（微电子学与固体电子学专业论文）gan基白光led新型封装材料与技术研究.pdf

华南师范大学硕：士：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 舡t h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n ti nw h i t el e d sh a db e e nm a d e ，i e c o n t i n u o u s l y i n c r e a s eo fe f f i c i e n c ya n dd e c r e a s eo fp r i c e ，t h es e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gh a db e e na n e w l yh i g ht e c h n o l o g yo fg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a li m p o r t a n c ew o r l d w i d e t h e d i s s e r t a t i o nw a sf o c u s e do nt h en o v e lm a t e r i a la n dt e c h n o l o g yo ft h ef a b r i c a t i o no f w h i t el e d sp a c k a g i n gi nl i g h t i n ga p p l i c a t i o n a n dt h et r a d i t i o n a lp a c k a g i n gm e t h o d a n dt h en e wm e t h o da r ec o m p a r e da n da n a l y z e d f i n a l l yt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e s o ft h en e wm e t h o di nt h ep o w ew h i t el e dp a c k a g ea p p l i c a t i o nw a sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec e ：y a gc e r a m i cp h o s p h o ra n dt h es i o z y a g ：c e 3 + g l a s s p h o s p h o rw e r ep r e p a r e db yv a c u u ms i n t e r i n gt e c h n i q u e a n d s o l g e lm e t h o d ， r e s p e c t i v e l y t h ea p p l i c a t i o no ft h et w op h o s p h o rm a t e r i a l i np o w e rw h i t el e d p a c k a g ew a s r e s e a r c h e d d e t a i l sa r e 硒f o l l o w s ： f i r s t l y , t h er e s e a r c ha n dp r o g r e s so ft h en o v e l # a s s - c e r a m i cp h o s p h o rm a t e r i a l s f o rw h i t el e d p a c k a g i n gi nt h er e c e n ty e a r sw a ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , an o v e lc e ：y a gc e r a m i cp h o s p h o rw a sp r e p a r e db yv a c u u ms i n t e r i n g t e c h n i q u e t h ec e r a m i cp h o s p h o rw a s c h a r a c t e r i z e db yt h e x r a yd i f f r a c t i o n , p h o t o l u m i n e s c e n c ee x c i t i a t i o ns p e c t r aa n dp h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r a aw h i t el e d w h i c hp a c k a g e db yt h i sc e ：y a gc e r a m i cp h o s p h o rs h o w e db e t t e rp e r f o r m a n c ei n s t a b i l i t ya n dl i f e t i m et h a np a c k a g e db yt r a d i t i o n a lw a yi nt h es a m ec o n d i t i o n t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec e r a m i cp h o s p h o ri sav e r ys u i t a b l em a t e r i a lf o rp o w e r w h i t e l e d p a c k a g i n g t h i r d l y , t h es i o z y a g ：c e 3 + g l a s sp h o s p h o r w a ss u c c e s s f u l l yp r e p a r e db y s o l g e lm e t h o dw i t hi t sc o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e sh a sb e e nt e s t e d a w h i t el e df a b r i c a t e db ys i o z - y a g ：c e 3 + p h o s p h o rw a sc o m p a r e db yt r a d i t i o n a l e p o x yr e s i nw h i t el e d a l lt h ec h a r a c t e r i z a t i o ni n d i c a t e dt h a ts i 0 2 y a g ：c e 3 + i s p r o m i s i n ga sap o t e n t i a lp h o s p h o rw i t h o u te p o x yr e s i ni nw h i t el e da p p l i c a t i o n f o u r t h l y , t h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mo fw h i t el e d s w e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a lp a c k a g et e c h n o l o g yw a sa n a l y z e d t h ep o w e rl e d h 华南师范大学硕上学位论文a b s t r a c t j u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c ea n di t si m p a c tw e r er e s e a r c h e d t h ed i s s e r t a t i o nw a sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fn e w p h o s p h o rm a t e r i a l sa n d t e c h n o l o g yi nh i g h p o w e rw h i t el e dp a c k a g e ，w h i c hp u r p o s et oe x p l o r et h en e w p a c k a g i n gm e t h o do fw h i t el e d w i t hh i g he f f i d e n c ya n dh i g hs t a b i l i t y t h i sh a sa c e r t a i np r a c t i c a lo fs i g n i f i c a n c ei no v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lw h i t e l e d p a c k a g i n gt e c h n o l o g ya n dp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fw h i t el e d k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g ，w h i t el e d s ，p a c k a g i n g ，p h o s p h o r i i i 华南师范大学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1j 子ij 言1 1 2l e d 产业发展与市场应用。1 1 3l e d 封装概述5 1 4 白光l e d 原理及结构1 0 1 5 本文研究的主要内容及创新点1 2 第二章白光l e d 封装用新型玻璃陶瓷荧光材料进展研究1 3 2 1引言1 3 2 2 制备及封装方法1 3 2 3 陶瓷荧光体的材料体系1 4 2 4 荧光量子效率研究1 5 2 5 光谱剪裁特性1 7 2 6 耐湿热性能1 8 2 7 赛隆陶瓷荧光粉2 0 2 8 小结2 1 第三章c e ：y a g 陶瓷荧光体封装白光l e d 的性能研究2 2 3 1引言2 2 3 2 传统荧光粉灌封工艺及弊端2 2 3 3 陶瓷荧光体的制备。2 4 3 4白光l e d 的封装及测试2 4 3 5 陶瓷荧光体的相的表征2 5 3 6 陶瓷荧光体及其封装白光l e d 的发光性质一2 6 3 7 陶瓷荧光体封装白光l e d 的稳定性2 8 3 8小结3 0 第四章s i 0 2 y a g ：c e a + 玻璃荧光体的制备及其白光l e d 的封装3 1 4 1 引言3 1 4 2 实验过程及测试平台3 2 华南师范大学硕上学位论文 目录 4 3 正硅酸乙酯的水解与缩聚反应3 2 4 4 乙烯基改性s i 0 2 凝胶玻璃的组成与结构3 3 4 5s i 0 2 y a g ：c e 3 + 玻璃荧光体的相的表征3 4 4 6s i 0 2 y a g ：c e 3 + 玻璃荧光体的光学性质3 5 4 7白光l e d 的封装效果分析3 6 4 8小结3 8 第五章功率型l e d 封装结温及热阻的计算与测量3 9 5 1 引言3 9 5 2l e d 热的产生、传导和疏散。3 9 5 3l e d 热阻的计算4 0 5 4l e d 热阻测量试验4 1 5 5 结果与分析4 3 5 6l e d 结温对光电性能的影响。4 5 5 7 降低l e d 结温与热阻的途径4 6 5 8小结4 7 总结4 8 参考文献4 9 硕士期间取得的研究成果。5 3 1 改谢! ；z 1 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人工照明始于5 0 万年以前，自原始人类开始学会使用火以来，火焰就成为照 明光源的主要形式。虽然人类文明的发展也促进了照明光源形式的进步，先后出 现了各式人工照明灯具，但其发光光源一直采用燃烧火焰。直到1 9 世纪末，爱迪 生发明了白炽灯，人类才逐渐开始告别使用火焰照明的历史，进入人工照明新的 历史阶段。随着工业技术革命的进步，在2 0 世纪初又出现了气体放电灯( 荧光灯) 等新一代照明光源。随着1 9 6 2 年g a ( a m 一。p ，) 发光二极管( l e d ) 的研制成功， 标志着以半导体照明为代表的第四代人工照明光源的出现。 1 9 9 3 年日本同亚化学公司首先在蓝光g a n 发光二极管上取得技术突破，并 于1 9 9 6 年采用光转换技术实现了白光l e d 。l e d 以其较之于传统照明光源所没 有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗 震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前 世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。虽然半导体照明事业才刚刚起步， 照明用l e d 还有很多问题要解决，但是，随着化合物半导体技术的迅猛突破和 封装技术的不断提高，l e d 在照明领域的应用开始形成并逐步扩大，半导体l e d 固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。 半导体照明产业链由衬底制备、外延生长、芯片制造、l e d 封装和照明应用 等环节组成。l e d 封装处在产业链的中下游，担负着承前启后、上下沟通的重任， 既要将上游提供的芯片的性能发挥到极致，又要配合下游照明应用的需要封装出 最合适的产品，还要充当产业链中信息沟通和反馈的角色。封装技术对l e d 性 能的好坏、可靠性的高低，起着至关重要的作用。l e d 要想作为光源进入照明领 域，必须比传统光源有更高的发光效率、更好的光学特性、更长的使用寿命和更 低的光通量成本。照明用l e d 的封装有别于传统l e d ，必须采用更高更新的封装 技术和可靠性控制手段，才能制造出符合照明应用要求的l e d 光源，使其顺利 进入照明领域。 1 2 l e d 产业发展与市场应用 华南师范大学硕t 学位论文第一章绪论 1 2 1 国内外产业发展 随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度l e d 器件的 需求是巨大的。用l e d 固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统照明光源己成为本世纪 的未来发展目标。白光l e d 照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略 和环保战略，因此受到各个国家、地区的重视和大力支持。日本、美国、欧盟、 韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，并投入巨资进行研发，如表1 1 、 1 2 所示。 表1 1 各地区、国家l e d 光源计划之比较 1 日客，地i l 本戈嘲欧船台湾巾婀 妒案计划 2 1i 吨纪照 下代照 彩虹计划( i 光照明光 巾固稠家f 导体照明 明计划明计划 i 1 5 l 舭焊料擎 i ：程 计划 时m 段1 9 9 8 2 0 2 02 0 0 弘2 0 2 02 0 0 0 - 2 0 0 2 2 0 0 52 0 0 3 2 0 2 0 发光效摩l z m n 婀，2 0 0 l 删4 0 1 0 0 1 m w ( 2 0 1 0 ) i m ，w ( 2 5 ) 1 6 0 2 0 0 1 m w ( 2 0 2 0 ) 表1 2 美国半导体照明发展蓝图 照明用照明用照明用照明用 技术指标 门炽幻荧光灯 l e d 2 0 0 2 l e d2 0 0 7l e d2 0 1 2l e d2 0 2 0 发光效率f l m w )2 5 7 5 1 5 02 0 01 68 5 焉命( k h r ) 2 0 2 0 l o o 1 0 0l1 0 光通星( 1 m l a m p ) 2 52 0 0 1 ，0 0 01 ，5 0 0 1 2 0 0 3 ，4 0 0 输入功率 ( w l a m p ) 12 76 77 57 54 0 每干流明成奉 ( $ k l m ) 2 0 02 0 5 20 41 5 帆灯成奉 54 8 0 9 5 7 5 u f 渗透们 低光通最 门炽灯 厌光灯 所仃照 照州巾场要求领域巾场巾场明领域 美国在“下一代照明计划中宣称，将在2 0 2 0 年达到发光效率2 0 0 1 m w 的 目标，主要投入的l e d 厂商有l u m i l e d s 、c r e e 、a g l l e n t ，g e l o r e 等国际大企业。 欧盟各国在2 0 0 0 年启动“彩虹计划 ，希望通过应用半导体照明实现高效、节能、 不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。目前已经有很多公司介入，最大的 l e d 生产制造商o s r a m 是目前世界l e d 最大供应商。 日本规划的“2 1 世纪照明计划预期要在2 0 1 0 年之后达成发光效率1 2 0 1 m w 的目标，并预计到2 0 1 0 年白色l e d 在照明市场普及率将达1 3 ，知名的l e d 厂 2 华南师范大学硕十学位论文第一章绪论 商包括日亚化工、松下电工、丰田合成、s o n y 、佳友电工等乜1 。 台湾经济部技术处联合台湾1 0 多家上、中、下游厂商，共同提出了“自光 照明光源业界科专计划 口1 。中国大陆在科技部“8 6 3 计划支持下，在照明领 域及时启动了“国家半导体照明工程”提出了在2 0 1 0 年达到1 0 0l m w 的目标。 2 0 0 3 年6 月国家紧急启动半导体照明工程，确立了“近期解决特殊照明市场急 需的产业化关键技术、中远期培育白光普通照明产业 的发展目标h 1 。2 0 0 9 年2 月底，国家启动“十城万盏 计划重大部署，总体目标是：到2 0 1 0 年，在1 0 2 1 个城市推广4 0 万盏以上半导体市政照明灯具，实现年节电6 0 0 0 万千瓦时， 累计节电1 亿千瓦时以上，半导体市政照明灯具产业规模达到8 0 亿元，带动半 导体照明相关产业产值超过1 0 0 0 亿元。 1 2 2 市场应用前景 最近几年在l e d 封装技术上的突破和材料加工技术的实用化，连带创造了 很多应用商品，从图1 1 可以看出其应用的热点主要包括以下几个方面哺1 ： 1 ) 显示屏：各种广告牌、金融和交通指示牌等。 2 ) 照明：装饰照明，商业照明、景观照明等。 3 ) 交通信号灯：包括交通指示灯、信号灯、标识灯。 4 ) 汽车用灯：包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读 灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。 5 ) 背光源：主要是移动电话、液晶l c d 显示器上用的背光源。 6 ) 其他应用：包括工艺品市场和特殊工作照明和军事运用。 图1 1l e d 的应用场合 3 华南师范大学硕十学位论文第一章绪论 2 0 0 6 年l e d 封装产量达到6 6 0 亿个，增长速度达到2 0 ，产值达到1 4 8 亿元。 2 0 0 7 年产量达到8 2 0 亿个，增长速度达到2 4 2 4 ，产值1 6 8 亿元，2 0 0 8 年我国 l e d 封装产值达到1 8 5 亿元，较2 0 0 7 年的1 6 8 亿元增长1 0 ；产量则由2 0 0 7 年 的8 2 0 亿只增加1 5 ，达到9 4 0 亿只，其中高亮l e d 产值达到1 4 0 亿元，占l e d 总销售额的7 6 。经历了多年的发展以后，中国l e d 封装产业已经进入了平稳发 展阶段。未来随着经济的复苏及2 0 1 0 年世博会的召开，l e d 下游应用市场需求 的增加，预计2 0 0 9 - 2 0 1 2 年中国l e d 封装产量年均复合增长率将达到1 8 3 ，产 值增长率将达到1 1 3 。各下游产业应用份额见图1 2 。 交透糖不幻 ：c ：c 汽车砬用1 气 图1 2 各下游产业应用份额 l e d 高端器件主要应用于l e d 显示屏、背光源、照明等领域。 ( 1 ) l e d 显示屏：应用领域广泛，行业增长快速。 进入2 l 世纪以来，l e d 显示屏产业面临良好的市场发展机遇。l e d 显示屏的 最大特点其制造不受面积限制，可达几十甚至几百平方米以上，应用于室内室 外的各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等各种信息，具有较 强的广告渲染力和震撼力。其高亮度、全彩化、便捷快速的错误侦查及l e d 亮度 的自由调节是市场的发展趋势。 ( 2 ) l e d 在背光源市场：应用渗透率迅速提高，呈爆炸式增长趋势 随着l e d n b 及t v 渗透率快速窜升，l e d 厂商在背光源的战场将从过去的小 尺寸手机市场转向中大尺寸，l e d 产业势力版图也将在未来2 到3 年进行重组。 2 0 0 8 年第4 季，笔记本电脑( n b ) 用l e d 面板市占率为1 3 4 ，较2 0 0 8 第3 季 的6 3 大幅增长一倍。2 0 0 9 年第1 季l e d n b 面板的出货渗透率，上涨2 4 1 ， 跨越2 成关卡，带动n b 用l e d 产业快速成长。 ( 3 ) l e d 在照明市场：2 0 1 5 年是l e d 与传统照明的分水岭 4 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 中国如果在2 0 1 0 年l e d 照明能够进入我国1 3 的照明市场，每年就可以节 约1 0 0 0 亿度电，相当于一个多的三峡电站发电量。因为白光l e d 的发光效率要 超过1 0 0 1 m w 以上才能进入照明市场，对目前的日光灯( 约6 0 - 1 0 0 1 m w ) 才有 取代的效果，所以各国均以达到1 0 0 1 m w 以上为目标。最近几年商业白色l e d 已取得较大进展，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高 1 0 0 。倍，并使每流明光输出的成本下降8 0 。预计2 0 1 5 年l e d 照明比重将正式超 越传统光源，并走入一般消费性市场，而2 0 2 0 年更将成长至7 5 。 1 3l e d 封装概述 1 3 1l e d 封装的一般工艺流程 l e d 是当一定电流通过时能发出一定颜色光的一种小型半导体器件。l e d 的 核心是芯片，l e d 的基本光电特性主要取决于芯片；同时，封装对l e d 的最终 性能也起着至关重要的作用。l e d 封装就是将芯片与电极引线、管座和透镜等组 件通过一定的工艺技术结合在一起，使之成为可直接使用的发光器件的过程。l e d 封装的一般工艺流程如下： 区副糍卜叫至巫卜 d 固二夏) 亟亘卜囤 图1 3l e d 封装的一般工艺流程 基于照明领域对光源的要求，照明用l e d 的封装技术必须有新的变革和发 展，其封装工艺流程有别于传统概念的l e d 。 1 3 2l e d 封装的发展过程 随着芯片性能、发光颜色、外形尺寸和安装方式的不断更新进步，以及应用 需求的不断增加，l e d 的封装技术也在不断推陈出新。图1 4 显示的是l e d 封 装形式的演变和技术进步的过程。 5 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4l e d 封装形式进程 1 3 3l e d 封装结构类型 经过4 0 多年的发展，l e d 封装经过了支架式l e d ( l a m pl e d ) 、普通贴片式( 表 面贴装) ( s m dl e d ) 、普通功率型l e d ( p o w e rl e d ) 、大功率l e d ( h i g hp o w e rl e d ) 等发展历程帅1 。 ( 1 ) 支架式l e d ( l a m pl e d ) 支架式封装，又称引脚式封装，采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先 研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度最高，一般的l e d 都采用支架式封装形式，图1 5 ( a ) 。由于这种结构的限制，热阻很大，电流也 不可能加得太高，一般都用作指示灯或装饰灯，要用于照明光源，还是需要改进。 释，警开一 ( a ) 支架型l e d 封装结构 一噻交一 6 华南师范大学硕上学位论文 第一章绪论 0 ： 觯蠼 ：锄、：芳扩； 6 孓j 篷? ，k 嘶哮 一并，f 务嘞茹 食人鱼 ( c ) 普通功率 l u m i l e d s 公司l u x e o nl e do s 洲公司g o l d e nd r a g o n c r e ex r - ec r e em c ee d i x e o na r ce d i s o ne d i s t a r ( d ) 大功率型l e d 图1 5 各类l e d 结构 ( 2 ) 表面贴片型( s m dl e d ) 普通s m dl e d 作为低功率器件被主要用于仪器仪表、指示设备和手机键盘的 照明。这类l e d 器件使用的芯片一般与支架式l e d 中的芯片类似，为0 2 5 0 2 5 m m 左右。s m dl e d 封装结构示例如图1 5 ( b ) 所示。 ( 3 ) 普通功率型l e d ( p o w e rl e d ) 功率l e d 的应用领域主要是汽车照明和装饰照明领域。这种器件既兼备小 型化的要求，又具有比普通贴片式l e d 散热性能好的特点。最早的于2 0 世纪9 0 年代初推出的“食人鱼 封装结构，并于1 9 9 4 年推出改进型“s n a pl e d ，接着 0 s r a m 公司推出“p o w e rt o pl e d ，如图1 5 ( c ) 。之后一些公司推出多种功率 l e d 的封装结构。这些结构的功率l e d 比原支架式封装的l e d 输入功率提高几倍， 热阻降为支架式的几分之一。 ( 4 ) 大功率型l e d ( h i g hp o w e rl e d ) 大功率l e d 是未来照明的核心部分。大功率型l e d 又分为单芯片和多芯片 7 华南师范大学硕上学位论文第一章绪论 型，如图1 5 ( d ) 中各种类型图示。单芯片l e d 封装最早见于是由l u m i l e d s 公司 于1 9 9 8 年推出的l u x e o nl e d ，将功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅 载体上，再装入热沉与管壳中，键合引线进行封装，这种封装对于取光效率，散 热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳。o s r a m 公司于2 0 0 3 年也推出单芯 片l e d 封装，其输入功率可达l w 。c r e e 近年所推出的x l a m p 系列在照明级l e d 上颇获好评，目前，h i g hp o w e rx l a m p 系列的包含x r - e 、x r c ，x p - e 、x p c ， 以及m c e 几种规格。m c e 则是采用4 颗高功率的多晶封装。艾笛森其e d i s t a r 系列高功率l e d ，于陶瓷基板上采用高功率多晶封装的形式。规格分别为 5 0 w i o o w ，光通量可以达到4 0 0 0 7 0 0 0 l m 。目前国内厂家积极涉足大功率型l e d 封装技术的研发和生产。 1 3 4l e d 封装最新技术及应用 ( 1 ) 共晶焊接 共晶焊技术将l e d 芯片焊接于散热基板或热沉上，然后再将l e d 芯片连同散 热基板或热沉焊接于封装器件上，这样可以增强器件散热能力，共晶焊接是目前 把晶片热导出最好的固晶方式。共晶焊接技术关键是共晶材料的选择和焊接温度 的控制。i n g a nl e d 如采用共晶焊接，芯片底表面可用纯锡或金锡合金做接触层， 这样芯片即可焊接于镀有金或银的基板上。当基板加热到合适的共晶温度时，金 或银元素渗透到纯锡或金锡合金层，合金层成分比的改变，熔点也发生变化，令 共晶层固化并将l e d 芯片焊于热沉或基板上国3 。 ( 2 ) 陶瓷基板 现阶段陶瓷基板的金属线路多以厚膜技术成型，因此以曝光微影为对位方式 的薄膜型陶瓷散热基板就变成为精准线路设计主流。在高效能、高品质要求与高 生产驱动的高功率l e d 陶瓷基板的发展趋势下，高散热效果、高精准度的薄膜工 艺陶瓷基板的选择将成为趋势。因此，可预期的薄膜陶瓷基板将逐渐应用在高功 率l e d 上，并随着高功率l e d 的快速发展而达到经济规模，进而更加速高功率 l e d 产品的量化n 们。 图1 6l e d 陶瓷基板 8 ( 4 ) a cl e d 产品 传统l e d 皆须以直流电做为驱动，因此在使用一般交流电作为电源供应的同 时，必须附带整流变压器。在a c d c 转换的过程中，其实有高达1 5 , - , - - 3 0 的电力 耗损。因此，研发可直接用a c 驱动的l e d 就成一个新的发展方向。目前台湾市 面上已有a cl e d 晶片崭露头角，如晶元，鼎元；国外为首尔半导体，国内暂无。 图1 8a cl e d 微晶粒结构与光源 ( 5 ) l e d 背光源 在未来五年内，l e d 器件的一个重要应用领域将是大尺寸液晶显示屏背光 源，尤其是大尺寸液晶电视。据报道，因l e d 背光源具有长寿命、低功耗、广 色域等优点，2 0 0 9 年7 月份出货的笔记本电脑的液晶屏背光源中，l e d 背光已 占有4 0 的份额。用于大尺寸液晶显示屏背光源的白色l e d 需具备以下性能：高 光效、低衰减、广色域、高色温稳定性n 羽。 图1 93 0 1 4 型l c d 背光源 9 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 白光l e d 原理及结构 目前，利用l e d 技术实现白光的主要方法有三种：三基色l e d 混色方法、紫 外转换的方法和蓝光芯片加黄色荧光粉的方法。 h 吣l 圃 户bln,ep e a k 、l r e d瓣镳 4 ；o j 2 ，5 凼钿 r g b i e d , i 1 j g l e d r g b n l f b lb h - i e d * y e l l o w 胁p b h 图1 1 0 自光l e d 的工作形式 ( 1 ) 三基色l e d 混色方法n 加 直接将发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起，形成多芯片型白 光l e d ，通过空间混色的原理，利用红、绿、蓝三种颜色的l e d 发出的光作为基 础，按照适当的比例进行匹配，使得三种颜色的光混合成白光，如图1 1 0 ( a ) 。 这种方法具有效率高和使用灵活的特点。由于发光全部来自l e d ，不需要进行光 谱转换，因此，能量损失最小，效率最高。但是这种方法也有自身的弱点，它的 安装结构比较复杂，各色l e d 的驱动电压、发光效率、配光特性不同，温度特性 也存在差异，且不同颜色的l e d 管随时间的推移其老化特性不同，导致光衰的差 异，因此，预先调整好的白色发光由于光衰差异造成使用过程中的变色。由于发 光全部来自发光二极管，相对成本也比较高。 ( 2 ) 紫外转换的方法n 阍 以g a n 基紫光l e d 为基础光源，用l e d 发出的紫外光激发荧光材料，通过荧 光粉实现波长的转换发出可见光。这种方法最后用于照明的光全部来自荧光材 料，要求荧光材料的激发光谱与紫光l e d 的发射光谱相匹配，这样可以获得较高 的光转换效率，采用越多颜色的荧光材料进行混合，获得的白光的显色性越好， 但是同时也增加了系统的复杂性。通常采用红、绿、蓝三种颜色的荧光材料进行 混合，如图1 1 0 ( b ) 。这种方法制备的白光l e d 具有成本低的优势，但它也存在 明显的不足，如流明效率低，由于这里采用的都是下转换，因此，必然会导致一 些能量的损失。同时，由于采用紫外光源作为激发光源，有可能产生紫外污染。 1 0 华南师范大学硕：k 学位论文第一章绪论 ( 3 ) 蓝光芯片加黄色荧光粉的方法n 7 1 利用波长为4 6 0 n m - - - - 4 7 0 n m 的g a n 基蓝光l e d 的发光作为基础光源，蓝光l e d 所发出的蓝光一部分用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄色光，一部分蓝光透过荧 光粉发射出来，荧光粉发出的黄色光与蓝光l e d 发光的透射部分混合形成白光， 如图1 1 1 所示。这种方法存在两个关键部分，一个是蓝光l e d ，一个是用荧光 材料。g a n 基蓝光l e d 的选择不仅要考虑l e d 本身的特性以外，还应兼顾荧光材 料的选择，荧光材料的选择主要有两个必须满足的条件，一个是荧光材料的激发 光谱必须与所选择的蓝光l e d 的发射光谱相匹配，另一个是荧光材料的发射光谱 与蓝光l e d 的发射光谱能够匹配实现白光。基于上述技术要求，人们选用了 y a g ：c e 3 + ( y z a i 5 0 1 2 ：c e 3 + ) 作为黄光转换材料。由于这种方法采用单颗芯片与加单种 荧光粉的结构，主要采用的y a g ：c e 3 + 荧光粉光转换效率较高，操作上较易实现， 且没有紫外成分，不会造成紫外辐射污染，是目前制作白光l e d 的主流方向。表 1 3 为几种白光l e d 实现方式的比较。 图1 1 l 蓝光芯片加黄色荧光粉实现白光示意图 表1 3 白光l e d 实现方式比较 方法芯片数激发源发光材料发光原理缺点 光转 l 蓝色l e dg a n 黄光荧光g a i n n 的蓝光与y a g 的黄光荧光粉厚度影响大， 换型粉混合电流变化时容易造成 g a l n n 红绿色g a i n n 的蓝光激发的红绿色颜色不匹配 荧光粉荧光粉混合成白光 紫外l e d g a i n n 三基色g a i n n 的紫外激发的红绿蓝受荧光粉配比影响 近紫外荧光粉 三基色荧光粉发白光大，荧光粉寿命不长 l e d g a l n n 荧光粉g a l n n 的紫外激发荧光粉直光效较低 接发白光，构成白色l e d 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 多色 2 蓝色l e dg a i n n 、g a p 将具有补色关系的2 种芯片各个l e d 的色调、亮 l e d 组黄绿色 封装在一起度受额定电压等影响 合型 l e d 不同，在电源波动或 3 蓝色l e dg a l n n 、g a a li n p将发三基色的三种芯片封温度变化时不易获得 绿色l e d装在一起，构成白色l e d稳定的白色光源，成 红色l e d本高 多个多个颜色 g a i n n 、g a p 将遍布可见光区的多种光 的单色 g a a l i n p芯片封装在一起，构成白色 l e dl e d 1 5 本文研究的主要内容及创新点 本论文对当前j g a n 基白光l e d 的各种封装形式及封装技术进行了详细的归纳 总结，对白光l e d 的各种实现方式做了比较分析，重点对大功率白光l e d 封装用新 型玻璃、陶瓷荧光材料的制备及其封装应用进行了较深入研究，探索实现高效率、 高稳定性白光l e d 封装的新材料及新技术，对克服传统白光l e d 封装工艺缺陷，促 进白光l e d 的发展具有一定的现实意义。 主要研究内容包括：针对现行的荧光粉掺入树脂的白光l e d 封装方式在耐温、 导热及抗弯曲强度等方面性能较差的缺点，通过自主创新，采用真空烧结技术制 备了c e ：y a g 荧光陶瓷材料、采用溶胶凝胶法制备了c e ：y a g 低温玻璃荧光体，对荧 光体材料进行物理化学性能的测试与分析，将采用大功率g a n 基蓝光芯片与黄色 荧光体材料相结合封装成白光l e d ，通过优化c e ：y a g 荧光体材料的制备条件和封 装工艺来实现高效率、光谱稳定的白光l e d ，并与传统封装方案的比较研究。 本文还对当前功率型l e d 的结温及热阻的计算和测量方法进行了详细的研 究，包括l e d 热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及通过实验测 量热阻并计算结温；分析了结温对l e d 光电性能的影响，并讨论了降低结温及热 阻的有效途径。 华南师范大学硕士学位论文第二章白光l e d 封装用新型玻璃陶瓷荧光材料进展研究 第二章白光l e d 封装用新型玻璃陶瓷荧光材料进展 研究 2 1 引言 以白光l e d 为主的半导体照明产业链中，l e d 封装处在产业链的中下游，既 要将上游提供的芯片性能发挥到极致，又要配合下游照明应用的需要封装出最合 适的产品因此，封装技术对l e d 性能的好坏、可靠性的高低，起着至关重要的作 用l e d 要作为光源进入照明领域，必须比传统光源有更高的发光效率、更好的 光学特性、更长的使用寿命和更高的稳定性，而传统l e d 的封装技术很难达到这 些要求。因此，为了获得性能更加稳定的白光l e d 器件，新型荧光材料的研究 引起了人们的关注。近年来，玻璃陶瓷荧光材料作为一种很有前途的发光材料， 备受研究者的青睐。由于它兼有玻璃和陶瓷的许多优点，诸如坚硬、耐热、耐潮 湿、耐腐蚀等，在结构和化学稳定性方面性能独特，用在白光l e d 封装上取得了 不错的效果。 本章对近年来，用于白光l e d 封装的玻璃陶瓷荧光材料的研究与发展进行了 归纳和总结，主要内容包括陶瓷荧光体材料体系、制备方法、荧光量子效率、光 谱特性，耐湿热性能等。此外还介绍了一种目前尚属前沿课题的s i a i o n 基( 赛 隆陶瓷) 光转换荧光材料。 2 2 制备及封装方法 采用陶瓷荧光体来封装l e d ，可以有效地克服传统封装工艺的弊端，如：涂 敷厚度和形状的一致性差，可重复性较差；荧光粉颗粒表面光散射，使出光效率 降低；热稳定性差等。封装示意图如图2 1 所示。 陶瓷荧光体的制备方法通常为熔体淬冷法n 引，即把高纯度的稀土离子氧化物 粉末和组成基质玻璃成分的氧化物、盐粉末混合，在高温( 1 5 0 0 。c 左右) 熔融数 小时，然后将熔融态样品倒入一定温度的模具中淬火。为了提高样品的稳定性， 还要将样品再进行退火处理，最后将样品切片，抛光。所得的荧光体为薄片状结 构，厚度和形状可精确控制，封装时直接盖在芯片上即可，因此有效解决了封装 结构一致性的问题。另外，陶瓷荧光体具有良好的散热性和机械强度，其导热率 1 3 华南师范大学硕士学位论文第二章白光l e d 封装用新型玻璃陶瓷荧光材料进展研究 为环氧树脂的1 0 倍，机械强度则为环氧树脂的1 4 倍n 钔。而折射率的不匹配也 可以通过调节玻璃基质的组成来调节。 图2 1 封装结构不恿图( a ) 传统的封装结构( b ) 采用陶瓷荧光体的封装结构 2 3 陶瓷荧光体的材料体系 一般来说，光转换材料都是由基体材料和掺杂离子( 过渡金属离子或稀土离 子) 组成，其光转换过程是指光转换材料吸收外界激发光源的能量，引起电子能 级跃迁，从而产生发射光源啪3 。而传统意义上，陶瓷可归属于硅酸盐类的材料和 制品，因为陶瓷的主要原料为取之于自然界的硅酸盐矿物( 如粘土、长石、石英 等) ，同时陶瓷材料也有许多优越的性能，如散热好，抗氧化，抗腐蚀等。至于 陶瓷荧光体，也就是光转换材料与陶瓷基质材料的固熔体，其基体材料为玻璃基 质，稀土离子( c e 3 + ，e u 3 + ，t b 3 + ，s m 3 + ，d y 3 + 等) 是以氧化物的形式与玻璃基质的 成分混合熔融而掺入的。首次关于陶瓷荧光体的报道出自2 0 0 5 年，日本电气玻 璃公司的s h u n s u k e 等人以c e 3 + 掺杂s i 0 2 - a 1 2 0 3 - y 2 0 3 硅酸盐玻璃基质，成功制备 了y a g 陶瓷荧光体船。测试表明该荧光体只有y a g 单一晶相，平均晶粒尺寸2 0 i j a n 且分布均匀。用以封装蓝光l e d 芯片，在4 6 5 n m 的蓝光激发下，产生5 4 0 n m 的黄 光，两者组合形成白光。经高温老化与湿热老化处理，光强及色坐标均无明显变 化，大大提高了白光l e d