芯片與熒光粉量子效率的優(yōu)化課題

1、芯片與熒光粉優(yōu)化量子效率開發(fā)一、項目提出背景白色發(fā)光二極管（WLED ）具有能耗低、長壽命、無污染、體積小、響應快、 發(fā)光效率高等特點，對環(huán)境保護和節(jié)約能源都有著巨大意義，因此目前LED正逐 漸取代日光燈和白熾燈成為市場的主流照明產品。在LED的未來發(fā)展中，將以高 亮度，高顯色指數(shù)的產品作為主流。但是，LED要在照明領域上完全替代其他光源，還需要解決提高光效，降低成 本，降低芯片發(fā)熱量，提高LED使用壽命等問題，而這些問題全部都受到LED外量 子效率的制約。LED的外量子效率低一方面是由于其表面與空氣界面的全反射條件的限制， 導致其光提取效率不高，另一方面是由于LED芯片正常工作時產生的大量熱

2、量 被熒光粉吸收，從而使熒光粉溫度升高、加速老化，致使LED發(fā)光效率降低、 光衰增加。二、目標在傳統(tǒng)的白光LED封裝結構中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時，芯片 釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下 轉化效率降低。本課題的目的在于優(yōu)化芯片與熒光粉量子效率，改進LED芯片 正常工作時產生的大量熱量被熒光粉吸收、熒光粉溫度升高、加速老化、發(fā)光 效率降低、光衰增加的現(xiàn)象。三、必要性對于照明用白光LED而言，目前廣泛采取的方法是利用藍光芯片發(fā)出的藍 光激發(fā)YAG熒光粉發(fā)射黃光，通過藍光和黃光這一對色度學上的互補色來獲得 白光。用于白光LED的發(fā)光材料主要有四大類：（

3、1）石榴石結構的稀土摻雜的復合氧化物發(fā)光材料，如YAG和TAG；（2）硅酸鹽基質發(fā)光材料：硅氧氮化合物發(fā)光材料；硫化物或硫代氧酸鹽發(fā)光材料；YAG是以鈰摻雜的釔鋁石榴石黃色熒光粉，分子式為Y3Al5Oi2：Ce,簡稱YAG:Ce。 YAG發(fā)光材料以其轉化效率高成為制作白光LED最成熟的主流技術路線。目前商 用的LED大部分采用將黃色熒光粉YAG:Ce涂敷在發(fā)藍光的GaN或InGaN芯片上， 被藍光激發(fā)的YAG:Ce熒光粉所產生的黃光再與藍光復合生成白光。傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與外封膠混合，然后點涂在芯片上。由于 無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏 藍

4、光或者偏黃光。研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存 在，出光效率較低。/部分)激發(fā)熒光體使其發(fā)出英光,部分)剩余藍光圖1白光LED實現(xiàn)方式示意圖熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光 效率、轉換效率、穩(wěn)定性(熱和化學)等，其中，發(fā)光效率和轉換效率是關鍵。研 究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會發(fā)生變 化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調配而成，散熱性能較差，當受到 紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫 下外封膠

5、和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折 射率大于或等于1.85,而硅膠折射率一般在1.5左右。兩者間折射率的不匹配， 以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在熒光粉顆粒表面存在光散 射，降低了出光效率。大量實驗證明：熒光粉的選擇和涂敷在其它封裝條件相同 的情況下，光通量有10%-20%的差異。因此，有必要改變封裝結構，優(yōu)化芯片 與熒光粉的量子效率，來提高出光效率。四、基本思路基于以上原因，本課題通過兩種途徑來提高LED的發(fā)光效率，優(yōu)化芯片與 熒光粉的量子效率。途徑一：通過熒光粉覆膜的方式實現(xiàn)熒光粉的熱隔離封裝結構，引入熱隔離 硅膠層降低熒光粉層的溫度。途

6、徑二：選擇優(yōu)化封裝工藝，找到芯片波長與熒光粉的最佳匹配。找到合適 的激發(fā)波長，一般來說，熒光粉的發(fā)射波長是一定的，但是，芯片的波長可以調 整，再找到對應的熒光粉波長，就可以大大優(yōu)化和提高封裝產品的亮度。五、可行性(一)途徑一可行性:通過熒光粉覆膜的方式實現(xiàn)熒光粉的熱隔離封裝結構， 引入熱隔離硅膠層降低熒光粉層的溫度。熒光粉熱隔離封裝結構能夠降低熒光粉 的溫度，從而改善光色性能，使得熒光粉保持較高的轉化效率。圖4表明的是LED白光光譜中藍光波段(Blue)和黃光波段(Yellow)電流從 50mA到800mA，傳統(tǒng)結構藍光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)值 跟注入電流的關系，B/Y

7、值的變化反映了白光LED光色的變化，圖5為傳統(tǒng)結構 光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關系。注入電流在達到300mA以前，光通 量的值幾乎沒發(fā)生變化，隨著注入電流的繼續(xù)升高，色溫CCT反映了白光LED 光色的表現(xiàn)性能，注入電流從50mA增加到800mA，B/Y值的變化很大。表明在 傳統(tǒng)結構中，電流越大時，B/Y值也隨著增大，這說明隨著電流增加，LED光譜中藍光成分增強，而將藍光轉化為黃光的熒光粉轉化效率下降。而造成熒光粉轉 化效率下降的一個重要原因就是芯片對熒光粉的加熱，造成了熒光粉溫度上升。Brue 會emissiDi100200300400S00 如。 70ft SOD注入電流mA圖4

8、傳統(tǒng)封裝結構中白光LED光譜中藍光段(Blue)與黃光段(Yellow)光強比(B/Y)(插圖是藍光和黃光比例)圖5傳統(tǒng)封裝結構光通量和色溫與電流的依賴關系降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導熱的熱隔 離層。在熒光粉與芯片之間引入一層低導熱的熱隔離層，有效的阻止芯片的熱量 直接加載到熒光粉上，降低熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保 持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍光激發(fā)時，因 熒光粉的轉化效率尚未達到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆 粒本身也會有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當熒光粉材料轉化 效率較低時，需

9、為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。熒光粉層并不是具有均勻熱導率的單一介質，而是由熒光粉顆粒與低導熱的 硅膠混合而成，每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。在熒光粉轉化效率高（80%） 的情況下，熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近，溫度越 高，熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發(fā)熱明顯的情況下， 由于包裹熒光粉顆粒是低導熱率的硅膠，熒光粉顆粒會形成局域熱量，使得熒光 粉顆粒的溫度升高，甚至超過芯片的溫度，而出現(xiàn)熒光粉局域熱量的條件是熒光 粉的低轉化效率，導致熒光粉釋熱大。在實際的LED封裝結構中，熒光粉的轉化效率高，熒光粉的溫度主要是由于 芯片的加熱作用，

10、熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進 一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導熱率來實現(xiàn)。實驗流程根據(jù)出光要求設計好熒光粉膜層的結構，在專用模具內完成熒光粉膜層的成 型，剝離后，將熒光粉膜層轉移到LED芯片上方，同時LED芯片和熒光粉膜層中 間還有一層低導熱系數(shù)的硅膠層，點膠、烘烤之后進行測試。（二）途徑二可行性：選擇優(yōu)化封裝工藝，找到芯片波長與熒光粉的最佳匹 配。找到合適的激發(fā)波長，一般來說，熒光粉的發(fā)射波長是一定的，但是，芯片 的波長可以調整，再找到對應的熒光粉波長，就可以大大優(yōu)化和提高封裝產品的 亮度。以YAG-04為例，其吸收波段為：430-490nm，發(fā)射波長

11、：558nm （見表1）。圖2是其發(fā)射光譜圖，圖3是熒光粉的吸收和發(fā)射光譜圖。ria-lsCe doped YAGDensityParticle Size口團(V) - 13.0t2.0 叩CIE (1931】x=0.444J K-534Emission Peak558nmExcitat ion Ra nge430nm to 490nm表1Embsion Spectrum實驗流程1、在LED白光的封裝過程中，采用藍光芯片和黃光熒光粉組合實現(xiàn)白光LED 的方法，研究藍光芯片波段與熒光粉的激發(fā)波段的匹配對封裝產品的亮度的 影響。2、熒光粉的選擇：合理選擇熒光粉顆粒大小、比重、形貌規(guī)則、輝度值、激發(fā)

12、波長對LED的 發(fā)光效率和顯色性有很大的影響：顆粒的大小直接影響到發(fā)光效率。顆粒大的發(fā)光效率高，但很容易沉淀， 工藝上難控制顏色的一致性，一般用于大功率產品。比重越小越不易沉淀。在顆粒外形上，一般選擇球型狀的產品。輝度值越高越好。激發(fā)波長的匹配對亮度和顯指有很大的影響。3、研究對于有較寬激發(fā)波段的熒光粉，在較好的激發(fā)范圍內，高波段的芯片與 低波段的芯片的激發(fā)亮度。4、相同的熒光粉量，高波段的芯片封裝的產品與低波段芯片封裝產品的色溫。5、相同色溫的封裝產品，采用高波段的芯片與采用低波段的芯片需要熒光粉的 量，從而研究降低封裝成本的方法。6、研究采用高波段芯片封裝的產品色坐標的y值與采用低波段芯片封裝產品的色坐標y值，坐標點的漂移，對封裝產品光通量的影響。五、投入、產出投入：預計投入設備：熒光分