熒光粉在白光LED封裝中的應用研究

主要內容3.

LED熒光粉在封裝中的色度調節(jié)

2.

LED熒光粉在封裝中的應用說明1.

LED熒光粉在封裝中的關鍵指標5.結論4.

LED熒光粉在封裝中的專利問題1.

LED熒光粉在封裝中的關鍵指標

1.1LED藍光芯片＋熒光粉白光實現方式

1.2

目前市場用的LED熒光粉

1.3

LED熒光粉在封裝中關鍵指標

1.4

三種主要體系LED熒光粉的性能對比

1.5

有研稀土LED熒光粉產品目錄PhosphorsandWhiteLEDsB-LEDB-LED1.1LED藍光芯片＋熒光粉白光實現方式B-LED綠粉紅粉黃粉氧化物(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu

Ca2Sc2Si3O12:Ce(Sr,Ca)

MoO4:Eu(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu硫化物SrGa2S4:EuZnS:Cu,AlCaS:Eu氮化物β-Sialon:EuSrSi2O2N2:Eu(Sr,Ba)2Si5N8:EuCaAlSiN3:Euα-Sialon:Eu1.2

目前市場用的LED熒光粉備注：藍色標記為有研稀土產品組成（1）激發(fā)光譜熒光粉的發(fā)光譜線和譜帶的強度或發(fā)光效能與激發(fā)波長的關系。

激發(fā)光譜的峰值對應的是可以高效激發(fā)此熒光粉的最優(yōu)波長，一般依據這個峰值附近的波長來選擇匹配的LED芯片。（2）發(fā)射光譜熒光粉在某一特定波長光的激發(fā)下，所發(fā)射的不同波長光的強度或能量的分布。發(fā)射光譜中強度最大的波長為發(fā)射主峰。（3）色坐標熒光粉被激發(fā)所發(fā)射光的顏色特性的一組參數，如(x,y)。這個色坐標與封裝后的白光LED色坐標不同，后者是前者與LED芯片發(fā)光本身色坐標的非線性混合。（4）外量子效率熒光粉在一定波長光的激發(fā)下，發(fā)射的熒光光子數與激發(fā)光的光子數之比。外量子效率越高，發(fā)光效能越高。（5）發(fā)光效能熒光粉在一定波長光激發(fā)下，發(fā)光的光通量與激發(fā)輻射功率之比。

1.3LED熒光粉在封裝中關鍵指標（6）半峰寬

熒光粉發(fā)射光譜曲線峰值的一半處的總寬度，簡稱FWHM。半峰寬越寬則表示發(fā)光覆蓋的波長范圍越廣，一般來說得到的顯色指數越高。

（7）相關色溫色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。一般是藍色成份高時色溫較高；紅色成份高時色溫較低。

相關色溫：當光源的光譜只能與黑體某一溫度下的光譜相近似，而不能精確等效時，則稱這一溫度為光源的相關色溫。（8）顯色指數顯色指數是衡量光源顯現被照物體真實色彩的能力參數，顯色指數(0-100)的光源顏色。

可以通過測量和計算出R1-R8試驗色的色差值而得出的；在高顯色中還經常試用R9-R15等7個特殊顯色指數。R1：淺灰紅色；R2：暗灰黃色；R3：飽和黃綠色；R4：中等黃綠色R5：淺藍綠色；R6：淺藍色；R7：淺紫色；R8：淺紅紫色；R9：飽和紅色；R10：飽和黃色；R11：飽和綠色；R12：飽和藍色R13：淺黃－粉紅色(人膚色)；R14:中等程度的橄欖綠色；R15:樹葉色1.3LED熒光粉在封裝中關鍵指標（9）中心粒徑及粒徑分布

@中心粒徑指粒徑的體積累積分布中對應于50％的熒光粉粒徑，通常用D50表示，單位是微米。同一種熒光粉，中心粒徑大小決定發(fā)光亮度高低。

@粒徑分布指熒光粉粒度分布相對寬度或不均勻程度的度量。盡管從熒光粉本身來說，顆粒度越大其亮度一般越高。然而，大的顆粒度或寬的分布于點膠不利，且容易造成光色均勻，光斑效果較差，以及影響最終產品的良率。因此，針對不同類型LED產品要使用不同粒度的熒光粉，同時采用分散系數：(D90-D10)/D50<1作為考核指標，控制熒光粉粒徑的分布。（10）溫度特性熒光粉發(fā)光特性與溫度之間的關系。一般來說隨著溫度的升高，熒光粉會發(fā)生熱猝滅效應，致使發(fā)光效能變差。1.3LED熒光粉在封裝中關鍵指標1.4

三種主要體系LED熒光粉的性能對比鋁酸鹽、硅酸鹽和氮化物熒光粉的優(yōu)、缺點，對比如下：對比項目鋁酸鹽硅酸鹽氮化物量子效率高較高一般激發(fā)范圍430~470nm380~470nm350~470nm發(fā)射范圍515~565nm500~600nm整個可見光范圍半峰寬60~80nm100~120nm80~90nm顆粒度適中相對較大適中高濕穩(wěn)定性好一般好高溫穩(wěn)定性好一般優(yōu)良工藝操作容易有難度較易應用范圍最廣一般暖白、高顯色、增大色域綜合評價好一般好類型芯片波長/nm型號顏色粒度/μm化學組成發(fā)光波長/nm備注SMD450-455GP-SMD-A黃色9±0.5改進鋁酸鹽545首次推出超高亮度SMD熒光粉455-460GP-SMD-B黃色9±0.5改進鋁酸鹽556小功率450-455GP-0753黃綠色8±0.5改進鋁酸鹽540國際專利產品，對比市場同類YAG熒光粉：亮度高、低光衰455-460GP-0754黃色8±0.5改進鋁酸鹽544460-465GP-07558±0.5改進鋁酸鹽560465-470GP-07568±0.5改進鋁酸鹽567高功率450-455GP-0753H黃綠色15±0.5改進鋁酸鹽540國際專利產品，超高亮度455-460GP-0754H黃色15±0.5改進鋁酸鹽556460-465GP-0755H15±0.5改進鋁酸鹽560綠粉440-480GP-2751綠色14±0.5鈧酸鹽513光衰小，遠優(yōu)于硅酸鹽綠粉紅粉360-470GP-0763橙紅色8±0.5258氮化物612兩種結構4款紅粉，品種全、性價比高、低光衰、高顯色360-470GP-0763B紅色8±0.51113氮化物627360-470GP-0764A深紅色8±0.51113氮化物640360-470GP-0765A深紅色8±0.51113氮化物6501.5

有研稀土LED熒光粉產品目錄

2.

LED熒光粉在封裝中的應用說明2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)2.2不同粉膠比濃度對白光LED參數的影響2.3不同粒徑大小LED熒光粉對白光LED參數的影響（1）熒光粉如何選擇？2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)

色度要求包含盡可能多的顏色（色域）顯色性（寬帶發(fā)射或多種熒光粉組合）

效能要求有效激發(fā)范圍需覆蓋芯片發(fā)射波長外量子效率高小的散射及熒光粉層間再吸收

其他要求

形貌規(guī)則顆粒適中、分布均勻比表面積大

信賴性要求

物化穩(wěn)定性高，抗輻射能力強低的溫度猝滅特性壽命長、光衰?。?）熒光粉搭配與組合

2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)根據LED的最終色坐標、顯色指數或背光色域的要求，需要選擇一種或多種顏色的熒光粉。大顆粒比小顆粒熒光粉松裝密度大，封裝成相同色溫的白光LED時，大顆粒比小顆粒熒光粉單位用量多，即粉膠比大，白光LED的亮度相對較高。根據芯片發(fā)光特性選擇不同發(fā)射主峰的熒光粉，如455-457.5nm芯片，選擇542-545nm熒光粉。

類型熒光粉粒徑/μm粉膠比Lamp7~85~8%SMD9~106~10%High-power13~1610~16％（3）熒光粉涂覆涂布方式包括：點膠、噴涂、圍壩以及平面光刻涂覆等，目前仍以點膠為主。2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)涂層厚度色溫顯色指數光通量很薄近30000K低較低加厚降低升高升高很厚更低降低降低如何保證涂覆大顆粒熒光粉的光色均勻性：第一在很短的時間間隔里均勻攪拌脫泡，且點熒光粉的速度加快，與下一環(huán)節(jié)銜接的時間也變緊，且點好的半成品很多進入烘烤的步驟中；第二加入一種表面活性劑或抗沉劑，改善沉淀率。第三采取即時測試，補加熒光膠。如何改善黃圈現象：第一加入增白、擴散劑；第二控制粒徑大小，匹配最優(yōu)的粉膠比例；第三先在芯片上涂覆一層透明膠、后覆蓋熒光膠。（4）顯色指數如何提高？方案一：當采用單一黃粉＋藍光芯片時，增加藍光出光量，即提高藍色比，有利于提高顯色指數。

方案二：當芯片波長固定時，使用波長較長的黃粉，顯色指數較高，如使用565nm比550nm的黃粉做出白光LED的顯色指數高。方案三：當黃粉波長固定時，使用波長較長的芯片，顯色指數較高，如使用460~462.5nm比455~457.5nm的芯片做出白光LED的顯色指數高。

2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)應用領域晶片熒光粉組合顏色顯色指數照明藍光黃粉正白光≤77藍光黃粉＋紅粉正白光77~81藍光黃粉＋紅粉＋綠粉正白光81~95藍光黃粉＋紅粉暖白光≤81藍光黃粉＋紅粉＋綠粉暖白光81~95背光顯示藍光綠粉＋紅粉――超寬色域藍光綠粉＋紅粉＋黃粉――方案四：根據具體顯色指數的要求，加入不同波段的紅粉或綠粉來提高顯色指數。（5）出光效率如何提升？

方案一：折射率：【熒光粉≥1.85】>【硅膠1.3-1.55】，兩者不匹配＋熒光粉顆粒遠大于光散射極限30nm，故在熒光粉表面存在的光散射會降低出光效率?？赏ㄟ^在硅膠中摻入納米熒光粉，使其折射率達到1.8以上，降低光散射使LED出光效率大幅提升。

方案二：選用外量子效率較高的體系熒光粉，如鋁酸鹽；在保證產品良率基礎上，使用顆粒度較大的熒光粉可以提高出光效率。方案三：芯片不僅要激發(fā)熒光粉發(fā)光，同時還可能是目標白光的組成部分，因此要求芯片的發(fā)光效率要盡可能的高，據統(tǒng)計芯片對整個白光的亮度，芯片的貢獻率在75-80%之間。

方案四：為了降低對芯片的要求，熒光粉在相應波段的激發(fā)光譜應盡可能的寬，這樣在長時間點亮后，尤其是3000h后，即使芯片波長有偏差也不會顯著降低激發(fā)熒光粉的效率。

2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)（6）信賴性光衰：LED正常工作情況下，光通量衰減至初始值50％（照明要求70％）所經歷的時間。一般要求：1000小時，光衰<5%或更小。來源如下：

◎芯片PN結溫升高，其波長紅移，效率降低，且連帶影響熒光粉

◎固晶底膠和熒光膠的老化

◎熒光粉發(fā)生溫度猝滅芯片衰減：據國星光電方福波等研究結果表明，LED系統(tǒng)在散熱條件足夠理想的情況下，白光LED的衰減主要由藍光衰減引起，而隨著系統(tǒng)溫度的升高，熒光粉的衰減開始出現，并加劇了白光LED的衰減。封裝膠衰減：據中電集團十三所張萬生等研究結果表明，直接用硅膠涂覆，1000小時后(165度)，光效下降29.79%。硅膠＋熒光粉一起涂覆，同樣條件下，6500K時光效下降13.55%，4200K時光效下降8.25%。熒光粉：大顆粒YAG熒光粉相對于小顆粒熒光粉由于結晶完整，受溫度影響較小，故其亮度維持率較好；同時粒度分布窄有利于亮度維持率。色漂：LED在使用一定時間后，色坐標相對于初始值的變化量。據報道熒光膠對色漂移起主導作用，其中環(huán)氧膠比硅膠對色漂的影響更大。另外發(fā)現低色溫與高色溫器件對比，由于后者熒光粉用量少，而膠體用量較多，故后者色漂移較大。2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)2.1LED熒光粉與封裝工藝的關聯(lián)幾種體系熒光粉的溫度特性結論：隨著粉膠比濃度增大，色坐標x逐漸增大、色坐標y逐漸增大，顯色指數降低、亮度先增加再減小，色溫逐漸減小。2.2

不同粉膠比濃度對白光LED參數的影響產品D50/μm粉膠比xyRa亮度色溫/KGP-SMD-B9.693%0.28480.282283.21.07899063.5%0.32360.342580.11.1458904%0.33180.355678.51.16455304.5%0.33990.368276.81.18352265%0.35390.389374.31.19748246%0.38050.429770.11.24543207%0.40040.457467.31.22540399%0.43020.498962.31.1373749條件：晶元10*23mil,WLD:455-457.5nm,VF:3.0-3.4V，IF=20mA

產品粒度(μm)粉膠比xyRa亮度色溫GP-0754A3.33%0.33320.363178.51.0455488GP-0754B6.493.5%0.33870.368177.51.1125267GP-0754C9.694%0.33180.355678.51.1645530GP-0754D12.435.5%0.3340.362677.21.1965463GP-0754E16.306.5%0.3420.381774.41.1555184GP-0754F25.657.5%0.33060.347278.61.18355782.3

不同粒徑大小LED熒光粉對白光LED參數的影響結論：在相近色坐標的白光時，隨著粒度增大，粉膠比逐漸增大，顯色指數變化不大、亮度先增加再減小。條件：晶元10*23mil,WLD:455-457.5nm,VF:3.0-3.4V，IF=20mA3.

LED熒光粉在封裝中的色度調節(jié)3.1

黃粉+藍光芯片的色度3.2黃粉+紅粉＋藍光芯片的色度3.3黃粉+紅粉＋綠粉＋藍光芯片的色度3.4有研稀土LED熒光粉使用指南B-LEDW-LightY-LightB-Light目標白光的色坐標位于藍光LED芯片發(fā)光的色坐標與熒光粉發(fā)光的色坐標兩者所確定的一條直線上。芯片發(fā)光效率增大，色點將向芯片藍光部分移動；熒光粉亮度越高、或增大粉膠比例、或加大熒光膠涂覆量，色點都將向熒光粉黃光部分移動。3.1黃粉+藍光芯片的色度假定芯片色坐標B(0.138,0.055)

，黃粉坐標Y(0.450,0.530)，紅粉坐標R(0.610,0.380)

◎藍光LED+黃粉：白光色坐標在Y、B兩點連線上，設定其坐標W1(0.323,0.337)，估算出色溫約6000K

◎加入紅粉，目標色點將在W1R直線上向R移動，如W2(0.375,0.345)

，估算出色溫約4000K

3.2黃粉+紅粉＋藍光芯片的色度實現自然白光、提升顯色指數◎

在前面基礎上，加大黃粉比例，W1點將沿BY向Y點移動到W3(0.335,0.355)點，估算出色溫約5400K

◎

再加入紅粉，目標白光的色點將在W3R線上變化，向R點移動到W4(0.39,0.36)點，估算出色溫約3500K

3.2黃粉+紅粉＋藍光芯片的色度實現暖白光、提升顯色指數◎在前面基礎上，加入綠粉G(0.283,0.634)，目標白光的色點將在W2G線上變化，并向G點移動到W3(0.380,0.380)點，估算出色溫約3500K。3.3黃粉+紅粉＋綠粉＋藍光芯片的色度超高顯色指數、增大色域應用方案芯片波長/nm型號粒度/μm顯色指數參考配比備注冷白445-450GP0.5~705~7%適合小功率與SMD，超高亮度450-455GP-SMD-0901099±0.5~705~7%455-460GP-SMD-1001109±0.5~725~7%正白450-460GP-SMD-1001109±0.5~727~9%適合小功率與SMD高顯色、高亮度450-460GP-SMD-0901099±0.5~7596:4GP-07638±0.5450-460GP-SMD-0901099±0.5~8091:9GP-0764A8±0.5暖白450-465GP-SMD-0901099±0.5~7585:15適合小功率與SMD涵蓋顯色指數75-90的不同熒光粉搭配方案、低光衰、高亮度GP-07638±0.5450-465GP-SMD-0901099±0.5~8091:9GP-0763B或0764A8±0.5450-465GP-SMD-1001109±0.5~8560:14:26GP-0764A8±0.5GP-275114±0.5450-465GP0.5~9260:14:26GP-0765A8±0.5GP-275114±0.53.4

有研稀土LED熒光粉使用指南-小功率應用方案芯片波長/nm型號粒度/μm顯色指數參考配比備注大功率正白450-460GP-SMD-1001109±0.5~7112%適合大功率正白LED高顯色、高亮度『特別說明：GP-SMD100110粒度僅為9微米，但可以達到15微米YAG連固定，且光斑均勻、產品良率高』GP-0754H-10011615±0.5~7115%460-465GP-0755H-10072615±0.5~7315%450-460GP-0754H-09011615±0.5~7596:4GP-07638±0.5450-460GP-0754H-0901169±0.5~8091:9GP-0764A8±0.5大功率暖白450-465GP-0754H-09011615±0.5~7585:15適合大功率暖白LED涵蓋顯色指數75-90的不同熒光粉搭配方案、低光衰、高亮度?！禾貏e說明：我們細分為大功率正白粉GP-0754H-100116和大功率暖白粉GP-0754H-090116，事實證明這樣更有利』GP-07638±0.5450-465GP-0754H-09011615±0.5~8091:9GP-0763B或0764A8±0.5450-465GP-0754H-10011615±0.5~8560:14:26GP-0764A8±0.5GP-275114±0.5450-465GP-0755H-10072615±0.5~9260:14:26GP-0765A8±0.5GP-275114±0.53.4

有研稀土LED熒光粉使用指南-大功率4.

LED熒光粉在封裝中的專利問題4.1

鋁酸鹽熒光粉專利情況4.2正硅酸鹽熒光粉專利情況4.3氮(氧)化物熒光粉專利情況4.4有研稀土LED熒光粉國際專利4.1

鋁酸鹽熒光粉專利情況公司年份專利號備注――1960S――被開發(fā)用在飛點掃描中日亞1999US5998925藍光InGaN＋黃色YAG熒光粉實現白光發(fā)射歐司朗2003US6669866Tb3+替代Y3+，形成TAG有研稀土2010US7850869改進鋁酸鹽4.2正硅酸鹽熒光粉專利情況公司年份專利號備注ThomasL.Barry等人1968――J.Electrochem.Soc.1968:115(11):75-81通用電氣2002US6429583豐田合成2004US6809347英特美2007US7311858硅酸鹽綠粉制備方法4.3氮(氧)化物熒光粉專利情況公司年份專利號備注歐司朗2003US6649946三菱化學20032007JP-2003-394855US20070007494同日本物質材料研究所一起申請1.AnAluminatePhosphorContainingBivalenceMetalElements,ItsPreparationandtheLightEmittingD