgehäuse 216 und die Wärmesenke 218 thermisch gekoppelt oder thermisch isoliert voneinander sind. Das Metallgehäuse 216 und die Wärmesenke 218 können an den äußeren Seitenwänden des eingelassenen Gehäuses 206 und des Substrats 204 vorgesehen sein, wobei die Wärmesenke 218 thermisch mit der Unterseite des Substrats 204 gekoppelt ist.
Es kann erwünscht sein, das Metallgehäuse 216 und die Wärmesenke 218 thermisch zu isolieren, und zwar in dem Fall, wo die Temperatur der Wärmesenke 218 die Temperatur der Leuchtstoffschicht 212 übersteigt, und zwar aufgrund der hohen Wärme, die durch den Licht emittierenden Halbleiter 202 erzeugt wird. Eine derartige thermische Isolierung verhindert, dass Wärme von der Wärmesenke 218 auf die Leuchtstoffschicht 212 über das Metallgehäuse 216 übertragen wird. Das Metallgehäuse 216 kann folglich seine eigenen Wärmeabgaberippen (nicht gezeigt) besitzen und als eine Wärmesenke für die Leuchtstoffschicht 212 agieren. In dem Fall wo die Temperatur der Leuchtstoffschicht 212 größer als die der Wärmesenke 218 ist, kann es erwünscht sein, das Metallgehäuse 216 und die Wärmesenke 218 thermisch zu koppeln, um eine Wärmeübertragung von der Leuchtstoffschicht 212 zu der Wärmesenke 218 über das Metallgehäuse 216 zu ermöglichen.
Während des Betriebs der Vorrichtung 200, in dem Fall wo das Metallgehäuse 216 und die Wärmesenke 218 thermisch gekoppelt sind, kann die Wärme, die durch die Leuchtstoffpartikel in der Leuchtstoffschicht 212 erzeugt wird, aus der Leuchtstoffschicht 212 auf das Metallgehäuse 216 über die transparente Schicht 214 ebenso wie die Leuchtstoffschicht 212 selbst abgeleitet werden. Das Metallgehäuse 216 überträgt die Wärme auf die Wärmesenke 218, welche wiederum die Wärme an die äußere Umgebung über die Rippen 220 abgibt. Infolgedessen wird die Leuchtstoffschicht 212 gekühlt, was ihre Degeneration verhindert oder verringert.
3 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Licht emittierenden bzw. Leuchtvorrichtung 300 mit einer Vielzahl von Licht emittierenden Halbleitern 302 und einer transparenten, wärmeleitenden Schicht 314 darstellt. Jeder der Vielzahl von Licht emittierenden Halbleiter 302, das Substrat 304, das eingelassene Gehäuse 306, die Aushöhlung 308, die reflektierende Innenwand 310, die Leuchtstoffschicht 312, die transparente Schicht 314, das Metallgehäuse 316, die Wärmesenke 318 und die Rippen 320 der 3 entsprechen den Licht emittierenden Halbleitern 202, dem Substrat 204, dem eingelassenen Gehäuse 206, der Aushöhlung 208, der reflektierenden Innenwand 210, der Leuchtstoffschicht 212, der transparenten Schicht 214, dem Metallgehäuse 216, der Wärmesenke 218 bzw. den Rippen 220 der 2 und infolgedessen werden ihre entsprechenden Beschreibungen weggelassen.
Die Vorrichtung 300 unterscheidet sich von der Vorrichtung 200 der 2 in der Anzahl der Licht emittierenden Halbleiter 302. Die Vorrichtung 300 kann irgendeine Anzahl von Licht emittierenden Halbleitern 302 umfassen (z. B. neun Licht emittierende Halbleiter 302), die in einer Anordnung irgendeiner Größe angeordnet sein können (z. B. neun der Licht emittierenden Halbleiter 302, die in einer 3 × 3-Anordnung angeordnet sind).
4 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung 400 mit einer transparenten, wärmeleitenden Schicht 414 und einem Licht emittierenden Halbleiter 402 innerhalb einer Einkapselungsschicht 422 darstellt. Die Licht emittierenden Halbleiter 402, das Substrats 404, das eingelassene Gehäuse 406, die Aushöhlung 408, die reflektierende Innenwand 410, die Leuchtstoffschicht 412, die transparente Schicht 414, das Metallgehäuse 416, die Wärmesenke 418 und die Rippen 420 der 4 entsprechen den Licht emittierenden Halbleitern 202, dem Substrat 204, dem eingelassenen Gehäuse 206, der Aushöhlung 208, der reflektierenden Innenwand 210, der Leuchtstoffschicht 212, der transparenten Schicht 214, dem Metallgehäuse 216, der Wärmesenke 218 bzw. den Rippen 220 der 2 und infolgedessen werden ihre entsprechenden Beschreibungen weggelassen.
Die Vorrichtung 400 unterscheidet sich von der Vorrichtung 200 der 2 dadurch, dass sie die Einkapselungsschicht 422 umfasst, die abgelagert werden kann so dass sie den Licht emittierenden Halbleiter 402 einkapselt. Die Einkapselungsschicht 422 kann beispielsweise aus Silikon oder einem ähnlichen Material bestehen. Die Einkapselungsschicht 422 kann irgendeine geeignete Form, wie beispielsweise eine halbkugelförmige Kuppel besitzen. Der Raum außerhalb der Einkapselungsschicht 412 innerhalb der Aushöhlung 408 kann mit Stickstoff, Luft oder einem anderen geeigneten Gas gefüllt sein.
5 ist eine Querschnittansicht, die eine Leuchtvorrichtung 500 mit einer Vielzahl von eingekapselten, Licht emittierenden Halbleitern 502 und eine transparente, wärmeleitende Schicht 514 besitzt. Jeder der Vielzahl von Licht emittierenden Halbleiter 502, die Einkapselungsschichten 522, das Substrat 504, das eingelassene Gehäuse 506, die Aushöhlung 508, die reflektierende Innenwand 510, die Leuchtstoffschicht 512, die transparente Schicht 514, das Metallgehäuse 516, die Wärmesenke 518 und die Rippen 520 der 5 entsprechenden den Licht emittierenden Halbleitern 402, der Einkapselungsschicht 422, dem Substrat 404, dem eingelassenen Gehäuse 406, der Aushöhlung 408, der reflektierenden Innenwand 410, der Leuchtstoffschicht 412, der transparenten Schicht 414, dem Metallgehäuse 416, der Wärmesenke 418 bzw. den Rippen 420 der 4 und infolgedessen wird ihre entsprechenden Beschreibungen weggelassen.
Die Vorrichtung 500 unterscheidet sich von der Vorrichtung 400 der 4 in der Anzahl der eingekapselten, Licht emittierenden Halbleiter 502. Die Vorrichtung 500 kann irgendeine Anzahl von Licht emittierenden Halbleiter 502 aufweisen, die in einer Anordnung irgendeiner Anzahl angeordnet sind, und zwar ähnlich der Vorrichtung 300, die in 3 gezeigt ist.
6 ist ein Flussdiagramm 600, welches ein Beispiel eines Prozesses für das Kombinieren einer Leuchtstoffschicht und einer transparenten Schicht darstellt, wie beispielsweise der Leuchtstoffschicht 212 und der transparenten, wärmeleitenden Schicht 214 der 2. Der Prozess beginnt und schreitet zu Block 602 voran, wo verschiedene Komponenten der Leuchtstoffschicht 212 vermischt werden. Beispielsweise können eine spezifische Menge an Leuchtstoffpulver einer bestimmten Farbe oder einer Kombination von Farben (z. B. gelb, rot, grün) mit einer spezifischen Menge eines Trägers, wie beispielsweise flüssigen Silikons, vermischt werden. Das Leuchtstoffpulver und der Träger können in einem Vakuumofen bei ungefähr 50 Grad Celsius vermischt werden, um die Mischung effektiv zu vermischen und zu entgasen, so dass die Leuchtstoffpartikel gleichmäßig innerhalb des Trägers verteilt und dispergiert sind und die Mischung im Wesentlichen keine Gasblasen aufweist.
Sobald die Mischung vorbereitet ist, schreitet der Prozess zu Block 604 voran, wo die Mischung gleichmäßig auf der transparenten Schicht durch Siebdruck, Schablonieren oder irgendein geeignetes Verfahren abgelagert wird. Eine Vorrichtung, so wie eine derartige, die für die Herstellung von Leiterplatten verwendet wird, kann zu diesem Zweck verwendet werden. Die Mischung kann abgelagert werden, so dass sie einen großen Teil des transparenten Schichtbereichs beispielsweise als eine kontinuierliche Schicht, als ein bestimmtes Muster oder als eine Anordnung von Punkten abdeckt. Die Dicke der abgelagerten Mischung kann gesteuert werden, um eine erwünschte, endgültige Dicke der Leuchtstoffschicht zu erhalten.
Nachdem die Mischung auf der transparenten Schicht abgelagert wurde, schreitet der Prozess zum Block 606 voran, wo die Mischung für eine vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 30 Minuten) bei einer spezifischen Temperatur ausgehärtet wird.
Nachdem die abgelagerte Mischung ausgehärtet ist, schreitet der Prozess zu Block 608 voran, wo eine Bestimmung erfolgt, ob sämtliche erwünschten Leuchtstoffe (z. B. Farben und/oder Arten der Leuchtstoffpartikel) auf der transparenten Schicht vorhanden sind. Wenn bestimmt wird, dass nicht sämtliche erwünschten Leuchtstoffe auf der transparenten Schicht vorhanden sind, schreitet der Prozess dann zurück zu Block 602, wo ein Leuchtstoffpulver einer zusätzlichen Farbe und/oder einer Art mit dem Träger vermischt wird und der Prozess schreitet durch die Blöcke 604–608 voran bis sämtliche erwünschten Leuchtstoffe auf der transparenten Schicht vorhanden sind. Wenn bei Block 608 bestimmt wird, dass sämtliche erwünschten Leuchtstoffe auf der transparenten Schicht vorhanden sind, schreitet der Prozess dann zu Block 610 voran. Bei Block 610 werden die ausgehärtete Mischung und die transparente Schicht in vorbestimmte Formen (beispielsweise kreisförmige Scheiben) durch eine Formschneidemaschine oder eine ähnliche Vorrichtung geschnitten. Nach Block 610 endet der Prozess.
In diesem Fall, wo der Prozess eine Iteration für jedes unterschiedliche Leuchtstoffpulver durchläuft kann in Block 604 jede Leuchtstoffmischung auf der transparenten Schicht als eine separate Schicht in einer gestapelten Leuchtstoffschichtstruktur abgelagert werden. Die gestapelte Leuchtstoffschichtstruktur kann abwechselnde transparente Schichten und Leuchtstoffschichten oder irgendeine Art von Stapelanordnung der zumindest einen transparenten und der zumindest einen Leuchtstoffschicht umfassen. Alternativ kann jede Leuchtstoffmischung innerhalb ihrer entsprechenden Räume auf der transparenten Schicht in einer vorbestimmten Anordnung abgelagert werden. Die resultierende Leuchtstoffschicht kann eine Kombination aus einer Vielzahl gestapelter Schichten und Anordnungen von Leuchtstoffmischungen sein. Dies kann mit einem spezifischen lithographischen Muster beim Siebdrucken jeder Mischung vorgenommen werden. Die Anordnung kann so sein, dass jede Leuchtstoffmischung so abgelagert wird, dass sie sich nicht mit einer benachbarten Leuchtstoffmischung überlappt. Es kann erwünscht sein, die unterschiedlich farbigen Leuchtstoffe in einer solchen Anordnung abzulagern, um die Absorption des Lichts durch benachbarte Leuchtstoffpartikel der unterschiedlichen Farbe zu verringern. Ferner ermöglicht das separate Ablagern jeder Leuchtstoffmischung, ob in einer gestapelten Art und Weise oder in einer Anordnung, dass inkompatible Leuchtstoffmischungen innerhalb der entstehenden Leuchtstoffschicht existieren, wobei die inkompatiblen Leuchtstoffmischungen innerhalb ihrer entsprechenden Schichten und/oder Bereiche innerhalb der Anordnung angeordnet sind.
LEDs mit einer Wärmeableitungsstruktur umfassen eine transparente, wärmeleitende Schicht, die in zahlreichen Anwendungen verwendet werden kann. Beispielsweise können diese LEDs gut geeignet für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen von Flüssigkristallanzeigen (LCDs = Liquid Crystal Displays) sein. Andere Anwendungen können – ohne darauf beschränkt zu sein – Automobilinnenraumbeleuchtungen, Glühbirnen, Laternen, Straßenbeleuchtungen, Blitzlichter oder irgendeine andere Anwendung umfassen, wo LEDs verwendet werden.
Die obige Beschreibung wurde vorgesehen, um es irgendeiner Person mit Fachkenntnissen zu ermöglichen, die verschiedenen Aspekte, die hierin beschrieben sind, in der Praxis zu implementieren. Verschiedene Modifikationen dieser Aspekte werden Fachleuten des Gebiets offensichtlich sein und die hierin definierten, generischen Prinzipien können auf andere Aspekte angewendet werden. Folglich sollen die Ansprüche nicht auf die hierin gezeigten Aspekte beschränkt sein, sondern sollen den vollständigen Rahmen berücksichtigen, der mit der Sprache der Ansprüche übereinstimmt, wobei die Bezugnahme auf ein Element im Singular nicht „eines und nur eines” bedeuten soll, außer dies wird speziell erwähnt, sondern eher „eines oder mehrere”. Außer es wird ausdrücklich erwähnt, bezeichnet der Ausdruck „einige” eines oder mehrere. Sämtliche strukturellen und funktionalen Äquivalente der Elemente der verschiedenen Aspekte, die während dieser Offenbarung beschrieben wurden, die bekannt sind oder gewöhnlichen Fachleuten später bekannt, sollen ausdrücklich hierin durch Bezugnahme enthalten und sollen durch die Ansprüche eingeschlossen sein. Darüber hinaus ist nichts hierin Offenbartes der Öffentlichkeit darzulegen, und zwar unabhängig ob eine derartige Offenbarung explizit in den Ansprüchen vorgetragen wurde. Kein Anspruchselement soll unter den Bestimmungen der 35 U.S.C. §112, sechster Abschnitt, ausgelegt werden, außer das Element ist ausdrücklich unter Verwendung des Ausdrucks „Mittel zum” erwähnt oder in dem Fall eines Verfahrensanspruchs das Element ist erwähnt unter Verwendung des Ausdrucks „Schritt zum”.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Licht emittierende bzw. Leuchtvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dieser ist offenbart. Die Leuchtvorrichtung umfasst eine transparente, wärmeleitende Schicht, eine Phosphor- bzw. Leuchtstoffschicht, die auf der transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist und zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter, der angeordnet ist, um Licht zu der transparenten, wärmeleitenden Schicht und der Leuchtstoffschicht hin zu emittieren.

Claims

Eine Vorrichtung, die Folgendes aufweist: eine transparente, wärmeleitende Schicht; eine Phosphor- bzw. Leuchtstoffschicht, die auf der transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist; und zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter, der angeordnet ist, um Licht zu der transparenten, wärmeleitenden Schicht und der Leuchtstoffschicht zu emittieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die transparente, wärmeleitende Schicht so konfiguriert ist, dass sie Wärme von der Leuchtstoffschicht ableitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die transparente, wärmeleitende Schicht die Leuchtstoffschicht thermisch mit einer Wärmesenke koppelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Leuchtstoffschicht eine Vielzahl von Leuchtstoffabschnitten aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Leuchtstoffabschnitte eine Anordnung von Leuchtstoffpunkten sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Leuchtstoffabschnitte eine Vielzahl von separaten Leuchtstoffmustern sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Leuchtstoffabschnitte eine Vielzahl von Leuchtstoffschichten sind, die aufeinander gestapelt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei jede der Vielzahl von Leuchtstoffschichten in abwechselnder Weise mit jeder der Vielzahl von transparenten, wärmeleitenden Schichten gestapelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei jede der Vielzahl von Leuchtstoffschichten thermisch mit einer Wärmesenke gekoppelt ist, und zwar über zumindest eine der Vielzahl von transparenten, wärmeleitenden Schichten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei zumindest einer der Leuchtstoffabschnitte konfiguriert ist, um Licht einer Farbe zu erzeugen, die sich von der von zumindest einem anderen der Leuchtstoffabschnitte unterscheidet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei zumindest einer der Leuchtstoffabschnitte Leuchtstoffpartikel einer Art aufweist, die sich von der von einem anderen der Leuchtstoffabschnitte unterscheidet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner ein eingelassenes Gehäuse aufweist, welches eine Aushöhlung bzw. einen Hohlraum aufweist, wobei die Aushöhlung bzw. der Hohlraum hermetisch abgedichtet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die transparente, wärmeleitende Schicht aus einem Material geformt ist, welches aus eine Gruppe gewählt wird, die aus Glas, Saphir und Diamant besteht.
Vorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Stapel von Schichten, der zumindest eine transparente, wärmeleitende Schicht und zumindest eine Leuchtstoffschicht aufweist; und zumindest einen Licht emittierenden Halbleiter, der angeordnet ist, um Licht zu dem Stapel hin zu emittieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die zumindest eine transparente, wärmeleitende Schicht und die zumindest eine Leuchtstoffschicht in abwechselnder Weise gestapelt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die zumindest eine transparente, wärmeleitende Schicht so konfiguriert ist, dass sie Wärme von der zumindest einen Leuchtstoffschicht ableitet.
Leuchtvorrichtung, die Folgendes aufweist: zumindest eine Phosphor- bzw. Leuchtstoffschicht, die auf einer transparenten, wärmeleitenden Schicht vorgesehen ist, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als die der zumindest einen Leuchtstoffschicht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung, das Folgendes aufweist: Ablagern von zumindest einer Phosphor- bzw. Leuchtstoffmischung auf einer transparenten, wärmeleitenden Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei eine der Leuchtstoffmischungen in einer ersten Anordnung der Leuchtstoffabschnitte abgelagert wird und eine weitere der Leuchtstoffmischungen in einer zweiten Anordnung der Leuchtstoffabschnitte so abgelagert wird, dass sich die Leuchtstoffabschnitte der ersten Anordnung nicht mit den Leuchtstoffabschnitten der zweiten Anordnung überlappen.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei zumindest eine der Leuchtstoffmischungen konfiguriert ist, um Licht einer Farbe zu erzeugen, die sich von der von zumindest einer anderen der Leuchtstoffmischungen unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei zumindest eine der Leuchtstoffmischungen Leuchtstoffpartikel einer Art aufweist, die sich von zumindest einer anderen der Leuchtstoffmischungen unterscheidet.