專利名稱：發(fā)光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由諸如激光二極管(LD)、發(fā)光二極管(LED)之類的發(fā)光元件安裝而成的發(fā)光裝置。特別涉及具有熒光物質(zhì)的發(fā)光裝置，其中熒光物質(zhì)與發(fā)光元件一起，將由發(fā)光元件發(fā)出的光作為激發(fā)光而發(fā)出具有不同波長的光。另外，本發(fā)明還涉及半導體發(fā)光元件和半導體受光元件、或用于使半導體器件等發(fā)熱體散熱的散熱構件以及將它包括在內(nèi)的半導體裝置。
背景技術：
作為利用發(fā)光二極管的照明裝置，已經(jīng)公開了將許多發(fā)光二極管安裝在導電性平板上所得到的照明裝置。例如，專利文獻1所公開的照明裝置是下述的照明裝置，其中導電性平板在沒有安裝發(fā)光二極管的一側連接于冷卻體上，并利用冷卻體促進發(fā)光二極管的散熱，由此使高輸出功率的發(fā)光成為可能。另外，為進一步改善散熱性，在冷卻體內(nèi)有冷卻液的回流。
另外，例如專利文獻2所公開的真空熒光管是傳真光源用真空熒光管，其中在導體上粘附著熒光體層的陽極和與該陽極相對置的陰極配設在真空容器內(nèi)。在此，粘附著熒光體層的陽極的一部分成為向真空容器外延伸的延伸部，該延伸部被設定為與外界空氣接觸的冷卻部。該熒光管將粘附著熒光體層的陽極設計為熱傳導性良好的金屬材料，通過促進所述冷卻部的散熱，可以使粘附的熒光體層的發(fā)熱得以降低。由此，真空熒光管可以防止熒光體的退化，可以提高發(fā)光效率并維持高輝度的發(fā)光。
在此，用于使半導體器件等發(fā)熱體散熱的降溫裝置(heat sink)作為通常的冷卻手段，可以分為被動的冷卻手段和主動的冷卻手段。例如，前者是通過利用熱容量大的降溫裝置而進行發(fā)熱體的散熱，后者則是通過在安裝著發(fā)熱體的降溫裝置內(nèi)使冷卻水流動而奪取熱量的手段。近年來，在要求實現(xiàn)更高輸出功率和更高輝度等的半導體裝置中，優(yōu)選采用能夠進行有效冷卻的主動的冷卻手段。
作為采用被動冷卻手段的半導體裝置，例如用紅外區(qū)域的半導體激光陣列可以得到高達1～幾十瓦(W)的光輸出功率。在此，所謂的半導體激光陣列，是指在單一的半導體晶體上排列多個諧振器、或者在分隔的多個半導體晶體上各自排列諧振器的陣列。
另外，通過將半導體激光陣列設計為堆積(stack)結構，可以得到高達幾十～幾千瓦(W)的光輸出功率。設計為這種堆積結構的半導體裝置所使用的冷卻手段是主動的冷卻手段。例如在專利文獻3中，提出了在降溫裝置內(nèi)設計水路、以冷卻半導體激光陣列正下方的技術。在水路內(nèi)，設計著細化水路的多個微孔，以便使加壓的流體噴向發(fā)熱體的正下方。從該微孔將流體強有力地噴向半導體激光陣列的正下方，藉此使熱傳遞效率得以提高。在該半導體裝置的結構中，水路被設計為流體以大致垂直的方向接觸半導體激光等發(fā)熱體的散熱面。
專利文獻1日本專利特表2002-544673號公報專利文獻2日本專利特開昭59-161966號公報專利文獻3日本專利特開平8-139479號公報發(fā)明內(nèi)容一般地說，為人所知的是包含在光轉換構件中的熒光體的光轉換效率，隨熒光體環(huán)境溫度的升高而降低。為了解決這樣的問題，上述技術是作為一種消除發(fā)光裝置中光轉換構件的外部發(fā)熱原因的方法而設計的。也就是說，通過冷卻發(fā)光二極管的安裝基板、以及在粘附著熒光體的電極的另一端設置冷卻部，以排出從外部接受熱而發(fā)熱的光轉換構件的熱量。
可是在現(xiàn)有技術中，作為在紫外區(qū)域激發(fā)熒光體的光源而加以選擇的，可以列舉出高壓水銀燈等，然而，它不僅產(chǎn)生大量的熱，而且包含可見光譜，從而需要濾波器等以便僅取出紫外光。本申請人等發(fā)表了一種發(fā)出高功率紫外光的氮化物半導體元件(JJAP，Vol.41(2002)L1434～1436)，并將這種發(fā)光元件作為熒光物質(zhì)的激發(fā)光源而加以設計利用。由此，與以前選擇的在紫外區(qū)域激發(fā)的光源相比，其產(chǎn)生較少的熱量，即使不需要濾波器等也可以只取出高輸出功率的紫外光譜。也就是說，已經(jīng)可以無限制地忽略發(fā)光裝置中光轉換構件的外部發(fā)熱原因了。
但是，已經(jīng)為人們所了解的是即使將在這樣的短波區(qū)域具有光譜的光半導體發(fā)光元件作為熒光體的激發(fā)光源，盡管由光譜引起的光轉換構件部的發(fā)熱可以忽略不計，但熒光體的發(fā)熱變得不能忽略。也就是說，曝露在高能量的激發(fā)光下的熒光體產(chǎn)生自發(fā)熱，這種自發(fā)熱起因于斯托克斯(Stokes)光致發(fā)光機理引起的損耗(稱之為斯托克斯損耗)。這與外部施加熱量所引起的整個光轉換構件的溫度上升不同，其起源于光轉換構件所含有的熒光體本身的發(fā)熱，是自身引起光轉換效率的降低。
于是，本發(fā)明的第1目的在于抑制熒光體的自發(fā)熱，阻止光轉換構件的退化，同時提高熒光體的發(fā)光效率，從而得到高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，作為上述主動冷卻方式的一個例子而舉出的半導體激光等，其特征在于通過設計水路使流體(冷卻介質(zhì))以大致垂直的方向接觸發(fā)熱體的散熱面，從而無限減少對降溫裝置內(nèi)壁面的摩擦阻力。也就是說，在流體(冷卻介質(zhì))與散熱面接觸的部位，形成了一種引起摩擦阻力的薄膜，從與薄膜面垂直的方向將冷卻水強有力地噴向該薄膜，由此使薄膜遭到破壞，從而可以高效地提高冷卻效率。
然而，LED以及面發(fā)光激光器等面發(fā)光裝置通過安裝成矩陣狀而發(fā)揮其作用。也就是說，如果想將多個LED以及面發(fā)光激光器等面發(fā)光裝置組合起來而制作高輸出功率的發(fā)光裝置，則需要將多個面發(fā)光裝置安裝成矩陣狀。因為這些面發(fā)光裝置各自是一個發(fā)熱體，所以需要對各面發(fā)光裝置進行高效的冷卻。但是，在適用上述水路結構的情況下，因為從與散熱面垂直的方向噴流體(冷卻介質(zhì))的部位受到限制，所以為了在每個面發(fā)光裝置上形成許多這樣的部位，將使水路復雜化，從而妨礙面發(fā)光裝置的高密度安裝。
于是，本發(fā)明的第2目的在于提供具有充分的冷卻功能的降溫裝置(散熱構件)、以及具有這樣的降溫裝置的半導體裝置；特別提供即使在散熱面與流體(冷卻介質(zhì))的流動方向之位置關系相互平行、以及在與流體(冷卻介質(zhì))的流動方向平行的面上安裝1個或多個發(fā)熱體的情況下，也具有充分的冷卻功能的降溫裝置、以及具有這樣的降溫裝置的半導體裝置。
本發(fā)明的發(fā)光裝置包括發(fā)光元件和光轉換構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光，所述發(fā)光裝置的特征在于在從發(fā)光元件一方看具有光轉換構件的一側，進一步包含散熱構件。如果設計為這樣的結構，則熒光體的散熱與以前相比可以高效地進行，因而通過抑制熒光體的自發(fā)熱，防止熒光體的退化，可以提高熒光體的光轉換效率，從而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，散熱構件具有冷卻介質(zhì)的流道。由此，采用散熱構件可以高效地進行散熱，以致熒光物質(zhì)的放熱性能得到進一步提高，故而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，散熱構件至少有一對導入所述冷卻介質(zhì)的供給口以及排出在所述流道內(nèi)回流的冷卻介質(zhì)的排出口。如果設計為這樣的結構且使冷卻介質(zhì)在散熱構件內(nèi)回流，則可以提高發(fā)光裝置的散熱性，從而可以設計出高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述散熱構件由至少可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光和所述光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料構成。由此，當在散熱構件上配置光轉換構件時，不僅在發(fā)光觀測面?zhèn)鹊闹髅嫔?，而且在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的主面上，都可以配置光轉換構件。
所述散熱構件在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；在所述散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝著多個所述發(fā)光元件；在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部；所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。由于設計為這樣的結構，因而通過抑制熒光體的自發(fā)熱，防止熒光體的退化，不僅可以提高熒光體的光轉換效率，而且可以抑制由發(fā)光元件的自發(fā)熱引起的光輸出功率的降低，從而使多個發(fā)光元件的高密度安裝成為可能。由此，可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
本發(fā)明的發(fā)光裝置包括發(fā)光元件、光轉換構件和散熱構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光，所述發(fā)光裝置的特征在于所述散熱構件具有冷卻介質(zhì)的流道，而且包括在承載所述發(fā)光元件的一側具有第1流道的第1散熱構件，在所述發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側具有第2流道的第2散熱構件；第2散熱構件具有所述光轉換構件。如果設計為這樣的結構，則熒光體的散熱與以前相比可以高效地進行，因而通過抑制熒光體的自發(fā)熱，防止熒光體的退化，可以提高熒光體的光轉換效率，從而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述流道具有聯(lián)絡所述第1流道和所述第2流道的第3流道。如果設計為這樣的結構，則在第1流道和第2流道中，可以使供給發(fā)光裝置的冷卻介質(zhì)并流，發(fā)光元件的散熱和熒光體的散熱可以采用同一散熱系統(tǒng)來進行，故而可以簡化發(fā)光裝置的散熱構件的結構。
另外，所述第1散熱構件和/或所述第2散熱構件至少有一對導入所述冷卻介質(zhì)的供給口以及排出在所述流道內(nèi)回流的冷卻介質(zhì)的排出口。如果設計為這樣的結構且連續(xù)地供給和排出冷卻介質(zhì)，則可以提高發(fā)光裝置的散熱性，從而可以設計出高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述第1散熱構件、絕緣性構件、支持基板和所述第2散熱構件層疊在一起。如果設計為這樣的結構，則以更為簡單的結構可以設計出散熱性優(yōu)良的發(fā)光裝置。
另外，所述散熱構件在至少一方的主面?zhèn)染哂兴龉┙o口或排出口；所述絕緣性構件和所述支持基板具有成為所述第3流道的一部分的貫通孔。如果設計為這樣的結構，則可以在發(fā)光裝置的主面方向形成一對供給口和排出口，因而可以從不對發(fā)光裝置的光學特性產(chǎn)生不良影響的方向進行冷卻介質(zhì)的回流。
另外，在所述絕緣性構件的至少一方的主面上，粘附著含有選自Au、Ag、Al之中的至少一種的導電性構件。如果設計為這樣的結構，則可以容易地向發(fā)光元件供給電力。
另外，所述發(fā)光元件的一個電極通過導電性導線與粘附在所述絕緣性構件的至少一方的主面上的導電性構件進行電連接，另一個電極則分別與所述第1散熱構件進行電連接。如果設計為這樣的結構，則可以容易地向發(fā)光元件供給電力。
另外，所述第2散熱構件由至少可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光和所述光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料構成。由此，當在第2散熱構件上配置光轉換構件時，不僅在發(fā)光觀測面?zhèn)鹊闹髅嫔?，而且在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的主面上，都可以配置光轉換構件。
所述第1散熱構件和/或所述第2散熱構件在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；在所述第1散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝著多個所述發(fā)光元件；在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部；所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。由于設計為這樣的結構，因而通過抑制熒光體的自發(fā)熱，防止熒光體的退化，不僅可以提高熒光體的光轉換效率，而且可以抑制由發(fā)光元件的自發(fā)熱引起的光輸出功率的降低，從而使多個發(fā)光元件的高密度安裝成為可能。由此，可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
本發(fā)明的發(fā)光裝置包括在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動之流道的散熱構件，以及在所述散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝的多個發(fā)光元件；所述發(fā)光裝置的特征在于在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部；所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。由于設計為這樣的結構，因而流道內(nèi)板狀構件表面的熱密度降低。因此，可以抑制由發(fā)光元件的自發(fā)熱引起的光輸出功率的降低，從而使多個發(fā)熱體的高密度安裝成為可能。由此，可以設計出高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述多個凸部從所述流道的入口向出口以相互偏離的方式進行配置，從而使依次連接最靠近的凸部彼此之間的線段反復彎曲。如果設計為這樣的結構，則可以使該部分的熱密度得以降低，熱分布受到抑制且可以進行高效率的冷卻，故而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間的方式形成。如果設計為這樣的結構，則使發(fā)光元件本身在內(nèi)部產(chǎn)生的熱分布受到抑制且可以進行高效率的冷卻，故而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述多個凸部配置在各發(fā)光元件的大致中央和頂點附近。如果設計為這樣的結構，則使發(fā)光元件本身在內(nèi)部產(chǎn)生的熱分布以及由發(fā)光元件彼此之間的熱干涉所產(chǎn)生的熱分布這兩者都受到抑制，且可以進行有效的散熱。由此可以進行高效率的冷卻，故而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
另外，所述板狀構件的貼合面采用含Au的金屬材料覆蓋。如果設計為這樣的結構，則可以提高板狀構件彼此之間的密合性，故而可以設計出沒有冷卻材的泄漏且可靠性得以提高的發(fā)光裝置。


圖1是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖2是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖3是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖4是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖5是表示本發(fā)明的實施例以及比較例的特性的圖。
圖6是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意立體圖和剖面圖。
圖7是表示本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的各構成構件的示意立體圖。
圖8是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖9是本發(fā)明的一實施例即發(fā)光裝置的示意剖面圖。
圖10是本發(fā)明的一實施例即構成構件的示意立體圖。
圖11是示意剖面圖，用以說明本發(fā)明的半導體裝置之構成。
圖12是示意立體圖，其在省略金屬罩(cap)等的情況下，表示本發(fā)明的半導體裝置之構成。
圖13是示意剖面圖，用以說明本發(fā)明的降溫裝置之結構。
圖14(a)～(c)分別是示意表示本發(fā)明的第1板狀構件的一個例子的立體圖、平面圖以及剖面圖。
圖15(a)～(c)分別是示意表示本發(fā)明的第2板狀構件的一個例子的立體圖、平面圖以及剖面圖。
圖16(a)和(b)分別是表示組合圖4以及圖5所示的板狀構件之形態(tài)的平面圖和剖面圖。
圖17(a)和(b)分別是示意表示半導體元件和流道內(nèi)凸部之位置關系的平面圖和剖面圖。
圖18是用以說明由本發(fā)明的實施方案構成的LED光源的單元模塊光源裝置的圖。
圖19是用以說明由本發(fā)明的實施方案構成的LED光源的單元模塊光源裝置的圖。
圖20是用以說明由本發(fā)明的實施方案構成的LED光源的超高輸出功率模塊光源裝置的圖。
圖21是用以說明由本發(fā)明的實施方案構成的LED光源的超高輸出功率模塊光源裝置的圖。
圖22就采用主動冷卻手段的LED元件的IL特性和采用被動冷卻手段的LED元件的IL特性進行了相對比較，其中主動冷卻手段是根據(jù)本發(fā)明的實施方案而設計的。
圖23表示根據(jù)本發(fā)明的實施方案而表現(xiàn)出高輝度的LED元件的IL特性。
圖24就根據(jù)下述CW-ACC驅動試驗所預測的退化曲線進行了比較，其中CW-ACC驅動試驗是根據(jù)本發(fā)明的實施方案而表現(xiàn)出高輝度的LED光源的CW-ACC驅動試驗和采用被動冷卻手段的LED1元件的CW-ACC驅動試驗。
圖25就根據(jù)下述CW-ACC驅動試驗所預測的退化曲線進行了比較，其中CW-ACC驅動試驗是根據(jù)本發(fā)明的實施方案而表現(xiàn)出高輝度的LED光源的CW-ACC驅動試驗和采用被動冷卻手段的LED1元件的CW-ACC驅動試驗。
圖26(a)～(c)是表示本發(fā)明的壓力等高線的圖。
圖27表示本發(fā)明的發(fā)光裝置的散熱構件之最低溫度和流體流量之間的關系。
圖28表示本發(fā)明的發(fā)光裝置的散熱構件之最高溫度和流體流量之間的關系。
圖29表示本發(fā)明的發(fā)光裝置的散熱構件之熱電阻和流體流量之間的關系。
符號說明1、10 發(fā)熱體2 第1板狀構件3 第2板狀構件
100、200、300、400 發(fā)光裝置101、201、301、401 光轉換構件102、202、302、402 散熱構件103 支持構件104 半導體發(fā)光元件105 流道106、111 凹部107 絕緣性構件108 支持基板109 第2散熱構件109a、115a 第1板狀構件109b、115b 第2板狀構件110 第3流道112 第1流道113 第2流道114 O形密封圈115 第1散熱構件116 導電性構件302 透光性構件具體實施方式
下面參照附圖就用于實施本發(fā)明的最優(yōu)方案進行說明。不過，以下所示的方案只是發(fā)光裝置的例示，以便使本發(fā)明的技術構思具體化，而不是本發(fā)明就發(fā)光裝置進行如下的限定。另外，為了明確說明各附圖所示的構件的大小和位置關系等，某些附圖有夸大之處。
實施方案1本發(fā)明的實施方案1的發(fā)光裝置包括發(fā)光元件和光轉換構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光；發(fā)光裝置在從發(fā)光元件一方看具有光轉換構件的一側，進一步包含散熱構件。也就是說，本發(fā)明包括半導體發(fā)光元件、光轉換構件以及散熱構件，借助于該散熱構件，使含有熒光體的光轉換構件的散熱得以促進。由此，在高輸出功率的激發(fā)光下，可以抑制熒光體的自發(fā)熱，并防止熒光體的退化，因而不會產(chǎn)生發(fā)光裝置輸出功率的降低，可以發(fā)出更高輸出功率的光，例如發(fā)出白色系等的光。
更具體地說，本方案的發(fā)光裝置在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的方向上具有光轉換構件，并且在該光轉換構件的臨近位置或者在光轉換構件中，具有散熱構件以促進該光轉換構件的散熱。散熱構件優(yōu)選在承載著光轉換構件的一側具有流道。該流道可以具有冷卻介質(zhì)以促進該光轉換構件的散熱。由此，可以抑制暴露在高輸出功率以及高能量的激發(fā)光下的熒光體的自發(fā)熱。此外，本說明書中的所謂“冷卻介質(zhì)”，是指例如冷卻水、冷卻氣體、低沸點的不活潑液體之類的熱冷卻介質(zhì)，或者珀爾貼(Peliter)元件之類的固體狀熱梯度介質(zhì)。另外，冷卻介質(zhì)雖然通過循環(huán)可以促進發(fā)光裝置的散熱，但并不局限于循環(huán)的形態(tài)。
本發(fā)明的光轉換構件，與發(fā)光元件相隔某一恒定的間隔而配置在該發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的方向上。由此，與光轉換構件直接覆蓋發(fā)光元件的以前的發(fā)光裝置相比，可以減少熒光體因接受來自于發(fā)光元件的熱而產(chǎn)生的影響。在本方案中，為了使光轉換構件具有開口部，特別優(yōu)選以設計為格子狀的平面的方式涂布散熱構件。或者散熱構件在光轉換構件中也可以形成為三維的格子狀。也就是說，光轉換構件的狀態(tài)優(yōu)選設計為散熱構件以網(wǎng)狀的形式遍布光轉換構件中。此時，光轉換構件在格子狀的散熱構件中，形成于半導體發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的面、或發(fā)光觀測方向的面的至少一方上。
另外，從發(fā)光觀測方向看，涂布成平面狀的光轉換構件的周邊部優(yōu)選與將安裝半導體發(fā)光元件的支持構件進行熱連接。在此，所謂“熱連接”是指各構件直接接合在一起、或者通過其它具有良好熱導性的材料接合在一起，是指接合的構件之間處于熱容易移動的狀態(tài)。由此，從發(fā)光觀測面的方向看，涂布成平面狀的光轉換構件從中央部附近向其周邊部的方向可以高效地進行散熱，熒光物質(zhì)的散熱性得到進一步的提高，故而可以設計出更高輸出功率的發(fā)光裝置。
本方案的散熱構件為了使發(fā)光元件發(fā)出的光、或者通過光轉換構件而發(fā)生波長變化的光向預定的方向反射，優(yōu)選具有光反射構件。更詳細地說，從半導體發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側開始，依次層疊著光轉換構件、光反射構件以及散熱構件?；蛘弋斏針嫾橥腹庑圆牧蠒r，也可以從半導體發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側開始，依次層疊光轉換構件、散熱構件以及光反射構件。作為光反射構件的材料，可以設計為Al、Ag以及Rh之類的白色金屬或者含有它們之中的至少一種或多種的合金?；蛘咭部梢杂眠@些光反射性高的金屬材料形成散熱構件本身，從而使光轉換構件射出的光可以用散射構件來直接反射。
作為在散熱構件上直接涂布所述光反射構件的方法，可以設定為鍍覆、濺射以及絲網(wǎng)印刷等方法。此外，本發(fā)明的反射構件并不局限于在散熱構件上直接涂布的形態(tài)，也可以設定為采用上述材料形成的、與散熱構件相鄰配置的其它構件。
散射構件可以具有曲面，該曲面使半導體發(fā)光元件發(fā)出的光入射在該散射構件的至少一部分上，并使熒光物質(zhì)發(fā)出的光向預定的方向射出。曲面可以設計為諸如拋物面、橢圓面之類的各種形狀，且被設計為能夠會聚半導體發(fā)光元件發(fā)出的光并向預定的方向射出的形狀。
本方案的散熱構件在該散熱構件的外壁面至少有一對導入冷卻介質(zhì)的供給口以及排出在散熱構件的流道內(nèi)回流的冷卻介質(zhì)的排出口。在發(fā)光裝置上形成供給口以及排出口的位置、數(shù)量及其形狀，可以在考慮發(fā)光裝置的大小和形狀后加以選擇，以便使冷卻效果得以提高，本發(fā)明并不局限于本方案。由此，可以使冷卻介質(zhì)在散熱構件中回流。
入射到光轉換構件上的光密度為3W/cm2或以上，另外，當發(fā)光裝置通以電流而驅動時，光轉換構件的溫度設定為200℃或以下，優(yōu)選設定為120℃或以下，更優(yōu)選設定為100℃或以下。由此，使散熱性得以提高的本方案的發(fā)光裝置可以設計為高輸出功率的發(fā)光裝置。下面就本方案的各構成進行詳細敘述。
下面就本實施方案1的發(fā)光裝置的構成進行詳細說明。
(散熱構件)本方案的發(fā)光裝置中的散熱構件是在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側，促進光轉換構件特別是光轉換構件所含有的熒光物質(zhì)的散熱的構件。另外，散熱構件是與安裝著發(fā)光元件的支持構件進行熱連接且使來源于光轉換構件的熱向其支持構件的方向散發(fā)的構件。下面就本方案的散熱構件進行更為詳細的說明。
所謂本方案的散熱構件，指的是直接地或者通過其它具有良好熱導性的構件承載著含有熒光體的光轉換構件且向發(fā)光裝置的外部傳遞由熒光體產(chǎn)生的熱的構件。另外，所謂本方案的散熱構件，指的是具有冷卻熒光體的冷卻介質(zhì)的流道、承載著含有熒光體的光轉換構件且向光轉換構件的外部傳遞由熒光體產(chǎn)生的熱的構件。在此，散熱構件優(yōu)選與承載著發(fā)光元件的支持構件進行熱連接。另外，在光轉換構件的背面或者散熱構件的周邊，優(yōu)選具有空冷風扇、珀爾貼元件之類的固體狀熱梯度介質(zhì)或散熱單元。由此，便可以高效地向外部傳遞光轉換構件或散熱構件的熱。
散熱構件的材料優(yōu)選由至少可以透過從發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過從發(fā)光元件發(fā)出的光和光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料所構成。由此，光轉換構件可以承載在散熱構件的發(fā)光觀測面?zhèn)鹊闹髅嬉约鞍l(fā)光元件發(fā)出的光所照射的主面的至少一方上。此外，光轉換構件并不局限于直接固定在散熱構件上的形態(tài)，不用說也可以通過其它透光性構件安裝在散熱構件上。另外，考慮到發(fā)光裝置發(fā)出的光的光學特性，光轉換構件的發(fā)光觀測面?zhèn)鹊男螤钜部梢栽O定為透鏡的形狀?；蛘叱廪D換構件外，也可以設定為具有光學構件的發(fā)光裝置，該光學構件像凸透鏡和凹透鏡那樣，可以用于控制由發(fā)光裝置發(fā)出的光的方向性。再者，也可以通過使散熱構件的一部分具有透光性且使該具有透光性的部分含有熒光體而設計光轉換構件。另外，在光轉換構件中，也可以形成用于冷卻熒光體的冷卻介質(zhì)的流道。
在本發(fā)明中，冷卻介質(zhì)的流道可以不管它相對于發(fā)光裝置的外部是封閉體系還是開放體系。作為具有開放形流道的散熱構件的一個實例，例如能夠以銅和鋁等金屬為材料，將其設定為形成有流道的平板，從而使冷卻介質(zhì)在流道的內(nèi)部得以導通。在此，當使散熱構件的一部分具有透過性時，其具有透光性的一部分選擇透光性樹脂、石英等材料。再者，為了使冷卻介質(zhì)在散熱構件內(nèi)循環(huán)，散熱構件在其外壁面至少具有一對冷卻介質(zhì)的供給口和排出口。散熱構件的流道可以采用如下的方法來形成，即在多塊被設計為平板狀的材料的至少一方例如在第1板狀構件上，形成溝槽、凹凸形狀以及用于形成所述供給口和排出口的貫通孔，然后將第1板狀構件和第2板狀構件相對置的面彼此之間粘結起來。在此，不用說于本實施方案中，流道的形狀并不局限于如圖所示的形狀。例如在散熱構件的材料的一部分即第1板狀構件上，從形成一方的開口部(供給口或排出口)的位置到另一方的開口部，以流道慢慢變寬、進而慢慢變窄的方式形成凹部。由此，可以使冷卻介質(zhì)在流道內(nèi)順利地循環(huán)。再者，其凹部的內(nèi)壁面優(yōu)選形成細的溝槽和凹凸形狀。由此，可以增大冷卻介質(zhì)與散熱構件的接觸面積，從而使發(fā)光裝置的散熱效果得以提高。
作為具有封閉體系之流道的散熱構件的一個實例，例如能夠以銅和鋁等金屬為材料，將其設定為在內(nèi)部封入冷卻介質(zhì)的熱導管。特別在其它的方案中，可以用作散熱構件的熱導管例如是在由銅和鋁等金屬材料構成的金屬管中，封入水、氟里昂、氟里昂替代品以及フロリナ一トTM等熱輸送用工作液的熱傳遞構件，該熱傳遞構件通過反復進行如下的動作而實現(xiàn)極高的熱傳導性，所述動作包括在吸熱部(高溫部)加熱工作液而使其變?yōu)檎羝?；該蒸汽向散熱?低溫側)移動，產(chǎn)生液化并由此而放熱；該液化的工作液通過毛細現(xiàn)象而回到吸熱部。
考慮到散熱方向和散熱效果，散熱構件的形狀可以設定為各種形狀和大小。例如，在與承載著光轉換構件的面相對置的流道的內(nèi)壁面形成凹凸形狀。由此，上述內(nèi)壁面與冷卻介質(zhì)的接觸面積比不形成凹凸形狀時為大，所以光轉換構件的散熱性得以提高。另外，以具有開口部的形式被設計為格子狀的散熱構件對于平板狀散熱構件的材料，可以將多個貫通孔排列成矩陣狀而形成?；蛘咭部梢酝ㄟ^將多條細線編織成格子狀而形成。
被設計為平板狀的散熱構件當將形成散熱構件的板材的熱傳導率設為C[W/mK]時，與光轉換構件相對置的面和流道的內(nèi)壁面之間的最短距離d[mm]優(yōu)選的是滿足以下的關系式。
0.05＜d＜(C/800) 式1例如以無氧銅為材料形成散熱構件時，d[mm]優(yōu)選設定為以下的范圍。
0.05＜d＜0.5 式2另外，以氧化鋁或氮化鋁之類的陶瓷為材料而形成散熱構件時，d[mm]優(yōu)選設定為以下的范圍。
0.05＜d＜0.25式3在此，當d值大于上限值時，散熱構件的熱電阻增大，明顯出現(xiàn)相鄰發(fā)光元件彼此之間的熱干涉，不可能對發(fā)光元件進行高密度的安裝。另外，當d值小于下限值時，加工散熱構件的板材變得不容易。
(支持構件)所謂本方案的支持構件的作用是承載發(fā)光元件，分布向該發(fā)光元件供給電力的導體配線，成為其它構成構件的支持體，并維持發(fā)光裝置的機械強度?？紤]到散熱性和發(fā)光裝置的輸出功率等，支持構件可以形成為各種大小，與發(fā)光裝置的形狀相配合，也可以設定為各種形狀。另外，為了控制光的配光特性，支持構件的一部分也可以具有反射器。
支持構件例如也可以設計為傾斜的壁面，其內(nèi)壁面形成為錐狀的凹部，并使其內(nèi)壁面與安裝的發(fā)光元件相對置而將發(fā)光元件發(fā)出的光向發(fā)光觀測面方向反射。另外，其傾斜的壁面也可以形成為適當反射發(fā)光元件發(fā)出的光的反射層。為了使發(fā)光元件發(fā)出的熱高效地散發(fā)至散熱構件一側，支持構件優(yōu)選具有良好的熱傳導性。作為這樣的熱傳導性良好的材料的實例，除了可以單獨使用陶瓷、銅、鋁或磷青銅板以外，也可以適當使用在它們的表面鍍覆有銀、鈀或銀、金等金屬鍍層或者施以軟鉛焊鍍層等的材料。
(半導體發(fā)光元件)本方案的半導體發(fā)光元件是激光二極管和發(fā)光二極管，它發(fā)出具有可以激發(fā)熒光體的波長的光。特別地，半導體發(fā)光元件優(yōu)選具有發(fā)光層，該發(fā)光層發(fā)出可以高效地激發(fā)熒光體的特定發(fā)光波長的光。
作為半導體發(fā)光元件的材料，可以列舉出BN、SiC、ZnSe、GaN、InGaN、InAlGaN、AlGaN、BAlGaN、BInAlGaN等各種半導體。同樣地，在這些元素中，也可以含有作為雜質(zhì)元素的Si和Zn等而成為發(fā)光中心。作為發(fā)光層可以有效地發(fā)出能夠高效地激發(fā)熒光體的從紫外區(qū)到可見光的短波的材料，特別地可以列舉出氮化物半導體(例如含有Al或Ga的氮化物半導體、含有In或Ga的氮化物半導體InXAlYGa1-X-YN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)。此外，作為III族元素也可以使用B，作為V族元素也可以用P、As置換N的一部分。作為半導體的結構，可以列舉出具有MIS結、PIN結或pn結等的同質(zhì)結構、異質(zhì)結構或雙異質(zhì)結構。根據(jù)半導體層材料和其混晶度的不同，可以對發(fā)光波長進行各種選擇。另外，也可以設計為單一量子阱結構或多重量子阱結構，其中的半導體活性層被形成為可以產(chǎn)生量子效果的薄膜。
作為上述氮化物半導體的生長方法，并沒有特別的限定，但可以適用作為氮化物半導體的生長方法已經(jīng)為人所知的所有方法，如MOVPE(有機金屬氣相生長法)、MOCVD(有機金屬化學氣相生長法)、HVPE(氫化物氣相外延法)以及MBE(分子束氣相外延法)等。特別地，MOCVD因可以結晶性良好地進行生長，所以是優(yōu)選的。
在使用氮化物半導體的情況下，半導體用基板適于使用藍寶石、尖晶石、SiC、Si、ZnO等材料。為了以良好的批量生產(chǎn)性能形成結晶性好的氮化物半導體，優(yōu)選使用藍寶石基板?？梢栽谠撍{寶石基板上采用MOCVD法等形成氮化物半導體。在藍寶石基板上形成GaN、AlN、GaAlN等緩沖層，然后在其上面形成具有pn結的氮化物半導體。
作為使用氮化物半導體的具有pn結的發(fā)光元件的例子，可以列舉出雙異質(zhì)結構等，其中所述雙異質(zhì)結構是在緩沖層上，依次層疊用n型氮化鎵形成的第1接觸層、用n型氮化鋁鎵形成的第1包層、用氮化銦鎵形成的活性層、用p型氮化鋁鎵形成的第2包層、用p型氮化鎵形成的第2接觸層而形成的。
氮化物半導體在不摻雜的狀態(tài)下顯示出n型導電性。在形成使發(fā)光效率得以提高等所要求的n型氮化物半導體的情況下，作為n型摻雜劑優(yōu)選適當導入Si、Ge、Se、Te以及C等。另外，在形成p型氮化物半導體的情況下，則摻雜作為p型摻雜劑的Zn、Mg、Be、Ca、Sr以及Ba等。氮化物半導體單憑摻雜p型摻雜劑難以實現(xiàn)p型化，所以優(yōu)選在導入p型摻雜劑后，通過爐中的加熱和等離子體照射等而使其實現(xiàn)低電阻化。
為了使供給發(fā)光元件的電流擴展到p型半導體的整個區(qū)域，在p型半導體中設置擴散電極。再者，在擴散電極和n型半導體中，分別設置與突起電極和導電性導線之類的導電構件相連接的p側基座電極和n側基座電極。
半導體發(fā)光元件的p側以及n側基座電極與通過導電性導線配置在絕緣性構件上的導電性構件和散熱構件進行電連接。或者半導體發(fā)光元件通過軟鉛焊、突起電極而以倒裝片(flip chip)的形式安裝，并且與支持構件和散熱構件進行電連接。
其結構能夠以氮化物半導體層的電極形成面為光取出面，也能夠以層疊氮化物半導體層的基板側為光取出面。在以層疊氮化物半導體層的基板側為光取出面的情況下，優(yōu)選設定為朝下(face down)的結構，該結構除了形成有氮化物半導體元件之電極的面以外，其余面形成有保護膜，在氮化物半導體層上形成的電極和外部電極等通過金屬化層(突起電極)進行連接。通過將基板側設定為光取出面，使光取出效率得以提高。
本發(fā)明的氮化物半導體元件也可以設計為如下的結構在支持基板上隔著導電層和p電極而具有p型氮化物半導體層、活性層以及n型氮化物半導體層，然后在其上面形成n電極。該氮化物半導體元件被設計為p電極和n電極夾持著氮化物半導體層而處于相向對置的電極結構。此時，所述氮化物半導體元件的n電極側成為光取出面。氮化物半導體(特別是GaN系半導體)因為n型層的電阻較低而可以減少n電極的尺寸。由于通過減少n電極的尺寸可以縮小遮光的區(qū)域，從而使光取出效率得以提高。
另外，其它方案的半導體發(fā)光元件只由氮化物半導體層構成，且在半導體層的上面和下面形成對置電極。具有這樣的對置電極的半導體發(fā)光元件以一個電極與本方案的散熱構件相對置的方式，通過導電性粘結劑而加以固定。本方案的絕緣性構件從支持構件的對置面到凹部內(nèi)粘附著導電性構件。因此，發(fā)光元件的一個電極與散熱構件進行電連接，另一個電極則通過導電性導線與所述導電性構件相連接。作為導電性粘結劑的材料，例如可以列舉出銀漿料、Au-Sn和Ag-Sn之類的共晶材料。
下面就具有這樣的對置電極結構的半導體發(fā)光元件的形成方法進行說明。首先，與上述的半導體元件一樣層疊n型氮化物半導體層和p型氮化物半導體層，然后形成作為第1電極的p電極和在p電極以外的p型氮化物半導體層上形成絕緣膜。另一方面，準備貼合在該半導體層上的支持基板。作為支持基板的具體材料，有Cu-W、Cu-Mo、AlN、Si以及SiC等。優(yōu)選的結構是貼合面具有粘合層、阻擋層以及共晶層。例如形成Ti-Pt-Au、或者Ti-Pt-AuSn等金屬膜。這樣的金屬膜通過共晶而實現(xiàn)合金化，在隨后的工序中成為導通層。
接著使形成有支持基板的金屬膜的面與氮化物半導體層的表面相向對置，一邊加壓一邊加熱而使其合金化后，通過從異種基板側照射準分子激光或者磨削而取下異種基板。此后，為了形成氮化物半導體元件而采用RIE等進行外圍蝕刻，從而在外圍的氮化物半導體層得以去除的狀態(tài)下制造出氮化物半導體元件。另外，為了提高光的取出效果，也可以采用RIE等對氮化物半導體的露出面實施凹凸加工(埋頭孔壓形加工dimpling)。凹凸的斷面形狀包括臺面型和反臺面型，平面形狀包括島狀形狀、格子狀、矩形狀、圓狀以及多角形狀等。接著在所述氮化物半導體層的露出面形成第2電極即n電極。作為電極材料，可以列舉出Ti/Al/Ni/Au、W/Al/WPt/Au等。
(光轉換構件)本發(fā)明可以利用的熒光體是其吸收發(fā)光元件發(fā)出的可見光或紫外光的一部分，從而發(fā)出波長與其吸收光的波長不同的光。特別地，本方案使用的熒光體是至少受到半導體發(fā)光元件發(fā)出的光的激發(fā)而發(fā)出波長得以轉換的光，該熒光體和對其產(chǎn)生粘結作用的粘結劑一起構成光轉換構件。在此，作為粘結劑，例如也可以設定為環(huán)氧樹脂之類的透光性樹脂、耐光性高的硅樹脂、以及以烷氧基金屬為初始原料而通過溶膠-凝膠法生成的透光性無機材料。另外，作為在散熱構件上涂布光轉換構件的方法，可以設定為絲網(wǎng)印刷、噴墨涂布、灌注(potting)以及孔版印刷等各種形成方法。另外，熒光體也可以包含在具有透光性的散熱構件中。下面就本發(fā)明的可以包含在光轉換構件中的熒光體進行詳細說明。
<鋁石榴石系熒光體>
本實施方案使用的所謂鋁石榴石系熒光體，是指這樣的一種熒光體，其含有Al，且含有選自Y、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu以及Sm之中的至少一種元素和選自Ga以及In之中的一種元素，并且用選自稀土類元素之中的至少一種元素進行活化，同時用LED芯片發(fā)出的可見光或紫外光激發(fā)而發(fā)光。
例如可以列舉出YAlO3:Ce、Y3Al5O12:Ce、Y4Al2O9:Ce、(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce、Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce、Tb2.95Ce0.05Al5O12、Y2.90Ce0.05Tb0.05Al5O12、Y2.94Ce0.05Pr0.01Al5O12、Y2.90Ce0.05Pr0.05Al5O12等。再者，在本實施方案中，特別可以利用的是含有Y、用Ce或Pr活化且組成不同的2種或多種的釔鋁氧化物系熒光體(釔鋁石榴石系熒光體(以下也成為“YAG系熒光體”))。特別在高輝度下且長時間使用時，優(yōu)選的是(Re1-XSmX)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≤x＜1、0≤y≤1，其中Re是選自Y、Gd、La之中的至少一種元素)等。
(Re1-XSmX)3(Al1-yGay)5O12:Ce熒光體因為是石榴石結構，所以對熱、光以及水分具有很強的耐性，激發(fā)譜峰可以達到470nm左右。另外，還可能具有寬的發(fā)光譜，其發(fā)光峰也在530nm附近，峰的末端延伸到720nm處。
在本發(fā)明的發(fā)光裝置中，熒光體也可以是2種或更多種熒光體混合而成的。即就上述的YAG系熒光體而言，可以將2種或更多種Al、Ga、Y、La以及Gd和Sm的含量不同的(Re1-xSmX)3(Al1-yGay)5O12:Ce熒光體進行混合，從而增加RGB的波長成分。另外，目前半導體發(fā)光元件的發(fā)光波長往往產(chǎn)生偏差，所以混合調(diào)整2種或更多種的熒光體可以獲得所要求的白色系的混色光等。具體地說，混配發(fā)光元件的發(fā)光波長，調(diào)整色度點不同的熒光體的含量，藉此可以發(fā)出色度圖上任意點的光，其中色度圖用發(fā)光元件將該熒光體之間連接起來。
如果將使用氮化物系化合物半導體作為發(fā)光層的發(fā)光元件發(fā)出的藍色系光、和由因吸收藍色光而體色(body color)呈黃色的熒光體發(fā)出的綠色系的光以及紅色系光混合顯示出來，則可以顯示出所要求的白色系發(fā)光色。發(fā)光裝置因為產(chǎn)生這種混色，所以也可以在環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂或硅樹脂等各種樹脂和氧化硅、氧化鋁等透光性無機物中含有熒光體的粉體和塊。這樣，含有熒光體的樹脂層可以根據(jù)熒光體呈點狀或呈層狀等用途而以各種方式使用，其中樹脂層形成得較薄，足以使發(fā)光元件發(fā)出的光得以透過。通過對熒光體和透光性無機物的比率和涂布、填充量進行各種調(diào)整以及對發(fā)光元件的發(fā)光波長進行選擇，可以提供包括白色在內(nèi)的燈泡顏色等任意的色調(diào)。
另外，相對于由發(fā)光元件發(fā)出的入射光，各自按順序配置2種或更多種熒光體，由此可以獲得能夠有效發(fā)光的發(fā)光裝置。也就是說，在具有反射構件的發(fā)光元件上，以層疊等方式配置含有在長波長側有吸收波長且可以發(fā)出長波長光的熒光體的顏色轉換構件、以及與之相比在更長的波長側有吸收波長且可以發(fā)出更長波長的光的顏色轉換構件，藉此可以有效利用反射光。
如果使用YAG系熒光體，那么即使在以接觸或靠近的方式配置輻射照度(Ee)＝0.1W·cm-2～1000W·cm-2的發(fā)光元件的情況下，也可以獲得高效率且具有充分耐光性的發(fā)光裝置。
本實施方案使用的用鈰活化且能夠發(fā)出綠色系光的YAG系熒光體，因為是石榴石結構，所以對熱、光以及水分具有很強的耐性，激發(fā)吸收譜峰的波長可以在420nm～470nm附近。另外，具有寬的發(fā)光譜，其發(fā)光峰峰值波長λp在510nm附近，峰的末端延伸到700nm附近。另一方面，用鈰活化的釔鋁氧化物系熒光體即能夠發(fā)出紅色系光的YAG系熒光體也因為是石榴石結構，所以對熱、光以及水分具有很強的耐性，激發(fā)吸收譜峰的波長可以在420nm～470nm附近。另外，具有寬的發(fā)光譜，其發(fā)光峰峰值波長λp在600nm附近，峰的末端延伸到750nm附近。
在具有石榴石結構的YAG系熒光體的組成內(nèi)，用Ga置換Al的一部分，由此使發(fā)光譜向短波長側移動，而用Gd和/或La置換組成中的Y的一部分，由此使發(fā)光譜向長波長側移動。這樣一來，通過改變組成，可以連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)光顏色。因此，氮化物半導體能夠以Gd的組成比來連續(xù)改變長波長側的強度，利用這樣的氮化物半導體的藍色系發(fā)光具有轉換成白色系發(fā)光的理想條件。當Y的置換不足2成時，綠色成分增多而紅色成分減少，為8成或以上時，雖然紅色成分增加但輝度急劇下降。另外，關于激發(fā)吸收譜也同樣，在具有石榴石結構的YAG系熒光體的組成內(nèi)，用Ga置換Al的一部分，由此使激發(fā)吸收譜向短波長側移動，而用Gd和/或La置換組成中的Y的一部分，由此使激發(fā)吸收譜向長波長側移動。YAG系熒光體的激發(fā)吸收譜的峰值波長優(yōu)選的是與發(fā)光元件的發(fā)光譜的峰值波長相比位于短波長側。如果是這樣的構成，則當供給發(fā)光元件的電流增加時，激發(fā)吸收譜的峰值波長因為與發(fā)光元件的發(fā)光譜的峰值波長基本一致，所以可以形成熒光體的激發(fā)效率不會降低、色度偏移的發(fā)生得以抑制的發(fā)光裝置。
鋁石榴石系熒光體可以按如下的方法進行制造。首先，熒光體將Y、Gd、Ce、La、Al、Sm、Pr、Tb以及Ga的氧化物或在高溫下容易成為氧化物的化合物用作原料，將它們按化學計量比充分混合便得到原料。或者按化學計量比將Y、Gd、Ce、La、Sm、Pr、Tb的稀土類元素溶解在酸中，然后用草酸使這樣得到的溶解液產(chǎn)生共沉積，再對這樣得到的共沉積產(chǎn)物進行燒結便得到共沉積氧化物，繼而將該共沉積氧化物與氧化鋁、氧化鎵混合便得到混合原料。在該混合原料中適量添加氟化銨等氟化物作為助熔劑并將其裝入坩堝中，然后于空氣中在1350℃～1450℃的溫度范圍內(nèi)燒結2～5小時，從而得到燒結品，接著在水中對燒結品進行球磨，然后進行洗凈、分離、干燥，最后過篩，由此便可以得到熒光體。另外，其它實施方案的熒光體的制造方法優(yōu)選分兩個階段進行燒結，該兩個階段由第一燒結工序和第二燒結工序構成，其中第一燒結工序將由混合了熒光體原料的混合原料和助熔劑構成的混合物在大氣中或弱還原氣氛中進行燒結，第二燒結工序在還原氣氛中進行燒結。在此，所謂弱還原氣氛指的是在由混合原料形成所要求的熒光體的反應過程中，所設定的至少含有必要氧量的較弱的還原氣氛，在該弱還原氣氛中，進行第一燒結工序直至所要求的熒光體的結構形成得以完成，由此可以防止熒光體的黑變，而且可以防止光吸收效率的下降。另外，所謂第二燒結工序的還原氣氛，指的是比弱還原氣氛強的還原氣氛。如果這樣分兩個階段進行燒結，則可以得到激發(fā)波長的吸收效率高的熒光體。因此，在采用這樣形成的熒光體形成發(fā)光裝置的情況下，為得到所要求的色調(diào)，可以減少必要的熒光體用量，可以形成光取出效率高的發(fā)光裝置。
組成不同的2種或更多種用鈰活化的鋁石榴石系熒光體，可以混合使用，也可以各自獨立地進行配置。在各自獨立地配置熒光體的情況下，優(yōu)選按如下的順序進行配置，先配置在更短波波長側容易吸收發(fā)光元件發(fā)出的光并發(fā)光的熒光體，再配置在相對長波長側容易吸收發(fā)光元件發(fā)出的光并發(fā)光的熒光體。由此，熒光體能夠有效地吸收發(fā)光元件發(fā)出的光并發(fā)光。
本實施方案使用的熒光體，也可以使用由鋁石榴石系熒光體、和可以發(fā)出紅色系光的熒光體特別是氮化物系熒光體組合而成的熒光體，其中鋁石榴石系熒光體以釔鋁石榴石系熒光體和镥鋁石榴石系熒光體為代表。這些YAG系熒光體以及氮化物系熒光體可以混合后包含在光轉換構件中，也可以分別包含在由多層構成的光轉換構件中。下面就各自的熒光體進行詳細的說明。
<镥鋁石榴石系熒光體>
所謂镥鋁石榴石系熒光體，是指用通式(Lu1-a-bRaMb)3(Al1-cGac)5O12(其中，R是必須包含Ce的至少1種或多種的稀土類元素，M是選自Sc、Y、La、Gd之中的至少1種元素，0.0001≤a≤0.5，0≤b≤0.5，0.0001≤a+b＜1，0≤c≤0.8)表示的熒光體。例如為組成式用(Lu0.99Ce0.01)3Al5O12、(Lu0.90Ce0.10)3Al5O12、(Lu0.99Ce0.01)3(Al0.5Ga0.5)5O12表示的熒光體。
镥鋁石榴石系熒光體(以下也稱為“LAG系熒光體”)可以按如下的方法獲得。作為熒光體原料，使用镥化合物、稀土類元素R的化合物、稀土類元素M的化合物、鋁化合物以及鎵化合物，對各化合物進行稱量和混合使其達到上述通式的比例，或者在這些熒光體原料中添加助熔劑并進行混合，便得到原料混合物。在坩堝中填充該原料混合物之后，在還原性氣氛中于1200～1600℃下燒結，冷卻后進行分散處理，由此便得到用上述通式表示的本發(fā)明的熒光體。
作為熒光體原料，優(yōu)選使用氧化物或通過熱分解成為氧化物的碳酸鹽、氫氧化物等化合物。另外，作為熒光體原料，也可以使用全部或部分含有構成熒光體的各金屬元素的共沉積物。例如，當在含有這些元素的水溶液中添加堿、碳酸鹽等水溶液時，便可以得到共沉積物，可以將其干燥或熱分解后加以使用。另外，作為助熔劑，優(yōu)選的是氟化物、硼酸鹽等，相對于100重量份的熒光體原料，在0.01～1.0重量份的范圍內(nèi)進行添加。燒結氣氛優(yōu)選的是不會使作為活化劑的鈰發(fā)生氧化的還原性氣氛。更優(yōu)選的是氫濃度為3.0體積％或以下的氫和氮的混合氣體氣氛。燒結溫度優(yōu)選為1200～1600℃，可以獲得目標中心粒徑的熒光體。更優(yōu)選的是1300～1500℃。
在上述通式中，R為活化劑，是必須包含Ce的至少1種或多種的稀土類元素，具體地說，是Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb以及Lr。R也可以只包含Ce，但也可以含有Ce和選自Ce以外的稀土類元素之中的至少1種或多種的元素。Ce以外的稀土類元素為的是作為共同活化劑發(fā)揮作用。在此，相對于所有的R量，R中優(yōu)選含有70mol％或以上的Ce。a值(R量)優(yōu)選為0.0001≤a≤0.5，當?shù)陀?.0001時，發(fā)光輝度下降，即使超過0.5，也因濃度消光而使發(fā)光輝度下降。更優(yōu)選的是0.001≤a≤0.4，進一步優(yōu)選的是0.005≤a≤0.2。b值(M量)優(yōu)選為0≤b≤0.5，更優(yōu)選為0≤b≤0.4，進一步優(yōu)選為0≤b≤0.3。例如，在M為Y的情況下，當b值超過0.5時，由長波長紫外線～短波長可見光特別是360～410nm的光激發(fā)的發(fā)光輝度非常低下。c值(Ga量)優(yōu)選為0≤c≤0.8，更優(yōu)選為0≤c≤0.5，進一步優(yōu)選為0≤c≤0.3。當c值超過0.8時，發(fā)光波長向短波長方向移動，從而使發(fā)光輝度下降。
LAG系熒光體的中心粒徑優(yōu)選為1～100μm的范圍，更優(yōu)選為5～50μm的范圍，進一步優(yōu)選為5～15μm的范圍。小于1μm的熒光體具有容易形成凝聚體的傾向。與此相對照，粒徑處在5～50μm范圍的熒光體，其光的吸收率以及轉換效率較高，光轉換構件也容易形成。這樣，通過含有在光學上具有優(yōu)良特性的大粒徑的熒光體，發(fā)光裝置的批量生產(chǎn)能力也得以提高。另外，優(yōu)選高頻度地包含具有上述中心粒徑值的熒光體，頻度值優(yōu)選為20％～50％。這樣，通過使用粒徑偏差小的熒光體，便可以得到顏色不均更加受到抑制且具有良好色調(diào)的發(fā)光裝置。
镥鋁石榴石系熒光體受到300nm～550nm波長區(qū)域的紫外線或可見光的高效激發(fā)而發(fā)光，所以作為光轉換構件所含有的熒光體可以有效地加以利用。再者，通過使用組成式不同的多種LAG系熒光體，或者將LAG系熒光體與其它熒光體一起使用，可以使發(fā)光裝置的發(fā)光顏色產(chǎn)生各種變化。以前的發(fā)光裝置混合源于半導體發(fā)光元件的藍色系的發(fā)光和源于吸收該發(fā)光而發(fā)出黃色系光的熒光體的發(fā)光，藉此發(fā)出白色系的混色光，由于使源于發(fā)光元件的光的一部分透過而加以利用，所以具有可以簡化結構本身、同時容易提高輸出功率的優(yōu)點。但另一方面，上述的發(fā)光裝置由于是2種顏色的混合而產(chǎn)生的發(fā)光，所以演色性并不充分，要求對此加以改良。于是，利用LAG系熒光體而發(fā)出白色系的混色光的發(fā)光裝置與以前的發(fā)光裝置相比較，可以使其演色性得以提高。另外，LAG系熒光體的溫度特性優(yōu)于YAG系熒光體，因而可以得到退化和彩色邊紋較少的發(fā)光裝置。
<氮化物系熒光體>
本發(fā)明所使用的熒光體也可以使用下述的氮化物系熒光體，其含有N，而且含有選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba以及Zn之中的至少一種元素和選自C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr以及Hf之中的至少一種元素，同時使用選自稀土類元素之中的至少一種元素來活化。另外，作為本實施方案使用的氮化物系熒光體，指的是通過吸收由LED芯片發(fā)出的可見光和紫外線、以及吸收源于YAG系熒光體的發(fā)光而激發(fā)并發(fā)光的熒光體。例如可以列舉出Sr2Si5N8:Eu，Pr、Ba2Si5N8:Eu，Pr、Mg2Si5N8:Eu，Pr、Zn2Si5N8:Eu，Pr、SrSi7N10:Eu，Pr、BaSi7N10:Eu，Ce、MgSi7N10:Eu，Ce、ZnSi7N10:Eu，Ce、Sr2Ge5N8:Eu，Ce、Ba2Ge5N8:Eu，Pr、Mg2Ge5N8:Eu，Pr、Zn2Ge5N8:Eu，Pr、SrGe7N10:Eu，Ce、BaGe7N10:Eu，Pr、MgGe7N10:Eu，Pr、ZnGe7N10:Eu，Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu，La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu，La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu，Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu，Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb以及BaGe7N10:Ce等，但本發(fā)明并不局限于此。氮化物系熒光體所含有的稀土類元素優(yōu)選包含Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er以及Lu之中的至少1種或多種，但也可以含有Sc、Sm、Tm以及Yb。這些稀土類元素除以單質(zhì)的狀態(tài)以外，還以氧化物、酰亞胺、酰胺等狀態(tài)混合在原料中。如果使用Mn，則可以使粒徑增大，可以謀求發(fā)光輝度的提高。
特別地，熒光體是添加了Mn的Sr-Ca-Si-N:Eu、Ca-Si-N:Eu、Sr-Si-N:Eu、Sr-Ca-Si-O-N:Eu、Ca-Si-O-N:Eu、Sr-Si-O-N:Eu系硅氮化物。這些熒光體的基本構成元素可以用通式LXSiYN(2/3X+4/3Y):Eu或LXSiYOZN(2/3X+4/3Y-2/3Z):Eu(L為Sr、Ca以及Sr和Ca之中的任一組)來表示。在通式中，X以及Y優(yōu)選的是X＝2、Y＝5或X＝1、Y＝7，但也可以是任意的數(shù)值。具體地說，優(yōu)選使用基本構成元素可以用添加了Mn的(SrXCa1-X)2Si5N8:Eu、Sr2Si5N8:Eu、Ca2Si5N8:Eu、SrXCa1-XSi7N10:Eu、SrSi7N10:Eu、CaSi7N10:Eu表示的熒光體，但在該熒光體的組成中，也可以含有選自Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr以及Ni之中的至少1種或多種。L為Sr、Ca以及Sr和Ca之中的任一組。Sr和Ca可以根據(jù)要求來改變配比。通過在熒光體的組成中使用Si，可以提供廉價且結晶性良好的熒光體。
本熒光體對于作為母體的堿土類金屬系氮化硅，將Eu2+用作活化劑。作為添加物的Mn，將促進Eu2+的擴散，從而可以謀求發(fā)光輝度、能量效率以及量子效率等發(fā)光效率的提高。Mn包含在原料中，或者在制造工序中以Mn單質(zhì)或Mn化合物的形式添加，與原料一起進行燒結。
熒光體在基本構成元素中或者與基本構成元素一起，含有選自Mg、Ga、In、Li、Na、K、Re、Mo、Fe、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、O以及Ni之中的至少1種或多種。這些元素具有增大粒徑、或者提高發(fā)光輝度等作用。另外，B、Al、Mg、Cr以及Ni具有可以使余輝受到抑制的作用。
這樣的氮化物系熒光體，吸收由發(fā)光元件發(fā)出的光的一部分而發(fā)出從黃色到紅色區(qū)域的光。將氮化物系熒光體與YAG系熒光體一起使用，可以提供一種如下的發(fā)光裝置，該發(fā)光裝置使由發(fā)光元件發(fā)出的光和氮化物系熒光體的從黃色到紅色的光通過混色而發(fā)出暖色系的白色系的混色光。在氮化物系熒光體以外的熒光體中，還優(yōu)選含有鋁石榴石系熒光體。因為通過含有鋁石榴石系熒光體，可以調(diào)節(jié)出所希望的色度。例如，用鈰活化的釔鋁氧化物熒光物質(zhì)，可以吸收由發(fā)光元件發(fā)出的光的一部分而發(fā)出黃色區(qū)域的光。在這里，由發(fā)光元件發(fā)出的光和釔鋁氧化物熒光物質(zhì)的黃色光通過混色而可以發(fā)出白色系的混色光。因此，通過將該釔鋁氧化物熒光物質(zhì)以及產(chǎn)生紅色發(fā)光的熒光體一起混合在具有透光性的光轉換構件中，并結合由發(fā)光元件發(fā)出的藍色光或者由熒光體進行波長轉換而發(fā)出的藍色光，便可以提供一種發(fā)出白色系光的發(fā)光裝置。特別優(yōu)選的是色度位于色度圖的黑體輻射的軌跡上的白色系發(fā)光裝置。但是，為了提供具有所希望的色溫度的發(fā)光裝置，也可以適當改變釔鋁氧化物熒光物質(zhì)的熒光體量和產(chǎn)生紅色發(fā)光的熒光體量。發(fā)出該白色系的混色光的發(fā)光裝置可以謀求特殊演色評價指數(shù)R9的改善。以前的只由藍色發(fā)光元件和用鈰活化的釔鋁氧化物熒光物質(zhì)組合而成的白色系發(fā)光裝置，在色溫度Tcp＝4600K附近，其特殊演色評價指數(shù)R9大體接近于0，且紅色成分不足。因此，提高特殊演色評價指數(shù)R9就成了需要解決的課題，而在本發(fā)明中，與釔鋁氧化物熒光物質(zhì)一起使用產(chǎn)生紅色發(fā)光的熒光體，藉此在色溫度Tcp＝4600K附近，可以將特殊演色評價指數(shù)R9提高到40附近。
下面就本發(fā)明的熒光體((SrXCa1-X)2Si5N8:Eu)的制造方法進行說明，但本發(fā)明并不限于本制造方法。另外，在上述熒光體中含有Mn和O。
作為原料的Sr、Ca優(yōu)選使用單質(zhì)，但也可以使用酰亞胺化合物、酰胺化合物等化合物。另外，在原料Sr、Ca中，也可以含有B、Al、Cu、Mg、Mn、MnO、Mn2O3以及Al2O3等。原料Sr、Ca在氬氣氛中，于手套箱(glove box)內(nèi)進行粉碎。通過粉碎得到的Sr、Ca，優(yōu)選的平均粒徑約為0.1μm～15μm，但本發(fā)明并不局限于該范圍。為了使混合狀態(tài)更加良好，也可以將金屬Ca、金屬Sr、金屬Eu之中的至少1種或多種轉變成合金狀態(tài)后，進行氮化并粉碎，再將其作為原料使用。
作為原料的Si優(yōu)選使用單質(zhì)，但也可以使用氮化物化合物、酰亞胺化合物、酰胺化合物等。例如Si3N4、Si(NH2)2、Mg2Si等。原料Si的純度優(yōu)選為3N或以上，也可以含有Al2O3、Mg、金屬硼化物(Co3B、Ni3B、CrB)、氧化錳、H3BO3、B2O3、Cu2O、CuO等化合物。Si也與原料Sr、Ca一樣，在氬氣氛中或者在氮氣氛中，于手套箱內(nèi)進行粉碎。Si化合物優(yōu)選的平均粒徑約為0.1μm～15μm。
接著在氮氣氛中將Sr、Ca進行氮化。Sr、Ca可以混合后進行氮化，也可以各自單獨進行氮化。由此，可以獲得Sr、Ca的氮化物。另外，在氮氣氛中將作為原料的Si進行氮化。由此便獲得了氮化硅。
將Sr、Ca或Sr-Ca的氮化物進行粉碎。Sr、Ca、Sr-Ca的氮化物在氬氣氛中或者在氮氣氛中，于手套箱內(nèi)進行粉碎。
同樣，將Si的氮化物進行粉碎。另外，還同樣地將Eu的化合物Eu2O3進行粉碎。作為Eu的化合物，所使用的是氧化銪，但金屬銪、氮化銪等也可以使用。此外，作為原料的Eu，也可以使用酰亞胺化合物和酰胺化合物。氧化銪優(yōu)選的是具有高純度，也可以使用市售的氧化銪。粉碎后的堿土類金屬的氮化物、氮化硅以及氧化銪的平均粒徑優(yōu)選的是0.1μm～15μm左右。
在上述原料中，也可以含有選自Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、O以及Ni之中的至少1種或多種。另外，也可以在以下的混合工序中，調(diào)節(jié)Mg、Zn、B等上述元素的配比而進行混合。這些化合物也可以單獨添加到原料中，但通常以化合物的形態(tài)進行添加。該種類的化合物有H3BO3、Cu2O3、MgCl2、MgO·CaO、Al2O3、金屬硼化物(CrB、Mg3B2、AlB2、MnB)、B2O3、Cu2O、CuO等。
上述粉碎結束后，將Sr、Ca、Sr-Ca的氮化物，Si的氮化物以及Eu的化合物Eu2O3進行混合，并在其中添加Mn。這些混合物因為容易被氧化，所以混合在氬氣氛中或者在氮氣氛中，于手套箱內(nèi)進行。
最后在氨氣氛中，將Sr、Ca、Sr-Ca的氮化物、Si的氮化物以及Eu的化合物Eu2O3的混合物進行燒結。通過燒結，可以得到添加了Mn的以(SrXCa1-X)2Si5N8:Eu表示的熒光體。但是，通過改變各原料的配比，可以使目標熒光體的組成發(fā)生改變。
燒結可以使用管狀爐、小型爐、高頻爐、金屬爐等。關于燒結溫度，可以在1200～1700℃的范圍內(nèi)進行燒結，但優(yōu)選的是1400～1700℃的燒結溫度。燒結優(yōu)選使用一個階段的燒結，即慢慢進行升溫并在1200～1500℃進行幾個小時的燒結；也可以使用二個階段的燒結(多個階段的燒結)，即在800～1000℃進行第一個階段的燒結，然后慢慢加熱在1200～1500℃進行第二個階段的燒結。熒光體的原料優(yōu)選用氮化硼(BN)材質(zhì)的坩堝、舟皿進行燒結。除氮化硼材質(zhì)的坩堝外，也可以使用氧化鋁(Al2O3)材質(zhì)的坩堝。
通過使用以上的制造方法，可以得到目標熒光體。在本發(fā)明的實施例中，作為發(fā)出帶紅色光的熒光體，特別使用氮化物系熒光體，而在本發(fā)明中，也可以設計出具有上述YAG系熒光體和可能發(fā)出紅色系光的熒光體的發(fā)光裝置。這樣的可能發(fā)出紅色系光的熒光體是由波長為400nm～600nm的光激發(fā)而發(fā)光的熒光體，例如可以列舉出Y2O2S:Eu、La2O2S:Eu、CaS:Eu、SrS:Eu、ZnS:Mn、ZnCdS:Ag，Al以及ZnCdS:Cu，Al等。這樣，通過使用可能與YAG系熒光體一起發(fā)出紅色系光的熒光體，可以提高發(fā)光裝置的演色性。
像以上那樣形成的以鋁石榴石系熒光體以及氮化物系熒光體為代表的能夠發(fā)出紅色系光的熒光體，在發(fā)光元件的周邊，在由1層構成的光轉換構件中也可以含有2種或更多種，在由2層構成的光轉換構件中也可以分別含有1種、2種或更多種。如果設計為這樣的構成，則不同種類的熒光體發(fā)出的光通過混色可以獲得混色光。此時，為了使各熒光物質(zhì)發(fā)出的光更好地混色并減少顏色不均，優(yōu)選各熒光體具有類似的平均粒徑和形狀。另外，考慮到氮化物系熒光體吸收了通過YAG系熒光體進行了波長轉換的光的一部分，優(yōu)選以下述的方式形成光轉換構件，即將氮化物系熒光體配置在比YAG系熒光體靠近發(fā)光元件的位置。由于設計為這樣的構成，通過YAG系熒光體進行了波長轉換的光的一部分不會被氮化物系熒光體所吸收，與混合含有YAG系熒光體和氮化物系熒光體的情況相比較，可以使混色光的演色性得以提高。
<氧氮化物系熒光體>
除上述的熒光物質(zhì)以外，本方案的熒光物質(zhì)還可以進一步含有用下述通式表示的氧氮化物熒光體。
LxMyOzN{(2/3)x+(4/3)y-(2/3)z}:R其中，L包括選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba以及Zn之中的至少1種元素，M包括選自C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr以及Hf之中的至少1種元素。另外，N表示氮，O表示氧，R為稀土類元素。x、y、z滿足以下的數(shù)值。
x＝2、4.5≤y≤6、0.01＜z＜1.5或者x＝1、6.5≤y≤7.5、0.01＜z＜1.5或者x＝1、1.5≤y≤2.5、1.5≤z≤2.5下面就氧氮化物熒光體的制造方法進行說明，當然，本發(fā)明并不局限于本制造方法。首先，按預定的配比將L的氮化物、M的氮化物以及氧化物、稀土類元素的氧化物作為原料進行混合。通過改變各原料的配比，可以使目標熒光體的組成發(fā)生改變。
其次，將上述原料的混合物放入坩堝中進行燒結。燒結可以使用管狀爐、小型爐、高頻爐、金屬爐等。關于燒結溫度，并沒有什么特別的限定，但優(yōu)選在1200～1700℃的范圍進行燒結，更優(yōu)選的是1400～1700℃的燒結溫度。本熒光體的原料優(yōu)選用氮化硼(BN)材質(zhì)的坩堝、舟皿進行燒結。除氮化硼材質(zhì)的坩堝外，也可以使用氧化鋁(Al2O3)材質(zhì)的坩堝。另外，燒結優(yōu)選在還原氣氛中進行。還原氣氛是指氮氣氛、氮-氫氣氛、氨氣氛、氬等不活潑氣體氣氛等。通過使用以上的制造方法，可以獲得目標的氧氮化物熒光體。
<堿土類金屬硅酸鹽熒光體>
在本實施方案的發(fā)光裝置中，熒光體吸收發(fā)光元件發(fā)出的光的一部分而發(fā)出波長與該吸收光的波長不同的光，作為這樣的熒光體，也可以包含用銪活化的堿土類金屬硅酸鹽熒光體。通過包含堿土類金屬硅酸鹽熒光體，以藍色區(qū)域的光為激發(fā)光，便可以設計出產(chǎn)生暖色系混色光的發(fā)光裝置。該堿土類金屬硅酸鹽熒光體優(yōu)選的是用以下的通式表示的堿土類金屬正硅酸鹽熒光體。
(2-x-y)SrO·x(Ba，Ca)O·(1-a-b-c-d)SiO2·aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中0＜x＜1.6，0.005＜y＜0.5，0＜a、b、c、d＜0.5)(2-x-y)BaO·x(Sr，Ca)O·(1-a-b-c-d)SiO2·aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中0.01＜x＜1.6，0.005＜y＜0.5，0＜a、b、c、d＜0.5)其中優(yōu)選的是，在a、b、c以及d的值中，至少1個大于0.01。
在本實施方案的發(fā)光裝置中，作為由堿土類金屬鹽構成的熒光體，除上述堿土類金屬硅酸鹽熒光體以外，還可以包含用銪和/或錳活化的堿土類金屬鋁酸鹽熒光體和Y(V，P，Si)O4:Eu、或者用下式表示的堿土類金屬-鎂-二硅酸鹽熒光體。
Me(3-x-y)MgSi2O3:xEu，yMn(式中0.005＜x＜0.5，0.005＜y＜0.5，Me表示Ba和/或Sr和/或Ca)下面就本實施方案的由堿土類金屬硅酸鹽構成的熒光體的制造工序進行說明。
為了制造堿土類金屬硅酸鹽熒光體，根據(jù)選擇的組成并按化學計量比充分混合作為初始物質(zhì)的堿土類金屬碳酸鹽、二氧化硅以及氧化銪，而且利用制造熒光體時常用的固體反應，在還原性氣氛下，于1100℃以及1400℃轉換為所希望的熒光體。此時，優(yōu)選添加低于0.2mol的氯化銨或其它鹵化物。另外，根據(jù)需要可以用鍺、硼、鋁以及磷置換硅的一部分，也可以用錳置換銪的一部分。
通過使用上述的熒光體即用銪和/或錳活化的堿土類金屬鋁酸鹽熒光體和Y(V，P，Si)O4:Eu、Y2O2S:Eu3+之中的1種或者組合使用這些熒光體，便可以獲得具有所希望的色溫度的發(fā)光顏色和高的顏色重現(xiàn)性。
<其它熒光體>
在本實施方案中，作為熒光體也可以使用通過從紫外到可見區(qū)域的光激發(fā)而發(fā)光的熒光體，作為具體的實例，可以列舉出以下的熒光體。
(1)用Eu、Mn、或者Eu和Mn活化的堿土類鹵素磷灰石熒光體例如M5(PO4)3(Cl、Br):Eu(其中，M為選自Sr、Ca、Ba以及Mg之中的至少1種)、Ca10(PO4)6ClBr:Mn、Eu等熒光體。
(2)用Eu、Mn、或者Eu和Mn活化的堿土類鋁酸鹽熒光體例如BaMg2Al16O27:Eu、BaMg2Al16O27:Eu，Mn、Sr4Al14O25:Eu、SrAl2O4:Eu、CaAl2O4:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu，Mn等熒光體。
(3)用Eu活化的稀土類氧硫化物熒光體例如La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Eu等熒光體。
(4)(Zn、Cd)S:Cu、Zn2GeO4:Mn、3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、(Mg、Ca、Sr、Ba)Ga2S4:Eu、Ca10(PO4)6FCl:Sb，Mn(擴散劑)本方案在光轉換構件中，除了上述熒光物質(zhì)以外，還可以含有擴散劑。另外，本方案在透光性的散熱構件和后述的透過性構件303中也可以含有擴散劑。作為具體的擴散劑，適于使用的有鈦酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化硅以及它們的混合物。由此，可以獲得具有良好方向性的發(fā)光裝置。
在此，本說明書中的所謂擴散劑，是指中心粒徑不小于1nm但低于5μm的擴散劑。不小于1nm但低于5μm的擴散劑可以使熒光物質(zhì)發(fā)出的光得到良好的散射，可以抑制因使用大粒徑的熒光物質(zhì)而容易產(chǎn)生的顏色不均，因而是優(yōu)選的。另一方面，不小于1nm但低于1μm的擴散劑對于發(fā)光元件發(fā)出的光波長，其干涉效果較低，相反，該擴散劑能夠不降低發(fā)光強度而使樹脂粘度得以提高。當將含有熒光物質(zhì)的樹脂等在希望的場所滴下從而由此形成光轉換構件時，則在注射器內(nèi)可以使樹脂中的熒光物質(zhì)大致均勻地分布并使這種狀態(tài)保持不變，這樣即使在使用操作比較困難的粒徑較大的熒光物質(zhì)的情況下，也能夠以良好的成品率進行生產(chǎn)。這樣一來，本發(fā)明的擴散劑因粒徑范圍不同而產(chǎn)生不同的作用，可以結合使用方法有選擇地或以組合的方式加以使用。
(填料)再者，本方案在光轉換構件中，除了熒光物質(zhì)以外，還可以含有填料。另外，本方案在透光性的散熱構件和后述的透過性構件303中也可以含有填料。由此，可以使各構件的耐熱沖擊性和散熱性得以提高。
具體的材料雖然與擴散劑一樣，但中心粒徑與擴散劑不同，本說明書中的所謂填料，是指中心粒徑為5μm～100μm的填料。當在作為光轉換構件材料的透光性樹脂中含有這種粒徑的填料時，借助于光散射作用，不僅可以改善發(fā)光裝置的色度偏差，而且能夠提高透光性樹脂的熱傳導性以及耐熱沖擊性。因此在光轉換構件中，除了熒光物質(zhì)以外還含有填料，藉此可以提高光轉換構件的散熱性。再者，可以長期將透光性樹脂的流動性調(diào)整為恒定，可以在希望的地方形成光轉換構件，從而能夠以良好的成品率批量生產(chǎn)本方案的發(fā)光裝置。另外，通過適當調(diào)整熒光物質(zhì)、填料以及作為熒光體粘結劑的樹脂之混合比例，可以使光轉換構件的耐熱沖擊性和散熱性得以提高。
另外，填料優(yōu)選具有與熒光物質(zhì)類似的粒徑和/或形狀。在此，本說明書中的所謂“類似的粒徑”，是指各粒子各自的中心粒徑之差低于20％的情況，所謂“類似的形狀”，是指各粒徑圓形度(圓形度表示粒子與真圓的近似程度，圓形度＝與粒子的投影面積相等的真圓的周長/粒子的投影的周長)的值之差低于20％的情況。通過使用這樣的填料，熒光物質(zhì)與填料相互作用，可以使熒光物質(zhì)良好地分散在樹脂中，從而使顏色不均得到抑制。
例如，熒光物質(zhì)和填料的中心粒徑可以同時設定為15μm～50μm，更優(yōu)選設定為20μm～50μm。這樣通過調(diào)整粒徑，可以在各粒子間設計優(yōu)選的間隔而進行配置。由此可以確保光的取出路徑，可以抑制因填料混入而引起的發(fā)光強度的降低，同時能夠使方向性得以改善。
實施方案2本發(fā)明的實施方案2的發(fā)光裝置是在實施方案1的發(fā)光裝置中，所設計的散熱構件的結構具有冷卻介質(zhì)的流道；而且包括在承載發(fā)光元件的一側具有第1流道的第1散熱構件，在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側具有第2流道的第2散熱構件；第2散熱構件具有光轉換構件。也就是說，本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置，其具有使發(fā)光裝置的發(fā)熱得以緩和的水冷式散熱構件，而且在該散熱構件上承載著含有熒光體的光轉換構件。由此，可以抑制熒光體的自發(fā)熱，能夠防止熒光體的退化，故而不會產(chǎn)生發(fā)光裝置輸出功率的降低，可以發(fā)出更高輸出功率的光，例如可以發(fā)出白色系等的光。此外，其它方面與實施方案1相同。
更具體地說，本方案的發(fā)光裝置包括使發(fā)光元件的散熱得以促進的第1散熱構件，以及使光轉換構件的散熱得以促進的第2散熱構件。在第2散熱構件上，光轉換構件被承載在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的區(qū)域。第2散熱構件在承載光轉換構件的一側具有第2流道，該第2流道具有使光轉換構件的散熱得以促進的冷卻介質(zhì)。由此，可以抑制曝露在高輸出功率以及高能量的激發(fā)光下的熒光體的自發(fā)熱。另外，第1散熱構件與第2散熱構件一樣具有冷卻介質(zhì)的流道，使發(fā)出高輸出功率光的發(fā)光元件的散熱得以促進。因此，可以設計出作為整個發(fā)光裝置的散熱性得以提高且發(fā)出高輸出功率光的發(fā)光裝置。
本方案的散熱構件所具有的流道，優(yōu)選具有聯(lián)絡所述第1流道和所述第2流道的第3流道。由此，本方案的發(fā)光裝置具有一對第1流道和第2流道所共通的供給口和排出口，從而發(fā)光元件的冷卻和光轉換構件的冷卻在同一系統(tǒng)內(nèi)進行，所以與使用不同的系統(tǒng)冷卻發(fā)光元件和光轉換構件的其它冷卻機構相比較，發(fā)光裝置可以小型化，而且可以簡化發(fā)光裝置的冷卻機構。
本發(fā)明的發(fā)光裝置在安裝發(fā)光元件的一側，至少層疊著具有冷卻介質(zhì)的第1流道的第1散熱構件、電絕緣性構件、支持基板和第2散熱構件，其中第2散熱構件在配設光轉換構件的一側，具有冷卻介質(zhì)的第2流道。這樣一來，便可以容易地實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)光裝置。
供給口或排出口形成于散熱構件上，絕緣性構件和支持基板具有成為第3流道的一部分的貫通孔。由此，可以從發(fā)光裝置的安裝面?zhèn)冗M行冷卻液的供給和排出，可以使得向發(fā)光裝置供給冷卻介質(zhì)的裝置等不會對發(fā)光裝置的光學特性產(chǎn)生不良影響。
在絕緣構件的至少一方的主面上，粘附著含有選自Au、Ag、Al之中的至少一種的導電性構件。再者，發(fā)光元件的一個電極通過導電性導線和所述導電性構件與粘附在所述絕緣性構件的至少一方的主面上的導電性構件進行電連接，另一個電極則分別與第1散熱構件進行電連接。也就是說，支持基板和第1散熱構件的極性不同，發(fā)光元件的一對正負電極分別與該支持基板和該第1散熱構件進行電連接。由此，能夠容易地向發(fā)光元件供給電力。下面就本方案的各構成進行詳細的敘述。
下面就本實施方案2的發(fā)光裝置的構成進行詳細的說明。
(散熱構件)本方案的發(fā)光裝置的散熱構件包括在承載發(fā)光元件的一側具有第1流道的第1散熱構件，以及在發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側具有第2流道的第2散熱構件。本方案的發(fā)光元件承載在第1散熱構件上，但不言而喻，本發(fā)明并不局限于此。也就是說，在發(fā)光元件和第1散熱構件之間也可以具有熱傳導性良好的其它構件例如以倒裝片的形式安裝發(fā)光元件的副支架(sub-mount)作為輔助元件。下面就第1散熱構件和第2散熱構件進行更為詳細的說明。
所謂本方案的第1散熱構件，指的是具有冷卻發(fā)光元件的冷卻介質(zhì)的流道、直接地或者通過導電性粘結劑構件承載著發(fā)光元件且向發(fā)光裝置的外部傳遞由發(fā)光元件產(chǎn)生的熱的構件。另外，所謂本方案的第2散熱構件，指的是具有冷卻熒光體的冷卻介質(zhì)的流道、承載著含有熒光體的光轉換構件且向光轉換構件的外部傳遞由熒光體產(chǎn)生的熱的構件。在此，第2散熱構件由至少可以透過發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過發(fā)光元件發(fā)出的光和光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料構成。由此，光轉換構件可以承載在第2散熱構件的發(fā)光觀測面?zhèn)鹊闹髅?、以及發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的主面的至少一方上。此外，光轉換構件當然并不限于直接粘結在第2散熱構件上的形態(tài)，也可以通過其它透光性構件安裝在第2散熱構件上。另外，考慮到發(fā)光裝置發(fā)出的光的光學特性，光轉換構件之發(fā)光觀測面一側的形狀也可以設計為透鏡的形狀。也可以通過使散熱構件的一部分具有透光性且使該具有透光性的部分含有熒光體而設計光轉換構件。另外，在光轉換構件內(nèi)，也可以形成用于冷卻熒光體的冷卻介質(zhì)的流道。
在本發(fā)明中，冷卻介質(zhì)的流道可以不管它相對于發(fā)光裝置的外部是封閉體系還是開放體系。作為具有開放形流道的散熱構件的一個實例，例如能夠以銅和鋁等金屬為材料，將其設定為形成有流道的平板，從而使冷卻介質(zhì)在流道的內(nèi)部得以導通。在此，當使散熱構件的一部分具有透過性而設計第2散熱構件時，其具有透光性的一部分選擇透光性樹脂、石英等材料。再者，為了使冷卻介質(zhì)在散熱構件內(nèi)循環(huán)，散熱構件在其外壁面至少具有一對冷卻介質(zhì)的供給口和排出口。如圖7所示，流道可以采用如下的方法在散熱構件115、109上形成，即在多塊被設計為平板狀的材料的至少一方例如在第2板狀構件115b、109b上，形成溝槽、凹凸形狀以及用于形成所述供給口和排出口的貫通孔，然后將第1板狀構件115a、109a和第2板狀構件115b、109b相對置的面彼此之間粘結起來。在此，不用說于本實施方案中，流道的形狀并不局限于圖7所示的形狀。例如如圖10所示，在散熱構件的材料的一部分即第1板狀構件115b、109b上，從形成一方的開口部(供給口或排出口)的位置到另一方的開口部，以流道慢慢變寬、進而慢慢變窄的方式形成凹部。由此，可以使冷卻介質(zhì)在流道內(nèi)順利地循環(huán)。再者，其凹部的內(nèi)壁面優(yōu)選形成細的溝槽和凹凸形狀。由此，可以增大冷卻介質(zhì)與散熱構件的接觸面積，從而使發(fā)光裝置的散熱效果得以提高。
作為具有封閉體系之流道的散熱構件的一個實例，例如能夠以銅和鋁等金屬為材料，將其設定為在內(nèi)部封入冷卻介質(zhì)的熱導管。特別在其它的方案中，可以用作散熱構件的熱導管例如是在由銅和鋁等金屬材料構成的金屬管中，封入水、氟里昂、氟里昂替代品以及フロリナ一トTM等熱輸送用工作液的熱傳遞構件，該熱傳遞構件通過反復進行如下的動作而實現(xiàn)極高的熱傳導性，所述動作包括在吸熱部(高溫部)加熱工作液而使其變?yōu)檎羝?；該蒸汽向散熱?低溫側)移動，產(chǎn)生液化并由此而放熱該液化的工作液通過毛細現(xiàn)象而回到吸熱部。
考慮到散熱方向和散熱效果，散熱構件的形狀可以設定為各種形狀和大小。例如如圖9所示，在與發(fā)光元件的背面相對置的第1流道的內(nèi)壁面形成凹凸形狀。由此，上述內(nèi)壁面與冷卻介質(zhì)的接觸面積比不形成凹凸形狀時為大，所以發(fā)光元件的散熱性得以提高。再者，與光轉換構件相對置的第2流道的內(nèi)壁面也形成凹凸形狀。由此，上述內(nèi)壁面與冷卻介質(zhì)的接觸面積比不形成凹凸形狀時為大，所以光轉換物質(zhì)的散熱性得以提高。在此，當設計為用第3流道聯(lián)絡第1流道和第2流道且使第1流道和第2流道并流的發(fā)光裝置時，第1和第2流道的內(nèi)壁面優(yōu)選設計為同樣的形狀。由此，發(fā)光裝置內(nèi)的冷卻介質(zhì)將形成均勻的壓力，因而可以設計出可靠性高的發(fā)光裝置。
被設計為平板狀的第1散熱構件當將形成散熱構件的板材的熱傳導率設為C[W/mK]時，安裝發(fā)光元件的面和第1流道內(nèi)壁面之間的最短距離d[mm]優(yōu)選的是滿足以下的關系式。
0.05＜d＜(C/800) 式1例如以無氧銅為材料形成第1散熱構件時，d[mm]優(yōu)選設定為以下的范圍。
0.05＜d＜0.5 式2另外，以氧化鋁或氮化鋁之類的陶瓷為材料而形成第1散熱構件時，d[mm]優(yōu)選設定為以下的范圍。
0.05＜d＜0.25式3在此，當d值大于上限值時，散熱構件的熱電阻增大，明顯出現(xiàn)相鄰發(fā)光元件彼此之間的熱干涉，不可能對發(fā)光元件進行高密度的安裝。另外，當d值小于下限值時，加工散熱構件的板材變得不容易。
(支持基板)支持基板的作用是向發(fā)光元件供給電力，成為其它構成構件的支持體，并維持發(fā)光裝置的機械強度。考慮到散熱性和發(fā)光裝置的輸出功率等，支持基板可以形成為各種大小，與發(fā)光裝置的形狀相配合，也可以設定為各種形狀。另外，為了控制光的配光特性，支持基板的一部分也可以具有反射器。
支持基板例如如圖6所示，設置有向發(fā)光裝置的外部延伸的延伸部，在該延伸部可以具有貫通孔，用以在外部的安裝基板、或者在諸如水流泵之類的冷卻介質(zhì)的供給裝置上固定發(fā)光裝置100。再者，如圖7所示，支持基板例如也可以設計為傾斜的壁面，其形成有錐狀的貫通孔，并使該貫通孔的內(nèi)壁面與安裝在第1散熱構件上的發(fā)光元件相對置而將發(fā)光元件發(fā)出的光向發(fā)光觀測面方向反射。另外，該傾斜的壁面也可以形成為適當反射發(fā)光元件發(fā)出的光的反射層。為了使發(fā)光元件發(fā)出的熱高效地散發(fā)至散熱構件一側，支持基板優(yōu)選具有良好的熱傳導性。作為這樣的熱傳導性良好的材料的實例，除了可以單獨使用陶瓷、銅、鋁或磷青銅板以外，也可以適當使用在它們的表面鍍覆有銀、鈀或銀、金等金屬鍍層或者施以軟鉛焊鍍層等的材料。
(絕緣性構件)所謂本方案的絕緣性構件，是配置在第1散熱構件和支持基板之間從而使兩者絕緣的構件。另外，絕緣性構件在導電性支持基板和/或第1散熱構件的對置面上，粘附著Au、Ag以及Al之類的金屬。粘附在支持基板的對置面上的金屬，可以作為向發(fā)光元件供給電力的配線，粘附在第1散熱構件的對置面上的金屬，將成為使第1散熱構件和絕緣性構件形成良好接合的膜層。
絕緣性構件的形狀與第1散熱構件和支持基板的形狀相對應，例如如圖6和圖7所示，被設計為平板狀。絕緣性構件的材料可以設定為樹脂、氧化鋁以及氮化鋁之類的具有電絕緣性的材料。絕緣性材料與第1散熱構件和支持基板相對置的面的至少一方，優(yōu)選形成有包含Au、Ag以及Al之中的至少一種的金屬。由此，謀求與發(fā)光元件進行電連接則變得容易?；蛘呖梢赃M行用于接合向發(fā)光元件供給電力的導線的布線。
再者，如圖7所示，絕緣性構件也可以設計為傾斜的壁面，其形成有錐狀的貫通孔，并使該貫通孔的內(nèi)壁面與安裝在第1散熱構件上的發(fā)光元件相對置。另外，該傾斜的壁面也可以形成為適當反射發(fā)光元件發(fā)出的光的反射層。
在上述支持基板和絕緣性構件上，與連結散熱構件流道的開口部相對應，設置有一對貫通孔，從而可以設計出第3流道。另外，這些貫通孔在與第1、第2以及第3的各流道相連接的部分，以防止冷卻介質(zhì)的泄漏為目的，優(yōu)選設置O形環(huán)。關于O形環(huán)的材料，例如優(yōu)選設定為硅樹脂。
實施方案3本發(fā)明的實施方案3的發(fā)光裝置包括散熱構件，其在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；多個發(fā)光元件，其以2維排列的方式安裝在散熱構件的主面上。而且所述發(fā)光裝置在流道內(nèi)，于板狀構件的表面形成有多個凸部；多個凸部的至少一部分以中心位于發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。除了下面需要特別說明的以外，其余與實施方案1相同。
下面就本實施方案3的散熱構件進行詳細的說明。
(散熱構件)本發(fā)明的散熱構件(以下也稱之為“降溫裝置”)是這樣一種降溫裝置，其在層疊板狀構件中，具有供給流體的供給口和與該供給口連通且排出流體的排出口，所述層疊板狀構件由第1板狀構件和第2板狀構件構成，所述第1板狀構件具有與發(fā)熱體進行熱連接的第1面，所述第2板狀構件與該第1板狀構件的第2面相連接，其中所述第1板狀構件的第2面具有凹凸。
因為所述第1板狀構件的第2面具有凹凸，所以能夠增大在同一區(qū)域的流體所流過的表面積。也就是說，在第1板狀構件的第2面上形成的凸部起著散熱風扇之類的作用。另外，因為流體在有高度差的面上行進，所以它不僅沿直線行進，而且行進時行進方向和行進速度發(fā)生變化。因此，可以高效地冷卻發(fā)熱體產(chǎn)生的熱。另外，優(yōu)先考慮到降溫裝置的薄型化和小型化，即使縮小供給口的直徑也可以具有充分的冷卻功能。
在此，所謂的所述第1板狀構件與發(fā)熱體相連接并不局限于直接的接觸，也可以進行熱連接。即在第1板狀構件與發(fā)熱體之間，可以形成熱輸送路徑，例如也可以設計為使一層或多層的共晶材料介于其間的構成。另外，所謂上述流體是指冷卻介質(zhì)，是純水和低熔點液體等。
另外，在本發(fā)明的降溫裝置中，所述凹凸優(yōu)選形成于與發(fā)熱體的連接區(qū)域相對置的區(qū)域。由此，例如可以將與流體接觸的散熱面積增大為2倍或以上，可以使第2面的熱密度(熱流的密度)得以降低，所以能夠高效地進行冷卻。
另外，在本發(fā)明的降溫裝置中，所述第1板狀構件在第2面形成的凹凸，其高度差優(yōu)選為10μm～500μm。凹凸結構是在水路于板狀構件上形成的同時，采用化學蝕刻等方法形成的，由于加工精度的關系，優(yōu)選設定為10μm或以上。另外，由蝕刻去除的量取決于流體的流量，所以當上述范圍高于500μm時，由于實質(zhì)上存在無助于冷卻的流體，而且為了使過剩的流體進行循環(huán)，壓力提高到了必要量以上，故而這樣的降溫裝置是沒有效率的。因此，所述高度差優(yōu)選為500μm或以上。
所述凹凸的高度差更優(yōu)選為100μm～300μm。由于在該范圍形成高度差，因而可以更加高效地冷卻降溫裝置。
另外，本發(fā)明的降溫裝置是這樣一種降溫裝置，其在層疊板狀構件中，具有供給流體的供給口和與該供給口連通且排出流體的排出口，所述層疊板狀構件由第1板狀構件和第2板狀構件構成，所述第1板狀構件具有與發(fā)熱體進行熱連接的第1面，所述第2板狀構件與該第1板狀構件的第2面相連接，所述降溫裝置的特征在于在所述第1板狀構件中，與發(fā)熱體的接觸區(qū)域相對置的第2面的表面積(b)大于第1面的與發(fā)熱體的接觸面積(a)。本發(fā)明者在從散熱面開始散熱的熱輸送過程中已經(jīng)確認了如下的溫度分布由發(fā)熱體產(chǎn)生的熱以與厚度方向成45°的角度在降溫裝置內(nèi)擴散，同時傳遞到第1板狀構件的第2面。因此，當高密度安裝作為發(fā)熱體的面發(fā)光裝置等時，由相鄰的發(fā)熱體產(chǎn)生的熱在沿第1板狀構件的厚度方向傳遞的過程中，相互重疊而產(chǎn)生熱干涉，從而在局部產(chǎn)生大量的熱。因此，當高密度安裝作為發(fā)熱體的面發(fā)光裝置等時，可以流過各面發(fā)光裝置的輸入電力將限制在較低的水平。但根據(jù)本發(fā)明，在這樣高密度安裝的半導體裝置中，通過確保上述構成的散熱面，可以使允許的輸入電力大幅度提高。在此，所謂輸入電力，是指流過面發(fā)光裝置等半導體元件的電流與施加電壓的乘積，該輸入電力除以元件的投影面積所得到的值稱為熱密度。根據(jù)本發(fā)明，例如可以允許熱密度達2W/mm2或以上的輸入電力。此外，所謂高密度安裝，是指發(fā)熱體彼此之間的間隔比發(fā)熱體的寬度窄的安裝形態(tài)，該發(fā)熱體的數(shù)量設定為3個或更多個。
另外，在本發(fā)明的降溫裝置中，所述第1面的與發(fā)熱體的接觸面積(a)和第2面的與發(fā)熱體的接觸區(qū)域相對置的第2面的表面積(b)之比優(yōu)選為0.2≤(a/b)＜1。更優(yōu)選的是將上述范圍設定為0.2≤(a/b)＜0.5。當?shù)?面的表面積(b)大于第1面的與發(fā)熱體的接觸面積(a)的5倍時，則要求相當高的加工精度。但在上述范圍內(nèi)，可以更進一步提高冷卻效率。
另外，所述第1板狀構件的第1面與所述發(fā)熱體優(yōu)選通過共晶材料來進行連接。由此，在不會對發(fā)熱體產(chǎn)生熱破壞的低溫下，可以使發(fā)熱體與板狀構件貼合在一起。另外，能夠容易地保持對板狀構件的微細加工，不僅可以抑制熱變形，而且容易實現(xiàn)薄型化，從而能夠使熱電阻得以降低。
另外，所述第1板狀構件的第2面與所述第2板材構件也優(yōu)選通過共晶材料來進行連接。作為使各板狀構件貼合在一起的粘結構件，通過使用共晶材料，能夠以較低的溫度使板狀構件貼合在一起。能夠容易地保持對板狀構件的微細加工，可以容易實現(xiàn)薄型化，從而能夠使熱電阻得以降低。
另外，本發(fā)明的半導體裝置的特征在于其包括所述降溫裝置和由半導體構成的發(fā)熱體。通過使用這樣的降溫裝置，可以防止發(fā)熱體元件特性的熱退化，從而可以提供可靠性優(yōu)良的半導體裝置。
本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在所述第1板狀構件的第1面上安裝1個或多個發(fā)熱體。通過所述第1板狀構件的第2面上形成的凹凸，可以降低該第2面的熱密度。因此，可以使因發(fā)熱體的自發(fā)熱引起的光輸出功率的降低受到抑制，從而可以高密度地安裝多個發(fā)熱體。
另外，在本發(fā)明的發(fā)光裝置中，優(yōu)選所述發(fā)熱體為半導體發(fā)光元件。半導體發(fā)光元件因為是熱特性敏感的，所以因熱產(chǎn)生的退化較為明顯。特別是半導體激光器(LD)和LED的發(fā)熱量較大。但是，通過搭載本發(fā)明的降溫裝置，可以實現(xiàn)高密度安裝和高輸出功率化。另外，在半導體發(fā)光元件中，氮化物半導體發(fā)光元件的發(fā)熱量也較多，因此，搭載本發(fā)明的降溫裝置是特別有效的。
本發(fā)明的降溫裝置在分別貼合所述板狀構件的工序中，可以在一個板狀構件的表面?zhèn)刃纬烧辰Y構件，在另一個板狀構件的貼合面形成金屬膜，然后再將它們貼合在一起。不僅形成粘結構件，而且形成金屬膜，藉此使粘結構件的潤濕性得以提高，從而提高板狀構件彼此之間的密合性，由此可以進一步提高在冷卻材料的泄漏問題等方面的可靠性。
另外，本發(fā)明的降溫裝置的特征在于所述共晶材料為含有選自AuSn、AuSi、SnAgBi、SnAgCu、SnAgBiCu、SnCu、SnBi、PbSn以及In之中的至少1種的粘結材料。從潤濕性和密合性的角度考慮，這些粘結材料是合適的。作為本發(fā)明的降溫裝置的制造方法，將所述共晶材料的膠接溫度優(yōu)選設定為500℃或以下。通過在該溫度范圍制造降溫裝置，可以使熱變形得到明顯的改善。
根據(jù)本發(fā)明的構成，例如可以在降溫裝置上高密度安裝10個或更多個由氮化物半導體構成的LED，進而可以獲得由CW驅動而連續(xù)發(fā)光的瓦特光源。另外，通過在本發(fā)明的降溫裝置上安裝1個或多個高輸出功率的面發(fā)光半導體激光器，即使是熱量大的氮化物半導體激光器，也可以得到由CW驅動而連續(xù)振蕩的小型瓦特光源。另外，如果是本發(fā)明的降溫裝置，則安裝1個或多個半導體發(fā)光元件的瓦特光源本身也可以將多個排列在一起，從而可以進一步得到高輸出功率的光源。
本發(fā)明的散熱構件對于面發(fā)光半導體激光器以及高輝度LED等是特別有效的，也可以作為能夠適用伴隨著發(fā)熱的所有半導體器件的散熱構件加以使用。
再者，發(fā)熱體優(yōu)選的是具有第1導電型膜層和第2導電型膜層的半導體元件。當?shù)?導電型為n型時，則第2導電型為p型。另外，與之相反也可以。在本實施方案中，第1導電型膜層與降溫裝置進行電連接，第2導電型膜層則與通過絕緣膜的分隔而形成于降溫裝置上的金屬構件進行電連接。下面以附圖為基礎就本方案進行說明。
圖11是示意剖面圖，表示具有本發(fā)明的降溫裝置的半導體裝置。圖11的半導體裝置具有由第1板狀構件2和第2板狀構件3構成的降溫裝置，并將作為發(fā)熱體的LED芯片1安裝在第1板狀構件2上。在第1板狀構件2和第2板狀構件3之間，形成有使冷卻用流體得以流過的流道12。第2板狀構件3具有流體的供給口36a和排出口36b。在第1板狀構件2的上面，除了LED芯片1的安裝區(qū)域以外，還形成有絕緣性構件4，在該絕緣性構件4的上面，形成有金屬構件5。第1板狀構件2與金屬構件5通過絕緣性構件4進行電絕緣。對于作為發(fā)熱體的LED芯片1，在其上面形成的n側電極用導線與金屬構件5連接。另一方面，LED芯片1的p側電極形成于LED芯片1的底面，與第1板狀構件2相連接。在金屬構件5上，進一步以電連接的形式形成有金屬制罩體焊接構件6。另外，第1板狀構件2與第2板狀構件3也進行電連接。電源8連接在罩體焊接構件6與第2板狀構件3上。作為電連接的路徑，第1板狀構件2與金屬構件5通過發(fā)熱體1相連接。即第2板狀構件3和第1板狀構件2在LED芯片1的p側電極上發(fā)揮流過電流的導線的作用，金屬制罩體焊接構件6和金屬構件5則在LED芯片1的n側電極上發(fā)揮流過電流的導線的作用。另外，在金屬構件5上的罩體焊接構件6上，進一步形成有蓋子即罩體7以保護LED芯片1。在罩體7上形成有窗部以便能夠觀測LED芯片1的發(fā)光，透光性的窗構件9鑲嵌在其中。
圖12是示意表示圖11所示的半導體裝置之構造的立體圖。此外，為了簡化圖面，將金屬構件5、罩體焊接構件6以及罩體7予以省略。如圖12所示，在第1板狀構件2上，形成有包括圓形窗部的絕緣性構件4，第1板狀構件2從該圓形窗部4a露出。該圓形窗部4a的內(nèi)側為LED芯片1的安裝區(qū)域，多個(圖12中為21個)LED芯片1在窗部4a內(nèi)配置成方陣狀。此外，所謂方陣狀是指各自的LED芯片配置成棋盤格狀的狀態(tài)，但整個排列也可以不是矩形。根據(jù)本實施方案，借助于以下說明的水冷結構可以實現(xiàn)高的冷卻效率，所以作為發(fā)熱體的LED芯片1可以進行高密度安裝，LED芯片彼此之間的間隔11可以控制為較窄的水平。
圖13為剖面圖，示意表示本實施方案的半導體裝置之降溫裝置的結構。此外，本圖為方便起見，將各自的構件進行分解而表示出來。降溫裝置由第1板狀構件2與第2板狀構件3構成。第1板狀構件2包括第1面21和第2面22，第2板狀構件3包括第1面31和第2面32。作為發(fā)熱體的LED芯片1安裝在第1板狀構件2的第1面21上。第1板狀構件2的第2面22和第2板狀構件3的第1面31相互對置，夾持在這2個面之間的部分成為冷卻用流體得以流過的流道。正如圖13的局部放大圖所表示的那樣，在第1板狀構件2的第2面22上，形成有多個凸部25。由于該凸部25的作用，冷卻用流體與第1板狀構件2的接觸面積得以增加，從LED芯片1傳遞到第1板狀構件2的熱量可以有效地散發(fā)出去。第1板狀構件2上形成的凸部25起著改變冷卻用流體的行進方向和行進速度的作用，由此便使散熱效率得以提高。構成降溫裝置的板狀構件優(yōu)選設定為熱傳導性良好的構件。優(yōu)選的是以銅(Cu)為母材的銅系薄板材料。最優(yōu)選的是無氧銅。此外，如果像后述那樣，通過共晶材料進行板狀構件彼此之間的接合，則會增加板狀構件的材料選擇的自由度。如果采用含金的金屬材料覆蓋板狀構件的整個貼合面，并將該含金的金屬材料的至少一方設計為低熔點(例如熔點為500℃或以下)的共晶材料，則對冷卻材的腐蝕性也不必考慮，板狀構件的材料選擇的自由度得到進一步的增加。因此，作為板狀構件(特別是第1板狀構件)的材料，也可以使用熱膨脹系數(shù)與安裝在該板狀構件之上的半導體元件之基板材料大致相同的材料，由此在安裝半導體元件時，可以減少施加到半導體元件上的應變。例如，當在由CuW等構成的支持基板上形成半導體元件時，可以由同樣的CuW構成第1板狀構件，可以采用含金的金屬材料(Au、AuSn、AuSi或它們的層疊體等)覆蓋其貼合面(＝第2面)。
在第1板狀構件2的第2面22上形成凸部25，其結果是形成了凹凸圖案。本實施方案以凸部25在俯視圖中呈圓形(即圓柱狀)的情況為例進行了說明，但凹凸的圖案形狀也可以設定為條狀、矩形狀、帶狀、格子狀等。在第1板狀構件2的第2面22上形成的凹凸，希望其高度差優(yōu)選設定為10μm～500μm，更優(yōu)選設定為100μm～300μm。
另外，在本發(fā)明的降溫裝置中，第1板狀構件第1面的與發(fā)熱體的接觸面積(a)和第2面的與發(fā)熱體的接觸區(qū)域相對置的第2面的表面積(b)之比，優(yōu)選設定為0.2≤(a/b)＜1，更優(yōu)選設定為0.2≤(a/b)＜0.5。因為設計為滿足該條件的降溫裝置，因而能夠在第1板狀構件2的第2面22上形成凹凸。另外，作為發(fā)熱體的LED芯片1的芯片尺寸為□100μm～□10mm左右。因此，當?shù)?面形成有多個這樣的發(fā)熱體1且在與該第1面相對置的第2面上形成凹凸時，對于第2面上形成凹部和/或凸部的尺寸，優(yōu)選將其寬度設定為10μm～1000μm。
關于第1板狀構件2和第2板狀構件3優(yōu)選的方案，下面參照圖4～圖6進行說明。圖14(a)～(c)表示第1板狀構件2優(yōu)選的方案，圖15(a)～(c)表示第2板狀構件3優(yōu)選的方案。另外，圖16(a)以及(b)表示組合圖14和圖15所示的板狀構件的方案。
首先，就第1板狀構件2優(yōu)選的方案進行說明。正如圖14(a)～(c)所示的那樣，在第1板狀構件2的第2面22的大致中央部位，形成有圓形凹部24以便用于形成冷卻用流體的流道。在本實施方案中，圓形凹部24的深度與流過冷卻用流體的流道之高度相一致。因此，圓形凹部24的深度優(yōu)選設定為10μm～500μm，更優(yōu)選設定為100μm～300μm。這是因為當流道的高度過低時，不僅加工困難，而且冷卻水流過流道時的阻力增大，相反，流道的高度過高時，遠離作為散熱面的凹部24的底面的位置也有冷卻用流體的流過，從而使過剩的無助于冷卻的流體也處于循環(huán)狀態(tài)。
另外，起散熱風扇作用的凸部25有規(guī)則地排列在圓形凹部24的底面。各自的凸部25的高度優(yōu)選的是與圓形凹部24的深度相同，或者小于圓形凹部24的深度。本實施方案使凸部25的高度與圓形凹部24的深度相同(＝流道的高度)。這樣一來，當使第1板狀構件2和第2板狀構件3貼合在一起時，凸部25作為支柱而發(fā)揮作用，從而使降溫裝置的機械強度得以提高。此時，如果將凸部25的上面與第2板狀構件3的表面接合在一起，則第1板狀構件2和第2板狀構件3的接合面積增加，從而使降溫裝置的機械強度得到進一步的提高。另一方面，如果使凸部25的高度小于圓形凹部24的深度(＝流道的高度)，則凸部25的上面也與冷卻用流體接觸，從而使散熱效率得以提高。此外，也可以在第2板狀構件3的第1面31上形成凸部25，并將凸部25的上面與第1板狀構件2的第2面22貼合在一起。此時，由于凸部25與第1板狀構件2的第2面22通過熱的和機械的方式而實現(xiàn)一體化，因此可以看作是在第1板狀構件2的第2面22上形成了凸部。在第1板狀構件2的4個角上形成有螺孔23。
下面就第2板狀構件3優(yōu)選的方案進行說明。正如圖15(a)～(c)所示的那樣，在第2板狀構件3上形成有用于供給流體的貫通孔即供給口36a以及用于排出流體的貫通孔即排出口36b。另外，在第2板狀構件的第1面31上，形成有扇狀凹部34a，該扇狀凹部34a從供給口36a向第2板狀構件3的中央大致呈扇形擴展開來，從而構成將冷卻用流體從供給口36a導向流道入口的導槽部。此外，扇狀凹部34a靠近板狀構件中央的周邊37a呈圓弧狀，與圖14所示的圓形凹部24的周邊24a一起構成流道入口。另外，在扇狀凹部34a的底面，形成有多根支持柱35a。支持柱35a與流體流動的方向相一致地呈放射狀排列。另外，支持柱35a所具有的高度使其上面與第2板狀構件的第1面31在同一個平面內(nèi)，從而在使第1板狀構件2和第2板狀構件3貼合在一起時，支持柱35a的上面成為接合面。通過形成這樣的支持柱35a，降溫裝置的機械強度得以提高，同時冷卻用流體容易均勻流過整個流道。
另外，關于排出口36b也形成為同樣的構造。即形成為扇狀凹部34b，該扇狀凹部34b從排出口36b向板狀構件的中央大致呈扇狀地擴展開來，從而構成將冷卻用流體從流道的出口導向排出口36b的導入導槽部。此外，扇狀凹部34b靠近板狀構件中央的周邊37b呈圓弧狀，與圖14所示的圓形凹部24的周邊24a一起構成流道出口。另外，在扇狀凹部34b的底面，形成有多根支持柱35b。此外，在第2板狀構件3的4個角上形成有螺孔33，由于與第1板狀構件2的4個角上設置的螺孔23相一致，因而可以進行板狀構件彼此之間的對位。
如果將這些第1板狀構件2和第2板狀構件3進行組合，則成為圖16(a)及(b)所示的方案。如圖16(a)及(b)所示，在形成于第1板狀構件2的第2面22上的圓形凹部24與第2板狀構件的第1面31之間，形成出圓形的冷卻用流道。該圓形的冷卻用流道的入口13，形成于第2板狀構件3上設置的扇狀凹部34a的圓弧狀周邊部37a和第1板狀構件2的圓形凹部24的周邊部24a之間，并具有圓弧的形狀。同樣地，圓形的冷卻用流道的出口14，形成于第2板狀構件3上設置的扇狀凹部34b的圓弧狀周邊部37b和第1板狀構件2的圓形凹部24的周邊部24b之間，并具有圓弧的形狀。當然，所形成的圓弧狀周邊部37a或37b，比第1板狀構件2的圓形凹部24的周邊部24a或24b更位于內(nèi)側。另外，在形成于第2板狀構件3上的扇狀凹部34a與第1板狀構件的第2面32之間，形成有將冷卻用流體從供給口36a導向流道的入口13的導槽。同樣地，在形成于第2板狀構件3上的扇狀凹部34b與第1板狀構件的第2面22之間，形成有將冷卻用流體從流道出口14導向排出口36b的導槽。
在圖16所示的降溫裝置中，冷卻用流體按如下的方式流動。首先，從供給口36a導入的冷卻用流體沿著由扇狀凹部34a構成的導槽一邊擴展開來，一邊向降溫裝置的中央流動。然后，當?shù)竭_扇狀凹部34a的周邊部37a時，便流入由扇狀凹部34a的周邊部37a和圓形凹部24的周邊部24a形成的流道的入口13。在此，流道的入口13因為是圓弧狀的，所以向降溫裝置的中央流動的流體的一部分一邊環(huán)繞降溫裝置的周邊部，一邊進入流道。因此，冷卻用流體容易均勻流過整個流道，同時冷卻用流體的水壓分布容易形成為與流體的流動方向垂直的等高線。因此，可以獲得均勻的冷卻效果，冷卻用流體遍及在平面內(nèi)擴展的整個流道，從而可以抑制因安裝的LED芯片1的發(fā)熱而引起的特性偏差。
然后，從冷卻用流道的入口13流入的流體，通過凸部25一邊呈S字狀反復迂回，一邊流向流道的出口14。也就是說，以相互錯位的方式配置凸部25，以便對于從流道的入口13的中央向出口14的中央依次連接最接近的凸部25彼此之間的線段，使之反復彎曲，于是，碰到凸部25的流體便一邊呈S字狀反復迂回，一邊流過流道。換句話說，當從流道的入口將凸部25的2維排列看成是第1列、第2列…第n列時，則第n列的凸部25的排列被配置為與第(n-1)列的凸部25的排列上下錯位約半個間距。由此，各凸部25的配置是位于接近的4個凸部所形成的正方形的中心。這樣一來，凸部25的配置使流體一邊呈S字狀反復迂回一邊流動，藉此促進了冷卻用流體與第1板狀構件之間的熱交換，從而使散熱效果得到進一步的提高。
這樣流過流道的冷卻用流體達到流道出口14時，通過由扇狀凹部34b構成的導槽而從排出口36b排出。在此，流道的出口14呈圓弧狀，所以從流道的周邊部流過來的流體便向出口14的中央一邊環(huán)繞一邊流出。因此，與前面一樣，冷卻用流體容易均勻流過整個流道，同時冷卻用流體的水壓分布容易形成為與流體的流動方向垂直的等高線。因此，可以獲得均勻的冷卻效果，冷卻用流體遍及在平面內(nèi)擴展的整個流道，從而可以抑制因安裝的LED芯片1的發(fā)熱而引起的特性偏差。此外，板狀構件上形成的流道形狀并不局限于圖14、圖15的形狀。
在本實施方案中，流道內(nèi)形成的凸部25優(yōu)選相對于作為發(fā)熱體的LED芯片1配置在特定的位置。圖17(a)及(b)是表示LED芯片1與凸部25的位置關系的示意圖，其中LED芯片1排列成方陣狀。如前所述，由LED芯片等發(fā)熱體產(chǎn)生的熱在由散熱面散熱的熱輸送過程中，以與厚度方向成45°的角度在降溫裝置內(nèi)一邊擴散一邊傳遞。也就是說，如圖16(b)所示，由LED芯片1產(chǎn)生的熱在板厚方向行進時以45°的角度在第1板狀構件2內(nèi)一邊擴散一邊行進。為此，例如以芯片彼此之間的間隔在芯片寬度以下(更具體地說，在芯片寬度的一半以下)這樣的高密度安裝LED芯片1等時，由相鄰的2個LED芯片產(chǎn)生的熱在沿第1板狀構件的厚度方向傳遞的過程中，相互重疊而產(chǎn)生熱干涉，在相當于LED芯片1彼此之間的間隔11的位置，其熱密度相對升高。于是，多個凸部25的至少一部分優(yōu)選在相當于LED芯片1彼此之間的間隔11的位置形成。究其原因，這是因為如果形成凸部25，則可以使該部分的熱密度得以下降。也就是說，如果形成凸部25，則第1板狀構件2的單位投影面積增大，因而可以使與冷卻用流體接觸的面(第1板狀構件2的第2面22)中的熱密度下降。因此，即使在高密度安裝成為LED芯片等發(fā)熱體的半導體元件、且相互產(chǎn)生熱干涉的情況下，也可以抑制熱分布并進行高效率的冷卻。
另外，基于同樣的理由，也優(yōu)選在相當于各LED芯片1的大致中央的位置形成凸部25。究其原因，這是因為LED芯片等半導體發(fā)光元件通常在元件的中央部產(chǎn)生大量的熱。于是，本實施方案正如圖17(a)所示的那樣，將形成的凸部25配置在LED芯片1的中央和4個角上。在LED芯片1的4個角上形成的凸部25以成為中心的方式配置在LED芯片1彼此之間的間隔11上。也就是說，某LED芯片1的在4個角上形成的凸部25橫跨3個相鄰的LED芯片1而形成。通過這樣地配置凸部25，LED芯片1自身在內(nèi)部產(chǎn)生的熱的分布以及LED芯片1彼此之間因熱干涉而引起的熱的分布這兩者都可以受到抑制，從而能夠進行有效的散熱。此外，也可以在矩形的LED芯片1之各邊的中央配置凸部25，以代替在矩形的LED芯片1的4個角上形成凸部25。此時，相鄰的2個LED芯片1共有1個凸部25。另外，此時也優(yōu)選將凸部25的中心配置在LED芯片1彼此之間的間隔11上。
構成降溫裝置的板狀構件彼此之間優(yōu)選采用共晶材料使之貼合在一起。采用共晶材料將板狀構件彼此之間貼合在一起，藉此使第1板狀構件2向第2板狀構件3的熱傳導和電傳導良好地進行，同時不會出現(xiàn)冷卻用流體的泄漏，從而可以進行耐熱性高的接合。如果第1板狀構件2與第2板狀構件之間的熱傳導良好，則在由它們的組合構成降溫裝置方面是有利的。另外，如果第1板狀構件2與第2板狀構件之間的電傳導良好，則對于由它們的組合所構成的降溫裝置，當將其作為連接半導體芯片的導線時是有利的。
另外，共晶材料優(yōu)選在貼合面的整個面上即第1板狀構件2的第2面22和第2板狀構件3的第1面31的整個面上形成。由此，借助于共晶材料可以保護板狀構件的表面免受流體產(chǎn)生的腐蝕等。例如，作為板狀構件優(yōu)選使用熱傳導率高的銅等，但銅因冷卻水而容易產(chǎn)生電化學腐蝕等。因此，將板狀構件的貼合面的整個面用耐蝕性高的共晶材料(例如含Au的合金等)覆蓋，由此可以設計出可靠性高的降溫裝置。另外，也可以設計為如下的構成，即用共晶材料覆蓋一個板狀構件的表面，而在另一個板狀構件的貼合面?zhèn)刃纬山饘倌ぁＲ簿褪钦f，通過在板狀構件上形成金屬膜，在使板狀構件的表面得以保護的同時，還可以使金屬膜與共晶材料的連接變得容易。作為共晶材料，優(yōu)選的是含有選自AuSn、AuSi、SnAgBi、SnAgCu、SnAgBiCu、SnCu、SnBi、PbSn以及In之中的至少1種的粘結材料。金屬膜在與作為粘結材料的共晶材料之間的關系上，只要是潤濕性良好的金屬就沒有特別的限定。作為優(yōu)選的組合，共晶材料可以使用含Au的合金(例如AuSn)，金屬膜可以使用Au或含Au的層疊體。
另外，本發(fā)明的降溫裝置可以將2個或更多個發(fā)熱體1安裝成陣列狀。通過使用本發(fā)明的降溫裝置，即使安裝多個發(fā)熱體也可以確保充分的散熱，同時可以抑制冷卻材料等的流入以及由此產(chǎn)生的板狀構件的剝離等。另外，降溫裝置在同一個面上形成的呈陣列狀的發(fā)熱體，也能夠以并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式進行電連接。
再者，發(fā)熱體優(yōu)選的是具有第1導電型膜層和第2導電型膜層的半導體元件。當?shù)?導電型為n型時，則第2導電型為p型。另外，與之相反也可以。在本實施方案中，第1導電型膜層與降溫裝置進行電連接，第2導電型膜層則與通過絕緣膜的分隔而形成于降溫裝置上的金屬構件進行電連接。
另外，本發(fā)明的降溫裝置可以將2個或更多個發(fā)熱體1安裝成陣列狀。通過使用本發(fā)明的降溫裝置，即使安裝多個發(fā)熱體也可以確保充分的散熱，同時可以抑制冷卻材料等的流入以及由此產(chǎn)生的板狀構件的剝離等。另外，降溫裝置在同一個面上形成的呈陣列狀的發(fā)熱體，也能夠以并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式進行電連接。
另外，本發(fā)明的半導體裝置例如如圖18所示，成為具有降溫裝置40、且通過設置在外側表面的供給口42以及排出口44而使冷卻材料流過降溫裝置40內(nèi)部的結構。由作為發(fā)熱體的半導體元件46產(chǎn)生的熱，借助于流過降溫裝置40內(nèi)的冷卻材料而進行適當?shù)纳?。降溫裝置40例如是將2個或多個板狀構件貼合在一起而形成的層疊板狀構件，因為設置共晶材料和潤濕性良好的金屬膜而進行牢固的粘結，所以冷卻水不會在降溫裝置110內(nèi)部泄漏。另外，如果將本發(fā)明的發(fā)熱體設定為半導體發(fā)光元件特別是半導體激光器，則可以得到在500nm或以下的短波區(qū)域產(chǎn)生激光振蕩的高輸出功率的激光光源裝置。另外，本實施方案當然也可以適用于發(fā)熱體為發(fā)光二極管和受光元件等情況。
作為由本發(fā)明的實施方案構成的半導體裝置的一個實例，有LED光源的單元模塊光源裝置(圖18)。該光源裝置的外形由降溫裝置40、固定它的固定夾具50和螺釘48形成。另外，在降溫裝置40和固定夾具50之間，也可以使用如下的構件，它使水不泄漏地將降溫裝置40的供給口及排出口和固定夾具50的供給口42及排出口44連結起來。該構件例如可以是樹脂的，也可以是金屬的。另外，上述LED光源的單元模塊光源裝置的外觀可以是圖18所示的4角形，而且也可以是圖19所示的3角形。此外，在圖18以及圖19中，省略了由電源供給電力的配線。
另外，排列由上述結構構成的LED光源的單元模塊光源裝置，可以構成超高輸出功率的模塊光源裝置。圖20表示超高輸出功率的模塊光源裝置。正如圖20所示的那樣，例如在LED光源的單元模塊光源裝置52的外觀是4角形的情況下，通過將光源裝置52排列成陣列狀或矩陣狀，可以構成輸出功率更高的光源。此時，優(yōu)選在單元模塊光源裝置52彼此之間以串聯(lián)或并聯(lián)的方式使單元模塊光源裝置52的冷卻材料的供給口以及排出口連通。即也可以在單元模塊光源裝置52之間使供給口彼此之間或排出口彼此之間連通。另外，作為一種替代方式，也可以反復地將某個單元模塊光源裝置52的排出口與下一個單元模塊光源裝置的供給口連接。另外，在上述LED光源的單元模塊光源裝置52的外觀是3角形的情況下，也可以如圖21所示，3角形彼此之間重疊在一起而依次排列成圓環(huán)狀，由此作為一個整體，則配置為多邊形。通過采用這樣的排列，可以構成面積雖小但能夠謀求更高輸出功率的光源。此外，作為超高輸出功率的模塊光源裝置，也可以使用如下的構件，它使水不泄漏地將構成所述超高輸出功率的模塊光源裝置的單元模塊光源裝置的供給口及排出口連結起來。該構件例如是樹脂或金屬。由此，在排列成陣列狀、矩陣狀或圓形狀的水路的串聯(lián)結合中，即使在需要高水壓的情況下，也可以防止水的泄漏。
實施例下面舉出實施例就本發(fā)明的發(fā)光裝置進行說明，但本發(fā)明并不局限于該實施例。另外，為了明確各附圖所示的構件的大小和位置關系，在此有所夸張。此外，在以下實施例的發(fā)光裝置中，用于向半導體發(fā)光元件供給電力的導體配線以及導電性導線的材料、形狀以及配置可以設定為各種方式，在本說明書中，為簡便起見，其說明以及圖示也有所省略。
圖1表示本實施例的發(fā)光裝置的示意剖面圖。本實施例的發(fā)光裝置100包括散熱構件102，其具有冷卻介質(zhì)的流道105；支持構件103，其具有使多個半導體發(fā)光元件104排列并安裝成矩陣狀的凹部106。再者，在上述散熱構件102中，光轉換構件101涂布在發(fā)光裝置100的射出光的觀測面上。
本實施例的半導體發(fā)光元件104的發(fā)光峰值波長設定為365nm。另外，為了發(fā)出白色系的光，光轉換構件101含有從上述熒光體中進行適當選擇并加以混合而成的物質(zhì)。關于散熱構件102，其材料設定為石英玻璃，并具有用于向流道105供給冷卻介質(zhì)的供給口和排出口(圖中未示出)。另外，關于支持構件103，其由無氧銅構成的板材加工而成，并形成有凹部106。
將按以上方法形成的發(fā)光裝置100安裝在水冷夾具上，并從供給口向發(fā)光裝置的流道內(nèi)導入純水作為冷卻介質(zhì)。
使冷卻水在本實施例的發(fā)光裝置內(nèi)循環(huán)，供給60秒的電力，并將發(fā)光元件發(fā)出的光密度設定為4.9W/cm2，結果沒有發(fā)現(xiàn)輸出功率的減少。
其次，在不同的發(fā)光元件的光密度下，測定了光轉換構件的溫度和發(fā)光裝置的光輸出功率。光轉換構件的溫度是在光轉換構件中插入熱敏電阻進行測定的。其結果如表1所示。在此，圖5(a)示意表示了向發(fā)光裝置只供給60秒的電力的情況。另外，圖5(b)示意表示了本實施例的發(fā)光裝置的相對輸出功率隨時間的變化。通過本實施例已經(jīng)清楚由發(fā)光元件發(fā)出的光密度可以設定為3.0W/cm2或以上，光轉換構件的溫度至少可以抑制在200℃或以下，優(yōu)選抑制在120℃或以下，進一步優(yōu)選抑制在100℃或以下。
通過設計為本實施例的發(fā)光裝置，由激發(fā)熒光體的發(fā)光元件發(fā)出的光即使是短波長且高密度的激發(fā)光，也可以將熒光體自身的發(fā)熱抑制在能夠忽略的程度，可以維持最優(yōu)的光轉換效率。因此，本發(fā)明可以設計出具有高輝度發(fā)光的發(fā)光裝置。
除了不向流道供給冷卻介質(zhì)外，其余與實施例1同樣地形成發(fā)光裝置。在該發(fā)光裝置中，于凹部內(nèi)的第1散熱構件上將發(fā)出紫外線的發(fā)光元件排列成矩陣狀，并且將含有熒光物質(zhì)的光轉換構件承載在該發(fā)光元件的大約2mm的正上方，從而使之發(fā)出白色系的光。發(fā)光元件的發(fā)光峰值波長設定為365nm，而且為了發(fā)出白色系的光，熒光體從上述熒光體中進行適當選擇并加以混合。散熱構件的材料設定為石英玻璃，光轉換構件涂布在石英玻璃的發(fā)光觀測面?zhèn)鹊谋砻嫔?。在光轉換構件中插入熱敏電阻，測定了光轉換構件部的溫度。在不同的發(fā)光元件的光密度以及輸給發(fā)光元件的電力下，測定了光轉換構件的溫度和發(fā)光裝置的光輸出功率，其結果如下表所示。圖5(a)示意表示了向發(fā)光裝置只供給60秒的電力的情況。另外，圖5(b)就發(fā)光元件發(fā)出的各種光密度示意表示了發(fā)光裝置的相對的光輸出功率隨時間的變化。另外，圖5(c)就發(fā)光元件發(fā)出的各種光密度示意表示了光轉換構件的溫度隨時間的變化。
表1

當電力為15W時，光轉換構件的溫度約為60℃，正如圖5(b)所示的那樣，光輸出功率十分穩(wěn)定。當電力為30W時，光轉換構件的溫度約為85℃，作為第2種光的白色光的輸出功率初期稍有減少但也十分穩(wěn)定。當電力為70W時，光轉換構件的溫度在電力投入60秒后，達到120℃左右，發(fā)光裝置的輸出光在電力投入60秒后，輸出功率減少到初期的75％左右，但此后表現(xiàn)出在某一輸出功率穩(wěn)定的征兆。
圖2表示本實施例的發(fā)光裝置200的示意剖面圖。本實施例的散熱構件202設定為平板狀的金屬材料，發(fā)光裝置200從發(fā)光觀測方向看，具有排列成矩陣狀的多個貫通孔。再者，光轉換構件201在其散熱構件202中，形成于半導體發(fā)光元件104發(fā)出的光所照射一側的面、貫通孔以及發(fā)光觀測面上。因此，散熱構件202所處的狀態(tài)是以網(wǎng)狀的形式遍布光轉換構件201中。另外，從發(fā)光觀測方向看，散熱構件202或光轉換構件201的周邊部與支持構件103進行熱連接。除此以外，與實施例1同樣地形成發(fā)光裝置。通過采用本實施例的構成，不僅獲得了與實施例1大致相同的效果，而且促進了從光轉換構件的中央部向周邊部方向的散熱，可以設計出高輸出功率的發(fā)光裝置。
圖3表示本實施例的發(fā)光裝置300的示意剖面圖。本實施例的光轉換構件301以及散熱構件302均配置在透光性構件303的上面和下面之中的、觀測發(fā)光裝置300之發(fā)光的上面?zhèn)取Ｔ诖?，本實施例所謂的透光性構件303，指的是至少可以讓半導體發(fā)光元件104發(fā)出的光得以透過的平板狀材料，作為它的具體材料，例如為玻璃和透光性樹脂等。另外，光轉換構件301形成為與上述透光性構件303透過來的發(fā)光元件104發(fā)出的光所照射的區(qū)域即凹部106之開口部的大小相適應。另外，散熱構件302在其內(nèi)部具有冷卻介質(zhì)的流道105，并以環(huán)繞光轉換構件301的外周部的方式而形成。在此，散熱構件302內(nèi)部的冷卻介質(zhì)的流道105以環(huán)繞光轉換構件301的方式而形成。再者，從發(fā)光觀測方向看，透光性構件303的周邊部也可以至少在與支持構件103接觸的部分含有填料，以改善熱傳導性。除此以外，與實施例1同樣地形成發(fā)光裝置。通過采用本實施例的構成，獲得了與實施例1大致相同的效果，而且散熱構件不會對發(fā)光裝置射出的光的光學特性產(chǎn)生影響，進而可以設計出高輸出功率的發(fā)光裝置。
圖4表示本實施例的發(fā)光裝置400的示意剖面圖。本實施例的發(fā)光裝置400在承載半導體發(fā)光元件104的支持構件103之凹部106的開口方向上，具有設計為曲面狀的散熱構件402，在該散熱構件402的內(nèi)壁面(接受發(fā)光元件104的發(fā)光的面)上，涂布有光轉換構件401。另外，散熱構件402的端部與支持構件103進行熱連接，另一端部則離開支持構件103，以便能夠使發(fā)光裝置的輸出光得以通過。通過采用這樣的構成，半導體發(fā)光元件104發(fā)出的光(例如圖中用虛線表示)入射到光轉換構件401上，通過熒光體進行了波長轉換的光通過散熱構件402的內(nèi)壁面反射而從發(fā)光裝置400輸出(例如圖中用實線表示)。除此以外，與實施例1同樣地形成發(fā)光裝置。根據(jù)本實施例，獲得了與實施例1大致相同的效果，而且可以設計出如下的發(fā)光裝置，其使通過熒光體進行了波長轉換的光射向所希望的方向。
圖6表示本實施例的發(fā)光裝置的示意立體圖和局部剖面圖。另外，圖7是表示本實施例的發(fā)光裝置的各構成構件的示意立體圖。圖8是圖6的發(fā)光裝置的X-X向剖面圖。
關于本實施例的發(fā)光裝置100的結構，首先將絕緣性構件107介于具有第1流道112的第1散熱構件115和向發(fā)光元件201供給電力的支持基板108之間，然后將其進行層疊，繼而在上述支持基板108上，層疊具有第2流道113的第2散熱構件109。第2散熱構件109在其發(fā)光觀測面?zhèn)鹊闹髅嫔?，覆蓋著含有熒光體的光轉換構件101。另外，使冷卻介質(zhì)流入上述流道的供給口以及使冷卻介質(zhì)從上述流道向發(fā)光裝置的外部排出的排出口，形成于第1散熱構件115的主面?zhèn)燃窗l(fā)光裝置100的安裝面?zhèn)?。絕緣性構件107和支持基板108在主面方向上有貫通孔，該貫通孔與上述供給口以及排出口相對置，從而形成為連接上述第1流道112和第2流道113的第3流道110。另外，支持基板108形成有包圍所承載的半導體發(fā)光元件的貫通孔，貫通孔的內(nèi)壁面被設計為錐狀，以便使發(fā)光元件發(fā)出的光向發(fā)光觀測面方向反射。
多個發(fā)光元件201在凹部內(nèi)的第1散熱構件上排列成矩陣狀，將含有熒光物質(zhì)的光轉換構件部承載在第2散熱構件上以產(chǎn)生白色系的發(fā)光。本實施例的發(fā)光元件的發(fā)光峰值波長設定為365nm，而且為了發(fā)出白色系的光，熒光體從上述熒光體中進行適當選擇并加以混合。第2散熱構件的材料設定為石英玻璃，光轉換構件涂布在石英玻璃的發(fā)光觀測面?zhèn)鹊谋砻嫔?。下面詳細說明本實施例的發(fā)光裝置的形成方法。
首先，形成用于冷卻發(fā)光元件的第1散熱構件115。對由無氧銅構成的板材實施加工，從而制作出圖7所示的第1板狀構件115a以及第2板狀構件115b。第1以及第2板狀構件的板厚分別設定為200μm。另外，第1板狀構件115a在4個角上形成有用于進行固定的螺孔，而且在與承載半導體發(fā)光元件的主面相對置一側的面上，形成有成為第3流道之側壁的貫通孔。另一方面，如圖2所示，在第2板狀構件115b的4個角上形成螺孔后，形成出形成第1流道112的凹凸形狀、用于將冷卻介質(zhì)導入發(fā)光裝置內(nèi)的供給口和用于向發(fā)光裝置外排出冷卻介質(zhì)的排出口。再者，在與第1以及第2板狀構件相對置的主面上，形成有Au和/或Au與Sn的合金層。然后，在氮氣氣氛中于300～400℃下進行熱處理，使第1以及第2板狀構件貼合在一起，便制作出板材得以層疊的第1散熱構件115。此外，第1流道通過上述凹凸形狀形成于第1板狀構件和第2板狀構件的間隙中。
其次，覆蓋光轉換構件，形成冷卻該光轉換構件的第2散熱構件109。第2散熱構件109的材料至少是對半導體發(fā)光元件的發(fā)光之主波長具有透光性的材料，優(yōu)選的是對半導體發(fā)光元件的光和熒光體的光具有透光性的材料。例如將合成石英、透光性樹脂作為兩片板材109a、109b，在該板材的至少一方的主面上形成凹凸形狀、供給口以及排出口。然后通過熔敷等使板材彼此之間貼合在一起，從而制作出第2散熱構件109。
接著依次將使安裝的發(fā)光元件得以冷卻的第1散熱構件115、絕緣性構件107、支持基板108以及覆蓋著光轉換構件的第2構件109層疊起來。此時，在絕緣性構件107上預先形成有貫通孔，對各構件的開口部進行定位，從而使第1以及第2散熱構件的供給口和排出口分別與該貫通孔相對應。另外，絕緣性構件107對上面和下面進行了電絕緣，而且設置有與上述螺孔相對應的螺孔。再者，絕緣性構件107上設置的貫通孔的開口部的口徑，比第1以及第2散熱構件上形成的供給口以及排出口的口徑大一些，開口部上優(yōu)選設置O形環(huán)。O形環(huán)是將成形為環(huán)狀的橡膠、硅樹脂之類的彈性體的構件嵌入貫通孔而形成的。由此，可以防止冷卻介質(zhì)從發(fā)光裝置中泄漏出來。這樣一來，便形成出承載半導體發(fā)光元件的支持體。
半導體發(fā)光元件通過導電性粘結劑安裝在第1散熱構件115上。第2散熱構件109在發(fā)光觀測面?zhèn)鹊纳厦?，覆蓋著用透光性樹脂粘結熒光體的光轉換構件101。半導體發(fā)光元件以Au-Sn為粘結劑，安裝在由第1散熱構件115和支持基板108形成的凹部111內(nèi)。此時，較之于以上述的銅為主成分的板材的接合所使用的Au-Sn的共晶溫度，安裝半導體發(fā)光元件時使用的Au-Sn的共晶溫度較低。由此，可以防止板材的剝離。
將以上形成的發(fā)光裝置100安裝在水冷夾具上，從供給口向發(fā)光裝置內(nèi)的流道導入純水作為冷卻介質(zhì)。例如，像圖8中的箭頭所示的那樣，從供給口連續(xù)供給至發(fā)光裝置的純水被分流為第1流道112的水流、以及經(jīng)由第3流道110而流入第2流道的水流，分流的純水在排出口附近再次合流而排出發(fā)光裝置100的外部。即使這樣地使純水在發(fā)光裝置內(nèi)循環(huán)，也正如上面所敘述的那樣，本實施例的發(fā)光裝置由于以Au-Sn為粘結劑而將構件彼此之間接合起來，并且具有O形環(huán)，所以冷卻介質(zhì)不會從降溫裝置中泄漏出來。
使冷卻水在本實施例的發(fā)光裝置內(nèi)循環(huán)，供給60秒的電力，將發(fā)光元件發(fā)出的光密度設定為4.9W/cm2，結果沒有發(fā)現(xiàn)輸出功率的減少。
其次，在不同的發(fā)光元件的光密度下，測定了光轉換構件的溫度和發(fā)光裝置的光輸出功率。光轉換構件的溫度是在光轉換構件中插入熱敏電阻進行測定的。通過本實施例已經(jīng)清楚由發(fā)光元件發(fā)出的光密度可以設定為3.0W/cm2或以上，光轉換構件的溫度至少可以抑制在200℃或以下，優(yōu)選抑制在120℃或以下，進一步優(yōu)選抑制在100℃或以下。
通過設計為本實施例的發(fā)光裝置，由激發(fā)熒光體的發(fā)光元件發(fā)出的光即使是短波長且高密度的激發(fā)光，也可以將熒光體自身的發(fā)熱抑制在能夠忽略的程度，可以維持最優(yōu)的光轉換效率。因此，本發(fā)明可以設計出具有高輝度發(fā)光的發(fā)光裝置。
如圖14、圖15所示的那樣對由厚度為200μm的無氧銅構成的第1板狀構件以及第2板狀構件實施加工。在第1板狀構件上，于4個角上形成有螺孔，而且于第2面上進行凹凸加工(圖14)，其中第2面與形成有發(fā)熱體的第1面相對置。在第2板狀構件上，也于4個角上形成有螺孔，而且形成有導入流體的供給口和排出口(圖15)。在這些構件的形成面上，形成有Au層和/或AuSn層。然后，在氮氣氣氛中于300～400℃下進行熱處理而使之貼合在一起，便形成出層疊板狀構件。使用AuSn等粘結構件將發(fā)熱體安裝在該層疊板狀構件上。此時，通過控制AuSn的重量比，使得與施加在薄銅板上的AuSn的共晶溫度相比，安裝發(fā)熱體時使用的AuSn的共晶溫度較低，便可以抑制接合發(fā)熱體時的降溫裝置的剝離。這樣形成有發(fā)熱體的降溫裝置，即使安裝在水冷夾具上使流體循環(huán)(例如純水等)，流體也不會從降溫裝置中泄漏。
對于在上述第1板狀構件的第2面通過化學蝕刻加工凹凸結構且形成為層疊板狀構件的降溫裝置，在降溫裝置上安裝21個1mm見方的由氮化物半導體構成的LED元件，便制作出開口徑為8mm左右的LED光源。凹凸的凹部寬度為200μm，深度為200μm，凸部寬度為800μm。發(fā)明者就構成該LED光源的21個元件中的平均每個元件的I-L特性以及以前通過被動冷卻手段得到的1個元件的I-L特性進行了研究，結果如圖22所示，對于用○點表示的被動冷卻手段，從0.3～0.5A開始，線性度發(fā)生崩潰。與此相對照，對于本實施例的主動冷卻手段，正如用實線所表示的那樣，即使是安裝21個LED元件的半導體裝置，也可以確認達到0.5A或以上還可以獲得線性度。另外，如圖23所示，由安裝了21個1mm見方的LED元件的半導體裝置可以獲得超過5Watt的光輸出功率。即使考慮到元件間隔為200μm左右而產(chǎn)生熱干涉，雖然是這樣的高密度安裝，也可以獲得線性度良好的高輝度的LED光源。
對于在本發(fā)明的降溫裝置上安裝21個LED元件的半導體裝置，使循環(huán)冷卻介質(zhì)即純水作為流體在半導體裝置內(nèi)循環(huán)(在溫度為25℃、流量為0.4L/min的條件下)，并用恒電流進行驅動。其結果如圖24、25所示。
對于上述的半導體裝置，使純水在裝置內(nèi)循環(huán)(在溫度為25℃、流量為0.4L/min的條件下)，并用10.5A的電流(每個元件的投入電流為0.5A)進行恒電流驅動(圖24)。對于成為比較例的被動的冷卻方法，正如用虛線所表示的那樣，在1個元件上投入0.5A的情況下，可以推測經(jīng)過100個小時后，輸出功率約下降10％，但在本發(fā)明的使用主動冷卻手段的降溫裝置上進行安裝的情況下，雖然作為發(fā)熱體的LED元件的間隔為200μm，是屬于高密度的安裝，但100小時后幾乎沒有觀測到退化的發(fā)生。此時的熱密度約為2Watt/mm2，但也可以獲得超過3Watt的光輸出功率。
另外，對于在本發(fā)明的降溫裝置上安裝21個LED元件的半導體裝置，使純水在裝置內(nèi)循環(huán)(在溫度為25℃、流量為0.4L/min的條件下)，并用20A的電流(每個元件的投入電流為0.95A)進行恒電流驅動(圖25)。對于被動的冷卻方法，在1個元件上投入1A的情況下，可以推測經(jīng)過10個小時后，輸出功率約下降15％，但在本發(fā)明的使用主動冷卻手段的降溫裝置上進行安裝的情況下，雖然元件的間隔為200μm，是屬于高密度的安裝，但10小時后幾乎沒有觀測到退化的發(fā)生。此時的熱密度約為5Watt/mm2，但也可以獲得超過5Watt的光輸出功率。
在降溫裝置上發(fā)熱體以矩陣狀的形式進行安裝的系統(tǒng)(以下稱為“體系”)被放置在真空絕熱空間內(nèi)，假定使25℃的冷卻水在降溫裝置內(nèi)循環(huán)，對體系進行模擬。模擬的結果如圖26所示。圖26(a)的模擬所使用的降溫裝置是凸部配置在發(fā)熱體的中央和4個角上，且將凸部的直徑設定得相對大些(以下簡稱為“體系(a)”)。圖26(b)的模擬所使用的降溫裝置是凸部配置在發(fā)熱體的中央，且將凸部的直徑設定得相對小些(以下簡稱為“體系(b)”)。圖26(c)的模擬所使用的是凸部完全沒有設定的降溫裝置(以下簡稱為“體系(c)”)。在圖26(a)～(c)中，虛線是表示冷卻用流體的水壓分布的等高線。正如圖26(a)～(c)所示的那樣，體系(b)較之于體系(c)以及體系(a)較之于體系(b)，冷卻用流體的水壓分布容易形成為與流體的流動方向垂直的等高線，冷卻用流體容易均勻地流過整個流道。由此可知，發(fā)光裝置使用像體系(a)那樣設定有凸部的降溫裝置，可以抑制因熱而產(chǎn)生的特性偏差。
另外，因為模擬使25℃的冷卻水不斷地循環(huán)，所以體系的最低溫度一旦達到25℃或以上，則熱量在降溫裝置內(nèi)蓄積。也就是說，實際上因為熱量向體系外部的材料散發(fā)，故而可以推測將使組件的溫度上升。圖27以及28的曲線表示了體系(a)～(c)的最低溫度、最高溫度和冷卻水的流量之間的關系。在此，體系的所謂“最低溫度”，是指體系中最低的溫度，所謂“最高溫度”，是指體系中最高的溫度即發(fā)熱體本身的溫度。
正如圖27以及28所示的那樣，發(fā)光裝置使用像體系(a)那樣設定有凸部的降溫裝置，即使在冷卻水流量較小的情況下，體系的最低溫度以及最高溫度也可以維持在較低的水平，可以抑制熱量流向體系外部的材料，從而使熱平衡狀態(tài)的導入成為可能。
另外，由體系的最高溫度計算得到的熱電阻和流量的關系如圖29所示。發(fā)光裝置使用像體系(a)那樣設定有凸部的降溫裝置，在0.3～0.7L/min的條件下，可以獲得0.5℃/Watt或以下的熱電阻。這表示可以排出非常集中的熱密度高的熱量。
通過將發(fā)光裝置設計為具有本實施例的體系(a)那樣的結構，可以獲得高輸出功率的發(fā)光裝置，即使連續(xù)投入超過100Watt的電力，該發(fā)光裝置也可以唾手可得。
本發(fā)明的發(fā)光裝置可以用作熒光燈等一般的照明、信號機用、車載照明、液晶用背光以及顯示器等的發(fā)光裝置，特別地可以用作使用半導體發(fā)光元件的白色系以及多色系的發(fā)光裝置。
另外，本發(fā)明因為散熱性優(yōu)良，也沒有熒光體的退化，故而可以用作可靠性高的發(fā)出高輸出功率光的照明裝置。
再者，本發(fā)明可以用作形成有半導體發(fā)光元件、半導體受光元件、或半導體裝置等發(fā)熱體的降溫裝置，以及用作具有該降溫裝置的半導體裝置。
權利要求
1.一種發(fā)光裝置，其包括發(fā)光元件和光轉換構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從所述發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光，所述發(fā)光裝置的特征在于在從所述發(fā)光元件一方看具有所述光轉換構件的一側，進一步包含散熱構件。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述散熱構件具有冷卻介質(zhì)的流道。
3.根據(jù)權利要求2所述的發(fā)光裝置，其中所述散熱構件至少有一對導入所述冷卻介質(zhì)的供給口以及排出在所述流道內(nèi)回流的冷卻介質(zhì)的排出口。
4.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)光裝置，其中所述散熱構件由至少可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光和所述光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料構成。
5.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述散熱構件在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；在所述散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝著多個所述發(fā)光元件；在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部，且所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。
6.一種發(fā)光裝置，其包括發(fā)光元件和光轉換構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從所述發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光，所述發(fā)光裝置的特征在于所述散熱構件具有冷卻介質(zhì)的流道；而且包括在承載所述發(fā)光元件的一側具有第1流道的第1散熱構件，在所述發(fā)光元件發(fā)出的光所照射的一側具有第2流道的第2散熱構件；所述第2散熱構件具有所述光轉換構件。
7.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光裝置，其中所述流道具有聯(lián)絡所述第1流道和所述第2流道的第3流道。
8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)光裝置，其中所述第1散熱構件和/或所述第2散熱構件至少有一對導入所述冷卻介質(zhì)的供給口以及排出在所述流道內(nèi)回流的冷卻介質(zhì)的排出口。
9.根據(jù)權利要求8所述的發(fā)光裝置，其中所述第1散熱構件、絕緣性構件、支持基板和所述第2散熱構件層疊在一起。
10.根據(jù)權利要求9所述的發(fā)光裝置，其中所述散熱構件在至少一方的主面?zhèn)染哂兴龉┙o口或排出口；所述絕緣性構件和所述支持基板具有成為所述第3流道的一部分的貫通孔。
11.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)光裝置，其中在所述絕緣構件的至少一方的主面上，粘附著含有選自Au、Ag、Al之中的至少一種的導電性構件。
12.根據(jù)權利要求11所述的發(fā)光裝置，其中所述發(fā)光元件的一個電極通過導電性導線與粘附在所述絕緣性構件的至少一方的主面上的導電性構件進行電連接，另一個電極則分別與所述第1散熱構件進行電連接。
13.根據(jù)權利要求12所述的發(fā)光裝置，其中所述第2散熱構件由至少可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光的材料、或者可以透過所述發(fā)光元件發(fā)出的光和所述光轉換構件發(fā)出的光這兩者的材料構成。
14.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光裝置，其中所述第1散熱構件和/或所述第2散熱構件在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；在所述第1散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝著多個所述發(fā)光元件；在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部，且所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。
15.一種發(fā)光裝置，其包括在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道的散熱構件，以及在所述散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝的多個發(fā)光元件；所述發(fā)光裝置的特征在于在所述流道內(nèi)，于所述板狀構件的表面形成有多個凸部；所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。
16.根據(jù)權利要求15所述的發(fā)光裝置，其中所述多個凸部從所述流道的入口向出口以相互偏離的方式進行配置，從而使依次連接最靠近的凸部彼此之間的線段反復彎曲。
17.根據(jù)權利要求16所述的發(fā)光裝置，其中所述多個凸部的至少一部分以中心位于所述發(fā)光元件之間的方式形成。
18.根據(jù)權利要求17所述的發(fā)光裝置，其中所述多個凸部配置在各發(fā)光元件的大致中央和頂點附近。
19.根據(jù)權利要求18所述的發(fā)光裝置，其中所述板狀構件的貼合面采用含Au的金屬材料覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明的發(fā)光裝置包括發(fā)光元件和光轉換構件，其中光轉換構件含有熒光物質(zhì)，所述熒光物質(zhì)吸收從所述發(fā)光元件發(fā)出的光的至少一部分而發(fā)出具有不同波長的光。發(fā)光裝置在從發(fā)光元件一方看具有光轉換構件的一側，進一步包含散熱構件。散熱構件在2片板狀構件之間形成有使冷卻用流體流動的流道；在散熱構件的主面上以2維排列的方式安裝著多個發(fā)光元件；在流道內(nèi)，于板狀構件的表面形成有多個凸部，且多個凸部的至少一部分優(yōu)選以中心位于發(fā)光元件之間以及大致中央的方式形成。
文檔編號H01L25/075GK1868071SQ20048003019
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權日2003年10月15日
發(fā)明者村山隆史, 玉置寬人, 武市順司 申請人:日亞化學工業(yè)株式會社