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LED封装中荧光粉的选择与解决方案[1]

2013-8-30  来源:中国半导体照明网  有5829人阅读

白光LED因其高效、节能、寿命长、无污染、可靠性高等优点,被誉为第四代绿色照明光源。随着LED发光效率的稳步提升以及价格的不断下降,目前LED灯的光效已经可以达到150lm/W,半导体照明将逐步取代白炽灯和普通荧光灯等传统照明光源。

  白光LED因其高效、节能、寿命长、无污染、可靠性高等优点,被誉为第四代绿色照明光源。随着LED发光效率的稳步提升以及价格的不断下降,目前LED灯的光效已经可以达到150lm/W,半导体照明将逐步取代白炽灯和普通荧光灯等传统照明光源。

  白光LED的制作方式主要有两种,一种是采用红、绿、蓝三基色LED芯片封装成白光LED,另一种是利用单个LED芯片配合荧光粉。后一种方式在生产成本、散热和控制电路上具有优势,在工业上最为常用。因而,荧光粉是半导体照明的关键材料之一。目前,LED用的荧光粉主要有三大体系,即铝酸盐、硅酸盐和氮(氧)化物,其各自特性见表1。  

  一、不同体系的LED荧光粉特性

  1.铝酸盐体系主要有铈激活石榴石型荧光粉,如Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce3+),Tb3Al5O12:Ce3+(TAG:Ce3+)和Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG:Ce3+)。YAG粉和TAG粉为常用的黄粉,LuAG粉为绿粉,量子效率均大于90%,同时具有优良的化学稳定性和热稳定性。下面以YAG粉为例,对基质晶体结构、光谱特性和热稳定性进行简要介绍。

  图1为YAG的晶体结构图(立方晶系),空间群Ia-3d[1]。晶胞中存在两种位置的Al,即Al1和Al2,分别形成AlO6八面体和AlO4四面体。

  图2为YAG:Ce3+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。在激发光谱中,位于340nm和460nm左右处有两个宽带激发峰,这分别归属于Ce3+的2F5/2 (或2F7/2)→2D5/2和2F5/2 (或2F7/2)→2D3/2跃迁。发射主峰则位于530nm处,为宽带发射,对应于Ce3+的2D3/2→2F5/2和2D3/2→2F7/2辐射跃迁[2]。适用于匹配蓝光LED芯片封装白光LED。

  

  图3为YAG:Ce3+在不同温度下的发射光谱及发光强度变化[3].从图中可以看出,随着温度的升高,YAG:Ce3+的发射峰逐渐红移,且发射峰强度逐渐降低。温度为100℃时,发射峰强度降为常温下94%。超过100℃后,发射峰强度下降幅度逐渐加大,至300℃时,发射峰强度仅为常温下38%。

  

  YAG粉和LuAG粉的上位发明专利为日本日亚化学(Nichia)拥有,专利号:US 5,998,925,优先权日:1996.7.29。TAG粉的专利为德国欧司朗(OSRAM)占有,专利号:US 6,669,866,优先权日:1999.7.23。

  2.硅酸盐体系主要有M2SiO4:Eu2+和M3SiO5:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)荧光粉。前者可作为绿粉和黄粉,后者是橙色粉。这类硅酸盐荧光粉的化学稳定性和热稳定性相对要差一些。

  下面以Sr2SiO4:Eu2+和Sr3SiO5:Eu2+为例,对基质晶体结构、光谱特性和热稳定性进行介绍。

  图4为Sr2SiO4的晶体结构图(斜方晶系),空间群Pmnb[4]。晶胞中同时存在两个位置的Sr,即Sr1和Sr2,分别为8配位和7配位。

 

  图5为Sr2SiO4:Eu2+的激发光谱和发射光谱[3],激发光谱为200nm~500nm的宽带,可与紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片配合封装白光LED。发射峰为中心位于550nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。

  图6为Sr2SiO4:Eu2+在不同温度下的发光强度的变化。从图中可以看出,温度为100℃时,发射峰强度下降至常温下的73%左右。并且,当温度超过100℃后,发光强度开始迅速下降,至250℃时,其发光强度仅为常温下的8%。由此可见,其热稳定性较差。

  图7为Sr3SiO5的晶体结构图(四方晶系),空间群P4/nccS[5]。晶胞中同时存在两个位置的Sr,即Sr1和Sr2,均为6配位。  

  图8为Sr3SiO5:Eu2+的激发光谱(a)和发射光谱(b)。激发光谱覆盖350nm~500nm的范围,因而可作为紫外LED、近紫外LED和蓝光LED芯片用荧光粉。发射峰为中心位于589nm的宽带发射,归属于Eu2+的4f65d1-4f7跃迁。可与黄粉配合使用以提高白光LED的显色指数。

 

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