LED封装技术及荧光粉在封装中的应用

　　1. LED封装技术

　　根据不同的应用需要，LED的芯片可通过多种封装方式做成不同结构和外观的器件，生产出各种色温、显色指数、品种和规格的LED产品。按封装是否带有引脚，LED可分为引脚式封装和表面贴装封装两种类型。常规小功率LED的封装形式主要有：直插式DIP LED、表面贴装式SMD LED、食人鱼Piranha LED和PCB集成化封装[1]。功率型LED是未来半导体照明的核心，其封装是人们目前研究的热点。下面就几种主要的封装形式进行说明：

　　(1)引脚式封装 采用引线架作为各种封装外型的引脚。圆头插脚式LED是常用的封装形式。这种封装常用环氧树脂或硅树脂作为包封材料，芯片约90%的热量由引线架传递到印刷电路板(PCB)上，再散发到周围空气中[2]。环氧树脂的直径有7mm、5mm、4mm、3mm和2mm等规格。发光角(2θ1/2)的范围可达18~120°。

　　(2)表面贴装封装 它是继引脚式封装之后出现的一种重要封装形式。它通常采用塑料带引线片式载体(Plastic Leaded Chip Carrier，PLCC)，将LED芯片放在顶部凹槽处，底部封以金属片状引脚。LED采用表面贴装封装，较好地解决了亮度，视角，平整度，一致性和可靠性等问题，是目前LED封装技术的一个重要发展方向。

　　(3)功率型LED封装 功率型LED分普通功率LED(小于1W)和瓦级功率LED(1W及以上)两种。其中，瓦级功率LED是未来照明的核心。单芯片瓦级功率LED最先是由美国Lumileds公司于1998年生产的LUXEON LED，这种封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片(Flip Chip)用硅载体焊在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料[3]。

　　2. 荧光粉

　　目前白光LED主要通过三种型式实现：1) 采用红、绿、蓝三色LED组合发光，即多芯片白光LED;2) 采用蓝光LED芯片和黄色荧光粉，由蓝光和黄光两色互补得到白光，或用蓝光LED芯片配合红色和绿色荧光粉，由芯片发出的蓝光、荧光粉发出的红光和绿光三色混合获得白光;3) 利用紫外LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉得到白光。后两种方式获得的白光LED都需要用到荧光粉，称为荧光粉转换LED(phosphor converted Light Emitting Diode，pc-LED)，它与多芯片白光LED相比在控制电路、生产成本、散热等方面具有优势，在目前的LED产品市场上占主导地位。

　　荧光粉已经成为半导体照明技术中的关键材料之一，它的特性直接决定了荧光粉转换LED的亮度、 显色指数、色温及流明效率等性能。目前的黄色荧光粉主要有铈激活钇铝石榴石(Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce)和铕激活碱土金属硅酸盐;红色荧光粉主要有：Ca1-xSrxS:Eu2+、YVO4:Bi3+,Eu3+和M2Si5N8:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等;绿色荧光粉主要有：SrGa2S4:Eu2+、Ba2SiO4:Eu2+和SrSi2N2O2:Eu2+等;蓝色荧光粉主要有：BaMg2Al16O27:Eu2+、Sr5(PO4)Cl:Eu2+、Ba5SiO4Cl6:Eu2+和LiSrPO4:Eu2+ [4]等。

　　3. 荧光粉在封装中的应用

　　封装之前除了需确定封装结构外，还需选择好芯片和荧光粉。对于高色温的冷白光LED通常选用InGaN芯片配合YAG:Ce黄色荧光粉，获得低色温的暖白光LED需要在此基础上添加红色荧光粉或采用紫外芯片配合三基色荧光粉。LED芯片和荧光粉之间存在一个匹配的问题，只有当LED芯片的发射峰与荧光粉的激发峰最大程度地重叠时，才能最大限度地发挥LED芯片和荧光粉的效率。

　　图1为InGaN芯片和YAG:Ce荧光粉的荧光光谱[5]，其中左边带斜线阴影部分为InGaN芯片的发射光谱，左边淡灰色阴影为YAG:Ce的激发光谱;右边为在460nm激发下的发射光谱。从图中可以看出，InGaN芯片的发射光谱和YAG:Ce的激发光谱重合的非常好，这样就使YAG:Ce处于最有效的激发条件下，从而使YAG:Ce的发光效率最高。当YAG:Ce的激发主峰向左或向右偏移InGaN芯片的发射峰时，都大幅降低两者的重叠程度，从而导致封装后LED 的光效显著降低。

图1 InGaN芯片和YAG:Ce荧光光谱[5]

图2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐标[5]

　　图2是不同YAG:Ce荧光粉添加量的LED色坐标[5]，其中1点为InGaN蓝光芯片的色坐标，7点为YAG:Ce荧光粉的色坐标，2点到6点是将YAG:Ce荧光粉薄层置于玻璃上用LED芯片激发所测得的色坐标，2点为添加一层YAG:Ce荧光粉，3点为添加2层YAG:Ce荧光粉，依次类推。由图可看出，适当调节YAG:Ce荧光粉的厚度即可使白光LED的色坐标在芯片色坐标与荧光粉色坐标连线上移动。另外，从图2中有一个三角形，其三个顶点坐标分别为美国国家电视标准委员会(NTSC)规定的红、绿、蓝三基色荧光粉的色坐标。在图2中还可以看到有一条黑色的弧线，这是根据黑体辐射公式计算出的在不同温度下黑体的色坐标曲线，称为黑体轨迹，它是衡量白光LED色温的重要依据。

图3 用荧光粉调制白光LED的色温

　　图3为用荧光粉调制白光LED 的色温，图3中标出了InGaN芯片色坐标和一系列不同YAG:Ce色坐标之间的连线和3000K~10000K等相关色温线。从图3中可知，当YAG:Ce的色坐标靠近绿光区域时，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐标连线与各等相关色温线的交点，随着色温的降低而偏离黑体轨迹逐渐增大。这表明偏绿光的YAG:Ce不适合于封装中低色温的白光LED，因为如果封装中低色温的白光LED将会使白光LED的色坐标在黑体轨迹上方偏离较大，这样显色性差，会从而超出国际电工委员会(IEC)规定的允许误差范围内。同理，当YAG:Ce的色坐标靠近橙光区域时，它不适合用于封装高色温的白光LED，这样封装出的白光LED的色坐标同样会在黑体轨迹下方偏离较大。因此，需要根据所需封装的白光LED色温相应地选取适当色坐标的荧光粉，通过调节荧光粉的使用量来使封装后白光LED的色坐标尽量靠近黑体轨迹，使其符合国际电工委员会规定的标准。

　　上面只给出了YAG:Ce匹配460nm的蓝光LED芯片的情况，实际使用的蓝光LED芯片还有很多，发射波长一般在450nm~470nm之间。因此，我们需要针对每个发射波长的LED芯片研发一系列色坐标不同的YAG:Ce荧光粉，用于封装一系列不同色温的白光LED。对于低色温白光LED(3300K以下)，YAG:Ce由于缺乏红光成分不能满足要求，需要对其进行改进。比如通过Ce和Pr共掺杂YAG，可使封装后的白光LED显色指数(Ra)达到83左右。要获得显色指数Ra大于90的白光LED，则需添加红色荧光粉(如Sr2Si5N8:Eu2+)配合YAG:Ce使用。因此，对于高显色性低色温的暖白光LED来说，开发高效稳定的红色荧光粉是至关重要的。

　　参考文献

　　[1] LED封装[J],中国照明,2009,1:100

　　[2] 毛兴武,张艳雯,周建军,等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2008:141

　　[3] LED封装技术的比较[J],中国照明,2009,8:90

　　[4] 徐修冬,许贵真,吴占超,等.白光发光二极管用荧光粉研究进展(I)[J].中山大学学报,2007,46(5):125

　　Adrian Kitai. Luminescent Materials and Application [M]. John Wiley & Sons, England, 2008