CN108183099A - 一种白光led封装结构以及白光源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种白光LED封装结构，包括：基板，LED芯片以及波长转换材料层；其特征在于：至少两种波长的LED芯片，其中第一种LED芯片的峰值波长介于385~425nm之间，第二种芯片的峰值波长长于第一种LED芯片的峰值波长，所述波长转换材料层的发射光谱峰值波长介于440~700nm，所述波长转换材料层吸收由所述LED芯片射出的光而发出白光源。

Description

一种白光LED封装结构以及白光源系统
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种白光LED封装结构以及白光源系统。
背景技术
发光二极管（英文简称LED），是一种固体半导体发光装置。现有的LED发光装置普遍采用蓝光LED激发绿色、黄色、红色的荧光粉，以获得混合后的白光，但由于这种白光光谱不连续，导致某些显色指数低于90。并且现有蓝光芯片制作的白光LED存在明显的蓝光危害（如图1和2所示），引起业界及消费者的广泛争论。
采用紫光芯片或者近紫光芯片激发RGB三色荧光粉可以实现连续光谱，达到类似太阳光谱的效果（如图3和4所示）。但是换成紫光芯片后从紫光到绿光或者红光的波长差别大，导致斯托克斯损失大，使得光效降低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双芯片或者多芯片的白光LED封装结构以及白光源系统，包括：一种白光LED封装结构，包括：基板，LED芯片以及波长转换材料层；其特征在于：至少两种波长的LED芯片，其中第一种LED芯片的峰值波长介于385~425nm之间，第二种芯片的峰值波长长于第一种LED芯片的峰值波长介于440~460nm之间，所述波长转换材料层的发射光谱峰值波长介于450~700nm，所述波长转换材料层吸收由所述LED芯片射出的光而发出白光源。
本发明还提供另一种白光LED封装结构以及白光源系统，包括：基板，LED芯片以及波长转换材料层；其特征在于：至少两种波长的LED芯片，其中第一种LED芯片的峰值波长介于385~425nm之间，第二种芯片的峰值波长长于第一种LED芯片的峰值波长，所述波长转换材料层包含至少两种波长的波长转换材料，其中一种波长转换材料被第一种LED芯片激发，发射光谱波长介于440~600nm，另一种波长转换材料被第二种芯片激发，发射光谱波长介于500~700nm。
优选地，设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在380~780nm内，白光源满足以下关系式：>0.9，>0.75，其中=。
优选地，设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在510~610nm内，白光源满足以下关系式：>0.99，>0.9，其中=。
优选地，设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，P(λmax)为在380~780nm内的光强最大值，B(λmax)为在380~780nm内的黑体辐射的光强最大值，D1(λ)表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在510~610nm内，白光源满足以下关系式：D1(λ)=P(λ)/P(λmax)-B(λ)/B(λmax)，-0.15< D1(λ)<0.15。
优选地，设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，D2(λ)表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在400~500nm内，白光源满足以下关系式：D2(λ)= P(λ)/P(550nm) -B(λ)/B(550nm)，-0.25<D2(λ)<0.25。
优选地，所述第二种LED芯片的峰值波长介于440~460nm之间。
优选地，还包括第三种LED芯片，峰值波长介于550~570nm之间。
优选地，所述波长转换材料层至少包含两种激发发射光谱峰值波长的荧光粉。
优选地，所述波长转换材料层包含激发光谱峰值波长为400~425nm或425~460nm两种或更多种荧光粉。
优选地，所述波长转换材料层至少包含第一种、第二种、第三种不同的发射光谱峰值波长的荧光粉。
优选地，所述波长转换材料层包含发射光谱峰值波长为450~500nm或500~600nm或600~700nm三种或更多种荧光粉。
优选地，所述波长转换材料层的激发光谱较窄，介于30~80nm。
优选地，所述波长转换材料层在第一种LED芯片的峰值波长处的激发效率是70%以下，在第二种LED芯片的峰值波长处的激发效率是80%以上。
优选地，所述任意一种波长转换材料层发射的光被另一种波长转换材料层吸收的比例50%以下。
优选地，所述一种波长转换材料层发射的光在该波长转换材料层的发射的峰值波长处，其它波长转换材料层的激发效率是70%以下。
优选地，所述波长转换材料层混合在一起或者不完全混合。
优选地，所述至少两种波长的波长转换材料在空间上分离。
优选地，提供一种白光源系统，包括上述白光LED封装结构。
与现有技术相比，本发明提供的白光LED封装结构以及白光源系统，至少包括以下技术效果：
（1）比单紫光芯片的封装结构相比，实现更少的斯托克斯损失，具有更好的光效；
（2）达到高显色指数，显色指数R1~R15均大于90；
（3）减小蓝光危害。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是目前市场主流的白光LED封装结构示意图。
图2是主流白光LED的光谱和黑体辐射光谱的对比图。
图3是近太阳光白光LED封装结构示意图。
图4是近太阳光白光LED的光谱和黑体辐射光谱的对比图。
图5是实施例1的白光LED封装结构的剖面示意图。
图6是实施例1与比较例的发光光谱曲线图。
图7是实施例2的白光LED封装结构的剖面示意图。
图8是实施例2与比较例的D1(λ)曲线图。
图9是实施例2与比较例的D2(λ)曲线图。
图10是实施例3的白光LED封装结构的剖面示意图。
图11是实施例4的白光LED封装结构的剖面示意图。
图12是实施例5的白光LED封装结构的剖面示意图。
图13是实施例6的白光LED封装结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的白光LED封装结构进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。
除另有定义之外，本发明所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
实施例1
如图5所示，本实施例提供一种白光LED封装结构，包括：一基材(Base)；LED芯片位于基材上；波长转换材料层，位于LED芯片之上；其中LED芯片选用紫光芯片(Violet chip)和蓝光芯片(Blue chip)，紫光芯片波长为385~425nm，优选410~420nm，蓝光芯片波长为440~460nm，优选445~460nm，波长转换材料层可以包括两种波长的波长转换材料，其中一种波长转换材料被紫光LED芯片激发，发射光谱波长介于440~600nm，另一种波长转换材料被蓝光芯片芯片激发，发射光谱波长介于500~700nm，波长转换材料的发射光谱峰值波长介于450~700nm，波长转换材料层吸收由LED芯片射出的光而发出白光源。
具体来说，所述LED芯片固在基材(Base)上，LED芯片可以选择倒装芯片和/或正装芯片和/或者垂直芯片和/或高压芯片，或者前述任意组合之一，本实施例优选倒装芯片，基材(Base)是由具备静电和浪涌防护能力的材料制成，优选地，选用ZnO或ZnO为主体(包含掺杂其它金属)或CaSrZrO3或BaTiO3或BaSrTiO3等钛酸盐、锆酸盐材料，结构可以制作成多层片式压敏电阻(Multi~layer varistor)或者多层陶瓷电容器(Multi~layer ceramiccapacitor)。
LED芯片的上方，披覆波长转换材料层。波长转换材料层，可以选择不同激发光谱峰值波长的荧光粉，比如激发光谱峰值波长为400~425nm或425~460nm两种或更多种荧光粉，激发光谱较窄，介于30~80nm之间；可以选择不同发射光谱峰值波长的荧光粉，比如发射光谱峰值波长为450~500nm或500~600nm或600~700nm三种或更多种荧光粉。本实施波长转换材料层优选B(Blue，蓝色)、G(Green，绿色)和R(Red，红色)三种荧光粉，B荧光粉、G荧光粉、R荧光粉完全混合覆盖在紫光芯片和蓝光芯片上。B荧光粉选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射波长450~500nm，优选460nm左右的蓝光波长；G荧光粉可选择Lu3Al5O12:Ce3+ Phosphors(荧光粉)：激发波长为450nm，LuAG几乎不吸收紫光（吸收率大大低于50%），发射波长为550nm左右；或者选择掺Eu的碱土硅酸盐 Phosphors(荧光粉)：最大激发波长410nm，发射波长500~600nm之间，优选540~560nm；R荧光粉可选择AEC:Eu2+(AE=Ca and Sr)Phosphors(荧光粉)，其中以AE=Ca效果最佳：激发波长在450nm左右，在410~420nm的条件下，波长强度较小，即在该410~420nm波长处，该R荧光粉的激发效率是70%以下；发射波长600nm以上，优选600~700nm。
如图6所示，比较例选用常规的蓝光LED以及荧光粉制作的白光源，由于其蓝光峰值较高，很难形成较为连续的光谱，而本实施例选用蓝光和紫光LED以及多种荧光粉制作的白光源，发光光谱比较接近自然光(Sunlike)。如表1所示，设白光源的发光光谱为P(λ)，与白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，用于表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在380~780nm范围内，本实施例制作的白光源满足以下关系式：===0.925>0.9，=0.751>0.75，而比较例选用现有常规的蓝光LED以及荧光粉制作的普通白光源，比值=0.852<0.9，=0.529<0.75；用于表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在510~610nm范围内，本实施例制作的白光源满足以下关系式：==0.999>0.99，=0.984>0.9，其中510~610nm为人眼视觉函数之明视觉光谱光视效率V(λ)的FWHM对应的波长范围，而比较例选用现有常规的蓝光LED以及荧光粉制作的普通白光源，比值=0.941<0.99，=0.853<0.9。由此可以看出，本实施例制作的白光源发出的发光光谱比较接近自然光(Sunlike)。
表1：本实施例制作的白光源与比较例制作的白光源的比值cosθ、cosα对比
本实施例提供的白光LED封装结构制作成白光源系统，比单紫光芯片的封装结构相比，实现更少的斯托克斯损失，具有更好的光效；减小蓝光危害；达到高显色指数，显色指数R1~R15均大于90；可以适用于在陆路上或者空中或者海洋上等诸如局部探照、信号识别等，也可以是日常应用，诸如液晶显示器( LCD )以及一般照明设备的背光，特别适用于手机、相机闪光灯等。
实施例2
如图7所示，与实施例1的区别在于，本实施例的G荧光粉和R荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，而B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上。具体来说，紫光芯片波长为410nm~420nm，蓝光芯片波长为445nm~460nm。B荧光粉选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射出460nm左右的蓝光波长。G荧光粉可选择Lu3Al5O12:Ce3+ Phosphors：激发波长为450nm，LuAG几乎不吸收紫光，发射波长为550nm左右。R荧光粉可选择AEC:Eu2+(AE=Ca and Sr) Phosphors，其中以AE=Ca效果最佳：激发波长在450nm左右，激发效率较高（高于80%），在410nm~420nm的条件下，波长强度较小，激发效率较低（低于70%）；发射波长大于600nm。G荧光粉激发波长大于420nm，所以将G荧光粉和R荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上。
如图8所示，设白光源的发光光谱为P(λ)，与白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，P(λmax)为在380~780nm内的光强最大值，B(λmax)为在380~780nm内的黑体辐射的光强最大值，D1(λ)用于表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在510~610nm内，即人眼明视觉函数的半波宽范围内，本实施例制作的白光源满足以下关系式：D1(λ)=P(λ)/P(λmax)-B(λ)/B(λmax)，-0.15<D1(λ)<0.15。而比较例选用现有常规的蓝光LED以及荧光粉制作的普通白光源，其白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值D1(λ)介于-0.4~-0.3之间。由此可见，本实施例选用紫光LED和蓝光芯片以及R、G和B多种荧光粉制作的白光源，其白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值D1(λ)介于-0.15~0.15之间，即相对于比较例，D1(λ)明显较小，发光光谱比较接近自然光。
如图9所示，设白光源的发光光谱为P(λ)，与白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，D2(λ)用于表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在400~500nm范围内，本实施例制作的白光源满足以下关系式：D2(λ)=P(λ)/P(550nm)-B(λ)/B(550nm)，-0.25<D2(λ)<0.25。而比较例选用现有常规的蓝光LED以及荧光粉制作的普通白光源，其白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值D2 (λ)介于-0.5~+0.7之间。由此可见，本实施例选用紫光LED和蓝光芯片以及R、G和B多种荧光粉制作的白光源，其白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值D2介于-0.15~+0.15之间，即相对于比较例，D2明显较小，发光光谱比较接近自然光。
常规的蓝光LED以及荧光粉制作的普通白光源，其蓝光芯片能量转化率较高，光效较好，但是由于其蓝光峰值较高，比较难形成较为连续的光谱，而紫光芯片可实现如同Sunlike的光谱的，但是光效却较低。因此，本实施例将这两种芯片固在同一个基材上（如碗杯），选择不吸收紫光但吸收蓝光的荧光粉进行封装，同时为了达到Sunlike光谱，选择激发波长在450nm左右的红色荧光粉和黄绿色荧光粉对蓝光芯片进行封装，选择激发波长在410~420nm的蓝色荧光粉对紫光芯片进行封装，进而得到白光。
实施例3
如图10所示，与实施例1的区别在于，本实施例的GY（黄绿）荧光粉和B荧光粉混合覆盖在紫光芯片上，而R荧光粉单独覆盖在蓝光芯片上。具体来说，紫光芯片波长为410~420nm，蓝光芯片波长为445~460nm。B荧光粉选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射出460nm左右的蓝光波长。GY荧光粉可选择掺Eu的碱土硅酸盐 Phosphors:最大激发波长410nm，发射波长500~600nm之间激发效率达到最高。R荧光粉可选择AEC:Eu2+(AE=Ca andSr) Phosphors，其中以AE=Ca效果最佳：激发波长在450nm左右，在410~420nm的条件下，波长强度较小，激发效率较低（低于70%）；发射波长大于600nm。GY最大激发波长小于420nm ，所以将GY荧光粉和B荧光粉混合覆盖在紫光芯片上，R荧光粉单独覆盖在蓝光芯片上。
实施例4
如图11所示，与实施例1的区别在于，本实施例的B荧光粉、G荧光粉、R荧光粉分别单独覆盖在V芯片、B芯片、G芯片上。具体来说，紫光芯片波长410~420nm，蓝光芯片波长445~460nm，绿光芯片波长520~570nm。B荧光粉选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射出460nm左右的蓝光波长。G荧光粉可选择Lu3Al5O12:Ce3+ Phosphors：激发波长为450nm，LuAG几乎不吸收紫光（吸收率大大低于50%），发射波长为550nm左右。R荧光粉可选择CaAlSiN3:Eu2+(CASN) Phosphors：较大的两个激发波长为450nm左右和550nm左右，发射波长大于600nm。B荧光粉在410nm达到最大激发效率（高于80%），G荧光粉在450nm 左右达到最大激发效率（高于80%），R荧光粉在550nm达到最大激发效率（高于80%）。因而B荧光粉、G荧光粉、R荧光粉分别单独覆盖在V芯片、B芯片、G芯片上。
实施例5
如图12所示，与实施例1的区别在于，本实施例的G荧光粉、R荧光粉和C(青色，Cyan) 荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，而B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上。具体来说，紫光芯片波长为410nm~420nm，蓝光芯片波长为445nm~460nm。B选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射出460nm左右的蓝光波长。C选择LMGN~490~B：激发波长为460nm，发射波长为500nm左右。G可选择Lu3Al5O12:Ce3+ Phosphors：激发波长为450nm，LuAG几乎不吸收紫光，发射波长为550nm左右。R可选择AEC:Eu2+(AE=Ca and Sr) Phosphors，其中以AE=Ca效果最佳：激发波长在450nm左右，在410~420nm的条件下，波长强度较小；发射波长大于600nm。G荧光粉激发波长大于420nm，所以将G荧光粉、R荧光粉和C荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上。需要说明的是，B荧光粉、G荧光粉、C荧光粉、R荧光粉可分开覆盖，也可以全部混合封装。
实施例6
如图13所示，与实施例1的区别在于，本实施例的G荧光粉和R荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上；此外在荧光粉上设置一阻隔水汽和空气的保护层（Protection），保护封装基材(Base)上的金属不被硫化。具体来说，紫光芯片波长为410~420nm，蓝光芯片波长为445~460nm。B荧光粉选择激发波长为390nm，能更好地吸收紫光，发射出460nm左右的蓝光波长。G荧光粉可选择Lu3Al5O12:Ce3+ Phosphors：激发波长为450nm，LuAG几乎不吸收紫光（吸收率大大低于50%），发射波长为550nm左右。R可选择AEC:Eu2+(AE=Ca and Sr) Phosphors，其中以AE=Ca效果最佳：激发波长在450nm左右，在410~420nm的条件下，波长强度较小；发射波长大于600nm。G荧光粉激发波长大于420nm，所以将G荧光粉和R荧光粉混合覆盖在蓝光芯片上，B荧光粉单独覆盖在紫光芯片上，即使得各荧光粉在空间上分离。
应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种白光LED封装结构，包括：基板，LED芯片以及波长转换材料层；其特征在于：至少两种波长的LED芯片，其中第一种LED芯片的峰值波长介于385~425nm之间，第二种芯片的峰值波长长于第一种LED芯片的峰值波长，所述波长转换材料层的发射光谱峰值波长介于440~700nm，所述波长转换材料层吸收由所述LED芯片射出的光而发出白光源。
2.一种白光LED封装结构，包括：基板，LED芯片以及波长转换材料层；其特征在于：至少两种波长的LED芯片，其中第一种LED芯片的峰值波长介于385~425nm之间，第二种芯片的峰值波长长于第一种LED芯片的峰值波长，所述波长转换材料层包含至少两种波长的波长转换材料，其中一种波长转换材料被第一种LED芯片激发，发射光谱波长介于440~600nm，另一种波长转换材料被第二种芯片激发，发射光谱波长介于500~700nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在380~780nm内，白光源满足以下关系式：>0.9，>0.75，其中=。
4.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的相似度，在510~610nm内，白光源满足以下关系式：>0.99，>0.9，其中=。
5.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，P(λmax)为在380~780nm内的光强最大值，B(λmax)为在380~780nm内的黑体辐射的光强最大值，D1(λ)表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在510~610nm内，白光源满足以下关系式：D1(λ)=P(λ)/ P(λmax)-B(λ)/B(λmax)，-0.15< D1(λ)<0.15。
6.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：设所述白光源的发光光谱为P(λ)，与所述白光源具有相同色温的黑体辐射的发光光谱为B(λ)，D2(λ)表征白光LED的光谱与黑体辐射光谱的差异值，在400~500nm内，白光源满足以下关系式：D2(λ)= P(λ)/P(550nm) -B(λ) /B(550nm)，-0.25<D2(λ)<0.25。
7.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述第二种LED芯片的峰值波长介于440~460nm之间。
8.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：还包括第三种LED芯片，峰值波长介于550~570nm之间。
9.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层至少包含两种激发发射光谱峰值波长的荧光粉。
10.根据权利要求9所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层包含激发光谱峰值波长为400~425nm或425~460nm两种或更多种荧光粉。
11.根据权利要求1或2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层至少包含第一种、第二种、第三种不同的发射光谱峰值波长的荧光粉。
12.根据权利要求11所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层包含发射光谱峰值波长为450~500nm或500~600nm或600~700nm三种或更多种荧光粉。
13.根据权利要求1所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层的激发光谱较窄，介于30~80nm之间。
14.根据权利要求1所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层在第一种LED芯片的峰值波长处的激发效率是70%以下，在第二种LED芯片的峰值波长处的激发效率是80%以上。
15.根据权利要求11所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述任意一种波长转换材料层发射的光被另一种波长转换材料层吸收的比例50%以下。
16.根据权利要求11所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述一种波长转换材料层发射的光在该波长转换材料层的发射的峰值波长处，其它波长转换材料层的激发效率是70%以下。
17.根据权利要求2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述波长转换材料层混合在一起或者不完全混合。
18.根据权利要求2所述的一种白光LED封装结构，其特征在于：所述至少两种波长的波长转换材料在空间上分离。
19.一种白光源系统，其特征在于：包括根据权利要求1至权利要求18中的任一项所述的白光LED封装结构。
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