封装还可以提高LED芯片的出光效率,并为下游产业的应用安装和运输提供方便。因此,封装技术对LED的性能和可靠性发挥着重要的作用。下面对LED封装技术、荧光粉及其在LED封装中的应用进行介绍。
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。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。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最早是由Lumileds公司在1998年推出的LUXEON LED,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片(Flip Chip)用硅载体直接焊在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料。
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+、M2SiO4:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)和MSi2N2O2:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等;蓝色荧光粉主要有:BaMg2Al16O27:Eu2+、Sr5(PO4)Cl:Eu2+、Ba5SiO4Cl6:Eu2+和LiSrPO4:Eu2+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。
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。