TW201103172A - Light emitting device with phosphor wavelength conversion - Google Patents

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TW201103172A
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outer casing
substrate
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phosphor
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TW098146544A
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Yi-Qun Li
Hai-Tao Yang
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Intematix Corp
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Description

201103172 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於具有磷光體波長轉換之發光裝置，且特定 吕之（雖然非專門）指基於一個或多個發光二極體（led)之 白光產生裝置。本發明之其他實施例關注用於一般照明應 用之高發射強度（即’ 2 50流明之光發射強度或μ w之輸入 功率）白色發光裝置的封裝配置。 本申請案主張2009年I2月16曰Yi-Qun Li等人申請之名為 「具有磷光體波長轉換之發光裝置（Light Emitting Device with Phosphor Wavelength Conversion)」之美國非臨時專 利申清案第12/639,688號的優先權利。此申請案亦主張 2008年12月31日Yi-Qun U等人之美國臨時申請案第 61/141,948號的優先權，該案之說明書及圖式以引用的方 式併入本文中。 【先前技術】 白色發光LED(「白色LED」）係一種相對新近之創新且 提供出現全新一代之能效照明系統的可能性。據預測由於 白色LED之長操作壽命（可能數十萬個小時）及在低功率消 耗方面之高效率，其等可替代燈絲（白熾）、螢光及小型螢 光光源。直到開發出在電磁光譜之藍色/紫外線部分中發 射之LED，才使得開發基於LED之白色光源變得切實可 行。如所教示的，例如在美國專利第us 5,998,925號中， 白色LED包含一種或多種磷光體材料，即光致發光材 料，該等材料吸收由LED發射之部分輻射，且再發射一不 145644.doc 201103172
收並與由4光體發射之光組合之藍力之部分提供 對人眼呈現為近乎白色之光。
案第US 2009/0294780號中描述一種基於一 _导利申請公開 LED之發光裝置 的實例，該發光裝置可由一高電壓（110/22〇v)交流電（ac) 供應器來操作，且如圖〗所示意性地顯示。參照圖丨，裝置 10包括一陶瓷封裝12，諸如一低溫共燒陶瓷（LTCC)，其具 有九個圓形凹部（空腔）14之一陣列（圖丨顯示配置成3列乘3 打之正方形陣列的九個凹部之一陣列），在該陣列中各個 凹部14經組態以容罝一各自LED晶片16，通常為一氮化鎵 為主之藍色發光LED晶片。凹部14之壁係傾斜的，且可包 合諸如銀或鋁之一金屬化層之一反射表面17，使得各個凹 部14包括用於增加來自該裝置之光發射的一反射杯。封裝 12係一多層結構’且併入經組態以一所要組態（例如，用 於自整流配置之一串聯串或一電橋組態）互連該等LED晶片 16之導電跡線18的一圖案。導電跡線18經組態使得其等之 一部分延伸進入凹部中以在凹部14之底層上提供用於電連 接至一各自之LED晶片16之一對電極接點20。在封裝12之 一底面上’提供用於將裝置10電連接至一 AC電源之一個 或多個焊接墊22。焊接墊22係藉由導電通孔24而連接至導 電跡線18。各個LED晶片16係安裝成使用導熱黏著劑（諸如 145644.doc 201103172 載入銀之環氧樹脂)或藉由焊接而與該凹部之底層熱傳 遞。LED晶片16上之電極26、28係藉由接合線3〇、^而連 接至該凹口底層上之一各自電極接點2〇。各個凹部"以一 透明聚合物材料34完全填充（密封），諸如載入有粉末狀破 光體材料之聚石夕氧。 現有發光裝置，尤其是意欲用於—般照明且需要約5〇〇 至600流明或更高之高強度輸出（即，約65瓦至8瓦之輸入 功率)的白色發光裝置’存在如下問題：磷光體材料隨時 間之熱降解可導致由該裝置發射之光的相關色溫（cct)及/ 或強度明顯變化。本發明者進一步瞭解到在該裝置之操作 期間填光體材料對水的吸收亦可明顯影響填光體材料之效 能且因此影響該裝置之效能。水吸收對光致發光之影響隨 磷光體組合物而改變，且對於可較容易形成水溶性化合物 之矽酸鹽為主的磷光體材料，該影響較顯著。初始測試表 明即使當磷光體材料囊封於聚合物黏結劑（諸如聚矽氧）中 時，仍可發生水吸收；且對於具有正矽酸鹽磷光體之一裝 置，在25 C之一溫度下在濕度環境（即，28〇%相對濕度）中 操作200小時以上，可發生光發射降低約1〇%。如同磷光 體降解，水之存在亦可影響其他封裝材料，舉例而言，諸 如囊封聚合物材料之透明性、反射表面之反射性及LED晶 片之效能。 【發明内容】 本實施例因致力於提供一種發光裝置而產生，該發光裝 置至；>、邛分克服已知配置之限制，且特定言之（雖然非專 145644.doc 201103172 指）減少具有之50流明之輸出發射強度（即，^瓦之輸入功 率）的裝置之磷光體降解。更特定言之，本發明尋求消除 或至少部分減少利用矽酸鹽為主之磷光體材料的發光裝置 之水吸收。 本發明之實施例係關於一種發光裝置，在該發光裝置 中，一個或多個發光二極體（LED)及磷光體材料係容置於 一水密（較佳為空氣/氣體密封）外殼中。較佳地，該一種或 多種磷光體材料係提供於該外殼遠離該等LED(通常約〇 2 毫米至1毫米之最小距離）的—内表面上。將該（該等）led 及磷光體材料併入一水密性/氣密性（密閉式密封）外殼中防 止該（該等）磷光體材料因自環境^攝取水而降解。此外， 當該（該等）磷光體材料遠離該等LED而提供，而非與該等 LED熱接觸時，此可減少該磷光體材料之熱降解。 根據本發明，提供一種發光裝置，其包括：一導熱基 板，至少一發光二極體（LED)，其係安裝成與該基板之一 表面熱傳遞，且可操作以發射在一第一波長範圍内具有一 主波長的激發光；一外殼，其係附接至該基板，且經組態 使該外设與基板一起界定完全封閉該至少一發光二極體 之一體積，該外殼包括透光之至少一部分；及至少一磷光 體材料，其係設於該外殼在該體積内之一内表面上，該磷 光體材料可操作以吸收該激發光之至少一部分且發射在 一第二波長範圍内具有一主波長的光，且其中該外殼係附 接至該基板使得該體積實質上係水密。在此專利說明書 中，「水密」意指能夠防止水或水蒸氣通過。有利的是該 145644.doc 201103172 外《接至該基板使得該體積實質上呈线/氣體密封。 為達成所要之發射強度，該裝置可包括安裝成與該基板 之該表面熱傳遞之複數個LED，且該外殼經組態使得該外 殼與基板-起界定完全封閉該複數個led之一體積。本發 明之裝置在-般照明中找到特定應用，其中發射產物通常 將為在色彩上呈現為白色之光且由第一及第二波長範圍之 光組成。對於一般照明應用，該裝置具有至少5〇流明之強 度的發射產物，較佳為至少100流明，更佳為至少25〇流 明，且甚至更佳為至少5〇〇流明》因此對於現有LED，諸 如基於氮化鎵（GaN)之LED，該至少一LED或複數個]具 有一瓦或更高之輸入功率，且較佳為具有約十瓦及更高之 輸入功率。 在一配置中，該體積可至少部分以一透光（透明）導熱材 料來填充’諸如凝膠、礦物油或導熱聚合物。此一材料可 幫助由LED產生之熱量的消耗。較佳地，透光材料具有與 LED及碌光體材料之折射率儘可能接近之折射率，以藉由 提供.一定程度之折射率匹配而增加來自該等led之光發 射。實務上’該透光材料之折射率係y 2。 或者’當該外殼係氣密時，該體積可以諸如氮氣、氖 氣、氬氣 '氪氣或氙氣之乾燥氣體來填充。此一配置確保 該（該等）磷光體材料被維持在一乾燥惰性蒙氣中，藉此降 低該（該等）填光體材料及/或其他封裝材料之氧化及/或還 原可能性。 該外殼可藉由使用金/鍺（Au/Ge)、金/錫（Au/Sn)或其他 145644.doc 201103172 錫合金之焊接、使用銅、銅/鎢（Cu/w)或鐵鎳（Fe/Ni)合金 之銅焊或使用諸如載入金屬之環氧樹脂的黏著劑而附接至 該基板以形成一水密/氣密。 在—配置中，該外殼之透光部分包括在該外殼中之一開 口，該開口由附接至該外殼之一窗覆蓋。該窗藉由例如焊 接、壓縮密封或使用諸如載入金屬之環氧樹脂的黏著劑而 附接至該外殼以形成一水密，較佳為空氣/氣體密封。通 常，該窗包括：諸如氧化矽玻璃、石英玻璃之玻璃，或諸 如透明氧化鋁（Al2〇3)之透光無機材料。設想該窗可包括諸 如聚碳酸酯或丙烯酸之聚合物材料，其中需要該外殼係水 密而非空氣/氣體密封。 或者，该外殼可包括：諸如氧化石夕玻璃、石英玻璃之透 光材料，或諸如透明氧化鋁（Abo3)之透光無機材料。當該 裝置水密時，該外殼材料可包括諸如聚碳酸酯或丙烯酸之 聚合物材料。由透光材料製作而成之外殼提供最少化水密/ 氣密密封之數量的優點。在一配置中，該外殼包括一實質 上半球形之殼體。 為幫助散熱，該外殼可包括諸如金屬之一導熱材料，該 導熱材料較佳為具有低熱膨脹係數，諸如lnvar®鎳鐵合 金。或者，該外殼可包括諸如鋁或銅之其他金屬及/或合 金、或導熱聚合物或導熱陶瓷。在一配置中，該外殼可包 括實質上呈抛物面型反射體。 —般而言，該（該等）磷光體材料係藉由旋塗、刮刀塗 敷薄帶成型（taPe-casting)、喷鍍、喷墨印刷或藉由其他 145644.doc 201103172 2積技術，以實質上均勾之厚度層的形式設於該外殼之該 县光Ρ刀（例如®)上。對於激發光促成最終發射產物（無論 考x射產物為白色或其他色彩）及增加發射強度之裝 ^等）磷光體材料層可包含至少一無磷光體材料之 區域）。無鱗光體材料之該（該等）區域作為-窗，該 ®合口午电射激發光及經光致發光產生之第二波長範圍之光 兩者為在„亥裝置之整個發光表面積上(即，該外殼之透 光部分）達成均勻之發射色彩及/或色溫，麟光體材料層包 括以規則圖案或陣列形式實質上均勻地分佈於該發光表面 上的複數個無鱗光體材料之區域。該鱗光體材料圖案係藉 由網版印刷-種或多種磷光體材料與-適合黏結劑(諸如 NAZDAR之清晰網版印刷墨液97〇〇)之混合物而合宜地沈 積於該外殼上。或者，該磷光體材料圖案可藉由其他沈積 法而產生’諸如喷墨印刷、平版印刷或凹版印刷。 該基板可包括任何導熱材料，諸如印刷電路板（PCB)、 金屬核心印刷電路板（MCPCB)、陶瓷電路板或導熱陶瓷， 諸如低溫共燒陶瓷（LTCC)或氧化鋁。 根據本發明之另一態樣，提供一種白色發光褒置，其包 括：一導熱基板；複數個發光二極體，其等安裝成與該基 板之一表面熱傳遞’且可操作以發射在一第一波長範圍内 具有一主波長的激發光；一外殼，其係附接至該基板，且 經組態使得該外殼與基板一起界定完全封閉該複數個發光 二極體之一體積，該外殼包括係透光之至少一部分；及至 少一磷光體材料，其係設於該外殼在該體積内之—内表面 145644.doc 201103172 上，該磷光體可操作以吸收該激發光之至少一部分，且發 射一第二波長範圍之光，其中該裝置之發射產物包括該等 第一及第二波長範圍之光且在色彩上呈現白色；且其中該 外殼係附接至該基板使得該體積至少水密，且其中該裝置 之發射產物強度為至少5 0流明。 雖然較佳係遠離（即，實體分離自）該（該等）LED地提供 該（該等）磷光體材料，但可設想有利的係將併入該（該等） 磷光體材料之LED(即，在LED晶片之表面上提供磷光體之 LED)容置於一水密性/氣密性封閉件中。根據本發明又另 一態樣，提供一種發光裝置，其包括：一導熱基板；至少 一發光二極體，其併入一磷光體材料且安裝成與該基板之 一表面熱傳遞；及一外殼，其係附接至該基板，且經組態 使得該外殼與基板一起界定完全封閉該至少一發光二極體 之一體積，該外殼包括係透光之至少一部分；且其中該外 殼係附接至該基板使得該體積至少水密。 【實施方式】 為更好地理解本發明，現將參照附圖僅經由實例描述根 據本發明之實施例的發光裝置。 在本6兒明書各處’相似參考數字係用於表示相似部分。 現將參照附圖之圖2及圖3來描述根據本發明之第一實施 例的發光裝置50。s亥裝置50經組態以產生具有例如2700 κ 之特定相關色溫（CCT)及之250流明（即，y瓦輸入功率）而 較佳為d〇〇至6〇〇流明（即26瓦輸入功率）之發射強度的白 光。該裴置意欲用於一般之照明應用，諸如取代白熾、榮 145644.doc -11 - 201103172 光或冷陰極螢光光源。應瞭解本發明之裝置並不限於此類 應用、發射色彩或發射強度。 參照圖2及圖3，裝置50包括一導熱基板52 ’舉例而言， 諸如一金屬核心印刷電路板（MCPCB); —封裝LED陣列 54 ; —中空金屬外殼（罐; 一透光（透明）窗58 ;及在該 窗58上之一種或多種磷光體材料6〇之一層。已知mcpcb 通常用於安裝諸電組件，該等電組件產生大量熱（即，d 瓦），且具有一分層結構，其包括一導熱基座62(通常為諸 如鋁（A1)之金屬）、及非導電/導熱介電材料64與導電跡線 66(通常由銅（Cu)製成）之交替層。介電層64非常薄使得其 等可將來自女裝於該等電跡線上之諸組件的熱傳導至該基 座62。導電跡線66經組態以界定用於提供電力至lED陣列 54的一電路。如圖2所最佳見到，導電跡線之 一上表面（即，與鋁基座62相對之面）上界定：一導熱安裝 塾68，其係用於女裝led陣列54 ;兩個接觸塾7〇、72，其 等^女裝墊68之相對邊緣安置，以用於電連接至陣列 54; —環形安裝墊74,其係用於安裝環繞安裝墊68及接觸 墊70、72之外殼56 ;及一對電極接觸墊％、78，豆等係定 位於環形安裝塾68之外部，用於將裝置50連接至-電源。 電極接觸墊76、78係藉由通過環形安裝㈣下方之一各自 埋入導電跡線8〇、82而電連接至接觸墊70、72之各自者 (圖 3)。 在圖2及圖3之例示性實施例中，封裝咖陣列54包括封 裝於-種類型之陶究封裝(見圖D中的若干以藍色發光 145644.doc -12- 201103172
InGaN/GaN(氮化銦鎵/氮化鎵）為主之LED晶片83之一陣 列，舉例而言，如2〇〇9年12月3日公開之共同待審中之美 國專利申凊公開案第US 2009/0294780號中所描述，該案 . 之說明書及圖式以引用的方式併入本文中。該陶瓷封裝可 為具有若干圓形凹口（空腔）之—陣列的一低溫共燒陶瓷 (LTCC)，在该陣列中各個凹口經組態以容置一各自[ED晶 片83。該等凹口之壁係傾斜的，且可包含諸如銀或銘之一 金屬化層之一光反射表面17,使得各個凹口包括用於增加 來自該裝置之光發射的-反射杯。應注意LED陣列54未將 碟光體材料併入該等凹口中。僅為說明之目的，led陣列 54顯示為包括九個LED晶片83之_正方形陣列，雖然在實 務上其通常包括更多LED晶片以達成所要之發射強度。例 如’對於110V之操作，裝置5〇可包含一個或多個LED陣列 54’各個LED陣列54含四十五個串聯連接之& _哪晶 片83 ’使得各個陣列具有約2 9瓦之輸入功率及約，流明 之光強度輸出。各個LED晶片83係可操作以產生在一第一 波長範圍内（例如，藍色約4〇〇奈米至48〇奈米）具有主波長 人丨的光，該光提供用於激發磷光體材料6〇之激發能量(輻 • 射）’且鑑於此功能，由led陣列54所產生之光在下文中將 稱為激發光（輻射）。LED陣列54係一表面安裝封裝，且具 有沿其基座之相對邊緣延伸之一對電極塾料、％。咖陣 列54係安裝成在一導熱材⑽（諸如散熱化合物）之幫助下 與熱安裝塾68熱傳遞，且電極塾84、⑹系藉由例如焊㈣ 而電連接至電極墊7〇、72之對應一者。 145644.doc -13- 201103172 金屬外殼（罐）56經組態使得當其安裝於mCPCB 52上 時，其元全圍繞及封閉封裝LED陣列54。如所繪示，外殼 56—般呈圓筒形，且在—端具有界定用於將外殼兄附接至 %形女裝墊74之環形腳座的一向外（徑向）延伸凸緣（唇 緣）90 ’且在相反端具有用於附接該窗58之一向内延伸唇 緣（凸緣）92。外殼56較佳為由具有高導熱性及低熱膨脹性 之金屬製成，舉例而言，諸如Invar®錄鐵合金。在替代性 實施例中，其可包括銅（Cu)或銅合金。環形安裝墊74之形 狀及尺寸經組態以相對應於環形凸緣9〇之底面積，且外殼 56係藉由利用金/鍺（Au/Ge)、金/錫（Au/Sn)或其他錫合金 焊料將凸緣90焊接94至安裝墊74而附接至MCPCB 52。如 下文將進一步描述，焊料接合處94形成外殼56與1^(：1>(：8 52之間的水密、較佳為空氣/氣體密封（密閉式密封），且防 止水進入裝置中。在本專利說明書之背景中，「密閉式」 密封意指實質上水密或氣密之密封。 窗58包括一防水/防氣材料，其對由LED晶片^產生之光 及由磷光體材料60產生之光致發光實質上呈透射性（透 明）。通常該材料可包括諸如氧化矽玻璃或石英玻璃之玻 璃，或諸如透明氧化鋁（ΑΙΑ3)之透光無機材料。如所繪 示，窗58可包括經組態以裝配於外殼兄中的一平坦圓盤。 窗5 8係藉由一密封件9 6 (諸如焊料接合處）而附接至唇緣9 2 之内表面，該密封件96形成外殼56與窗58之間的水密、較 佳為空氣/氣體密封' 密閉式密封且防止水進入裝置中。 密封件96可包括：一焊料接合處，舉例而言，諸如金/鍺 145644.doc -14· 201103172 (Au/Ge)、金/錫（Au/Sn)或其他錫合金；一銅焊接合處，使 用例如銅、銅/鎢（Cu/W)或鐵鎳（Fe/Ni)合金；或一黏著接 口處，諸如載入金屬之環氧樹脂或聚矽氧材料。該窗可包 . 3促進與金屬外殼之接合處的一金屬化層。應瞭解 MCPCB 52、外殼56及窗58 一起界定完全封閉led陣列μ 及填光體材料60之-水（濕氣）密（較佳為空氣/氣體密封）體 積（封閉件或空腔）98。 通常為粉末形式之磷光體材料6〇係以預選定比例與諸如 聚合物材料之透光（透明）黏結劑材料徹底混合，舉例而 言，該聚合物材料諸如熱固化或1；¥固化聚矽氧、熱固化 或uv固化環氧樹脂材料、適合之溶劑或諸如nazdar _〇網版印刷墨液之清晰墨液。適合之聚石夕氧材料的實例 為GE之聚梦氧RTV615。鱗光體載人聚合物黏結劑之重量 比通常在每100份中含35份至95份之間，#精確載入量取 決於該裝置之發射產物的所需CCTe鱗光體/聚合物係沈積 於窗58之面上，以在該窗之整個表面上形成一實質上均句 厚度之層。取決於黏結劑材料，磷光體/聚合物⑽可藉 由旋塗、到刀塗敷（即，使用到板或撓性刀片）、薄帶^ . &、噴鍍、喷墨印刷或藉由熟習此項技術者所瞭解之其他 . 相關沈積技術而施加至晶圓。磷光體/聚合物層6〇通常為 在約10微米至約500微米、較佳為約1〇微米至約ι〇〇微米之 範圍内的厚度。如同在磷光體載入聚合物之重量情況下， 磷光體/聚合物層60之厚度將取決於由裝置產生之光的目 標 CCT。 145644.doc 15 201103172 本發明之發光裝置適於配合無機或有機磷光體兩者使 用’無機磷光體之實例係一般組合物為A3Si(0，D)5或 A2Si(0，D)4之矽酸鹽為主的磷光體，其中Si為矽，〇為氧， A包括锶（Sr)、鋇（Ba)、鎂（Mg)或鈣（Ca)，且D包括氣 (C1)、氟（F)、氮（N)或硫（S)。吾人之共同待審中之美國專 利申請公開案第US 2007/0〇29526 A1號及美國專利 US 7,311，85 8 B2、US 7,5 75,697 B2 及 US 7,601，276 B2(均 讓予Intematix Corporation)中揭示石夕酸鹽為主之構光體的 實例，其各者之内容以引用的方式併入本文中。 如118 7,575,697 82中所教示，一種銪（丑112+)活化之石夕酸 鹽為主之綠色磷光體具有一般化學式阶，八1)办丨，八2)(〇，八3：)2+5^112+， 其中八〗為2+陽離子、1 +與3 +陽離子之組合之至少一者，舉 例而言，諸如Mg、Ca、Ba、鋅（Zn)、鈉（Na)、鋰（Li)、鉍 (Bi)、紀（Y)或鈽（Ce) ; μ為疒、π或5+陽離子，舉例而 言，諸如硼（B)、鋁（A1)、鎵（Ga)、碳（C)、鍺（Ge)、：^或磷 (P)，而A3為1-、2-或3·陰離子，舉例而言，諸如F、C1、漠 (Br)、N或S。書寫該化學式以指示Al陽離子取代Sr，^陽 離子取代Si，且As陽離子取代氧。x之值為！ 5與2 5之間的 整數或非整數。 US 7,311，85 8 B2揭示一種矽酸鹽為主之黃綠色磷光體， 其具有化學式A2Si04:Eu2+ D，其中A為包括Sr、Ca、Ba、 Mg、Zn或鎘（Cd)之二價金屬的至少一者，且D為包括f、 Cl Br、碘⑴、p、s及N之摻雜劑。摻雜劑D可以自約 0.01莫耳至2〇莫耳百分比之範圍的量存在於磷光體中，且 145644.doc • 16- 201103172 該摻雜劑之至少一些替代氧陰離子，以併入該磷光體之晶 格中。該磷光體可包括（Sn-x-yBaJV^SiOwEuhD，其中Μ 包括 Ca、Mg、Ζη 或 Cd，且其中 OSxSl 及 OSySl。 US 7,601，276 B2教示一種二相矽酸鹽為主之碟光體，其 具有其中晶體結構實質上相同於（Ml)2Si04之晶體結構的 ' 第一相；及其中晶體結構實質上相同於（M2)3Si05之晶體 結構的第二相，其中Ml與M2各包括Sr、Ba、Mg、Ca或 Zn。至少一相係經二價銪（Eu2+)活化，且該等相之至少一 者含有摻雜劑D，D包括F、Cl、Br、S或N。據信該等摻雜 劑原子之至少一些係定位於主矽酸鹽晶體之氧原子晶格位 點上。 頒予Cheng等人之US 2007/0029526 A1揭示一種石夕酸鹽 為主之橙色磷光體’其具有化學式（Sri_xMx)yEUzSi05，其 中Μ為包括Ba、Mg、Ca或Zn之二價金屬之至少一者； 0<x<0.5 ; 2.6<y<3.3且0.001<z<0.5。該磷光體經組態以發 射具有大於約565奈米之峰值發射波長的可見光。 該磷光體亦可包括一種鋁酸鹽為主之材料，如吾人之共 同待審中之美國專利申請公開案第US 2006/0158090 A1號 . 及美國專利US 7,39〇,437 B2 (亦讓予lntematix c〇rp〇rati〇n) 所教示，或一種石夕酸铭磷光體，如共同待審由之申請案 υ8 2〇〇8/〇111472 Α1中所教示，其各者之内容以引用的方 式併入本文中。
頒予Wang等人之US 2006/〇158〇9〇 A1教示一種鋁酸鹽為 主之綠色磷光體，其化學式為Mi_xEUxAly〇[i+3y/2]，其中M 145644.doc _ |7 201103172 為包括 Ba、Sr、Ca、Mg、Μη、Zn、Cu、Cd、Sm 或铥 (Tm)之一價金屬之至少一者，且其中〇.1<χ<〇.9及 〇-5SyS12。 US 7,390,437 B2揭示一種鋁酸鹽為主之藍色磷光體，其 具有化學式（Mi-xEuxhiMgzAlyOp+ww，其中Μ為二價金屬 Ba或Sr之至少一者。在一組合物中，該磷光體經組態以吸 收自約280奈米至420奈米之波長範圍的輻射，且發射具有 自約420奈米至560奈米之波長範圍的可見光，且 0.05<x<0.5 或 0.2<x<0.5 ; 3SySl2及0.8^51.2 » 該磷光體可 進一步摻雜有鹵素摻雜物H，諸如Cl、Br或I，且可為一般 組合物。 頒予Liu等人之US 2008/011 1472 A1教示一種矽酸鋁橙紅 色磷光體，其混合二價陽離子與三價陽離子，一般化學式 為（Sri.x-yMxTy)3-mEum(Sii.zAlz)〇5，其中 Μ為選自 Ba、Mg或 Ca之至少一二價金屬且其量之範圍為〇sd4 ; τ為選自 Y、鑭（La)、Ce、镨（Pr)、鈥（Nd)、鉅（Pm)、釤（Sm)、釓 (Gd)、铽（Tb)、鋼（Dy)、鈥（Ho)、_(Er)、Tm、镱（Yt)、 錄（Lu)、钍（Th)、鎖（Pa)或鈾（U)之一三價金屬且其量範圍 為 0Sy£0.4;且 z及 m在 OSzSO.2 及 0.00lSmS0.5之範圍内。 該磷光體經組態使得齒素駐留於矽酸鹽晶體内之氧晶格位 點上。 該雖光體亦可包括氮化物為主之紅色鱗光體材料，如 2008年5月19日申請之吾人之共同待審中名為「氮化矽酸鹽 為主之紅色鱗光體（Nitridosilicate-based red phosphors)」 I45644.doc -18- 201103172 之美國臨時專利申請案第61/054 399號及2〇〇8年12月15曰 申請之名為「氮化物為主之紅色磷光體（Nhride_based red phosphors)」之61/122,569中所教示，其各者之内容以引用 的方式併入本文中。61/〇54,399及61/122,569教示氮化物為 主之紅色碌光體’其具有化學式MmMaMbD3wN_m__^Zx， 其中 1\/11„為選自鈹（Be)、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd 或汞 (Hg)之一二價元素；Ma為選自 B、A1、Ga、In、Y、Se、 P、As、La、Sm、銻（Sb)或Bi之一三價元素；Mb為選自 C、Si、Ge、錫（Sn)、Ni、铪（Hf)、鉬（Mo)、鎢（W) ' Cr、 Pb、Ti或錯（Zr)之一四價元素；D為選自F、Cb价或！中選 出之鹵素，Z為Eu、Ce、Μη、Tb或Sm之一活化劑；且n係 量為 O.Ol^nSl.5、0.019U.5、o.ohby 5、〇 〇〇〇1^^〇 6 及O.OOOl^z^O.5之氮。該磷光體經組態以發射具有大於64〇 奈米之發射峰值波長的可見光。 應瞭解磷光體材料並不限於本文所述之實例，且可包括 任何磷光體材料，包含有機磷光體材料或無機磷光體材料 兩者，舉例而言，諸如氮化物及/或硫酸鹽磷光體材料、 氮氧化物及氧硫酸鹽磷光體或石榴石材料（YAG)。本發明 之裝置尤其適於其效能受攝取水影響的磷光體材料，舉例 而言’諸如矽酸鹽為主之鱗光體材料。 如本文所述’ MCPCB 52、外殼56及窗58一起界定一水 (濕氣）密、較佳為空氣/氣體密封之體積（空腔）98，在該體 積98中容置LED陣列54及磷光體材料6〇。外殼％經組態使 得磷光體60離LED晶片83之發光表面通常為〇·2毫米至 145644.doc •19· 201103172 米之最小距離。相比於磷光體材料通常設於LED晶片之表 面上的已知裝置，分離磷光體材料60與LED晶片83提供諸 多優點，即：由於填光體材料係設於較大表面積上，因此 所產生之光的CCT及/或色相較一致；及由於填光體材料係 遠離（分離自）LED晶片而定位，因此鱗光體材料之熱降解 減少。 為改良熱量傳導遠離LED晶片83，及/或改良來自LED晶 片之光發射，可設想以一透光材料1 〇〇來填充或至少部分 填充體積（空腔）98。例如，當空腔98呈空氣/氣體密封時， 其可以諸如氮氣、二氧化氮或惰性氣體（諸如氖氣、氬氣 或氪氣）之乾燥氣體來填充。以乾燥氣體填充空腔98之優 點在於磷光體材料60被維持在一乾燥惰性蒙氣中，此可設 想為藉由防止攝取水及/或氧氣而減少構光體材料之降 解。
或者，空腔98可以諸如礦物油或透光凝膠之透光液體來 填充。有利的是選擇液體/凝膠使其折射率儘可實現地接 近LED晶片83及磷光體材料之折射率。例如，InGaN/GaN LED晶片之折射率為n約24至2 5，而高折射率聚矽氧具有 η約1.2至1.5之折射率。因此，實務上凝膠/液體較佳為具 有21.2之折射率》包含透光凝膠/液體可藉由提供一定程度 之折射率匹配而增加來自LED晶片83之光發射。進—步設 想以透光固體來填充空腔98，諸如聚合物材料，如聚矽氧 或環氧材料。再者’該材料較佳為具有乂2之折射率。為 便於製作’空腔98可透過外殼56中之一開口（未顯示）而以 145644.doc -20· 201103172 選定材料來填充，其後該開口可藉由例如焊接而密封。 參照圖4，其顯示根據本發明之第二實施例之一發光裝 置50的一示意性截面圖，其中一單一透光蓋套1〇2係用於 替代外设/窗56/58總成。蓋套1 〇2較佳為包括諸如氧化矽玻 璃或石英玻璃之玻璃，或諸如透明氧化鋁（Al2〇3)之透光無 機材料。該（該等）磷光體材料60提供為蓋套1〇2之内表面上 的一均勻層。可至少在蓋套1〇2之基座上提供包括例如銅 (Cu)、錄（Ni)及鉻（Cr)之一金屬化層1〇4，以使蓋套1〇2可 被焊接94或以其他方式附接至安裝墊74。使用單一玻璃蓋 套構件102之優點在於僅需與基板52之一單一密封件94。 圖5係根據本發明之第三實施例之一發光裝置5 〇的一示 意性截面圖。在此實施例中，玻璃蓋套構件丨〇2包括一實 吳上呈半球形（穹頂形）之殼體。為最大化來自裝置之光 發射，可在蓋套構件102之自該蓋套之基座延伸之内表面 上提供一金屬1 〇6。如圖5所示，個別led晶片83係安裝成 與MCPCB 52直接熱傳遞，而非與LED之封裝陣列熱傳 遞’即為一晶片直接封裝（COB)式配置。 圖6顯示根據本發明之第四實施例之一發光裝置5〇的一 示意性截面圖，其中外殼56經組態為抛物面型反射體之形 式，且其形式一般為圓盤形。如同在其他實施例中，外殼 56係附接至]^(：1>(：^(基板）52以形成一水密、較佳為空氣/ 氣體密封。在所繪示之實施例中，窗58係藉由一壓縮接合 處1〇8而附接至該外殼之前開口。為幫助散熱，外殼“較 佳為由導熱材料製作而成，諸如具有低熱膨脹性之金屬。 145644.doc • 21 · 201103172 該外殼之内表面較佳為包含高反射性金屬（諸如銀、鉻或 鋁）之一金屬化層110。對於激發光（λι)作用至最終發射產 物（無論最終發射產物為白色或另一色彩）之裝置，為增加 其光發射，磷光體60可包含無磷光體材料之窗區域（面 積）112之一圖案（陣列）。窗區域112作為一開口，其容許發 射激發光及光致發光所產生之光兩者。由於填光體光致發 光之等向性本質，此意味著磷光體將以一方向發射其輻射 之約百分之五十回至空腔98中。此光將被該反射性外殼之 内表面朝向玻璃窗58反射回。由於窗區域112對激發光 及由磷光體材料產生之光（λ2)兩者呈透射性（透明），故窗 區域112可增加裝置50之總發射強度❶為在該裝置之整個 發光表面積（即，窗58)上達成均勻之發射色彩及/或色溫， 窗區域112係以一規則圖案之形式（舉例而言，諸如若干圓 形窗區域之一正方形陣列，或若干線形窗區域之一格柵） 均勻地分佈於該發光表面上。該磷光體材料圖案係藉由網 版印刷一種或多種磷光體材料與一適合黏結劑（諸如Nadar 之清晰網版印刷墨液9700)之混合物而合宜地沈積於該窗 58上。或者，該磷光體材料圖案可藉由其他沈積法而產 生’諸如噴墨印刷、平版印刷或凹版印刷。 圖7係根據本發明之第五實施例之一發光裝置5〇的一示 意性戴面圖。在此實施例中且如同圖5之實施例，玻璃蓋 套構件1〇2為一大體上呈半球形（弯頂形）殼體。如圖7所 不，一個單一瓦（即，250流明之輸出強度）LED晶片83係安 裝成與導熱基板52直接熱傳遞’而非與LED陣列熱傳遞。 145644.doc -22· 201103172 該導熱基板包括—gn α.» P屈〗電路板，該印刷電路板由諸如FR_ 4(難燃劑4)之一電絕绦进 緣載體11〇與若干導電銅跡線66之一圖 案組成。由於FR_4孫―+ , 係—電絕緣體且因此為一不良導熱體， 因此可使用右干電鍍通孔114之一圖案以提供安裝墊Μ與 土板之外表面(如圖所示為下表面)上的對應墊11 6之間的 導熱路徑。
雖然較佳係遠離（即，實體分離自）LED晶片地提供碟光 體材料，但可设想對於該（該等）磷光體材料係設於該（該 等）LEDaa片之表面上的裝置來㉟，將該（該等晶片及 磷,體材料容置於—水密/氣密、密閉式密封的封閉件中 可疋有利的。圖8係根據本發明之第六實施例之一發光裝 置5 0的示意性截面圖’其中鱗光體材料⑼係併入封裝 LED陣列54中。在此實施例中，若干LED晶片83之一陣列 係合置於陶瓷封裝54中，而磷光體材料6〇係提供為與 LED晶片直接接觸之—囊封體。封裝54係安裝於一McpcB 52上。如同在其他實施例中，外殼56係附接至該基板以形 成一水密、較佳為空氣/氣體密封。 應瞭解本發明並不限於所述之例示性實施例，且可在本 發明之範内作出若干變動。例如，本發明之裝置可用於 產生任何色彩及/或色相之光，其包含如下配置：所有激 發光係由該（該等）磷光體材料吸收，且發射產物僅由光致 發光所產生之光組成。此外，為產生所要色彩及/或色 溫’可設想使用兩種或兩種以上磷光體材料之混合物。 雖然本發明係關於具有高發射強度（通常$ 5〇流明）之裝 I45644.doc -23- 201103172 置，但其同樣可應用於較低功率之裝置，雖然對於除特定 應用外之此類裝置，經密閉式密封之封裝的成本可能並〇 合理。此外’本發明可應用於封裝個別led晶片或含複數 個LED晶片之晶圓。此外，導熱基板可包括其他形式，舉 例而言，諸如導熱陶瓷基板（如氧化鋁（Α^Ο3))或低溫共燒 陶瓷。 【圖式簡單說明】 圖1係如先前所述之具有磷光體波長轉換之一已知高功 率AC白色發光裝置的一示意性截面圖； 圖2係根據本發明之第一實施例之一發光裝置的一部分 分解示意性透視圖； 圖3係圖2之發光裝置經由線「A-A」之一示意性截面 圖； 圖4係根據本發明之第二實施例之一發光裝置的一示意 性截面圖； 圖5係根據本發明之第三實施例之一發光裝置的一示意 性截面圖； 圖6係根據本發明之第四實施例之一發光裝置的_示意 性截面圖； 圖7係根據本發明之第五實施例之一發光裝置的一示意 性截面圖；及 圖8係根據本發明之第六實施例之一發光裝置的一示意 性戴面圖。 【主要元件符號說明】 145644.doc -24· 裝置 陶瓷封裝 凹部 LED晶片 反射表面 導電跡線 電極接點 焊接墊 導電通孔 電極 電極 接合線 接合線 聚合物材料 發光裝置 導熱基板 LED陣列 中空金屬外殼 透光（透明）窗 磷光體材料 導熱基座/鋁基座 介電層/非導電導熱介電材料 導電跡線 導熱安裝墊 -25- 201103172 70 接觸墊 72 接觸墊 74 環形安裝墊 76 電極接觸墊 78 電極接觸墊 80 導電跡線 82 導電跡線 83 LED晶片 84 電極墊 86 電極墊 88 導熱材料 89 焊接 90 向外環形凸緣/唇緣 92 向内環形凸緣/唇緣 94 焊接/焊料接合處 96 密封件 98 體積/空腔 100 透光材料 102 蓋套 104 金屬化層 106 金属化層 108 壓縮接合處 110 金屬化層/電絕緣載體 112 窗區域 145644.doc -26- 201103172 114 116 墊 電鍍通孔 145644.doc •27·

Claims (1)

  1. 201103172 七、申請專利範圍： 1. 一種發光裝置，其包括：一導熱基板；至少一發光二極 體，其係安裝成與該基板之一表面熱傳遞，且可操作以 發射在一第一波長範圍内具有一主波長的激發光；一外 殼，其係附接至該基板，且經組態使得該外殼與基板一 • 起界定完全封閉該至少一發光二極體之一體積，該外殼 包括透光之至少一部分；及至少一磷光體材料，其係設 於該外殼在該體積内之一内表面上，該磷光體可操作以 吸收該激發光之至少-部分，且發射在—第二波長範圍 内具有一线長的光；且其中t玄夕卜殼係附接至該基板使 得該體積係至少水密。 2. 如明求項1之裝置，其中該|置之一發射產物包括該等 第一及第二波長範圍之光’且在色彩上呈現白色。 3. 如吻求項1之裝置，且其包括安裝成與該基板之一表面 熱傳遞之複數個發光二極體，且其中該外殼經組態使得 «玄外成與基板-起界定完全封閉該複數個發光二極體之 一體積。 4. 如吻求項i之裝置’其中該裝置具有選自由下列各項組 . 成之群組之強度的-發射產物··至少50流明、至少1〇〇 流明、至少25〇流明、及至少5〇〇流明。 5. 如請求項1之裝琶，复；铥 ^ ., 、 進一步包括以一透光導熱材料來 至少部分填充該體積。 〇月求項5之裝置’其中該透光導熱材料係選自由下列 各項組成之群組：一凝膠、-礦物油及-導熱聚合物。 I45644.doc 201103172 7·如請求項丨之裝置，其中該外殼係附接至該基板使得該 體積實質上係氣密。 8. 如凊求項7之裝置，且其進一步包括以選自由下列各項 組成之群組之一氣體來填充該體積：氮氣、氖氣、氬 氣、氣氣、及氣氣。 9. 如請求項丨之裝置，其中該外殼係藉由選自由下列各項 組成之群組之一方法而附接至該基板：焊接、銅焊、黏 著劑、及載入金屬之環氧樹脂。 1 〇. 士明求項1之裝置，其中該外殼透光之該部分包括一開 口’該開口由附接至該外殼之一窗覆蓋。 11.如請求項10之裝置，其中該窗係藉由選自由下列各項組 成之群組之一方法而附接至該外殼：焊接、一黏著劑及 一壓縮密封。 12·如明求項11之裝置，其中該窗係選自由下列各項組成之 群’’·且.破璃、氧化妙玻璃、一石英玻璃、透明氧化紹、 一聚合物材料、一聚碳酸酯、及一丙烯酸。 13. 如請求項12之裝置，其中該外殼包括選自由下列各項組 成之群組的一導熱材料：一金屬、一殷鋼合金、鋁、 銅、—導熱聚合物、及一導熱陶瓷。 14. 如請求項i之裝置，其中該外殼包括一實質上抛物面型 反射體。 15. 如請求項丨之裝置，其中該外殼包括一透光之材料。 16·如請求項15之裝置，其中該外殼係選自由下列各項組成 之群組：破璃、氧化矽玻璃、石英玻璃、透明氧化紹、 145644.doc 201103172 一聚合物材料、一聚碳酸酯、及一丙稀酸。 士明求項15之裝置，其中該外殼包括一半球形殼體。 18_如4求項1之裝置，其中該基板係選自由下列各項組成 之群.、’且· 一印刷電路板、一金屬核心印刷電路板、一陶 瓷電路板、一導熱陶瓷、一低溫共燒陶瓷、及氧化鋁。 19·如請求項丨之裝置’其中自該至少一發光二極體之該發 光表面至該至少一碌光體材料之一最小距離係在自0.2毫 米至1毫米之範圍内。 2〇_如請求項丨之裝置，纟㈣光體材料係—⑦酸鹽為主 之材料。 21. —種白色發光裝置，其包括： (a) ~導熱基板； (b) 複數個發光二極體’其等安裝成與該基板之一表面 熱傳遞，且可操作以發射在_第_波長範圍内具有一主 波長的激發光； ⑷-外殼’其係、附接至該基板且經組態使得該外殼與 基板一起界定完全封閉該複數個發光二極體之一體積Y 該外殼包括係透光之至少一部分；及 (d)至少-磷光體材料，其係設於該外殼在該體積内之 -内表面上’該磷光體可操作以吸收該激發光之至少一 部分，且發射在-第二波長範圍内具有_主波長的光， 其中該裝置之該發射產物包括該等第—及第二波長範圍 之光且在色彩上呈現白色，·且 其中該外殼係附接至該基板使得該體積係至少水密， 145644.doc 201103172 且其中該裝置之該發射產物強度為至少5 0流明。 22. 如請求項21之裝置，其中該裝置具有選自由下列各項組 成之群組之強度的一發射產物：至少100流明、至少25〇 流明及至少500流明。 23. —種發光裝置，其包括： (a) —導熱基板； (b) 至少一發光二極體，其併入一磷光體材料且安裝成 與該基板之一表面熱傳遞；及 (c) 一外殼，其係附接至該基板且經組態使得該外殼與 基板一起界定完全封閉該至少一發光二極體之一體積， 該外殼包括透光之至少一部分；且 其中該外殼係附接至該基板使得該體積至少水密。 145644.doc
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