芯片与荧光粉波长匹配的控制对LED亮度的影响-(赵强)

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芯片与荧光粉波长匹配的控制对LED亮度的影响

-----赵强-----

摘要：LED白光的发光机理包括了光致发光和电致发光两个部分，后道的封装工艺及材料的搭配主要影响着其中的光致发光部分。在材料搭配过程中，芯片的波段与荧光粉的最佳匹配影响着LED白光的光质量。本文试验分析了芯片波长对LED白光亮度的影响极其控制。

关键字：芯片，荧光粉，波长，亮度…

一、引言

物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光，另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态（非稳定态）在反回到基态的过程中，以光的形式放出能量。以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类，即稀土荧光粉。稀土元素原子具有丰富的电子能级，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能。稀土是一个巨大的发光材料宝库，在人类开发的各种发光材料中，稀土元素发挥着非常重要的作用。

根据激发源的不同，稀土发光材料可分为光致发光（以紫外光或可见光激发）、阴极射线发光（以电子束激发）、X射线发光（以X射线激发）以及电致发光（以电场激发）材料等。

LED白光发光机理包括了两部分：

光致发光（Photoluminescence）：以光能作为激发源，以光子激发产生光子。

电致发光（Electroluminescence）：以电能作激发源。用电子激发产生光子。

二、LED发光效率的提高跟荧光粉的发光原理

发光效率是光源把消耗的能量转换为视觉的能力。一般白光LED提高发光效率的主要途径有：

1)提高外延片的内量子效率和外量子效率，提高和改善芯片的外量子效率。

2)提高封装材料的折射率将芯片发出的光和二次激发产生的光有效的萃取出来并高效

地导出LED管体外。

3)将低LED的热阻，降低器件的节温，增加芯片内部的量子限制效应，提高光子复合

得效率。

4) 选择高品质的荧光粉和更加均匀和涂敷工艺，使荧光粉能够更高效的被芯片激发，

提高荧光粉的激发效率。提高光通量，从而提高光效。

5) 选择优化封装工艺，找到芯片波长与荧光粉的最佳匹配。找到合适的技法波长，一

般来说，荧光粉的发射波长是一定的，但是，芯片的波长可以调整，再找到对应的荧光粉波长，就可以大大优化和提高封装产品的亮度。

经过大量的实验证明荧光粉的选择和涂敷在其它封装条件相同的情况下光通量有10％--20％的差异。下面我们先来了解下荧光粉、发光原理、再来探讨荧光粉的选择和配制。 1、荧光粉由主体晶格（host lattice’H）与活化中心（activator’coA）构成，有时还有辅助活化剂或称为增感剂。主体晶格：在激发过程中扮演传送能量的角色。例如：Y 3AI 5O 12：Ce 3+中的Y 3AI 5O 12。活化中心：可以活化主体晶格例如：Y 3A I5O 12：Ce 3+中的Ce 3+。

一般说来，发光固体吸收了激活辐射的能量h ν，发射出能量为h ν’的光 2、荧光粉的发光原理：以GaN 基蓝光晶片为激发源激发荧光粉，产生的激发态电子直接以放光之形式回到电子基态 三、荧光粉的选择

合理选择荧光粉颗粒大小、比重、形貌规则、辉度值、激发波长对LED 的发光效率和显色性有很大的影响：

1) 颗粒的大小直接影响到发光效率。颗粒大的发光效率高，但很容易沉淀，工艺上难

控制颜色的一致性，一般用于高功率产品。 2) 比重越小越不易沉淀。

3) 在颗粒外形上，一般选择球型状的产品。 4) 辉度值越高越好。

5) 激发波长的匹配对亮度和显指有很大的影响。 四、芯片波长与荧光粉的匹配

以YAG-04为例，其吸收波段为：430-490nm ，发射波长：558nm （见表1）。图1是其发射光谱图，图2是荧光粉的吸收和发射光谱图。

ν'

表1

图1

图2

分别用光功率Po=100mw的450nm和460nm的芯片激发该粉，有两种情况：1、两种芯片的激发效率相等,假设为100%。根据下列公式可以计算出450nm和460nm在

Po=100mw的光功率时的光子数量和光子能量。

E g = hν= hc/λ

式中h为普朗克常数6.63×10-34 J·s，c为光速。

①当芯片波长是450nm时,光子能量为：

E g1 = hν1 = hc/λ1 =2.76eV

光子数量为：Po/ E g1=2.26*10^17个

②当芯片波长是460nm时,光子能量为：

E g2 = hν2 = hc/λ2 =2.69eV

光子数量为：Po/ E g2=2.31*10^17个

而荧光粉的发射波长为558nm，此时的光子能量为：E g3 = hν3 = hc/λ3 =2.22eV 所以当用E g1和E g2的能量激发产生了E g3，而E g1-E g3=2.76eV-2.22eV=0.54eV；

E g2-E g3=2.69eV-2.22eV=0.47eV 。(其他能量损耗忽略)

其中0.54eV和0.47eV由于能量太低，不能激发荧光粉而产生2.22eV的能量。所以用Po=100mw的450nm和460nm的芯片激发该种荧光粉，产生558nm时的光子的数量分别为：2.26*10^17个和2.31*10^17个，所以用460nm的芯片激发亮度会比用450nm的芯片激发亮度高。

2、由于存在着光子的吸收，散射，折射，非辐射复合，深能级缺陷限制等影响因数，两种芯片的激发效率不相等,分别为η1和η2。同理可以计算出450nm和460nm在

Po=100mw的光功率时的光子数量和光子能量。而此时产生的558nm的光子的数量则变为η1*2.26*10^17个和η2*2.31*10^17个。假设η1和η2的数值分别为90%和80%（假定值，实际值会有变化，则产生的558nm的光子的数量则变为η1*2.26*10^17=2.034*10^17个和η2*2.31*10^17=1.848*10^17个。那么此时用450nm的芯片激发亮度会比用460nm的芯片激发亮度高。荧光粉的激发波段一般都较宽，像YAG-04的激发波段为430-490nm。所以，在LED芯片波段与在一般的蓝光芯片波段450-460nm，波段越高封装产品的亮度越高。

五、试验与分析

实验模型：

1)本实验主要测试芯片波段对LED亮度的影响。采用的是蓝光芯片和黄光荧光粉组

合实现白光LED的方法。

2)封装产品为TOP产品：3528白光(单晶)。

3)所用芯片为同一家同批次产品，是正装双电极结构，具体参数为：芯片尺寸为

10*23mil，芯片亮度为23-26MW，正向电压为3.0-3.2V，采用了

450-452.5-455-457.5-460nm四个波段的芯片进行试验。

4)所用支架为白色塑胶，功能区镀银，是同一家同批次产品。

5)固晶胶为绝缘胶系列是同一家同批次产品。

6)键合金线线径为25um是同一家同批次产品。

7)所用荧光粉为YAG黄粉单剂，具体参数为：激发波段为430-490nm，发射峰值为

558nm，CIE（1931）色坐标x=0.444,y=0.534,粉粒径为D50 (V) ~ 13μm 。

8)所用混粉胶为硅胶系列，具体参数为：混合粘度7000mPa*s，折射率为1.537，

透光率为97.5%,硬度为37.5(Shore D)。