JP6855245B2 - 蛍光体充填ｌｅｄパッケージ - Google Patents
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Description
本開示は、広義には、蛍光体充填発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。具体的には、本開示は、安定性の向上した蛍光体高濃度充填ＬＥＤパッケージ並びに蛍光体高濃度充填ＬＥＤパッケージの安定性を高めるための方法に関する。
ＬＥＤは、白熱電球のような他の光源の代替物として多用される半導体発光素子である。離散光又は高集束光光が望まれる用途での照明源として特に有用である。ＬＥＤパッケージで生成する光の色はその製造に用いられる半導体材料、及び蛍光体システムを使用する場合には、蛍光体ブレンドの種類に依存する。
発光ダイオード及びレーザ（いずれも本明細書では広くＬＥＤという）を含む着色半導体ＬＥＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ−Ｖ族合金から製造されている。ＧａＮ系ＬＥＤでは、光は一般に電磁スペクトルのＵＶ乃至緑色域で発光する。最近まで、ＬＥＤで生成する光の固有色のため、ＬＥＤは明るい白色光が必要とされる照明用途には適していなかった。
蛍光体は、放射（エネルギー）を可視光に変換する。様々な蛍光体の組合せは、様々な色の発光をもたらす。生成する可視光の色は、蛍光体材料の特定の成分に依存する。蛍光体材料は、１種類の蛍光体組成物或いは基本色の２種以上の蛍光体、例えば光の所望の色（色合い）を発光するための黄色及び赤色蛍光体の１種以上の特定の混合物を含むことができる。本明細書で用いる「蛍光体」及び「蛍光体材料」という用語は、単一の蛍光体組成物並びに２種以上の蛍光体組成物のブレンドを共に示すために使用される。
「白色」光が望まれる典型的な用途では、所望の特性の許容可能な正味の発光スペクトルを与えるため、ＬＥＤに蛍光体が使用される。「白色」光は、通常、２５００Ｋ〜６０００Ｋの相関色温度（ＣＣＴ）の領域における色の黒体軌跡に近いものとして定義される。例えば、典型的な照明用途では、電磁スペクトルの青色領域で発光するＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）から作製されたＬＥＤは、約２５００ＫのＣＣＴから６０００Ｋ以上のＣＣＴの範囲の合成スペクトル出力をもたらすため、黄色、緑色及び赤色蛍光体と共に使用される。得られる色温度及びＣＩＥ三刺激プロットの色点は、ダイオード発光素子の出力スペクトルパワー及び波長、ブレンド比、変換特性、並びに使用される蛍光体の量に依存する。
米国特許第７４９７９７３号には、半導体光源と、Ｍｎ4+で賦活された錯体蛍光体を含む蛍光体材料とを含むＬＥＤが開示されている。特定の蛍光体材料は、Ｋ2［ＳｉＦ6］：Ｍｎ4+（フッ化カリウムケイ素、ＰＦＳとも呼ばれる）である。
別のＬＥＤは、ＰＦＳ蛍光体及び蛍光体ＢＳＹ（青色シフトイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ））の組合せを使用する。この組合せはＢＳＹ−ＰＦＳと呼ばれ、白色光が得られる。ＢＳＹ−ＰＦＳの組合せを用いるＬＥＤパッケージの１つの好適な実施形態は、中出力のＬＥＤパッケージ（＜１Ｗ）であり、このパッケージ、日亜化学工業のミント蛍光体（ＢＳＹ）及び日亜化学工業の７５７パッケージ内のＧＥ社のＰＦＳ蛍光体を用いて製造される。白色ＬＥＤにおけるガーネット蛍光体の使用は、米国特許第５９９８９２５号及び第７０２６７５６号に含まれている。当業者にとっては、本発明の要素の実施が日亜化学工業の７５７に限定されないことは明らかであろう。本発明は、ＰＦＳがＢＳＹ蛍光体又は同様のスペクトルの蛍光体と共に使用される多数の異なるＬＥＤパッケージで実施することができる。
したがって、ＬＥＤパッケージに蛍光体を使用すると、幾つかの利点が得られ、一般的である。しかし、一般に、ＰＦＳ蛍光体を含むＬＥＤパッケージは、長期の色及びルーメンの安定性に問題がある。例えば、４０００Ｋ Ｈｉ ＣＲＩ（演色評価数）におけるＢＳＹ−ＰＦＳ系の色要件は、シリコーン／蛍光体ディスク／モールドにおける蛍光体充填量を非常に高くする必要がある。湿度の存在下での信頼性試験では、通電ＬＥＤパッケージから得られる可視光放射は、色シフトを起こす。主にスペクトルパワー分布の赤色成分が動作時間と共に徐々に強度を失う。蛍光体の高濃度充填は、側壁「トレンチ」の形成その他正味の色点シフトを生じる影響なども生じる。
上述の短所は、ＢＳＹ−ＰＳＦ ＬＥＤなどのＰＳＦ ＬＥＤの有用性を著しく制限する。そこで、色の不安定性の問題を低減するＬＥＤパッケージレベルを改善できれば有用であろう。
本発明は、ＰＦＳ蛍光体を用いたＬＥＤパッケージの安定性の向上に関する。一般にかかるパッケージでは、上述のように蛍光体充填量が高い。ここでいう、高濃度充填とは、蛍光体／シリコーン重量比が２０％及びそれ以上であることを意味する。
少なくとも一態様において、本開示は、安定性の向上した蛍光体高濃度充填ＬＥＤパッケージを提供する。好ましくは、ＬＥＤパッケージは、低乃至中出力のＬＥＤである。１つの典型的な実施形態は、ＢＳＹ−ＰＦＳ蛍光体ブレンドを大量に含んだ日亜社の７５７という中出力ＬＥＤパッケージである。蛍光体ブレンドは、蛍光体を保護して色シフトにおける改善をもたらすシリコーンオーバーレイ層で覆われる。
別の実施形態では、本発明は、ＰＦＳ蛍光体システムを使用するＬＥＤパッケージの長期の安定性及び信頼性を改善するための方法を提供する。本方法においては、シリコーンオーバーレイ層が、シリコーン／蛍光体層の上に設けられる。
本開示は、種々の構成要素及び構成要素の配置、並びに種々のプロセス操作及びプロセス操作の配置の形態をとることができる。本開示が、添付の図面に示されるが、添付の図面の全体を通して、同様の参照符号は、種々の図において対応する部分又は類似の部分を指すことができる。図面は、好ましい実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。図面についての以下の本開示を実施可能にする説明に鑑み、本開示の新規な態様が、当業者にとって明らかになるであろう。
以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示にすぎず、本明細書に開示される用途及び使用を限定しようとするものではない。さらに、本発明は、上述の背景又は概要或いは以下の詳細な説明に提示のいかなる理論にも拘束されるものではない。本技術の実施形態が、主としてＰＦＳ ＬＥＤパッケージ、とりわけ日亜社の７５７ ＢＳＹ−ＰＦＳ ＬＥＤパッケージに関連して本明細書において説明されるが、これらの考え方は、蛍光体を含む他の種類のＬＥＤ、特には蛍光体を大量に含んでいる他の種類のＬＥＤにも適用可能である。具体的には、これらの考え方は、蛍光体／シリコーン重量比が大（２０％以上）であり、蛍光体の１種以上が水分などの周囲の雰囲気の構成要素の影響を受けやすいＬＥＤパッケージに最も適用可能である。
図１が、典型的な先行技術のＬＥＤパッケージ１０を示している。パッケージ１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ１２を備える。蛍光体／シリコーンブレンド層２２が、チップ１２を覆っている。ＬＥＤチップ１２及び蛍光体／シリコーンブレンド層２２は、レンズ１８で包まれている。ＬＥＤパッケージ１０は、外囲器３０を備える。
蛍光体／シリコーンブレンド層２２は、矢印２４で示す方向においてＬＥＤチップ１２に放射に関して結合している。「放射に関して結合」とは、構成要素が一方から発せられた放射の少なくとも一部が他方に伝えられるように互いに組合せられていることを意味する。
安定性の向上した蛍光体高濃度充填ＬＥＤパッケージ５０の一実施形態が、図２に示されている。パッケージ５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ５２などの半導体ＵＶ又は可視放射源を備える。蛍光体／シリコーンブレンド層５４が、チップ５２を覆っている。
パッケージ５０は、半導体可視又はＵＶ光源を含むことができ、この光源が発する放射が蛍光体へと向けられたときに白色光を生成することができる。ＬＥＤチップ５２の好ましいピーク放射は、使用される蛍光体の個性に依存し、例えば２５０〜５５０ｎｍの範囲であり得る。しかしながら、ある好ましい実施形態では、ＬＥＤの放射は、紫〜青緑の領域にあり、約４２０〜約５００ｎｍの範囲内にピーク波長を有する。したがって、典型的には、半導体光源は、種々の不純物がドープされたＬＥＤを含む。したがって、ＬＥＤは、任意の適切なＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ、又はＩＶ−ＩＶ族半導体層に基づき、約２５０〜５５０ｎｍのピーク放射波長を有している半導体ダイオードを含むことができる。
さらに、本明細書において説明される本発明の典型的な構造の一般的な説明は、無機ＬＥＤに基づく光源に向けられているが、特に断りのない限り、ＬＥＤチップを有機の発光構造又は他の放射源で置き換えることができ、ＬＥＤチップ又は半導体への言及が、任意の適切な放射源の代表例にすぎないことを理解すべきである。
蛍光体／シリコーンブレンド層５４は、望ましくは、蛍光体を大量に含み、特には２０重量％以上の蛍光体を含む。蛍光体／シリコーンブレンド層５４は、一般に、約０．２ｍｍの厚さである。好ましい実施形態では、蛍光体は、ＰＦＳ蛍光体とＢＳＹ蛍光体又はスペクトル的に同様の蛍光体とのブレンドである。望ましくは、低乃至中出力のＬＥＤパッケージにおいて、日亜社のＭｉｎｔ蛍光体（ＢＳＹ）及びＧＥ社のＰＦＳ蛍光体が特に好ましい。一例は、日亜社の７５７パッケージである。
シリコーンオーバーレイ層５６が、蛍光体／シリコーンブレンド層５４の上に設けられる。オーバーレイ層は、約０．１ｍｍ、望ましくは約０．１〜０．５ｍｍの間の厚さを有する。使用されるシリコーンは、望ましくは、蛍光体／シリコーンブレンド層５４におけるシリコーンと同じ種類である。
シリコーンオーバーレイ層５６は、望ましくは、シリコーン／蛍光体スラリーを施した直後にブレンドから施工又は合成的に生成され、次いで分離を避けるために同時に硬化させられる。好ましい実施形態では、ＬＥＤパッケージのシリコーン／蛍光体ブレンドの硬化に先立って、シリコーン保護オーバーレイ層５６を、シリコーンブレンドにおける蛍光体の重力による沈降によって形成することができる。沈降のプロセスを、遠心分離又は同様の装置によって人工的に生成される追加の重力によって補助することができる。この重力の作用は、蛍光体／シリコーンブレンド層５４をＬＥＤチップ５２上へと物理的に沈降させ、シリコーンが上部へと浸出してシリコーンのみの保護オーバーレイ層５６を形成することを可能にする。
ＬＥＤチップ５２及び蛍光体／シリコーンブレンド層５４を、レンズ５８によって封入することができる。レンズ５８は、例えば、エポキシ、プラスチック、低温ガラス、ポリマー、熱可塑性物質、熱硬化性材料、樹脂、又は技術的に公知のとおりの他の種類のＬＥＤ封入材料であってよい。随意により、レンズ５８は、スピンオンガラス又は大きな屈折率を有する何らかの他の材料である。ある好ましい実施形態では、レンズ５８は、エポキシ、シリコーン、又はシリコーンエポキシなどのポリマー材料であるが、他の有機又は無機のカプセル材料も使用可能である。
レンズ５８は、好ましくは、ＬＥＤチップ５２及び蛍光体／シリコーンブレンド材料５４によって生成される光の波長に関して透明又は実質的に光透過性である。別の実施形態では、パッケージ５０は、外側のレンズを備えずに、カプセル材料だけを備えてもよい。
ＬＥＤパッケージの外囲器６０は、典型的には、ポリマー複合材料ＥＭＣ（エポキシ成形化合物）で製作される。ＬＥＤチップ５２を、例えば、リードフレーム（図示されていない）、自己支持電極、筐体６０の底、或いはシェル又はリードフレームに取り付けられた基台（図示されていない）によって支持することができる。ＬＥＤチップ５２は、外囲器６０の下面に位置する電気接点へと電気的に取り付けられる。ＬＥＤパッケージ内に同様の機能的属性を有する複数のチップが存在してよいことは、当業者にとって公知である。
シリコーンオーバーレイ層５６は、蛍光体の保護及び水などの周囲の構成要素からの絶縁ゆえに、シリコーンオーバーレイ層のない同じＬＥＤパッケージと比べて、パッケージの色シフトにおいて約２５％の改善をもたらすと数値化されている。
ＢＳＹ−ＰＦＳ蛍光体を大量に含む日亜社の７５７ ＬＥＤ（シリコーン：ＰＦＳ：ＢＳＹの重量比が４９：４０：１１）を、シリコーンオーバーレイ層あり、及びシリコーンオーバーレイ層なしにて製作し、管理された動作条件のもとで比較した。どちらの場合も、同じ量の蛍光体を使用し、ＬＥＤの駆動及び周囲条件を同じに保った。ＬＥＤの動作条件は、４７Ｃの定温チャンバにおいて３０ｍＡとした。
下記の表１が、色シフトの相対的な改善を示している。
本開示に依然として包含されると考えられる他の実施形態、実施例、及び変更を、当業者であれば、とりわけ以上の教示に照らして、行うことができる。さらに、本発明を説明するために使用した用語は、言葉の性質において限定を意図しているのではなく、説明を意味していることを、理解すべきである。
また、当業者であれば、上述した好ましい実施形態及び他の実施形態の種々の調整及び変更を、本開示の範囲及び精神から逸脱することなく構成できることを、理解できるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内で、本発明を本明細書において具体的に述べたやり方以外のやり方で実施できることを、理解すべきである。
Claims (9)
- 蛍光体充填ＬＥＤパッケージであって、
ポリマー材料で形成された外囲器と、
当該外囲器の底に配置されたＬＥＤと、
当該外囲器内に配置された第１の層であって、当該ＬＥＤの上に設けられた重力により沈降した蛍光体とシリコーンとのブレンドを含む第１の層であって、当該ブレンドが２０％以上の蛍光体／シリコーン重量比を有し、当該ブレンドが少なくともＫ2ＳｉＦ6：Ｍｎ4+蛍光体材料を含む、第１の層と、
当該外囲器内に配置されたオーバーレイ層であって、シリコーンを含み、当該第１の層の上に設けられ、シリコーンオーバーレイ層が約０．１ｍｍ以上の厚さを有し、当該ブレンドにおけるシリコーンと同じ種類のシリコーンで作成されるオーバーレイ層と、
ポリマー材料で形成され、当該外囲器と当該オーバーレイ層の上に配置されたレンズと、
を備えるＬＥＤパッケージ。 - 当該ブレンド中の蛍光体が、水分感受性を呈する、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
- 当該ブレンドがＢＳＹ蛍光体を含む、請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
- ＢＳＹ−ＰＦＳ蛍光体を使用する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージ。
- 蛍光体充填ＬＥＤパッケージであって、
ポリマー材料で形成された外囲器と、
当該外囲器の底に配置されたＬＥＤと、
当該外囲器内に配置された第１の層であって、当該ＬＥＤの上に設けられた重力による沈降した蛍光体とシリコーンとのブレンドを含む第１の層であって、当該ブレンドが２０％以上の蛍光体／シリコーン重量比を有し、当該ブレンドが少なくともＹＡＧ蛍光体とＫ2ＳｉＦ6：Ｍｎ4+蛍光体材料を含む、第１の層と、
当該外囲器内に配置されたオーバーレイ層であって、シリコーンを含み、当該第１の層の上に設けられる、当該ブレンドにおけるシリコーンと同じ種類のシリコーンで作成されるオーバーレイ層と、
ポリマー材料で形成され、当該外囲器と当該オーバーレイ層の上に配置されたレンズと、
を備えるＬＥＤパッケージ。 - 当該オーバーレイ層が約０．１ｍｍ以上の厚さを有する、請求項５に記載のＬＥＤパッケージ。
- 蛍光体充填ＬＥＤパッケージであって、
ポリマー材料で形成された外囲器と、
当該外囲器の底に配置されたＬＥＤと、
当該外囲器内に配置された第１の層であって、当該ＬＥＤの上に設けられた重力により沈降した蛍光体とシリコーンとのブレンドを含む第１の層であって、当該ブレンドが２０％以上の蛍光体／シリコーン重量比を有し、当該ブレンドが少なくともＫ2ＳｉＦ6：Ｍｎ4+蛍光体材料を含む、第１の層と、
当該外囲器内に配置されたオーバーレイ層であって、０．１ｍｍ以上の厚さを有するシリコーンを含み、当該第１の層の上に設けられる、当該ブレンドにおけるシリコーンと同じ種類のシリコーンで作成されるオーバーレイ層と、
ポリマー材料で形成され、当該外囲器と当該オーバーレイ層の上に配置されたレンズと、
を備えるＬＥＤパッケージ。 - 当該ブレンドが約０．２ｍｍの厚さを有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージ。
- 当該オーバーレイ層が０．１〜０．５ｍｍの厚さを有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージ。
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