技术领域
本发明大体涉及用于LED的荧光墨。具体地，本发明涉及用于在LED 和/或LED封装上喷墨印刷精确量的荧光体的荧光墨。
背景技术
发光二极管(“LED”)是一种半导体光源。LED与其它光源诸如白炽 灯相比具有很多优点。LED通常具有较长的寿命、较大的稳定性、较快的 开关特性以及较低的能耗，除此之外还有其他优点。最新发展的LED具有 可与白炽灯相比或者超越白炽灯的发光强度(lm/w)。
当电子电路中的电压超过LED阈值电压且处于正向偏压时，电子和空 穴对的自发复合使LED发光。所产生的光的波长取决于在形成LED的p-n 结中使用的材料之间的能带隙。LED所产生的光的波长通常在红外、可见 或UV范围内。关于LED的详细信息可以在剑桥大学出版社，E.Fred Schubert的“Light emitting diodes”中找到，在此纳入其整体作参考。关于 半导体光学的详细信息可以在斯普林格出版社(Springer press)，Claus F. Klingshirn的“Semiconductor optics”中找到，在此纳入其整体作参考。
为了便于制造，LED最常用的形式是典型地放置微米尺寸的平面正方 形LED芯片在基板上。这种LED芯片的半导体一般是硅，而基板可以是 诸如铝的金属，它还起到散热片的作用。LED芯片通过精细的金属线与基 板上的电路系统电连接。LED芯片本身可以安装在基板表面上，或者可以 安装在基板上的凹槽中。
在制造适用于作为人类环境的高亮度光源输出的LED中，存在着各种 挑战。首先的挑战是使平面的LED芯片本身发出最大化的光。由于半导体 材料具有高折射率，所以所产生的光多数在半导体-空气界面处会遭受全内 反射(TIR)。在现有技术中，通过减小半导体表面处的折射率的差来减少 进行TIR光的量。由于半导体折射率是一种材料特性，通过将LED与具 有更高折射率的封装材料封装在一起来获得上述效果。过去是使用环氧树 脂材料，最近因为硅有机树脂具有相对较高的透明度、颜色稳定性以及热 性能，所以更多地被使用了。然而，这种硅有机树脂相当难以封装在LED 上。
单个未封装的LED产生单色光。近些年来，由于在使用LED作为环 境光源上的兴趣，人们关注于制造LED封装的研究，这种LED封装会发 出不同于LED芯片所发出的光的颜色。在产生白光方面，人们也有相当大 的兴趣。最常用的从单个LED产生白光的方式是通过在发蓝光的LED芯 片的可见(发光)侧上放置诸如黄色荧光体的波长转换材料。应用在LED 芯片上的波长转换材料层将吸收一些由LED发出的光子，并将它们降级转 换为可见光波长的光，从而产生具有蓝色和黄色波长光的双色性光源。如 果黄色光和蓝色光以正确比例产生，那么人眼会感受到白色。
在现有技术中，将波长转换材料添加到包围LED芯片的封装层，以作 为在芯片上直接沉积的替换方式。这种封装材料的使用可以通过不同方法 实现。一些方法使用模制或者预模制将封装材料直接固定到基板，而一些 方法是筑起围绕LED芯片的坝，然后再填充这个坝。后者通常被称为点胶， 因为封装材料以液体形式提供，接着固化。
影响白光的颜色质量的因素是LED芯片上的荧光体的数量和分布。这 些决定了所产生的黄色波长光的比例。当荧光体被分布在封装材料中时， 制程控制问题可能导致LED周围出现不均匀的荧光体分布在无法预测的 图案上。目前施加荧光体的技术导致荧光体分布有显著变化，其原因是因 为在封装材料时的厚度变化及固化过程时荧光体的不均匀分布和/或沉降。 因此，随之产生的LED元件特性的变化导致元件按元件特性而分类，然后 根据元件特性销售这些不同特性的元件。此外，很多设备因为制造问题导 致不符合规范而被丢弃。
因此，在本领域中需要在LED元件封装过程中对荧光体分布进行精密 控制以产生更均匀颜色的LED，尤其是白色LED。
发明内容
本发明提供了一种用于LED封装的可喷墨印刷的荧光墨组合物，其能 够精密地控制荧光层在LED元件或LED元件封装上的量和位置。该墨包 含UV固化树脂成分和热固化树脂成分。相分离成分防止UV固化树脂成 分和热固化树脂成分的相分离。数量级小于大约2微米的荧光体颗粒均匀 地分布在整个墨组合物上。为了保证喷墨印刷机喷墨的能力，将墨的粘度 保持在小于大约50厘泊。
可喷墨印刷的荧光墨组合物还可以包括用于UV固化的光敏引发剂。 当热固化树脂成分是环氧树脂时，可选地包括环氧树脂固化催化剂。在一 个实施例中，UV固化树脂成分是丙烯酸树脂，可选地，丙烯酸树脂包括 羟基，所述羟基用于防止UV固化树脂成分和热固化树脂成分的相分离。 其他的墨配料还包括保湿剂、一个或多个溶剂(其中的一个可以是水)、 杀菌剂和表面活性剂。
因为本发明的荧光墨的独特性质，所以通过喷墨印刷是可以精确地控 制荧光体的量和分布。通过热或压电喷墨印刷将荧光墨组合物直接地沉积 在LED芯片或诸如硅有机树脂或环氧树脂封装的LED封装上。按照期望 的图案沉积大约5微米厚度的层。使用UV固化来固定该层，可选地，和 热固化一起，接着顺序地沉积和固化。可选地，在沉积所有的荧光层之后， 进行热固化。通过这种方式，将荧光体颗粒的位置固定在每个层中，防止 了不期望的荧光体沉降。这些层被选择性地构造，从而在整个LED或LED 封装形成了精确量的荧光体。
附图说明
图1示出了典型LED的朗伯发光特性。
具体实施方式
以下结合“白色”LED的形成来描述本发明的墨，所述“白色”LED 利用了以黄色荧光体封装蓝色LED的组合。但是，应该理解，本发明适用 于将任何荧光体应用到任何颜色的LED上，从而调节LED的颜色成为被 人眼感知到的颜色。无论荧光体是否在传统意义上所认为的“荧光体”， 如本文所使用，术语“荧光体”被广泛地用来描述吸收一个波长的光而发 出另一波长光的任何波长转换材料。对于蓝色LED，用于发射黄光的典型 的荧光体包括钇铝石榴石(YAG)基材料(可选地，掺杂有铈)、铽铝石 榴石(TAG)基材料以及硅酸盐基、硫磺基、氮基或者一氧化氮基材料。 还可以使用有机荧光体以及有机和无机的非荧光体的波长转换材料，为了 简单，它们被如上所述那样称为“荧光体”。单波长转换材料或者波长转 换材料的组合可以根据来自封装整个LED所期望的发光来选择。
有利地，本发明的可喷墨印刷的荧光墨使用了聚合物粘合剂，所述聚 合物粘合剂是UV固化树脂和热固化树脂的组合。UV固化树脂和热固化 树脂必须在可见光谱(大约390至750nm)内具有高透明度。在示例性实 施例中，UV固化树脂是丙烯酸树脂，优选地包括羟基以防止UV固化树 脂和热固化树脂之间的相分离。为了加强UV固化，包括了可选的光敏引 发剂。热固化树脂可以从环氧树脂中选择，可选的，在墨组合物中包括了 环氧树脂固化催化剂。
选择添加保湿剂可防止喷嘴内的荧光墨干燥。对于含水墨组合物，所 提供的水和助溶剂的量是足以控制整个荧光墨的粘度。一般，助溶剂是从 水溶性有机助溶剂中选择，以保证聚合物粘合剂成分在墨组合物中完全溶 解。对于喷墨印刷，粘度应该保持在大约50厘泊之下。对于热喷墨印刷， 大约2厘泊到6厘泊的范围是优选的。喷墨印刷的表面张力优选地在大约 30-50达因/厘米的范围内。可选地择的加入其他的墨配料例如一个或多个 杀菌剂和/或表面活性剂来帮助墨保存和墨润湿性，以及控制表面张力性 能。
由于本发明的荧光墨的独特性质，可以通过喷墨印刷精确地控制荧光 体的量和分布。荧光墨组合物通过热喷墨印刷或者压电喷墨印刷直接地沉 积在LED芯片或者诸如硅有机树脂或环氧树脂封装的LED封装上。按照 期望图案沉积大约5微米厚度的层。根据荧光层的设计特征，图案可以是 连续的或者不连续的(即，荧光墨可以按照预先设计好的非均匀图案形式 沉积，以克服以下所讨论的LED发光特性的差异)。使用UV固化和可选 的热固化来固定每层，固定之后顺序地沉积和固化。可选地在所有荧光层 的沉积之后，进行热固化。通过这种方式，可避免不期望的荧光体沉降(因 为在沉积之后，每层中的荧光体快速固定到适当位置)，因此可选择性的 在整个LED或LED封装形成了精确量的荧光体及形成一荧光层。一般， 整个厚度为大约25-30微米，其选择通过5-6次顺序来沉积。然而，在需 要较大浓度荧光体的区域中，可以沉积更多层；类似地，在需要较小浓度 荧光体的区域中，可以沉积较少层。可选地，LED或LED封装的不同区 域可以使用具有不同浓度的荧光体、不同荧光体组合物或荧光体的不同混 合物的墨来定制发光特性。大约50％的沉积厚度会在干燥期间消失，，大 约10％皱缩会发生在固化时。
通过以层的形式沉积和固化荧光墨，可避免了不期望的荧光体颗粒的 沉降，并且可以产生独特的图案和荧光体分布层。例如，如图1中所示， 平面LED具有朗伯发光图案。换句话说，辐射强度与观察者位置和表面法 线之间的角度的余弦直接成正比。因此，观察者对于所有位置所发出光， 看上去的光辉都是相同的。用来减少TIR的封装材料还起到透镜的作用， 并使发出的光束变窄。各种形状的封装材料已经使用过，并且在现有技术 中，使用半球形的封装材料来使面LED芯片的发光效率最大化。
一些溢出的光被周围的基板材料吸收或者反射，尤其在LED芯片位于 凹槽中时。结果，来自封装LED的光会有一个远离光轴中心的黄色“环”。 其原因在于LED的朗伯发光轮廓和/或荧光体颗粒沉降：在LED芯片的中 心有太少的荧光体颗粒来发出足够多的黄光相对于蓝光所发出的量，同时 在LED芯片侧面，具有相对于发出的蓝光的量太多的荧光体颗粒，并因此 过多地受激产生黄光。使用本发明的喷墨印刷技术，可以通过按比例地分 布荧光体而克服上述问题，于是在整个分布上产生均匀显示的白光。具体 地，较大浓度的荧光体应该位于最强发光区域，而较小浓度的荧光体应该 位于弱发光区域(通常是边缘区域)。可选地，如上所讨论，可以使用不 同的荧光体/不同浓度的荧光体/荧光体的不同组合物来创造期望的整个发 光特性。
实例1
实例1展示了本发明的荧光墨组合物。
虽然已经根据前述示例性实施例描述了前述发明，但是应该理解各种 修改和变型是可以的。因此，这些修改和变型落在所附权利要求书所要求 保护的本发明的范围中。