圖文并茂：LED封裝技術(shù)及熒光粉的應用

　LED封裝是將外引線(xiàn)連接到LED芯片的電極上，以便于與其他器件連接。它不僅將用導線(xiàn)將芯片上的電極連接到封裝外殼上實(shí)現芯片與外部電路的連接，而且將芯片固定和密封起來(lái)，以保護芯片電路不受水、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)的應用安裝和運輸提供方便。因此，封裝技術(shù)對LED的性能和可靠性發(fā)揮著(zhù)重要的作用。下面對LED封裝技術(shù)、熒光粉及其在LED封裝中的應用進(jìn)行介紹。

　　1. LED封裝技術(shù)

　　根據不同的應用需要，LED的芯片可通過(guò)多種封裝方式做成不同結構和外觀(guān)的器件，生產(chǎn)出各種色溫、顯色指數、品種和規格的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(lèi)型。常規小功率LED的封裝形式主要有：直插式DIP LED、表面貼裝式SMD LED、食人魚(yú)Piranha LED和PCB集成化封裝。功率型LED是未來(lái)半導體照明的核心，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(shuō)明：

　?。?）引腳式封裝 采用引線(xiàn)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(shù)脂或硅樹(shù)脂作為包封材料，芯片約90%的熱量由引線(xiàn)架傳遞到印刷電路板（PCB）上，再散發(fā)到周?chē)諝庵?。環(huán)氧樹(shù)脂的直徑有7mm、5mm、4mm、3mm和2mm等規格。發(fā)光角（2θ1/2）的范圍可達18~120°。

　?。?）表面貼裝封裝 它是繼引腳式封裝之后出現的一種重要封裝形式。它通常采用塑料帶引線(xiàn)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(wèn)題，是目前LED封裝技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

　?。?）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(lái)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，該封裝結構的特點(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構和新材料。

　　2. 熒光粉

　　目前白光LED主要通過(guò)三種型式實(shí)現：1) 采用紅、綠、藍三色LED組合發(fā)光，即多芯片白光LED；2) 采用藍光LED芯片和黃色熒光粉，由藍光和黃光兩色互補得到白光，或用藍光LED芯片配合紅色和綠色熒光粉，由芯片發(fā)出的藍光、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(chēng)為熒光粉轉換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(chǎng)上占主導地位。

　　熒光粉已經(jīng)成為半導體照明技術(shù)中的關(guān)鍵材料之一，它的特性直接決定了熒光粉轉換LED的亮度、顯色指數、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用

　　封裝之前除了需確定封裝結構外，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(gè)匹配的問(wèn)題，只有當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(shí)，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(xiàn)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YAG:Ce的激發(fā)主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發(fā)射峰時(shí)，都大幅降低兩者的重疊程度，從而導致封裝后LED 的光效顯著(zhù)降低。

　　圖2是不同YAG:Ce熒光粉添加量的LED色坐標，其中1點(diǎn)為InGaN藍光芯片的色坐標，7點(diǎn)為YAG:Ce熒光粉的色坐標，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，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(lèi)推。由圖可看出，適當調節YAG:Ce熒光粉的厚度即可使白光LED的色坐標在芯片色坐標與熒光粉色坐標連線(xiàn)上移動(dòng)。另外，從圖2中有一個(gè)三角形，其三個(gè)頂點(diǎn)坐標分別為美國國家電視標準委員會(huì )（NTSC）規定的紅、綠、藍三基色熒光粉的色坐標。在圖2中還可以看到有一條黑色的弧線(xiàn)，這是根據黑體輻射公式計算出的在不同溫度下黑體的色坐標曲線(xiàn)，稱(chēng)為黑體軌跡，它是衡量白光LED色溫的重要依據。

　　　圖3為用熒光粉調制白光LED 的色溫，圖3左邊標出了InGaN芯片色坐標和一系列不同YAG:Ce色坐標之間的連線(xiàn)和4500K~10000K等相關(guān)色溫線(xiàn)，圖3右邊為左圖在白光區域的局部放大圖。從圖3中可知，當YAG:Ce的色坐標靠近綠光區域時(shí)，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標連線(xiàn)與各等相關(guān)色溫線(xiàn)的交點(diǎn)，隨著(zhù)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，因為如果封裝中低色溫的白光LED將會(huì )使白光LED的色坐標在黑體軌跡上方偏離較大，這樣顯色性差，會(huì )從而超出國際電工委員會(huì )（IEC）規定的允許誤差范圍內。同理，當YAG:Ce的色坐標靠近橙光區域時(shí)，它不適合用于封裝高色溫的白光LED，這樣封裝出的白光LED的色坐標同樣會(huì )在黑體軌跡下方偏離較大。因此，需要根據所需封裝的白光LED色溫相應地選取適當色坐標的熒光粉，通過(guò)調節熒光粉的使用量來(lái)使封裝后白光LED的色坐標盡量靠近黑體軌跡，使其符合國際電工委員會(huì )規定的標準。

　　上面只給出了YAG:Ce匹配450nm的藍光LED芯片的情況，實(shí)際使用的藍光LED芯片還有很多，發(fā)射波長(cháng)一般在450nm~470nm之間。因此，我們需要針對每個(gè)發(fā)射波長(cháng)的LED芯片研發(fā)一系列色坐標不同的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(mǎn)足要求，需要對其進(jìn)行改進(jìn)。比如通過(guò)Ce和Pr共摻雜YAG，可使封裝后的白光LED顯色指數（Ra）達到83左右。要獲得顯色指數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(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)高效穩定的紅色熒光粉是至關(guān)重要的。