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LED封装中荧光粉的选择与解决方案

发布日期:2013-07-29 05:55:29

AG奔驰宝马多人版  因其高效、节能、寿命长、无污染、可靠性高等优点,被誉为第四代绿色光源。随着发光效率的稳步提升以及价格的不断下降,目前的光效已经可以达到150lm/W,将逐步取代白炽灯和普通荧光灯等传统照明光源。

AG奔驰宝马多人版  白光LED的制作方式主要有两种,一种是采用红、绿、蓝三基色封装成白光LED,另一种是利用单个LED芯片配合。后一种方式在生产成本、散热和控制电路上具有优势,在工业上最为常用。因而,荧光粉是半导体照明的关键材料之一。目前,LED用的荧光粉主要有三大体系,即铝酸盐、硅酸盐和氮(氧)化物,其各自特性见表1。

  一、不同体系的LED荧光粉特性

AG奔驰宝马多人版  1.铝酸盐体系主要有铈激活石榴石型荧光粉,如Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce3+),Tb3Al5O12:Ce3+(TAG:Ce3+)和Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG:Ce3+)。YAG粉和TAG粉为常用的黄粉,LuAG粉为绿粉,量子效率均大于90%,同时具有优良的化学稳定性和热稳定性。下面以YAG粉为例,对基质晶体结构、光谱特性和热稳定性进行简要介绍。

  图1为YAG的晶体结构图(立方晶系),空间群Ia-3d[1]。晶胞中存在两种位置的Al,即Al1和Al2,分别形成AlO6八面体和AlO4四面体。

  图2为YAG:Ce3+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。在激发光谱中,位于340nm和460nm左右处有两个宽带激发峰,这分别归属于Ce3+的2F5/2 (或2F7/2)→2D5/2和2F5/2 (或2F7/2)→2D3/2跃迁。发射主峰则位于530nm处,为宽带发射,对应于Ce3+的2D3/2→2F5/2和2D3/2→2F7/2辐射跃迁[2]。适用于匹配蓝光LED芯片封装白光LED。

AG奔驰宝马多人版  图3为YAG:Ce3+在不同温度下的发射光谱及发光强度变化[3].从图中可以看出,随着温度的升高,YAG:Ce3+的发射峰逐渐红移,且发射峰强度逐渐降低。温度为100℃时,发射峰强度降为常温下94%。超过100℃后,发射峰强度下降幅度逐渐加大,至300℃时,发射峰强度仅为常温下38%。

  YAG粉和LuAG粉的上位发明专利为日本日亚化学(Nichia)拥有,专利号:US 5,998,925,优先权日:1996.7.29。TAG粉的专利为德国欧司朗(OSRAM)占有,专利号:US 6,669,866,优先权日:1999.7.23。

AG奔驰宝马多人版  2.硅酸盐体系主要有M2SiO4:Eu2+和M3SiO5:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)荧光粉。前者可作为绿粉和黄粉,后者是橙色粉。这类硅酸盐荧光粉的化学稳定性和热稳定性相对要差一些。

  下面以Sr2SiO4:Eu2+和Sr3SiO5:Eu2+为例,对基质晶体结构、光谱特性和热稳定性进行介绍。

AG奔驰宝马多人版  图4为Sr2SiO4的晶体结构图(斜方晶系),空间群Pmnb[4]。晶胞中同时存在两个位置的Sr,即Sr1和Sr2,分别为8配位和7配位。

  图5为Sr2SiO4:Eu2+的激发光谱和发射光谱[3],激发光谱为200nm~500nm的宽带,可与紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片配合封装白光LED。发射峰为中心位于550nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。

  图6为Sr2SiO4:Eu2+在不同温度下的发光强度的变化。从图中可以看出,温度为100℃时,发射峰强度下降至常温下的73%左右。并且,当温度超过100℃后,发光强度开始迅速下降,至250℃时,其发光强度仅为常温下的8%。由此可见,其热稳定性较差。

  图7为Sr3SiO5的晶体结构图(四方晶系),空间群P4/nccS[5]。晶胞中同时存在两个位置的Sr,即Sr1和Sr2,均为6配位。‖

AG奔驰宝马多人版  图8为Sr3SiO5:Eu2+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。激发光谱覆盖350nm~500nm的范围,因而可作为紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片用荧光粉。发射峰为中心位于589nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。可与黄粉配合使用以提高白光LED的显色指数。

AG奔驰宝马多人版  图9为Sr3SiO5:Eu2+在不同温度下的发光强度的变化。从图中可以看出,温度为100℃时,发射峰强度下降至常温下的92%。并且,当温度超过100℃后,发光强度下降迅速加快。至250℃时,其发光强度仅为常温下的46%。热稳定性相对较差。据有关报道称,可通过掺杂少量的Ba来改善其热稳定性。

  正硅酸盐荧光粉最早的专利是通用电气于1998年11月30日申请美国专利US 6,429,583。随后,德国欧司朗申请了SrBaSiO4:Eu2+专利,美国专利号:US 7,064,480,优先权日为2000.7.28。接着,德国布赖通根荧光灯厂(LWB),日本丰田合成 (Toyoda Gosei)和奥地利锐高 (Tridonic)联合申请了含Sr、Ba和Ca的正硅酸盐荧光粉专利,美国专利号:US 6,809,347,优先权日为2000.12.28。Sr3SiO5:Eu2+的专利最早见于韩国化工研究院(KRICT)申请的专利,美国专利号:US 7,045,826,优先权日为2003.3.28。

  图10为Sr2Si5N8的晶体结构图(斜方晶系),空间群Pmn21[6]。晶胞中同时存在两个位置的Sr,即Sr1和Sr2,分别为8配位和10配位。

AG奔驰宝马多人版  图11为Sr2Si5N8:Eu2+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。激发光谱覆盖350~500nm的范围,因而可作为紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片用荧光粉。发射峰为中心位于619nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。Sr2Si5N8:Eu2+是目前主流的氮化物红粉之一,可与黄粉配合封装高亮度白光LED。

  图12为Sr2Si5N8:Eu2+在不同温度下的发光强度的变化。从图中可以看出,温度为100℃时,发射峰强度下降至常温下的95%。至300℃时,其发光强度可达到常温下的64%。由此可见,其热稳定性优异。

  图13为CaAlSiN3的晶体结构图(斜方晶系)空间群Cmc21[7]。晶胞中只存在一个位置的Ca,占据4a格位。Al和Si原子则随机占据晶格中的8b格位。

AG奔驰宝马多人版  图14为CaAlSiN3:Eu2+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。激发光谱覆盖350nm~500nm的范围,因而可作为紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片用荧光粉。发射峰为中心位于660nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。CaAlSiN3:Eu2+是目前主流的氮化物红粉,可与黄粉配合封装高显色指数白光LED。由于其合成需要使用高温高压烧结设备,因此,其价格较为昂贵。

  图15是SrSi2O2N2的晶体结构图(三斜晶系)空间群P1[8]。SiON3形成共角四面体层状结构,碱土金属Sr则夹在SiON3四面体层之间。

  图16为SrSi2O2N2:Eu2+的激发光谱和发射光谱。其激发光谱包含5个中心分别位于262、311、365、412和456nm激发峰。发射峰位于544nm处,半峰宽为83nm[3]。

  最早的氮化物荧光粉专利是德国欧司朗于1999年11月30日申请的欧洲专利EP1,104,799。随后,日本国立材料科学研究所(NIMS)申请了Sialon荧光粉专利,美国专利号为:US6,632,379,优先权日为2001年6月7日。接着,德国欧司朗在2002年9月24日又申请了MSi2O2N2:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)专利,专利号为:EP 1,413,618。2004年2月27日,日本同和矿业(DOWA)申请了CaAlSiN3:Eu2+荧光粉的专利,专利号为:JP2005239985。

AG奔驰宝马多人版  LED荧光粉的专利地图见图17,美国科锐公司(CREE)最早申请了LED的转换原理。随后,日亚化学、欧司朗和通用电气陆续申请了YAG粉、TAG粉和258氮化物,Ba2SiO4:Eu荧光粉专利。

  二、白光LED的荧光粉解决方案

AG奔驰宝马多人版  对于不同色温白光LED,所选用的荧光粉会根据显色指数进行相应地调整(详见表2)。一般来说,如果要获得高显色指数LED或暖白色LED,需要加入红粉。对于正白色和冷白色的LED,只需要加一种黄粉即可。

AG奔驰宝马多人版  荧光粉本身的各种参数对于封装后的LED性能来说影响重大,具体的对应关系见下图18。荧光粉的组成决定了其色坐标,相应地会影响LED的相关色温。荧光粉的颗粒大小影响其发光亮度,一般来说,大颗粒获得的亮度高,颗粒呈球形也有利于提高发光效率。粒度分布越宽,宽度系数(D90-D10)/D50也就越大,导致封装落Bin率降低,同时使LED出光均匀性受到一定影响。颗粒的表面形貌如存在缺陷,也降低其老化性能,进而影响LED的使用寿命。‖

AG奔驰宝马多人版  我们选择两种不同形貌的YAG荧光粉,分别做了扫描电子显微镜(SEM),激光粒度分布和封装成3528白光LED后的色坐标测试。图19为不同形貌的YAG粉的SEM图,从图中可以看出,样品(a)的颗粒基本上近似于球形,表面光滑,基本无破碎的痕迹,而样品(b)则呈不规则的形状,表面粗糙,有明显的破碎的痕迹。

AG奔驰宝马多人版  图20为这两种YAG粉颗粒的粒度分布图。样品(a)的粒度分布较窄,宽度系数(D90-D10)/D50=1.34,而样品(b)的粒度分布较宽,宽度系数(D90-D10)/D50=1.98。

AG奔驰宝马多人版  图21为不同形貌YAG粉在相同封装工艺、条件下封装的3528白光LED落Bin图。从图中可以看出,宽度系数为1.34的样品(a)封装出来的LED的落Bin更为集中,色坐标CIEx和CIEy的标准差分别为0.002046和0.004052,而宽度系数为1.98的样品(b)封装出来的LED的落Bin图较为分散,色坐标CIEx和CIEy的标准差分别为0.002415和0.00438,明显大于前者,说明荧光粉粒度分布会显着影响白光落Bin,从而影响白光LED封装成品率。

  三、 AC LED的荧光粉

AG奔驰宝马多人版  在介绍AC LED荧光粉之前,需要说明为什么要使用AC LED技术。与DC LED技术相比,AC LED技术在以下三个方面具备优势:

AG奔驰宝马多人版  1.生成成本,体积和寿命。由于AC LED不需要将交流电转换成直流电,而能在交流电下工作,因此可以节约电源成本,并能减少灯头部分的体积。同时由于电源的使用寿命是制约LED灯的一个因素,因此,AC LED灯的使用寿命更长(详见图22)。

  2.电源转换效率,由于AC LED不需要电源,因此,可以省去这部分电力损耗,其功率因数高。

  3.通过电磁兼容认证相对简单。

AG奔驰宝马多人版  同样,AC LED也存在一个问题:LED的点亮需要达到其开启电压,而交流电是周期性变化的,所以这种交流LED发光时会存在频闪现象(如图23所示)。针对这个问题,新力光源的解决方案之一是采用发光寿命可控的发光材料。当交流电周期变化时,发光粉亮度的延迟变化,弥补了发光频闪(见图24)。另外,新力光源还在驱动电路上进行攻关,提出了第二种解决方案,采用自主研发的交流电直接驱动技术,提高了照明装置的电气性能(见图25)。

  总结

AG奔驰宝马多人版  目前LED荧光粉缺乏定制化设计,后续有望提高5%以上光效;荧光粉分散度对LED封装落Bin影响明显,需要严格控制;荧光粉的选择基于LED性能/功能需求,荧光粉性能应与LED相关器件匹配以达到更佳效果。

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