（光学工程专业论文）功率型白光led悬空荧光粉涂层工艺的研究.pdf

8 e 0s r 羔 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丝丝盈日期：汐防年j 月巧日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 毛z 摘要 摘要 自从1 9 世纪白炽灯出现，人类就没有停止过对照明光源的研究，相继出现了 荧光灯、高压放电灯等新的照明光源，照明效果以及光效得到不断提高。2 0 世纪 末，白光发光二极管( l e d ) 问世，与传统光源相比，其安全、高效、环保的性能在 这样一个提倡绿色环保的社会里受到格外的关注。 由于p c ( p h o s p h o rc o n v e r t e d ) 白光l e d 的发光效率逐年增加，目前实验室数 据已超过2 0 0 1 m w ，受到了广泛关注。对于p c - l e d ，荧光粉层的几何结构、性能 决定白光的色温、色均匀性、显色指数等参数，因此荧光粉涂层工艺成为p c l e d 封装工艺中最重要的一个环节。点胶工艺是目前工厂中普遍采用的荧光粉涂层工 艺，该工艺操作简单，但荧光粉层厚度不均匀，且难以控制，影响了白光l e d 的 空间色均匀性。 鉴于点胶工艺的缺陷，提出了一种新的荧光粉涂层工艺，该工艺是将水溶性 感光胶的平面涂层技术与荧光粉层悬空结构相结合，得到高效、均匀的白光l e d 。 本文主要工作和相关结论如下： 1 通过蒙特卡罗法建立不同封装结构的白光l e d 模型，分析封装材料、 荧光粉层厚度、芯片出光角度以及不同封装几何结构对白光l e d 性能 的影响，模拟结果显示：悬空荧光粉涂层工艺得到的白光l e d 与点胶 工艺相比光效提高2 6 ；通过模拟荧光粉层厚度均匀的保形平面涂层 工艺的白光l e d 光斑，对比不同位置的光斑色坐标，得到结论：即使 是厚度均匀的荧光粉层，得到的白光色均匀性依然较差，分析造成该 缺陷的原因，同时提出了解决空间色均匀性问题的新方案； 2 开展基于聚乙烯醇+ 重铬酸铵的水溶性感光胶的平面涂层工艺的研 究，结合自曝光工艺实现荧光粉层厚度与芯片的光强相匹配，使荧光 粉层厚度具备自适应的特点，白光光斑在不同空间位置的黄蓝比例保 持一致，解决光斑空间色均匀性问题。通过对工艺参数的优化得到理 想的荧光粉涂层结构，实现了理想的均匀白光l e d ，完成了保形平面 涂层和荧光粉悬空涂层的封装工艺； 3 测试不同封装结构的白光l e d 的光斑均匀性、光谱色度以及光效。测 试结果显示：不同封装结构的自光l e d 光效基本相当，而文中提出的 摘要 荧光粉悬空涂层工艺和保形平面涂层工艺封装的白光l e d 空间色均 匀性明显优于现有商品。 关键词：白光l e d ，蒙特卡罗法，自曝光，自适应，聚乙烯醇，重铬酸铵 a b s t r a c t s i n c e l ei n c 锄d e s c e n tl i g h tb u l bw a si n v e n t e di nt h el a t e 18 0 0 s ，h u m a nh a v e 刺c rg i v e nu pt h er e s e a r c ho nl i g h ts o u r c e s i nt h el a t e2 0 “c e n t u r y , an e w k i n do f l i 出ts o r r c en a m e dw h i t el i g h t - e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) c a m eo u t c o m p a r e dw l 也 c o n v 鲥o n a li l l u m i n a t i o ns o r r c e s ，w h i t el e d sh a v em a n yo u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s i i l 蜘n so fl o n g e rl i f e ，h i g h e rb r i g h t n e s s ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n d l e s s h 锄f 讧h l c = s s t h e ya r ee x p e c t e dt oh a v ea c o n s i d e r a b l ei m p a c to n s s u c ss u c ha se n e r g y c 0 n s 啪p t i o i l e n v i r o n m e n ta n de v e nt h e h e a l t ho fi n d i v i d u a l s d u r i n gs e v e r a ld e c a d e s o fd e v e l o p m e n t ，l u m i n o u se f f i c i e n c yo fw h i t el e d si si m p r o v i n g a tv e r yf a s ts p e e d e s p e c i a l l y , p h o s p h o rc o n v e r t e dw h i t e l e d sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea 1 n a c 缸v et o r g e n e r a ll i g h t i n ga p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h es t e a d i l yi n c r e a s i n gl u m i n o u s e t t i c l e n c y r e p o r t e db yl e d - s u p p l i e r s n o ww h i t el e d s e f f i c a c yb a r r i e r o fc r e ec o m p a n yh a v eb r o k e n2 0 0 1 m w h i g h l ye f f i c i e n tp a c k a g i n gf o rp o w e r l e di sc r u c i a lf o rt h ed e v e l o p m e n to f s o l i d 蚍她l i 曲矗n g d i f f e r e n to p t i c a ls t r u c t u r e sw i t hv a r i o u ss t a t e so fp h o s p h o rw i l lg r e a t l y i n f l 嘲c et h ep a c k a g i n gp e r f o r m a n c es u c h a sl u m i n o u se f f i c i e n c y , q u a l i t yo fw h i t e l i 出a n dc o l o ru n i f o r m i t y n o w , t r a d i t i o n a lp r o c e s st h a tp h o s p h o r - c o n t a i n i n gs i l i c ag e l i sd r o p p e d0 1 1t h es u r f a c eo f ab l u el e dc h i pd i r e c t l yi sa d o p t e db ym o s tl e dp a c k a g e n m u 岔l c t u r e r s h o w e v e rt h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e sw i t ht h i sm e t h o d t h ep r i m a r y p 袖l e i i li s t h a tt h et h i c k n e s so fp h o s p h o rl a y e ri su n e v e n ，w h i c hh i g h l yi m p 躺 r e s t r a i nm e s p a t i a lh o m o g e n e i t y o ft h ew h i t el i g h te m i t t e d t 0s o l v en 1 0 s ei s s u e se n c o u n t e r e di nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，an e wp h o s p h o r c 0 缸gp r o c e s si sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r b yc o m b i n i n g w a t e r - s o l u b l ep h o t o r e s l s t w i 廿lr e i i l o t ep h o s p h o rs t r u c t u r e ，w h i t el e d sw h i c ha r eo fh i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y a n dg o o dc o l o ru n i f o r m i t ya r e m a d e s o m ei n t e r e s t i n gc o n c l u s i o n sf r o mo u rw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 w i t ht h em e t h o do fm o n t ec a r l o ，d i f f e r e n tp a c k a g es t r u c t u r e so fw h i t el e da r e m o d e l e d 锄dt h ef a c t o r st h a ti m p a c t0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f w h i t el e d ss u c h 弱 p a c k a g i n gm a t e r i a l s ，p h o s p h o rl a y e r , l i g h te m i t t i n g a n g l e s ，v a r i o u sp a c k a g i n g 1 1 1 a b s t r a c t t e c h n o l o g ye t ca r ea n a l y z e d 1 1 1 ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tr e m o t ep h o s p h o r m o d u l ec a l lb eo fu pt o2 6 b e t t e ro p t i c a le f f i c a c yt h a nc o n v e n t i o n a lp r o c e s s m o d u l e ；b e c a u s et h eo u t p u to fl e dl i g h ts o u r c ea r eo fal a m b e r t i a nr a d i a t i o n p r o f i l e ，t h em o d u l e 、) l r i t he v e np h o s p h o rl a y e rc a l ln o tg a i nu n i f o r mw h i t el i g h ts p o t o n l yi ft h et h i c k n e s so fp h o s p h o rl a y e rm a t c h e sw i t hr a d i a t i o np r o f i l eo ft h el e d c h i p ，p e r f e c tc o l o ru n i f o r m i t yw i l lb er e a l i z e d 2 b a s e do nt h ec o n c l u s i o n so fs i m u l a t i o n ，an o v e lp h o s p h o rc o a t i n gm e t h o di s p u t f o r w a r d ，w h i c ha d o p t sak i n do fw a t e r - s o l u b l ep h o t o r e s i s tc o n s i s t i n go fp o l y v i n y l a l c o h o l ( p v a ) a n da m m o n i u md i c h r o m a t e ( a d c ) i n s t e a do fc o n v e n t i o n a ls i l i c o n r e s i n , a n ds e l f - e x p o s u r eo fl e dc h i pw a se m p l o y e da sa no p t i m i z e ds e l f - a d a p t i v e e x p o s i n gw a yt om a k et h ep h o t o r e s i s i te r o s s l i n k i n g e v e n t u a l l y , i d e a lp h o s p h o r l a y e rc o m e si n t ob e i n g , w h i c hm a t c h e st h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fl e dc h i p s o t h er a t i oo fy e l l o wa n db l u ew i l lb ek e e p i n gc o n s i s t e n ta te v e r ya n g l e t h el i g h t s p o to f w h i t el e dw i l lb em o r eu n i f o r ms p a t i a l l y t h ep r o b l e mo fc o l o ru n i f o r m i t y i ss o l v e dp e r f e c t l y a tt h es a m et i m ec o n f o r m a lc o a t i n ga n dr e m o t ep h o s p h o r c o a t i n ga r ea c h i e v e ds u c c e s s f u l l yw i t ht h i sn e w l y - d e v e l o p e dc o a t i n gm e t h o d 3 l u m i n o u se f f i c i e n c y , c o l o ru n i f o r m i t y , s p e c t r u mo fl i g h to u t p u ti sm e a s u r e d t h e m e a s u r e m e n tr e v e a l e dt h a tt h ed e v i c e sw i t hn e wp h o s p h o rc o a t i n gp r o c e s s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e rs h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c e st h a nt h eo n e so ft r a d i t i o n a l p r o c e s sa n do t h e rc o n f o r m a lc o a t i n gp r o c e s s e si nt h et e r m so fc o l o ru n i f o r m i t y , a n dt h el u m i n o u se f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tp a c k a g ep r o c e s s e sa r ea l m o s te q u i v a l e n t t h er e m o t ep h o s p h o rc o a t i n gw h i t el e d sd e l i v e rb e t t e rh o m o g e n i z e dw h i t el i g h t n e ya r ei d e a lw a yf o rp a c k a g i n go fw h i t el e d sf o rg e n e r a li l l u m i n a t i o np u r p o s e s k e yw o r d s ：w h i t el e d ，m o n t ec a r l o ，s e l f - e x p o s u r e ，s e l f - a d a p t i v e ，p o l y v i n y la l c o h o l ， a m m o n i u md i c h r o m a t e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目蜀毛v 第一章绪论l 1 1l e d 概j 苤1 1 2l e d 的发展现状及趋势。2 1 2 1 国外l e d 产业技术的发展3 1 2 2 国内l e d 产业技术的发展5 1 3 白光l e d 的市场应用。6 1 4 本文的主要工作及创新点7 第二章白光l e d 的原理及目前存在的问题9 2 1l e d 的发光原理及制造流程9 2 2 白光l e d 的实现方法1 2 2 3 白光l e d 的封装设计1 3 2 4 目前白光l e d 存在的问题1 4 2 5 小结1 6 第三章白光l e d 封装工艺的光学模拟。1 7 3 ，1 蒙特卡罗分析法原理1 7 3 2 白光l e d 封装结构的蒙特卡罗模拟1 8 3 2 1 荧光粉层中的光子包输运过程。1 8 3 2 2 确定出设光子包的频率和方向向量1 9 3 2 3 光子包的随机自由程2 0 3 2 4 荧光粉的吸收和散射模型2 1 3 2 5 光子包的反射和折射。2 4 3 2 6 光予包传输终止2 5 3 2 7 出射白光的性能参数计算2 5 3 3 光子传输模拟结果分析2 7 3 3 1 折射率对光效的影响2 7 v 目录 3 3 2 不同封装结构对光通量的影响。2 9 3 3 3 出光角度对色温的影响3 2 3 3 4 模拟厚度均匀的荧光粉层的白光空间色均匀性。3 3 3 4 j 、结3 4 第四章悬空荧光粉涂层工艺及性能分析3 6 4 1 白光l e d 的几种荧光粉涂层结构3 6 4 2 基于水溶性感光胶的悬空荧光粉涂层工艺的引入3 7 4 3 基于水溶性感光胶的涂层工艺的实现方案3 8 4 3 1 实验原材料及理论依据3 9 4 3 2 实验工艺流程。4 1 4 4 封装效果及性能分析4 3 4 4 1 新工艺封装外观效果4 3 4 4 2 曝光强度对荧光粉层厚度的影响4 4 4 4 3 新工艺得到的白光空间色均匀性测试4 5 4 4 4 不同结构的白光l e d 的光效对比5 0 4 5 小结一5l 第五章结论5 2 致 射5 5 参考文献5 6 攻硕期间取得的研究成果5 9 v i 第一章绪论 1 1l e d 概述 第一章绪论 发光二极管( l e d ) 产生于2 0 世纪6 0 年代，由于其发光亮度较低，2 0 世纪8 0 年代之前，主要作为指示灯使用，且只有红、橙、黄、绿等几种。随着科学技术 的发展，l e d 的亮度有了较大的提高，且发光波长包括深紫外到红外各个波长【l j 。 1 9 9 4 年，日本科学家中村修二在g a n 基片上研制出了第一支蓝光l e d ，1 9 9 7 年 诞生了i n g a n 蓝光芯片“a g 黄色荧光粉的白光l e d ，使l e d 进入普通照明领 域成为可能【2 1 。随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，在芯片生长工艺 中引入了双反射和分布式布拉格反射结构和量子井结构，并采用了倒装芯片技术 和表面粗糙化纹理结构等改进措施，l e d 的发光效率不断提升【2 3 4 】，尤其是2 0 0 5 年以后，白光l e d 得到了飞速发展如图1 1 所示，2 0 1 0 年美国c r e e 公司宣布其 白光l e d 的发光效率已突破2 0 0 1 m w 。 2 1 5 0 富 、 三1 0 0 楼 果 5 0 o 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 2 0 1 1 日期( 年) 图1 - 1 白光l e d 光效的发展 随着白光l e d 技术的不断革新，基于l e d 新光源的固态照明半导体照 明被人们提出。作为一种节能、绿色环保光源，l e d 被称为是继白炽灯、荧光灯 电子科技大学硕士学位论文 和高压放电灯之后的第四代光源1 5 j ，甚至有人预见l e d 光源将是人类的最终光源 【6 ，7 1 。近几年来，l e d 在世界范围内备受关注，其相关技术也得到了前所未有的发 展，l e d 照明产品在路灯、景观、汽车、液晶背光源等多个领域得到广泛应用【2 ，5 】。 随着人们对i i i v 族化合物材料的深入研究以及金属有机物化学气相沉积 ( m o c v d ) 生长技术的日趋成熟，已经开发出了超高亮大功率l e d ，特别是高亮 g a n 蓝光l e d 的问世，结合高转换效率的钇铝石榴石荧光粉( y a g ：c e s + ) 带u 得了 双基色白光l e d ，使l e d 快步走向照明领域。目前商用化的白光l e d 已达到 1 0 0 1 m w ，c r e e 公司的实验室水平已达到了2 0 8 1 r n w ，而白光l e d 的光效理论极 限在3 0 0 1 m w , 因此白光l e d 的光效仍然有很大的提升空间。 表1 1 白光l e d 与传统光源的性能对比 技术指标白光l e d白炽灯荧光灯 极限发光效率( 1 r n w ) 3 0 01 5 2 0l o o 现有发光效率( 1 r n w ) 2 0 81 68 5 光转换效率6 0 5 2 5 寿命( h ) 8 万1 0 万1 0 0 0 1 0 显色指数 7 5 9 5 7 5 特点 高效；寿命长；显色性最好；发发光效率高；显 低压安全；耐震；光效率低；寿命色性一般；易碎； 动冲击响应时间短；不安全；易频闪；汞污染 短；环保碎 如表1 1 数据显示，白光l e d 与传统光源在性能方面全面占优，只要l e d 成本降到一定程度将会全面取代传统光源。有资料分析显示，白光l e d 成本2 0 0 2 年为1 5 5 美元兆流明时，2 0 0 7 年为2 1 8 美元邑流明时，2 0 1 2 年将达到o 7 7 美元 兆流明时，低于荧光等的1 美元兆流明时，到2 0 2 0 年l e d 的成本将降至荧光灯 的一半以下，届时将全面取代传统光源，真正步入家庭照吲羽。 1 2l e d 的发展现状及趋势 目前，l e d 光电产业还是一个新兴产业，具有高效、节能、环保的特点。世 界各国都在政府的大力资助下加快推进l e d 光源取代传统光源的步伐，美国、日 本、欧盟、韩国、中国以及中国台湾都制定了相关发展计划【1 1 ，尤其是2 0 0 9 年 1 2 月哥本哈根全球气候会议提出了低碳减排，使l e d 光电产业更加符合能源、 2 第一章绪论 减碳战略。作为2 1 世纪最引人瞩目的新技术领域之一，l e d 照明涉及到半导体 材料、器件结构、光学配光设计、封装工艺、驱动电路、照明效果与视觉匹配等 多个技术领域。如今，l e d 相关的研发及产业化已成为半导体、光电子、材料、 能源等多个行业的一个重要发展方向。各国相继投入大量资金，启动了半导体照 明计划，如表1 2 所示。 表1 2 各国家和地区的l e d 照明计划 日本 美国 欧盟韩国中国台湾中国大陆 项2 1 世纪照下一代照彩虹计划g a n 半导体开 白光照明国家半导 目明计划明计划发计划光源计划体照明工 计程 划 项 第一阶段：第一阶段：第一阶第一阶段：第一阶段第一阶段 目 19 9 8 2 0 0 32 0 0 2 2 0 1l 段：2 0 0 4 2 0 0 8 2 0 0 22 0 0 3 2 0 0 5 阶第二阶段：第二阶段：19 9 7 2 0 0 0第二阶段：第二阶段第二阶段 段 2 0 0 4 2 0 11 2 0 2 02 0 0 9 2 0 132 0 0 9 2 0 132 0 0 6 2 0 1 0 发 1 2 0 1 m w2 0 2 0 -2 0 0 8 ：8 0 1 m w2 0 0 52 0 1 0 - 光 2 0 0 1 m w2 0 1 3 ：1 3 0 1 m w4 0 1 m w1 0 0 1 m w 效 率 投一期：2 0 0 3 2 0 11一期：一期：2 0 0 4 - 2 0 0 5一期： 资 6 0 0 05 0 0 03 0 0 万二1 2 0 01 5 0 0 万美 金万美元5万美元年欧元亿美元5 年万美元年7 1 5 额年 1 2 1 国外l e d 产业技术的发展 在l e d 外延和芯片制造领域，美国有着非常突出的优势，相关产业的集中度 比较高，拥有许多实力雄厚的国际化大公司如l u m i l e d s 、c r e e 、g e l c o r e 等，这些 公司掌握着l e d 整个产业链的核心技术，代表着世界l e d 的发展水平。同时美 国政府也给予l e d 产业研发巨大的支持，在2 0 0 2 年美国能源部设立的“国家半 导体照明研究计划 被列入“能源法案 ，并计划在2 0 0 0 2 0 1 0 年耗资5 亿美元开 展半导体照明技术的研究，主要研究内容是降低l e d 的成本、提升l e d 的转换 效率、g a n 材料的固体物理学、相关m o c v d 工艺、低缺陷密度衬底及l e d 结 构优化等。美国能源部还启动了如“下一代照明计划 等其它促进l e d 产业研发 电子科技大学硕士学位论文 的计划，并投入大量资金推动l e d 产业的快速发展。 日本一直是l e d 产业大国，在l e d 衬底材料、芯片结构与制造、白光l e d 用荧光粉等领域拥有大量的专利技术，尤其是白光l e d 技术方面具有领先优势。 l e d 相关技术水平与美国不相上下，同样拥有n i c h i a 、t o y o t ag o s e i 等技术一流 的大型l e d 公司，并在这两大公司的带领下形成了具有高技术水平的l e d 产业 链。同时，日本政府为保持在l e d 产业上的优势地位，投入了巨额资金发展l e d 产业，早在1 9 9 8 年就制订了“2 1 世纪光计划 ，该计划在5 年内投资6 0 亿日元 用作白光l e d 的开发，涉及到衬底材料、外延技术、荧光粉制备、芯片和灯具等 多个技术领域，重点是高质量外延层生长、大功率芯片制备和白光l e d 用荧光粉 的获取。 为缩小在l e d 照明领域与美国和日本之间的差距，欧盟各国也相继提出了 l e d 合作研发计划“彩虹计划 ，在其基础上2 0 0 4 年7 月1 2 日又启动了“固 态照明研究项目 。为提高欧洲光电产业在世界范围内的竞争力，在2 0 0 4 年成立 了“欧洲光电产业联盟，通过制订欧洲光电产业技术发展规划、协调欧洲企业的 技术开发与合作来提高l e d 产业水平【2 】。目前欧洲一些大公司如o s r a m 、p h i l i p s 、 a i x t r o n 等的l e d 芯片在规格和性能上已处于世界先进水平。 韩国的l e d 产业发展较晚，开始仅有三星、l g 、a u k ( 光电子) 等少数公 司生产l e d ，自2 0 0 0 年起随着大量使用g a n 基l e d 作为手机显示屏背光源， 加快推动了韩国l e d 产业发展。从2 0 0 0 年到2 0 0 8 年，韩国政府投入4 7 2 亿美 元，企业投入7 3 6 亿美元，目标是使韩国成为亚洲最大的光电子生产国【2 】。目前 从事l e d 芯片制造的除了三星和l g 外，还有n i n e x 、i t s w e l l 等公司，从事封 装的有s e o u l 公司，韩国已形成了完整的l e d 产业链。 目前，l e d 产业发展现状依然是日本和美国的技术实力最强，在l e d 新产 品和新工艺方面拥有创新优势，德国和韩国发展迅速，在某些相关领域也拥有较 先进的技术。随着高亮l e d 尤其是照明用功率型白光l e d 的发展，对l e d 外延 和芯片制备技术的要求越来越高，l e d 的研发也主要集中在这个方面，而且外延 生长和芯片制造技术是最能代表企业或国家l e d 技术产业水平的部分，也是技术 含量最高和竞争最激烈的环节。据统计，l e d 产业中7 0 的利润来自于芯片，而 l e d 封装成本的7 0 也来自于芯片，因此，国外许多l e d 芯片生产商如美国的 c r e e 公司、日本的n i c h i a 、德国的o s r a m 公司等都把芯片生长技术作为自己的研 发重点。 4 第一章绪论 1 2 2 国内l e d 产业技术的发展 我国l e d 产业起步于2 0 世纪6 0 年代，8 0 年代形成产业【2 】，到9 0 年代末期， 白光l e d 问世，我国同样对其发展高度重视，然而美国、日本等国已发展成为 l e d 技术与产业水平最高的国家，处于引领产业发展方向的前沿位置，而且大部 分专利技术掌握在n i c h i a 、c r e e 、t o y o d ag o s e i 、l u m i l e d s 及o s r a m 等少数大公 司手中，对l e d 核心技术保护措施较强，定程度上限制了我国l e d 产业发展， 尤其是芯片制造方面。为了在世界l e d 领域占有一席之地，我国政府于2 0 0 3 年 制订了l e d 发展计划和相应的政策，从2 0 0 4 年开始科技部批准了大连、厦门、 上海、南昌、深圳等五个半导体照明产业基地，之后在2 0 0 7 年和2 0 0 8 年相继批 准了石家庄、扬州两个半导体照明产业基地，政府在整个l e d 产业链的研发上给 予政策、税收和资金方面的长期支持，如图1 2 所示。 厂瓢万酮酹 i “8 6 3 ”纳米专亟i 图1 - 2 冲国对l e d 产业各环节的大力支持 一直以来，我国都是l e d 的封装大国，据统计全球8 0 的l e d 器件封装集 中在中国。在中低端l e d 器件封装领域，中国封装企业的市场占有率较高，而在 高端l e d 器件封装领域，技术上有待进一步突破。据估算，中国的封装产能( 含 外资在大陆的工厂) 占全世界封装产能的6 0 ，并且随着l e d 产业的聚集度在 中国增加，更多资本进入大陆封装产业，中国的l e d 封装产能将会快速扩张，在 l e d 封装领域取得主导地位。 目前，我国的功率型l e d 芯片以及一些封装的辅助材料还需要进口，一定程 电子科技大学硕士学位论文 度上受到国外的制约，大功率的l e d 封装工艺有待进一步完善，尚不能形成完整 的l e d 产业链 9 1 。因此，我国必须将主要的技术研发重点放在整个l e d 产业链 上，包括：大功率l e d 制备技术；s i 基衬底g a n 基l e d 材料生长和低成本器件 制造技术；提高l e d 发光效率；m o c v d 等外延生长、芯片加工设备及原材料的 开发；功率型白光l e d 的封装工艺以及l e d 灯具系统设计和应用集成技术【2 1 。 1 3 白光l e d 的市场应用 长期以来，由于l e d 光效低的原因，其应用主要集中在信号指示，数码显示 等领域。随着超高亮l e d 的问世，l e d 逐渐进入各大照明领域，现已被广泛应 用于各种照明设备中，如手机数码相机闪光灯、手电筒、室内外道路和楼梯照明 灯等。近几年，国内l e d 应用行业发展速度很快，2 0 0 8 年我国半导体照明总产 值近7 0 0 亿元，其中芯片产值1 9 亿元，封装产值1 8 5 亿元，应用产品产值4 5 0 亿元。目前，l e d 市场应用主要在以下几个方耐2 , 5 , 1 4 ： 1 户外大型全彩显示屏 由于大尺寸、广视角、高亮度和色彩丰富等特点，l e d 显示屏广泛应用在单 色标识和全彩显示方面。随着l e d 技术的不断发展，尤其是高亮蓝光l e d 的出 现，l e d 全彩显示得以实现后，l e d 显示屏以其突出的优势成为大型显示的第一 选择。如今，l e d 大型全彩显示屏已广泛应用在车站、医院、商场、银行、证券、 体育馆、市政广场、演唱会、机场等场所。 2 液晶显示的背光源 在以手机为主的小尺寸液晶背光源中，l e d 已经被广泛应用。目前手机、笔 记本电脑市场需求量不断扩大，l e d 背光源市场得到了快速发展，尤其是3 g 通 信的启动，进一步促进l e d 在小尺寸背光源市场中的应用。随着各国节能环保标 准的提出，l e d 凭借其绿色环保、寿命长的优势将最终全面取代冷阴极荧光灯作 为不同尺寸液晶显示器的背光源。 3 汽车车灯市场 目前，l e d 在汽车应用市场上还处于发展阶段，市场规模相对较小，但由于 l e d 功耗低、寿命长、响应速度快等特点，被越来越多的汽车车灯生产厂商所关 注。然而，目前l e d 的光效相对较低、且价格较高，l e d 主要用在汽车尾灯以 及车内照明等方面，进入汽车前照灯市场还需要一定的时间。近几年l e d 技术发 展迅速，随着其光效的提升和成本的下降，l e d 将逐渐实现从汽车内部、后部到 6 第一章绪论 前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。 4 景观装饰照明 景观装饰照明包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点的装饰等，景观装饰照明 对光源的光通量要求比较低，但对色彩变化却比较苛刻。通过电流控制，l e d 可 实现全彩，其颜色多样化、组合变化多、环保、寿命长、设计灵活性强等特点使 其在装饰灯具市场中的发展处于有利地位。从都市的现代化建筑、到自然景观及 夜景亮化工程，人们已经将注意力集中在l e d 上了。目前，我国许多城市都在开 展“亮化工程 ，但仍是传统光源为主。随着绿色照明的大力推广，在政府的大力 支持下，l e d 在景观照明市场中开始崭露头角，具有有很大的发展空间。 6 家庭照明 普通家庭照明是照明市场最大的一部分。目前，功率型白光l e d 由于光效、 成本等因素，其应用局限在局部照明、装饰照明、轮廓照明等方面。要全面进入 普通照明市场，除了面临着诸如发光效率较低、散热效果较差、成本过高等问题 外，还要面临光学、机械机构与电控等方面的整合以及l e d 照明产品通用标准的 制定。从l e d 近几年的迅猛发展来看，l e d 走进家庭照明只是时间问题，随着 l e d 技术的不断成熟，人类将全面步入绿色照明。 据中国国家半导体照明工程研发及产业联盟提供的数据，2 0 0 8 年l e d 产品 在各主要应用领域销售额分布统计显示：建筑景观是我国l e d 最大的应用领域， 占总市场份额的2 8 ；l e d 显示屏与家电显示屏为国内l e d 第2 大应用领域， 占总市场份额的2 7 ；手机、电脑笔记本等中小尺寸背光源为第3 大应用领域， 占总市场份额的2 2 ；交通信号灯、汽车灯、特种照明灯等各类应用占有一定市 场份额。可见l e d 应用已经向各大领域渗透，而且在不断地扩大，目前l e d 还 处于一个发展阶段，随着技术的进步，l e d 将全面取代传统光源，实现节能环保 的绿色照明。 1 4 本文的主要工作及创新点 照明用的功率型白光l e d ，其光效、色温、色均匀性、显色性是产品性能的 重要指标。光效提高是l e d 取代其他照明实现节能的关键，目前光效以每年1 0 1 0 l m ，w 的速度提升，如何从封装的角度提高光效是本文研究的重点之一；同样 色均匀性也是一个照明的重要指标，如何通过封装来改善l e d 的空间色均匀性是 本文研究的另一个重点；对于p c l e d 来说，产品的色温一般在4 0 0 0 k - 8 0 0 0 k ， 7 电子科技大学硕士学位论文 如何通过封装实现对产品色温的精确控制是一个重要的研究课题；而显色性，往 往与光效是相互矛盾的，要达到较高的显色性就必须牺牲一定的光效，需要根据 产品要求在这两个指标中做出一个平衡。 本文主要研究的是应用性课题，通过建立模型模拟分析不同工艺参数，以及 封装结构对白光l e d 性能的影响，分析影响白光空间均匀性的因素，并提出解决 方案；开发一种基于水溶性感光胶的荧光粉悬空涂层工艺，提高白光l e d 光效， 改善其空间色均匀性，同时实现色温可控的目的，而且便于产业化大规模生产。 第二章白光l e d 的原理及目前存在的问题 第二章白光l e d 的原理及目前存在的问题 2 1l e d 的发光原理及制造流程 类似于普通二极管，l e d 也是由p n 结构成的，同样具有单向导电性，在正 向导通时发光，它是利用半导体p n 结或类似结构把电能转换成光能的器件【5 】， 其发光原理不同与白炽灯、荧光灯、气体放电灯等其他光源，是由电子与空穴复 合发光的。大多数的发光二极管以i v 族化合物半导体( 如g a a s 、g a p 或g a n 等) 材料为衬底，其核心是p n 结。本征半导体的电阻率很高，通过掺杂可以改 变半导体的电阻率，形成p 型或n 型半导体，如果在同一半导体中，一半掺入i i i 族元素形成p 型材料，另一半掺入v 族元素形成n 型材料，电子由n 区向p 区 扩散，空穴由p 区向n 区扩散，在两半之间的边界上形成了p n 结，同时产生一 个势垒阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态，如图2 1 ( a ) 所示。当p n 结 外加一个正向偏置电压时，p n 结势垒降低，n 区电子向p 区注入，电子和空穴 在p n 结处相遇复合并将多余的能量以光子的形式释放出来【1 0 1 ，如图2 - 1 ( c ) 所示， 这种发光称为注入式发光，出射光子的频率由半导体禁带宽度决定，因此，采用 禁带宽度不同的材料制得的l e d ，所发的光波长不同。此外，并不是所有的电子 空穴复合都能产