[發明專利]一種用于白光LED器件的復相透明陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 201310436343.8
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN104446428B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 石云;吳樂翔;李偉;胡辰;劉書萍;寇華敏;李江;曾燕萍;馮錫淇;潘裕柏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/44
• 分類號: C04B35/44;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙)31261
• 代理人: 曹芳玲,鄭優麗

技術領域

本發明屬于LED發光技術領域，涉及一種應用在白光LED器件中的塊體發光透明陶瓷。

背景技術

白光LED（White?light-emitting?diode）具有小型固體化，耐震動，瞬時啟動和快響應（μs），節能且壽命長（萬小時），綠色高效等許多優點，尤其是當前在白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統光源的能效幾乎都已達到了極限，而基于LED照明技術的能效有望在今后10年內提高一到兩倍，未來可廣泛應用于各種建筑與景觀照明，LCD背景光，醫療，航海、航空，汽車照明，及各種便攜式照明，有望作為一種節能、環保的綠色固態照明（SSL）技術，發展成為第四代新照明光源。

白光LED的發光原理主要是將熒光粉涂覆在藍光LED或紫外LED芯片上，通過波長轉換實現白光。然而當前在白光LED的研究發展過程中，主要存在以下突出問題：

1）熒光粉在藍光或紫外芯片發出的光通過時會產生散射和吸收等現象，涂覆厚度的不均勻及熒光粉的形貌和粒徑等因素，都會導致產生黃色光斑，藍色光斑，白光色溫不一致等問題；

2）熒光粉涂覆在藍色芯片上的時候需要用有機硅膠混合，由于LED大部分能量發熱導致溫度升高，長時間在高溫下，硅膠會老化會影響發光效率，降低器件使用壽命。

針對以上問題，當前的解決的方案主要有：

1）改進封裝樹脂的性能，如在環氧樹脂中添加硫提高其折射率；采用有機硅替代傳統樹脂等，但是這種方案不能從根本上改變它作為功率性LED器件應用的不足，因此，熒光粉體樹脂封裝的方案，多用在小功率的LED器件中；

2）改變熒光材料，直接采用導熱性能良好的塊體熒光材料來替代傳統熒光粉體，該方案可以不使用樹脂，此外塊體的熒光材料在LED器件封裝設計上提供可更多的靈活性。

如，全球三大照明公司之一的飛利浦公司2007年發表了陶瓷熒光板熒光技術（Lumiramic?Phosphor?Technology），該技術將熒光粉壓成陶瓷片（不透明），可將LED的色溫范圍減低為原本的1/4，減少了各個LED間色溫不均的現象。不僅簡化了封裝問題，同時在指定色溫的前提下，節省75%的熒光粉用量，并簡化了光源的制造工藝。但是由于陶瓷熒光板是普通壓制燒結而成，在抗震、散熱等方面存在不足；不透明的陶瓷板同樣存在熒光粉的光散射問題，且該設計需要采用薄層芯片倒裝技術（TFFC），使得新器件的設計發展存在局限性。

國內CN1815765A提出了一種YAG晶片式白光發光二極管及其封裝方法，它是將稀土摻雜的YAG晶片用作熒光材料，但是單晶材料相比陶瓷，在機械、力學穩定性方面存在不足，限制了加工制造的靈活性，且單晶生長需要高溫，制備成本較高，且該技術方案仍需樹脂封裝晶片，不能從根本上解決樹脂受熱老化問題。

又如CN101338879A提出了一種利用YAG透明陶瓷制備白光LED的方法，但是此專利中的透明陶瓷實際是指多晶顆粒形式的涂覆層，陶瓷顆粒為1nm—300nm，而不是塊體陶瓷，與傳統熒光粉差別不大。

透明陶瓷作為近年來迅速發展起來的一種新型光電功能材料，在熱學、力學性能、光性能、復合結構以及規模化生產方面優勢明顯，透明陶瓷目前已在窗口材料，激光材料和閃爍材料得到應用，其優點在于：

1）透明化的發光材料可以解決熒光粉對光的散射和吸收，提高發光效率；

2）陶瓷不存在單晶的分凝系數問題，可以實現多種發光離子的高濃度均勻共摻，從而可以通過精確控制陶瓷片熒光體的透過率，發光波段等各種參數，調節和控制熒光體陶瓷片轉換的黃光與未被轉換的藍光之間的比例，利用透明陶瓷自身的均勻性，獲得均一高質量的白光，并可進行發光設計，開發新材料；

3）透明陶瓷具有優異的機械和熱力學性能，抗振動，導熱性好，可解決藍光LED持續點亮下溫度升高造成的各種發光問題，進一步提高器件的發光穩定性和使用壽命，尤其適合大功率白光LED器件；

4）陶瓷相對單晶，在成型和復雜結構設計制備方便具有優勢，且相對高熔點的Ce:YAG體系（熔點1950℃），陶瓷不需熔融，在較低溫度下就可以燒制成功，商業成本低廉，發展前景廣闊。

因此，將透明陶瓷作為發光材料引入到白光LED器件中，將有利于解決當前熒光粉突出存在的熱問題，同時陶瓷優良的機械力學性能，將有利于簡化器件的封裝，并為器件結構設計帶來更大的靈活性。