[发明专利]一种用于白光LED器件的复相透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于LED发光技术领域，涉及一种应用在白光LED器件中的块体发光透明陶瓷。

背景技术

白光LED（White light-emitting diode）具有小型固体化，耐震动，瞬时启动和快响应（μs），节能且寿命长（万小时），绿色高效等许多优点，尤其是当前在白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源的能效几乎都已达到了极限，而基于LED照明技术的能效有望在今后10年内提高一到两倍，未来可广泛应用于各种建筑与景观照明，LCD背景光，医疗，航海、航空，汽车照明，及各种便携式照明，有望作为一种节能、环保的绿色固态照明（SSL）技术，发展成为第四代新照明光源。

白光LED的发光原理主要是将荧光粉涂覆在蓝光LED或紫外LED芯片上，通过波长转换实现白光。然而当前在白光LED的研究发展过程中，主要存在以下突出问题：

1）荧光粉在蓝光或紫外芯片发出的光通过时会产生散射和吸收等现象，涂覆厚度的不均匀及荧光粉的形貌和粒径等因素，都会导致产生黄色光斑，蓝色光斑，白光色温不一致等问题；

2）荧光粉涂覆在蓝色芯片上的时候需要用有机硅胶混合，由于LED大部分能量发热导致温度升高，长时间在高温下，硅胶会老化会影响发光效率，降低器件使用寿命。

针对以上问题，当前的解决的方案主要有：

1）改进封装树脂的性能，如在环氧树脂中添加硫提高其折射率；采用有机硅替代传统树脂等，但是这种方案不能从根本上改变它作为功率性LED器件应用的不足，因此，荧光粉体树脂封装的方案，多用在小功率的LED器件中；

2）改变荧光材料，直接采用导热性能良好的块体荧光材料来替代传统荧光粉体，该方案可以不使用树脂，此外块体的荧光材料在LED器件封装设计上提供可更多的灵活性。

如，全球三大照明公司之一的飞利浦公司2007年发表了陶瓷荧光板荧光技术（Lumiramic Phosphor Technology），该技术将荧光粉压成陶瓷片（不透明），可将LED的色温范围减低为原本的1/4，减少了各个LED间色温不均的现象。不仅简化了封装问题，同时在指定色温的前提下，节省75%的荧光粉用量，并简化了光源的制造工艺。但是由于陶瓷荧光板是普通压制烧结而成，在抗震、散热等方面存在不足；不透明的陶瓷板同样存在荧光粉的光散射问题，且该设计需要采用薄层芯片倒装技术（TFFC），使得新器件的设计发展存在局限性。

国内CN1815765A提出了一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法，它是将稀土掺杂的YAG晶片用作荧光材料，但是单晶材料相比陶瓷，在机械、力学稳定性方面存在不足，限制了加工制造的灵活性，且单晶生长需要高温，制备成本较高，且该技术方案仍需树脂封装晶片，不能从根本上解决树脂受热老化问题。

又如CN101338879A提出了一种利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法，但是此专利中的透明陶瓷实际是指多晶颗粒形式的涂覆层，陶瓷颗粒为1nm—300nm，而不是块体陶瓷，与传统荧光粉差别不大。

透明陶瓷作为近年来迅速发展起来的一种新型光电功能材料，在热学、力学性能、光性能、复合结构以及规模化生产方面优势明显，透明陶瓷目前已在窗口材料，激光材料和闪烁材料得到应用，其优点在于：

1）透明化的发光材料可以解决荧光粉对光的散射和吸收，提高发光效率；

2）陶瓷不存在单晶的分凝系数问题，可以实现多种发光离子的高浓度均匀共掺，从而可以通过精确控制陶瓷片荧光体的透过率，发光波段等各种参数，调节和控制荧光体陶瓷片转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例，利用透明陶瓷自身的均匀性，获得均一高质量的白光，并可进行发光设计，开发新材料；

3）透明陶瓷具有优异的机械和热力学性能，抗振动，导热性好，可解决蓝光LED持续点亮下温度升高造成的各种发光问题，进一步提高器件的发光稳定性和使用寿命，尤其适合大功率白光LED器件；

4）陶瓷相对单晶，在成型和复杂结构设计制备方便具有优势，且相对高熔点的Ce:YAG体系（熔点1950℃），陶瓷不需熔融，在较低温度下就可以烧制成功，商业成本低廉，发展前景广阔。

因此，将透明陶瓷作为发光材料引入到白光LED器件中，将有利于解决当前荧光粉突出存在的热问题，同时陶瓷优良的机械力学性能，将有利于简化器件的封装，并为器件结构设计带来更大的灵活性。