第五章-白光LED技术12-15

第五章白光LED技术5.1白光LED的实现方法5.2大功率白光LED封装技术5.1白光LED的实现方法目前获得白光LED有两种基本方法：•通过荧光粉转换得到白光LED，被称为PCLED（PhosphorConvertedLED）；•把不同颜色的LED芯片封装在一起，多芯片混合发射出白光，简称MCLED（Multi-ChipLED）。而根据上述两种方法，根据参与混合白光的基色光源的数目，又可以分为二基色体系和多基色体系。12(a)蓝光LED激发黄光荧光粉实现二元混合白光5.1白光LED的实现方法RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光，或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法，该方法产生的白光较前一种方法稳定，但驱动较复杂，另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低，仍未达到实用阶段。(b)紫外LED激发三基色荧光粉实现白光(c)RGB三基色LED合成白光荧光粉材料及其专利技术荧光粉转换LED荧光粉：通过吸收电子线、X射线、紫外线、电场等的能量后，将其中一部分能量转化成为可视效率较高的可见光并输出（发光）的物质。荧光粉吸收LED发出的蓝光后，可转化为绿色、黄色或红色的光输出，荧光粉属于无机化合物，其一般为1微米至数十微米的粉末状颗粒。为获得荧光物质，一般在被称为母体的适当化合物A中添加被称为激活剂（也称发光中心）的元素B，通常用符号A:B来表示荧光粉的种类。据研究发现，氧化物和氮化物可作为LED荧光粉的母体，将铈Ce和铕Eu和等稀土类元素作为激活剂。比如钇铝石榴石（YttriumAluminumGarnet，YAG，化学式Y3Al5O12）中添加激活剂铈Ce的YAG:Ce荧光粉。荧光粉材料及其专利技术（部分）激发荧光体使其发出黄光LED发出蓝光（透镜）复合成白光（部分）剩余蓝光(B+Y)白光LED用荧光粉主要有：黄色荧光粉和RGB荧光粉，其中黄色荧光粉以YAG为代表，它与GaN/AlInGaN蓝光芯片相组合得到两波白光；三基色荧光粉主要与紫外光或紫光相配合产生白光。荧光材料：无机和有机（聚合物）材料。用于白光LED的主要是无机荧光粉材料。主要有以下几类：⑴石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物发光材料，如YAG；⑵硅酸盐基质发光材料：⑶硅氧氮化合物发光材料；⑷硫化物或硫代氧酸盐发光材料；荧光粉材料及其专利技术全世界在该领域的专利申请总量已超过500件，其中90%是无机荧光粉材料。在LED荧光粉发明专利申请量中，红色和绿色荧光粉均约占30%，蓝色荧光粉接近20%，黄色荧光粉超过20%，白色荧光粉仅约为1%。从无机荧光材料发明专利申请量看，稀土（比如Ce3+）激活的石榴石荧光粉位居首位（约占26%），其次是铝酸盐或稀土激活的铝酸盐；接下来是硅酸盐或稀土激活的（卤）硅酸盐等。LED荧光粉及其制造技术领域发明专利排名第一位的是日本，其专利申请总量占据全世界的一半。我国大陆关于荧光粉的专利申请量排在世界第二；美国排名第三。荧光粉材料及其专利技术1.二基色荧光粉转换LED（蓝光LED芯片+钇铝石榴石YAG荧光粉）荧光粉转换LED蓝光芯片固定在内置的反射杯中，并涂覆一层环氧树脂和荧光粉颗粒混合而成的转化层。整个结构嵌在透明树脂中，部分蓝光在荧光粉层中被吸收转换为黄光，其余的蓝色光进入环氧树脂并与黄光混合成白光。荧光粉的最佳选择为铈掺杂的钇铝石榴石YAG：Ce+3。该技术被日本Nichia公司垄断。蓝光LED芯片配合YAG荧光粉获得白光的方法的优点：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用多年，工艺比较成熟。荧光粉转换LED主要缺点：1）因蓝光LED的效率还不够高，致使白光LED的光效较低；2）用短波长的蓝光激发YAG荧光粉产生长波长的黄光，存在能量损耗；3）荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命的缩短；4）难以实现低色温（白光偏向暖色），显色指数一般较低（70-80）；5）功率型白光LED还存在空间色度均匀性等问题。选择荧光粉的标准主要有以下五条：对LED发射波长有强烈的吸收；高的激发量子效率；满意的稳定性；适当的形貌；适合的粒度。荧光粉转换LED2.三基色荧光粉（PC）转换LED三基色PCLED能在较高发光效率的前提下，有效的提升LED的显色性。三基色光源的最佳波长为450nm、540nm和610nm，这一组合可通过部分被吸收的AlInGaN芯片的蓝光和适当的绿光和橙黄光两种荧光粉来实现。得到三基色白光LED的最常用方法是：利用紫外光（UV）LED激发一组可被紫外光有效激发的红、绿、蓝（RGB）三基色荧光粉。紫外光激发的白光LED的特点：光谱的可见光部分完全由荧光粉产生，且可供选择的荧光粉材料丰富，容易获得高光效和高显色指数及相关色温。荧光粉转换LED采用UVLED配合RGB荧光粉合成白光从目前来看，主要存在的一些缺点：1）用高能量的紫外光子激发低能量的红、绿、蓝光子导致效率较低；2）粉体混合较为困难，高效率的荧光粉有待开发；3）封装材料在紫外光的照射下容易老化，寿命较短；4）存在紫外线泄露的安全隐患；5）高效功率型UVLED不容易制备。荧光粉转换LED多芯片（MC）白光LED最具代表性的方法：将RGB三基色LED芯片封装在一起产生白光。其优点：由于没有荧光粉参与，具有较高的发光效率；可以分开控制3种不同光色LED的光强，达到全彩变色（色温可调）效果，并可通过LED波长和强度的选择获得较好的显色性；可应用于散热问题不是很突出的户外显示广告牌、户外景观灯和可变色洗墙灯等领域，而且还可以通过电子电路控制，有望取代LCD背光源CCFL，成为LCD背光照明的主要光源之一。主要缺点：由于RGB三色LED的半导体材质的差异很大，量子效率不同，光色随驱动电流和温度变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对三种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，使得电路过于复杂，而且会导致10%-15%的效率损失。多芯片（MC）白光LED主要缺点（续）：比如红光LED的导通电压降约为1.8V，而绿光和蓝光LED则约为3.5V，而且RGB三色LED的发光波长分别为640nm、525nm、470nm，彼此的半幅值非常窄。目前绿光LED的电光转换效率仍比较低，仅约为15%。此外，RGB三色LED封装在一起，热阻约为其他封装形式的3倍，散热问题比较突出，生产成本居高不下，成为其商业化和实用化的一个障碍。多芯片（MC）白光LED三种主要的白光LED制备路线比较对比指标蓝光LED+YAG荧光粉紫外LED+RGB荧光粉RGB芯片/器件组合显色性一般最好好色稳定性好最好一般流明保持率一般实验之中好荧光粉材料较成熟在研——效率好最好一般应用背光源白光照明白光照明显示通过采用特殊的工艺对InGaN量子阱进行量子调控，实现了不同尺寸的InGaN量子点，并通过量子点密度的控制，在同一层InGaN中得到了两个不同发光波长（蓝光和黄光）的发射，两个波长的混合得到了单芯片的白光LED。单芯片白光LED采用白光转换器的新颖设计2008年底有报道称法国制成单芯片双结发射蓝、黄二色合成白光。资料：法国科学家的研究显示，“单晶”(monolithic)白光发光二极管(WLED)的表现可望超越先前使用复合技术制造的WLED。CRHEA-CNRS的BenjaminDamilano及其研究团队利用氮化铟镓(GaInN)/氮化镓(GaN)制量子阱来产生蓝光及黄光，进而制作出WLED。这项成果使WLED的商业化有向前推进一步，未来有希望取代目前使用的白炽灯泡。近来，包含CRHEA-CNRS在内的许多研究团队都证实，通过在氮化镓的p-n接口中堆栈氮化铟镓或氮化镓量子阱，就可以制造出单晶WLED。所谓单晶是指采用连续外延生长的单一工法来取代传统制造磷光WLEDs的双重工法(外延加上沉积)。这项技术不仅能降低成本，更可以提升产品可靠度。科学家在WLED方面已经努力了近十年，希望制作出效率高、寿命长且便宜的固态WLED，以便与现行高耗能的白炽灯泡或荧光灯管一较长短。虽然发光效率达200lm/W的WLED已经问世，但与传统光源相比，成本仍旧偏高。近来，包含CRHEA-CNRS在内的许多研究团队都证实，通过在氮化镓的p-n接口中堆栈氮化铟镓或氮化镓量子阱，就可以制造出单晶WLED。所谓单晶是指采用连续外延生长的单一工艺法来取代传统制造荧光WLEDs的双重工法(外延加上沉积)。这项技术不仅能降低成本，更可以提升产品可靠度。单芯片白光LEDCRHEA-CNRS团队借助在组件p-n接口中的电子主动区生长不同厚度的量子阱，来产生蓝光及黄光，混合后便能产生白光。然而这项设计有个缺陷：激发出的光对于注入的电流变化非常敏感，所以组件的发光效率会被黄光量子阱限制住。为解决此问题，研究团队将产生黄光的量子阱制作于p-n接口之外，因此不再以电流激发此量子阱，而是利用蓝光光子来激发，换言之，注入的电流使主动区内的电子及空穴重新结合发射出蓝光，部份蓝光光子会被黄光量子阱吸收并激发出黄光，两色光混和后就产生了白光。Damilano表示，这项技术的关键在于它保存了单晶的架构，但在应用方面又比原结构更富弹性。目前该团队计划使用其它比氮化铟镓量子阱效率更高结构如量子点来达到电光转换，他们也考虑用其他基板取代目前的蓝宝石基板，以降低组件制造成本。单芯片白光LED（补充）5.2大功率白光LED封装技术5.2大功率白光LED封装技术功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。5.2大功率白光LED封装技术功率型LED受热效应的影响分析：目前LED的发光效率仅能达到10％一20％，其余80％一90％的能量转化为热能。随着LED功率的提高，热流密度相应增加，致使芯片内PN结结温升高，这种由温升引起的热效对LED的性能产生严重的影响：使芯片的发射光谱发生红移，如果波长偏移过多，偏离了荧光粉的吸收峰，将导致荧光粉量子效率降低，影响出光效率，从而使辐射波长发生变化引起白光LED色温、色度的变化，加速荧光粉及器件的老化，缩短使用寿命，甚至导致芯片烧毁。因此，由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，对基本结构进行热分析显得异常关键。（一）低热阻封装工艺（一）低热阻封装工艺（一）低热阻封装工艺对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如，AlN，SiC）和复合材料等。(a)LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板(b)德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，（一）低热阻封装工艺在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。（二）高取光率封装结构与工艺透明胶层(灌封胶)的特点：透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂；为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前，常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。（二）高取光率封装结构与工艺荧光粉的特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率