CN115893858A

CN115893858A - 荧光玻璃陶瓷及其制备方法以及led灯

Info

Publication number: CN115893858A
Application number: CN202211668028.3A
Authority: CN
Inventors: 何锦华; 梁超; 符义兵; 李凯
Original assignee: Jiangsu Borui Photoelectric Co ltd; Jiangsu Chengruida Photoelectric Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Borui Photoelectric Co ltd; Jiangsu Chengruida Photoelectric Co Ltd
Priority date: 2022-12-23
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2042-12-23
Also published as: CN115893858B

Abstract

本申请公开了一种荧光玻璃陶瓷及其制备方法以及LED灯。用于LED灯的荧光玻璃陶瓷，包括玻璃基体、荧光粉和导热填料；其中，所述玻璃基体的原料的摩尔百分含量为：SiO₂：5％‑20％、B₂O₃：10％‑35％、ZnO：20％‑65％、P₂O₅：0.3％‑15％、R₂O：0.1％‑15％，R₂O为Li₂O、Na₂O、K₂O中的至少一种或其组合。本申请采用低熔点的锌硼硅酸盐玻璃，烧结温度低，防止橙红光的荧光粉在高温下易劣化。通过将玻璃粉、荧光粉和导热填料混合，采用低温共烧结法制备荧光玻璃陶瓷，有利于提高生产效率。通过添加氧化铝或氮化铝粉体填料，能够提高导热率，同时提高了荧光玻璃陶瓷对蓝光的萃取效率。

Description

荧光玻璃陶瓷及其制备方法以及LED灯

技术领域

本申请涉及LED灯封装技术领域，尤其涉及一种荧光玻璃陶瓷及其制备方法以及LED灯。

背景技术

LED光源具有环保、节能、高效、寿命长、易维护等特点，被称为将超越白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯的第四代照明光源，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。LED光源的封装作为LED产业链中承上启下的重要一环，是推进半导体照明和显示走向实用化的核心制造技术。

相关技术中，LED光源的封装工艺是将荧光粉与环氧树脂或硅胶按照一定的比例混合，搅拌均匀后涂于芯片的表面，形成类似于球冠状的涂层。这种工艺和封装结构存在着明显的缺陷。首先是封装材料的选择，环氧树脂和硅胶具有低的热导率，并且耐热性差，容易老化，这使得环氧树脂外壳不能承受LED长期工作，导致现有LED很难适用于高功率和高温环境的使用，很大程度上限制了其应用范围；其次是LED工作时由于热量的累积，胶体涂层中的荧光粉可能出现热猝灭现象，进而影响LED的发光效率和显色性。另外，涂层的结构也存在严重的问题，由于难以对荧光粉的涂覆厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致。因此，发展新型的荧光材料和优化封装结构具有十分重要的意义。

发明内容

本申请实施例提供一种用于LED灯的荧光玻璃陶瓷及电子设备，能够解决荧光玻璃陶瓷用于LED灯光谱较窄的问题。

第一方面，本申请提供了一种用于LED灯的荧光玻璃陶瓷，包括：玻璃基体、荧光粉和导热填料；

其中，所述玻璃基体的原料的摩尔百分含量为：

SiO₂：5％-20％、B₂O₃：10％-35％、ZnO：20％-65％、P₂O₅：0.3％-15％、R₂O：0.1％-15％，R₂O为Li₂O、Na₂O、K₂O中的至少一种或其组合。通过调整玻璃网络形成体(SiO₂和P₂O₅)、网络中间体(ZnO)和网络外体R₂O之间的含量，使玻璃基体的原料具有成玻性和透明性的前提下，降低软化温度，进而使玻璃基体、荧光粉和导热填料三者可以在较的温度下烧结形成致密的荧光玻璃陶瓷，防止高温下荧光材料的劣化；此外减少Li₂O或Na₂O的用量，降低碱金属离子在玻璃基体、荧光粉和导热填料三者共烧结时对荧光材料的侵蚀。

另外，使用玻璃材质作为荧光玻璃陶瓷的封装基体，使荧光玻璃陶瓷具有良好的导热率、良好的机械性能、良好的热力学性能和化学稳定性。

在一些示例性的实施例中，基于所述荧光玻璃陶瓷，所述玻璃基体的质量百分含量为A，A满足50％≤A≤94.5％，例如，A可以为55％、78％、85％、89％或90％等。

在一些示例性的实施例中，基于所述荧光玻璃陶瓷，所述荧光粉的质量百分含量为B，B满足5％≤B≤40％，在该范围内便于控制荧光粉和玻璃基体的含量在合适的范围内，一方面能够满足荧光需求，实现多种类型的荧光粉的添加，丰富显色效果，另一方面能够满足结构强度和稳定性需求。例如，B可以为6％、11％、23％、29％或35％等。

在一些示例性的实施例中，基于所述荧光玻璃陶瓷，所述导热填料的质量百分含量为C，C满足0.5％≤C≤10％，使制得的荧光玻璃陶瓷具有良好的散热效率，降低荧光玻璃陶瓷用于LED灯的热量积累。例如，C可以为1％、2.8％、4％、5％或8％等。

在一些示例性的实施例中，所述荧光粉包括：黄绿光发射荧光粉和橙红光发射荧光粉。

在一些示例性的实施例中，所述荧光粉中，所述黄绿光发射荧光粉的质量为a1，所述橙红光发射荧光粉的质量为a2，a1和a2满足：3≤a1/a2≤15。

在一些示例性的实施例中，所述黄绿光发射荧光粉包括β-Sialon:Eu²⁺、AlON:Mn²⁺和(Lu,Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺中的一种或其组合；所述橙红光发射荧光粉包括α-SiAlON:Eu²⁺、(Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺和(Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu²⁺中的一种或其组合。

在一些示例性的实施例中，所述导热填料包括氧化铝粉体或氮化铝粉体。其中，氮化铝和氧化铝具有良好的导热系数，利于散热。另外，氧化铝和氮化铝的禁带宽度较宽，对可见光的吸收较少，因此能够有效降低荧光粉被激发出荧光前后的光损耗。

第二方面，本申请实施例提供一种LED灯，包括：

如上所述的荧光玻璃陶瓷；及

光功率基底，具有出光面，所述荧光玻璃陶瓷设于所述出光面。光功率基底包括蓝光芯片或紫外光芯片等，光功率基底的光线激发荧光粉产生对应的荧光。

第三方面，本申请实施例提供一种用于LED灯的荧光玻璃陶瓷的制备方法，包括：

将玻璃基体的原料混匀后进行熔制处理，获得熔融的玻璃熔料；

将所述玻璃熔料倒入冷却介质中，获得玻璃碎块；

将所述玻璃碎块进行研磨，获得玻璃粉；

将所述玻璃粉、荧光粉和导热填料混匀，置于空气气氛进行烧结处理，冷却后，获得荧光玻璃陶瓷；

其中，所述玻璃基体的原料的摩尔百分含量为SiO₂：5％-20％、B₂O₃：10％-35％、ZnO：20％-65％、P₂O₅：0.3％-15％、R₂O：0.1％-15％，R₂O为Li₂O、Na₂O、K₂O中的至少一种或其组合。

当荧光玻璃陶瓷应用于LED灯时，对荧光玻璃陶瓷进行切片、研磨、抛光处理，获得厚度为0.2mm的荧光玻璃陶瓷基片，将荧光玻璃陶瓷基片进行切割处理，获得长×宽为1mm×1mm的荧光玻璃陶瓷片，再将荧光玻璃陶瓷片贴装于光功率基底的出光面，有助于提高封装效率，且发光均匀，耐候性能好。

在一些示例性的实施例中，所述熔制处理的温度为900℃-1300℃、时间为1h-4h，在该温度范围内玻璃基体的原料能够充分的熔融，有助于提高熔融处理后的玻璃基体的均匀稳定性。例如，熔制处理的温度为900℃、1000℃、1150℃、1200℃、1250℃或1300℃等，熔制处理的时间为1h、1.5h、2h、2.5h、3h或4h等。

在一些示例性的实施例中，所述烧结处理的温度为400℃-700℃、时间为15min-2h。例如，烧结处理的温度为400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或700℃等。

在一些示例性的实施例中，所述制备方法还包括：将所述玻璃粉、所述荧光粉和所述导热填料混匀，并进行压坯处理，获得素坯体，将所述素坯体置于空气气氛进行所述烧结处理，以便烧结后对荧光玻璃陶瓷进行裁切获得所需形状的荧光玻璃陶瓷片。

基于本申请实施例的荧光玻璃陶瓷及其制备方法以及LED灯，至少具有如下有益效果：

1.本申请制备的荧光玻璃陶瓷显示指数高，发光效率高，发光均匀，耐候性能好，安全环保，易加工，应用于高功率照明领域，具有广阔的市场前景，有利于推广应用。

2.本申请采用低熔点的锌硼硅酸盐玻璃作为主要玻璃基体，烧结温度低，有效防止了发射橙红光的氮(氧)化物荧光粉在高温下易劣化的问题，同时降低了生产成本。

3.本申请将玻璃粉、荧光粉和导热填料混合，采用低温共烧结法制备荧光玻璃陶瓷，简化了制备工艺，缩短了生产周期，易大规模生产，有利于提高生产效率，降低生产成本。

4.本申请通过在玻璃基体中添加氧化铝或氮化铝粉体填料，能够提高荧光玻璃陶瓷的导热率，进而提高荧光玻璃陶瓷的热稳定性，同时提高了荧光玻璃陶瓷对蓝光的萃取效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1至3制得的荧光玻璃陶瓷片封装于蓝光芯片的光谱图；

图2为本申请实施例2制得的荧光玻璃陶瓷的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

实施例1

(1)按照摩尔比为15:25:40:10:4:6称取玻璃基体的原料SiO₂、B₂O₃、ZnO、P₂O₅、Na₂O和K₂O，并置于三维混料机中混合均匀，倒入石英坩埚中，放入马弗炉中进行熔制处理，熔制处理的温度为1100℃、时间为1h，获得熔融的玻璃熔料。

(2)将熔融的玻璃熔料倒入冷却介质水中，进行冷却，获得玻璃碎块。

(3)将玻璃碎块进行研磨，获得玻璃粉，玻璃粉的平均粒径为8μm。

(4)将玻璃粉、GaYAG:Ce³⁺绿色荧光粉、α-SiAlON:Eu²⁺橙色荧光粉和氧化铝粉体按质量比为78:16:5:1混合均匀，置于模具中，轴向施压进行压坯处理，成型为素坯体。

(5)将素坯体脱模后，置于马弗炉中于空气气氛进行烧结处理，烧结处理温度为550℃、时间为30min，自然冷却后，获得荧光玻璃陶瓷。

(6)将荧光玻璃陶瓷进行切片、研磨、抛光处理，获得厚度为0.2mm的荧光玻璃陶瓷基片，将荧光玻璃陶瓷基片进行切割处理，获得长×宽为1mm×1mm的荧光玻璃陶瓷片。

(7)将荧光玻璃陶瓷片贴装于大功率蓝光芯片的出光面，控制大功率蓝光芯片发射激发光，激发光投射至荧光玻璃陶瓷片，并经荧光玻璃陶瓷片射出。

本实施例的荧光玻璃陶瓷片封装于大功率蓝光芯片的LED光谱图如图1所示，在1000mA的工作电流激发下，发光效率为93.5lm/W，色温为3424K，显色指数为80.1。

实施例2

(1)按照摩尔比为8:25:38:15:4:10称取玻璃基体的原料SiO₂、B₂O₃、ZnO、P₂O₅、Li₂O和K₂O，并置于三维混料机中混合均匀，倒入石英坩埚中，放入马弗炉中进行熔制处理，熔制处理的温度为900℃、时间为2h，获得熔融的玻璃熔料。

(3)将玻璃碎块进行研磨，获得玻璃粉，玻璃粉的平均粒径为3μm。

(4)将玻璃粉、LuAG:Ce³⁺绿色荧光粉、YAG:Ce³⁺黄色荧光粉、CaAlSiN:Eu³⁺红色荧光粉和氮化铝粉体按质量比为85:4:5:3:3混合均匀，置于模具中，轴向施压进行压坯处理，成型为素坯体。

(5)将素坯体脱模后，置于马弗炉中于空气气氛进行烧结处理，烧结处理温度为530℃、时间为1h，自然冷却后，获得荧光玻璃陶瓷。

本实施例的荧光玻璃陶瓷片封装于大功率蓝光芯片的LED光谱图如图1所示，在1000mA的工作电流激发下，发光效率为90.01lm/W，色温为3369K，显色指数为93.7。如图2所示，为本实施例的荧光玻璃陶瓷扫描电镜图，灰色的基体为玻璃，亮白色和灰白色颗粒为荧光粉，灰黑色颗粒为氮化铝粉。从图2中可以看出在本实施例制得荧光玻璃陶瓷中，荧光粉颗粒和氮化铝粉体均匀分布在玻璃基体中。

对制备的荧光玻璃陶瓷通过瞬态平面热源法进行热导率测试，测试结果表明当掺杂氮化铝粉体填料的质量百分比为3％时，玻璃陶瓷的热导率从1.7W/(m·K)提升至2.3W/(m·K)，较好的导热性荧光玻璃陶瓷能够减少LED芯片工作时热量的积累。

实施例3

(1)按照摩尔比为13:23:55:6:3称取玻璃基体的原料SiO₂、B₂O₃、ZnO、P₂O₅和Na₂O，并置于三维混料机中混合均匀，倒入石英坩埚中，放入马弗炉中进行熔制处理，熔制处理的温度为1200℃、时间为3h，获得熔融的玻璃熔料。

(3)将玻璃碎块进行研磨，获得玻璃粉，玻璃粉的平均粒径为12μm。

(4)将玻璃粉、AlON:Mn²⁺绿色荧光粉、YAG:Ce黄色荧光粉、SrCaAlSiN:Eu³⁺红色荧光粉和氧化铝粉体按质量比为89:3:4:2:2混合均匀，置于模具中，轴向施压进行压坯处理，成型为素坯体。

(5)将素坯体脱模后，置于马弗炉中于空气气氛进行烧结处理，烧结处理温度为600℃、时间为2h，自然冷却后，获得荧光玻璃陶瓷。

本实施例的荧光玻璃陶瓷片封装于大功率蓝光芯片的LED光谱图如图1所示，在1000mA的工作电流激发下，发光效率为95lm/W，色温为7273K，显色指数为93.9。

在本申请的描述中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于LED灯的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，包括：玻璃基体、荧光粉和导热填料；

其中，所述玻璃基体的原料的摩尔百分含量为：

SiO₂：5％-20％、B₂O₃：10％-35％、ZnO：20％-65％、P₂O₅：0.3％-15％、R₂O：0.1％-15％，R₂O为Li₂O、Na₂O、K₂O中的至少一种或其组合。

2.根据权利要求1所述的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，基于所述荧光玻璃陶瓷，所述玻璃基体的质量百分含量为A，A满足50％≤A≤94.5％，所述荧光粉的质量百分含量为B，B满足5％≤B≤40％，所述导热填料的质量百分含量为C，C满足0.5％≤C≤10％。

3.根据权利要求1所述的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，所述荧光粉包括：黄绿光发射荧光粉和橙红光发射荧光粉。

4.根据权利要求3所述的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，所述荧光粉中，所述黄绿光发射荧光粉的质量为a1，所述橙红光发射荧光粉的质量为a2，a1和a2满足：3≤a1/a2≤15。

5.根据权利要求3所述的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，

所述黄绿光发射荧光粉包括β-Sialon:Eu²⁺、AlON:Mn²⁺和(Lu,Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺中的一种或其组合；

所述橙红光发射荧光粉包括α-SiAlON:Eu²⁺、(Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺和(Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu²⁺中的一种或其组合。

6.根据权利要求1所述的荧光玻璃陶瓷，其特征在于，所述导热填料包括氧化铝粉体或氮化铝粉体。

7.一种LED灯，其特征在于，包括：

如上述权利要求1-6中任一项所述的荧光玻璃陶瓷；及

光功率基底，具有出光面，所述荧光玻璃陶瓷设于所述出光面。

8.一种用于LED灯的荧光玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：

将所述玻璃熔料倒入冷却介质中，获得玻璃碎块；

将所述玻璃碎块进行研磨，获得玻璃粉；

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述熔制处理的温度为900℃-1300℃、时间为1h-4h；

所述烧结处理的温度为400℃-700℃、时间为15min-2h；

所述玻璃粉的平均粒径范围为1μm-15μm。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

将所述玻璃粉、所述荧光粉和所述导热填料混匀，并进行压坯处理，获得素坯体，将所述素坯体置于空气气氛进行所述烧结处理。