具有由帶開口的支撐結構保持的波長轉換元件的照明裝置的製作方法

2023-06-12 01:25:06

專利名稱：具有由帶開口的支撐結構保持的波長轉換元件的照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種照明裝置，具體而言涉及諸如半導體發光裝置的高輻射率光源產
生的光的波長轉換。
背景技術：
使用發光二極體(LED)的照明裝置在許多照明應用中變得愈發普遍。總體而言，LED利用一次發射的磷光體轉換來生成白光，但是磷光體也可以用於形成例如紅、綠和黃色的更飽和顏色。

發明內容
將磷光體置為與LED物理接觸的傳統裝置存在諸如有限結合溫度範圍的缺點。此外，結合材料選擇可影響成本以及例如由熱致機械應力導致的可靠性。因此，改進是期望的。 根據本發明的實施例，照明裝置包括諸如一個或多個發光二極體的光源以及安裝在不透明支撐結構上的波長轉換元件。該支撐結構包括開口，該波長轉換元件與該開口對準，使得經轉換的光穿過該開口發射。該波長轉換元件可以是諸如發光陶瓷的剛性結構，並且該開口可以是穿過該支撐結構的孔。該支撐結構可以保持該波長轉換元件，使得該波長轉換元件與該光源物理分離，或者備選地，該支撐結構可以將該波長轉換元件置為與該光源物理接觸。


圖1為根據本發明一個實施例的照明裝置的側視圖。 圖2為與圖1所示類似但波長轉換元件與光源物理接觸的照明裝置的側視圖。 圖3為與圖1所示類似但光學元件安裝在支撐結構的開口內的照明裝置。 圖4說明使用支撐結構內的開口作為對準而附著到照明裝置的外部光學元件。 圖5說明與圖1所示類似但支撐結構安裝到擴大基板的照明裝置。 圖6說明與圖1所示類似但支撐結構安裝到熱沉的照明裝置。
具體實施例方式
根據本發明實施例，照明裝置內的波長轉換元件由包含開口的結構物理支撐，經
轉換的光以及一部分的泵浦光在需要時可穿過該開口發射。 圖1為側視圖，其說明依據本發明一個實施例的照明裝置100。照明裝置100包括光源102，該光源例如可以是諸如一個或多個發光二極體(LED) 104的例如半導體發光裝置，或者是諸如氙燈或者汞燈的可以產生短波長光的其他類型光源。舉例來說，LED 104為藍色或紫外(UV)LED且可以是諸如美國申請No. 10/652,348中所描述類型的高輻射率裝置，其中該美國申請題為"Package for a Semiconductor LightEmitting Device"，申請人為Frank Wall等，申請日為2003年8月29日，公開號為2005/0045901，受讓人與本發明公開的受讓人相同，且此美國申請通過引用結合於此。LED 104的角發射模式為朗伯分布或者使用諸如晶格結構的光子晶體來控制。發光二極體104被描述為安裝在次載具(submount) 106上，該次載具例如可以是陶瓷或矽且可包括LED 104所需的電接觸。次載具106可以安裝在熱沉108上。在需要時，可以使用除了次載具106和熱沉108之外的支撐結構。 照明裝置IOO包括安裝在支撐結構112上並由支撐結構112保持的波長轉換元件IIO，該支撐結構112包括開口 114。儘管圖l未示出，如下文所討論，支撐結構112可以物理安裝或連接到照明裝置的各種部件。開口 114放置在波長轉換元件110之上以透射來自波長轉換元件110的正向發射光(以及來自LED 104經過波長轉換元件110的任何泵浦光)。在一個實施例中，支撐結構112可以製作成使得開口 114為穿過支撐結構112的孔，該支撐結構可以由不透明材料通過衝壓、模塑或機加工製成。舉例來說，支撐結構112可以由諸如鋁、銅或其他合適材料的金屬或金屬合金製成。波長轉換元件110例如通過環氧樹脂、玻璃、焊料或其他合適材料附著到支撐結構112的交疊部分116。在另一實施例中，支撐結構112可以由例如在波長轉換元件IIO所附著的表面118上塗覆有反射材料的透明材料製成，例如由LCP(液晶聚合物)玻璃、矽或其他合適材料製成。在這種實施例中，開口 114是在沒有該反射材料的情況下限定的。 通過將波長轉換元件110安裝到支撐結構112，與光源102相對，照明裝置100的組裝被簡化並避免LED 104受大的溫度漂移影響。此外，支撐結構112阻擋藍光洩露而波長轉換元件110在潛在地提供表觀連續光源的同時混合來自多個管芯的光。
在一個實施例中，波長轉換元件110的側邊可覆蓋有反射塗層120，諸如鋁、銀或3M ESR反射膜或者任何其他合適反射材料的層，以再循環來自波長轉換元件110的邊發射光。此外，支撐結構112的交疊部分116和/或結合材料可以是反射性的，以提高不經過開口 114發射的光的再循環。 波長轉換元件IIO可以由剛性材料形成，特別是在其中開口 114形成為穿過支撐結構112的孔的實施例中。舉例來說，波長轉換元件110可以是陶瓷片，在此有時稱為〃 發光陶瓷〃 。陶瓷片一般為自支撐層且對於特定波長可以是半透明或透明的，這可以降低與諸如共形層的不透明波長轉換層相關的散射損耗。發光陶瓷層可以比薄膜或共形磷光體層更魯棒。在一些實施例中，諸如結合材料內的磷光體這樣的除了發光陶瓷以外的材料可以用作波長轉換元件IIO。 可以在發光陶瓷層內形成的磷光體的示例包括具有如下通式的鋁石榴石磷光體(Livx—y—a—bYxGdy) 3 (A"—zGaz) 5012: CeaPrb，其中0<x<l，0<y<l，0<z《0.1，0<a《0.2及0 < b《0. 1 ，諸如在黃-綠色範圍內發光的Lu3Al5012: Ce3+和Y3A15012: Ce3+ ;以及(Sr卜x—yBaxCay)2—zSi5—aAlaN8—aOa:Eiiz2+，其中0《a〈5，0〈x《l，0《y《l及0〈z《l，諸如在紅色範圍內發光的Sr2Si5N8:Eu2+。合適的Y3Al5012:Ce3+陶瓷片可以從北卡羅來納州夏洛特的Baikowskilnternational Corporation購買。其他發綠、黃和紅光的磷光體也是合適的，這些磷光體包括(Sr卜a—bCabBac)SixNyOz:Eua2+(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)，例如包括SrSi2N202:Eu2+ ; (Sivu—V—xMguCavBax)(Ga2—y—zAlyInzS4) :Eu2+，包括例如SrGa2S4:Eu2+ ;SivxBaxSi04:Eu2+ ;以及(Ca卜xSrx) S:Eu2+，其中0 < x《l，包括例如CaS:Eu2+，P SrS:Eu2+。 可通過高壓加熱粉末磷光體直到磷光體顆粒的表面開始軟化和熔化而形成發光 陶瓷。部分熔化的顆粒粘在一起形成剛性的顆粒團聚物。與在光學上表現為單個大的磷光 體顆粒而沒有光學不連續的薄膜不同，發光陶瓷表現為緊密堆積的單獨磷光體顆粒，使得 在不同磷光體顆粒之間的界面存在小的光學不連續。因此，發光陶瓷在光學上幾乎是均勻 的且具有與形成該發光陶瓷的磷光體材料相同的折射率。與布置在諸如樹脂的透明材料內 的共形磷光體層或磷光體層不同，發光陶瓷通常除了磷光體以外不需要結合材料(例如有 機樹脂或環氧樹脂)，使得在單獨磷光體顆粒之間存在非常少的空間或不同折射率的材料。 因此，發光陶瓷是透明或半透明的，不同於共形磷光體層。關於可以在本發明中使用的發光 陶瓷的更多信息，見美國專利申請公開No. 2005/0269582，其通過引用結合於此。
抗反射塗層122沉積在波長轉換元件110的輸入側面上，使得抗反射塗層122位 于波長轉換元件110和LED 104之間。在另一實施例中，塗層122可以是諸如二向色濾光 器的分色元件，該分色元件透射藍色泵浦光並反射由波長轉換元件110轉換的光的範圍內 的波長。分色元件116可以是高角度接受性塗層，該塗層直接應用到面向光源102的波長 轉換元件110的輸入側111。 如圖1所說明，支撐結構112可以放置為使得波長轉換元件110沿著光學路徑(總 體上由箭頭103所示)與光源102物理分離。因此，波長轉換元件110(和抗反射塗層122) 不與光源102接觸。波長轉換元件IIO(和抗反射塗層122)與光源102之間的介質可以 是例如空氣、氣體或真空。因此，由光源102發射的光必須行經光源102和波長轉換元件 IIO(和抗反射塗層122)之間的間隙。光源102和波長轉換元件110之間的物理分離的長 度可以變化，不過在一個實施例中在50 ii m至250 ii m的範圍內。在一個實施例中，光源102 和波長轉換元件IIO之間的物理分離足以防止光源102對波長轉換元件110的顯著傳導加 熱。在另一實施例中，諸如矽酮凝膠或其他合適材料的填充劑或結合材料可用於填充光源 102與波長轉換元件110之間的間隙。 圖2為說明根據本發明另一實施例的照明裝置150的側視圖。照明裝置150與圖 1所示的照明裝置100基本類似，相似地標註的元件是相同的。然而，如圖2所說明，照明裝 置150內的支撐結構112保持波長轉換元件IIO，使得波長轉換元件110和光源102之間不 存在間隙，即，波長轉換元件110通過抗反射塗層122與光源102物理接觸。波長轉換元件 110在需要時可結合到光源102以用於優化的光學耦合。 圖3為說明照明裝置200的側視圖，該照明裝置與圖1所示的照明裝置100基本類 似，相似地標註的元件是相同的。然而照明裝置200包括位於開口 114內的光學元件202， 諸如圓頂透鏡。光學元件202可以穿過開口 114安裝到波長轉換元件110。備選地，如果支 撐結構112為具有限定開口 114的反射塗層的透明材料，光學元件202可以結合到支撐結 構112或者與之集成地形成。應理解，如圖2所說明，照明裝置200的支撐結構112可以放 置為將波長轉換元件110置為與光源102接觸。 使用具有開口 114的支撐結構112的一個優點為，開口 114可用作對準以將附加 元件安裝到照明裝置IOO，或者備選地，將照明裝置IOO安裝到另一結構。舉例來說，圖4說 明光學元件220附著到照明裝置100，如箭頭222所說明。光學元件220包括突起224，該 突起大小調整為適合開口 114。因此，開口 114充當用於光學元件220的對準。當然，其他
6光學或非光學元件可以使用開口 114來對準。 圖5說明照明裝置300的側視圖，該照明裝置與圖3所示照明裝置200相似，但是 支撐結構312安裝到擴大的基板308。圖6與圖5相似，但是照明裝置350具有安裝到熱沉 356的支撐結構362，該支撐結構可為光源102提供密封環境。 儘管出於指示目的結合具體實施例對本發明予以說明，但本發明不限於此。可以 進行各種修改和改進而不背離本發明的範圍。因此，所附權利要求書的精神和範圍不受前 述說明書的限制。
權利要求
一種設備，包括發射光的光源；從該光源接收發射光的波長轉換元件，該波長轉換元件至少部分地轉換該發射光並產生經轉換的光；以及具有開口的不透明支撐結構，該波長轉換元件安裝到該支撐結構並與該開口對準，使得由該波長轉換元件產生的經轉換的光穿過該開口發射。
2. 權利要求1所述的設備，其中該波長轉換元件為剛性自支撐材料。
3. 權利要求1所述的設備，其中該波長轉換元件為發光陶瓷。
4. 權利要求1所述的設備，其中該開口為穿過該支撐結構的孔。
5. 權利要求1所述的設備，其中該支撐結構由塗覆有限定該開口的反射層的透明材料 形成。
6. 權利要求1所述的設備，還包括耦合到該開口的光學元件。
7. 權利要求5所述的設備，其中該光學元件穿過該開口而安裝到該波長轉換元件。
8. 權利要求5所述的設備，其中該光學元件與該支撐結構和開口集成地形成。
9. 權利要求1所述的設備，還包括使用該開口來對準而安裝到該支撐結構的光學元件。
10. 權利要求1所述的設備，其中該光源包括至少一個發光二極體。
11. 權利要求9所述的設備，還包括基板，該至少一個發光二極體耦合到該基板並且該 支撐結構耦合到該基板。
12. 權利要求9所述的設備，還包括熱沉，該至少一個發光二極體耦合到該熱沉並且該 支撐結構耦合到該熱沉。
13. 權利要求1所述的設備，其中該支撐結構保持該波長轉換元件使得該波長轉換元 件不與該光源物理接觸。
14. 權利要求1所述的設備，其中該支撐結構保持該波長轉換元件使得該波長轉換元 件與該光源物理接觸。
15. 權利要求1所述的設備，還包括位於該波長轉換元件上的抗反射塗層，該抗反射塗 層置於該波長轉換元件和該光源之間。
16. —種設備，包括包含至少一個發射光的發光二極體的光源；發光陶瓷，從該光源 接收發射光並至少部分地轉換該發射光，該發光陶瓷產生經轉換的光；以及具有開口的不 透明支撐結構，該發光陶瓷安裝到該支撐結構並與該開口對準，使得由該發光陶瓷產生的 經轉換的光穿過該開口發射。
17. 權利要求16所述的設備，其中該開口為穿過該支撐結構的孔。
18. 權利要求16所述的設備，其中該支撐結構由塗覆有限定該開口的反射層的透明材 料形成。
19. 權利要求16所述的設備，還包括耦合到該開口的光學元件。
20. 權利要求19所述的設備，其中該光學元件穿過該開口而安裝到該發光陶瓷。
21. 權利要求19所述的設備，其中該光學元件與該支撐結構和開口集成地形成。
22. 權利要求16所述的設備，還包括使用該開口來對準而安裝到該支撐結構的光學元件。
23. 權利要求16所述的設備，其中該支撐結構保持該波長發光陶瓷使得該波長發光陶 瓷不與該光源物理接觸。
24. 權利要求16所述的設備，其中該支撐結構保持該發光陶瓷使得該發光陶瓷與該光 源物理接觸。
25. 權利要求16所述的設備，還包括位於該發光陶瓷上的抗反射塗層，該抗反射塗層 置於該發光陶瓷和該光源之間。
全文摘要
一種照明裝置包括諸如一個或多個發光二極體的光源(102)以及安裝在不透明支撐結構(112)上的波長轉換元件(110)。該支撐結構包括開口(114)，該波長轉換元件與該開口對準使得經轉換的光穿過開口發射。該波長轉換元件可以是諸如發光陶瓷的剛性結構，且該開口可以是穿過支撐結構的孔。該支撐結構可保持該波長轉換元件，使得該波長轉換元件與光源物理分離，或者備選地，該支撐結構可將該波長轉換元件置為與該光源物理接觸。
文檔編號H01L33/48GK101711435SQ200880017512
公開日2010年5月19日 申請日期2008年5月21日 優先權日2007年5月25日
發明者F·沃爾, J·D·克梅特克, L·張, R·S·克恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司;飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司