LED封装技术及荧光粉在封装中的应用

LED封装是将外引线连接到LED芯片的电极上，以便于与其他器件连接。它不仅将用导线将芯片上的电极连接到封装外壳上实现芯片与外部电路的连接，而且将芯片固定和密封起来，以保护芯片电路不受水、空气等物质的侵蚀而造成电气性能降低。另外，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。

图1为InGaN芯片和YAG:Ce荧光粉的荧光光谱，其中左边带斜线阴影部分为InGaN芯片的发射光谱，左边淡灰色阴影为YAG:Ce的激发光谱；右边为在460nm激发下的发射光谱。从图中可以看出，InGaN芯片的发射光谱和YAG:Ce的激发光谱重合的非常好，这样就使YAG:Ce处于最有效的激发条件下，从而使YAG:Ce的发光效率最高。当YAG:Ce的激发主峰向左或向右偏移InGaN芯片的发射峰时，都大幅降低两者的重叠程度，从而导致封装后LED 的光效显著降低。

图1 InGaN芯片和YAG:Ce荧光光谱          图2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐标

图2是不同YAG:Ce荧光粉添加量的LED色坐标，其中1点为InGaN蓝光芯片的色坐标，7点为YAG:Ce荧光粉的色坐标，2点到6点是将YAG:Ce荧光粉薄层置于玻璃上用LED芯片激发所测得的色坐标，2点为添加一层YAG:Ce荧光粉，3点为添加2层YAG:Ce荧光粉，依次类推。由图可看出，适当调节YAG:Ce荧光粉的厚度即可使白光LED的色坐标在芯片色坐标与荧光粉色坐标连线上移动。另外，从图2中有一个三角形，其三个顶点坐标分别为美国国家电视标准委员会（NTSC）规定的红、绿、蓝三基色荧光粉的色坐标。在图2中还可以看到有一条黑色的弧线，这是根据黑体辐射公式计算出的在不同温度下黑体的色坐标曲线，称为黑体轨迹，它是衡量白光LED色温的重要依据。

图3 用荧光粉调制白光LED的色温

图3为用荧光粉调制白光LED 的色温，图3左边标出了InGaN芯片色坐标和一系列不同YAG:Ce色坐标之间的连线和4500K~10000K等相关色温线，图3右边为左图在白光区域的局部放大图。从图3中可知，当YAG:Ce的色坐标靠近绿光区域时，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐标连线与各等相关色温线的交点，随着色温的降低而偏离黑体轨迹逐渐增大。这表明偏绿光的YAG:Ce不适合于封装中低色温的白光LED，因为如果封装中低色温的白光LED将会使白光LED的色坐标在黑体轨迹上方偏离较大，这样显色性差，会从而超出国际电工委员会（IEC）规定的允许误差范围内。同理，当YAG:Ce的色坐标靠近橙光区域时，它不适合用于封装高色温的白光LED，这样封装出的白光LED的色坐标同样会在黑体轨迹下方偏离较大。因此，需要根据所需封装的白光LED色温相应地选取适当色坐标的荧光粉，通过调节荧光粉的使用量来使封装后白光LED的色坐标尽量靠近黑体轨迹，使其符合国际电工委员会规定的标准。

上面只给出了YAG:Ce匹配450nm的蓝光LED芯片的情况，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。