1、白光LED 技术,1 白光LED的实现方法2 大功率白光LED封装技术,1 白光LED的实现方法,(a)蓝光LED 激发黄光荧光粉实现二元混合白光,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，
2、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（Yttrium Aluminum Garnet，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
3、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： 石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物发光材料，如YAG； 硅酸盐基质发光材料： 硅氧氮化合物发光材料； 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
4、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,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
5、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
6、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LED,2. 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
7、。 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
8、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
9、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,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
10、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Benjamin Damilano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
11、，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200 lm/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(
12、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LED,CRHEA-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
13、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,大功率白光LED封装技术,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。,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，
14、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
15、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) Lamina Ceramics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
16、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，荧光粉量子效率降低,出光
17、减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。,此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10-20），并能有效改善
18、光色质量。,（二）高取光率封装结构与工艺,荧光粉涂敷方式： 传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。 Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图3（b）。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。,（二）高取光率封装结构与工艺,（二）高取光率封装结构与工艺,荧光粉涂敷方式（续）： 美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon
19、 Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60），如图3(c)。,（二）高取光率封装结构与工艺,总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。,（二）高取光率封装结构与工艺,为避免大尺寸芯片导致发光效率的下降等问题，可采用小尺寸芯片集成的方法来增加单管最大可发光通量。 由于小芯片技
20、术相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板散热好，对提高光效和增加器件稳定性都有好处并便于芯片集成和散热，效果不错，结构和封装形式较多。 但正装小芯片固有的缺点如电极引线遮光等问题，在多片集成时会加重而影响发光效率，在基板上设计“无引线”的芯片集成可避免引线问题，是提高小芯片集成光效的途径之一。,（三）多芯片集成封装,UOE “Norlux LED” 美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED，其结构是采用六角形铝板作为衬底，如上图所示，铝层导热好，中央发光区部分可装配40 只芯片，封装可为单色或多色组合，也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式，该封装的大功率LE
21、D其光通量效率为20lm/W， 发光通量为100lm。,（四）多芯片集成封装,日亚公司于2003 年推出号称是全世界最亮的白光LED，其光通量可达600lm， 输出光束为1000lm，时耗电量为30W， 最大输入功率为50W。 提供展览的白光LED模块发光效率达33lm/W ，如上图所示。,（四）多芯片集成封装,目前照明用白光LED存在问题及其对策,目前照明用白光LED存在问题及其对策,目前照明用白光LED存在问题及其对策,1 散热问题 散热问题是功率型白光LED需要解决的一个重点问题，散热效果的优劣直接关系到器件的可靠性。,加速器件老化，缩短使用寿命，严重时会导致芯片烧毁； 使蓝光LED的波
22、长发生红移，并对白光的色度和色温等产生严重影响。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； 温度对荧光粉的辐射特性也有很大的影响，随温度的上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生改变，致使白光LED的色温、色度发生变化。此外，较高的温度还会加速荧光粉的老化。,主要表现：,目前照明用白光LED存在问题及其对策,解决散热问题的主要措施是采用低热阻和有利于充分散热的新型封装结构和封装材料。比如：丰田公司在几年前研制的大电流（50mA）白光LED，由于采用了散热性能较好的陶瓷封装取代热传导性能较差的树脂封装，尺寸仅3.4X2.8X1.2（单位：mm），
23、与原产品比较，封装面积和厚度约分别减小93%和80%。 为了降低热阻抗，德国欧司朗Osram等公司将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面，用焊接方式将印制电路板上散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上(如图a所示)。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,（a） Osram LED封装方式,目前照明用白光LED存在问题及其对策,实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W，大约是传统LED的1/6左右。日本西铁城Citizen公司开发出了印制电路板与封装一体化技术，该公司将边长为1mm的正方形蓝光LED以覆芯片化方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴
24、在铜质印制电路板表面（如图b所示），该结构包含印制电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,（b） Citizen LED封装方式,把环氧外壳该做为扁平式，通过缩短LED结点与插脚之间的距离，并且加大引线支架的直径和引脚尺寸都可以降低热阻，使热量很快散发出来。 另外，开发并采用耐高温的环氧树脂，也是解决散热问题的一个途径。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,发光效率有待进一步提高 提高LED的发光效率主要从两方面来考虑：一、内量子效率；二、外量子效率。也就是说，一方面要求在芯片制作上不断的提高量子效率，同时还要求LED在封装及灯具的设计与制作方面尽
25、可能地提高出光效率。由于芯片的内量子效率已经接近10%的极限，因此提高外量子效率是人们关注的焦点。 改善白光LED发光效率的方法：一种是使用面积比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一种是利用多个小型高发光效率LED芯片组合成一个单体模块。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,大型LED芯片特点：可以获得大光束，但加大芯片面积会有负面影响，如芯片内发光层不均匀、发光部位受到局限、芯片内部产生的光线放射到外部时会严重衰减等，针对以上问题，通过对白光LED的电极结构的改良，采用覆芯片化封装方式，同时整合芯片表面加工工艺，目前已经达成50lm/W的发光效率。,目前照明用白光LED
26、存在问题及其对策,大型白光LED封装方式示意图,目前照明用白光LED存在问题及其对策,美国Lumileds公司与日本丰田公司合作采用覆芯片化封装方式。这种封装方式的特点：一是由于发光层贴近封装端使热量极易散出；二是因为当发光层的光线发射到外部时不存在电极遮挡问题。芯片经过表面加工处理后，可以避免光线从芯片内部发射到芯片外部时在界面处发生发射，若在光线取出部位的蓝宝石基板上设置凹凸状结构，芯片外部的取光率可以提高30%左右。经过改良的大型LED芯片封装实体可以使芯片侧面射出的光线朝封装上方的反射板行进，高效率取出芯片内部光线的封装大小是7mm7mm左右（如下图所示）。,将0.35mmx0.35m
27、m的芯片改为1mmx1mm后，取光效率提高2倍的封装方式示意图,小型LED芯片的发光效率的提升似乎比大型LED芯片模块更有效。例如日本CITIZEN公司组合8个小型LED芯片，达到60lm/W的高发光效率。若使用日亚公司制作的0.3mm0.3mm 小型LED芯片，一个封装模块最多使用12个这样的芯片，各LED芯片采用传统金线粘合封装方式，施加功率是2W左右。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,目前照明用白光LED存在问题及其对策,3 高质量荧光粉的开发及其涂覆工艺控制 荧光粉是制备白光LED的一种非常关键的材料，它的性能直接影响器件的亮度、色坐标、色温和显色指数等参数。 白光LED对荧光粉的基本要求：,能被与其相配的蓝光或紫外芯片的有效激发； 具有较高的量子效率； 化学性能稳定，光衰小。,目前的稀土荧光粉的水平还不能完全满足白光LED的性能要求，尤其是红色为荧光粉，其转换效率过低，称为白光LED发展的一个瓶颈。开发高质量的荧光粉，已成为制备高亮度、高出光效率和高显色性白光LED的关键所在。另外，荧光粉的涂敷工艺有待改进和创新。,目前照明用白光LED存在问题及其对策,显色性和空间色度均匀性控制芯片光电参数配合 建立照明用功率型白光LED的测试标准 根据应用要求生产的器件光色度参数的控制 光学系统和灯具 生产成本控制 白光LED照明系统驱动与补偿电路的开发,
