TWI589033B - 在一遠端磷光體組態中磷光體在聚矽氧中的懸置、模製／形成及使用 - Google Patents

Description

在一遠端磷光體組態中磷光體在聚矽氧中的懸置、模製/形成及使用

此申請案主張於2010年7月28日所申請之美國臨時申請案第61/368,376號之益處，該申請案之揭示內容係以引用之方式併入本文中。

本示例性實施例係關於照明技術。該實施例發現結合基於一個或一個以上發光晶片之發光封裝之特定應用為製作該應用之方法，且將具體參考其等而描述。然而，應理解，本示例性實施例亦適合其他類似之應用。

基於半導體發光晶片(諸如發光二極體(LED))之發光封裝越來越多地用於照亮目的。LED係由摻雜有雜質之半導體材料而組成，以產生p-n接面，其中電流自p側(陽極)流動至n側(陰極)。各個LED通常產生輻射，該輻射係於一單一顏色點之飽和光，諸如一狹窄光譜範圍內之紅光、藍光、綠光、紫光或紫外光。已知使該LED與一波長轉換磷光體操作性地耦合而產生一希望之光輸出，諸如一近白色光輸出。進一步已知使該晶片與一透明透鏡耦合，該透明透鏡可為一模製囊封件，其經塑形為一希望之透鏡組態，諸如一圓頂。

現參考圖1，揭示一種先前技術LED燈(美國專第7,029,935號)，其係由一安裝基板10組成，該安裝基板10承接一發光二極體12。該LED 12係布置於一囊封件14內。一透明塑膠殼16包含一磷光體18。一透明內核心19填充該殼16。在替代性裝置中，磷光體係直接塗佈於該半導體發光裝置自身上。或者，磷光體係直接塗佈於該殼之表面上。

申請案第2008/0054280(以引用之方式而併入本文中)揭示一種發光封裝，其具有由一電路板支撐之一發光晶片。一透光殼係呈圓頂狀形狀布置於該發光晶片之上。一磷光體漿經噴塗於該殼之內表面上，且該漿接著經固化。此方法提供可接受之顏色變化；然而，此方法歸因於對塗佈方法之不精確控制而導致大量之磷光體浪費。

本實施例提供一種具有經改良性質及希望之益處之發光封裝。

根據一態樣，提供一種用於製造一照明封裝之方法，該方法包括將至少一個發光晶片固定至一板，預混合具有磷光體材料之聚矽氧之兩部分或兩部分以上，以形成一原料(feedstock)，於一模具中塑形該原料，對該模具進行後處理，以形成具有懸置於其中之磷光體之一聚矽氧殼，且將該殼布置於該發光晶片之上。

根據另一態樣，提供一種發光封裝，其包括至少一個發光晶片、支撐該至少一個發光晶片之一板及包含布置於其中之一磷光體材料之一透光聚矽氧殼。該透光聚矽氧殼係布置於該發光晶片之上。

根據一進一步態樣，提供一種發光封裝，其包括裝載至少一個發光二極體之一支撐件。由包含一磷光體材料之一聚矽氧組成之一透光圓頂係經定位而接收由該二極體所發射之光。一玻璃蓋覆加該圓頂。

根據一額外態樣，提供由至少一個發光二極體及一聚矽氧片組成之發光封裝。該片接收由該二極體所發射之光且包含一分散之磷光體材料。一玻璃組件係經固定至該片。

根據一態樣，圖2繪示一發光封裝20，其包含一印刷電路板22，一個或一個以上LED 24係布置於該印刷電路板22上。該印刷電路板可為一金屬核心印刷電路板，絕緣電路板或如此等等。該板上之晶片之數目可為一、二、三、四、五或更多。安裝於該板上之晶片可為相同種類(例如，各者均發射藍光之四個晶片)；然而，可使用兩種或兩種以上不同種類之晶片。例如，可使用紅色晶片、綠色晶片與藍色晶片之一組合，以集體近似白光。該等LED可為近紫外光、紫色光、藍色光、黃色光、橙色光、紅色光及/或紅外光發射二極體晶片，其等發射波長315奈米及以上(例如，400奈米及以上)之輻射。

在一實施例中，該板係一金屬核心印刷電路板，其包含一銅平板或其他金屬核心及夾於介電層之間之一印刷電路層。視需要，可將一額外之絕緣層布置於該金屬核心層之背側之上方。此外，設想包含兩個或兩個以上分離且相異之印刷電路層。在一晶粒附接程序中，該等發光晶片可與該印刷電路板機械連接及/或電連接。晶粒附接可採用表面安裝技術，其中該等晶片係藉由焊接而直接安裝於該印刷電路板之表面上。或者，該等晶片係經覆晶結合至與該板之印刷電路層電連接之結合墊。此覆晶結合提供該等晶片至該板之機械固定及用於對於該等晶片電供電之電輸入路徑二者。例如，布置於該板上之一連接器適於促成將電力耦合至該板，以經由該印刷電路層而對該等晶片供電。

該等LED晶片可為在晶片之相同側上具有n電極及p電極二者且藉由覆晶結合而接觸該板之側向晶片。在其他實施例中，該等晶片係垂直晶片，其等在晶片之相對側上具有電極，且一個電極經焊接或覆晶結合至該板之一結合墊，而於該晶片之一相對側上之另一電極係藉由線結合而接觸。在其他實施例中，該晶片可包含兩個電極，二者藉由線結合而接觸，且將該晶片焊接至該板以提供至該板之機械附接。根據一實施例，該板具有一等高水平表面且該晶片經直接平坦安裝在該板上，使得相較於當晶片係經布置於該板上之一凹入部中時發生之更垂直分佈，該晶片能夠為更均勻之180度分佈。視需要，該板支撐經由該印刷電路層或藉由線結合或類似之方法而與該等發光晶片操作性地連接之其他組件。例如，該板可支撐一Zener(稽納)二極體(用以提供靜電放電保護)、電力調節電路、電壓穩定電路、電流限制電路、整流電路等等。

提供用一磷光體材料28填充之一透光聚矽氧殼26，以接收來自該LED 24之光。對比於常用之塑膠殼或玻璃殼，聚矽氧展示對氧氣、臭氧及UV光之優良抵抗力。聚矽氧與塑膠不同之處在於，塑膠係由聚合物主鏈中之有機碳組成，而聚矽氧包含混合之無機-有機聚合物，其等具有無機聚矽氧-氧主鏈，且有機側基團被附接至聚矽氧原子。由於聚矽氧具有良好的近UV/藍色輻射抵抗力，聚矽氧透光殼比碳主鏈有機塑膠展示更好之可靠性。具有介於約41與46之間之一蕭氏(Shore)A硬度、大於約1.3之一折射率及大於約5.5 Mpa之一抗張強度之基於透明甲基之聚矽氧係適用的。一示例性聚矽氧係RTV-615。聚矽氧具有改良自該等LED封裝之光提取之能力。藉由訂製聚矽氧，諸如但是不限於添加有機/無機功能基團(附接至聚矽氧中之Si-O主鏈之基團)或添加奈米顆粒(諸如但是不限於TiO₂、ZrO₂等等)，可能改良在該透射殼中之光提取效率。藉由改變附接至該Si-O主鏈之功能基團或藉由改變功能基團之配置，可能訂製在1.0至1.8之間之聚矽氧之折射率。磷光體顆粒可具有在1.0至2.0之間之一折射率。藉由使用匹配磷光體之折射率之聚矽氧-可達成光之前向散射。藉由在聚矽氧之折射率與磷光體顆粒之折射率之間產生一故意失配，可改良非前向方向上之散射。為了來自一漫射光源之更好總體光提取，需要在前向及非前向方向之光之散射。相較於無法達成折射率訂製且因此在光提取方面並非如此有效之一般基於有機碳主鏈之塑膠，此處所提及之聚矽氧與磷光體顆粒之間之折射率匹配(或失配)可允許更好之光提取效率。

聚矽氧透光殼包含分散於其中之至少一個磷光體，使得與懸置於內側之磷光體形成一聚矽氧殼。該磷光體可均勻地分散於該殼內，或者，該磷光體可非均勻地分散，諸如，藉由形成影響強度、顏色之各種圖案，或在該殼上提供各種標記。該標的聚矽氧/磷光體殼使該磷光體之顆粒大小分佈最佳化。較佳的是，該等磷光體顆粒之一均值磷光體顆粒大小D₅₀大於約5微米，從而改良該LED封裝之光提取。

可以各種方式(諸如，藉由一黏合劑或藉由周邊與凹槽之間之一摩擦配合、藉由緊固件或如此等等)將該聚矽氧透光殼固定至該印刷電路板。使用一導熱環氧樹脂係一良好之替代方式。該聚矽氧透光殼連同該印刷電路板界定含有該等發光晶片之一內部體積。在一些實施例中，該聚矽氧殼之周邊與該印刷電路板之間之連接係一大致上不透氣密封連接，其使該內部體積大致上氣密密封。在其他實施例中，該周邊與該印刷電路板之間之連接並非一氣密密封，而是可能含有一個或一個以上間隙、開口或此類物。

聚矽氧殼與該印刷電路板之間之內部體積殼可大致上用一囊封件29填充。例如，該囊封件可為一聚矽氧囊封件、一環氧樹脂囊封件或如此等等。該囊封件對由該等LED晶片產生之光係透明，其作為一折射率匹配材料以促進自該等LED晶片提取光，且較佳亦促進與磷光體之光耦合。可在該聚矽氧殼係密封至該印刷電路板之後將該囊封件射出至該內部體積中。

磷光體係經組態而回應於由該等發光晶片之照射而輸出經轉換光。磷光體係經選擇而使由該等發光晶粒或晶片產生之一部分或大致上所有的輻射產生一希望之波長轉換。術語「磷光體」應理解為包含經選擇而產生一選定之波長轉換之一單一磷光體化合物或一磷光體摻合物或兩種或兩種以上磷光體化合物之組合物，如此項技術中所已知。例如，磷光體可為包含黃光、綠光及藍光發射磷光體化合物之一磷光體組合物，其等協作而提供白色光或大致上白色光。例如，在1931 CIE色品圖中，此白色或大致上白色光可擁有在約0.30至約0.55範圍中之一x值，及在約0.30至約0.55範圍中之一y值。在一些實施例中，磷光體亦可具有一選擇性紅光發射化合物，用於更好的現色性。在一些實施例中，發光晶粒或晶片係III族氮發光二極體晶片，其等發射紫色或近紫外輻射且磷光體將由該等晶片所產生之大部分或所有之光轉換成白色光或大致上白色光。對於白色輸出，磷光體及發光晶片可經選擇而提供燈之一合適之顏色溫度及現色性。在一些實施例中，該等發光晶粒或晶片係III族氮發光二極體晶片，其等發射藍色或帶藍色之輻射且磷光體係一黃棕色之磷光體，其僅將一些藍色或帶藍色之輻射轉換成微黃棕色之光。直接(未經轉換)之帶藍色光與經轉換之微黃棕色光之比率係經選擇以近似白光。熟悉此項技術者可輕易選擇適於執行特定之光轉換之其他磷光體。

現參考圖3，該發光封裝30可進一步與一玻璃蓋配合。更具體而言，LED 34常駐於該印刷電路板32上。在此例子中，封裝圓頂36包含注入磷光體之聚矽氧圓頂38、一玻璃蓋40及將玻璃蓋40固定至聚矽氧圓頂38之一中間聚矽氧黏合劑層42。亦可採用一囊封件39。可能希望用一導熱材料(諸如，導熱率為至少1 w/m/°K之一環氧樹脂，大體上等效於或優於玻璃)將封裝圓頂36固定至印刷電路板32。

已經發現，在某些應用中，該玻璃蓋40有利地作為一散熱片，以阻止該發光封裝過熱。在超過110°中操作之具有當前可獲得磷光體材料之一封裝遭受磷光體性能降低。已經發現，包含玻璃圓頂將溫度維持於低於110℃之一希望範圍，使得達成良好的CCT及每瓦特之流明。一般而言，已經發現，一外徑小於約20毫米之一發光封裝可藉由包含散熱玻璃圓頂而受益最多。儘管如此，假如一外徑大於20毫米之發光封裝，包含一散熱玻璃圓頂亦可具有益效果。該玻璃圓頂可改良該發光封裝之藍光發射，使得該CCT變成一冷白顏色。此外，藉由添加該玻璃蓋，可達成多達300°K之一顏色位移。亦設想採用一逆向設計，其中含有磷光體之聚矽氧圓頂常駐於一玻璃圓頂之頂部上。在該玻璃圓頂之表面上提供一短通濾波器之事件，此尤其有利。在此情形下，放置於該LED與該磷光體層之間之該短通濾波器使向下引導白光之至少一部分再次引導至該封裝之外側。一典型之玻璃材料可為低溫熔融玻璃(小於400℃熔點)、中溫熔融玻璃(400℃至1000℃)及可在更高溫度(1000℃+)形成之玻璃。實例包含石英玻璃。

已進一步另有發現，在該聚矽氧殼中包含一導熱微顆粒可有利地實現熱性質。例如，在此環境中，氮化鋁、氧化鋁或氧化銦錫可用作導熱體。較佳的是，該等導熱體由一小尺寸(諸如介於5奈米與15微米之間)顆粒組成。可能更合乎需要的是具有一透明性質之一直徑小於10奈米之奈米顆粒。該導熱體可包括多達約該聚矽氧內之材料之填充物之50%，但是一般而言據信，至少50%之填充物係由該磷光體材料組成。

本文所述之聚矽氧/磷光體殼產生一遠端磷光體組態，從而消除歸因於在磷光體過於接近該LED且由磷光體產生之光子經轉向往回朝向該LED晶片時發生之吸收所致之光損失。

現在參考圖4，陳述一合適製程之一流程圖。可藉由預混合兩部分或兩部分以上而製備該聚矽氧/磷光體殼。一般而言，一種兩個部分之氧化矽係有利，因為第二部分有助於交聯。可添加額外部分/組分，以促進光學性質/熱性質/電性質等等。此等添加物可添加至具有一磷光體材料之聚矽氧之第一部分或第二部分，以形成一原料(步驟50)。該原料較佳使用形成方法(諸如，射出模製及此類步驟)而形成形狀，諸如一片或圓頂(步驟52)。在一實例中，該原料係經射出至一提供圓頂之模具中。或者，該聚矽氧/磷光體殼可直接雙料覆蓋模製(overmold)於該玻璃圓頂內。該原料之流動性應足夠大，以被迫進入一塑形孔隙中。一旦在該孔隙內側，則該原料獲得該孔隙之形狀。經射出模製之部件接著經後處理，以形成具有與懸置於內側之磷光體之聚矽氧組件。該後處理可包含烘焙或固化，以允許該聚矽氧單體之均勻交聯(步驟54)。相對於簡單地允許一熔融液體凝固，固化該聚矽氧/磷光體材料允許在曝露至近UV或藍色輻射時改良可靠性及抵抗性。聚矽氧之諸如所使用之磷光體之量、磷光體之類型、包含於原料中之此等磷光體之顆粒大小分佈、黏性等等之參數指示該經模製圓頂之發射特性。

現在參考圖5(俯視圖、端透視圖及提取之圓頂)，該等模具可包括協作半體60及62，其等包含對應之突出物64及凹入部66。該等突出物/凹入部經塑形以產生一孔隙，聚矽氧圓頂68可於該孔隙中模製。提供對齊凸片70及容座72，以建立模具半體60與62之合適配套。

使用具有懸置於其中之磷光體之一聚矽氧殼允許對製造遠端磷光體LED產品中所使用之磷光體之量之一極精確之控制。此精確控制允許減少在該製程期間之磷光體材料之浪費。本文所提供之聚矽氧殼進一步提供在該遠端磷光體幾何形狀中發生顏色改變之後改良之能力。此外，該標的發光封裝使得磷光體之顆粒大小分佈最佳化，從而改良光提取，光提取涉及獲得自一LED中之p-n接面發射至外界之光。此外，所有以上元件之組合提供具有在約2500K至10,000K之間之顏色溫度且具有在約70至100之間之CRI之一白光。

上述之照明封裝描述為包含一圓頂形狀之透光殼；然而，視需要，該聚矽氧透光透鏡可以各種形狀形成，以配合一特定之應用。現在參考圖6，或者，該聚矽氧透光殼可為一片之形式。更具體而言，該發光封裝80包含一光引擎81，該光引擎係由布置於一外罩83內之一基板84(諸如，一PCB)上之複數個LED 82所組成。經布置以接收一自LED 82發射之光之一注入磷光體之聚矽氧片88亦經固定至該外罩83。一玻璃蓋85係經布置於一片88上，以提供至該片88之散熱。玻璃蓋85可為中空或至少大致上實心。可使用一導熱黏合劑來形成此接面。一混合室86可確保完美地混合之光，導致均勻之顏色及良好之顏色一致性。一透光囊封件87可填充混合室86之內部。此封裝提供產生一遠端磷光體組態同時對於間隔受限之照明應用為理想之能力。

已經參考較佳實施例而描述該示例性實施例。顯而易見，其他人在閱讀及理解先前詳盡描述之後，將想到修改及改變。該示例性實施例欲意被解讀為包含屬於附加申請專利範圍或其等之等效物之範疇內之所有此等修改及改變。

10．．．安裝基板

12．．．發光二極體

14．．．囊封件

16．．．透明塑膠殼

18．．．磷光體

19．．．內核心

20．．．發光封裝

22．．．印刷電路板

24．．．LED(發光二極體)

26．．．透光聚矽氧殼

28．．．磷光體材料

29．．．囊封件

30．．．發光封裝

32．．．印刷電路板

34．．．LED

36．．．封裝圓頂

38．．．注入磷光體之聚矽氧圓頂

39．．．囊封件

40．．．玻璃蓋

42．．．中間聚矽氧黏合劑層

60．．．協作半體

62．．．協作半體

64．．．突出物

66．．．凹入部

68．．．聚矽氧圓頂

70．．．對齊凸片

72．．．容座

80．．．發光封裝

81．．．光引擎

82．．．LED

83．．．外罩

84．．．基板

85．．．玻璃蓋

86．．．混合室

87．．．透光囊封件

88．．．注入磷光體之聚矽氧片

圖1圖解一先前技術之發光封裝。

圖2圖解該標的發光封裝之一示例性實施例。

圖3圖解該標的發光封裝之一進一步示例性實施例。

圖4圖解形成本發明之聚矽氧透光殼之一示例性程序之一流程圖。

圖5圖解用於形成該等聚矽氧殼之一示例性模具。

圖6圖解該標的發光封裝之一進一步示例性實施例。

20．．．發光封裝

22．．．印刷電路板

24．．．LED(發光二極體)

26．．．透光聚矽氧殼

28．．．磷光體材料

29．．．囊封件

Claims (12)

1. 一種用於製造一發光(light emitting)封裝之方法，該方法包括：(a)將至少一個發光晶片固定至一板；(b)預混合具有磷光體材料之聚矽氧(silicone)之兩部分或兩部分以上，以形成一原料(feedstock)；(c)於遠離該至少一發光晶片之一玻璃圓頂(dome)中塑形該原料以形成一聚矽氧殼；(d)後處理(post-process)具有懸置(suspended)於其中之磷光體之該聚矽氧殼；(e)將該殼及圓頂布置於該發光晶片之上(over)且遠離該發光晶片；及(f)將該殼及圓頂固定至該板；其中該玻璃圓頂熱連通(thermal communication)於該聚矽氧殼及該板。
2. 如請求項1之方法，其進一步包括以一囊封件填充該聚矽氧殼與該板之間之一內部體積。
3. 如請求項1或2之方法，其中該固定步驟(f)包括施加一導熱黏合劑。
4. 如請求項1或2之方法，其中該後處理包括熱交聯(cross-linking)。
5. 如請求項1或2之方法，其中該殼包含大於20毫米之一直徑。
6. 如請求項1或2之方法，其中該磷光體材料包括發光以產 生一白光摻合物(blend)之不同磷光體之一混合物(mixture)。
7. 如請求項1或2之方法，其中該聚矽氧包括一基於透明甲基(methyl)之聚矽氧，其具有一蕭氏A硬度(shore A hardness)在41與46之間、一折射率大於1.3及一抗張強度(tensile strength)大於5.5MPa。
8. 如請求項1或2之方法，其中該聚矽氧殼及該圓頂係為同心地塑形。
9. 如請求項1或2之方法，其中該聚矽氧殼(38)包含一導熱填料。
10. 如請求項9之方法，其中該填料係選自Al₂O₃、ITO、AlN及其等之混合物。
11. 如請求項9之方法，其中該填料具有10奈米之一平均顆粒大小。
12. 如請求項1或2之方法，其包括布置在該圓頂內之至少兩個發光二極體。