熒光粉物理特性對(duì)于白光LED光輸出冷熱比的影響

1、引言

白光LED（WLED）是新一代固態(tài)綠色光源，具有節(jié)能環(huán)保、小體積、高光效、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。

目前WLED以PC／MC方式實(shí)現(xiàn)白光的路徑有三條：1）藍(lán)光LED芯片＋黃色熒光粉；2）紫光LED芯片＋紅＋綠＋藍(lán)三基色熒光粉；3）藍(lán)光LED芯片＋綠光LED芯片＋紅光LED芯片。實(shí)現(xiàn)白光的三種途徑中，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的途徑是藍(lán)光LED芯片涂覆黃色熒光粉，使用該途徑的WLED的光效高達(dá)250lm／W。隨著照明終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈以及照明燈具的散熱環(huán)境越來(lái)越差，LED光源要具有更好的熱的特性才能滿足市場(chǎng)的需求。LED光源的熱的特性通常采用光輸出冷熱比表征。WLED的光輸出冷熱比，即LED光源高溫時(shí)的光電參數(shù)（光通量）與常溫時(shí)光電參數(shù)（光通量）的比值，采用此指標(biāo)可以驗(yàn)證LED光源熱穩(wěn)定性能的優(yōu)劣。

在WLED光源中，熒光粉對(duì)白光的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。熒光粉一般為無(wú)機(jī)發(fā)光材料，具有有序排列的晶體結(jié)構(gòu)，其物化性能的穩(wěn)定性與以下因素有關(guān)：材質(zhì)體系、離散系數(shù)、粉膠相容度、粉體形貌。WLED光輸出冷熱比的影響因素與WLED器件材料有關(guān)，熒光材料是前述器件中的關(guān)鍵材料。熒光粉的物理特性（材質(zhì)體系、離散系數(shù)、粉膠相容度、粉體形貌）對(duì)WLED光輸出冷熱比影響的研究未有相關(guān)報(bào)道，同時(shí)解決LED光源熱的特性的問(wèn)題也顯得至關(guān)重要，因此探討熒光粉物理特性與WLED光輸出冷熱比的關(guān)系具有實(shí)用意義，同時(shí)對(duì)后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

2、實(shí)驗(yàn)部分

本文采用SMD 2835的封裝形式，藍(lán)光芯片，發(fā)射波段在450－455nm，每個(gè)LED光源有3顆串聯(lián)的LED芯片，熒光粉方案由YAG黃色熒光材料、氮化物紅色熒光材料和Ga－YAG／LuAG黃綠色熒光材料構(gòu)成。每組實(shí)驗(yàn)只改變黃綠粉的類型而固定膠水用量和另外兩種熒光粉含量，并且每個(gè)LED光源具有相同的點(diǎn)膠量。黃色、紅色和黃綠色3種熒光粉和膠水的配比為黃色∶紅色∶黃綠色∶膠水＝0．50∶0．15∶1．5∶1，選取5個(gè)相同熒光粉配比的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為脈沖電流100 mA，測(cè)試溫度點(diǎn)為25℃，50℃，75℃，85℃，95℃，105℃，取光通量的平均值。粉體參數(shù)測(cè)試設(shè)備：粒徑采用激光粒度分析儀測(cè)試，熱淬滅性能、激發(fā)發(fā)射光譜采用Fluoromax－4測(cè)試；顆粒SEM形貌采用掃描電子顯微鏡測(cè)試；封裝設(shè)備：ASM固晶機(jī)，ASM焊線機(jī)，真空脫泡機(jī)，武藏點(diǎn)膠機(jī)。封裝成品光電參數(shù)測(cè)試設(shè)備：遠(yuǎn)方積分球測(cè)試儀。

3、結(jié)果與討論

熒光粉一般為無(wú)機(jī)材料，根據(jù)其基質(zhì)分類，常用的體系有鋁酸鹽、氮化物／氮氧化物、硅酸鹽、氟化物等。圖1．1為不同體系熒光粉的熱淬滅性能，可以看出幾種體系的粉體中鋁酸鹽的熱穩(wěn)定性最好，氟化物和硅酸鹽的熱穩(wěn)定性較差，氮化物的熱穩(wěn)定性比鋁酸鹽差但優(yōu)于氟化物和硅酸鹽。

圖1．1 不同體系熒光粉的熱淬滅性能

Fig．1．1 The heat quenching properties of different system fluorescent powder

因此本文以鋁酸鹽體系作為研究對(duì)象。鋁酸鹽體系的典型代表為YAG，其化學(xué)式為Y3Al5O12：Ce，晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，晶格常數(shù)為1．2002nm，YAG的晶體結(jié)構(gòu)如圖1．2所示。從晶體結(jié)構(gòu)可以看出，在Y、Al和O組成的空間中存在三種多面體，分別為：十二面體（圖1．2a）、八面體（圖1．2b）、四面體（圖1．2c），其中氧原子的配位數(shù)分別為（Y33＋）八配位、（Al23＋）六配位、（Al33＋）四配位。

圖1．2YAG的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig．1．2 The schematic of YAG crystal structure