CN108091752B - 一种白光led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于LED封装领域，并具体公开了一种白光LED及其制备方法，该白光LED包括基板、LED芯片和透光壳体，LED芯片设置在基板表面，其上涂覆有由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成的荧光胶体，量子点复合材料由量子点颗粒和高导热系数材料颗粒复合而成；透光壳体设置在基板上方，将LED芯片和荧光胶体密封在内，其与荧光胶体之间填充有封装胶。该方法包括：在基板上表面安装LED芯片，将荧光胶体点涂在LED芯片上方，加热固化；将透光壳体嵌套在LED芯片和荧光胶体上方；在荧光胶体与透光壳体的空隙处填充封装胶固化后获得白光LED。本发明可有效降低白光LED的工作温度，降低荧光粉和量子点用量，减少成本。

Description

一种白光LED及其制备方法
技术领域
本发明属于LED封装领域，更具体地，涉及一种白光LED及其制备方法。
背景技术
白光发光二极管(White Light Emitting Diode,WLED)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件。相比传统照明光源，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。同时，基于白光LED背光的平板显示技术近年来发展迅猛，已成为新的经济增长点。预计到2020年我国白光LED相关产值有望达到万亿元。
大功率白光LED通常是由蓝光LED芯片激发黄色荧光粉组成。这种方式虽然可以取得高发光效率，然而由于光谱中缺乏红光成分，荧光粉转化白光LED的色彩不饱和，显色指数很低。量子点作为一种新的纳米级光转化材料，其发射光谱可以通过改变尺寸和成分来调控，并且发出的颜色纯度极高。因此，蓝光LED激发黄色荧光粉和红色量子点组成的量子点白光LED可以同时取得高发光效率与高显色指数。
现有技术中，通常将黄色荧光粉和红色量子点溶液与胶体基质均匀混合后，点涂在蓝光LED芯片上，固化后制备得到白光LED。然而，经过研究发现，荧光粉和量子点在光致发光的同时会产生热量，这部分热量无法通过胶体基质及时地导出，最终热量在白光LED内部聚集，导致白光LED内部温度过高，其将严重降低白光LED的发光效率与寿命。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种白光LED及其制备方法，其目的在于降低白光LED的工作温度，提高器件可靠性，并且降低荧光粉和量子点用量，减少成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种白光LED，其包括基板、LED芯片和透光壳体，其中：
所述LED芯片设置在基板表面，其上涂覆有荧光胶体，该荧光胶体由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成，所述量子点复合材料由量子点颗粒和高导热系数材料颗粒复合而成；
所述透光壳体设置在基板的上方，并将LED芯片和荧光胶体密封在内，该透光壳体与荧光胶体之间填充有封装胶。
作为进一步优选的，所述荧光粉占荧光胶体的质量分数为1％～50％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为1％～20％。
作为进一步优选的，所述高导热系数材料颗粒具体为不吸收光的且在中性溶液中表面带负电荷的材料。
作为进一步优选的，所述高导热系数材料颗粒优选为氮化硼、氮化铝或氧化铝。
作为进一步优选的，所述高导热系数材料颗粒的形状优选为棒状或片状。
作为进一步优选的，所述量子点颗粒占量子点复合材料的质量分数为0.1％～1％。
作为进一步优选的，所述量子点颗粒由核层、壳层与表面配体组成，所述核层优选为CdSe、CdTe、CdS、ZnSe或ZnTe，所述壳层优选为ZnS、GaP、GaAs、InP或InAs，所述表面配体优选为带金属阳离子的有机化合物。
按照本发明的另一方面，提供了一种所述白光LED的制备方法，其包括以下步骤：
S1.在基板上表面安装LED芯片，然后将由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成的荧光胶体点涂在LED芯片上方，并加热固化；
S2.将透光壳体嵌套在LED芯片和荧光胶体的上方，以将LED芯片和荧光胶体密封在内；
S3.在荧光胶体与透光壳体的空隙处填充封装胶，固化后即制备获得所述白光LED。
作为进一步优选的，所述量子点复合材料采用如下步骤制备：
S11.在配置量子点颗粒溶液时，使得量子点颗粒表面带正电荷；
S12.将高导热系数材料颗粒溶解在三氯甲烷溶剂中，使其处于中性环境，且表面带负电荷；
S13.将步骤S11配置的量子点颗粒溶液加入步骤S12配置的溶液中以形成混合溶液，将混合溶液加热并搅拌，使混合溶液中的溶剂完全挥发，在此过程中量子点颗粒通过静电力的作用吸附在高导热系数材料颗粒的表面，形成量子点复合材料。
作为进一步优选的，步骤S13中的加热温度为50℃～90℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明将量子点颗粒附着在高导热系数材料表面制备成量子点复合材料，再将量子点复合材料用于制备白光LED，从而具有下列有益效果：
1、本发明将量子点颗粒附着在高导热系数材料例如氮化硼的表面而得到量子点复合材料，显著地提升了荧光胶体的导热系数，从而可以把量子点和荧光粉产生的热量迅速地通过荧光胶体、LED芯片、热沉向下导出，降低白光LED的工作温度，与现有方法制备的LED相比，可将工作温度降低至少20℃，显著提高LED的光学稳定性与寿命。
2、本发明采用不吸收光的在中性溶液中表面带负电荷且具有高导热系数的材料与量子点颗粒复合制备量子点复合材料，其对光的吸收效应小，可以增强光在荧光胶体内的散射，提高LED芯片发射光的转换效率，进而减小荧光粉和量子点的用量，节约成本。
3、本发明由于将量子点溶液制备成了量子点复合材料粉体，因此在生产中不需要去除量子点溶液中的溶剂，可以更加方便地调控量子点的用量，简化了生产工艺流程，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的量子点复合材料制备流程图；
图2为本发明的白光LED制备方法流程图；
图3为本发明实施例1制备的白光LED结构示意图；
图4为本发明实施例2制备的白光LED结构示意图；
图5为本发明实施例7制备的白光LED结构示意图；
图6为本发明实施例8制备的白光LED结构示意图；
图7为采用本发明方法制备的白光LED与常规白光LED的性能对比结果，其中，(a)为采用本发明方法制备的白光LED性能图，(b)为常规白光LED的性能图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101-热沉、102-模塑料、103-引线框架、104-LED芯片、105-金线、106-荧光胶体、107-封装胶、108-透光壳体、109-注胶孔、110-表面带正电荷的量子点溶液、111-棒状氮化硼、112-加热设备、113-量子点复合材料、114-点胶设备、115-硅基板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种白光LED，包括基板115、LED芯片104和透光壳体108，其中，LED芯片104设置在基板115表面，该LED芯片104上涂覆有荧光胶体106，该荧光胶体由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料113混合而成，量子点复合材料由量子点颗粒和高导热系数材料颗粒复合而成；透光壳体108设置在基板115的上方，并将LED芯片104和荧光胶体106密封在内，该透光壳体108与荧光胶体之间填充有封装胶107，该封装胶通过透光壳体上的注胶孔109填充至透光壳体内部的空隙处。
具体的，荧光粉占荧光胶体的质量分数为1％～50％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为1％～20％，以将白光LED的色温大范围调控，实现从暖白光(3000K)到冷白光(8000K)的调控，并且可以获得较高的显色指数(CRI>90)。具体的，荧光粉为YAG荧光粉，胶体基质为硅胶或环氧树脂，荧光粉的发光波长为500nm～600nm。
进一步的，高导热系数材料颗粒具体为白色或透明的(即不吸收光的)且在中性溶液中表面带负电荷的材料，例如氮化硼、氮化铝或氧化铝。由于高导热系数材料颗粒弥散在荧光胶体中，而荧光胶体的作用是发光，因此高导热系数材料颗粒必须具有不吸收光的特性，才能在降低工作温度的同时，不影响白光LED的发光效率。
进一步的，该高导热系数材料颗粒的形状优选为棒状或片状，平均长度为5微米～100微米，平均粒径为1微米～50微米，采用上述尺寸范围的高导热系数材料颗粒，使得颗粒不会对光线产生阻挡作用，同时又可以较好地形成连续导热通道，达到降低温度的目的。通过研究发现，当采用棒状或片状时，颗粒在荧光胶体中更容易彼此相接，形成连续的导热通道，更有利于量子点和荧光粉发热量的有效导出，达到降低温度的目的。而采用球形或立方形时，在同样的颗粒体积分数下，颗粒不容易彼此相接，较难形成连续的导热通道，不利于热量的导出。
更进一步的，量子点颗粒由核层、壳层与表面配体组成，核层优选为CdSe、CdTe、CdS、ZnSe或ZnTe，壳层优选为ZnS、GaP、GaAs、InP或InAs，表面配体优选为带金属阳离子的有机化合物。进一步的，量子点的发光波长为600nm～670nm。量子点颗粒形状为球形或立方形，粒径为2-20纳米，其占量子点复合材料的质量分数为0.1％～1％，即高导热系数材料颗粒占量子点复合材料的质量分数为99％～99.9％，在上述质量比范围内，量子点颗粒可以在高导热系数材料颗粒表面均匀附着，而不至于因为量子点颗粒过多而发生团聚效应，同时量子点也可以提供足够的发射光，进而获得高发光效率、高显色指数的白光LED。
更具体而言，LED芯片为垂直电极芯片或水平电极芯片，其衬底为蓝宝石或硅；透光壳体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或玻璃，其透光率大于90％；透光壳体的形状为半球形、等多边形、圆柱形或球冠形，其内表面的边长或直径为1mm～20mm，内表面的高度为1mm～20mm；封装胶为硅胶、环氧树脂或液态玻璃。
更进一步的，所述基板为热沉101或硅基板115，透光壳体108直接安装在基板上(如图5所示)，或者通过模塑料102固定在基板上方(如图3、图4所示)，该模塑料102上设置有引线框架103，引线框架103通过金线105与LED芯片连接。
如图2所示，本发明还提供了所述白光LED的制备方法，包括以下步骤：
S1.在基板115上表面安装LED芯片104，然后将由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成的荧光胶体点涂在LED芯片上方，并加热固化，加热温度为100℃～150℃；
S2.将透光壳体108嵌套在LED芯片和荧光胶体的上方，以将LED芯片和荧光胶体密封在内；
S3.在荧光胶体与透光壳体的空隙处填充封装胶，固化后即制备获得白光LED。
其中，如图1所示，量子点复合材料采用如下步骤制备：
S11.在配置量子点颗粒溶液时，在量子点颗粒的表面放置金属阳离子，使得量子点颗粒表面带正电荷；
S12.将高导热系数材料颗粒溶解在三氯甲烷溶剂中，使其处于中性环境，且表面带负电荷；
S13.将步骤S11配置的量子点颗粒溶液加入步骤S12配置的溶液中以形成混合溶液，将混合溶液于50℃～90℃加热并搅拌，使混合溶液中的溶剂完全挥发，在此过程中量子点颗粒通过静电力的作用吸附在高导热系数材料颗粒的表面，形成量子点复合材料。
以下为本发明的实施例。
实施例1
参见图3，在本实施例中，LED芯片为水平电极芯片，其衬底为蓝宝石，透光壳体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其透光率为95％，透光壳体的形状为半球形，其内表面的直径为6mm，内表面的高度为6mm，封装胶为热固化型硅胶。
首先，制备量子点复合材料，包含以下步骤：
S1.在合成量子点颗粒的溶液时，使量子点颗粒表面带正电荷，量子点颗粒的核层化合物为CdSe，壳层化合物为ZnS，表面配体为带金属阳离子的油酸，获得表面带正电荷的量子点溶液110；合成量子点颗粒溶液的具体步骤为：
S11.制备前驱体：将0.26g CdO搅拌条件下180℃溶于2ml油酸和8ml液体石蜡混合液，获得的金黄色油酸镉溶液作为制备核层CdSe的Cd前驱体；将0.104g二水合醋酸锌溶于6ml液体石蜡作为ZnS壳层的Zn前驱体；
S12.合成量子点核层即CdSe：取0.008g Se粉放入三颈烧瓶中，加入9ml液体石蜡，然后在搅拌条件下加热到220℃，待Se粉全部溶解后，抽取1ml油酸镉前驱体溶液快速注入Se溶液中，以制备核层CdSe；在反应过程中以3分钟时间间隔抽取少量溶液注入正己烷中，用以检测CdSe的发射波长变化，待到达所需发射波长后立即停止加热，快速将核层CdSe溶液冷却到50℃；
S13.在核层CdSe表面生长壳层ZnS：向S12中得到的核层CdSe溶液中加入0.12g九水合硫酸钠粉末，在搅拌条件下加热到160℃，逐滴滴入Zn前驱体溶液，从而在核层CdSe表面进行ZnS壳层包覆，随后将温度降低至100℃，并保温90分钟，最后将溶液温度冷却至室温，得到发光波长为625nm的量子点溶液；
S14.在量子点壳层CdSe表面放置金属阳离子，该步骤的目的是为了使量子点表面带正电荷，具体操作方法为：向S13中得到的CdSe/ZnS核/壳结构量子点溶液中加入0.2ml油酸镉溶液(或其他金属阳离子的油酸溶液，如油酸锰溶液，油酸锌溶液)，在搅拌条件下加热到160℃，随后将温度降低至100℃，并保温90分钟，通过此离子置换过程，可以在量子点表面放置金属阳离子，获得表面带正电荷的量子点溶液；
S2.将1g平均粒径为20μm、平均长度为200μm的棒状氮化硼颗粒111溶解在10ml三氯甲烷溶剂中，此时氮化硼处于中性环境，表面带负电荷；
S3.向S2中的氮化硼溶液中加入0.5ml量子点颗粒溶液(含有5mg量子点颗粒)，并将混合溶液放置于70℃的加热板112上，加热并搅拌，使混合溶液中的溶剂完全挥干，在这个过程中量子点颗粒通过静电力的作用吸附在氮化硼颗粒表面，形成量子点氮化硼颗粒，即量子点复合材料粉体。
其次，制备白光LED，包括以下步骤：
S1.在完成固定LED芯片和电路连接工序后，将15μL(微升)荧光胶体通过点胶设备114点涂在LED芯片上方，并加热固化，荧光胶体中荧光粉占荧光胶体的质量分数为10％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为8％，胶体基质为热固化型硅胶；
S2.将透光壳体嵌套在LED芯片和荧光胶体的上方；
S3.在荧光胶体与透光壳体的空隙处填充封装胶，固化后即制备得到所述白光LED。
实施例2
参见图4，以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，荧光胶体中，荧光粉占荧光胶体的质量分数为15％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为15％，荧光胶体的点涂体积为20μL。
实施例3
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，荧光胶体中，荧光粉占荧光胶体的质量分数为1％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为1％，荧光胶体的点涂体积为10μL。
实施例4
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，荧光胶体中，荧光粉占荧光胶体的质量分数为50％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为20％，荧光胶体的点涂体积为25μL。
实施例5
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，量子点复合材料中，999mg氮化硼颗粒上附着1mg量子点颗粒，即量子点颗粒浓度减少。
实施例6
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，量子点复合材料中，99mg氮化硼颗粒上附着1mg量子点颗粒，即量子点颗粒浓度增加。
实施例7
参见图5，以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，基板是硅基板。
实施例8
参见图6，以所述的相同步骤重复实施例6，区别在于，本实施例中涉及的是多LED芯片的阵列式硅基封装。
图7是按照本发明实施例1制备的白光LED和常规的基于量子点溶液制备的白光LED，在200mA电流驱动下的实测温度场对比图，其中，(a)为采用本发明方法制备的白光LED性能图，(b)为常规白光LED的性能图。根据图7可知，本发明方法制备的白光LED在同等色温与光谱分布下，可以显著降低工作温度，比常规方法制备的白光LED的工作温度低20.5℃。
本发明通过将量子点通过静电力附着在高导热系数材料颗粒表面，得到的量子点复合材料具有高的导热系数，进而可提高荧光胶体的导热系数，使白光LED工作时内部产生的热量通过荧光胶体、LED芯片和基板向下迅速导出，降低白光LED的工作温度，提高其光学稳定性与寿命。由于采用的高导热系数材料为不吸收光的材料，因此其对光的吸收效应小，且可以增强光在荧光胶体内的散射，提高LED芯片发射光的转换效率，进而减小荧光粉和量子点的用量，节约成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种白光LED，其特征在于，包括基板(115)、LED芯片(104)和透光壳体(108)，其中：
所述LED芯片(104)设置在基板(115)表面，其上涂覆有荧光胶体(106)，该荧光胶体由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成，所述量子点复合材料由量子点颗粒附着在高导热系数材料颗粒表面形成，该高导热系数材料颗粒为不吸收光的且在中性溶液中表面带负电荷的材料，其采用如下步骤制备：S11在配置量子点颗粒溶液时，使量子点颗粒表面带正电荷；S12将高导热系数材料颗粒溶解在三氯甲烷溶剂中，使其处于中性环境，且表面带负电荷；S13将步骤S11配置的量子点颗粒溶液加入步骤S12配置的溶液中以形成混合溶液，将混合溶液加热并搅拌，使混合溶液中的溶剂完全挥发，在此过程中量子点颗粒通过静电力的作用吸附在高导热系数材料颗粒的表面，形成量子点复合材料；
所述透光壳体(108)设置在基板(115)的上方，并将LED芯片(104)和荧光胶体(106)密封在内，该透光壳体(108)与荧光胶体之间填充有封装胶(107)。
2.如权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述荧光粉占荧光胶体的质量分数为1％～50％，量子点复合材料占荧光胶体的质量分数为1％～20％。
3.如权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述高导热系数材料颗粒为氮化硼、氮化铝或氧化铝。
4.如权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述高导热系数材料颗粒的形状为棒状或片状。
5.如权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述量子点颗粒占量子点复合材料的质量分数为0.1％～1％。
6.如权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述量子点颗粒由核层、壳层与表面配体组成，所述核层为CdSe、CdTe、CdS、ZnSe或ZnTe，所述壳层为ZnS、GaP、GaAs、InP或InAs，所述表面配体为带金属阳离子的有机化合物。
7.如权利要求1-6任一项所述的白光LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在基板(115)上表面安装LED芯片(104)，然后将由胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成的荧光胶体点涂在LED芯片上方，并加热固化，所述量子点复合材料采用如下步骤制备：
S11.在配置量子点颗粒溶液时，使量子点颗粒表面带正电荷；
S12.将高导热系数材料颗粒溶解在三氯甲烷溶剂中，使其处于中性环境，且表面带负电荷；
S13.将步骤S11配置的量子点颗粒溶液加入步骤S12配置的溶液中以形成混合溶液，将混合溶液加热并搅拌，使混合溶液中的溶剂完全挥发，在此过程中量子点颗粒通过静电力的作用吸附在高导热系数材料颗粒的表面，形成量子点复合材料；
S2.将透光壳体(108)嵌套在LED芯片和荧光胶体的上方，以将LED芯片和荧光胶体密封在内；
S3.在荧光胶体与透光壳体的空隙处填充封装胶，固化后即制备获得所述白光LED。
8.如权利要求7所述的白光LED的制备方法，其特征在于，步骤S13中的加热温度为50℃～90℃。
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