TWI599075B - 具含螢光多層式薄膜之發光二極體 - Google Patents

Description

具含螢光多層式薄膜之發光二極體

本發明關於具有一薄螢光層之發光二極體。

固態裝置，例如發光二極體(LEDs，Light emitting diodes)為取代習用光源例如白熱燈泡及螢光燈管之最有吸引力的候選者。LEDs要比白熱燈泡實質上具有較高的光線轉換效率，且比兩種習用光源皆具有較長的壽命。此外，現在某些種類的LEDs比螢光光源具有更高的轉換效率，並且在實驗室中已被證實還有更高的轉換效率。最後，LEDs需要的電壓比螢光燈管要低，因此能夠提供多種省電的好處。

LEDs所產生的光線係在相對較窄的頻譜當中。為了取代習用的照明系統，需要能產生寬頻譜(例如白光)光線的LED式光源。產生白光的一種方式為將藍光或紫外光(UV，“Ultra-violet”)LEDs包覆在一螢光材料中。該螢光材料可轉換由藍光或UV LED所放射的單色光線成為白光。

該螢光材料大致藉由將螢光粒子懸浮物引入到一載體(例如矽膠(silicone))中、將該等LEDs包覆在該載體中，然後硬化該載體而形成，以提供一固體材料層，在其中該等螢光粒子將維持懸浮狀。可惜的是，矽膠為一種不良的熱導體，而當被照光時，螢光體會產生熱。因此，當在高功率應用中使用具有硬化的矽膠載體之螢光被覆的LED時，該硬化的矽膠可能裂開及/或壽命減短。

此性質限制了它們在使用溫度敏感性螢光體的高功率LED應用當中的用途。另外，在該螢光體與矽膠的組合物中的破裂會降低該元件的效率。據此，本技藝中需要一種簡化與改良的製程來將一螢光材料施加到LEDs及其它固態照明裝置。

在本發明一態樣中揭示一種製造薄膜的方法，其包括施加含有螢光體與一不可硬化流體的一混合物到一表面上，且至少部份乾燥該混合物。一可硬化流體被施加到該至少部份乾燥的混合物上，且該可硬化流體被硬化。

在本發明另一態樣中揭示一種製品，其製造程序包括施加含有螢光體與一不可硬化流體的一混合物到一表面上，且至少部份乾燥該混合物。一可硬化流體被施加到該至少部份乾燥的混合物上，且該可硬化流體被硬化。

在本發明又另一態樣中揭示一種裝置，其包括一含螢光膜，該膜包括螢光體與一載體，以及位在該含螢光膜上的一硬層。該含螢光膜含60%-80%的螢光體。

在本發明又另一種態樣中揭示一種裝置，其包括一含螢光膜，該膜包括螢光體與一不可硬化的矽膠載體，以及位在該含螢光膜上的一硬化矽膠膜。該硬化矽膠膜實質上不具有螢光體。

應瞭解本發明之其它態樣對於本技藝專業人士而言，將可透過以下的實施方式之說明而可立即明瞭，其中藉由例示僅顯示與說明一含螢光層之多層膜(multilayer phosphor bearing film)的數種態樣。將可瞭解在整份說明書中所提供的該含螢光層之多層膜的多種態樣在多種其它方面中能夠進行修改，其皆不背離本發明之精神與範圍。據此，本文之圖式與實施方式在性質上皆應視為例示性，而非限制性。

以下本發明將參照附屬圖式進行更為完整的說明，其中顯示了本發明之多種態樣。但是本發明可以許多不同型式來具體實施，且不能夠視為被限制於整份說明書中所提供的本發明之多種態樣。更確切地說，所提供的這些態樣使得本發明可成為完善與完整，且將對本技藝專業人士完整地傳達本發明之範圍。

在該等圖式中所例示的本發明之多種態樣並未依比例繪製。更確切地說，該等多種特徵之尺寸為了清楚起見可能放大或縮小。此外，一些圖式可為了清楚起見而被簡化。因此，該等圖式可能未描繪給定設備(例如裝置)或方法之所有該等組件。

本發明之多種態樣將在此處參照圖式做說明，其為本發明之理想化設置的示意圖。因此，可預料到的是，該等例示之形狀將由於例如製造技術及/或公差而有差異。因此，在整份說明書中所提供的本發明之多種態樣不應視為限制於此處所例示與描述之元件(例如區域、疊層、區段、基板等)的該等特定形狀，而是要包括由於例如製造所產生的形狀之偏差。例如，所例示或描述為一長方形的一元件，在其邊緣處可具有圓形或彎曲的特徵及/或一梯度集中度，而並非每個元件之間有分散的變化。因此，在該等圖式中所例示的該等元件在性質上為示意性，且它們的形狀並非要例示一元件的準確形狀，且並非要限制本發明之範圍。

請瞭解當一元件，例如區域、疊層、區段、基板或類似者，其被稱之為「在(on)另一元件上」時，其係直接位在另一元件上，或亦可存在介於其中的元件。相反地，當一元件被稱之為「直接在(directly on)另一元件上」時，即不存在介於其中的元件。另請瞭解，當一元件被稱之為「形成」(formed)在另一元件上時，其可在另一元件或一介於其中的元件上成長、沉積、施加、蝕刻、附著、連接、耦合、或另外製備或製造。

在該等圖式中多種元件可能以一特定方向顯示。例如，該等圖式中可能顯示一元件在另一元件的上方(top)或在其之上(above)。相反地，該等圖式可能顯示一元件在另一元件的底部(bottom)或在其之下(below)。請瞭解除了在該等圖式中所描繪的該方向之外，本發明係要涵蓋一裝置的不同方向。例如，如果在該等圖式中一裝置被轉向，則被描述為「在其下」或「在下方」的其它元件之元件之方向即為在該等其它元件「之上」。

除非另有定義，此處所使用的術語(包括技術與科學術語)皆具有本發明所屬的技藝中一般專業人士所共通瞭解的相同意義。另將可瞭解到術語，例如那些在常用字典中所定義者，必須解譯成其意義可符合於在相關技藝與本發明之內文中之意義。

如此處所使用者，單數形式「一」(「a」、「an」及「the」)係亦包括複數形式，除非在文中另有明確指示。請瞭解在本說明書中所使用的術語「包含」(「comprises」及/或「comprising」)，係指定存在有所述的特徵、整數、步驟、作業、元素及/或組件，但並不排除存在或加入一或多個其它特徵、整數、步驟、作業、元素、組件及/或其群組。該術語「及/或」(and/or)包括該等相關所列出之項目之一或多種的任何及所有的組合。

現在將提供一固態發光元件的一含螢光體之多層膜的多種態樣。但是本發明專業人士將可立即瞭解這些態樣可被延伸至其它薄膜應用，而皆不背離本發明之精神與範圍。該薄膜可包括具有螢光體的一含螢光層(phosphor bearing layer)。

在許多塗敷有螢光體的發光二極體中，該螢光塗層(phosphor coating)包括在一矽膠載體(silicone carrier)中螢光粒子的懸浮物，其中該矽膠載體被硬化以產生一固體層，其中該等螢光粒子仍維持懸浮。在使用該元件期間，部份的該光線能量會激發該螢光體，並使得光線以不同的頻率放射。此外，部份由該LED放射的該光線能量被轉換成熱。因此在高功率的應用中，在該螢光塗層中可能產生大量的熱量，其有可能使得該矽膠載體破裂，或者會降低該元件的使用壽命。

此問題可以利用一金屬封裝而部份地解決，其可包括安裝在一散熱槽上、具有高導熱性的金屬或任何類金屬結構，例如鋁或銅。在這種設置下，來自該螢光體的熱會向下行進，也就是通過該LED晶粒或直接穿過該封裝，以藉由該散熱槽散逸到環境中。但是，在懸浮於一硬化之矽膠載體中的一厚螢光層中，該矽膠的不良導熱性會限制此種設置的功效。

雖然薄螢光層可能改善這種狀況，它們仍具有本身的困難度。相對較薄的螢光層可藉由使該螢光體懸浮在低黏度矽膠(例如黏度為300-320 cP)中來產生。但是，散佈在此矽膠中之螢光體的該百分比大致限制在33-35%。若螢光體濃度的增加高於此範圍可能造成施加的困難，例如無法完整覆蓋該晶粒或該等晶粒，或者造成不均勻的表面等。

一種改良的薄螢光層可藉由沉澱法來達成。也就是說，該螢光體在一低黏度矽膠載具中被施加至該封裝中及/或該LED之上，並停留(例如在室溫之下)一段時間，以允許該螢光體緩慢地沉澱。因此，一薄的螢光層係產生在該晶粒或該等晶粒上以及在該等周圍區域上，並在上方具有一保護性透明矽膠層。但是利用此方法，該等晶粒的側邊大致不會被螢光體覆蓋。已熟知的是，由LED晶粒所放射之該光線中大部份來自該等側邊(例如高達40%)，所以利用此製程所生產的產品可能具有不佳的效率。另外，該螢光體中有不可忽略的量會殘留在該透明矽膠層中，造成強度與硬度降低，且散熱效果也降低。

對於具有薄螢光層之裝置的另一種改良可藉由利用例如電泳法的製程來達成，其中一電場被施予該矽膠載體中的螢光懸浮物，以使該螢光體朝向需要它沉澱在上面的表面移動，而允許該螢光體的一部份沉澱在該晶粒的該側壁上。但是，此製程須使用專業的設備，且一般意味著需要較高的投資。另外，該製程會造成僅有部份的沉澱，其中該透明矽膠層相對較軟及/或有彈性，且同樣地，該散熱效果會比所需要的低。

再者，這些製程皆無法產生包括令人滿意之含高濃度螢光體的薄螢光層。根據下述之製程所生產的一製品，包括一含濃度在60%到80%之螢光體的含螢光層。

如第一圖之該流程圖所示，本發明之一代表性具體實施例提供一種製造薄膜的製程。結合不可硬化矽膠(silicone)101與經過處理的氧化矽(silica) 102來形成混合物A 103。該不可硬化矽膠可以是具有一低黏度的一矽膠流體(silicone fluid)，其在當接受一硬化程序時實質上不會硬化。在一些具體實施例中，該不可硬化流體可以是矽膠之外可提供適當的黏度以及與該混合物的接合度的流體。經過處理的氧化矽102可為氧化矽粉末，其已經一有機分子塗層(a coating of organic molecules)處理，而可改善該氧化矽在該矽膠流體中的分散度。在一些具體實施例中，氧化矽102可以不經過處理，且在一些具體實施例中，可省略使用該氧化矽102。加入螢光體104到混合物A 103以生產混合物B 105。螢光體104可為一種粉末或其它螢光粒子。螢光體104可以包括一或多種顏色或種類的螢光體，其一般適用於在當受到來自像是一LED的元件之輻射所激發時即放射出可見光。在一些具體實施例中，一額外的步驟包括加入少量的可硬化矽膠到該含螢光混合物中，使得在該硬化程序期間可造成一螢光載體一定程度的硬化，如下所述。

在方塊106中，混合物B 105藉由執行一聲波處理程序(sonication process)而穩定化。聲波處理大致代表施加聲波(例如超音波)能量到一組合物，以攪動在該組合物內的粒子。此程序穩定化混合物B 105，造成在該矽膠流體中可具有實質上均勻的螢光體懸浮物。

在方塊107中，該穩定化的混合物被施加至一表面上。該表面可為一經封裝及打線接合(wire-bonded)的發光元件之一部份，其包括一LED之上表面與側表面，及該封裝本身的一內側表面。在此處，一內側表面可為一凹形或封閉的封裝之內側表面，或是一實質上平坦之封裝的上表面等。因為該混合物可為實質地均勻，並加入該經過處理的氧化矽，藉以改善該混合物之黏度與流動性，而形成一均勻且濃縮的含螢光膜。在一些具體實施例中，該含螢光膜在該LED晶粒的該上表面與側壁表面上，以及在該封裝的其它表面上，可以具有一均勻的厚度。

在方塊108中，該含螢光膜被至少部份乾燥。也就是說，可以施加熱量及/或部份真空至該薄膜，以蒸發該含螢光膜之至少一液體成份例如不可硬化矽膠101的至少一部份。在一些具體實施例中，如在方塊108中所示的部份乾燥會形成一厚的(即高黏度)膏狀半固體薄膜。

在方塊109中，形成一塗層到該部份乾燥的含螢光膜上。第二圖為一擴充的流程圖，其例示方塊109的進一步細節。

現在請參照第二圖，在方塊902中，施加一可硬化矽膠901至該部份乾燥的含螢光層的表面上。該可硬化矽膠901可為任何適當的流體，例如矽膠，其在當接受一硬化處理時可硬化或更固化。在方塊903中，包括該部份乾燥的含螢光膜與該可硬化的矽膠膜之該薄膜接受另一乾燥程序。也就是說，該部份乾燥的含螢光膜藉由將該等疊層暴露至一部份真空的條件下及/或升高的溫度之下而進一步被乾燥。依此方式，該含螢光膜中至少一液體成份，例如該不可硬化矽膠，即蒸發穿過該可硬化矽膠膜，進而使該含螢光膜乾燥。在方塊904中，該薄膜接受一硬化程序，使得該可硬化矽膠膜變硬，而形成為一位於該含螢光膜之上的保護層。因此該硬化的矽膠膜提供了機械強度，並保護該含螢光膜，而實質上不會阻礙熱由該含螢光膜向下傳遞通過該晶粒及/或封裝至一散熱槽。

做為一詳細示例，一種製造薄膜的製程包括在一離心式混合機中混合6.24g的不可硬化矽膠流體，例如Dow CorningOS-30，以及0.28g經過處理的氧化矽，例如Cab-o-silTS-720，以1000到3000 RPM混合3到5分鐘。(Dow Corning為Dow Corning公司的註冊商標；Cab-o-sil為Cabot公司的註冊商標)。1g的螢光體利用相同的混合機而混合到該混合物中。0.12至0.16g的可硬化矽膠，例如Dow CorningJCR6122，被加入到該組合物中，然後經過聲波處理1到2分鐘，例如利用HielscherUP-400S，其功率設定在70到90W。(Hielscher 為Dr. Hielscher GmbH公司的註冊商標)。一數量例如，一預定量的該組合物被施加到該封裝中，該封裝包括利用環氧樹脂(epoxy)固定至該封裝的一打線接合的LED晶粒。該封裝在一乾燥爐中以70℃及10英吋汞柱(inches-Hg)之壓力下進行乾燥10-12分鐘，也就是說，直到該含螢光組合物達到一厚的膏狀半固體型態為止。將該封裝自該乾燥爐中取出，將一可硬化矽膠的薄層(例如JCR6122)施加至該部份乾燥的含螢光層之上方。然後將該封裝送回該乾燥爐中，並另以30英吋汞柱(inches-Hg)之壓力及70℃進行乾燥30分鐘。在該乾燥程序之後，可檢查該封裝在該含螢光層中及環繞該晶粒區域當中是否有破裂(例如在該封裝之該內側表面周圍處(例如放置一橡膠環處)的微小裂痕是可以被接受)。然後該封裝被放置在150℃的一對流爐中一個小時，以硬化該可硬化矽膠。

第三圖為一示例性裝置的示意圖，其顯示一發光元件之截面。一發光二極體301塗敷著包括一含螢光層302與一硬層303的一薄膜。該發光二極體可為一半導體元件，或可發出光線的任何其它適當元件。該含螢光層302可以包括一高濃度的螢光體(例如60%到80%的螢光體)，並可包括經過處理的氧化矽及一不可硬化流體，例如不可硬化矽膠。根據多種具體實施例，該含螢光層302實質上為乾燥，也就是說，該不可硬化流體中大部份已自該層中移除。該硬層303可為已經接受一硬化處理的矽膠材料，使得其可在該含螢光層302之上提供一機械保護層。在一些具體實施例中，該硬矽膠層303實質上不含有螢光體，因為其已經在至少部份乾燥該含螢光層302之後被沉積。

該LED 301可利用一黏著劑304附著至一封裝305。該黏著劑可為將該晶粒301固定至該封裝305的任何適當材料，例如環氧樹脂。該封裝305可為用於置放或包覆該發光元件的任何適當材料。在一些具體實施例中，該封裝305為一金屬材料，也就是，任何具有包括高導熱性之類金屬性質的材料，因而使得熱可由該元件散逸到一散熱槽306。該散熱槽306可為一種導熱裝置，用於將熱量自該發光元件傳遞至環境當中。

在該例示中，部份之該含螢光膜302係在該封裝305的一內側表面307上。由該含螢光層302產生的熱經由與該封裝305之一內側表面307處的直接接觸點、經由該晶粒301或是經由中間層如該環氧樹脂層304而輕易地傳導至該封裝305。

本發明提供的一含螢光體之多層膜的多種態樣可使得本技藝之一般專業人士之一者實施本發明。在整份說明書中所提供的該含螢光體之多層膜的多種修改及其它的設置對於本技藝專業人士而言將可立即瞭解，且此處所揭示的該等概念可被延伸到其它照明應用中。因此，該等申請專利範圍並非被要限制至本發明所揭示的多種態樣，而係要符合該等申請專利範圍之用語的完整範圍。

所有在結構上及功能上等同於本技藝專業人士已知或稍後得知之本說明書中所描述之該等多種態樣之該等元件者，皆在此以引用方式明確併入本文，並係要涵蓋於該等申請專利範圍中。再者，本文所揭示者皆並非要專屬於大眾，不論這些揭示內容是否明確地在該等申請專利範圍中列述。在此並未有主張的元件係要依35 U.S.C §112之條文的第六節解釋，除非該元件是使用片語「用於...之元件」(means for)或在方法項使用片語「用於...之步驟」(step for)做明確列述。

101．．．不可硬化矽膠

102．．．氧化矽

103．．．混合物A

104．．．螢光材料

105．．．混合物B

106．．．聲波處理

107．．．施加

108．．．部分乾燥

109．．．形成塗敷層

301．．．發光二極體

302．．．含螢光層

303．．．硬層

304．．．黏著劑

305．．．封裝

306．．．散熱槽

307．．．內側表面

901．．．可硬化矽膠

902．．．施加

903．．．進一步乾燥

904．．．硬化

本發明之多種態樣係示範性地而非限制性地例示於附隨圖式中，其中：

第一圖為例示製造一薄膜之製程的示範流程圖；

第二圖為例示第一圖之該製程的細節之流程圖；及

第三圖為顯示一發光裝置之截面示意圖。

101．．．不可硬化矽膠

102．．．氧化矽

103．．．混合物A

104．．．螢光材料

105．．．混合物B

106．．．聲波處理

107．．．施加

108．．．部分乾燥

109．．．形成塗敷層

Claims (23)

1. 一種製造薄膜之方法，其包括：施加含有螢光體與一不可硬化流體之一混合物至一表面上；部份乾燥該混合物；施加一可硬化流體至該部份乾燥的混合物上；及硬化該可硬化流體。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含在施加該可硬化流體之後，且在硬化該可硬化流體之前，進一步乾燥該混合物。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該不可硬化流體包含一不可硬化矽膠(silicone)流體。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該可硬化流體包含一可硬化矽膠流體。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該可硬化流體為透明。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該混合物更包含經過處理的氧化矽(silica)。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含在施加該混合物至該表面上之前聲波處理該混合物。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含於該部份乾燥該混合物期間，施加至少部份真空至該薄膜。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該表面包含一封裝之一內側表面及在該封裝中一發光二極體之一表面。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該發光二極體之該表面包含該發光二極體之一側壁表面與一上壁表面。
11. 一種包含用於發光元件之薄膜之裝置，該裝置包含：一含螢光膜，其具有螢光體與一載體，其中該含螢光膜含有66%-80%的螢光體；及一硬層，係在該含螢光膜上。
12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該載體包含矽膠。
13. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該硬層包含一透明的硬化矽膠膜。
14. 如申請專利範圍第11項之裝置，更包含一發光元件，其中該含螢光膜係至少部份在該發光元件上。
15. 如申請專利範圍第14項之裝置，更包含一金屬封裝，其中該發光元件在該金屬封裝中。
16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該含螢光膜係至少部份在該封裝的一表面上。
17. 如申請專利範圍第16項之裝置，更包含一散熱槽，其中該封裝在該散熱槽上。
18. 一種包含用於發光元件之薄膜之裝置，該裝置包括：一含螢光膜，其包含螢光體與一矽膠載體；及一硬化矽膠膜，係在該含螢光膜上，該硬化矽膠膜實質上不含有螢光體。
19. 如申請專利範圍第18項之裝置，其中該含螢光膜含60%-80%的螢光體。
20. 如申請專利範圍第18項之裝置，更包含一發光元件，其中該含螢光膜係至少部份在該發光元件上。
21. 如申請專利範圍第20項之裝置，更包含一金屬封裝，其中該發光元件在該金屬封裝中。
22. 如申請專利範圍第21項之裝置，其中該含螢光膜係至少部份在該金屬封裝的一表面上。
23. 如申請專利範圍第22項之裝置，更包含一散熱槽，其中該封裝在該散熱槽上。