ES2335878T3 - Led recubierto con eficacia mejorada. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo emisor luz que comprende: un circuito integrado de diodos emisores de luz; una lente transparente, que recubre dicho circuito integrado de diodo emisor de luz y separada del mismo; y una capa de fósforo, contenida en el interior de dicha lente o depositada sobre una superficie interior o exterior de dicha lente, caracterizado porque la zona de superficie de la capa de fósforo es por lo menos diez veces la zona de superficie expuesta del circuito integrado de diodo emisor de luz.
Description
LED recubierto con eficacia mejorada.
La presente invención se refiere a un
dispositivo emisor de luz, que comprende un diodo emisor de luz azul
o UV o diodo láser (LED) y un fósforo excitable. Más en particular,
la presente invención se refiere a un LED recubierto de fósforo, que
presenta una geometría específica, dada a conocer para el
recubrimiento diseñado para mejorar la eficacia del LED.
Existe actualmente un mercado para los LED para
iluminación general, denominados "LED blancos". Estos "LED
blancos" emiten una radiación que aparece sustancialmente blanca
para quienes la perciben. El LED blanco más conocido consiste en
capas de GalnN, de crecimiento epitaxial, emisoras de luz azul,
sobre zafiro (alúmina monocristal) o SiC monocristal. Las pastillas
de circuito integrado emisoras de luz azul están recubiertas con un
fósforo que convierte parte de la radiación azul en un color
complementario, por ejemplo, una emisión de color
amarillo-verde. En conjunto, la emisión de luz azul
y amarilla-verde genera una luz blanca, normalmente
con una temperatura de color correlacionada de aproximadamente
5.000ºK y un índice de reproducción de los colores, Ra, igual a
aproximadamente de 70 a 75. Existen también LED blancos que utilizan
un circuito integrado emisor de UV y fósforos diseñados para
convertir
la radiación de UV en luz visible. En condiciones normales, se necesitan dos o más bandas de emisión de fósforo.
la radiación de UV en luz visible. En condiciones normales, se necesitan dos o más bandas de emisión de fósforo.
Los LED recubiertos con fósforo blancos suelen
presentar típicamente eficacias del paquete entre aproximadamente el
50 y el 70%. La eficacia del paquete se define como la relación de
rendimiento de luz real del LED a la luz que se obtendría si toda la
radiación generada escapara desde el paquete sin ser absorbida. En
la invención aquí descrita en la presente memoria, se pueden obtener
eficacias del paquete que se aproxima al 100%.
En la técnica anterior, los LED con
recubrimiento de fósforo presentan rendimientos del paquete bastante
bajos, en parte debido a que las partículas de fósforo generan una
luz que es radiada igualmente en todas las direcciones. Parte de
esta luz es dirigida, invariablemente, hacia el circuito integrado
de LED, el substrato, el soporte y la estructura de plomo. Todos
estos elementos absorben parte de esta luz. Además, debido a que los
fósforos no suelen ser absorbedores perfectos de la radiación de luz
azul o de UV de longitud de onda larga, parte de la radiación
excitada inicial, emitida por el propio circuito integrado de LED,
es también reflejada sobre los elementos estructurales antes
citados. Por último, en el caso de circuitos integrados emisores de
UV, con el fin de absorber toda la radiación UV y evitar su
sangrado, el recubrimiento de fósforo debe ser, en condiciones
normales, relativamente grueso, por lo menos con un espesor de 5 a 7
partículas. Esto aumenta todavía más la reflectancia visible del
recubrimiento. La luz perdida debido a la absorción de la radiación
por el circuito integrado de LED, su soporte, reflector y estructura
de plomo limitarán la eficacia del paquete.
Como fue anteriormente indicado, los
rendimientos típicos de los paquetes son del 50 al 70%. Por lo
tanto, existe una oportunidad significativa de mejorar la eficacia
de los paquetes de LED si dicha eficacia se pudiera aumentar a casi
un 100%. Las lámparas fluorescentes, por ejemplo, que utilizan
también recubrimientos de fósforo, presentan rendimientos próximos
al 100% principalmente debido a que la luz que se genera por el
recubrimiento de fósforo y es objeto de radiación en la lámpara no
incide sobre cualesquiera estructuras absorbentes.
Otro importante problema que se resuelve por la
presente invención es la uniformidad de la eficacia del fósforo. Los
diseños actuales dan lugar a que los rendimientos de los paquetes
antes citados presenten normalmente el circuito integrado emisor de
luz azul o de UV montado sobre un sustrato y a continuación,
colocado en un receptáculo receptor recubierto de plata. Este
receptáculo es rellenado con una silicona o resina epoxídica
silicónica con el polvo de fósforo embebido en su interior. Las
partículas de fósforo son distribuidas, de forma aleatoria, en el
lodo de silicona que, además del efecto antes citado de brillo
reducido del paquete debido a la retro-dispersión de
la luz, el correspondiente espesor del fósforo difiere también, en
gran medida, de la geometría del recubrimiento. Esto da lugar a una
separación de colores en el haz generado. Además, da lugar a
diferentes colores para diferentes partes debido a los distintos
modelos
de recubrimiento y espesores así como anillos de colores azul o amarillo indeseables en el modelo de emisión de LED.
de recubrimiento y espesores así como anillos de colores azul o amarillo indeseables en el modelo de emisión de LED.
El problema de la uniformidad del recubrimiento
de fósforo ha sido resuelto en la patente US nº 5.959.316, en la que
una capa de fósforo o fluorescente de espesor uniforme está separada
de un circuito integrado de LED por un espaciador transparente. El
conjunto completo se incorpora luego en una resina epoxídica de
encapsulado transparente.
Las patentes US nº 2002 079506 y US nº 2001
000622 dan a conocer varias formas de realización de dispositivos
emisores de luz que presentan diferentes tipos de geometrías de
superficies recubiertas de fósforo.
Otro problema que se encuentra en los paquetes
de LED de la técnica anterior es que la eficacia del fósforo
disminuye cuando está situado en una capa sobre la parte superior, o
adyacente al circuito integrado de LED. Esto se debe al calor
residual de la pastilla de circuito integrado que caliente el
fósforo y cambia sus características de emisión. Otro inconveniente
de los paquetes de LED de la técnica anterior es que, debido al
hecho de que el recubrimiento de fósforo se aplica de forma no
uniforme, la cantidad de fósforo utilizada suele ser mayor que la
necesaria para la conversión eficiente de la luz emitida por el
circuito integrado. Las composiciones del fósforo son relativamente
caras y este importe adicional aumenta, en gran medida, el coste
total del LED.
Una forma de reducir al mínimo las pérdidas
luminosas en los LED es asegurar que el soporte, el reflector y la
estructura de plomo estén recubiertos con la mayor cantidad posible
de material reflectante. La mayoría de los fabricantes aplican este
procedimiento. No obstante, el circuito integrado de LED, por sí
mismo, en particular en el caso de un circuito integrado con un
sustrato de SiC, absorbe cantidades significativas de su propia
radiación y de la radiación del fósforo. Además, otras partes de la
estructura del LED, por ejemplo el soporte, son grandes absorbentes
de la radiación visible y de casi - UV. De forma sorprendente, los
elementos de la estructura de plomo y del reflector recubierto de
plata son algo absorbentes de ambas radiaciones. Debido a esta
absorción y al hecho de que una parte importante de la radiación es
objeto de rebote entre el recubrimiento de fósforo y la estructura
del LED, raramente se consiguen rendimientos del paquete superiores
a entre 50 y el 70% incluso con las superficies recubiertas.
Un procedimiento alternativo para depositar el
fósforo en la silícona es un receptáculo receptor según se utiliza
en los productos de LED de LumiLED's LUXEON^{TM}. En estos
diseños, el circuito integrado de LED emisor se recubren con un
recubrimiento conformado delgado de fósforo. Esta disposición reduce
la falta de uniformidad en el espesor del recubrimiento sobre el
circuito integrado así como favorece la uniformidad de color de un
LED a LED. Sin embargo, puede disminuir realmente la eficacia global
del LED porque el circuito integrado y su soporte son absorbentes y
más de la mitad de la radiación generada por el recubrimiento de
fósforo es reflejada directamente de nuevo hacia estos
componentes.
Por lo tanto, sería ventajoso para diseñar un
LED recubierto de fósforo que presente una eficacia luminosa máxima
aumentando el rendimiento del paquete del LED por encima del 70% y
preferentemente próximo al 100%.
Además, sería deseable fabricar LED blancos de
fósforo con luz azul/UV con una capa de fósforo uniforme y
rendimiento cromático constante y, en el caso de circuitos
integrados emisores de UV, un LED sin una cantidad significativa de
fugas de radiación de UV al medio ambiente.
Asimismo, es deseable aumentar la eficacia de la
conversión del fósforo aplicando un espesor de recubrimiento
uniforme del fósforo y situando este revestimiento alejado del
circuito integrado de LED para impedir que el calor desde el
circuito integrado le sea transmitido.
Además, es deseable reducir al mínimo el
desplazamiento cromático del LED, debido a fluctuaciones de la
corriente. Un desplazamiento de color con las fluctuaciones de la
corriente se observa, con frecuencia, en los LED recubiertos con
fósforo, debido a la alta densidad del flujo de radiación sobre el
fósforo, que tiende a saturar el fósforo agotando el estado base de
algunos activadores. En la invención descrita en la presente
memoria, al efectuar remotamente el recubrimiento del fósforo se
disminuye, en gran medida, la densidad de flujo azul (W) desde el
circuito integrado de LED.
En un aspecto, la invención se da a conocer en
la reivindicación 1.
Un procedimiento para formar un conjunto de
iluminación de LED, que presenta las etapas de proporcionar un
circuito integrado de LED sobre una superficie de montaje, aplicando
un recubrimiento de fósforo a una lente transparente y uniendo dicha
lente a dicha superficie de montaje. De este modo, la luz emitida
desde dicho circuito integrado de LED se transmite a dicha lente,
cuya disposición se examina en la presente memoria.
Un procedimiento para formar un conjunto de
iluminación con LED, presentando las etapas de dispersar fósforo en
un aglutinante y un disolvente, para formar una mezcla de fósforo,
aplicar dicha mezcla de fósforo a una lente transparente, efectuar
el curado de dicho aglutinante y unir dicha lente a una superficie
de montaje sobre un circuito integrado de LED, es también examinado
en la presente memoria.
Preferentemente, se da a conocer un
recubrimiento de fósforo que circunda completamente al circuito
integrado de LED y presenta un área de cobertura de por lo menos
aproximadamente diez veces el área expuesta de las partes
absorbentes del LED. En la mayor parte de los casos, tal como cuando
el fósforo se deposita para recubrir una semiesfera o una estructura
geométrica similar, dicho requisitos se cumple retirando la
superficie recubierta de fósforo desde el circuito integrado en por
lo menos una distancia 2 a 3 veces la longitud del lado más largo
del circuito integrado y rodeando el circuito integrado, de modo que
ninguna radiación pueda escapar sin incidir sobre la superficie
recubierta de fósforo. La radiación generada o reflejada desde dicho
recubrimiento presenta una mayor probabilidad de incidir sobre otras
partes del recubrimiento en lugar de hacerlo sobre el circuito
integrado, su soporte, etc. Por consiguiente, existe menos luz
perdida debido a la radiación que se absorbe por estas estructuras
internas del LED.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
conjunto de paquete de LED convencional.
La figura 2 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una primera forma de realización de la
presente invención.
\newpage
\global\parskip0.900000\baselineskip
La figura 3 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una segunda forma de realización de la
presente invención.
La figura 4 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una tercera forma de realización de la
presente invención;
La figura 5 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una cuarta forma de realización de la
presente invención.
La figura 6 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una quinta forma de realización de la
presente invención.
La figura 7 es una vista en sección transversal
de un conjunto de LED según una sexta forma de realización de la
presente invención.
La figura 8 es una representación de un conjunto
de LED según una forma de realización de la presente invención, que
ilustra las líneas de flujo para la radiación incidente sobre sus
diversas superficies.
La figura 9 es una vista en sección transversal
de una lente para una fuente de LED, emisores de luz azul, que
contiene un filtro de paso de banda.
La figura 10 es una vista en sección transversal
de una lente para un LED de UV, que contiene múltiples filtros de
paso de banda.
La figura 11 es una vista en sección transversal
de una lente que contiene un conjunto matricial de
micro-lentes o de macro-lentes,
formado sobre la superficie exterior de la lente para controlar el
ángulo de emisión así como la dirección o intensidad de la radiación
emitida.
Aunque lo que se describe a continuación se
refiere a las realizaciones de la presente invención relativas a
LED, por conveniencia, ha de entenderse que la invención guarda
relación con el uso de cualquier semiconductor emisor de luz.
Haciendo referencia a la figura 1, un conjunto de LED convencionales
se designa con la referencia numérica 10. Dicho conjunto de LED
comprende un circuito integrado de LED 12 montada sobre una
superficie inferior 14 del conjunto de LED. El circuito integrado de
LED 12 emite una radiación (normalmente de UV o de luz azul en un
LED de luz blanca). Una lente 18, fabricada de un material
transparente, rodea al circuito integrado 12 y la superficie
inferior 14. Dos hilos de plomo 20 conectan el circuito integrado 12
a una fuente de alimentación de energía eléctrica. Rellenando el
espacio 22 entre la lente y el circuito integrado 12 suele
disponerse una resina epoxídica u otro material transparente (no
representado). En el interior de la resina epoxídica, hay una
dispersión íntima de partículas de fósforo (no representadas) que
absorben por lo menos una parte de la luz emitida por el circuito
integrado 12 y la convierten a una longitud de onda diferente.
Aunque el rendimiento de dichos LED puede ser
apropiado para algunas aplicaciones, adolecen de gran parte de los
inconvenientes descritos anteriormente. Por lo tanto, las formas de
realización dadas a conocer, a continuación, presentan como objetivo
superar algunas de las limitaciones de los LED convencionales.
Haciendo referencia a la figura 2, se representa
una vista en sección transversal de una forma de realización de la
invención. En esta forma de realización, un paquete de LED se
proporciona generalmente en 110 e incluye un circuito integrado de
LED 112, montado sobre un substrato 114, que se monta, a su vez, en
un reflector 116. Tal como aquí se utiliza, el término
"reflector" se entiende que incluye no solamente cualquier
superficie en la parte inferior del paquete de LED, sino también
cualesquiera otras estructuras destinadas al soporte del circuito
integrado de LED, por ejemplo, un disipador de calor, etc. Una lente
118, fabricada de un material transparente, rodea al circuito
integrado 112, al substrato 114 y al reflector 116. De forma
opcional, el espacio de relleno 122 entre la lente y el circuito
integrado 112 suele ser una resina epoxídica u otro material
transparente. Una capa de fósforo 124, que comprende partículas de
fósforo, se aplica sobre una superficie interior o exterior de la
lente 118. El recubrimiento se deposita, en una forma de realización
preferida, sobre una superficie interior de la lente para impedir
que el recubrimiento de fósforo se desplace al manipularlo, etc. El
espesor del recubrimiento de fósforo debe ser suficiente para
convertir, por lo menos una parte de la radiación emitida por el
circuito integrado de LED, a una longitud de onda diferente. Esta
última suele estar comprendida entre 6 y 200 \mum, con un espesor
preferido comprendido entre 20 y 30 \mum.
El circuito integrado de LED 112 puede ser
cualquier LED de luz azul o de UV convencional. Dichos LED son
conocidos en la técnica anterior y suelen consistir en capas de
InGaN o de AlGaN, de crecimiento epitaxial, sobre un substrato de
zafiro, alúmina o de SiC monocristal. Un circuito integrado de LED
preferido puede presentar una emisión primaria en el margen de
longitudes de onda de 200 a 480 nm. De forma análoga, la capa de
fósforo 124 puede incluir uno o más fósforos fluorescentes adecuados
capaces de absorber la radiación azul o de UV y, a su vez, producir,
solos o en combinación con la radiación emitida por el circuito
integrado de LED, una luz blanca o casi blanca para fines de
iluminación. Fósforos adecuados para uso en la presente invención
incluyen, sin limitación, a: Y_{3}Al_{5}O_{2}:Ce (YAG:Ce),
Tb_{3}Al_{4,9}O_{12}:Ce (TAG: Ce), y
Sr_{4}Al_{14}O_{25}:Eu (SAE). Otros fósforos que producen luz
blanca son también adecuados. El tamaño de las partículas del
fósforo no es crítico y puede ser, a modo de ejemplo, de un diámetro
de 3 a 30 \mum.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La lente 118 se puede fabricar de cualquier
material que sea sustancialmente transparente a la radiación emitida
por el fósforo y el circuito integrado de LED. De este modo,
dependiendo de la longitud de onda de la radiación emitida, la lente
puede comprender varios materiales incluyendo, sin limitación,
vidrio, resina epoxídica, plástico, resinas termoplásticas o
termo-endurecidas o cualquier otra clase de material
encapsulante de LED, conocido en la técnica anterior.
La aplicación del recubrimiento de fósforo 124
sobre una superficie interior de la lente 118 en lugar de
dispersarse en la resina epoxídica o en otro material de relleno
proporciona una conversión más uniforme y eficiente de la emisión
del LED. Una ventaja es que se puede aplicar un recubrimiento
uniforme de espesor controlado. Una ventaja de esta disposición es
que el espesor del recubrimiento se puede controlar, con precisión,
para lograr una eficacia de conversión óptima y un control del
sangrado de la radiación UV (si se utiliza un circuito integrado
emisor de UV) utilizando una cantidad mínima de fósforo. Esto ayuda
a conseguir una emisión de luz uniforme, sin la incidencia de
anillos cromáticos, resultantes de la dispersión no uniforme del
fósforo en los dispositivos de la técnica anterior. Otra ventaja es
que el fósforo es remoto desde el calor generado por el LED, lo que
aumenta todavía más la eficacia de la conversión. Por supuesto, la
capa de fósforo se puede situar en el interior del material de la
lente o presentar un recubrimiento de otro material situado encima y
dicha disposición es contemplada por la invención.
Aunque sin carácter limitativo, el recubrimiento
de fósforo se puede aplicar, por ejemplo, por recubrimiento
pulverizado, recubrimiento por rodillos, recubrimiento por inmersión
o menisco, estampado, serigrafiado, dispensación, laminado,
cepillado o pulverización así como cualquier otro procedimiento que
pueda proporcionar un recubrimiento de espesor uniforme. Un
procedimiento preferido para aplicar el fósforo es por
pulverización.
En una técnica, de una forma de realización
ejemplificativa, para el recubrimiento de la lente y partes
reflectoras de la carcasa del LED, el polvo de fósforo se agita
primero en un lodo, junto con un aglutinante y un disolvente.
Aglutinantes adecuados incluyen, sin limitación, a la silicona, las
resinas epoxídicas, los termoplásticos, los compuestos acrílícos,
las poliimidas así como sus mezclas. Disolventes adecuados incluyen,
sin limitación, disolventes de bajo punto de ebullición, tales como
tolueno, metil-etilcetona (MEK), cloruro de metileno
y acetona. La cantidad de cada componente en el lodo no es crítica,
pero debe elegirse de modo que produzca un lodo que sea de fácil
aplicación a la lente, al mismo tiempo que contenga también una
concentración suficiente de partículas de fósforo para una
conversión eficaz de la radiación del LED. Un lodo, en una forma de
realización ejemplo, puede obtenerse utilizando unas 2 par-
tes en peso de un fósforo de 6,1 \mum, 1,2 partes de silicona y 1 parte de MEK. Una silicona adecuada es GE XE5844.
tes en peso de un fósforo de 6,1 \mum, 1,2 partes de silicona y 1 parte de MEK. Una silicona adecuada es GE XE5844.
El lodo se aplica, posteriormente, a la
superficie de la lente. La lente recubierta se puede someter, a
continuación, a cocción, caldeo o tratarse, de cualquier otro modo,
para eliminar el disolvente y efectuar el curado del aglomerante.
Tal como aquí se utiliza, el término "curado" abarca no
solamente el curado real o degradación del aglomerante sino también,
más en general, para indicar cualquier cambio químico y/o físico en
el aglomerante a un estado en que las partículas de fósforo se hagan
relativamente estacionarias en el aglomerante, normalmente debido a
una solidificación o endurecimiento del aglomerante.
Según se indicó con anterioridad, el lodo se
puede aplicar a la lente mediante cualquier procedimiento adecuado.
En un procedimiento preferido, el lodo se aplica mediante
recubrimiento por pulverización. En este procedimiento, se utiliza
el lodo para rellenar el depósito de un cepillo neumático adecuado.
A continuación, el lodo se pulveriza usando una pistola de
pulverización presurizada en la lente, que es precalentada y
mantenida sobre una placa calentadora, a una temperatura elevada,
preferentemente superior a la temperatura de ebullición del
disolvente; por ejemplo, a una temperatura aproximada de 110ºC. La
pulverización se realiza con pasadas sucesivas, que se pueden
efectuar en aproximadamente 1/4 segundo por pasada. El lodo se seca
por contacto y se consigue así un recubrimiento uniforme. Un
recubrimiento de aproximadamente 4 capas de espesor (equivalente a
20-30 \mum utilizando partículas de fósforo de 6
\mum de tamaño) se consigue sobre la lente con 35 a 40 pasadas. A
continuación, la lente se somete a cocción para el curado del
aglomerante. Está previsto que este procedimiento para recubrir los
LED sería utilizado cualesquiera LED para iluminación general. Si
así se desea, un segundo recubrimiento de un material transparente
se puede añadir sobre la capa
de fósforo para proteger el fósforo o para proporcionar un sobre-recubrimiento para facilitar la extracción de la luz.
de fósforo para proteger el fósforo o para proporcionar un sobre-recubrimiento para facilitar la extracción de la luz.
Una mejora significativa en el rendimiento
luminoso se ha conseguido utilizando LED de luz azul con el fósforo
YAG con respecto al procedimiento de recubrimiento convencional, en
el que el fósforo es embebido en el lodo y aplicado uniformemente
alrededor de la pastilla de circuito integrado. Evidentemente
existen muchas otras maneras de conseguir que la lente circunde un
circuito integrado de LED. Estos procedimientos se considerarían
dentro del alcance de la presente invención.
En una forma de realización ejemplificativa, la
lente presente preferentemente un radio que es por lo menos de 2 a 3
veces la longitud ("L") de un lado de la pastilla de circuito
integrado. Esta disposición aumenta la probabilidad de que la
radiación reflejada o generada por un recubrimiento aplicado a dicha
lente es más probable que incida sobre otras partes del
recubrimiento, donde será retransmitida, en lugar del circuito
integrado u otra área no recubierta, donde será absorbida y
perdida.
En una segunda forma de realización,
representada en la figura 3, un paquete de LED se proporciona de
nuevo en 210 e incluye un circuito integrado de LED 212 montado
sobre un soporte 214 que, a su vez, está montado en un reflector
216. Una lente 218 circunda el circuito integrado 212 y su soporte
214 y su reflector 216. De forma opcional, el espacio de relleno 222
entre la lente y el circuito integrado 212 suele ser de resina
epoxídica u otro material transparente. Para mejorar todavía más la
eficacia, se aplica un recubrimiento de fósforo 224, que incluye
partículas de fósforo, sobre una superficie interior 226 de la lente
218 y sobre la superficie superior del reflector 216. La superficie
superior del reflector, que puede considerarse como la parte
inferior del paquete, es, en una forma de realización preferida,
recubierta primero con una capa reflectante 240, tal como un polvo
muy dieléctrico, tal como alúmina, titanio, etc. Un material
reflectante preferido es Al_{2}O_{3}. La capa de fósforo 224 se
coloca, a continuación, sobre la capa reflectante 240 sobre la parte
superior del reflector. El uso de la capa reflectante 240 sirve para
reflejar cualquier radiación 242 que penetre en la capa de fósforo
224 sobre esta superficie. Como alternativa, en lugar de recubrir la
lente transparente 118 con una capa de fósforo separada 224, el
fósforo puede, en cambio, dispersarse, de forma íntima, en el
interior del material que comprende la semiesfera transparente.
La capa de fósforo 224 sobre la capa reflectante
240 en el reflector 216 es, preferentemente, relativamente gruesa,
por ejemplo de más de 5 capas de polvo, mientras que la capa de
fósforo en la parte superior curvada de la semiesfera se puede
ajustar para conseguir un color deseado y para absorber toda la
radiación que incide sobre ella. En general, la capa de fósforo
sobre la parte superior de la semiesfera variará entre 1 a 4 capas
de espesor en el caso de circuitos integrados emisores de luz azul,
con el fin de que sea emitida parte de la radiación azul. En el caso
de circuitos integrados de UV, la capa de recubrimiento de fósforo
sobre la semiesfera debe ser de 4 a 8 capas de espesor con el fin de
absorber por lo menos la mayor parte de la radiación de UV emitida
por el circuito integrado.
Según se representa en la figura 3, la radiación
desde el circuito integrado 242 se impide dejando la estructura sin
la primera incidencia en la superficie recubierta de fósforo de la
semiesfera. Además, el área de superficie recubierta por fósforo
total es mucho mayor que el área superficial de circuito integrado
emisor, preferentemente por lo menos 10 veces el área superficial
expuesta de las partes absorbentes del circuito integrado de LED.
Tal como aquí se utiliza, el área superficial expuesta de las partes
absorbentes del LED comprende el área superficial expuesta del
circuito integrado de LED así como cualquier superficie expuesta del
soporte no recubierto con una capa reflectante y/o una capa de
fósforo.
En tal disposición, aunque pueda existir una
cantidad significativa de una radiación de luz azul o de UV dispersa
en la semiesfera, casi toda esta radiación, que está difusamente
dispersa, incide sobre otras zonas del recubrimiento de fósforo, en
lugar de sobre el circuito integrado o su soporte. La mayor parte de
la luz visible generada por el recubrimiento de fósforo es dirigida
también de nuevo a la semiesfera. Además, no existe ningún reflector
metálico ni ninguna estructura de plomo expuesta. La importante
característica de esta geometría es que todo, excepto el circuito
integrado de LED 212 está recubierta con fósforo y el área
superficial de fósforo de la semiesfera es mucho mayor,
preferentemente superior a 10 veces el área superficial de cualquier
parte absorbente del LED. Por lo tanto, casi toda la radiación
vuelve a penetrar en la semiesfera incidiendo sobre otras zonas
recubiertas con fósforo y es reflejada o absorbida y retransmitida
por el fósforo. Las formas de realización, aquí dadas a conocer, se
calculan para presentar una eficacia superior al 70% y en la mayor
parte de los casos, aproximándose al 100%.
En la Tabla 1, la eficacia de este diseño se
compara con varias geometrías de paquetes de LED estándar. Estas
comparaciones se realizaron utilizando una simulación por ordenador.
La simulación por ordenador es modelo de flujo descrito a
continuación. Considera todos los flujos de radiación y supone que
todos son difundidos de modo que la cantidad de radiación incidente
sobre cualquier superficie dada sea proporcional a su área. Tal como
se indica en la Tabla 1, la geometría antes descrita proporciona una
eficacia del paquete de prácticamente un 100%.
La figura 4 representa una segunda forma de
realización que opera bajo el mismo principio. En este caso, un
circuito integrado de LED 312 está montado sobre un soporte 314, que
sirve también como el disipador de calor. Sin embargo, el circuito
integrado 312 está situado en el centro de una esfera moldeada 318.
Una capa de fósforo (no representada) se deposita, a continuación,
sobre la superficie interior 320 de la esfera 318 o, como
alternativa, se dispersa íntimamente dentro de la esfera. En este
diseño, el LED radiará uniformemente en todas las direcciones. De
nuevo, resulta evidente que la radiación de luz azul/UV y la
radiación visible generada por el recubrimiento de fósforo y
dispersada hacia el interior de la esfera será más probable que
incida sobre otras superficies recubiertas de fósforo incidiendo
preferentemente sobre el circuito integrado 312 o el soporte 314.
Estas estructuras absorbentes de la luz son como pequeños objetivos
para la radiación difusa. Según se observa en la Tabla 1, la
eficacia del paquete está próxima al 100% para esta disposición. La
eficacia del paquete inferior para la estructura de LED sobre
substrato de SiC se deben a una mayor absorción de la radiación del
LED por el substrato de SiC en comparación con el substrato de
Al_{2}O_{3}.
A partir de las formas de realización
anteriores, resulta evidente que la forma específica del
recubrimiento de fósforo no es importante con tal que rodee, lo más
completamente posible, al circuito integrado de LED y con una
distancia suficiente desde este circuito integrado (por ejemplo una
distancia tal que la superficie recubierta de fósforo presente un
área superficial mayor que aproximadamente 10 veces el área
superficial expuesta del circuito integrado), de modo que la
radiación dispersa desde el recubrimiento sea improbable que incida
sobre el circuito integrado o sus estructuras. La invención no está
limitada a las formas de realización aquí descritas, pero está
previsto que se refiera a todas las formas de recubrimiento, en las
que las superficies recubiertas de fósforo presenten aproximadamente
10 veces el área expuesta de las partes absorbentes del LED o mayor.
De este modo, la lente sobre la que se recubre el fósforo no está
limitada a una forma semiesférica o esférica, sino que puede
presentar cualquier forma geométrica, con el área superficial
recubierta de fósforo siendo aproximadamente por lo menos 10 veces
el área expuesta de las partes absorbentes del LED.
La invención está, además, prevista para cubrir
geometrías que no sean tan ideales y quizás no proporcionen la
ventaja completa de la eficacia del paquete del 100% pero, no
obstante, utilicen el principio de un recubrimiento de fósforo
remoto diseñado de modo que la superficie recubierta sea por lo
menos 10 veces el área emisora del circuito integrado. Por ejemplo,
la figura 5 representa esquemáticamente un LED de montaje
superficial convencional. En esta disposición, el circuito integrado
de LED 412 y su soporte 414 están montados en un receptáculo de
reflector 416. A diferencia del diseño convencional (descrito en los
antecedentes de la invención anteriores), que presenta el fósforo
incorporado, de forma más o menos aleatoria, en un medio óptico
entre el reflector y la lente, el recubrimiento de fósforo se aplica
como una capa sobre una lente transparente 418. El recubrimiento de
fósforo es remoto desde el circuito integrado 412 y sobre una
superficie con aproximadamente más de 10 veces el área expuesta de
las partes absorbentes del LED. Evidentemente, la superficie de la
lente 418 sobre la que se aplica el recubrimiento de fósforo puede
presentar un área superficial menor que 10 veces el área superficial
del circuito integrado. Sin embargo, la eficacia del paquete del
conjunto se reducirá en consecuencia, puesto que una mayor parte de
la radiación incidirá y será absorbida por el circuito integrado. De
nuevo, una segunda lente 430 se puede montar sobre la lente
recubierta de fósforo para fines de protección.
La mayor parte de la radiación de color azul o
de UV y la radiación visible, que se dispersa desde el recubrimiento
del fósforo, incide sobre el receptáculo reflector 416 u otra
superficie de fósforo. Solamente una cantidad relativamente pequeña
incide sobre el circuito integrado absorbedor de luz y su soporte.
En este diseño, es importante que el receptáculo reflector 416 se
fabrique de un material muy reflectante, por ejemplo, un
recubrimiento de plata protegido y depositado por vapor con una
reflectividad superior al 95% o un polvo inorgánico de alta pureza,
tal como titanio o alúmina finamente dividida. Además, el
receptáculo reflector 416 puede estar, o no, recubierto con el
fósforo. En la Tabla 1 se indica el rendimiento simulado de un LED
específico con un área de 1,6 mm^{2} sobre un soporte en un
receptáculo reflector de plata utilizando una lente recubierta de
fósforo con un área de 27 mm^{2}.
Según se representa en las figuras 6 y 7, la
presente invención da a conocer, además, el concepto de un
recubrimiento de fósforo remoto que se aplica a sistemas que
contienen múltiples circuitos integrados de LED. Múltiples LED
emisores de luz azul o UV se pueden montar sobre una placa de
interconexión eléctrica reflectante única u otra estructura. Una
superficie recubierta de fósforo se utiliza, a continuación, para
rodear no un LED único sino el conjunto completo de LED. La
superficie recubierta de fósforo se puede utilizar sola o en
combinación con otras superficies muy reflectantes para rodear el
conjunto de LED. Dos ejemplos de dichas estructuras se representan
en las figuras 6 y 7. Un ejemplo es un módulo de potencia 500 que
podría utilizarse como una lámpara descendente. El otro ejemplo es
una lámpara de panel 600 con numerosos LED montados detrás de un
panel recubierto de fósforo. Resulta evidente que muchas de dichas
disposiciones se podrían fabricar siempre que el área superficial de
fósforo sea 10 veces el área expuesta de las partes absorbente del
LED.
Según fue anteriormente detallado, cualquiera de
las formas de realización pueden presentar un relleno de resina
epoxídica u otro relleno transparente entre el circuito integrado de
LED y la lente recubierta de fósforo. Se puede realizar una
extracción de luz más eficiente cuando el índice de refracción del
relleno transparente o encapsulante se adapte estrechamente a la
media geométrica de los índices de refracción del circuito integrado
y de la lente, preferente dentro de un 20% de este valor e incluso
más preferentemente dentro de un 10%. Esto disminuye la cantidad de
reflexiones internas en la lámpara. De este modo, en el caso de un
circuito integrado de LED de GaN, que presente un índice de
refracción de aproximadamente 2,7, con una lente con un índice de
refracción de aproximadamente 1,5, el relleno presentará
preferentemente un índice de refracción de aproximadamente 2,1. En
el caso de un circuito integrado de LED, constituido por dos o más
materiales que presenten índices de refracción diferentes, tal como
un semiconductor de GaN sobre un soporte de zafiro, con un índice de
refracción de aproximadamente 1,7, el índice de refracción del
encapsulante coincidirá preferentemente con la media geométrica de
la lente y el mayor de los dos índices. De este modo, se puede
conseguir una mejor extracción de luz con encapsulantes que
presenten un más elevado índice de refracción que el relleno
epoxídico, tal como el denominado spin-on glass (SOG)
de vidrio u otros materiales de elevado índice de refracción.
Cualquiera de las formas de realización
anteriores puede presentar, además, uno o más filtros de paso de
banda para mejorar todavía más la eficacia del paquete de LED
resultante. De este modo, en una forma de realización, según se
¡lustra en la figura 9, una lente 718 para una fuente de LED de luz
azul se representa conteniendo un primer filtro de paso de banda
750. El filtro de paso de banda está situado entre la capa de
fósforo 724 y el LED (no representado). El filtro de paso de banda
se selecciona de modo que la luz incidente desde la fuente de LED de
luz azul 752 se permita pasar mientras que la luz emitida desde la
capa de fósforo 754 sea reflejada hacia fuera.
En la forma de realización representada en la
figura 10, dos filtros de paso de banda están presentes en un
paquete fuente de LED de UV. En esta forma de realización, un primer
filtro de paso de banda 850 está situado entre la capa de fósforo
824 y el paquete fuente de LED (no representado) adyacente a una
lente 818. El primer filtro de paso de banda actúa para transmitir
la luz de UV 852 desde el LED, mientras que refleja la luz emitida
desde la capa de fósforo 854. un segundo filtro de paso de banda 856
refleja la luz de UV desde el LED 852 mientras que permite el paso
de la luz emitida desde la capa de fósforo 854. Esta disposición
impide la transmisión de una radiación de UV, potencialmente
peligrosa, desde el paquete al mismo tiempo que asegura la
transmisión de luz visible.
Según se observa en la figura 11, se puede
formar un conjunto matricial de microlentes o microlentes 960 sobre
la superficie exterior de la lente 918 en cualquiera de las formas
de realización anteriores para controlar él ángulo de emisión,
dirección o intensidad de la radiación emitida 952 y 954.
Los resultados del cálculo, indicados en la
tabla 1, están basados en un modelo de flujo lineal, ilustrado en la
figura 8. La figura representa nueve flujos incidentes sobre cuatro
superficies del paquete de LED. Estos flujos se describen por las
nueve ecuaciones lineales siguientes, con cada ecuación describiendo
el flujo con el número correspondiente. Las ecuaciones son:
Estas superficies son:
3 = superficie recubierta de fósforo
superior.
2 = la superficie recubierta de fósforo
inferior.
1 = el reflector y el soporte y
0 = el circuito integrado emisor de luz azul o
UV.
\vskip1.000000\baselineskip
Existen otras nueve ecuaciones que describen los
flujos de luz azul o de UV. Las ecuaciones que describen los flujos
de luz azul o de UV no están representadas. Están relacionadas con
las ecuaciones de luz visible a través de la eficacia cuántica Q y
el desplazamiento de Stoke (\lambdai/\lambdal). Las dieciocho
ecuaciones lineales resultan en dieciocho incógnitas, por ejemplo
las correspondientes potencias de radiación que incide sobre cada
superficie y se resuelven de forma simultánea.
\newpage
Los valores de p son las probabilidades de que
la radiación desde una superficie incida sobre otra. En los cálculos
indicados en la Tabla 1, fueron tomados como siendo las relaciones
de las áreas superficiales. Q es la eficacia cuántica del fósforo,
\lambda es la longitud de onda media de la radiación del circuito
integrado de luz azul o de UV o la longitud de onda media de la
emisión visible del fósforo.
Los demás parámetros necesarios son las
propiedades de reflectividad y de absorptividad de las diferentes
superficies de los materiales. Se obtuvieron a partir de los valores
de Handbook o se midieron directamente utilizando métodos conocidos.
No existen valores para las propiedades de reflectividad de los
circuitos integrados y por ello, se calcularon suponiendo que cada
circuito integrado consistía en las capas de semiconductor y del
substrato. Toda la radiación incidente sobre el circuito integrado
fue supuesta como normal e incidente sobre el substrato en un diseño
denominado flip-chip y se ignoraron los aspectos de la
difracción. Hasta el segundo orden, la expresión para la
reflectividad del circuito integrado es, entonces:
donde:
- R_{sub} = reflectividad del substrato
- R_{act} = reflectividad de capas activas
- a_{sub} = coste de absorción del substrato
- a_{act} = coeficiente de absorción de capas activas
- t_{sub} = espesor del substrato
- t_{act} = espesor de capas activas
\vskip1.000000\baselineskip
Se utilizaron valores conocidos o estimados para
los índices de refracción, los coeficientes de absorción y los
espesores. De este modo:
La invención ha sido descrita con referencia a
las formas de realización preferidas. Evidentemente, se ocurrirán
posibles modificaciones y alteraciones al leer y entender la
descripción detallada precedente. Está previsto que la invención se
interpretada como incluyendo todas dichas modificaciones y
alteraciones.
Claims (6)
1. Dispositivo emisor luz que comprende:
un circuito integrado de diodos emisores de
luz;
una lente transparente, que recubre dicho
circuito integrado de diodo emisor de luz y separada del mismo;
y
una capa de fósforo, contenida en el interior de
dicha lente o depositada sobre una superficie interior o exterior de
dicha lente,
caracterizado porque la zona de
superficie de la capa de fósforo es por lo menos diez veces la zona
de superficie expuesta del circuito integrado de diodo emisor de
luz.
2. Dispositivo emisor de luz según la
reivindicación 1, que comprende, además, un relleno transparente
situado entre dicho circuito integrado de diodo emisor de luz y
dicha lente.
3. Dispositivo emisor de luz según una de las
reivindicaciones 1 y 2, en el que dicho circuito integrado de diodo
emisor de luz presenta una emisión primaria en el intervalo
comprendido entre 200 y 480 nm.
4. Dispositivo emisor de luz según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho dispositivo emisor de luz
emite luz blanca.
5. Dispositivo emisor de luz según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha lente comprende una esfera o
una semiesfera y dicho circuito integrado de diodo emisor de luz
está situado en el centro aproximado de dicha esfera o
semiesfera.
6. Dispositivo emisor de luz según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha lente se fabrica a partir de
vidrio.
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