CN113363369B - 一种led量子点散热翅片、led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED量子点散热翅片、LED及其制备方法，属于白光LED封装领域。本发明通过将量子点、硅胶以及高导热系数材料颗粒充分混合后按照翅片预设结构参数固化成型，所述翅片的结构具有空隙，以为LED芯片和金线留出空间以及用于在封装时填充荧光粉和硅胶，获得具有优良散热性能且几乎不影响光学性能的翅片，将该翅片应用于量子点白光LED的封装当中，可有效降低其工作温度，减少高温对量子点和LED发光性能的影响，提高其寿命和工作稳定性。

Description

一种LED量子点散热翅片、LED及其制备方法
技术领域
本发明属于白光LED封装领域，涉及一种强化LED中量子点散热的翅片，更具体地，涉及一种LED量子点散热翅片、LED及其制备方法。
背景技术
白光LED(white light-emitting diode)目前已经广泛应用于照明和显示领域。目前常用的白光LED由蓝光芯片和黄色荧光粉组成，具有高效、节能、绿色环保、安全可靠等优点。工作时，蓝光芯片出射蓝光，部分蓝光激发荧光粉产生黄光，而未被吸收的蓝光与这部分黄光混合形成白光。然而其发光光谱中缺少红光波段，导致其显色指数低，无法实现较高的照明质量。
近年来，量子点因为具有高光效、极窄的半峰全宽和可调的发射波长而受到了巨大的关注。将量子点应用于白光LED的封装中与荧光粉混合，实现具有红光、黄光和蓝光三光混合的白光LED。由此获得的量子点白光LED具有高发光效率和高显色指数，可以提供高质量的照明和显示，被誉为是最有前景的下一代照明显示设备。例如，CN201620909508.8和CN201120085772.1均采用了上述技术。
但是，在量子点白光LED的工作过程中，在量子点和荧光粉所处的发光层中存在光转化过程，会带来大量的热损失。而发光层主要为热导率极低的硅胶基质，使得产生的热量难以导出从而使热量聚集导致温度不断升高。然而量子点是一种对温度极其敏感的材料，过高的温度会导致量子点发光效率的下降，甚至会发生热淬灭(完全丧失发光能力)。而这也导致了量子点白光LED照明质量的下降，严重阻碍了其进一步应用。然而目前针对量子点的封装内热管理手段较为复杂，并且缺乏有效性。
针对上述问题，CN201711407264.9提出了在量子点+荧光粉+硅胶形成的混合胶体中引入高导热系数材料颗粒，并通过工艺处理使量子点和高导热系数材料颗粒带相反电荷从而使量子点吸附在高导热系数材料颗粒上，以大幅提升量子点的散热能力，降低白光LED的工作温度。虽然该方案相比于CN201620909508.8和CN201120085772.1等传统封装技术的热管理效果较好、光转换效率较高，但是由于高导热系数材料颗粒具有较好的反射和散射效果，会引起一定程度上的光损失。并且，为了使量子点吸附在高导热系数材料颗粒表面，额外增加了处理工艺，制程仍显复杂。
因此，需要设计一种新的方案针对量子点白光LED中的量子点进行有效的热管理，从而实现量子点白光LED热稳定性的提高并简化工艺。
发明内容
针对现有的量子点白光LED在应用时存在的以上问题，本发明设计了一种LED量子点散热翅片、LED及其制备方法，其目的在于，在保证量子点白光LED热稳定性的前提下简化工艺。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种LED量子点散热翅片的制备方法，将量子点、硅胶以及高导热系数材料颗粒充分混合后按照翅片预设结构参数固化成型，所述翅片的结构具有空隙，以为LED芯片和金线留出空间以及用于在封装时填充荧光粉和硅胶。
进一步地，所述空隙的大小和位置根据待封装LED的LED芯片和金线位置、尺寸设计。
进一步地，根据待封装LED的LED芯片和金线位置、尺寸，以提高散热为目标，通过仿真优化确定翅片壁厚以及空隙的宽度。
进一步地，所述量子点的材料为纳米级半导体发光材料。
进一步地，所述高导热系数材料颗粒为氮化硼、氮化铝或氧化铝。
进一步地，高导热系数材料颗粒的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的5％～25％；量子点的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的0.3％～5％。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了按照如前任一项所述的制备方法获得的LED量子点散热翅片。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种LED，包括如前所述的LED量子点散热翅片。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了前述LED的制备方法，在待封装LED模块中装入如前所述的LED量子点散热翅片，并填充均匀混合的荧光粉与硅胶混合胶体，然后固化成型。
进一步地，根据待封装LED模块的温度分布图，在温度较高的区域设置具有较高散热能力的LED量子点散热翅片。
总体而言，本发明所构思的以上增强LED中量子点散热的氮化硼翅片，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过将量子点、高导热系数材料颗粒以及硅胶混合固化形成散热翅片，不仅保留了高导热系数材料颗粒对量子点的优良散热性能，而且免去了复杂的材料改性处理工艺，在保证优良散热性能的同时大大降低了制备成本和工艺难度，更适于实际应用。同时，由于该LED量子点散热翅片具有为LED芯片和金线留出空间以及用于在封装时填充荧光粉和硅胶的孔隙，在完成LED封装之后，大幅减少了LED芯片与荧光粉之间的高导热系数材料颗粒对光传播的阻碍，大幅减少了高导热系数材料颗粒对荧光粉发光的反射及折射，从而通过简单的化学物理方法，可制备出具有高导热性能和极小光吸收效应的翅片，在保留优良散热性能的同时减小光损失并提高量子点白光LED的热稳定性。
2、通过仿真模拟针对不同的LED模块对LED量子点散热翅片具体的结构参数进行优化，能够更大限度地发挥该翅片的优良光热性能，从而设计出具有优良散热性能并且几乎不影响LED光学性能的散热翅片。利用该翅片优良的光热性能，能够增强LED中量子点的散热，同时保障其光学性能，减少过高温度对量子点和LED发光性能的影响。
3、高导热系数材料颗粒的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的5％～25％；量子点的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的0.3％～5％，该含量配比能够使混合胶体以尽可能少的高导热系数材料与量子点的比例获得能够实现有效降温的较高的热导率。
4、本发明将量子点和高导热系数材料颗粒集中于LED量子点散热翅片中，而将荧光粉集中于LED量子点散热翅片的空隙内，在保证良好量子点散热性能的前提下，不仅可以大幅减少高导热系数材料颗粒的反射与散射带来的光损失，还可以针对集成式+阵列式LED封装中发热不均匀的情况分别设计不同散热性能的多个翅片，对应于发热不同的区域进行设置并封装，从而进一步改善热稳定性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明提出的翅片的制备流程示意图。
图2为本发明实施例1提出的针对圆形、芯片集中布置的LED模块所设计的圆形翅片以及相应的LED模块。
图3为本发明实施例2提出的针对方形、芯片分散布置的LED模块所设计的方形翅片以及相应的LED模块。
图4为图1的翅片结构立体示意图。
图5为通过仿真模拟对翅片的结构进行优化的结果，优化的对象为实施例1中翅片壁的数量以及翅片的壁厚，在翅片数量、位置已根据LED芯片位置确定的情况下，优化翅片壁厚与优化翅片空隙宽度是等价命题；其中，图(a)为翅片壁厚改变时相对应的装有翅片的白光LED的最大工作温度，图(b)为具有不同数量的翅片壁的翅片结构示意简图，图(c)分别为三种具有最佳壁厚的翅片的白光LED的温度分布图。
图6为按照本发明的方法和按照传统封装方法获得的量子点白光LED进行串联通电测试测到的温度对比图，QDs-AF-WLEDs是本发明的带有翅片的量子点白光LED；QDs-WLEDs是由传统的方式封装(将量子点、荧光粉和硅胶直接混合进行封装)得到的量子点白光LED；其中，图(a)是温度-电流曲线对比图，图(b)是QDs-AF-WLEDs和QDs-WLEDs的串联结构示意图，通过串联使其激励电流相同，图(c)～(e)分别是激励电流100mA、600mA、1000mA下的温度分布图。
图7为两种白光LED的光学性能对比；其中，图(a)是光谱对比图，结果表明两者的光谱分布一致；图(b)为显色指数对比，可以看到，随电流升高，两者的显色指数保持了高度的一致。
图8为按照CN201711407264.9制备的白光LED与QDs-AF-WLEDs的温度分布对比图，其中，图(a)是按照CN201711407264.9制备的白光LED的温度分布，图(b)是QDs-AF-WLEDs的温度分布。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中：
1001-量子点、1002-高导热系数材料颗粒、1003-硅胶基底、1004-翅片、2001-圆形翅片、2002-圆形LED模块、2003-装配圆形翅片的LED模块、3001-方形翅片、3002方形LED模块、3003-装配方形翅片的LED模块。
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。
图1为本发明提出的LED量子点散热翅片的制备流程示意图，主要包括量子点1001、高导热系数材料颗粒1002和硅胶1003的混合，以及混合胶体的结构成型和固化。量子点1001、高导热系数材料颗粒1002和硅胶1003混合均匀后获得混合胶体，填入翅片模具中，经固化后制得具有较高热导率和较小的光吸收效应的散热翅片(如图4)。
优选地，所述的混合胶体的固化成型是将其倒入翅片模具中实现的。
优选地，对混合胶体抽真空，所述的抽真空是在量子点1001、高导热系数材料颗粒1002和硅胶1003混合完成后以及混合胶体倒入模具中后两个阶段分别进行的。
优选地，所述量子点1001为纳米级半导体发光材料；所述的高导热系数材料颗粒1002为氮化硼、氮化铝或氧化铝，优选为片状六方氮化硼；所述的硅胶是具有光学透明性的的硅胶。
优选地，高导热系数材料颗粒的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的5％～25％；量子点的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的0.3％～5％。
将该翅片应用于白光LED的封装中，可将量子点发光时的产热快速导向LED底部的热沉，从而有效降低LED的工作温度，减少过高温度对量子点和LED发光性能的影响，提高其寿命和工作稳定性。
优选地，所述翅片应用于白光LED的封装，可根据具体的LED模块的结构(形状、芯片布置方式、金线走向等)来对其进行结构设计。所述翅片的结构应具有大量空隙，在LED封装时，用于填充荧光粉和硅胶，以及为LED芯片和金线留出空间。优选地，通过模拟优化的具体参数主要为翅片壁厚和空隙宽度。
本发明中，LED量子点散热翅片优选的制备方法是：
(1)将量子点、高导热系数材料颗粒和硅胶混合均匀得到混合胶体；
(2)将混合胶体抽真空完全除去其中的气泡后，填入翅片模具中，再次抽真空去除填胶过程中引入的气泡；
(3)将混合胶体完全固化。
本发明中，嵌入LED量子点散热翅片的白光LED的制备方法是：
(1)将LED量子点散热翅片装入LED模块中；
(2)将荧光粉与硅胶混合均匀后得到荧光胶体，抽真空除去其中气泡；
(3)将荧光胶体灌入装有翅片的LED模块中，再次抽真空除去其中的气泡；
(4)将LED模块完全固化。
本发明中，嵌入强化量子点散热的翅片的白光LED具有较强的散热性能和良好的发光性能，同时能够减少光损失。
【实施例1】
本实施例针对圆形LED模块选用圆形翅片，所述的圆形翅片其结构根据圆形LED模块进行设计并优化得到。所述圆形翅片中间存在的较大空隙是为避免与圆形LED模块集中布置的芯片干涉以及破坏芯片的金线；所述圆形翅片的空隙包括中间存在的较大的空隙可用于填充荧光粉硅胶以完成白光LED的封装。本实施例中量子点材料为CdSe/Zn核/壳结构的红色量子点，占量子点+氮化硼+硅胶胶体质量分数为0.9％，高导热系数材料颗粒为片状六方氮化硼，占量子点+氮化硼+硅胶胶体质量分数为15％，荧光粉材料为YAG:Ce黄色荧光粉，占荧光胶体质量分数为10％。如图2及图5所示，本实施例选用4翅片壁，经仿真优化得到最佳壁厚0.28mm。
采用上述方法获得的翅片封装得到的白光LED记为QDs-AF-WLEDs，翅片的热导率0.274W/(m·K)，荧光胶体的热导率为0.18W/(m·K)。
【实施例2】
如图3所示，本实施例针对方形LED模块选用方形翅片，所述的方形翅片其结构根据方形LED模块进行设计并优化得到。所述方形翅片中部存在的4个较大的矩形空隙是为避免与方形LED模块分散布置的芯片干涉以及破坏芯片的金线；所述方形翅片的空隙包括中部存在的4个较大的矩形空隙可用于填充荧光粉硅胶以完成白光LED的封装。
【对比例1】
与实施例1采用完全相同的LED芯片模组，区别仅在于由传统的方式封装，即将量子点、荧光粉和硅胶(材料均与实施例1完全相同)直接混合进行封装。其中，量子点占量子点+荧光粉+硅胶混合胶体的质量分数为0.23％，荧光粉占量子点+荧光粉+硅胶混合胶体的质量分数为10％。
【对比例2】
与实施例1采用完全相同的LED芯片模组，区别仅在于按照CN201711407264.9的方法进行封装，此外，通过配比调整使得胶体基质、荧光粉和量子点复合材料混合而成的荧光胶体的热导率与实施例1的散热翅片热导率一致，以便于对比散热效果和光损失，实际调配得到的荧光胶体热导率为0.27W/(m·K)。
下面是对照实验的测试结果说明：
图5为通过仿真模拟对翅片的结构进行优化的结果，优化的对象为实施例1中翅片壁的数量以及翅片的壁厚。
从图5的(a)～(c)中可以得出：白光LED的最大工作温度随翅片壁厚的增加是先降低后增大的，存在一个最佳值，并且具有不同翅片壁数量的翅片，其最佳壁厚也不相同。因此，为了获得最佳效果，可以通过这种仿真模拟的方式来选择最佳翅片数量及壁厚。实施例2的优化设计与此同理。
图6为实施例1和对比例1的温度对比。图(a)中的两个图片分别是制备得到的散热翅片在日光和紫外光照射下的情况。QDs-AF-WLEDs是本发明的带有翅片的量子点白光LED；QDs-WLEDs是由传统的方式封装(将量子点、荧光粉和硅胶直接混合进行封装)得到的量子点白光LED，用作对照，用于说明加入翅片后的白光LED在实现了降温的同时，光学性能没有受到大的影响。
图6的(a)为QDs-AF-WLEDs和QDs-WLEDs在不同电流下的两种LED的温度曲线。由图6的(a)～(e)可知加入了翅片的白光LED温度相比与传统的白光LED产生了明显的下降，随着激励电流的增强，最高实现了20℃的降温。温度对比结果表明本发明的散热翅片相比于传统的LED封装技术具有明显的降温效果，并且LED功率越高本发明的降温效果越显著。
图7为实施例1和对比例1的两种白光LED的光学性能对比。图7的(a)是QDs-AF-WLEDs和QDs-WLEDs的光谱对比图，结果表明两者的光谱分布一致；图7的(b)为QDs-AF-WLEDs和QDs-WLEDs的显色指数对比，可以看到，随电流升高，两者的显色指数保持了高度的一致。
显色指数的数据点列表如下：
显色指数
激励电流(mA) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
QDs-AF-WLEDs 88.3 87 85.5 85 84.1 83.6 82.4 81.8 81 80.4
QDs-WLEDs 88.5 86.6 85.1 84.3 83.4 82.8 81.8 81.3 80.5 79.9
此外，QDs-AF-WLEDs和QDs-WLEDs的相关色温对比数据如下：
相关色温(K)
激励电流(mA) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
QDs-AF-WLEDs 5572 5609 5653 5653 5693 5732 5778 5834 5883 5929
QDs-WLEDs 5415 5471 5518 5538 5572 5629 5663 5714 5760 5816
相关色温主要反应的是光源的颜色。两者的相关色温非常接近，说明两者发出的光颜色相同，加入散热翅片后没有对光源颜色造成较大影响。
以上结果说明，加入散热翅片后的白光LED其光学性能得到了较好的维持，在提高量子点散热能力的同时，光谱、显色指数和相关色温的对比结果表明散热翅片的结构设计能够明显减少因高导热系数颗粒反射和散射带来的光损失。
图8为实施例1和对比例2的两种白光LED的温度分布对比。图8的(a)是对比例2的白光LED的温度分布，(b)是QDs-AF-WLEDs的温度分布。由于实施例1中QDs-AF-WLEDs翅片的热导率为0.274W/(m·K)，荧光胶体的热导率为0.18W/(m·K)，而对比例2荧光胶体的热导率为0.27W/(m·K)，理论上在完成LED封装之后，实施例1的散热效果应当显著弱于对比例2，但是出乎预料地，由图8可知，二者的实际散热效果几乎相同。
此外，由于本发明中高导热系数材料颗粒分布于散热翅片内，而荧光粉分布于散热翅片的空隙内且该空隙对应于LED芯片位置，大大减少了由于高导热系数材料颗粒对光线的反射和散射造成的光损失，并且制备方法特别简单，无需对量子点和高导热系数材料进行特殊表面处理，因此本发明在整体上仍显著优于对比例2所采用的封装方法。
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 (10)

1.一种LED量子点散热翅片的制备方法，其特征在于，将量子点、硅胶以及高导热系数材料颗粒充分混合后按照翅片预设结构参数固化成型为翅片，所述翅片的结构具有空隙，以为LED芯片和金线留出空间以及用于在封装时填充荧光粉和硅胶。
2.如权利要求1所述的一种LED量子点散热翅片的制备方法，其特征在于，所述空隙的大小和位置根据待封装LED的 LED芯片和金线的位置、以及尺寸设计。
3.如权利要求2所述的一种LED量子点散热翅片的制备方法，其特征在于，根据待封装LED的LED芯片和金线的位置、以及尺寸，以提高散热为目标，通过仿真优化确定翅片壁厚以及空隙的宽度。
4.如权利要求1~3任一项所述的一种LED量子点散热翅片的制备方法，其特征在于，所述量子点的材料为纳米级半导体发光材料。
5.如权利要求1~3任一项所述的一种LED量子点散热翅片的制备方法，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。
6.如权利要求1~3任一项所述的一种LED量子点散热翅片的制备方法，其特征在于，高导热系数材料颗粒的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的5%~25%；量子点的质量分数为量子点、硅胶与高导热系数材料颗粒混合胶体的0.3%~5%。
7.按照权利要求1~6任一项所述的制备方法获得的LED量子点散热翅片。
8.一种LED，其特征在于，包括权利要求7所述的LED量子点散热翅片。
9.一种如权利要求8所述的LED的制备方法，其特征在于，在待封装LED模块中装入所述的LED量子点散热翅片，并填充均匀混合的荧光粉与硅胶混合胶体，然后固化成型。
10.如权利要求9所述的LED的制备方法，其特征在于，根据待封装LED模块的温度分布图，在温度较高的区域设置具有较高散热能力的LED量子点散热翅片。
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