DE19919381A1 - Mehrfachverkapselung von Phosphor-LED-Bauelementen - Google Patents

Mehrfachverkapselung von Phosphor-LED-Bauelementen

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Abstract

Ein Halbleiterbauelement weist eine lichtemittierende Diode auf, die durch ein transparentes Beabstandungselement bedeckt ist, das die LED von einer gleichmäßig dicken Fluoreszensmaterial enthaltenden Schicht derart trennt, daß ein gleichmäßigeres Leuchten der Fluoreszenzmaterial enthaltenden Schicht erhalten wird, um ein gleichmäßig weißes Licht zu liefern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf licht­ emittierende Dioden und insbesondere auf lichtemittierende Dioden, die Fluoreszenzmaterialien verwenden.
Derzeit wird eine lichtemittierende Diode oder eine LED, die blaues Licht emittiert, in Kombination mit einem Fluores­ zenzmaterial verwendet, um ein LED-Bauelement zu erzeugen, das weißes Licht ausgibt. Weißes Licht erstreckt sich üb­ licherweise gleichmäßig von 400 bis 600 Nanometer (nm) be­ züglich der Wellenlänge, aber Licht, das als eine Kombina­ tion von rot, blau und grün auftritt, wird ebenso als weiß erscheinen. Durch Verwenden von Indium-Gallium-Nitrid bei der LED, ist es möglich, ein intensives blaues Licht zu er­ zeugen. Durch Verwenden von Phosphor, der im allgemeinen rotes und grünes Licht mit niedrigen Intensitäten und blaues Licht mit höheren Intensitäten erzeugt, ist es möglich, ein intensives Licht zu erzeugen, das weiß erscheint. Im wesent­ lichen stößt das meiste des blauen Lichts bei 470 nm an den Phosphor in dem Fluoreszenzmaterial, wobei dieses Licht nach oben verschoben werden würde, derart, daß das grüne und rote Nebenlicht das restliche blaue Licht komplementieren, das an dem Phosphor vorbeigelangt. Dies liefert eine schließliche Kombination von Licht, die für das menschliche Auge als weiß erscheint.
Ungünstigerweise ist bestimmt worden, daß der herkömmliche Lösungsansatz des Verwendens eines Fluoreszenzmaterials, das auf die Blau-LED geschichtet wird, eine LED mit einem hel­ len, weißen Kern erzeugt, der durch einen ringförmigen Ring von gelb gefolgt von einem ringförmigen Ring von blau ge­ folgt durch einen schließlichen ringförmigen Ring von gelb umgeben ist. Diese ringförmigen Ringe treten von LED zu LED nicht immer in einer vorhersagbaren Art und Weise auf, so daß einige LEDs relativ gleichmäßiges weißes Licht liefern, wohingegen andere Variationen der ringförmigen Ringe auf­ weisen.
Es hat sich als schwierig herausgestellt, die Ursachen die­ ser Ringe zu bestimmen, und folglich als schwierig, zu be­ stimmen, wie dieses Problem zu lösen ist. Kunden sehen die Abweichungen von weiß als einen Fehler bei der LED an, so daß eine große Anzahl während der Qualitätskontrolle aus­ rangiert werden muß.
Das vorhergehende Problem tritt sowohl bei LED-Lampen als auch bei Oberflächen-befestigten LED-Leuchten auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, gleichmäßig leuchtende Halbleiterbauelemente mit geringem Ausschuß zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, 7 oder 14 gelöst.
Ein Halbleiterbauelement weist eine lichtemittierende Diode auf, die durch ein transparentes Beabstandungselement be­ deckt ist. Das transparente Beabstandungselement trennt die LED von dem Fluoreszenzmaterial, derart, daß ein gleichmäßi­ geres Leuchten des Fluoreszenzmaterials auftritt, um eine LED mit einem konstanten, gleichmäßigen weißen Licht zu lie­ fern. Dies beseitigt ein früheres Problem bei Weiß-Halb­ leiterleuchten, die gelbes und/oder blaues Licht emittieren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 (stand der Technik) einen Querschnitt einer früh­ eren LED-Lampe;
Fig. 2 (stand der Technik) eine Nahansicht einer herkömm­ lichen LED und dessen Verkapselungssystem;
Fig. 3 eine Nahansicht der LED mit dem Verkapselungssystem der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine Nahansicht der LED bei einer Oberflächenbe­ festigungsvorrichtung, die das Verkapselungssystem der vorliegenden Erfindung verwendet.
Es wird nun auf Fig. 1 (Stand der Technik) Bezug genommen. Darin ist eine Lichtemittierende-Diode-Lampe 10 (LED-Lampe) gezeigt. Die LED-Lampe 10 weist erste und zweite Anschlüsse oder Anschlußleitungsrahmen 12 und 14 auf, durch die zu der LED-Lampe 10 eine elektrische Leistung zugeführt wird. Der Anschlußleitungsrahmen 12 weist einen Ausnehmungsreflektor­ bereich 16 auf, in dem eine LED 18 angeordnet ist. Die LED ist aus einer Indium-dotierten Gallium-Nitrid Epitaxie­ schicht auf einem transparenten Saphirsubstrat hergestellt. Wenn die obere Oberfläche der LED aus Indium-Gallium-Nitrid durch einen Gleichstrom bei der geeigneten Durchlaßspannung aktiviert wird, erzeugt dieselbe ein blaues Licht bei etwa 470 nm Wellenlänge.
Die LED 18 ist durch eine Drahtverbindung 20 mit dem An­ schlußleitungsrahmen 12 und durch eine Drahtverbindung 22 mit dem Anschlußleitungsrahmen 14 verbunden. Die LED 18 weist eine Schicht eines Fluoreszenzmaterials 24 auf, die über derselben angeordnet ist. Das Fluoreszenzmaterial 24 ist im allgemeinen ein transparentes Epoxidharz, das Parti­ kel von YAG/Gd:Ce-Phosphor enthält. Die gesamte Anordnung ist in ein transparentes Verkapselungsepoxidharz 26 einge­ bettet.
In Fig. 1 (Stand der Technik) sind ebenfalls Pfeile 28 und 30 gezeigt, die die Lichtstrahlen eines ringförmigen blauen Rings darstellen. Die Pfeile 32 und 34 stellen die Licht­ strahlen eines äußeren ringförmigen Rings dar, wobei die Pfeile 36 und 38 einen inneren ringförmigen gelben Ring dar­ stellen.
Es wird nun auf Fig. 2 (Stand der Technik) Bezug genommen. Darin ist der Anschlußleitungsrahmen 12 mit dessen Reflek­ torabschnitt 16 gezeigt, der eine Mulde bildet, die die LED 18 hält. Bei genauerem Hinsehen weist die Schicht des Fluo­ reszenzmaterials 24 dünne Bereiche bei 40 und 42 und einen dickeren Bereich bei 44 auf. Das schließliche Verkapselungs­ epoxidharz 26 ist aus Einfachheitszwecken nicht gezeigt.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Darin ist ein Zulei­ tungsrahmen 12 mit dem Reflektor 16 gezeigt, der die LED 18 hält. Gleiche Bauteile wie die im Stand der Technik sind mit denselben Bezugszeichen gezeigt. Ein transparentes Beabstan­ dungselement 50 ist gezeigt, wie es die LED 18 verkapselt, wobei eine Ebene eines Fluoreszenzmaterials 52 gezeigt ist, die oberhalb des transparenten Beabstandungselements 50 an­ geordnet ist. Das schließliche Verkapselungsepoxidharz 26 ist aus Einfachheitszwecken nicht gezeigt.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen. Darin ist eine ober­ flächenbefestigte LED-Leuchte 60 gezeigt, die auf einem Bauelementsubstrat 62 einer Oberflächenbefestigungsvorrich­ tung angeordnet ist. Die LED 60 ist in einem transparenten Beabstandungselement 64 verkapselt, das ferner durch eine Schicht eines Fluoreszenzmaterials 66 und einer schließ­ lichen transparenten Verkapselungsschicht 68 bedeckt ist.
Bei Betrieb würde die LED-Lampe 10 von Fig. 1 (Stand der Technik) eine Leistung aufweisen, die an dem Anschlußlei­ tungsrahmen 12 oder 14 angelegt ist, abhängig davon, welcher Teil der LED der p-Übergang und welcher Teil der n-Übergang war. Auf das Anlegen von Leistung hin würde die Oberseite der LED 18 intensives blaues Licht emittieren. Wo bei dem Bereich 44 die korrekte Dicke des Fluoreszenzmaterials vor­ gesehen war, würde die korrekte Kombination aus blauem Licht bei ungefähr 470 nm und dem grünen und roten Phosphorlicht bei 500 nm bzw. 550 nm ein weißes Licht erzeugen.
Wo die Schicht des Fluoreszenzmaterials bei den Bereichen 40 und 42 relativ dünn war, die in Fig. 2 (Stand der Technik) gezeigt sind, würde das blaue Licht im allgemeinen einen blauen ringförmigen Ring entlang der Lichtstrahllinien 28 und 30 liefern, da dort ein ungenügender Beitrag von Licht von dem Phosphor vorhanden sein würde. Innerhalb und außer­ halb des ringförmigen blauen Rings würden aufgrund der Lichtstrahlen 32 und 34 und der Lichtstrahlen 36 und 38 gelbe ringförmige Ringe vorhanden sein, wo der Phosphor einiges Licht beitragen würde, aber dasselbe nicht ausrei­ chen würde, um ein gleichmäßiges weißes Licht zu erzeugen.
Es ist bestimmt worden, daß die Oberflächenspannung des Materials 24 über der LED 18 Bereiche von verschiedenen Dicken bewirkt, die sich von den Dicken bei den Bereichen 40 und 42 durch die Ecken der LED 18 und die Dicke bei dem Bereich 44 oberhalb der Mitte der LED erstreckt. Dies be­ wirkt eine nicht gleichmäßige Abstrahlung des blauen Lichts und bewirkt die ringförmigen Ringe, die im vorhergehenden beschrieben wurden. Dies erscheint inhärent zu sein, wo die Schicht des Fluoreszenzmaterials 24 über und um die LED 18 aufgebracht ist.
Bei der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, ist es bestimmt worden, daß das Aufbringen eines transparenten Beabstandungselements 50 über und um die LED 18 und das Trennen einer im wesentlichen gleichmäßig dicken Schicht eines Fluoreszenzmaterials 52 von der LED 18 die ringförmigen Ringe beseitigen wird. Es ist ebenfalls be­ stimmt worden, daß das transparente Beabstandungselement 50 exakt mit der Oberseite der LED 18 abgeglichen sein kann, derart, daß die Schicht des Fluoreszenzmaterials 52 aus einer gleichmäßigen Dicke oberhalb der LED besteht, und daß dies ebenfalls das Problem beseitigen wird. Der letztere Lö­ sungsansatz erfordert jedoch eine vorsichtigere Volumenver­ teilung des transparenten Beabstandungselements 50 bei der Mulde, die durch den konischen Reflektorbereich 16 gebildet ist.
Für eine oberflächenbefestigte LED-Leuchte, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist es möglich, eine Oberflächenspannung (die bei der Größe einer LED 18 relativ zu den Gravitationskräf­ ten groß ist) in einer Kombination mit einer Viskosität zu verwenden, um den Tropfen einer halbsphärischen Abmessung eines zähflüssigen, transparenten ultraviolett-(UV-)Licht- aushärtenden Harzes über der LED 18 zu ermöglichen, der das transparente Beabstandungselement 60 bildet. Das Harz würde alle die Ecken bedecken und daraufhin unter Verwendung von UV-Licht ausgehärtet werden. Dieser Vorgang würde daraufhin von der Schicht des Fluoreszenzmaterials 66 gefolgt werden, das ebenfalls ein zähflüssiges UV-aushärtendes Harz ist. Das Aufbringen des transparenten Beabstandungselements 64 würde eine Halbsphäre als ein Tröpfchen liefern, und die Schicht des Fluoreszenzmaterials 66 würde daraufhin fließen, um sich der halbsphärischen Form des transparenten Beabstandungsele­ ments 64 anzupassen, und würde vor der schließlichen Ver­ kapselung 68 ausgehärtet werden und aushärten. Da die Schicht des Fluoreszenzmaterials 66 aus einer gleichmäßigen Dicke bestehen würde, würde dieselbe nicht von dem Problem des ringförmigen Rings betroffen sein.
Es ist notwendig, eine schnelle Aushärtung vorzunehmen, wie z. B. eine UV-Aushärtung, da es der normale Tropfen bezüglich der Viskosität während der thermischen Aushärtung ermög­ lichen würde, daß die meisten Harze, normalerweise Epoxid­ harze, von der LED 18 trotz der kleinen Größe wegfließen würden. Daraufhin kann die schließliche Verkapselungsschicht 68 aufgetragen werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem spezifischen besten Modus beschrieben worden ist, wird darauf hingewie­ sen, daß für Fachleute in dieser Technik aufgrund der vor­ hergehenden Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen und Variationen offensichtlich sind. Dementsprechend ist beabsichtigt, alle solche Alternativen, Modifikationen und Variationen zu umfassen, die in den Schutzbereich der umfaß­ ten Ansprüche fallen. Alle Dinge, die hierin beschrieben wurden oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt wurden, sind in einem beispielhaften und nicht-begrenzenden Sinne zu interpretieren.

Claims (20)

1. Halbleiterbauelement mit
einem lichtemittierenden Halbleiter (18);
einem transparenten Beabstandungselement (50), das um den lichtemittierenden Halbleiter (18) angeordnet ist;
einer Fluoreszenzmaterial-enthaltenden Schicht (52), die über dem lichtemittierenden Halbleiter (18) und dem transparenten Beabstandungselement (50) angeordnet ist; und
Eingangsanschlüssen (12, 14), die mit dem lichtemittie­ renden Halbleiter (18) verbunden sind, zum Erregen des lichtemittierenden Halbleiters (18), damit derselbe Licht emittiert.
2. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das transparente Beabstandungselement (50) über dem licht­ emittierenden Halbleiter (18) angeordnet ist, und die Fluoreszenzmaterial-enthaltende Schicht (52) durch das transparente Beabstandungselement (50) von dem licht­ emittierenden Halbleiter (18) beabstandet ist.
3. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, das eine Schutzschicht (68) aufweist, die über der Fluoreszenz­ material-enthaltenden Schicht (52) angeordnet ist.
4. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei dem einer (12) der Eingangsanschlüsse einen Reflektor für den lichtemittierenden Halbleiter bildet.
5. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei dem der lichtemittierende Halbleiter (18) Licht bei vor­ bestimmten Wellenlängen erzeugt, das teilweise durch die Fluoreszenzmaterial-enthaltende Schicht (52) in eine an­ dere Wellenlänge umgewandelt wird.
6. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1-5, bei dem
der lichtemittierende Halbleiter (18) blaues Licht er­ zeugt;
die Fluoreszenzmaterial-enthaltende Schicht (52) Phos­ phor enthält, der auf den größten Teil des blauen Lichts anspricht, um Licht zu erzeugen, das mit dem Rest des blauen Lichts kombinierbar ist, um aus demselben weißes Licht zu erzeugen.
7. Halbleiterbauelement mit
einer lichtemittierenden Diode (18);
einem transparenten Verkapselungsharz (64), das um die lichtemittierende Diode (18) angeordnet ist;
einem Harz (66), das ein Fluoreszenzmaterial enthält und über der lichtemittierenden Diode (18) und dem transpa­ renten Verkapselungsharz (64) angeordnet ist; und
Eingangsanschlüssen (12, 14), die mit der lichtemittie­ renden Diode (18) verbunden sind, zum Erregen der licht­ emittierenden Diode (18), damit dieselbe Licht emit­ tiert.
8. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 7, bei dem das transparente Verkapselungsharz (64) über der licht­ emittierenden Diode (18) angeordnet ist, wobei das Harz (66), das das Fluoreszenzmaterial enthält, durch das transparente Verkapselungsharz (64) von der lichtemit­ tierenden Diode (18) beabstandet ist, und wobei das Harz (66), das das Fluoreszenzmaterial enthält, eine im we­ sentlichen gleichmäßige Dicke aufweist.
9. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 7 oder 8, das eine Schutzharzschicht (68) aufweist, die über dem Harz (66), das das Fluoreszenzmaterial enthält, angeordnet ist.
10. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 7-9, bei dem einer (12) der Eingangsanschlüsse (12, 14) einen Re­ flektor für die lichtemittierende Diode und eine Mulde für die Harze bildet.
11. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 7-10, das ein Bauelementsubstrat aufweist, das auf sich angeord­ net die lichtemittierende Diode (18) und auf sich ge­ tropft das Harz aufweist.
12. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 7-11, bei dem die lichtemittierende Diode (18) Licht bei vorbe­ stimmten Wellenlängen erzeugt, das teilweise durch das Fluoreszenzmaterial (66) in eine andere Wellenlänge umgewandelt wird, um ein gleichmäßiges weißes Licht zu liefern.
13. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 7-12, bei dem
die lichtemittierende Diode (18) blaues Licht erzeugt;
das Fluoreszenzmaterial einen ersten Phosphor, der auf das blaue Licht anspricht, um grünes Licht zu erzeugen, und einen zweiten Phosphor enthält, der auf das blaue Licht anspricht, um rotes Licht zu erzeugen; und
das Fluoreszenzmaterial aus dem blauen Licht, das durch dasselbe läuft, und dem roten und dem grünen Licht, das von demselben emittiert wird, weiß-erscheinendes Licht erzeugt.
14. Halbleiterbauelement mit
einem Saphirsubstrat;
einer Indium-dotierten Gallium-Nitrid-Epitaxieschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist, um eine lichtemittierende Diode (18) zu bilden;
einem transparenten Verkapselungsharz (64), das um das Saphirsubstrat angeordnet ist;
einem YAG/Gd:Ce-Phosphor-enthaltenden Harz (66), das über der Epitaxieschicht und dem transparenten Verkap­ selungsharz angeordnet ist; und
Eingangsanschlüssen (12, 14), die mit der Epitaxie­ schicht verbunden sind, zum Erregen der Epitaxieschicht, damit dieselbe Licht emittiert.
15. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 14, bei dem das transparente Verkapselungsharz (64) über der Epitaxie­ schicht angeordnet ist, und das Phosphor-enthaltende Harz (66) durch das transparente Verkapselungsharz (64) von der Epitaxieschicht beabstandet ist.
16. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 14 oder 15, das eine Schutzschicht (68) aufweist, die über dem Phosphor-ent­ haltenden Harz (66) angeordnet ist.
17. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 14-16, bei dem einer (12) der Eingangsanschlüsse (12, 14) einen Reflektor für die Epitaxieschicht auf dem Saphirsubstrat bildet.
18. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 14-17, das ein Bauelementsubstrat (62) aufweist, das auf sich angeordnet das Saphirsubstrat aufweist.
19. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 14-18, bei dem die Epitaxieschicht Licht bei vorbestimmten Wel­ lenlängen erzeugt, das teilweise durch das Phosphor-ent­ haltende Harz (66) in eine andere Wellenlänge umgewan­ delt wird, um ein gleichmäßiges weiß-erscheinendes Licht zu liefern.
20. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 14-19, bei dem
die Epitaxieschicht blaues Licht erzeugt;
das YAG/Gd:Ce-Phosphor-enthaltende Harz (66) ansprechend auf das meiste des blauen Lichts grünes und rotes Licht emittiert; und
das YAG/Gd:Ce-Phosphor-enthaltende Harz (66) aus dem grünen und roten Licht, das von demselben emittiert wird, und dem restlichen blauen Licht, das durch das­ selbe läuft, weiß-erscheinendes Licht erzeugt.
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