解析功率型白光LED封装技术发展趋势

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1996年，Nichia公司的Nakamura等首次使用蓝光LED结合黄色荧光粉转化合成了白光LED，他所采用的黄色荧光粉为Y3Al5O12:Ce3+（简称YAG:Ce3+），这种荧光粉在470nm波段附近有较强的宽带吸收，然后激发出540nm附近的黄光，LED本身发射的蓝光与荧光粉激发的黄光结合形成白光。后来，YAG:Ce3+因其转化效率高、热稳定性好以及激发波段宽等优势，成为白光的主流技术。
1.新型荧光粉的开发
YAG:Ce3+是最早被广泛应用于白光LED技术中的一种荧光粉，但是由于其发射光谱中红色成分较少，难以获得较高显色指数和低色温的白光LED;另一方面，半导体照明的持续发展推动人们开发出更高转化效率的荧光粉。早期，通过在YAG:Ce3+中加入（Ca,Sr）S:Eu2+、（Ca,Sr）Ga2S4:Eu2+红绿色荧光粉来实现高显色指数、低色温的要求，但是由于这类碱土金属硫化物物理化学性质不稳定、易潮解、挥发和具有腐蚀性等问题，不能满足LED照明产业的需求。近来，人们开发了一种热稳定性和化学稳定性优异的红色荧光粉，能完全替代碱土金属硫化物实现高显色指数、低色温白光LED,因其具有硅氮（氧）四面体结构，被称为氮氧化物，具有更高的激发效率。
当前，国外公司在LED用荧光粉方面技术成熟，且持有大部分重要专利。他们通过对荧光粉专利的把持而占领LED市场，YAG:Ce3+荧光粉的专利主要由Nichia占有[U.S.5998925],Osram则占据了Tb3Al5O12:Ce3+的荧光粉专利[U.S.6812500,6060861,65276930],TG、LWB和Tridonic持有掺Eu2+（SrBaCa）2SiO4Si:Al,B,P,Ge的专利[U.S.6809347],Intematix持有掺Eu2+（SrBaMg）2SiO4O:F,Cl,N,S的专利[U.S.20060027781,200627785,200628122].反观国内，LED用荧光粉方面的研究大多集中在科研院所，主要是对现有荧光粉材料的合成和发光等物性的研究上，而在产业化技术的开发上做的不够。
2.白光LED光学模型的建立及发展
荧光粉应用于白光LED,还需根据LED的具体需求而定，诸如荧光粉的颗粒大小等等。对荧光粉的研究主要集中在荧光粉的光学性质对白光LED封装性能的影响，例如取光效率[1-3]、颜色空间分布[4,5]以及光色质量[6,7]上面。在这些研究中，采用蒙特卡洛光线追迹的方法利用光学软件模拟LED封装结构的光学性能，将荧光粉层处理成Mie散射材料，这样能够通过光学模拟获得白光LED的激发和发射特性，但是模拟没有考虑到荧光粉具体的散射特性，缺少实验验证。Narendran[8]、Zhu[9]、Kang[10]和Z.Liu[11]则通过实验详细的研究了荧光粉的光学性质。
3.新型荧光粉涂覆方式
传统的荧光粉涂覆方式为点粉模式，即荧光粉与胶体的混合物填充到芯片支架杯碗内，然后加热固化。这种涂覆方式荧光粉量难以控制，并且由于各处激发光不同，使得白光LED容易出现黄斑或者蓝斑等光色不均匀现象。PhilipsLumileds公司提出了保形涂覆的荧光粉涂覆方式，它们在倒装LED芯片表面覆盖一层厚度一致的荧光粉膜层，提高了白光LED的光色稳定性。也有公司采用在芯片表面沉积一层荧光粉的方法来实现激发。这些涂覆方式都是将芯片与荧光粉接触。H.Luo等研究者的光学模拟结果表明，这种荧光粉与芯片接触的近场激发方法，增加了激发光的背散射损耗，降低了器件的取光效率[1].澳大利亚的Sommer采用数值模拟的方法模拟PhilipsLumileds的荧光粉保形涂覆结构，结果显示这种涂覆方法并不能提供更好的角度均匀性[4].随着对白光LED光学模拟的深入，荧光粉远场激发的方案显示了更多的优越性。
4.大电流注入及散热结构
为了满足通用照明高光通量的需求，人们提高了单颗芯片的驱动功率，以往1W的大功率芯片被注入到3W、5W,甚至更高。这使得白光LED的热问题越来越严重，人们采用各种散热技术，如热管、微热管[12]、水冷、风冷等方法对LED实施散热。