CN105514250A - 一种光源及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光源及其封装方法，光源包括至少一个芯片、封装体、正引脚以及负引脚，封装体用于覆盖各个芯片的发光区域，正引脚、负引脚用于接外部电路，封装体含有第一发光材料,第一发光材料含有发光体，发光体的化学式为(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，Y为钇元素；A为La、Eu、Tb、Lu中的至少一种；D为Ho、Er、Nd、Tm、Yb、Cr中的至少一种；E为Gd、Ga、B中的至少一种；0≤x<1,0<y<1，0<z<1，0≤m<1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。本发明通过上述技术方案，解决现有红外二极管所采用的发光材料不够完善的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种光源及其封装方法。
背景技术
红外二极管是一种很重要的发光二极管，在红外遥控，光纤通信，环境监控，生物成像及生物医药等方面有着广泛的应用。目前商用的红外二极管类型主要是有机电致发光二极管和GaAs半导体发光二极管。但是有机发光二极管热稳定性差，发光效率低。而GaAs二极管发光光谱范围受限，且GaAs的制备过程用到元素As。作为氮族元素的一员，As是毒性元素，砷化物均有很强的毒性，三价砷化合物比其它砷化合物毒性更强。As化合物在制备或加工过程中，如果进入人体内被吸收后，能破坏了细胞的氧化还原能力，影响细胞正常代谢，引起组织损害和机体障碍，可直接导致多种疾病，其中包括:高血压、心脑血管病、神经病变、糖尿病、皮肤色素代谢异常及皮肤角化，影响劳动和生活能力，并最终发展为皮肤癌，可伴膀胱、肾、肝等多种内脏癌的高发。最新研究还表明胎儿比成人对砷的毒性更敏感。由此可见，GaAs的使用对环境隐患很大，危害人类健康。因此，从环境角度长远考虑，有必要寻找新的环境友好型材料来取代GaAs产品。
当前，蓝光芯片作为第四代固态照明领域中的关键技术，是白光二极管的重要组成部件。采用蓝光InGaN芯片涂敷黄色“下转移”荧光粉YAG:Ce3+(该荧光粉量子效率只接近80％)所形成白光二极管自1996年问世以来，其发展迅速，发光效率不断提高，有望取代白炽灯、荧光灯和高压汞灯等传统的照明光源，成为二十一世纪最具发展前景的绿色照明光源。在巨大应用市场的推动下，蓝光LED芯片的制备技术日趋成熟，成本逐年降低。目前，市场上同等功率的GaN和GaAs二极管，前者的价格大约是后者的1/4。且蓝光芯片InGaN中的氮元素不像砷元素那样具有毒性，氮资源丰富，环境友好。
发明内容
本发明提供一种光源及其封装方法，解决现有红外二极管所采用的发光材料不够完善的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种光源，包括至少一个芯片、封装体、正引脚以及负引脚，所述封装体用于覆盖各个芯片的发光区域，所述正引脚、负引脚用于接外部电路，所述封装体含有第一发光材料,所述第一发光材料含有发光体，所述发光体的化学式为(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，其中：
Y为钇元素；
A为La、Eu、Tb、Lu中的至少一种；
D为Ho、Er、Nd、Tm、Yb、Cr中的至少一种；
E为Gd、Ga、B中的至少一种；
0≤x＜1,0＜y＜1，0＜z＜1，0≤m＜1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。
在一些实施例中，j＝3或j＝3.5。
在一些实施例中，q＝5.2。
在一些实施例中，t＝12。
在一些实施例中，所述发光体在芯片的激发下发射波长为500纳米至1500纳米。
在一些实施例中，所述发光体的中心粒径为1微米至30微米。
在一些实施例中，所述第一发光材料还含有以下杂相：含Y的氧合物、含A的氧合物、含Al的氧合物、含Ce的氧合物、含D的氧合物、含E的氧合物中的至少一种。
在一些实施例中，各芯片为蓝光芯片，所述封装体还含有以下第二发光材料：红色发光材料、绿色发光材料、黄色发光材料中的至少一种；或者，
各芯片为紫外光芯片，所述封装体还含有以下第三发光材料：红色发光材料、绿色发光材料、黄色发光材料中的至少一种。
本发明还提供上述光源的一种封装方法，主要包括如下步骤：
步骤一、在基板上安装至少一个芯片，将各芯片与基板电性连接；
步骤二、在各芯片上覆盖封装体，露出基板上用于接外部电路的正引脚以及负引脚。
本发明还提供上述光源的另一种封装方法，主要包括如下步骤：
步骤一、将芯片单元固定，所述芯片单元包括至少一个芯片，若包括两个或两个以上的芯片，且将各芯片电性连接；
步骤二、在各芯片的发光区域覆盖封装体，露出芯片单元上用于接外部电路的正引脚以及负引脚。
本发明提供的光源及其封装方法。其中所用到的封装体含有特殊的发光材料，配合芯片能够产生红外光，尤其是远红外光，可应用来制作红外二极管。提高了红外二极管的发光效率，降低了成本，且节能环保。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的第一发光材料的粒径分布示意图；
图2a为本发明实施例一提供的第一发光材料的激发光谱的示意图；
图2b为本发明实施例一提供的第一发光材料的发射光谱的示意图；
图3a为本发明实施例二提供的第一发光材料的激发光谱的示意图；
图3b为本发明实施例二提供的第一发光材料的发射光谱的示意图；
图4为本发明实施例二提供的第一发光材料的电镜示意图；
图5a为本发明实施例三提供的第一发光材料的发射光谱和激发光谱的示意图；
图5b为本发明实施例三提供的Yb3+的发射光谱随Al2O3含量的变化示意图。
具体实施方式
本发明的主要构思是：提供一种光源及其封装方法，该光源中用于覆盖芯片的发光区域的封装体含有一种新型的发光材料(第一发光材料)，第一发光材料在芯片的激发下能够产生红外光，尤其是远红外光。例如在UV-LED(紫外光LED)芯片、蓝光LED的激发下产生红外光。在红外遥控，光纤通信，环境监控，生物成像及生物医药等方面有广泛的应用前景。相比现有的红外二极管，本发明提高了发光效率，降低了成本，且节能环保。
本发明提供的光源，主要包括至少一个芯片、封装体、正引脚以及负引脚。其中，封装体用于覆盖各个芯片的发光区域；正引脚、负引脚用于接外部电路，外部电路包括：电源、电源驱动或控制装置等等。当然，在一些实施例中，光源还可以包括基板、用于将芯片与基板电性连接的导线、用于封装的支架等等。
具体地，作为一种实施例，一种光源包括支架、位于支架上的基板(基板具有用于接外部电路的正引脚以及负引脚)、设于基板上的至少一个芯片、覆盖在各芯片上的封装体，以及连接各芯片引脚和基板的导线(各芯片之间可以独立，也可以电性串联、并联或混合联)。封装体将蓝光芯片连同导线一并封装，露出基板上用于接外部电路的正引脚以及负引脚。相应地，这类光源的封装方法主要包括：
步骤一、在基板上安装至少一个芯片，将各芯片与基板电性连接(例如用导线连接)；
步骤二、在各芯片上覆盖封装体，露出基板上用于接外部电路的正引脚以及负引脚。在各芯片上覆盖封装体的方法包括但不局限于：印刷、点胶、模压、灌封。
作为另一种实施例，一种光源包括芯片单元，该芯片单元中包括至少一个蓝光芯片，该芯片单元具有用于接外部电路的正引脚以及负引脚，该光源还包括覆盖在各蓝光芯片的发光区域的封装体，封装体将蓝光芯片的发光区域封装，露出芯片单元上用于接外部电路的正引脚以及负引脚，这种光源省去了支架、基板、导线，在芯片上直接覆盖封装体。相应地，这类光源的封装方法主要包括：
步骤一、将芯片单元固定，所述芯片单元包括至少一个芯片，若包括两个或两个以上的芯片，且将各芯片电性连接(串联、并联或混合联)；
步骤二、在各芯片的发光区域覆盖封装体，露出芯片单元上用于接外部电路的正引脚以及负引脚。芯片的发光区域包括：芯片的正面、背面、和/或侧面。
本发明提供的光源，封装体含有第一发光材料,第一发光材料含有发光体，发光体的化学式为：(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，其中：Y为钇元素；
A为La(镧)、Eu(铕)、Tb(铽)、Lu(镥)中的至少一种；
D为Ho(钬)、Er(铒)、Nd(钕)、Tm(铥)、Yb(镱)、Cr(铬)中的至少一种；
E为Gd(钆)、Ga(镓)、B(硼)中的至少一种；
0≤x＜1,0＜y＜1，0＜z＜1，0≤m＜1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。
在一些实施例中，j＝3或j＝3.5；当然j也可以为2到4之间的其他数字。
在一些实施例中，q＝5.2或q＝5；当然q也可以为4到6之间的其他数字。
在一些实施例中，t＝12；当然t也可以为11到13之间的其他数字。
在一些实施例中，该发光体在芯片的激发下发射波长为500纳米至1500纳米。
在一些实施例中，该发光体的中心粒径为1微米至30微米。
在一些实施例中，该第一发光材料除了含有上述发光体之外，还含有以下杂相：含Y的氧合物、含A的氧合物、含Al的氧合物、含Ce的氧合物、含D的氧合物、含E的氧合物中的至少一种。例如，当j＝3.5时，该第一发光材料含有上述发光体和少量Al2O3杂相，杂相可以对制得的第一发光材料的发光效果进行微小调整。
在一些实施例中，该光源的封装体还含有其他至少一种发光材料，例如，当光源中的芯片为蓝光芯片时，封装体还含有以下发光材料：红色发光材料、绿色发光材料、黄色发光材料中的至少一种，简称为第二发光材料，第二发光材料可以是无机物，如红色发光材料CaSiAlN3：Eu，也可以是有机物，或量子点发光材料如ZnSe等。各发光材料之间的配比可根据需要任意组合，发光范围可以覆盖可见到红外区域；或者，当光源中的芯片为紫外光芯片时，封装体还含有以下发光材料：绿色发光材料、黄色发光材料、紫色发光材料中的至少一种，简称为第三发光材料，第三发光材料可以是无机物，如红色发光材料CaSiAlN3：Eu，也可以是有机物，或量子点发光材料如ZnSe等。各发光材料之间的配比可根据需要任意组合，发光范围可以覆盖可见到红外区域。使得单一光源的发光范围兼具不可见光和可见光,达到同时存在同一个光源中.弥补了可见光和不可见光的同时存在的可能性,开启了新的研究及发展方向.尤其应用于安防和植物生长上可重点突破。
第一发光材料的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤一、用以下原料研磨混合均匀，得到混合物：
含A的化合物、含Al的化合物以及含Ce的化合物；
或者，含A的化合物、含Al的化合物、含Ce的化合物以及以下三种化合物的至少一种：含Y的化合物、含D的化合物和/或含E的化合物；
步骤二、将混合物在惰性气体或还原性气体保护下用固相反应法、液相反应法、燃烧反应法或溶胶凝胶反应法进行高温焙烧，再冷却至室温，得到反应产物；
步骤三、将反应产物经过粉碎、研磨、除杂、洗涤、烘干，制得上述的发光体。
优选的，步骤二中的还原性气体为氢气和氮气以3:1的比例进行混合后的混合体：H2/N2(75％体积比)。当然也可以按照其他比例来混合。
优选的，步骤二中的高温焙烧的温度为1000摄氏度至1650摄氏度，高温焙烧的时长为1至10小时。更优的，高温焙烧的时长为4至6小时。
优选的，步骤一中还包括添加反应助溶剂，所述助溶剂为卤化物、硼酸盐中的一种。
优选的，步骤一中，含A的化合物为含A的氧化物、含Al的化合物为含Al的氧化物、含Ce的化合物为含Ce的氧化物、含Y的化合物为含Y的氧化物、含D的化合物为含D的氧化物、含E的化合物为含E的氧化物。步骤一中，可以完全按照发光体的化学式计量比来称取各种原料，然后制得含有发光体的第一发光材料，这样制得的第一发光材料一般为单晶或多晶的粉末状；也可以将某些原料多出一些，最终制得含有发光体和杂相的第一发光材料，杂相包括未参加反应的多出的原料，这样制得的第一发光材料一般为固体粉末，单晶，玻璃体(发光体嵌入无机或有机玻璃体)或透明陶瓷体等。
下面以实施例的方式进一步详细说明第一发光材料的制备方法和成分。
实施例一
本实施例提供的第一发光材料，含有的发光体的化学式为Y2.94Ce0.05Nd0.01Al5O12，该第一发光材料的制备方法如下：
按照Y2.94Ce0.05Nd0.01Al5O12的化学计量比，称取27.78克的Y2O3，21.33克的Al2O3，0.720克的CeO2，0.16克的Nd2O3，0.25克的BaF2，置于研钵中混合均匀，得到混合物，其中BaF2作为助溶剂；
将上述混合物在H2/N2(75％体积比)和1500摄氏度坩埚中反应6小时，冷却至室温，得到反应产物；
将上述反应产物粉碎、研磨、过200目晒网除杂、洗涤，在120摄氏度下烘干10小时，制得化学式为Y2.94Ce0.05Nd0.01Al5O12的发光体，该发光体即作为本实施例的第一发光材料。
该第一发光材料作为封装体，在LED蓝光芯片的激发下发射波长从500纳米至950纳米，其峰值波长为550纳米和885纳米，其中发射峰位于550纳米的发光来自于Ce3+5d1→4f2(2F5/2,7/2)的发光，而发射峰位于885纳米的一组尖峰发光，来自于Nd3+离子的4F7/2-4I9/2跃迁，同时还能观察到在808纳米附近有一个小的发射峰，来自于Nd3+离子的4F5/2-4I11/2跃迁。在发射光谱中，我们还能看到在570和580纳米附近有凹陷下去的光谱行为，此为Ce3+在LED激发下发出的荧光能量被Nd3+吸收，即能量经过Ce3+离子吸收后传递给了Nd3+离子，从而导致Nd3+离子的发光。这也是本实施例的理论依据所在：即Nd3+离子的不是直接吸收LED芯片的能量，而是先有Ce3+离子吸收LED能量，然后通过辐射弛豫转移至Nd3+离子，从而发出红外区域的荧光。该第一发光材料的粒径分布如图1和表一所示。该第一发光材料的激发光谱图如图2a所示。其在455纳米LED蓝光芯片激发下的发射光谱见图2b。由图2b可知，该发光体在455纳米LED蓝光芯片的激发下能够发射红外光，能够吸收蓝光，是一种能够应用在红外二极管的红外发光体。其粒径分布图显示，其粒径分布宽度较小，中心粒径在15.0微米左右，粒径分布系数0.7左右(D90-D10)/D50)。
表一
实施例二
本实施例提供的第一发光材料，含有的发光体的化学式为Y2.94Ce0.05Cr0.01Al5O12，该第一发光材料制备方法如下：
按照Y2.94Ce0.05Cr0.01Al5O12的化学计量比，称取19.46克的Y2O3，14.95克的Al2O3，0.504克的CeO2，0.089克的Cr2O3，0.25克的BaF2，置于研钵中混合均匀，得到混合物，其中BaF2作为助溶剂；
将上述混合物在H2/N2(75％体积比)和1450摄氏度中反应4小时，冷却至室温，得到反应产物；
将上述反应产物粉碎、研磨、过200目晒网除杂、洗涤，在120摄氏度下烘干10小时，制得化学式为Y2.94Ce0.05Cr0.01Al5O12的发光体，该发光体即作为本实施例的第一发光材料。
该第一发光材料的激发光谱图如图3a所示。在LED蓝光芯片的激发下其发射光谱图如图3b所示。其发射范围从500纳米至750纳米，其中发射峰峰值波长为540纳米和685纳米，695纳米和710纳米附近的一组发射峰，其中发射峰位于550纳米的发光来自于Ce3+5d1→4f2(2F5/2,7/2)的发光，而发射峰位于685纳米的发射来自于Cr3+离子的2Eg-4A2g的光谱跃迁，695纳米的来自于的Cr3+离子4T2g-4A2g的光谱跃,710和725nm来自于电子振动跃迁。Cr3+离子发光同样来自于LED的激发能，Cr3+离子在450纳米和整个500至600区域均有吸收，因此本实施例中Cr3+的能量既有其本身吸收，也有Ce3+吸收LED激发能以后在500至600纳米区域内放出光子被Cr3+捕获后发光，即：能量经过Ce3+离子吸收后传递给了Cr3+离子，从而导致和增强了Cr3+离子的发光。第一发光材料的电镜图如图4所示。从电镜图可以看出，本实施例之荧光粉，其晶体颗粒的结晶度较好，颗粒表面光滑，大小比较均一，平均粒径大约在16μm左右。
实施例三
如表二所示，表二中展示有4个实施示例，4个实施示例中作为原料的Y2O3、CeO2、Yb2O3的含量相同，Al2O3的含量不同，最终制得的第一发光材料不同，示例1、3、4中制得的第一发光材料含有发光体，还含有杂相，该杂相是未反应的非计量比的原始反应物。
表二
各个示例的制备方法基本如下：
按照表二称取相应的Y2O3，Al2O3，CeO2，Yb2O3，和BaF2，置于研钵中混合均匀，得到混合物，其中BaF2作为助溶剂，占混合物总重量的5％；
将上述混合物在H2/N2(75％体积比)和1450摄氏度中反应4小时，冷却至室温，得到反应产物；
将上述反应产物粉碎、研磨、过200目晒网除杂、洗涤，在120摄氏度下烘干10小时，制得第一发光材料。由表二中的数据可见，示例1、3、4中制得的第一发光材料含有发光体和杂相，示例1中的杂相有Y2O3，占第一发光材料的9.03％，示例3、4中的杂相有Al2O3，分别占第一发光材料的2.7％、13.55％。示例2、3、4中制得的第一发光材料所含有的发光体为Y2.94Ce0.05Yb0.010Al5O12，示例1中制得的第一发光材料所含有的发光体为Y2.925Ce0.0625Yb0.0125Al5O12。
当然，以上表二中的数据仅是一个示例，在实际实施过程中，受实施环境、原料成分、操作熟练程度等因素的影响，会导致实施结果的微小变化。
测试表二中4种示例所制得的第一发光材料，比较其发射强度的变化，其中示例2的发射光谱(虚线所示)和激发光谱(实线所示)变化如图5a所示。该第一发光材料在LED蓝光芯片的激发下发射波长从500纳米至1100纳米，其峰值波长为550纳米和1030纳米，其中发射峰位于550纳米的发光来自于Ce3+5d1→4f2(2F5/2,7/2)的发光，而发射峰位于1030纳米的一组尖峰发光，来自于Yb3+离子的2F55/2-2I7/2跃迁。图5b为固定Ce3+的浓度时改变Al2O3的摩尔量的Yb3+发射光谱图。根据原料中Al2O3从不足量(此时Y2O3相对过量)到Al2O3过量改变来观察Yb3+的发射强度变化。示例1为按化学计量比不足量的Al2O3，示例2为刚好化学计量比的Al2O3，而示例3和4为过量的Al2O3，从结果看出，发射强度最高的并不是示例2，而是稍微偏离化学计量比的时候即示例3中的Al2O3过量2.7％时出现发射最大值。这种偏离化学计量比的原料，有可能因为Al2O3活性比较低，当按照化学计量比称取原料反应时少部分Al2O3无法参与反应而导致晶体中大量缺陷的存在(示例1和2)，从而消弱了晶体中吸收的激发能量的传递，导致Yb3+发射光减弱，当Al2O3稍微过量后有助于晶体的成型，提升发光效率。但过多的Al2O3(如示例4)却降低了Yb3+的发光，这应该归结于杂质太多吸收了Yb3+发出的光。未能参与反应的Al2O3或Y2O3以混合物方式进入到最终产物中去，因此最终制得的第一发光材料包括发光体和Al2O3或Y2O3等杂相，其含量计算列于表二中。
本发明提供的光源及其封装方法。其中所用到的封装体含有特殊的发光材料，即第一发光材料，配合蓝光或紫外光芯片能够产生红外光，尤其是远红外光，可应用来制作红外二极管。提高了红外二极管的发光效率，降低了成本，且节能环保。光源封装方法简单，易操作，整个流程无污染，无毒害，无废气废渣产生。且转化效率高，基本可接近100％，粒径分布均匀。另外其分散性能好，重现性能好，且所得产品质量稳定。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光源，包括至少一个芯片、封装体、正引脚以及负引脚，所述封装体用于覆盖各个芯片的发光区域，所述正引脚、负引脚用于接外部电路，其特征在于，所述封装体含有第一发光材料,所述第一发光材料含有发光体，所述发光体的化学式为(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，其中：
Y为钇元素；
A为La、Eu、Tb、Lu中的至少一种；
D为Ho、Er、Nd、Tm、Yb、Cr中的至少一种；
E为Gd、Ga、B中的至少一种；
0≤x<1,0<y<1，0<z<1，0≤m<1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。
2.如权利要求1所述的光源，其特征在于，其中，j＝3或j＝3.5。
3.如权利要求1所述的光源，其特征在于，其中，q＝5.2。
4.如权利要求1所述的光源，其特征在于，其中，t＝12。
5.如权利要求1所述的光源，其特征在于，所述发光体在芯片的激发下发射波长为500纳米至1500纳米。
6.如权利要求1所述的光源，其特征在于，所述发光体的中心粒径为1微米至30微米。
7.如权利要求1所述的光源，其特征在于，所述第一发光材料还含有以下杂相：含Y的氧合物、含A的氧合物、含Al的氧合物、含Ce的氧合物、含D的氧合物、含E的氧合物中的至少一种。
8.如权利要求1至7任一项所述的光源，其特征在于，各芯片为蓝光芯片，所述封装体还含有以下第二发光材料：红色发光材料、绿色发光材料、黄色发光材料中的至少一种；或者，
各芯片为紫外光芯片，所述封装体还含有以下第三发光材料：红色发光材料、绿色发光材料、黄色发光材料中的至少一种。
9.如权利要求1至8任一项所述的光源的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在基板上安装至少一个芯片，将各芯片与基板电性连接；
步骤二、在各芯片上覆盖封装体，露出基板上用于接外部电路的正引脚以及负引脚，所述封装体含有第一发光材料,所述第一发光材料含有发光体，所述发光体的化学式为(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，其中：
Y为钇元素；
A为La、Eu、Tb、Lu中的至少一种；
D为Ho、Er、Nd、Tm、Yb、Cr中的至少一种；
E为Gd、Ga、B中的至少一种；
0≤x<1,0<y<1，0<z<1，0≤m<1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。
10.如权利要求1至8任一项所述的光源的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将芯片单元固定，所述芯片单元包括至少一个芯片，若包括两个或两个以上的芯片，且将各芯片电性连接；
步骤二、在各芯片的发光区域覆盖封装体，露出芯片单元上用于接外部电路的正引脚以及负引脚，所述封装体含有第一发光材料,所述第一发光材料含有发光体，所述发光体的化学式为(Y1-x-y-zAxCeyDz)j(Al1-mEm)qOt，其中：
Y为钇元素；
A为La、Eu、Tb、Lu中的至少一种；
D为Ho、Er、Nd、Tm、Yb、Cr中的至少一种；
E为Gd、Ga、B中的至少一种；
0≤x<1,0<y<1，0<z<1，0≤m<1，2≤j≤4，4≤q≤6，11≤t≤13。
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