CN100389504C - 一种yag晶片式白光发光二极管及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法。其利用YAG单晶片将GaN基无机半导体LED晶粒发出的部分蓝光转换为另外一种或多种理想波段的光，然后LED晶粒发出的剩余未被转换的蓝光与单晶片转换后的理想波段的光混合产生白光。该技术通过精确控制单晶片荧光体各种参数，来调节和控制荧光体单晶片转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例，同时利用单晶片自身具有的均匀性，获得均一、高质量白光；解决了传统白光LED器件技术很难控制荧光体粉末在硅脂类或树脂类密封胶中的分散性，而最终导致白光LED器件的白光不均匀的技术问题。此外，其可将薄单晶片切割成器件所需尺寸，利用全自动化进行封装，大大提高现有白光LED器件封装的机械化程度。
Description
技术领域
本发明涉及白光LED领域，具体涉及一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法。
背景技术
随着高效紫光和蓝光发光二极管的关键技术领域的突破，白光LED已日益成为人们关注的焦点。目前，获得白光LED的技术方案主要分为LED芯片组合和荧光转换，而后者是目前白光LED领域的主流技术。其中，已产业化的白光LED主要由蓝光LED芯片和荧光粉Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)组成，其主要制备技术是将荧光粉与胶体以一定的比例混合配成浆液，然后通过涂覆或点胶方式，直接或间接地将浆液涂在蓝光LED晶粒表面，最后在一定温度下固化成型。这种技术方案产生白光的主要原理是：当LED晶粒发出的蓝光通过树脂时，部分蓝光被光路中的YAG:Ce荧光粉颗粒吸收并转换为黄色可见光，而另一部分蓝光则由于光路中没有YAG:Ce荧光粉颗粒，故直接透过树脂未发生荧光转换，最终未被转换的蓝光和转换后的黄光通过混合产生白光。显而易见，荧光粉的粒度大小、尺寸分布以及其在胶体中的空间分散性等因素直接决定着白光LED的白光质量，尤其是均匀性。而目前很难获得均一粒度分布的荧光粉，因此，在用非均一分布的荧光粉与胶体混合配浆液过程中，不同粒度大小的荧光粉颗粒表现出不同的沉降速度，而当胶体固化后，荧光粉在胶体中就表现出非均一性空间分布，最终使不同的白光LED器件之间的白光质量呈现出不一致性。
为了克服上述技术缺陷，人们又进行了各种尝试。一种途径是通过有机发光染料薄膜代替荧光粉，来达到荧光转换的目的，由于避免了不同粒度的荧光粉在胶体中的分布不均匀性，白光LED器件的均一性问题得到了解决，但是，这种技术也存在着严重的不足，即很难获得具有优良稳定性的染料。
中国专利1618925A报道了一种生产光色均一的白光LED的方法。该方案特征在于在环氧树脂或硅树脂中除混入YAG荧光粉以外，另外加入0.1～10wt％的不会与荧光粉反应且平均粒度在1nm～10um的无机物细粉末如二氧化硅粉料。虽然，此方案部分改善了光色的均匀性。然而，由于获得颗粒粒径分布窄且均匀的荧光粉的技术问题仍然没有解决，因此，该方案所获得的器件，显而易见，仍无法从本质上解决白光的均匀性差的技术问题。
最近，美国专利6,630,691 B1报道了用YAG:Ce单晶片取代蓝宝石或炭化硅作为衬底材料，使蓝光LED晶粒外延生长在上面。在这种结构中，单晶不仅作为芯片的衬底材料，同时兼具荧光转换功能，由于晶体本身具有特性和规律，最终使得器件产生高质量的白光。然而，这种技术也存在严重的技术难题，即外延片的晶格、热力学和力学参数严重制约着其能否顺利地生长在YAG单晶片上，这最终也影响白光LED器件的光学性能；同时，也由此导致生产工艺的复杂性和高成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前白光LED器件的白光均匀性差的技术问题，提供一种YAG晶片式白光发光二极管，以获得均一、高质量的白光。
本发明的另一个目的是提供上述YAG晶片式白光发光二极管的封装方法，实现封装的全自动化。
本发明提供的白光LED器件技术方案的主要原理是利用一种YAG单晶片将GaN基无机半导体LED晶粒发出的部分蓝光转换为另外一种或多种理想波段的光，其中至少包括部分黄光，然后，无机半导体LED晶粒发出的剩余未被转换的蓝光与单晶片转换后的理想波段的光混合产生白光。该技术通过精确控制单晶片荧光体各种参数，如基质晶体组成、激活离子的掺杂浓度及晶片厚度与加工方式等，来调节和控制由荧光体单晶片转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例，同时利用单晶片自身具有的均匀性，获得均一、高质量的白光以及封装的全自动化。
本发明的YAG晶片式白光发光二极管，包括GaN基无机半导体LED晶粒和单晶荧光体，所述单晶荧光体为单晶荧光体铈钇铝石榴石，其化学组成表示为：
(Y1-x-m-nGdx)3(GayAl1-y)5O12:3mCe，3nR，其中：R为Pr，Sm，Tb，Dy中的一种；0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.01≤m≤0.1，0≤n≤0.1。
上述单晶荧光体铈钇铝石榴石为片式单晶荧光体铈钇铝石榴石，对上述单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，保证其厚度为0.1～1.0mm：然后，再对单晶片进行单面或双面抛光处理，或者双面不抛光处理，并将薄单晶片切割成器件大小所需的尺寸，最终得到片式单晶荧光体铈钇铝石榴石。
上述片式单晶荧光体铈钇铝石榴石在蓝光激发下，会发出的一种或多种波段的光，至少部分为黄光。
上述片式单晶荧光体铈钇铝石榴石的制备方法为：根据配比，称取相应元素的氧化物，并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石。
上述YAG晶片式白光发光二极管的封装方法，其步骤为：将GaN基无机半导体LED晶粒安放在上端开口，并且预先安装有电极装置的塑料模底部，然后连接好导电线，在塑料模内，注入透明硅胶或树脂，再将具有不同激活离子浓度、不同厚度、不同尺寸和不同表面处理的片式单晶荧光体覆盖在塑料模的开口上，然后烘烤，使片式单晶荧光体粘附在塑料模上，即得产品。在GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光激发下，具有不同激活离子浓度、不同厚度、不同尺寸和不同表面处理的片式单晶荧光体对蓝光的吸收程度不同，因而，蓝光被单晶片转化后得到不同荧光强度的黄光；同时，GaN基无机半导体LED晶粒所剩余的蓝光强度也随片式单晶荧光体的不同而变化，最终实现片式单晶荧光体转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例调节和控制，获得均一、高质量的白光。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、对比有机发光染料薄膜代替荧光粉的技术方案，本发明公开的白光LED器件中的YAG单晶片具有化学性能稳定，高温性能稳定，单晶制备技术成熟、晶片后处理工艺简单等一系列优点。
2、对比中国专利1618925A，本发明公开的白光LED器件，由于使用了高度均匀的YAG单晶片，从本质上解决了传统白光LED器件技术中，由于荧光粉粒度及其分布的不均匀，导致荧光体粉末在环氧树脂密封胶中的空间分散性很差，并最终导致白光LED器件的白光不均匀的技术问题。此外，在目前产业化白光LED器件封装过程中，荧光粉事先与树脂胶混合配成浆料，然后再通过人工点浆、点胶等步骤，此工序既烦琐，而且白光LED器件的批量重复性极差。本发明中，在白光LED器件封装过程中，可以通过机械手精密控制、转移和固定事先切割好的YAG晶片，因而，还具有技术方案简易、易操作，有利于进一步提高白光LED器件封装过程的机械化程度以及生产成本低等优点。
3、对比美国专利6,630,691 B1，本发明公开的白光LED器件中，YAG单晶片仅仅作为荧光转化材料，且采用了荧光体单晶片与GaN基无机半导体蓝光晶粒中的外延片分离的技术，避免了专利US 6,630,691 B1中用荧光体单晶片作为外延片衬底所导致的严重技术缺陷，即：外延片的晶格、热力学和力学参数与YAG单晶片很难匹配，并顺利地在其上生长。
需要特别说明的是，本发明以上所描述的实施方法所涉及的蓝光LED晶粒不局限于某一种特定结构的LED产品，如SMD型，或支架型等，只要它发射出蓝光：本发明所描述的荧光体单晶片不仅仅涉及YAG化合物，专业认识很容易理解其它发射黄色光的荧光体单晶片也同样适用于本发明。
附图说明
图1为本发明白光LED器件的剖面图；
图2为本发明白光LED器件的俯视图A和B；
图3为实施例1白光LED器件的光谱能量分布图。
其中，1为LED晶粒，2为YAG晶片，3为塑料膜，4为电极，5为导电线。
具体实施方式
实施例1
(1)单晶荧光体铈钇铝石榴石的生长：
按照化学组成表示式Y2.97Al5O12:0.03Ce(x＝0，y＝0，m＝0.01，n＝0)称取
Y2O3：335.34g
Al2O3：254.9g
CeO2：5.16g
研磨并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；再将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石。
(2)单晶荧光体铈钇铝石榴石的后处理：将上述得到的单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，得到厚度为0.1mm的圆形单晶片，然后，再对单晶片进行单面抛光处理，最终得到所需片式单晶荧光体铈钇铝石榴石。
(3)白光LED器件封装：如图1和图2A，将GaN基无机半导体LED晶粒1安放在上端开口，并且预先安装有电极装置的塑料模3底部，然后，连接好导电线5，在塑料模3内，注入透明硅胶或树脂，再将Y2.97Al5O12:0.03Ce片式单晶荧光体2覆盖在塑料模的开口上，然后烘烤，使片式荧光体单晶片粘附在塑料模上，即得产品。在电压驱动下，所封装器件的LED晶粒发射蓝色可见光；Y2.97Al5O12:0.03Ce片式单晶荧光体至少部分吸收GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光，并将其转换成黄光；最后，LED晶粒的剩余蓝光均匀穿透片式单晶荧光体，并和片式单晶荧光体转换所产生的黄光混合产生均一、高质量的白光。白光LED器件的光谱能量分布图如图3所示。
实施例2
(1)单晶荧光体铈钇铝石榴石的生长：
按照化学组成表示式(Y0.3Gd0.5)3(Ga0.5Al0.5)5O12:0.3Ce，0.3Pr(x＝0.5，y＝0.5，m＝0.1，n＝0.1)称取
Y2O3：101.62g Gd2O3：271.95g
Al2O3：127.45g Ga2O3：234.3g
CeO2：51.63g Pr6O11：51.07g
研磨并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；再将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石。
(2)单晶荧光体铈钇铝石榴石的后处理：将上述得到的单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，得到厚度为1.0mm的方形单晶片，然后，再对单晶片进行双面抛光处理，最终得到所需片式单晶荧光体铈钇铝石榴石。
(3)白光LED器件封装步骤与实施例1相同；制得白光LED器件的俯视图如图2B所示。在电压驱动下，所封装器件的LED晶粒发射蓝色可见光；(Y0.3Gd0.5)3(Ga0.5Al0.5)5O12:0.3Ce，0.3Pr片式单晶荧光体至少部分吸收GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光，并将其转换成黄光和红光；最后，LED晶粒的剩余蓝光均匀穿透片式单晶荧光体，并和片式单晶荧光体转换所产生的黄光和红光混合产生均一、高质量的白光。
实施例3
(1)单晶荧光体铈钇铝石榴石的生长：
按照化学组成表示式(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Sm(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.04)称取
Y2O3：240.5g Gd2O3：108.78g
Al2O3：178.43g Ga2O3：140.58g
CeO2：25.82g Sm2O3：20.93g
研磨并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；再将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(2)单晶荧光体铈钇铝石榴石的后处理：将上述得到的单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，得到厚度为0.55mm的单晶片，然后，再对单晶片进行双面不抛光处理，最终得到所需片式单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(3)白光LED器件封装步骤与实施例1相同；在电压驱动下，所封装器件的LED晶粒发射蓝色可见光；(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Sm片式单晶荧光体至少部分吸收GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光，并将其转换成黄光和橙红光；最后，LED晶粒的剩余蓝光均匀穿透片式单晶荧光体，并和片式单晶荧光体转换所产生的黄光和橙红光混合产生均一、高质量的白光。
实施例4
(1)单晶荧光体铈钇铝石榴石的生长：
按照化学组成表示式(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Tb(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.04)称取
Y2O3：240.5g Gd2O3：108.78g
Al2O3：178.43g Ga2O3：140.58g
CeO2：25.82g Tb4O7：22.43g
研磨并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；再将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(2)单晶荧光体铈钇铝石榴石的后处理：将上述得到的单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，得到厚度为0.2mm的单晶片，然后，再对单晶片进行双面不抛光处理，最终得到所需片式单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(3)白光LED器件封装步骤与实施例1相同；在电压驱动下，所封装器件的LED晶粒发射蓝色可见光；(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Tb片式单晶荧光体至少部分吸收GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光，并将其转换成黄光和黄绿光；最后，LED晶粒的剩余蓝光均匀穿透片式单晶荧光体，并和片式单晶荧光体转换所产生的黄光和黄绿光混合产生均一、高质量的白光。
实施例5
(1)单晶荧光体铈钇铝石榴石的生长：
按照化学组成表示式(Y0.7Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.15Dy(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.05)称取
Y2O3：237.11g Gd2O3：108.78g
Al2O3：178.43g Ga2O3：140.58g
CeO2：25.82g Dy2O3：27.98g
研磨并混合均匀，然后在氢气气氛下进行焙烧；再将焙烧产物置于中频炉的Ir铱坩锅中，在Ar气氛下，通过提拉法生长得到单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(2)单晶荧光体铈钇铝石榴石的后处理：将上述得到的单晶荧光体铈钇铝石榴石进行切割处理，得到厚度为0.8mm的单晶片，然后，再对单晶片进行双面抛光处理，最终得到所需片式单晶荧光体铈钇铝石榴石；
(3)白光LED器件封装步骤与实施例1相同；在电压驱动下，所封装器件的LED晶粒发射蓝色可见光；(Y0.7Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.15Dy片式单晶荧光体至少部分吸收GaN基无机半导体LED晶粒发出的蓝光，并将其转换成黄光和橙黄光；最后，LED晶粒的剩余蓝光均匀穿透片式单晶荧光体，并和片式单晶荧光体转换所产生的黄光和橙黄光混合产生均一、高质量的白光。
Claims (7)
1.一种YAG晶片式白光发光二极管，包括GaN基无机半导体LED晶粒和单晶荧光体，其特征在于所述单晶荧光体为单晶荧光体铈钇铝石榴石，所述单晶荧光体铈钇铝石榴石的化学组成表示为：
(Y1-x-m-nGdx)3(GayAl1-y)5O12:3mCe，3nR，其中：R为Pr，Sm，Tb，Dy中的一种；0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.01≤m≤0.1，0≤n≤0.1。
2.根据权利要求1所述的YAG晶片式白光发光二极管，其特征在于所述单晶荧光体铈钇铝石榴石为片式单晶荧光体铈钇铝石榴石。
3.根据权利要求2所述的YAG晶片式白光发光二极管，其特征在于所述片式单晶荧光体铈钇铝石榴石在蓝光激发下，发出的一种或多种波段的光。
4.根据权利要求3所述的YAG晶片式白光发光二极管，其特征在于所述一种或多种波段的光至少部分为黄光。
5.根据权利要求2所述的YAG晶片式白光发光二极管，其特征在于所述片式单晶荧光体铈钇铝石榴石的厚度为0.1～1.0mm。
6.根据权利要求2所述的YAG晶片式白光发光二极管，其特征在于所述片式单晶荧光体铈钇铝石榴石的表面经过单面或双面抛光处理，或者双面不抛光处理。
7.一种权利要求2所述YAG晶片式白光发光二极管的封装方法，其步骤为：将GaN基无机半导体LED晶粒安放在上端开口，并且预先安装有电极装置的塑料模底部，然后连接好导电线，在塑料模内，注入透明硅胶或树脂，再将片式单晶荧光体覆盖在塑料模的开口上，然后烘烤，使荧光体单晶片粘附在塑料模上，即得产品。
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