JP2021067957A

JP2021067957A - はんだ取付を伴う蛍光体要素を用いる高光学パワー光変換デバイス

Info

Publication number: JP2021067957A
Application number: JP2021010194A
Authority: JP
Inventors: ピー．ニューウェルマイケル; P Newell Michael; アスレットザン; Aslett Zan; クザイアーロバート; Cuzziere Robert; ピー．ハウデアンドリュー; P Houde Andrew; ブラウンデリック; Brown Derrick
Original assignee: Materion Corp
Current assignee: Materion Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: KR102315807B1; US10833211B2; CN108367968A; EP3353125A1; EP3353125B1; EP4246227A2; JP7170073B2; US11289616B2; JP2018531415A; US11658252B2; CN108367968B; US20220140158A1; CN113130722A; US20210013349A1; US20170092786A1; WO2017053747A1; KR20180056762A; TWI629251B; US20230261123A1; JP7113745B2

Abstract

【課題】光学技術、蛍光体技術、波長変換技術、および関連技術を提供すること【解決手段】光発生器が、光変換デバイス（１０）と、光ビーム（Ｌ）を光変換要素（２０）に印加するように配列される光源（１８）とを備える。光変換デバイス（１０）は、セラミック、ガラス、または他のホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む光学セラミック（２０）または他の固体蛍光体要素と、金属ヒートシンク（１２）と光学セラミック蛍光体要素（２０）を金属ヒートシンク（１２）に取り付けるはんだ接合部（４０）とを含む。光学セラミック蛍光体要素（２０）は、光源（１８）が光学セラミック蛍光体要素（２０）を蛍光体消光点まで加熱するために効果的なビームエネルギーの光ビーム（Ｌ）を印加することに応答して、亀裂を受けない。【選択図】なし

Description

本願は、２０１５年１２月９日に出願され、“ＨＩＧＨＯＰＴＩＣＡＬＰＯＷＥＲＬＩＧＨＴＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮＤＥＶＩＣＥＵＳＩＮＧＡＰＨＯＳＰＨＯＲＥＬＥＭＥＮＴＷＩＴＨＧＬＡＳＳＨＯＳＴ”と題された米国仮出願第６２／２６５，１１７号の利益を主張するものである。２０１５年１２月９日に出願された米国仮出願第６２／２６５，１１７号は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

本願は、２０１５年９月２５日に出願され、“ＨＩＧＨＯＰＴＩＣＡＬＰＯＷＥＲＬＩＧＨＴＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮＤＥＶＩＣＥＵＳＩＮＧＡＮＯＰＴＯＣＥＲＡＭＩＣＰＨＯＳＰＨＯＲＥＬＥＭＥＮＴＷＩＴＨＳＯＬＤＥＲＡＴＴＡＣＨＭＥＮＴ”と題された米国仮出願第６２／２３２，７０２号の利益を主張するものである。２０１５年９月２５日に出願された米国仮出願第６２／２３２，７０２号は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

以下は、光学技術、蛍光体技術、波長変換技術、および関連技術、および（限定ではないが）投影ディスプレイ（例えば、デジタル光処理、ＤＬＰ）、自動車用照明具等、それらを使用する光電子、光子、および同様の用途に関する。

蛍光体デバイスは、光波長を変換し、通常、より短い波長から１つまたはそれを上回るより長い波長に下方変換することで知られている。一般的アプローチでは、蛍光体材料は、エポキシ、シリコーン等の透明または半透明結合剤材料中に分散される。蛍光体は、レーザまたは他のポンプ光源によって励起または「ポンプ」され、蛍光を放出する。蛍光体デバイスは、静的であり得るか、または、蛍光体が回転ホイールの外側リムの近傍に配置される蛍光体ホイールとして構成され得る。蛍光体ホイール設計は、有利には、異なる蛍光体を異なる蛍光体アークセグメント内で使用することによって、異なる色（またはより一般的には、異なるスペクトル）の時間系列を提供することができる。ゼロ放出の周期もまた、アーク間隙を蛍光体アークセグメント間に残すことによって提供されることができる。そのようなホイールは、例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタまたは他のＤＬＰディスプレイデバイスのために、順次、赤色、緑色、および青色光を提供するために使用されることができる。

蛍光体中で典型的に使用される結合剤材料は、高パワーポンプレーザによる熱に起因して、熱損傷を被りやすいという点において、高光学パワー用途では、問題が生じる。例えば、青色または紫外線レーザが白色光（または青色ポンプレーザ光と混成し、白色光を形成する、帯黄色光）に変換される、典型的下方変換タスクでは、レーザパワーは、約２５ワットまたはより高く、有意な熱につながり得る。

本問題に対する解決策は、結合剤材料とセラミック材料を置換する、すなわち、光学セラミック蛍光体を使用することである。典型的セラミック材料は、粉末化された基本材料、結合剤、および安定剤の混合物を、高温で、随意に、高圧下で、焼結させることによって製造される。化学蒸着（ＣＶＤ）または化学反応等の他の製造プロセスも、セラミック製造プロセスの中に組み込まれてもよい。光学セラミック蛍光体に関して、基本材料は、所望の蛍光体成分を含むように選定され、混合および焼結は、動作スペクトル（ポンプ光および蛍光の両方を含む）にわたって光学的に透過性である、ホスト材料を生産するように設計される。セラミック材料は、エポキシまたはシリコーン等の従来の蛍光体結合剤材料より高密度であって、光学セラミック蛍光体は、典型的には、通常少なくとも摂氏数百度である、少なくとも焼結温度に熱的に耐性があって、焼結プロセスに応じて、１，０００℃またはそれを上回る高温であってもよい。その結果、光学セラミック蛍光体は、高パワーレーザによってポンプされるとき、熱的に安定することが期待される。

いくつかの市販の光学セラミック蛍光体は、セラミックホスト内に埋設されたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、セリウムドープＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ）、ルテチウムＹＡＧ（ＬｕＹＡＧ）、ケイ酸塩ベースの蛍光体、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）蛍光体等を含み、該セラミックホストは、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、ＰＣＡ）、ランタナドープイットリア（Ｙ_２Ｏ_３−Ｌａ_２Ｏ_３）、イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、マグネシウムアルミネートスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ジスプロシア（Ｄｙ_２Ｏ_３）、酸窒化アルミニウム（Ａｌ_２３Ｏ_２７Ｎ_５）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。例えば、Ｒａｕｋａｓｅｔａｌ．，“ＣｅｒａｍｉｃＰｈｏｓｐｈｏｒｓｆｏｒＬｉｇｈｔＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＬＥＤｓ”，ＥＣＳＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２ｎｏ．２，ｐａｇｅｓＲ３１６８−７６（２０１３）を参照されたい。

いくつかの改良が、本明細書に開示される。

いくつかの開示される実施形態によると、光変換デバイスは、セラミックホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む、光学セラミック蛍光体要素と、金属ヒートシンクと、光学セラミック蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付けるはんだ接合部とを備える。

いくつかの開示される実施形態によると、光変換デバイスは、固体ホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む、蛍光体要素と、金属ヒートシンクと、蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付ける、はんだ接合部とを備える。いくつかの実施形態では、蛍光体要素は、固体ガラスホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む。

いくつかの開示される側面によると、光発生器は、２つの直前の段落のうちの１つに記載の光変換デバイスと、光ビームを光変換要素に印加するように配列される光源とを備える。光学セラミック蛍光体要素は、光源が光学セラミック蛍光体要素を蛍光体消光点まで加熱するために効果的なビームエネルギーの光ビームを印加することに応答して、亀裂を受けない。

いくつかの開示される実施形態によると、光変換デバイスを加工する方法は、はんだ付け可能金属スタックをセラミックホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるステップと、はんだ付け可能金属スタックをヒートシンクにはんだ付けすることによって、光学セラミック蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付けるステップとを含む。

いくつかの開示される実施形態によると、光変換デバイスを加工する方法が、開示される。本方法は、はんだ付け可能金属スタックを固体ホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む蛍光体要素の裏側に堆積させるステップと、はんだ付け可能金属スタックをヒートシンクにはんだ付けすることによって、蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付けるステップとを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光変換デバイスであって、
セラミックホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む光学セラミック蛍光体要素と、
金属ヒートシンクと、
前記光学セラミック蛍光体要素を前記金属ヒートシンクに取り付けるはんだ接合部と
を備える、光変換デバイス。
（項目２）
前記光変換デバイスは、静的光変換デバイスまたは蛍光体ホイールである、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目３）
前記光学セラミック蛍光体要素と前記はんだ接合部との間の前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に配置される、鏡コーティングをさらに備える、項目１−２のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目４）
前記鏡は、背面空気界面と協働するように設計される誘電鏡である、項目３に記載の光変換デバイス。
（項目５）
前記鏡コーティングと前記はんだ接合部との間の前記鏡コーティング上に配置される１つまたはそれを上回る金属層を含む、はんだ付け可能金属スタックをさらに備え、
前記はんだ接合部は、前記はんだ付け可能金属スタックに取り付けられる、項目３−４のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目６）
前記光学セラミック蛍光体要素と前記はんだ接合部との間の前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に配置される１つまたはそれを上回る金属層を含む、はんだ付け可能金属スタックをさらに備え、
前記はんだ接合部は、前記はんだ付け可能金属スタックに取り付けられる、項目１−２のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目７）
前記はんだ付け可能金属スタックは、
前記はんだ接合部が金層に取り付けられる、クロム／ニッケル／金層スタックと、
前記はんだ接合部が金層に取り付けられる、チタン／ニッケル／金層スタックと、
前記はんだ接合部が銀層に取り付けられる、クロム／ニッケル／銀層スタックと、
前記はんだ接合部が銀層に取り付けられる、チタン／ニッケル／銀層スタックと
のうちの１つを備える、項目５−６のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目８）
前記はんだ付け可能金属スタックのニッケル層は、バナジウムを含む、項目７に記載の光変換デバイス。
（項目９）
前記金属ヒートシンクは、その中に前記はんだ接合部が配置される、陥凹を含む、項目１−８のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目１０）
前記光学セラミック蛍光体要素の下側部分もまた、前記ヒートシンクの陥凹内に配置される、項目９に記載の光変換デバイス。
（項目１１）
前記光学セラミック蛍光体要素は、前記光学セラミック蛍光体要素を蛍光体消光点まで加熱するために効果的なビームエネルギーを用いて印加された光ビームに応答して、亀裂を受けない、項目１−１０のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目１２）
光発生器であって、
項目１−１１のうちのいずれか１項に記載の光変換デバイスと、
光ビームを光変換要素に印加するように配列される光源と
を備え、
前記光学セラミック蛍光体要素は、前記光源が前記光学セラミック蛍光体要素を蛍光体消光点まで加熱するために効果的なビームエネルギーの光ビームを印加することに応答して、亀裂を受けない、光発生器。
（項目１３）
光変換デバイスであって、
固体ホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む蛍光体要素と、
金属ヒートシンクと、
前記蛍光体要素を前記金属ヒートシンクに取り付ける、はんだ接合部と
を備える、光変換デバイス。
（項目１４）
前記光変換デバイスは、静的光変換デバイスまたは蛍光体ホイールである、項目１３に記載の光変換デバイス。
（項目１５）
前記蛍光体要素と前記はんだ接合部との間の前記蛍光体要素の裏側に配置される、鏡コーティングをさらに備える、項目１３−１４のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目１６）
前記鏡は、背面空気界面と協働するように設計される、誘電鏡である、項目１５に記載の光変換デバイス。
（項目１７）
前記鏡コーティングと前記はんだ接合部との間の前記鏡コーティング上に配置される１つまたはそれを上回る金属層を含む、はんだ付け可能金属スタックをさらに備え、
前記はんだ接合部は、前記はんだ付け可能金属スタックに取り付けられる、項目１５−１６のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目１８）
前記蛍光体要素と前記はんだ接合部との間の前記蛍光体要素の裏側に配置される１つまたはそれを上回る金属層を含む、はんだ付け可能金属スタックをさらに備え、
前記はんだ接合部は、前記はんだ付け可能金属スタックに取り付けられる、項目１３−１４のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目１９）
前記はんだ付け可能金属スタックは、
前記はんだ接合部が金層に取り付けられる、クロム／ニッケル／金層スタックと、
前記はんだ接合部が金層に取り付けられる、チタン／ニッケル／金層スタックと、
前記はんだ接合部が銀層に取り付けられる、クロム／ニッケル／銀層スタックと、
前記はんだ接合部が銀層に取り付けられる、チタン／ニッケル／銀層スタックと
のうちの１つを備える、項目１７−１８のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目２０）
前記はんだ付け可能金属スタックのニッケル層は、バナジウムを含む、項目１９に記載の光変換デバイス。
（項目２１）
前記金属ヒートシンクは、その中に前記はんだ接合部が配置される、陥凹を含む、項目１３−２０のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目２２）
前記蛍光体要素の下側部分もまた、前記ヒートシンクの陥凹内に配置される、項目２１に記載の光変換デバイス。
（項目２３）
前記蛍光体要素は、固体ガラスホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む、項目１３−２２のいずれか１項に記載の光変換デバイス。
（項目２４）
前記固体ガラスホスト要素は、Ｂ２７０、ＢＫ７、Ｐ−ＳＦ６８、Ｐ−ＳＫ５７Ｑ１、Ｐ−ＳＫ５８Ａ、またはＰ−ＢＫ７を含む、項目２３に記載の光変換デバイス。
（項目２５）
光発生器であって、
項目１３−２４のうちのいずれか１項に記載の光変換デバイスと、
光ビームを光変換要素に印加するように配列される光源と
を備え、
前記光学セラミック蛍光体要素は、前記光源が前記光学セラミック蛍光体要素を蛍光体消光点まで加熱するために効果的なビームエネルギーの光ビームを印加することに応答して、亀裂を受けない、光発生器。
（項目２６）
光変換デバイスを加工する方法であって、
はんだ付け可能金属スタックをセラミックホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるステップと、
前記はんだ付け可能金属スタックを前記ヒートシンクにはんだ付けすることによって、前記光学セラミック蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付けるステップと
を含む、方法。
（項目２７）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるステップに先立って、誘電鏡コーティングを前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させ、これによって、前記はんだ付け可能金属スタックが、前記誘電鏡コーティング上に堆積される、ステップ
をさらに含む、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるステップは、
クロムまたはチタン層を前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるか、または、前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に配置される誘電鏡コーティング上に堆積させるステップと、
ニッケル層を前記クロムまたはチタン層上に堆積させるステップと、
銀、白金、または金層を前記ニッケル層上に堆積させるステップと
を含む、項目２６−２７のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目２９）
前記ニッケル層は、バナジウムを含む、項目２８に記載の方法。
（項目３０）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記光学セラミック蛍光体要素の裏側に堆積させるステップは、
はんだ付け可能銀、白金、または金層を前記ニッケル層上に堆積させるステップを含み、
前記はんだ付けするステップは、前記はんだ付け可能銀、白金、または金層を前記ヒートシンクにはんだ付けするステップを含む、項目２６−２７のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３１）
前記取り付けるステップは、
前記光学セラミック蛍光体要素と前記金属ヒートシンクとの間に介在されるはんだ予備成形物を用いて、前記光学セラミック蛍光体要素を前記金属ヒートシンク上に配置し、アセンブリを作成するステップと、
前記はんだ予備成形物に、はんだ接合部を前記はんだ付け可能金属スタックと前記金属ヒートシンクとの間に形成させるために効果的である、はんだ付け温度まで前記アセンブリを加熱するステップと
を含む、項目２６−２８のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３２）
前記はんだ予備成形物は、はんだフラックスを含み、前記はんだフラックスは、前記はんだ予備成形物上にコーティングされる、またはその中に混合される、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
前記はんだ予備成形物は、鉛／インジウム／銀はんだ合金または金／スズはんだ合金を含む、項目３１−３２のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３４）
光変換デバイスを加工する方法であって、
はんだ付け可能金属スタックを固体ホスト要素内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む蛍光体要素の裏側に堆積させるステップと、
前記はんだ付け可能金属スタックを前記ヒートシンクにはんだ付けすることによって、前記蛍光体要素を金属ヒートシンクに取り付けるステップと
を含む、方法。
（項目３５）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記蛍光体要素の裏側に堆積させるステップに先立って、誘電鏡コーティングを前記蛍光体要素の裏側に堆積させ、これによって、前記はんだ付け可能金属スタックが、前記誘電鏡コーティング上に堆積される、ステップ
をさらに含む、項目３４に記載の方法。
（項目３６）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記蛍光体要素の裏側に堆積させるステップは、
クロムまたはチタン層を前記蛍光体要素の裏側に堆積させるか、または、前記蛍光体要素の裏側に配置される誘電鏡コーティング上に堆積させるステップと、
ニッケル層を前記クロムまたはチタン層上に堆積させるステップと、
銀、白金、または金層を前記ニッケル層上に堆積させるステップと
を含む、項目３４−３５のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３７）
前記はんだ付け可能金属スタックを前記蛍光体要素の裏側に堆積させるステップは、
はんだ付け可能銀、白金、または金層を前記ニッケル層上に堆積させるステップを含み、
前記はんだ付けするステップは、前記はんだ付け可能銀、白金、または金層を前記ヒートシンクにはんだ付けするステップを含む、
項目３３−３４のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３８）
前記取り付けるステップは、
前記蛍光体要素と前記金属ヒートシンクとの間に介在されるはんだ予備成形物を用いて、前記蛍光体要素を前記金属ヒートシンク上に配置し、アセンブリを作成するステップと、
前記はんだ予備成形物に、はんだ接合部を前記はんだ付け可能金属スタックと前記金属ヒートシンクとの間に形成させるために効果的である、はんだ付け温度まで前記アセンブリを加熱するステップと
を含む、項目３３−３４のうちのいずれか１項に記載の方法。
（項目３９）
前記はんだ予備成形物は、はんだフラックスを含み、前記はんだフラックスは、前記はんだ予備成形物上にコーティングされる、またはその中に混合される、項目３８に記載の方法。

図１は、６つの蛍光体アークセグメントを含む、蛍光体ホイールを図示する。図１の区分Ｓ−Ｓは、蛍光体要素のうちの１つの一部の断面と、金属ホイールへのそのはんだ取付とを示す。図２は、図１の区分Ｓ−Ｓの分解図（左側）と、主な製造動作を図式的に示すフローチャート（右側）とを示す。図３は、ヒートシンク（例えば、図１の金属ホイール）が、少なくともはんだ取付、随意に、蛍光体要素の下側部分を受容するように成形および定寸される、陥凹を有する、変形実施形態を示す。

本明細書で使用されるように、かつ当技術分野における従来通り、「光学スペクトル」、「光学」、「波長」、「周波数」、「光」、「光ビーム」等の用語は、可視スペクトルに限定されず、むしろ、所与のフィルタに関して、赤外線および／または紫外線スペクトル領域まで拡張する、または全体的にその中にあってもよい。

光学セラミック蛍光体が、高パワーレーザによってポンプされるとき、熱的に安定することが期待されるという期待とは対照的に、本発明者らは、高パワーポンプレーザの出力が上昇するにつれて、実際は、光学セラミック蛍光体が、破壊的故障を受けることを見出した。具体的には、接着剤または熱ペーストを使用してヒートシンク上に搭載された静的光学セラミック蛍光体要素は、高パワーポンプレーザ上昇の間、破壊的亀裂を受ける。

本明細書に開示されるように、本発明者らは、本壊滅的な亀裂故障モードは、光学セラミック蛍光体のヒートシンク（例えば、ＡｌまたはＣｕ）へのはんだ接続を採用することによって克服されることができることを見出した。はんだ取付を用いることで、ポンプレーザパワーは、光学セラミック蛍光体要素を亀裂させずに、蛍光体消光をもたらすために十分に高いポンプパワーまで上昇され得る。いかなる特定の動作理論にも限定されるわけではないが、壊滅的な故障モードは、取付の熱抵抗の観点または取付の熱リアクタンス（すなわち、熱伝達が上昇する前の遅延）の観点のいずれかにおいて、光学セラミック蛍光体からの不十分な熱伝達に起因し、はんだ取付は、壊滅的な亀裂故障モードを克服するために十分に取付部を通して熱伝達を改良すると考えられる。これを考慮して、はんだ接合部に加え、必須熱伝達性質を提供する、他の取付接合部を採用することも検討される。例えば、はんだ接合部と、銀（Ａｇ）ナノ粒子の粉末またはペーストを有機溶剤（均一分散を提供するため）中で焼結させることによって形成される、接合部を置換することが検討される。焼結は、好適には、銀溶融温度を下回る温度、例えば、約２５０℃で行われるが、いくつかの実施形態では、最適プロセス温度は、Ａｇナノ粒子サイズ、密度、および平均表面積等の要因に依存する。焼結が生じている間、若干の圧力が、随意に、印加されてもよく、および／または焼結は、随意に、制御された大気中で行われてもよい。焼結後、銀は、焼結温度よりはるかに高い温度まで動作可能となるであろう。任意の特定の動作理論に限定されるわけではないが、本アプローチにおける接合プロセスは、原子拡散機構に帰すると考えられる。

より一般的には、本明細書に開示されるように、はんだ接続は、固体蛍光体要素をヒートシンク（例えば、ＡｌまたはＣｕ）に取り付けるために使用される。はんだ取付は、壊滅的な亀裂または他の熱故障モードを克服するために十分に取付部を通して熱伝達を改良することが期待される。これを考慮して、はんだ接合部に加え、必須熱伝達性質を提供する、他の取付接合部を採用することも検討される。

本明細書に開示されるはんだ接合部アプローチは、蛍光体が、結晶、ガラス、または他の固体ホスト材料の中に組み込まれる、単結晶または多結晶蛍光体要素、ガラス蛍光体要素等の種々のタイプの高温蛍光体要素のための利点を提供することが期待される。本明細書に開示されるはんだ接合部アプローチは、蛍光体が、結晶成長プロセスの間、高熱安定性を有する結晶の中に組み込まれる、単結晶または多結晶蛍光体要素等の他のタイプの高温蛍光体要素のための類似利点も提供することが期待される。

図１は、銅、銅合金、アルミニウム合金等から作製される、金属ディスクまたは「ホイール」１２を含む、蛍光体ホイール１０を図式的に示す。１つまたはそれを上回る光学セラミック蛍光体要素、例えば、アークセグメント１４がホイール１２の外周に取り付けられる、すなわち、ホイール１２の外側リムまたはその近傍に取り付けられる。金属ディスクまたはホイール１２は、したがって、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４のための搬送構成要素およびヒートシンクの両方としての役割を果たす。例証的光学セラミック蛍光体アークセグメント１４は、ホイール円周の全体の蛍光体被覆を可能にしながら、光学セラミック蛍光体材料の量を最小限にする、幾何学的に有利な設計である。例証的蛍光体ホイール１０は、等サイズの６つの光学セラミック蛍光体アークセグメント１４を含む。しかしながら、より多いまたはより少ない蛍光体アークセグメントも、採用されることができる（完全３６０^ｏ円形を形成する、１つだけの光学セラミック蛍光体アークセグメントを含む）。例証的な６つの光学セラミック蛍光体アークセグメント１４が、一般的に図示され標識されるが、異なる光学セラミック蛍光体アークセグメントは、異なる蛍光体（例えば、異なる色の蛍光を放出するため）を含むことができる、および／または近隣光学セラミック蛍光体アークセグメント間に間隙があってもよいことを理解されたい。動作時、金属ホイール１２は、例えば、モータ（図示せず）のモータシャフトを中心軸１６に接続し、モータを動作させ、蛍光体ホイール１０を図示される時計回り方向ＣＷ（反時計回り回転もまた、検討される）に回転させることによって、中心軸１６を中心として回転される。回転と同時に、ポンプ光が、局所領域に印加される。これは、例証的ポンプレーザビームスポットＬを印加するレーザ１８によって、図１に図式的に示される。金属ホイール１２が回転するにつれて、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４をレーザビームＬと接触するように順次搬送し、蛍光を放出させる。種々の光学セラミック蛍光体アークセグメント１４の蛍光体の好適な選択によって、ＤＬＰディスプレイ用途において適切であり得るように、赤色−緑色−青色−赤色−緑色−青色等、種々の色時間系列が、発生されることができることは、容易に理解されるであろう。

図１を継続して参照して、かつ図２をさらに参照すると、区分Ｓ−Ｓは、１つの光学セラミック蛍光体アークセグメント１４の一部の断面と、金属ホイール１２へのそのはんだ取付とを図式的に図示する。図２は、区分Ｓ−Ｓの分解図（左側）と、主な製造動作を図式的に示すフローチャート（右側）とを示す。層厚は、図１の略図区分Ｓ−Ｓおよび図２に示されるその分解図において正確な縮尺で描かれていないことに留意されたい。光学セラミック蛍光体アークセグメント１４は、非限定的例証として、可視スペクトル内で光学的に透過性であるセラミック材料内に埋設されたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、セリウムドープＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ）、ルテチウムＹＡＧ（ＬｕＹＡＧ）、ケイ酸塩ベースの蛍光体、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）蛍光体等の蛍光体を含み得る、光学セラミック蛍光体要素２０を含み、該セラミック材料は、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、ＰＣＡ）、ランタナドープイットリア（Ｙ_２Ｏ_３−Ｌａ_２Ｏ_３）、イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、マグネシウムアルミネートスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ジスプロシア（Ｄｙ_２Ｏ_３）、酸窒化アルミニウム（Ａｌ_２３Ｏ_２７Ｎ_５）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。例えば、Ｒａｕｋａｓｅｔａｌ．，“ＣｅｒａｍｉｃＰｈｏｓｐｈｏｒｓｆｏｒＬｉｇｈｔＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＬＥＤｓ”，ＥＣＳＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２ｎｏ．２，ｐａｇｅｓＲ３１６８−７６（２０１３）を参照されたい。他の実施形態では、蛍光体要素アークセグメント１４は、非限定的例証として、可視スペクトル内で光学的に透過性である、結晶、ガラス、または他の固体ホスト材料内に埋設されたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、セリウムドープＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ）、ルテチウムＹＡＧ（ＬｕＹＡＧ）、ケイ酸塩ベースの蛍光体、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）蛍光体等の蛍光体を含み得る、蛍光体要素２０を含む。例えば、ホスト材料は、Ｂ２７０、ＢＫ７、Ｐ−ＳＦ６８、Ｐ−ＳＫ５７Ｑ１、Ｐ−ＳＫ５８Ａ、Ｐ−ＢＫ７等のガラスであることができる。

蛍光体または蛍光体ドーパントは、所望の放出光、例えば、緑色、黄色、赤色、または白色蛍光体混成物等の光の組み合わせを放出するように好適に選定されてもよい。光学セラミック蛍光体要素２０は、（非限定的例証として）粉末状基本材料、結合剤、および安定剤の混合物を高温で焼結する等、任意の好適なプロセスを使用して製造されてもよい。他の実施形態では、例えば、ガラスホスト材料を使用して、蛍光体要素２０は、（非限定的例証として）溶融、成形、焼結等の好適なプロセスを使用して製造されてもよい。

例証的実施例では、光学セラミック蛍光体要素が、例証のために仮定される。随意に、１つまたはそれを上回る光学コーティングが、光学セラミック蛍光体要素２０の１つまたはそれを上回る表面に塗布されてもよい。例証目的のために、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４は、正面反射防止（ＡＲ）コーティング２２と、背面誘電または金属またはハイブリッド誘電／金属鏡コーティング２４とを含む。（用語「正面」は、本明細書で使用されるように、ポンプレーザ１８または他のポンプ光ビームからのビームが衝突する、光学セラミック蛍光体要素２０の側を示す一方、用語「背面」は、本明細書で使用されるように、ヒートシンク１２に取り付けられる、光学セラミック蛍光体要素２０の側を示す（再び、例証的実施例では、蛍光体ホイール１０の金属ホイール１２は、光学セラミック蛍光体要素２０のためのヒートシンクとしての役割を果たす）。ＡＲコーティング２２は、蛍光の放出を妨害せずに、光学セラミック蛍光体要素２０に衝突するポンプレーザ光の反射を最小限にするように設計される。誘電鏡コーティング２４は、蛍光を反射させるように設計され、随意に、また、ポンプレーザ光を反射させるように設計される。図２に示されるように、これらのコーティングは、スパッタ堆積Ｓ１によって塗布されてもよいが、これらのコーティング２２、２４を作製する材料を堆積させるために好適な任意の他の堆積技法も、堆積Ｓ１を行うために使用されることができる。また、光学コーティング２２、２４の一方または両方のいずれかは、省略されてもよい、および／または波長選択的フィルタコーティング、光散乱コーティング、堆積されたフレネルレンズ等、他の光学コーティングも、提供されることができることを理解されたい。

図１および２を継続して参照すると、光学セラミック蛍光体要素２０および誘電または金属鏡コーティング２４（存在する場合）は、典型的には、はんだ接合に好適な材料ではない。はんだ付けによる光学セラミック蛍光体アークセグメント１４と金属ホイール１２の取付を促進するために、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４はさらに、光学セラミック蛍光体要素の裏側２０（より具体的には、例証的実施例では、誘電鏡コーティング２４の裏側）に堆積される、はんだ付け可能金属スタック３０を含む。はんだ付け可能金属スタック３０は、１つだけの金属層を含むことができる。例証的実施形態では、はんだ付け可能金属スタック３０は、（非限定的例証的実施例として）クロムまたはチタンまたはチタン−タングステン（ＴｉＷ）合金の要素２０に隣接する接着層３２と、（非限定的例証的実施例として）ニッケルの拡散障壁層３４と、（非限定的例証的実施例として）金のはんだ付け可能金属層３６とを含む。これは、単に、例証的実施例であって、非金属要素と金属要素のはんだ付けを促進するための当技術分野において公知の多数のはんだ付け可能はんだスタックが、採用されることができる。いくつかのさらなる非限定的例証的実施例として、はんだ付け可能金属層３６は、金ではなく、銀、白金、または別のはんだ適合性金属または金属サブスタックであり得る。ニッケル拡散障壁層は、数パーセント（例えば、５％）のバナジウムを含み、マグネトロンスパッタリングによる堆積を促進するように、その磁気性質を低減させることができる。拡散障壁層３４は、全体的に省略されることができる、および／または接着層３２は、全体的に省略されることができる等が考えられる。図２に示されるように、はんだ付け可能金属スタック３０は、スパッタリング、めっき、真空金属蒸発（例えば、電子ビーム蒸発、熱蒸発を使用して）等によって、金属堆積動作Ｓ２において、例えば、光学セラミック蛍光体要素２０の裏側（または、より具体的には、例証的実施例では、誘電鏡コーティング２４の裏側）に堆積されてもよいが、これらのはんだ付け可能金属スタック３０を作製する材料を堆積させるために好適な任意の他の堆積技法も、堆積Ｓ１を行うために使用されることができる。

図１および２を継続して参照すると、光学セラミック蛍光体要素２０と、随意の光学コーティング２２、２４と、はんだ付け可能金属スタック３０とを含む、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４は、はんだ接合部４０を形成するはんだ動作Ｓ３によって、金属基板１２（図１の例証的実施例では、金属ホイール１２）に取り付けられる。図２に図式的に図示される１つの好適なアプローチでは、はんだ動作Ｓ３は、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４と金属ヒートシンク１２との間に介在されるはんだフラックス４０_２でコーティングされるはんだ予備成形物４０_１を用いて、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４を金属ヒートシンク１２上に設置することを伴う。別の検討される実施形態では、はんだフラックスは、はんだ予備成形物上にコーティングされるのではなく、はんだ予備成形物の中に混合される。非限定的実施例として、鉛／インジウム／銀はんだ合金、金／スズはんだ合金、金−シリコン（ＡｕＳｉ）合金等、広範囲のはんだ合金が、はんだ予備成形物４０_１のために使用されることができる。本アセンブリは、次いで、はんだ４０_１、４０_２に、はんだ接合部４０をはんだ付け可能金属スタック３０と金属ヒートシンク１２との間に形成させるために効果的である、はんだ付け温度まで加熱される。他のアプローチも、はんだガンを採用し、予混合されたはんだ材料およびフラックスをともにはんだ付けされるべき表面の一方または両方上に配置し、次いで、それらをともに圧接すること等、はんだ動作Ｓ３を行うために検討される。商業用製造のために、はんだ接合動作Ｓ３は、高スループットを伴う自動化されたプロセスであるべきである。

図３を簡単に参照すると、変形実施形態では、はんだ取付が行われるべきヒートシンク基板１２は、はんだ動作Ｓ３を促進するように、はんだフラックス４０_２でコーティングされるはんだ予備成形物４０_１を受容するように成形され、かつ十分な深度である、陥凹４４を含む。結果として生じるデバイスは、次いで、はんだ接合部４０を陥凹４４内に配置されるであろう。随意に、陥凹４４は、結果として生じるデバイスが、はんだ接合部４０および光学セラミック蛍光体要素２０の下側部分を陥凹４４内に配置させるように、光学セラミック蛍光体アークセグメント１４の下側部分も同様に受容するために十分な深度であってもよい。

例証的実施形態は、図１の蛍光体ホイール１０に関する。しかしながら、光学セラミック蛍光体要素２０と金属ヒートシンク１２のはんだ取付のための開示されるアプローチは、静的蛍光体要素をヒートシンクに取り付けるためにも等しく適用可能であることを理解されたい。例えば、１つの用途では、光学セラミック蛍光体要素２０は、黄色または帯黄色蛍光を発生させる、１つまたはそれを上回る蛍光体を含有し、ポンプレーザビームは、青色レーザビームである。光学セラミック蛍光体要素２０内の蛍光体濃度および青色ポンプビームパワーの適切な調整によって、青色ポンプ光および黄色または帯黄色蛍光の混合物は、白色光に近似するように発生される。光学セラミック蛍光体要素は、任意の所望の光学システム内で採用されてもよい。１つの非限定的実施例として、本明細書に開示されるようにヒートシンクにはんだ付けされる静的光学セラミック蛍光体要素は、光トンネルと併せて採用されてもよく、光トンネル内の高光学パワーは、本明細書に開示されるようなはんだ接合部を介した光学セラミック蛍光体要素からヒートシンクへの効率的熱伝達によって適応される。

実験試験において、銅ヒートシンクにはんだ付けされた光学セラミック蛍光体要素が、比較のための熱ペーストによって銅ヒートシンクに取り付けられた光学セラミック蛍光体要素とともに、試験された。いくつかの試験された光学セラミック蛍光体要素は、正面ＡＲコーティング２２および裏側誘電鏡コーティング２４を含み、後者は、背面空気界面のために設計された。試験では、はんだ付けによってヒートシンクに固着された光学セラミック蛍光体要素の亀裂は、光学セラミック蛍光体要素を蛍光体消光点までそしてそれを超えて加熱するために効果的なビームエネルギーに関して、観察されなかった。対照的に、熱ペーストによってヒートシンクに固着された光学セラミック蛍光体要素は、ポンプレーザパワーが増加されるにつれて、壊滅的な亀裂を呈し、本亀裂は、デバイスの熱範囲を限定するように、蛍光体消光点に到達するよりもかなり前に生じた。ＡＲコーティング２２への損傷もまた、熱ペーストを使用して搭載された光学セラミック蛍光体要素内で観察され、開示されるはんだ接合部を使用して搭載された光学セラミック蛍光体要素と比較して低減されたレーザ誘発損傷（ＬＩＴＤ）閾値につながった。また、驚くべきことに、背面界面が、設計ベースの空気（屈折率ｎ＝１）に対してではなく、はんだ接合部４０に対するものであったという事実にもかかわらず、背面空気界面のために設計された裏側誘電鏡コーティング２４は、実質的光出力改良を提供することが観察された。任意の特定の動作理論に限定されるわけではないが、これは、背面鏡／はんだ界面に到達する光の割合が少なくなるように、複数の層のスタックが有意な反射を提供することに起因し得ると考えられる。

これらの結果は、開示されるはんだ取付アプローチが、光学セラミック蛍光体要素２０が亀裂を受けずに、蛍光体消光点までの任意の値のポンプビームエネルギーと協働することができる、セラミックホスト内に埋設された１つまたはそれを上回る蛍光体を含む、光学セラミック蛍光体要素２０と、金属ヒートシンク１２と、光学セラミック蛍光体要素２０を金属ヒートシンク１２に取り付けるはんだ接合部４０とを備える、受動的光変換デバイスの構造を可能にすることを実証する。対照的に、従来の熱ペースト取付は、蛍光体消光点を優に下回って、壊滅的な亀裂をもたらし、それによって、デバイス性能を限定した。開示されるはんだ接合部は、多くの実施形態では、電気または電子構成要素を含まない、受動的光学要素のための改良されたデバイス性能を提供することに留意されたい。

種々の前述の開示された特徴および機能ならびに他の特徴および機能、または、その代替は、望ましくは、多くの他の異なるシステムまたは用途の中に組み合わせられてもよいことを理解されたい。さらに、その種々の現在予想または予期されていない代替、修正、変形例、または改良も、続いて、当業者によって後に成され得、これもまた、以下の請求項によって包含されることが意図されることを理解されたい。

Claims

本明細書に記載の発明。