CN100565000C - 利用yag透明陶瓷制备白光led的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法，首先利用绝缘胶水将裸露的蓝光或紫外光LED芯片固定到一个支架反射镜中，利用超声球焊机焊接好电极引线后在蓝光或紫外光LED芯片的出光路径上涂敷或者封装YAG透明陶瓷层，所用蓝光LED芯片的波长在450nm-480nm波段之间，紫外光LED的波长在250nm-540nm之间，YAG透明陶瓷层所用陶瓷颗粒的大小为1nm-300nm。通过调整陶瓷层厚度和颗粒密度来改变所发出光的色坐标。本发明可以有效改善波长转换材料在高温下的衰减问题，同时可以有效改善现有白光LED制作方法中的黄色光圈、蓝色光圈、白光色温不一致等问题，工艺操作相对简单、可靠性高、成本低。

Description

利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法
技术领域
本发明涉及利用YAG透明陶瓷通过蓝光或紫外LED(发光二极管)变换成发白光的方法，属于发光二极管(LED)技术领域。
背景技术
随着半导体器件特别是随着高亮度发光二极管(LED)技术的快速发展，世界资源缺乏的逐步凸现，人们更注重寻找新的照明替代材料。1999年以后蓝光LED的出现实现了白光照明，随着半导体照明产业的推进，特别是在普通照明、背光源、装饰照明上的应用促使人文寻找效率更高，寿命更长、可靠性更高的白光LED的制造方法。
目前制作白光LED的主要方法是利用蓝光LED或紫外LED芯片涂敷微小颗粒的非透明荧光粉通过波长转换制作白光LED。由于蓝光LED持续点亮会造成温度升高，波长转换材料会发生退化，同时由于涂敷的波长转换材料为非透明材料，在蓝光或紫外芯片发出的光通过时会发生散射吸收等现象，使得出光效率不高；同时由于涂敷厚度的不均匀会严重影响其光斑和白光色温。例如由于涂敷不均匀造成的黄色光圈、蓝色光斑、白光色温不一致等问题。
中国专利CN1618925公开了一种生产光色均一的白光LED的方法，是在环氧树脂或硅树脂中混入发白光的荧光粉，另外还混入0.1-10％的且不会与其反应的无机物细粉末(如二氧化硅粉料)。发白光的荧光粉也可以是YAG荧光粉。该方法能够获得光色均一的白光LED，但是仍然存在由于蓝光LED持续点亮会造成温度升高、波长转换材料会发生退化以及光效率不高的问题。
中国专利CN1815765公开了一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法，是利用YAG单晶片将GaN基无机半导体LED晶粒发出的部分蓝光转换为另外一种或多种理想波段的光，然后LED晶粒发出的剩余未被转换的蓝光与单晶片转换后的理想波段的光混合产生白光。该技术通过精确控制单晶片荧光体各种参数，来调节和控制荧光体单晶片转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例，同时利用单晶片自身具有的均匀性，获得均一、高质量白光；解决了传统白光LED器件技术很难控制荧光体粉末在硅脂类或树脂类密封胶中的分散性，而最终导致白光LED器件的白光不均匀的技术问题。但是，该技术仍然无法解决由于蓝光LED持续点亮会造成温度升高、波长转换材料会发生退化以及光效率不高的问题。
众所周知，无论是制备高性能的透明陶瓷和YAG结构陶瓷还是发光粉材料都需要性能优异的YAG粉体，要求粉体有高的相纯度，颗粒尺寸在纳米级，尺寸均一并无团聚，这样有利于气孔的排除而使得陶瓷致密和透明，对发光材料来讲可以提高发光效率。钇铝石榴石(YAG)单晶材料是一种广泛应用的固体激光晶体。但是由于制备大尺寸的YAG单晶需要特殊的设备和复杂的工艺，同时占用大量的贵金属，所以生产成本一直居高不下。YAG粉体通过掺杂Tb、Ce、Eu等三价稀土离子可作为荧光粉，YAG荧光粉主要成分为：Y2Gd)3(Al2Ga)5O12，通常为黄色、淡黄色粉末状物质，在发光材料领域有着广泛的应用。与YAG单晶材料相比，YAG激光陶瓷具有以下优点：陶瓷的制备周期短，成本低；陶瓷材料中可以掺入比晶体中更高浓度的钕离子而无浓度淬灭，提高了转换效率；陶瓷制备工艺可以得到大尺寸激光工作物质。同时因为具有优异的高温力学性能，YAG陶瓷还可以作为高温结构部件得到广泛的应用。YAG激光陶瓷主要为钇铝石榴石(Y3Al5O12→YAG)或者钇钪铝石榴石(Y3ScAl4O12→YSAG)掺杂了Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+或Cr4+等离子来实现。
发明内容
本发明针对现有制备白光LED方法存在的不足，提供一种成本低、发光效率高、寿命长、可靠性高的利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法。
本发明的利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法是：
首先利用绝缘胶水将裸露的蓝光或紫外光LED芯片固定到一个支架反射镜中，支架反射镜采用碗形反射杯，利用超声球焊机焊接好电极引线后在蓝光或紫外光LED芯片的出光路径上涂敷或者封装YAG透明陶瓷层，所用蓝光LED芯片的波长在450nm-480nm波段之间，紫外光LED的波长在250nm-400nm之间，YAG透明陶瓷层所用YAG透明陶瓷为掺杂有Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+或Cr4+离子的钇铝石榴石(Y3Al5O12→YAG)或者钇钪铝石榴石(Y3 ScAl4O12→YSAG)，陶瓷颗粒的大小为1nm-300nm。
YAG透明陶瓷层的厚度为200nm-1000nm，YAG透明陶瓷层的厚度根据蓝光或紫外LED芯片的功率大小进行适当调整。在YAG透明陶瓷层的密度恒定的情况下，封装厚度与芯片功率是正比关系。
YAG透明陶瓷层的涂敷或者封装形式有以下几种：
1.利用硅胶或环氧树脂将YAG透明陶瓷颗粒混合均匀后涂敷到支架反射镜中蓝光或紫外光LED芯片的上方，然后在80℃-100℃的温度下固化，最后在YAG透明陶瓷层上面进行常规灌胶封装，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂或者专用胶水的重量配比为0.5-1.5∶10。
2.先在蓝光或紫外光LED芯片的上方利用球焊机焊接电极引线，利用环氧树脂将电极引线固化在碗形反射杯内形成一平板，在平板上放置预先通过YAG透明陶瓷颗粒混合在环氧树脂、硅胶或者二氧化硅中制作而成的实心球面透镜，并用环氧树脂固化，或着直接在平板上现做实心球面透镜，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂、硅胶或者二氧化硅的重量配为1-3∶10。
3.将YAG透明陶瓷颗粒掺杂到环氧树脂或者二氧化硅中做成壁厚一致的空心球面透镜，通过在空心球面透镜内部灌注环氧树脂、硅胶或二氧化硅固化到碗形反射杯上，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂或者二氧化硅的重量配比为1-3∶10。
上述方法是利用YAG透明陶瓷作为波长转换材料，将蓝光或紫外LED芯片发出的光在通过YAG透明陶瓷层时吸收部分光转换成不同于发光芯片波长的光，不同波长的光混合得到白光。通过调整陶瓷层厚度和颗粒密度来改变所发出白光的色坐标。可以应用于普通小功率蓝光芯片的封装，也可以应用于半导体照明用功率型芯片的封装。
本发明有效解决了现有技术中由于蓝光或紫外光LED持续点亮造成的波长转换材料的退化以及由于涂敷的波长转换材料光透过率不高、散射等原因造成的出光效率不高、涂敷不均匀造成的黄色光斑、蓝色光斑、白光色温不一致等问题，大大提高了自光LED的使用寿命，接近了半导体发光二极管的寿命，工艺操作相对简单、可靠性高、成本低，转换后得到白光的相关色温在1500K-15000K之间。
附图说明
图1是在小功率碗形反射杯中固定蓝光或紫外光LED芯片的示意图。
图2是大功率碗形反射杯的示意图。
图3是平板型实心透镜YAG透明陶瓷层的示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是空心球形透镜YAG透明陶瓷层的示意图。
图6是图5的俯视图。
其中：1、小功率碗形反射杯，2、负极引线，3、正极引线，4、蓝光或紫外LED芯片，5、电极引线，6、引脚，7、大功率碗形反射杯，8、平板，9、实心球面透镜，10、空心球面透镜。
具体实施方式
本发明利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法是将蓝光或紫外LED发光芯片的光在通过YAG透明陶瓷材料时吸收部分发光芯片的光转换成不同于发光芯片波长的光，不同波长的光混合得到白光。所需元件或材料至少包括蓝光或紫外光LED发光芯片、YAG透明陶瓷(陶瓷层)、支架反射镜和灌封材料。支架反射镜采用碗形反射杯，灌封材料采用硅胶、环氧树脂、二氧化硅等透明绝缘胶水。如图1所示，首先利用绝缘胶水将裸露的蓝光或紫外光LED芯片4固定到碗状反射杯1的底部。小功率的碗形反射杯1连接有负极引线2，一侧有正极引线3。大功率的碗形反射杯7如图2所示，其上设有引脚6，引脚6的作用为焊接电极引线。焊接好蓝光或紫外光LED芯片4与正极引线3之间的电极引线5，然后在蓝光或紫外光LED芯片4的出光路径上封装YAG透明陶瓷层。
可以通过以下几种方式将YAG透明陶瓷层封装到蓝光或紫外LED芯片4的出光路径上：
1.利用硅胶或环氧树脂将YAG透明陶瓷颗粒混合均匀后涂敷到蓝光/紫外光LED芯片4的上方(根据陶瓷颗粒大小和芯片功率不同，陶瓷颗粒与环氧树脂或者硅胶的重量比例在0.5∶10到1.5∶10之间)，也就是涂敷到碗形反射杯中，然后在80℃-100℃的温度下固化，最后通过环氧树脂将YAG透明陶瓷颗粒层固化包裹住。
2.如图3和图4所示，YAG透明陶瓷层的封装也可以是先在蓝光或紫外光LED芯片4的上方利用球焊机焊接电极引线，利用环氧树脂将电极引线固化在碗形反射杯内形成一平板8，以免在封装时将引线破坏，在平板8上放置预先通过YAG透明陶瓷颗粒混合在环氧树脂、硅胶或者二氧化硅中(根据陶瓷颗粒大小和芯片功率不同，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂、硅胶或者二氧化硅的重量比例在1∶10到3∶10之间)制作而成的实心球面透镜9，并用环氧树脂固化。也可以直接在平板8上现做实心球面透镜。
3.将YAG透明陶瓷颗粒掺杂到环氧树脂、硅胶或者二氧化硅中(根据陶瓷颗粒大小和芯片功率不同，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂、硅胶或者二氧化硅的重量比例在1∶10到3∶10之间)做成如图5和图6所示的壁厚一致的空心球面透镜10，通过在空心球面透镜10内部灌注硅胶、环氧树脂或二氧化硅将透镜固化到碗形反射杯上。
所用陶瓷颗粒大小在1nm-300nm之间，所封装的YAG透明陶瓷层厚度控制在200nm-1000nm的范围之内。透明陶瓷层的厚度要根据蓝光/紫外芯片的功率大小进行适当调整，通过调整陶瓷层厚度和颗粒密度来改变所发出光的色坐标。
使用的蓝光LED发光芯片的波长在450nm-480nm波段之间，紫外LED的波长在250nm-400nm之间，转换后得到白光的相关色温在1500K-15000K之间。

Claims (2)

1.一种利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法，首先利用绝缘胶水将裸露的蓝光或紫外光LED芯片固定到一个支架反射镜中，支架反射镜采用碗形反射杯，利用超声球焊机焊接好电极引线后在蓝光或紫外光LED芯片的出光路径上涂敷或者封装YAG透明陶瓷层，所用蓝光LED芯片的波长在450nm-480nm波段之间，紫外光LED的波长在250nm-400nm之间，YAG透明陶瓷层所用YAG透明陶瓷为掺杂有Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+或Cr4+离子的钇铝石榴石或者钇钪铝石榴石，陶瓷颗粒的大小为1nm-300nm，其特征是：所述YAG透明陶瓷层的封装形式是先在蓝光或紫外光LED芯片的上方利用球焊机焊接电极引线，利用环氧树脂将电极引线固化在碗形反射杯内形成一平板，在平板上放置预先通过YAG透明陶瓷颗粒混合在环氧树脂、硅胶或者二氧化硅中制作而成的实心球面透镜，并用环氧树脂固化，或者直接在平板上通过YAG透明陶瓷颗粒混合在环氧树脂、硅胶或者二氧化硅中现做实心球面透镜，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂、硅胶或者二氧化硅的重量配为1-3∶10。
2.一种利用YAG透明陶瓷制备自光LED的方法，首先利用绝缘胶水将裸露的蓝光或紫外光LED芯片固定到一个支架反射镜中，支架反射镜采用碗形反射杯，利用超声球焊机焊接好电极引线后在蓝光或紫外光LED芯片的出光路径上涂敷或者封装YAG透明陶瓷层，所用蓝光LED芯片的波长在450nm-480nm波段之间，紫外光LED的波长在250nm-400nm之间，YAG透明陶瓷层所用YAG透明陶瓷为掺杂有Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+或Cr4+离子的钇铝石榴石或者钇钪铝石榴石，陶瓷颗粒的大小为1nm-300nm，其特征是：所述YAG透明陶瓷层的封装形式是将YAG透明陶瓷颗粒掺杂到环氧树脂或者二氧化硅中做成壁厚一致的空心球面透镜，通过在空心球面透镜内部灌注环氧树脂、硅胶或二氧化硅将透镜固化到碗形反射杯上，YAG透明陶瓷颗粒与环氧树脂或者二氧化硅的重量配比为1-3∶10。
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