LED封裝技術(shù)及熒光粉在封裝中的應(yīng)用

LED封裝是將外引線連接到LED芯片的電極上，以便于與其他器件連接。它不僅將用導(dǎo)線將芯片上的電極連接到封裝外殼上實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的連接，而且將芯片固定和密封起來，以保護(hù)芯片電路不受水、空氣等物質(zhì)的侵蝕而造成電氣性能降低。另外，封裝還可以提高LED芯片的出光效率，并為下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用安裝和運(yùn)輸提供方便。因此，封裝技術(shù)對LED的性能和可靠性發(fā)揮著重要的作用。下面對LED封裝技術(shù)、熒光粉及其在LED封裝中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1.  LED封裝技術(shù)

根據(jù)不同的應(yīng)用需要，LED的芯片可通過多種封裝方式做成不同結(jié)構(gòu)和外觀的器件，生產(chǎn)出各種色溫、顯色指數(shù)、品種和規(guī)格的LED產(chǎn)品。按封裝是否帶有引腳，LED可分為引腳式封裝和表面貼裝封裝兩種類型。常規(guī)小功率LED的封裝形式主要有：直插式DIP LED、表面貼裝式SMD LED、食人魚Piranha LED和PCB集成化封裝。功率型LED是未來半導(dǎo)體照明的核心，其封裝是人們目前研究的熱點(diǎn)。下面就幾種主要的封裝形式進(jìn)行說明：

（1）引腳式封裝  采用引線架作為各種封裝外型的引腳。圓頭插腳式LED是常用的封裝形式。這種封裝常用環(huán)氧樹脂或硅樹脂作為包封材料，芯片約90%的熱量由引線架傳遞到印刷電路板（PCB）上，再散發(fā)到周圍空氣中。環(huán)氧樹脂的直徑有7mm、5mm、4mm、3mm和2mm等規(guī)格。發(fā)光角（2θ1/2）的范圍可達(dá)18~120°。

（2）表面貼裝封裝  它是繼引腳式封裝之后出現(xiàn)的一種重要封裝形式。它通常采用塑料帶引線片式載體（Plastic Leaded Chip Carrier，PLCC），將LED芯片放在頂部凹槽處，底部封以金屬片狀引腳。LED采用表面貼裝封裝，較好地解決了亮度，視角，平整度，一致性和可靠性等問題，是目前LED封裝技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

（3）功率型LED封裝  功率型LED分普通功率LED（小于1W）和瓦級功率LED（1W及以上）兩種。其中，瓦級功率LED是未來照明的核心。單芯片瓦級功率LED最早是由Lumileds公司在1998年推出的LUXEON LED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片（Flip Chip）用硅載體直接焊在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料。

2.  熒光粉

目前白光LED主要通過三種型式實(shí)現(xiàn)：1) 采用紅、綠、藍(lán)三色LED組合發(fā)光，即多芯片白光LED；2) 采用藍(lán)光LED芯片和黃色熒光粉，由藍(lán)光和黃光兩色互補(bǔ)得到白光，或用藍(lán)光LED芯片配合紅色和綠色熒光粉，由芯片發(fā)出的藍(lán)光、熒光粉發(fā)出的紅光和綠光三色混合獲得白光；3) 利用紫外LED芯片發(fā)出的近紫外光激發(fā)三基色熒光粉得到白光。后兩種方式獲得的白光LED都需要用到熒光粉，稱為熒光粉轉(zhuǎn)換LED（phosphor converted Light Emitting Diode，pc-LED），它與多芯片白光LED相比在控制電路、生產(chǎn)成本、散熱等方面具有優(yōu)勢，在目前的LED產(chǎn)品市場上占主導(dǎo)地位。

熒光粉已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明技術(shù)中的關(guān)鍵材料之一，它的特性直接決定了熒光粉轉(zhuǎn)換LED的亮度、顯色指數(shù)、色溫及流明效率等性能。目前的黃色熒光粉主要有鈰激活釔鋁石榴石（Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce）和銪激活堿土金屬硅酸鹽；紅色熒光粉主要有：Ca1-xSrxS:Eu2+、YVO4:Bi3+,Eu3+和M2Si5N8:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等；綠色熒光粉主要有：SrGa2S4:Eu2+、M2SiO4:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)和MSi2N2O2:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等；藍(lán)色熒光粉主要有：BaMg2Al16O27:Eu2+、Sr5(PO4)Cl:Eu2+、Ba5SiO4Cl6:Eu2+和LiSrPO4:Eu2+等。

3.  熒光粉在封裝中的應(yīng)用

封裝之前除了需確定封裝結(jié)構(gòu)外，還需選擇好芯片和熒光粉。對于高色溫的冷白光LED通常選用InGaN芯片配合YAG:Ce黃色熒光粉，獲得低色溫的暖白光LED需要在此基礎(chǔ)上添加紅色熒光粉或采用紫外芯片配合三基色熒光粉。LED芯片和熒光粉之間存在一個匹配的問題，只有當(dāng)LED芯片的發(fā)射峰與熒光粉的激發(fā)峰最大程度地重疊時，才能最大限度地發(fā)揮LED芯片和熒光粉的效率。

圖1為InGaN芯片和YAG:Ce熒光粉的熒光光譜，其中左邊帶斜線陰影部分為InGaN芯片的發(fā)射光譜，左邊淡灰色陰影為YAG:Ce的激發(fā)光譜；右邊為在460nm激發(fā)下的發(fā)射光譜。從圖中可以看出，InGaN芯片的發(fā)射光譜和YAG:Ce的激發(fā)光譜重合的非常好，這樣就使YAG:Ce處于最有效的激發(fā)條件下，從而使YAG:Ce的發(fā)光效率最高。當(dāng)YAG:Ce的激發(fā)主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發(fā)射峰時，都大幅降低兩者的重疊程度，從而導(dǎo)致封裝后LED 的光效顯著降低。

圖1 InGaN芯片和YAG:Ce熒光光譜          圖2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐標(biāo)

圖2是不同YAG:Ce熒光粉添加量的LED色坐標(biāo)，其中1點(diǎn)為InGaN藍(lán)光芯片的色坐標(biāo)，7點(diǎn)為YAG:Ce熒光粉的色坐標(biāo)，2點(diǎn)到6點(diǎn)是將YAG:Ce熒光粉薄層置于玻璃上用LED芯片激發(fā)所測得的色坐標(biāo)，2點(diǎn)為添加一層YAG:Ce熒光粉，3點(diǎn)為添加2層YAG:Ce熒光粉，依次類推。由圖可看出，適當(dāng)調(diào)節(jié)YAG:Ce熒光粉的厚度即可使白光LED的色坐標(biāo)在芯片色坐標(biāo)與熒光粉色坐標(biāo)連線上移動。另外，從圖2中有一個三角形，其三個頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會（NTSC）規(guī)定的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的色坐標(biāo)。在圖2中還可以看到有一條黑色的弧線，這是根據(jù)黑體輻射公式計(jì)算出的在不同溫度下黑體的色坐標(biāo)曲線，稱為黑體軌跡，它是衡量白光LED色溫的重要依據(jù)。

圖3 用熒光粉調(diào)制白光LED的色溫

圖3為用熒光粉調(diào)制白光LED 的色溫，圖3左邊標(biāo)出了InGaN芯片色坐標(biāo)和一系列不同YAG:Ce色坐標(biāo)之間的連線和4500K~10000K等相關(guān)色溫線，圖3右邊為左圖在白光區(qū)域的局部放大圖。從圖3中可知，當(dāng)YAG:Ce的色坐標(biāo)靠近綠光區(qū)域時，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標(biāo)連線與各等相關(guān)色溫線的交點(diǎn)，隨著色溫的降低而偏離黑體軌跡逐漸增大。這表明偏綠光的YAG:Ce不適合于封裝中低色溫的白光LED，因?yàn)槿绻庋b中低色溫的白光LED將會使白光LED的色坐標(biāo)在黑體軌跡上方偏離較大，這樣顯色性差，會從而超出國際電工委員會（IEC）規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)。同理，當(dāng)YAG:Ce的色坐標(biāo)靠近橙光區(qū)域時，它不適合用于封裝高色溫的白光LED，這樣封裝出的白光LED的色坐標(biāo)同樣會在黑體軌跡下方偏離較大。因此，需要根據(jù)所需封裝的白光LED色溫相應(yīng)地選取適當(dāng)色坐標(biāo)的熒光粉，通過調(diào)節(jié)熒光粉的使用量來使封裝后白光LED的色坐標(biāo)盡量靠近黑體軌跡，使其符合國際電工委員會規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

上面只給出了YAG:Ce匹配450nm的藍(lán)光LED芯片的情況，實(shí)際使用的藍(lán)光LED芯片還有很多，發(fā)射波長一般在450nm~470nm之間。因此，我們需要針對每個發(fā)射波長的LED芯片研發(fā)一系列色坐標(biāo)不同的YAG:Ce熒光粉，用于封裝一系列不同色溫的白光LED。對于低色溫白光LED（3300K以下），YAG:Ce由于缺乏紅光成分不能滿足要求，需要對其進(jìn)行改進(jìn)。比如通過Ce和Pr共摻雜YAG，可使封裝后的白光LED顯色指數(shù)（Ra）達(dá)到83左右。要獲得顯色指數(shù)Ra大于90的白光LED，則需添加紅色熒光粉（如Sr2Si5N8:Eu2+）配合YAG:Ce使用。因此，對于高顯色性低色溫的暖白光LED來說，開發(fā)高效穩(wěn)定的紅色熒光粉是至關(guān)重要的。