LED封裝技術及熒光粉在封裝中的應用

圖1為InGaN芯片和YAG:Ce熒光粉的熒光光譜，其中左邊帶斜線陰影部分為InGaN芯片的發射光譜，左邊淡灰色陰影為YAG:Ce的激發光譜；右邊為在460nm激發下的發射光譜。從圖中可以看出，InGaN芯片的發射光譜和YAG:Ce的激發光譜重合的非常好，這樣就使YAG:Ce處于最有效的激發條件下，從而使YAG:Ce的發光效率最高。當YAG:Ce的激發主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發射峰時，都大幅降低兩者的重疊程度，從而導致封裝后LED 的光效顯著降低。

圖1 InGaN芯片和YAG:Ce熒光光譜 圖2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐標

圖2是不同YAG:Ce熒光粉添加量的LED色坐標，其中1點為InGaN藍光芯片的色坐標，7點為YAG:Ce熒光粉的色坐標，2點到6點是將YAG:Ce熒光粉薄層置于玻璃上用LED芯片激發所測得的色坐標，2點為添加一層YAG:Ce熒光粉，3點為添加2層YAG:Ce熒光粉，依次類推。由圖可看出，適當調節YAG:Ce熒光粉的厚度即可使白光LED的色坐標在芯片色坐標與熒光粉色坐標連線上移動。另外，從圖2中有一個三角形，其三個頂點坐標分別為美國國家電視標準委員會（NTSC）規定的紅、綠、藍三基色熒光粉的色坐標。在圖2中還可以看到有一條黑色的弧線，這是根據黑體輻射公式計算出的在不同溫度下黑體的色坐標曲線，稱為黑體軌跡，它是衡量白光LED色溫的重要依據。

圖3 用熒光粉調制白光LED的色溫

圖3為用熒光粉調制白光LED 的色溫，圖3左邊標出了InGaN芯片色坐標和一系列不同YAG:Ce色坐標之間的連線和4500K~10000K等相關色溫線，圖3右邊為左圖在白光區域的局部放大圖。從圖3中可知，當YAG:Ce的色坐標靠近綠光區域時，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標連線與各等相關色溫線的交點，隨著色溫的降低而偏離黑體軌跡逐漸增大。這表明偏綠光的YAG:Ce不適合于封裝中低色溫的白光LED，因為如果封裝中低色溫的白光LED將會使白光LED的色坐標在黑體軌跡上方偏離較大，這樣顯色性差，會從而超出國際電工委員會（IEC）規定的允許誤差范圍內。同理，當YAG:Ce的色坐標靠近橙光區域時，它不適合用于封裝高色溫的白光LED，這樣封裝出的白光LED的色坐標同樣會在黑體軌跡下方偏離較大。因此，需要根據所需封裝的白光LED色溫相應地選取適當色坐標的熒光粉，通過調節熒光粉的使用量來使封裝后白光LED的色坐標盡量靠近黑體軌跡，使其符合國際電工委員會規定的標準。

上面只給出了YAG:Ce匹配450nm的藍光LED芯片的情況，實際使用的藍光LED芯片還有很多，發射波長一般在450nm~470nm之間。因此，我們需要針對每個發射波長的LED芯片研發一系列色坐標不同的YAG:Ce熒光粉，用于封裝一系列不同色溫的白光LED。對于低色溫白光LED（3300K以下），YAG:Ce由于缺乏紅光成分不能滿足要求，需要對其進行改進。比如通過Ce和Pr共摻雜YAG，可使封裝后的白光LED顯色指數（Ra）達到83左右。要獲得顯色指數Ra大于90的白光LED，則需添加紅色熒光粉（如Sr2Si5N8:Eu2+）配合YAG:Ce使用。因此，對于高顯色性低色溫的暖白光LED來說，開發高效穩定的紅色熒光粉是至關重要的。