基于YAG陶瓷封裝的大功率車用LED的發(fā)光性能

張曄明，芶 立，時(shí)佳男，高江東

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基于YAG陶瓷封裝的大功率車用LED的發(fā)光性能

張曄明1，芶 立1，時(shí)佳男1，高江東2

（1. 四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2. 南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

不同摻雜量的Ce:YAG陶瓷與5 W藍(lán)光芯片封裝后得到發(fā)光二極管（LED）燈珠并表征了其發(fā)光性能。這種陶瓷燈珠的電致發(fā)光光譜結(jié)果表明，Ce:YAG陶瓷是一種更加緊湊高效的熒光材料，在較低的Ce3+摻雜量和較小體積下可容納更多的激活中心。采用Ce3+摻雜量為=0.03 (Ce:Y3-xAl5O12)，厚度為0.4 mm的YAG陶瓷封裝的LED燈珠發(fā)光效率可以達(dá)到88.2 lm/W，此種陶瓷燈珠在LED車大燈應(yīng)用領(lǐng)域有很大潛力。

Ce:YAG；陶瓷；熒光粉；LED；發(fā)光性能；車大燈

作為第四代光源，LED具有空間尺寸小、亮度高、節(jié)能環(huán)保、壽命長、效率高、可靠性高和色彩鮮艷等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于交通信號燈、汽車前后燈、電子器件中液晶背光、夜景照明燈等領(lǐng)域[1]。目前主流的白光LED是由黃色熒光物質(zhì)結(jié)合InGaN芯片來實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用中有機(jī)封裝物質(zhì)如環(huán)氧樹脂和硅膠在長時(shí)間工作后會老化，導(dǎo)致色偏移和漂變。特別是大功率的LED，老化現(xiàn)象對于LED發(fā)光穩(wěn)定性影響巨大[2]，因此，尋求耐熱性更好的熒光材料是此領(lǐng)域工作者積極探索的方向之一。

LED在車大燈（遠(yuǎn)光近光）應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大潛力，目前車大燈市場主要還是被鹵素?zé)?、HID（High Intensity Discharge）氙燈占有，而更為節(jié)能高效、迅速響應(yīng)的LED大燈主要應(yīng)用于高端車型。這是因?yàn)長ED在車頭燈應(yīng)用上面臨著以下挑戰(zhàn)：LED車大燈工作環(huán)境相比于普通LED光源更復(fù)雜，支持LED車大燈正常運(yùn)作的驅(qū)動(dòng)電源、LED陣列、散熱方案等都比普通LED燈有更高的要求；為了達(dá)到如ECE R112及GB 4599—2007標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的光性能要求，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)靈活性及成本因素[3]，LED陣列里單個(gè)燈珠更傾向于發(fā)光高效化、體積小型化。這對于車大燈用LED熒光材料的研究而言，除去通用大功率LED所要求的高效穩(wěn)定，更緊湊的體積也是先進(jìn)熒光材料應(yīng)該具備的特點(diǎn)。

針對LED市場熒光材料的改進(jìn)思路有：使用更高熱導(dǎo)率的封裝硅膠、玻璃陶瓷[4]、單晶[5]以及透明陶瓷[6]。后三者均為無機(jī)塊體材料，本身具有更高的抗熱蝕性。相比之下，單晶生產(chǎn)成本較高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，即使在預(yù)算更為充沛的車大燈領(lǐng)域，其成本也制約著應(yīng)用范圍。玻璃陶瓷需解決的問題有：一是需要合適的的熒光粉以耐受玻璃基體熔融時(shí)的熱侵蝕，另外玻璃基體引入的離子對于發(fā)光可能有淬滅作用，玻璃基體和熒光粉折射率的差異會降低玻璃陶瓷的透光率[4]。YAG陶瓷具有各向同性的光學(xué)性能，同時(shí)還具備良好的力學(xué)、化學(xué)、耐濕、耐熱等穩(wěn)定性[7]，是一種LED熒光層理想的改良材料。Nishiura等[6]首先嘗試了將Ce：YAG透明陶瓷應(yīng)用于白光LED，得到的小功率（0.3 W）燈珠的發(fā)光效率為73.5 lm/W。Liu等[8]將 Ce:YAG透明陶瓷與大功率藍(lán)光芯片（20 W）結(jié)合，并且側(cè)重研究了Ce:YAG透明陶瓷的高溫淬冷性，證明了Ce：YAG透明陶瓷在大功率LED的應(yīng)用潛力。但對于實(shí)際應(yīng)用而言，3~5 W的單燈珠LED燈具是市面最常用的大功率LED產(chǎn)品，通過集成多個(gè)3~5 W的燈珠，可組成超大功率的LED模組（20~200 W）。因此，研究5 W的YAG陶瓷燈珠對于實(shí)現(xiàn)YAG陶瓷進(jìn)入大功率LED產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。

本文制備了不同Ce摻雜量的YAG陶瓷，經(jīng)拋光后與5 W InGaN芯片封裝成燈珠，表征該陶瓷封裝的LED燈珠的發(fā)光性能并分析了YAG陶瓷作為熒光材料的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Ce:YAG陶瓷的制備

采用均相沉淀法制備了不同Ce摻雜量Ce:Y3–xAl5O12(=0.015, 0.03, 0.045, 0.06)的YAG粉體，按照名義化學(xué)式配比Ce(NO3)3·6H2O(99.99%），Y(NO3)3·9H2O(99.99%)，Al(NO3)3·9H2O(99.99%)，加入尿素作為沉淀劑，金屬離子與尿素的摩爾比為1:50，加入YAG粉體理論產(chǎn)量5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的PEG作為分散劑，加入YAG粉體理論產(chǎn)量0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的TEOS作為燒結(jié)助劑[9]。將烘干的前驅(qū)體在弱還原氣氛下于1 200 ℃煅燒為YAG熒光粉體。經(jīng)干壓、冷等靜壓成型為=12 mm的陶瓷坯體，在真空碳管爐內(nèi)1 700 ℃燒結(jié)10 h，真空度為4×10–3Pa，最后在1 450 ℃空氣氣氛下退火15 h。

1.2 燈珠封裝

將不同摻雜量的YAG陶瓷機(jī)械拋光到一定厚度（0.4~0.9 mm），與5 W InGaN芯片(主波長450 nm)進(jìn)行封裝，制備YAG陶瓷燈珠。作為對比，使用商用YAG熒光粉體，通過常規(guī)封裝模式與5 W InGaN芯片制備熒光粉/樹脂燈珠。

1.3 表征

采用Ｘ射線衍射儀（Philips X’Pert Pro MPD DY1291）表征陶瓷的物相（銅靶=1.540 56×10–4μm）；使用Hitachi F4600型號熒光分光光度計(jì)測試YAG粉體的光致激發(fā)和發(fā)射光譜；使用德國Instrument Systems CAS 140 CT系統(tǒng)表征不同摻雜量的YAG陶瓷與5 W InGaN芯片（450 nm）封裝的燈珠發(fā)光性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體性能及陶瓷物相

圖1(a)所示為不同摻雜量的YAG (Ce:Y3-xAl5O12) 陶瓷的XRD譜，可以看出陶瓷特征衍射峰和JCPDS卡片No.33-0040符合很好，說明制備的陶瓷均為純相YAG。圖1(b)為相應(yīng)YAG粉體的光致發(fā)光激發(fā)譜與發(fā)射光譜，530 nm為Ce3+的5d-4f能級躍遷特征發(fā)射，以530 nm為監(jiān)測波長測試Ce: YAG陶瓷的激發(fā)光譜有2個(gè)明顯的寬激發(fā)峰，中心分別位于340和460 nm處，屬于Ce3+的4f→5d能級躍遷，分別對應(yīng)于Ce3+的2F5/2→5d 和2F7/2→5d 的躍遷。從粉體光致發(fā)光強(qiáng)度來看，=0.03是本實(shí)驗(yàn)工藝下較合適的摻雜量，在=0.03之后光譜強(qiáng)度隨摻雜量增加而降低，可能是由于摻雜量升高后Ce3+間的相互作用引起的淬滅[10]。

圖1 (a)不同摻雜量的YAG陶瓷(Cex:Y3-xAl5O12)的XRD譜；(b)不同摻雜量的Cex:Y3-xAl5O12粉體的激發(fā)和發(fā)射光譜

2.2 陶瓷封裝燈珠的發(fā)光性能

圖2是不同摻雜量的YAG (Ce:Y3-xAl5O12)陶瓷與5W InGaN芯片封裝的燈珠電致發(fā)光(EL)光譜。550 nm處的峰值為熒光體受激發(fā)射的黃光，隨著陶瓷厚度的增加，黃光強(qiáng)度在不同摻雜量的陶瓷中均呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于隨著厚度的增加，散射缺陷(如氣孔)數(shù)量增多，這些散射缺陷降低了黃光的出射量。同時(shí)，在圖2(a)中Ce摻雜量為=0.015的陶瓷燈珠EL譜中可以觀察到位于445 nm左右的峰值，這是InGaN芯片的出射光，而在摻雜量為=0.03，此峰值很弱，說明在高摻雜量下，藍(lán)光經(jīng)過陶瓷熒光層后絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)辄S光。

圖2 不同摻雜量的YAG陶瓷(Cex:Y3-xAl5O12)在0.4~0.9 mm厚度下的電致發(fā)光譜

圖3(a)是藍(lán)光分別在YAG陶瓷和熒光粉/樹脂熒光層中轉(zhuǎn)換差別的示意圖。InGaN芯片發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)過陶瓷和熒光粉/樹脂均會有以下幾個(gè)途徑的減少：表面的散射、內(nèi)部缺陷的折射以及發(fā)光激活中心Ce3+的吸收。而作為主導(dǎo)因素，激活中心Ce3+的多少決定了最終出射藍(lán)光的量。在圖3(b)中可以看出，兩種燈珠電致發(fā)光光譜的黃藍(lán)光比例有明顯不同，摻雜相對更低的陶瓷燈珠電致發(fā)光光譜的黃光波段明顯占主導(dǎo)地位。這是由于在單位體積中陶瓷包含更多的激活中心Ce3+，這些激活中心可有效地將InGaN芯片發(fā)出的藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光。而對于熒光粉/樹脂，為提高單位體積中Ce3+激活中心的密度，需要增加熒光粉用量，這樣會加大分散的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，SMD貼片式的熒光粉/樹脂燈珠主要應(yīng)用于小功率領(lǐng)域，大功率燈珠多采用占表面積更大的芯片COB(Chip On Board) 型陣列以保證散熱穩(wěn)定性，同時(shí)可降低勻膠工藝難度。換言之，熒光粉/樹脂可較好適應(yīng)無體積要求的發(fā)光器件，而陶瓷作為熒光材料則更匹配緊湊型的大功率LED器件結(jié)構(gòu)。

圖3 (a)不同摻雜量的YAG陶瓷以及熒光粉/樹脂藍(lán)光轉(zhuǎn)換機(jī)制示意圖；（b）0.4 mm厚度下的不同摻雜量陶瓷與熒光粉/樹脂電致發(fā)光光譜（插圖是陶瓷燈珠及熒光粉/樹脂燈珠照片）

圖4是InGaN裸芯，=0.03摻雜的陶瓷封裝的燈珠以及熒光粉/樹脂封裝的燈珠的光功率和發(fā)光效率隨電流變化曲線。從圖4(a)中的光功率曲線可以看出，相比于陶瓷，裸芯和有機(jī)物/熒光粉有更高的光功率，這是由于藍(lán)光相比于黃光能量高，因而，出射光中藍(lán)光越多，光功率越高。從發(fā)光效率曲線圖4 (b)可以看出，陶瓷發(fā)光效率高于熒光粉/樹脂以及裸芯，這是由于光通量的檢測與對可見光區(qū)域積分得到主波長的視見函數(shù)有關(guān)，而明視視見函數(shù)在555 nm達(dá)到最值1[11]，出射光中黃綠光越多，則發(fā)光效率越高。同時(shí)發(fā)光效率隨著電流升高而下降是由于芯片電流密度增大導(dǎo)致了“droop效應(yīng)”[12]。本實(shí)驗(yàn)中的摻雜量為=0.03，厚度為0.4 mm的陶瓷燈珠在6.7 mm×6.8 mm的面積下可以達(dá)到428 lm的光通，發(fā)光效率為88.2 lm/W。同時(shí)考慮到摻雜量=0.03陶瓷的電致發(fā)光曲線中入射藍(lán)光幾乎被完全消耗，這一值還可以繼續(xù)上升，直到所提供的藍(lán)光入射量達(dá)到此摻雜濃度下的“轉(zhuǎn)換閾值”，且此數(shù)值主要取決于Ce3+含量的多少。換言之，相比于熒光粉/樹脂，陶瓷可以將更多的激活中心Ce3+均勻地容納在較小的體積，很好地符合車大燈應(yīng)用要求的高效、緊湊的特點(diǎn)。

圖4 (a) 裸芯，熒光粉/樹脂和陶瓷燈珠的光功率隨電流變化曲線；(b) 裸芯，熒光粉/樹脂和陶瓷燈珠發(fā)光效率隨電流變化的曲線（所選陶瓷厚度為0.4 mm，摻雜量為x=0.03）

圖5給出了熒光粉/樹脂型燈珠、厚度為0.4 mm YAG陶瓷封裝的陶瓷燈珠在不同摻雜量下的色溫及色坐標(biāo)值，表1是具體的光性能數(shù)值。陶瓷色溫在 3 444~4 135 K，發(fā)光為黃綠色波段，與鹵素大燈相近，在霧、霾等天氣有較強(qiáng)的穿透性，也可用于希望減少照明藍(lán)光污染的大功率家用市場[13-14]。而顯色指數(shù)相對熒光粉/樹脂較低，這是由于缺少藍(lán)光發(fā)射波段，可根據(jù)應(yīng)用通過優(yōu)化Ce摻雜量和陶瓷厚度來調(diào)整。

圖5 熒光粉/樹脂和厚度為0.4 mm，不同摻雜量的陶瓷燈珠的色坐標(biāo)(插圖為燈珠發(fā)光數(shù)碼照片)

表1 不同燈珠的光性能參數(shù)

Tab.1 Optical parameters of different LED lamp beads

3 結(jié)論

通過評價(jià)不同Ce摻雜量和不同厚度的YAG陶瓷封裝燈珠的光性能，表明陶瓷是一種緊湊型的熒光層，在較低的摻雜量下，包含了大量的發(fā)光激活中心Ce3+。摻雜量為=0.03的陶瓷封裝燈珠可以達(dá)到88.2 lm/W的發(fā)光效率(1 500 mA)，并且在較小面積（6.8 mm×6.8 mm）下獲得428 lm的總光通，有望成為車頭燈用大功率LED的熒光層材料。由于陶瓷包含了更多激活中心Ce3+，大部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光，可以使用更大功率芯片或者相應(yīng)降低YAG陶瓷的Ce3+摻雜量以獲得白光出射。

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（編輯：陳豐）

Performance of high power LEDs based on Ce: YAG ceramics for automotive application

ZHANG Yeming1, GOU Li1, SHI Jia’nan1, GAO Jiangdong2

(1. School of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

5 W blue light LED chips based on InGaN were packaged using the Ce:YAG ceramics with different Ce doping levels. The luminescent properties of packaged LED beads were evaluated. Electroluminescence (EL) spectra of the ceramic-packaged LEDs show that Ce: YAG ceramic is a more compact and efficient fluorescent material. More activation centers of Ce3+can be contained in ceramic with a low doping concentration at a small volume. With a concentration of=0.03 (Ce:Y3-xAl5O12) and a thickness of 0.4 mm, YAG ceramic-packaged LED shows a high luminous efficiency of 88.2 lm/W. The optical performance of this kind of LEDs based on YAG ceramic makes them promising in automotive headlamps.

Ce:YAG; ceramics; phosphors; LEDs; optical properties; headlights

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.005

TB34

A

1001-2028（2016）07-0019-04

2016-04-28

芶立

成都市高校院所應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目（No. 12DXYB316JH-002）

芶立（1967－），女，四川成都人，教授，從事功能材料與器件研究，E-mail: gouli@scu. edu. cn ；

張曄明（1991－），男，湖南懷化人，研究生，從事發(fā)光材料與器件研究，E-mail: craigzym@163.com。

2016-07-01 10:47:53

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1047.005.html