具有降低的未转换光发射的波长转换发光二极管 技术领域 本发明涉及一种发光器件， 其包括波长转换发光二极管， 该波长转换发光二极管 包括具有发光表面的发光二极管， 自支撑波长转换体布置在该表面上， 该自支撑波长转换 体适合于接收所述发光二极管发出的光并将所述光的至少一部分转换成不同波长的光。 本 发明还涉及制造这样的器件的方法。
背景技术
发光二极管 (LED) 对于很多应用作为光源出现。
通过将波长转换材料诸如荧光和 / 或发光材料施加在光路径中， 所发出的波长可 以被改变到很多特定波长。发蓝色和 / 或 UV 光的 LED 特别适合作为这种发光二极管 ( 下 文称为波长转换发光二极管 ) 中的光源， 因为波长转换材料通常吸收二极管所发出的光的 至少一部分并发出具有更高波长 ( 红移 ) 的光。 波长转换材料可以适合于吸收基本上全部的由 LED 所发出的光 ( 通常称为泵浦 光 )， 使得仅有经转换的波长的光从器件输出。在其他波长转换 LED 中， 波长转换材料适合 于仅吸收并转换一部分泵浦光， 使得总输出是经转换和未转换的光的混合。 例如， 将蓝光部 分转换成黄光产生发白的总输出。
这样的波长转换 LED 的一个示例在申请人为 Koninklijke Philips Electronics N.V. 的 WO 2007/085977 A1 中有所描述， 其中陶瓷转换元件的板布置在 LED 芯片上， 用于转 换 LED 芯片所发出的光的一部分。
然而， 对泵浦光转换的程度是光路径穿过波长转换材料的距离的因数。特别是在 波长转换材料的边缘， 这可能产生问题。 在边缘处， 泵浦光有机会仅在短暂地通过波长转换 材料之后从器件出射， 导致在这些边缘转换程度较低。这通常可以作为包围经转换的光的 未转换的光的环而被看到。
一些波长转换二极管依赖于自支撑 ( 比如陶瓷 ) 波长转换体， 其借助于粘合材料 粘合到 LED 芯片的发光表面上。在这样的二极管中， 粘合材料形成波长转换体和二极管之 间的间隔， 并且在本质上胶必须对 LED 芯片发出的泵浦光透明。在这样的器件中， 一些泵 浦光易于经由粘合材料的横向表面从器件出射， 再次产生包围经转换的光的未转换的光的 环。
特别是在期望完全转换光的器件中， 非常不期望这种环效应， 因为其需要吸收滤 光器来去除输出的未转换光。
发明内容 本发明的目标之一是解决这一问题， 并且提供容易制造的、 具有减小的环效应的 波长转换发光二极管。
本发明人认识到， 通过使用在未转换光照射时固化的光可固化涂层材料， 可以获 得具有降低的未转换光泄漏的波长转换发光二极管。在固化状态下， 涂层材料形成基本上
阻光的材料， 比如高度散射、 吸收或者反射的材料。 可固化涂层材料可以施加到波长转换发 光二极管上未转换光显示出从器件泄漏或者被认为从器件泄漏的区域， 其中在涂层材料固 化之后， 可以洗去过多的未固化的材料。
因此， 在第一方面， 本发明涉及一种用于制造波长转换发光器件的方法， 包括 ： 提 供用于发出第一波长的光的发光二极管， 其具有发光表面， 该表面上布置了波长转换材料， 波长转换材料适合接收所述发光二极管发出的光并将所述接收的光的至少一部分转换成 第二波长的光 ； 在所述波长转换发光器件的外表面的至少一部分上布置光可固化涂层材 料， 其中具有有效强度的所述第一波长的光的照射引发所述光可固化涂层材料的固化 ； 以 及通过利用所述发光二极管照射所述材料来固化所述光可固化涂层材料的至少一部分， 以 形成固化的阻光材料。
通常， 阻光材料从包括散射、 吸收、 和反射材料在内的组中选择。
本发明的有利之处在于光可固化材料仅在波长转换 LED 的外表面上大量的未转 换光到达外表面的位置固化。 由于固化材料的散射、 吸收或者反射作用， 很大程度上防止了 未转换光从器件出射。
优选反射涂层材料， 因为这样未转换光被反射回到器件中， 被提供了变为经转换 的新的机会。 因此， 反射涂层材料这样增加了器件的光利用率， 因为转换了更高百分比的由 LED 发出的光。
使用器件的 LED 发出的光来固化可固化涂层材料确保了涂层材料仅在器件的外 表面上未转换光的强度足以引起固化的位置被固化。
在本发明的实施方式中， 该方法还包括去除未固化的涂层材料的步骤。
在通过照射固化的步骤之后去除未固化的材料的步骤确保了涂层材料仅存在于 器件上未转换光将从器件出射的那些位置。 因此， 涂层材料基本上仅在必要的地方存在， 而 不意外地阻挡经转换的光从器件出射。
在本发明的实施方式中， 波长转换材料包含在自支撑波长转换体中。
通过将波长转换材料并入自支撑体中， 可以精确地控制波长转换材料的厚度， 比 如通过将自支撑体研磨到期望的厚度。
在本发明的实施方式中， 这样的自支撑波长转换体可以借助于透光粘合层布置在 所述发光二极管上， 并且其中所述光可固化涂层材料布置在所述粘合材料的侧面上。
在某些类型的波长转换 LED 中， 波长转换体借助于透射粘合材料粘合到 LED。 该粘 合材料通常产生 LED 和波长转换体之间的间隔。从而粘合材料的侧边形成窗口， 未转换光 可以容易地通过该窗口从器件出射。为了防止未转换光通过粘合材料的侧边泄漏， 很明显 有利的是将可固化涂层材料布置在该侧边上， 之后固化涂层材料。
在本发明的实施方式中， 光可固化涂层材料从包括环氧树脂和聚乙烯醇在内的组 中选择。其他光可固化材料对于本领域技术人员是已知的。
在本发明的实施方式中， 所述光可固化涂层材料可以对由所述波长转换材料转换 的光基本不起反应。
如果光可固化涂层材料对经转换的光基本不起反应， 将是有利的， 否则的话， 涂层 材料可能会在不期望的位置被固化。
在第二方面， 本发明包括一种波长转换发光器件， 其包括发光二极管， 用于发出第一波长的光， 发光二极管具有发光表面， 该表面上布置了波长转换材料， 波长转换材料适合 接收所述发光二极管发出的光的至少一部分并将所述光的至少一部分转换成第二波长的 光， 其中所述器件的外表面的至少一部分提供有在由所述第一波长的光照射时固化的光可 固化涂层材料 ； 并且该光可固化涂层材料在固化状态中， 提供从包括散射、 吸收、 和反射材 料在内的组中选择的材料。
本发明的这一方面涉及中间产品， 即在施加了可固化涂层材料之后但在将其固化 之前的器件。
在第三方面， 本发明涉及一种波长转换发光器件， 包括发光二极管， 其具有发光表 面， 该表面上布置了波长转换材料， 波长转换材料适合接收所述发光二极管发出的光的至 少一部分并将所述光的至少一部分转换成不同波长的光， 其中 ： 从包括散射、 吸收、 和反射 材料在内的组中选择的固化的涂层材料， 选择性地布置在所述器件的外表面上的特定位 置， 并且所述特定位置在所述第一波长的光碰到所述侧边的位置中选择。
本发明的这一方面涉及最终产品， 即在固化了可固化成分之后的器件。
还要注意本发明涉及权利要求的所有可能组合。 附图说明 现在将参考示出本发明目前的优选实施方式的随附附图， 更加详细地描述本发明 的这些方面和其他方面。
图 1 示出本发明的波长转换器件。
图 2a- 图 2d 示出用于制造本发明的波长转换器件的本发明的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的器件的一个示例实施方式在图 1 中示出。该实施方式的波长转换器件 100 包括发光二极管 (LED) 芯片 101， 其具有光面向上的发光表面 102。自支撑波长转换体 103 借助于透射粘合材料 104 光学并且物理地粘合到二极管 101 的发光表面 102。
发光二极管 101 主要通过其发光表面发出第一波长 ( 或者具有第一峰值强度的第 一波长区间 ) 的光。
波长转换体 103 适合于接收和吸收二极管 101 发出的光的至少一部分， 并将吸收 的光转换成第二更高波长 ( 或者具有在更高波长处的峰值强度的第二波长区间 ) 的光。波 长转换归因于波长转换体中包含的波长转换材料， 比如荧光和 / 或磷光材料。
波长转换器件 100 通常布置在衬底 120 上， 并且 LED 芯片 101 通常连接到用于驱 动 LED 芯片的导线 ( 未示出 )。
波长转换的程度是光路径穿过波长转换体 103 的长度的因数。因此， 在器件的外 表面 110 上的某些位置， 比如粘合材料 104 的侧边 114( 在这些位置处光路径穿过波长转换 体 103 的长度很短， 或者未转换的光能够不穿过波长转换体而到达外表面 )， 未转换的光， 即第一波长的光的强度将到达该外表面。
为了防止高强度的未转换的光从器件出射， 将涂层材料布置在这样的位置， 否则 的话在这些位置未转换的光将从器件出射。
通常， 这样的位置包括透射粘合材料的侧边 114 和 LED 芯片 101 的侧边。如文中所使用的， 发光二极管或者 LED 指的是本领域技术人员已知的任何类型的 发光二极管， 并且包括常规的基于无机的 LED， 以及基于有机的 LED(OLED)， 以及基于聚合 物的 LED。
LED 芯片优选是 “覆芯片” 型的， 其中两条引线都位于芯片的同一侧上。这种设计 便于将波长转换体布置在器件的发光表面上。然而， 还有其他类型的 LED 芯片也预期用于 本发明。
用于本发明的 LED 可以发出任何颜色的光， 从 UV 范围， 跨过可见光范围， 直到 IR 范围。然而， 由于波长转换材料常规上以红移来转换光， 所以通常期望使用在 UV/ 蓝色范围 内发光的 LED， 因为这样的光可以被转换为基本上任何其他颜色。
用于本发明的波长转换材料优选是荧光和 / 或磷光材料， 其由未转换的光变为受 激并在弛豫时发出光。
在当前优选的实施方式中， 将波长转换体成形为自支撑的波长转换体， 其包括波 长转换材料或者由波长转换材料构成。
在一实施方式中， 自支撑波长转换体可以包括基本上是波长转换材料的压制的陶 瓷材料， 或者尺寸上稳定的基质材料， 比如但不限于 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯 )， 或者其他 可以掺杂颗粒并且具有内嵌波长转换颗粒的材料。在另一实施方式中， 自支撑波长转换体 可以包括具有理论固态密度的 97％以上的密度的陶瓷材料。 可以形成为发光陶瓷层的磷光剂的示例包括铝石榴石磷光剂， 其具有一般分子式 (Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb， 其中 0 ＜ x ＜ 1， 0 ＜ y ＜ 1， 0 ＜ z ≤ 0.1， 0 ＜ a ≤ 0.2， 3+ 3+ 而 0 ＜ b ≤ 0.1， 比如发出黄 - 绿范围的光的 Lu3Al5O12:Ce 和 Y3Al5O12:Ce ； 以及 (Sr1-x-y 2+ BaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz ， 其 中 0 ≤ a ＜ 5， 0 ＜ x ≤ 1， 0 ≤ y ≤ 1， 而 0 ＜ z ≤ 0.1， 比 2+ 3+ 如 Sr2Si5N8:Eu ， 其发出红色范围的光。合适的 Y3Al5O12:Ce 陶瓷厚片可以从 Charlotte， N.C. 的 Baikowski International Corporation 购得。其他发绿色、 黄色以及红色光的 2+ 磷光剂也可以是合适的， 包括 (Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua (a ＝ 0.002-0.2 ； b ＝ 0.0-0.25 ； c ＝ 0.0-0.25， x ＝ 1.5-2.5， y ＝ 1.5-2.5， z ＝ 1.5-2.5)，包 括 例 如 SrSi2N2O2:Eu2+ ； (Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyIn2S4):Eu2+， 包 括 例 如 SrGa2S4:Eu2+ ； Sr1-xBaxSiO4:Eu2+ ； 以及 2+ 2+ 2+ (Ca1-xSrx)S:Eu ， 其中 0 ＜ x ≤ 1， 包括例如 CaS:Eu 和 SrS:Eu 。
自支撑波长转换体通常成型为平板或者拱顶形体 ( 其具有朝向 LED 的平坦表面 )， 或者任何其他可以适合器件的应用的形状。 用于本发明的平板形波长转换体通常具有从 10 到 1000 微米的厚度， 比如大约 100 到 500 微米， 例如在 250 微米左右。
在光学并且物理地将自支撑波长转换体粘合到 LED 时使用的粘合材料优选地为 基本上透明， 至少对于第一波长的未转换光而言。
适合使用的粘合材料的示例取决于应用、 LED 的发光表面的材料、 波长转换体的材 料以及粘合材料将暴露于其的温度。
粘合材料的示例包括例如低熔点玻璃、 环氧树脂材料、 透明聚合物和硅氧烷， 比如 PDMS。
发光陶瓷层可以例如通过晶圆键合、 烧结、 用比如环氧树脂或者硅酮的已知有机 粘合剂的薄层黏贴、 用高折射率无机粘合剂黏贴， 以及用溶胶 - 凝胶玻璃黏贴， 附着到发光 器件。
高折射率粘合剂的示例包括高折射率光学玻璃比如 Schott 玻璃 SF59， Schott 玻 璃 LaSF 3， Schott 玻璃 LaSF N18， 以及其混合物。 这些玻璃通常具有大于 1.8 的折射率， 并 且可以从 Duryca， Pa 的 Schott Glass Technologies Incorporated 购得。其他高折射率 粘合剂的示例包括高折射率硫系玻璃， 比如 (Ge， Sb， Ga)(S， Se) 硫系玻璃 ； III-V 族半导体， 包括但不限于 GaP、 InGaP、 GaAs、 以及 GaN ； II-VI 族半导体， 包括但不限于 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 以及 CdTe ； IV 族半导体和化合物， 包括但不限于 Si 和 Ge ； 有机半导体 ； 金属氧化 物， 包括但不限于氧化钨、 氧化钛、 氧化镍、 氧化锆、 氧化铟锡、 以及氧化铬 ； 金属氟化物， 包 括但不限于氟化镁和氟化钙 ； 金属， 包括但不限于 Zn、 In、 Mg、 和 Sn ； 钇铝石榴石 (YAG) ； 磷 化物 ； 砷化物 ； 锑化物 ； 氮化物 ； 高折射率有机化合物 ； 以及其混合物或者合金。 用高折射率 无机材料黏贴在全都通过引用结合于此的 2000 年 9 月 12 日提交的序列号 09/660,317 的 申请， 以及 2001 年 6 月 12 日提交的序列号 09/880,204 的申请中更详细地描述。
用溶胶 - 凝胶玻璃黏贴在美国专利号 6,642,618 中更详细地描述， 其通过引用结 合于此。在其中发光陶瓷通过溶胶 - 凝胶玻璃附着到器件的实施方式中， 比如钛、 铈、 铅、 镓、 铋、 镉、 锌、 钡或者铝的氧化物的一种或者多种材料可以包括在 SiO2 溶胶 - 凝胶玻璃中 以增加玻璃的折射率， 以便将玻璃的折射率更接近地与发光陶瓷和发光器件的折射率相匹 3+ 配。例如， Y3Al5O12:Ce 陶瓷层可以具有在约 1.75 和 1.8 之间的折射率， 并且可以附着到半 导体发光器件的蓝宝石生长衬底， 该蓝宝石衬底具有约 1.8 的折射率。期望将粘合剂的折 3+ 射率与 Y3Al5O12:Ce 陶瓷层和蓝宝石生长衬底的折射率相匹配。
用于本发明的涂层材料是光可固化的涂层材料， 其在固化时形成阻光， 通常散射 光、 吸收光、 或者反射光的材料。如文中所使用的， “阻光材料” 指的是如下材料， 其阻断未转 换光的至少一大部分， 比如＞ 80％， 例如＞ 95％， 更优选地基本上 100％使其不透射穿过该 阻光材料。可用于这一目的的材料有很多示例。
通常， 散射、 吸收或者反射颗粒分散在可固化介质中， 其优选具有高粘性。
例如， 散射颗粒， 比如金属氧化物、 折射金属小片和 / 或吸收颜料或者染料构成的 散射颗粒可以分散在可固化介质中。
在使用散射颗粒的情况下， 介质中的浓度通常足够高以在固化时形成基本不透明 的涂层。
例如， 比如具有亚微米直径的 TiO2 颗粒， 可以用作散射颗粒。
光可固化的涂层材料适合于在用第一波长的有效固化强度的光照射时局部地固 化。更优选地， 光可固化的涂层材料对于第二经转换的波长的光的照射是基本上没有反应 的。 至少， 优选地， 实现所述涂层材料的固化所需的所述第二波长的强度高于本发明的波长 转换器件中通常可以实现的强度。
光可固化的涂层材料的可固化介质通常包括可聚合材料， 比如但不限于环氧树脂 和聚乙烯醇。可聚合材料可以是本身对所述第一波长的光 ( 即， 未转换光 ) 的照射起反应 的或者由其激活， 或者可以替代地或者另外地包括光诱导聚合引发剂。
在一典型实施方式中， 第一波长的光在 UV 或者蓝色波长范围内， 并且因而在该波 长范围内并且在一定强度以上的光应当引起聚合， 而优选绿色、 黄色和红色波长范围内的 光并不引起到任何可感知的程度的聚合。
优选地， 涂层材料的固化还应当被局部化到受到照射的区域， 即固化的开始不应当开始导致整个涂层材料体的完全固化的链式反应之类。替代地， 如果发生这样的链式反 应， 该链式反应应当缓慢进展以允许去除未固化的材料。
可从 Waterford， N.Y.(US) 的 General Electric’ s Silicone products 购得的 TM Octacat ， 可从 3M 购得的 FC530， 以及可从 Milford(US) 的 Dentsply Caulk Inc 购得的 Dentsply’ s Prime and Bond 是这样的 UV/ 蓝光可固化涂层材料的非限制性示例。
图 2a- 图 2d 示意性地示出了一种根据本发明的方法。图 2a 示出了在施加光可固 化涂层成分之前的波长转换发光器件。
光可固化涂层材料 105 通常施加在波长转换器件 100 的外表面 110 的期望部分 上， 比如在波长转换材料的侧面、 粘合材料 104 的侧边 114 和 LED 芯片 101 的侧面上 ( 图 2b)。
应当注意， 其上存在光可固化涂层材料 105 的波长转换器件 100 代表了本发明一 个预期的方面。
此后， 激活 LED 芯片 101， 引起对涂层材料 105 的照射， 以及在第一波长的光以强到 足以引发涂层材料 105 的固化的强度 ( 即有效强度 ) 碰到涂层材料 105 的位置， 对涂层材 料 105 的固化 ( 图 2c)。
最后， 任何未固化的涂层材料 105 可以从器件去除， 得到波长转换发光器件 100， 其中固化的阻光涂层材料 ( 散射、 吸收或者反射 )115 布置在这样的位置 ： 在这些位置， 如果 没有固化的阻光涂层材料， 那么未转换的光将以高强度从器件出射 ( 图 2d)。
本领域技术人员将认识到本发明绝不是仅限于所述的优选实施方式。相反， 在所 附权利要求的范围内很多修改和变化都是可能的。 例如， 一个以上的， 例如两个或更多个发 光二极管可以粘合到同一个自支撑波长转换体。 此外， 应当注意， 尽管上面的说明书主要提 及自支撑波长转换体中包含的波长转换材料， 但本发明不限于此， 并且波长转换材料可以 例如喷涂沉积为 LED 的发光表面上的粉末。