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LED封裝中熒光粉的選擇與解決方案

發布日期:2013-07-29 05:55:29

  因其高效、節能、壽命長、無污染、可靠性高等優點,被譽為第四代綠色光源。隨著發光效率的穩步提升以及價格的不斷下降,目前的光效已經可以達到150lm/W,將逐步取代白熾燈和普通熒光燈等傳統照明光源。

  白光LED的制作方式主要有兩種,一種是采用紅、綠、藍三基色封裝成白光LED,另一種是利用單個LED芯片配合。后一種方式在生產成本、散熱和控制電路上具有優勢,在工業上最為常用。因而,熒光粉是半導體照明的關鍵材料之一。目前,LED用的熒光粉主要有三大體系,即鋁酸鹽、硅酸鹽和氮(氧)化物,其各自特性見表1。

  一、不同體系的LED熒光粉特性

  1.鋁酸鹽體系主要有鈰激活石榴石型熒光粉,如Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce3+),Tb3Al5O12:Ce3+(TAG:Ce3+)和Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG:Ce3+)。YAG粉和TAG粉為常用的黃粉,LuAG粉為綠粉,量子效率均大于90%,同時具有優良的化學穩定性和熱穩定性。下面以YAG粉為例,對基質晶體結構、光譜特性和熱穩定性進行簡要介紹。

  圖1為YAG的晶體結構圖(立方晶系),空間群Ia-3d[1]。晶胞中存在兩種位置的Al,即Al1和Al2,分別形成AlO6八面體和AlO4四面體。

亚洲城娱乐  圖2為YAG:Ce3+的激發光譜(a)和發射光譜(b)。在激發光譜中,位于340nm和460nm左右處有兩個寬帶激發峰,這分別歸屬于Ce3+的2F5/2 (或2F7/2)→2D5/2和2F5/2 (或2F7/2)→2D3/2躍遷。發射主峰則位于530nm處,為寬帶發射,對應于Ce3+的2D3/2→2F5/2和2D3/2→2F7/2輻射躍遷[2]。適用于匹配藍光LED芯片封裝白光LED。

  圖3為YAG:Ce3+在不同溫度下的發射光譜及發光強度變化[3].從圖中可以看出,隨著溫度的升高,YAG:Ce3+的發射峰逐漸紅移,且發射峰強度逐漸降低。溫度為100℃時,發射峰強度降為常溫下94%。超過100℃后,發射峰強度下降幅度逐漸加大,至300℃時,發射峰強度僅為常溫下38%。

  YAG粉和LuAG粉的上位發明專利為日本日亞化學(Nichia)擁有,專利號:US 5,998,925,優先權日:1996.7.29。TAG粉的專利為德國歐司朗(OSRAM)占有,專利號:US 6,669,866,優先權日:1999.7.23。

  2.硅酸鹽體系主要有M2SiO4:Eu2+和M3SiO5:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)熒光粉。前者可作為綠粉和黃粉,后者是橙色粉。這類硅酸鹽熒光粉的化學穩定性和熱穩定性相對要差一些。

  下面以Sr2SiO4:Eu2+和Sr3SiO5:Eu2+為例,對基質晶體結構、光譜特性和熱穩定性進行介紹。

  圖4為Sr2SiO4的晶體結構圖(斜方晶系),空間群Pmnb[4]。晶胞中同時存在兩個位置的Sr,即Sr1和Sr2,分別為8配位和7配位。

  圖5為Sr2SiO4:Eu2+的激發光譜和發射光譜[3],激發光譜為200nm~500nm的寬帶,可與紫外LED、近紫外LED和藍光LED芯片配合封裝白光LED。發射峰為中心位于550nm的寬帶發射,歸屬于Eu2+的4f65d1-4f7躍遷。

  圖6為Sr2SiO4:Eu2+在不同溫度下的發光強度的變化。從圖中可以看出,溫度為100℃時,發射峰強度下降至常溫下的73%左右。并且,當溫度超過100℃后,發光強度開始迅速下降,至250℃時,其發光強度僅為常溫下的8%。由此可見,其熱穩定性較差。

亚洲城娱乐  圖7為Sr3SiO5的晶體結構圖(四方晶系),空間群P4/nccS[5]。晶胞中同時存在兩個位置的Sr,即Sr1和Sr2,均為6配位。‖

  圖8為Sr3SiO5:Eu2+的激發光譜(a)和發射光譜(b)。激發光譜覆蓋350nm~500nm的范圍,因而可作為紫外LED、近紫外LED和藍光LED芯片用熒光粉。發射峰為中心位于589nm的寬帶發射,歸屬于Eu2+的4f65d1-4f7躍遷。可與黃粉配合使用以提高白光LED的顯色指數。

亚洲城娱乐  圖9為Sr3SiO5:Eu2+在不同溫度下的發光強度的變化。從圖中可以看出,溫度為100℃時,發射峰強度下降至常溫下的92%。并且,當溫度超過100℃后,發光強度下降迅速加快。至250℃時,其發光強度僅為常溫下的46%。熱穩定性相對較差。據有關報道稱,可通過摻雜少量的Ba來改善其熱穩定性。

亚洲城娱乐  正硅酸鹽熒光粉最早的專利是通用電氣于1998年11月30日申請美國專利US 6,429,583。隨后,德國歐司朗申請了SrBaSiO4:Eu2+專利,美國專利號:US 7,064,480,優先權日為2000.7.28。接著,德國布賴通根熒光燈廠(LWB),日本豐田合成 (Toyoda Gosei)和奧地利銳高 (Tridonic)聯合申請了含Sr、Ba和Ca的正硅酸鹽熒光粉專利,美國專利號:US 6,809,347,優先權日為2000.12.28。Sr3SiO5:Eu2+的專利最早見于韓國化工研究院(KRICT)申請的專利,美國專利號:US 7,045,826,優先權日為2003.3.28。

  圖10為Sr2Si5N8的晶體結構圖(斜方晶系),空間群Pmn21[6]。晶胞中同時存在兩個位置的Sr,即Sr1和Sr2,分別為8配位和10配位。

  圖11為Sr2Si5N8:Eu2+的激發光譜(a)和發射光譜(b)。激發光譜覆蓋350~500nm的范圍,因而可作為紫外LED、近紫外LED和藍光LED芯片用熒光粉。發射峰為中心位于619nm的寬帶發射,歸屬于Eu2+的4f65d1-4f7躍遷。Sr2Si5N8:Eu2+是目前主流的氮化物紅粉之一,可與黃粉配合封裝高亮度白光LED。

  圖12為Sr2Si5N8:Eu2+在不同溫度下的發光強度的變化。從圖中可以看出,溫度為100℃時,發射峰強度下降至常溫下的95%。至300℃時,其發光強度可達到常溫下的64%。由此可見,其熱穩定性優異。

亚洲城娱乐  圖13為CaAlSiN3的晶體結構圖(斜方晶系)空間群Cmc21[7]。晶胞中只存在一個位置的Ca,占據4a格位。Al和Si原子則隨機占據晶格中的8b格位。

  圖14為CaAlSiN3:Eu2+的激發光譜(a)和發射光譜(b)。激發光譜覆蓋350nm~500nm的范圍,因而可作為紫外LED、近紫外LED和藍光LED芯片用熒光粉。發射峰為中心位于660nm的寬帶發射,歸屬于Eu2+的4f65d1-4f7躍遷。CaAlSiN3:Eu2+是目前主流的氮化物紅粉,可與黃粉配合封裝高顯色指數白光LED。由于其合成需要使用高溫高壓燒結設備,因此,其價格較為昂貴。

亚洲城娱乐  圖15是SrSi2O2N2的晶體結構圖(三斜晶系)空間群P1[8]。SiON3形成共角四面體層狀結構,堿土金屬Sr則夾在SiON3四面體層之間。

亚洲城娱乐  圖16為SrSi2O2N2:Eu2+的激發光譜和發射光譜。其激發光譜包含5個中心分別位于262、311、365、412和456nm激發峰。發射峰位于544nm處,半峰寬為83nm[3]。

亚洲城娱乐  最早的氮化物熒光粉專利是德國歐司朗于1999年11月30日申請的歐洲專利EP1,104,799。隨后,日本國立材料科學研究所(NIMS)申請了Sialon熒光粉專利,美國專利號為:US6,632,379,優先權日為2001年6月7日。接著,德國歐司朗在2002年9月24日又申請了MSi2O2N2:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)專利,專利號為:EP 1,413,618。2004年2月27日,日本同和礦業(DOWA)申請了CaAlSiN3:Eu2+熒光粉的專利,專利號為:JP2005239985。

  LED熒光粉的專利地圖見圖17,美國科銳公司(CREE)最早申請了LED的轉換原理。隨后,日亞化學、歐司朗和通用電氣陸續申請了YAG粉、TAG粉和258氮化物,Ba2SiO4:Eu熒光粉專利。

  二、白光LED的熒光粉解決方案

  對于不同色溫白光LED,所選用的熒光粉會根據顯色指數進行相應地調整(詳見表2)。一般來說,如果要獲得高顯色指數LED或暖白色LED,需要加入紅粉。對于正白色和冷白色的LED,只需要加一種黃粉即可。

亚洲城娱乐  熒光粉本身的各種參數對于封裝后的LED性能來說影響重大,具體的對應關系見下圖18。熒光粉的組成決定了其色坐標,相應地會影響LED的相關色溫。熒光粉的顆粒大小影響其發光亮度,一般來說,大顆粒獲得的亮度高,顆粒呈球形也有利于提高發光效率。粒度分布越寬,寬度系數(D90-D10)/D50也就越大,導致封裝落Bin率降低,同時使LED出光均勻性受到一定影響。顆粒的表面形貌如存在缺陷,也降低其老化性能,進而影響LED的使用壽命。‖

  我們選擇兩種不同形貌的YAG熒光粉,分別做了掃描電子顯微鏡(SEM),激光粒度分布和封裝成3528白光LED后的色坐標測試。圖19為不同形貌的YAG粉的SEM圖,從圖中可以看出,樣品(a)的顆粒基本上近似于球形,表面光滑,基本無破碎的痕跡,而樣品(b)則呈不規則的形狀,表面粗糙,有明顯的破碎的痕跡。

  圖20為這兩種YAG粉顆粒的粒度分布圖。樣品(a)的粒度分布較窄,寬度系數(D90-D10)/D50=1.34,而樣品(b)的粒度分布較寬,寬度系數(D90-D10)/D50=1.98。

亚洲城娱乐  圖21為不同形貌YAG粉在相同封裝工藝、條件下封裝的3528白光LED落Bin圖。從圖中可以看出,寬度系數為1.34的樣品(a)封裝出來的LED的落Bin更為集中,色坐標CIEx和CIEy的標準差分別為0.002046和0.004052,而寬度系數為1.98的樣品(b)封裝出來的LED的落Bin圖較為分散,色坐標CIEx和CIEy的標準差分別為0.002415和0.00438,明顯大于前者,說明熒光粉粒度分布會顯著影響白光落Bin,從而影響白光LED封裝成品率。

亚洲城娱乐  三、 AC LED的熒光粉

  在介紹AC LED熒光粉之前,需要說明為什么要使用AC LED技術。與DC LED技術相比,AC LED技術在以下三個方面具備優勢:

亚洲城娱乐  1.生成成本,體積和壽命。由于AC LED不需要將交流電轉換成直流電,而能在交流電下工作,因此可以節約電源成本,并能減少燈頭部分的體積。同時由于電源的使用壽命是制約LED燈的一個因素,因此,AC LED燈的使用壽命更長(詳見圖22)。

  2.電源轉換效率,由于AC LED不需要電源,因此,可以省去這部分電力損耗,其功率因數高。

亚洲城娱乐  3.通過電磁兼容認證相對簡單。

  同樣,AC LED也存在一個問題:LED的點亮需要達到其開啟電壓,而交流電是周期性變化的,所以這種交流LED發光時會存在頻閃現象(如圖23所示)。針對這個問題,新力光源的解決方案之一是采用發光壽命可控的發光材料。當交流電周期變化時,發光粉亮度的延遲變化,彌補了發光頻閃(見圖24)。另外,新力光源還在驅動電路上進行攻關,提出了第二種解決方案,采用自主研發的交流電直接驅動技術,提高了照明裝置的電氣性能(見圖25)。

  總結

  目前LED熒光粉缺乏定制化設計,后續有望提高5%以上光效;熒光粉分散度對LED封裝落Bin影響明顯,需要嚴格控制;熒光粉的選擇基于LED性能/功能需求,熒光粉性能應與LED相關器件匹配以達到更佳效果。

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