沈鵬飛,蔣 騰,卓寧澤,王海波

(1.南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800; 2.南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800; 3.南京工業(yè)大學(xué) 電光源材料研究所,江蘇 南京 210015)

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)是一種具有高發(fā)光效率、長壽命、高穩(wěn)定性等特點的照明器件[1],在室內(nèi)外照明產(chǎn)品和電子產(chǎn)品(手機、電腦等顯示屏幕)中得到廣泛應(yīng)用,成為第四代光源[2]。隨著LED照明技術(shù)的不斷進步,白光LED已經(jīng)進入商業(yè)化應(yīng)用[3],目前實現(xiàn)白光LED的方式主要是紅綠藍三基色芯片混光和藍/紫外光芯片激發(fā)熒光粉混光產(chǎn)生白光[4-5],由于三基色芯片LED不同芯片所需驅(qū)動電流不同,生產(chǎn)工藝復(fù)雜且穩(wěn)定性低,因此,熒光轉(zhuǎn)換LED成為如今重點研究的對象。

LED的封裝在其整個產(chǎn)業(yè)鏈中起著承上啟下的重要作用,很大程度上影響著LED散熱效率、取光效率和可靠性。根據(jù)芯片與熒光粉相對位置可將LED封裝分為涂覆封裝技術(shù)和熒光薄膜封裝技術(shù)(PTFs)[6-9]。涂覆封裝技術(shù)主要是通過涂覆工藝或點膠工藝將熒光粉與芯片緊密貼合,工藝流程時間短且生產(chǎn)成本低[10],但熒光粉轉(zhuǎn)換的光子會被芯片大量吸收,導(dǎo)致取光效率只有60%左右,并且熒光粉產(chǎn)生的熱量會通過熱傳導(dǎo)方式大量傳遞到芯片上,長期高溫作用會使得芯片使用壽命降低。熒光薄膜封裝技術(shù)是將LED芯片與預(yù)制成型的膜層遠離放置,與涂覆封裝技術(shù)相比,由于阻斷了芯片與熒光薄膜之間的熱傳導(dǎo),芯片使用壽命得到大幅度延長,熒光薄膜發(fā)光效率和可靠性更優(yōu)[11]。

長久以來,LED作為一種電致發(fā)光器件,光電轉(zhuǎn)換效率只有15%～30%[12],其余能量被轉(zhuǎn)化為熱能,作為唯一熱源，LED芯片的溫度被認為是LED封裝中的最高溫度。Arik等[13]第一次發(fā)現(xiàn)熒光粉存在發(fā)熱現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)很低的熱量也能使熒光粉達到較高的溫度。Fan等[14]通過ANSYS模擬和實驗發(fā)現(xiàn)，用絕緣密封劑將LED芯片與熒光粉層分離可改善LED發(fā)光性能和顏色穩(wěn)定性。Hu等[15]通過模擬探討了不同封裝方式下不同濃度熒光粉中熱點位置的變化。熒光粉作為一種光致發(fā)熱材料,隨著溫度的升高,處于激發(fā)態(tài)的電子具有更高的能量,在躍遷回低能級時,產(chǎn)生的聲子增多而光子減少,致使LED波長紅移且光效和顯色降低,熒光粉光轉(zhuǎn)換效率下降[16-17]。由于熒光薄膜中硅膠導(dǎo)熱系數(shù)(0.18 W/(m·K))很低,導(dǎo)致熒光粉產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)出去而產(chǎn)生累積效應(yīng),在Luo等[18]的實驗中甚至出現(xiàn)了硅膠碳化的現(xiàn)象,使LED的熱穩(wěn)定性嚴重下降。目前,國內(nèi)外對熒光粉發(fā)熱的研究很少,大多數(shù)也是研究藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉的熱效應(yīng)[19],對藍光芯片激發(fā)紅色熒光粉的研究更為缺乏。本文通過模擬和實驗,研究熒光薄膜遠程封裝中不同熒光粉濃度和輸入功率對CaAlSiN3:Eu紅色熒光薄膜發(fā)光及熱效應(yīng)的影響。

1 實驗

1.1 主要原料與測試儀器

實驗用紅色熒光粉(希爾德公司)屬于稀土氮化物,化學(xué)組成為CaAlSiN3:Eu,激發(fā)波長為445～465 nm,發(fā)射光譜峰值為655.1 nm;高光效集成面(COB)藍光光源(億量光電公司)峰值波長為455 nm;雙組分有機硅膠(康美特公司,型號KMT1289)。光色參數(shù)通過紫外-可見-近紅外光譜分析儀(杭州遠方光電公司,型號PMS-80)測量,測試范圍380～800 nm,通過非接觸式紅外測溫儀測量溫度,實驗所用單積分球為沐瀾光學(xué)公司定制,內(nèi)徑為30 cm。

1.2 熒光薄膜的制備

通過熱壓法制備熒光薄膜。按照CaAlSiN3:Eu熒光粉與硅膠質(zhì)量比分別為0∶1、0.025∶1、0.05∶1、0.075∶1、0.1∶1、0.125∶1、0.15∶1、0.175∶1、0.2∶1稱取原料并置于燒杯中，通過磁力攪拌器攪拌均勻,制得的膠體混合物在真空干燥箱中去除氣泡,將去泡后的熒光膠置于模具中施加10 MPa壓力,以150 ℃加熱固化1.5 h,冷卻開模得到紅色熒光薄膜,通過原料配比計算得到紅色熒光薄膜中熒光粉的質(zhì)量分數(shù)分別為0、2.44%、4.76%、6.98%、9.09%、11.11%、13.04%、14.89%、16.67%。

1.3 實驗平臺搭建及熱模型建立

取不同熒光粉質(zhì)量分數(shù)的熒光薄膜,制成直徑11 mm、厚度0.3 mm的試樣,分別距離芯片2.5 mm置于固定支架上,制成紅膜LED,如圖1所示。在芯片與翅片散熱器之間填充導(dǎo)熱硅脂,對測試光源輸入直流電流,測試環(huán)境溫度為20 ℃,接通電源3 min,在熒光薄膜溫度達到穩(wěn)態(tài)后,分別測試各熒光薄膜的光熱參數(shù)。將LED架構(gòu)放入積分球內(nèi),輸入電流為0.3 A,輸入電壓為10 V,用光譜分析儀測量各紅膜LED的光通量、色坐標和光輻射功率,計算得到熒光薄膜光轉(zhuǎn)換效率和熒光粉顆粒熱負荷。通過SolidWorks建立實驗構(gòu)架的熱仿真模型,見圖2。在有限元仿真FloEFD中進行穩(wěn)態(tài)溫度模擬,環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃,自然對流系數(shù)設(shè)為3 W/(m2·K),初始網(wǎng)格精度等級為3。COB藍光光源由6顆功率為0.5 W的芯片通過串、并聯(lián)方式結(jié)合在一起。由于芯片中藍寶石厚度占95%以上,且假設(shè)LED芯片全由藍寶石構(gòu)成對結(jié)果的影響不大,因此，為了提高模擬效率,假設(shè)LED芯片材料全為藍寶石并且忽略各部分接觸熱阻。模擬材料參數(shù)見表1,通過紅外測溫儀對模擬結(jié)果進行驗證。

圖1 不同熒光粉質(zhì)量分數(shù)的熒光薄膜Fig.1 PTFs with different phosphor concentrations

圖2 實驗構(gòu)架的熱仿真模型Fig.2 Simulation model of experimental framework

表1 材料參數(shù)

選取熒光粉質(zhì)量分數(shù)為4.76%的熒光薄膜,調(diào)節(jié)芯片輸入電流分別為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 A,輸入電壓為10 V。使用光譜分析儀測得不同輸入電流下LED的色坐標、光通量和光輻射功率,通過上述模型進行熱模擬仿真。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光粉濃度對熒光薄膜發(fā)光和熱效應(yīng)的影響

2.1.1 LED光色性能隨熒光粉濃度變化規(guī)律

圖3為光譜分析儀測得的不同熒光粉質(zhì)量分數(shù)紅膜LED的光通量及色坐標。由圖3可知:隨著熒光粉質(zhì)量分數(shù)的升高,光通量先升高后降低,在6.98%時達到最高,為43.5 lm。這是由于光通量與人眼視覺敏感度和光輻射功率呈正相關(guān)關(guān)系,其中視覺敏感度的影響更大。人眼對藍光和紅光的敏感度最低,隨著熒光粉濃度的升高,從色坐標中可看出LED光色由藍變?yōu)榉奂t至橙紅再變?yōu)榧t色,對人眼的刺激略微上升后下降,因此光通量也先升后降。色坐標中x和y軸分別為發(fā)光中紅基色和綠基色的占比,隨著紅色熒光粉濃度升高,熒光薄膜吸收更多藍光,導(dǎo)致透射出的藍光能量降低,發(fā)射的紅光能量相對升高,因此紅光和綠光占比也升高,且x和y呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.998，數(shù)據(jù)擬合得式(1)。

y=0.599 1x-0.054 2R2=0.998

(1)

圖3 紅膜LED的光通量和色坐標Fig.3 Luminous flux and color coordinates of red LED

取波長為400～525 nm的光輻射功率對應(yīng)激發(fā)光藍光和526～800 nm的光輻射功率對應(yīng)發(fā)射光紅光,圖4為不同質(zhì)量分數(shù)熒光薄膜受藍光激發(fā)后積分球內(nèi)光輻射功率。由圖4可知:隨著熒光粉顆粒數(shù)量的增加,越來越多的藍光光子被熒光薄膜轉(zhuǎn)化成紅光光子,因此藍光輻射功率隨著熒光粉濃度的升高而降低。紅光輻射功率在熒光粉質(zhì)量分數(shù)為9.09%時達到最高,隨后緩慢降低,這是由于熒光粉質(zhì)量分數(shù)達到一定程度后,可被熒光粉轉(zhuǎn)換的藍光光子數(shù)量相對較少,并且溫度升高導(dǎo)致熒光粉光轉(zhuǎn)換效率下降,紅膜LED發(fā)光中紅光光子數(shù)量減少,所以紅光輻射功率先增大后緩慢降低。

圖4 紅膜LED的光輻射功率Fig.4 Optical radiation power of red LED

通過式(2)計算不同熒光粉質(zhì)量分數(shù)熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率(ηCE)。

(2)

式中:Pr為熒光粉顆粒受激發(fā)后發(fā)出紅光的光輻射功率,Ptotal為藍光芯片的初始總光輻射功率,Pb為積分球中未被熒光粉顆粒吸收的藍光光輻射功率。

在之前的研究[18]中,熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率常用式(3)—(5)表示。

ηCE=ηQηStokes

(3)

(4)

(5)

式中:ηQ為熒光粉量子效率，經(jīng)大量實驗表明氮化物紅色熒光粉量子效率一般低于60%[20-21]；ηStokes為熒光粉斯托克斯效率；Nr為熒光粉發(fā)出的紅光光子數(shù)目；Nb為熒光粉吸收的藍光光子數(shù)目；λB-Dominate為藍光波長；λR-Dominate為紅光波長。一般情況下藍光波長為450 nm，紅光波長為650 nm，因此ηStokes約為69.2%。通過計算可得紅色熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率低于42%。但隨著溫度的升高，紅光峰值波長升高，ηStokes將降低，因此傳統(tǒng)計算方式不能準確得到不同溫度下的熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率。

由式(2)計算不同熒光粉質(zhì)量分數(shù)熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果見圖5。由圖5可見:隨著熒光粉質(zhì)量分數(shù)的增大,熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率逐漸降低,從41.5%降到35.6%。在質(zhì)量分數(shù)為2.44%～11.11%時,光轉(zhuǎn)換效率下降幅度較小,之后下降幅度增大。這是由于Pr先升高后緩慢降低,Pb一直降低,Ptotal保持不變,由于Pb下降幅度較大,所以熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率整體呈下降趨勢且下降幅度越來越大。

圖5 熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率Fig.5 Conversion efficiency of phosphor thin films

2.1.2 熒光薄膜溫度隨熒光粉濃度變化規(guī)律

根據(jù)熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率可以得到熒光薄膜中氮化物紅色熒光粉所負荷的熱功率(PR)[22],可表示為式(6)。

PR=PB(1-ηCE)

(6)

式中:PB為熒光粉顆粒吸收的藍光功率。

FloEFD熱仿真結(jié)果如圖6所示。為了驗證紅色熒光薄膜發(fā)熱量模擬結(jié)果,通過紅外測溫儀測量熒光薄膜表面溫度,實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 模擬溫度與實測溫度對比Fig.6 Comparison of simulated temperature and measured temperature

圖7 不同電流下紅膜LED的光色參數(shù)Fig.7 Color performance of red LED under different currents

由圖6可知:通過模擬與實測溫度的對比可發(fā)現(xiàn),熒光薄膜溫度上升趨勢基本一致,模擬與實測結(jié)果相差低于5.9 ℃,誤差小于5%,說明模擬具有一定的準確性。通過模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)純硅膠膜的溫度為77.2 ℃,比芯片溫度(78.6 ℃)略低,這是由于芯片發(fā)出的藍光在硅膠膜上發(fā)生光反射產(chǎn)生熱量,并且芯片熱量以熱輻射的形式從芯片傳遞到硅膠膜上。通過硅膠膜與熒光薄膜的對比可發(fā)現(xiàn):熒光粉確實存在著不可忽略的發(fā)熱現(xiàn)象,隨著熒光粉質(zhì)量分數(shù)(2.44%～16.67%)的升高,熒光薄膜溫度從97.2 ℃逐漸升高到132.2 ℃(比芯片溫度高53.6 ℃)。熒光薄膜溫度與熒光粉濃度成正比,這是由于熒光粉濃度越高,光子與熒光粉顆粒碰撞的平均自由程則越短,藍光被吸收的概率越大,相應(yīng)的非輻射躍遷增加,產(chǎn)生更多的熱量積累；另外，熒光粉溫度升高時,熒光粉內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的電子具有更高的能量,躍遷回低能級時降低光子產(chǎn)生的概率并會發(fā)出更多熱量,并且當溫度過高時,將發(fā)生熱淬滅現(xiàn)象,甚至引起硅膠碳化。

2.2 輸入功率對熒光薄膜發(fā)光和熱效應(yīng)的影響

2.2.1 LED光色性能隨輸入功率變化規(guī)律

圖7為輸入電流分別為0.2、0.25、0.3、0.35和0.4 A時光譜分析儀測得的熒光粉質(zhì)量分數(shù)為4.76%的紅膜LED光色參數(shù)。由圖7可知:紅膜LED發(fā)出的光的顏色幾乎不隨輸入功率(輸入電壓10 V)的增加而改變,表明紅膜LED具有穩(wěn)定的色度性能。光通量隨著輸入功率(2～4 W)的增大近似直線上升,由29.95 lm升至51.16 lm,這是由于光色不變的情況下,光通量與光輻射功率呈正相關(guān)關(guān)系。紅膜LED中紅光光輻射功率和藍光光輻射功率隨著輸入功率的增大而逐步增大。根據(jù)光輻射功率可算出光轉(zhuǎn)換效率如圖8所示。由圖8可知:熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率隨激發(fā)電流的增大而降低,從41.99%降為39.85%,下降幅度逐漸增大,這主要是由于熒光粉中電子發(fā)生輻射復(fù)合產(chǎn)生光子的概率減小,發(fā)生非輻射復(fù)合產(chǎn)生聲子的概率增加。

圖8 不同電流下熒光薄膜的光轉(zhuǎn)換效率Fig.8 Conversion efficiency of phosphor thin films under different currents

2.2.2 熒光薄膜和芯片溫度隨輸入功率變化規(guī)律

圖9為LED熒光薄膜和芯片溫度熱模擬仿真結(jié)果。由圖9可知:隨著輸入功率的增大,芯片溫度也逐漸升高,從56.2 ℃逐漸升高至91.5 ℃,芯片溫度上升幅度也略有增大,這是由于隨著輸入電流的增加,芯片量子阱中電流密度增加,芯片內(nèi)部損耗加劇,非輻射復(fù)合發(fā)生的概率增大,發(fā)生Droop效應(yīng)[23],芯片電-光轉(zhuǎn)換效率下降,產(chǎn)生相對更多的熱量。熒光薄膜溫度從79.6 ℃逐漸升高至125.1 ℃,上升幅度比芯片高,這是由于藍光在熒光薄膜上反射損耗的能量增加,并且光轉(zhuǎn)換效率的下降使熒光粉中相對更多的藍光被轉(zhuǎn)換為熱能,因此,熒光薄膜溫升更大。

圖9 不同電流下熒光薄膜和芯片溫度Fig.9 Temperature of PTFs and chip under different currents

3 結(jié)論

1)隨著紅色熒光粉濃度的升高,LED發(fā)光顏色由藍光區(qū)域向紅光區(qū)域轉(zhuǎn)變,光通量先升高后降低,在熒光粉質(zhì)量分數(shù)為6.98%時達到最高;透射光藍光輻射功率持續(xù)下降,發(fā)射光紅光輻射功率先升高后緩慢降低,通過計算得出熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率持續(xù)下降。熒光粉中存在明顯的發(fā)熱現(xiàn)象,在環(huán)境溫度為20 ℃時,熒光薄膜溫度隨著熒光粉質(zhì)量分數(shù)(2.44%～16.67%)的增大而持續(xù)上升,其溫度從97.2 ℃升高至132.2 ℃,比芯片溫度(78.6 ℃)高53.6 ℃。

2)提高芯片輸入功率可以在不改變LED色度性能的基礎(chǔ)上有效提高其光通量,但也會降低芯片和熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率,使LED發(fā)光效率下降。同時，熒光薄膜和芯片溫度隨輸入功率增大而明顯上升,熒光薄膜溫度上升幅度高于芯片,降低了器件的使用壽命。