基于YAG陶瓷封装的大功率车用LED的发光性能

张晔明，芶 立，时佳男，高江东



基于YAG陶瓷封装的大功率车用LED的发光性能

张晔明1，芶 立1，时佳男1，高江东2

（1. 四川大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610065；2. 南昌大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330031）

不同掺杂量的Ce:YAG陶瓷与5 W蓝光芯片封装后得到发光二极管（LED）灯珠并表征了其发光性能。这种陶瓷灯珠的电致发光光谱结果表明，Ce:YAG陶瓷是一种更加紧凑高效的荧光材料，在较低的Ce3+掺杂量和较小体积下可容纳更多的激活中心。采用Ce3+掺杂量为=0.03 (Ce:Y3-xAl5O12)，厚度为0.4 mm的YAG陶瓷封装的LED灯珠发光效率可以达到88.2 lm/W，此种陶瓷灯珠在LED车大灯应用领域有很大潜力。

Ce:YAG；陶瓷；荧光粉；LED；发光性能；车大灯

作为第四代光源，LED具有空间尺寸小、亮度高、节能环保、寿命长、效率高、可靠性高和色彩鲜艳等优点，因此被广泛应用于交通信号灯、汽车前后灯、电子器件中液晶背光、夜景照明灯等领域[1]。目前主流的白光LED是由黄色荧光物质结合InGaN芯片来实现，在应用中有机封装物质如环氧树脂和硅胶在长时间工作后会老化，导致色偏移和漂变。特别是大功率的LED，老化现象对于LED发光稳定性影响巨大[2]，因此，寻求耐热性更好的荧光材料是此领域工作者积极探索的方向之一。

LED在车大灯（远光近光）应用领域有着巨大潜力，目前车大灯市场主要还是被卤素灯、HID（High Intensity Discharge）氙灯占有，而更为节能高效、迅速响应的LED大灯主要应用于高端车型。这是因为LED在车头灯应用上面临着以下挑战：LED车大灯工作环境相比于普通LED光源更复杂，支持LED车大灯正常运作的驱动电源、LED阵列、散热方案等都比普通LED灯有更高的要求；为了达到如ECE R112及GB 4599—2007标准所规定的光性能要求，同时兼顾设计灵活性及成本因素[3]，LED阵列里单个灯珠更倾向于发光高效化、体积小型化。这对于车大灯用LED荧光材料的研究而言，除去通用大功率LED所要求的高效稳定，更紧凑的体积也是先进荧光材料应该具备的特点。

针对LED市场荧光材料的改进思路有：使用更高热导率的封装硅胶、玻璃陶瓷[4]、单晶[5]以及透明陶瓷[6]。后三者均为无机块体材料，本身具有更高的抗热蚀性。相比之下，单晶生产成本较高，工艺复杂，生产周期长，即使在预算更为充沛的车大灯领域，其成本也制约着应用范围。玻璃陶瓷需解决的问题有：一是需要合适的的荧光粉以耐受玻璃基体熔融时的热侵蚀，另外玻璃基体引入的离子对于发光可能有淬灭作用，玻璃基体和荧光粉折射率的差异会降低玻璃陶瓷的透光率[4]。YAG陶瓷具有各向同性的光学性能，同时还具备良好的力学、化学、耐湿、耐热等稳定性[7]，是一种LED荧光层理想的改良材料。Nishiura等[6]首先尝试了将Ce：YAG透明陶瓷应用于白光LED，得到的小功率（0.3 W）灯珠的发光效率为73.5 lm/W。Liu等[8]将 Ce:YAG透明陶瓷与大功率蓝光芯片（20 W）结合，并且侧重研究了Ce:YAG透明陶瓷的高温淬冷性，证明了Ce：YAG透明陶瓷在大功率LED的应用潜力。但对于实际应用而言，3~5 W的单灯珠LED灯具是市面最常用的大功率LED产品，通过集成多个3~5 W的灯珠，可组成超大功率的LED模组（20~200 W）。因此，研究5 W的YAG陶瓷灯珠对于实现YAG陶瓷进入大功率LED产业链具有重要意义。

本文制备了不同Ce掺杂量的YAG陶瓷，经抛光后与5 W InGaN芯片封装成灯珠，表征该陶瓷封装的LED灯珠的发光性能并分析了YAG陶瓷作为荧光材料的特点。

1 实验

1.1 Ce:YAG陶瓷的制备

采用均相沉淀法制备了不同Ce掺杂量Ce:Y3–xAl5O12(=0.015, 0.03, 0.045, 0.06)的YAG粉体，按照名义化学式配比Ce(NO3)3·6H2O(99.99%），Y(NO3)3·9H2O(99.99%)，Al(NO3)3·9H2O(99.99%)，加入尿素作为沉淀剂，金属离子与尿素的摩尔比为1:50，加入YAG粉体理论产量5%（质量分数）的PEG作为分散剂，加入YAG粉体理论产量0.5%（质量分数）的TEOS作为烧结助剂[9]。将烘干的前驱体在弱还原气氛下于1 200 ℃煅烧为YAG荧光粉体。经干压、冷等静压成型为=12 mm的陶瓷坯体，在真空碳管炉内1 700 ℃烧结10 h，真空度为4×10–3Pa，最后在1 450 ℃空气气氛下退火15 h。

1.2 灯珠封装

将不同掺杂量的YAG陶瓷机械抛光到一定厚度（0.4~0.9 mm），与5 W InGaN芯片(主波长450 nm)进行封装，制备YAG陶瓷灯珠。作为对比，使用商用YAG荧光粉体，通过常规封装模式与5 W InGaN芯片制备荧光粉/树脂灯珠。

1.3 表征

采用Ｘ射线衍射仪（Philips X’Pert Pro MPD DY1291）表征陶瓷的物相（铜靶=1.540 56×10–4μm）；使用Hitachi F4600型号荧光分光光度计测试YAG粉体的光致激发和发射光谱；使用德国Instrument Systems CAS 140 CT系统表征不同掺杂量的YAG陶瓷与5 W InGaN芯片（450 nm）封装的灯珠发光性能。

2 结果与讨论

2.1 粉体性能及陶瓷物相

图1(a)所示为不同掺杂量的YAG (Ce:Y3-xAl5O12) 陶瓷的XRD谱，可以看出陶瓷特征衍射峰和JCPDS卡片No.33-0040符合很好，说明制备的陶瓷均为纯相YAG。图1(b)为相应YAG粉体的光致发光激发谱与发射光谱，530 nm为Ce3+的5d-4f能级跃迁特征发射，以530 nm为监测波长测试Ce: YAG陶瓷的激发光谱有2个明显的宽激发峰，中心分别位于340和460 nm处，属于Ce3+的4f→5d能级跃迁，分别对应于Ce3+的2F5/2→5d 和2F7/2→5d 的跃迁。从粉体光致发光强度来看，=0.03是本实验工艺下较合适的掺杂量，在=0.03之后光谱强度随掺杂量增加而降低，可能是由于掺杂量升高后Ce3+间的相互作用引起的淬灭[10]。

图1 (a)不同掺杂量的YAG陶瓷(Cex:Y3-xAl5O12)的XRD谱；(b)不同掺杂量的Cex:Y3-xAl5O12粉体的激发和发射光谱

2.2 陶瓷封装灯珠的发光性能

图2是不同掺杂量的YAG (Ce:Y3-xAl5O12)陶瓷与5W InGaN芯片封装的灯珠电致发光(EL)光谱。550 nm处的峰值为荧光体受激发射的黄光，随着陶瓷厚度的增加，黄光强度在不同掺杂量的陶瓷中均呈现下降的趋势。这是由于随着厚度的增加，散射缺陷(如气孔)数量增多，这些散射缺陷降低了黄光的出射量。同时，在图2(a)中Ce掺杂量为=0.015的陶瓷灯珠EL谱中可以观察到位于445 nm左右的峰值，这是InGaN芯片的出射光，而在掺杂量为=0.03，此峰值很弱，说明在高掺杂量下，蓝光经过陶瓷荧光层后绝大部分转变为黄光。

图2 不同掺杂量的YAG陶瓷(Cex:Y3-xAl5O12)在0.4~0.9 mm厚度下的电致发光谱

图3(a)是蓝光分别在YAG陶瓷和荧光粉/树脂荧光层中转换差别的示意图。InGaN芯片发出的蓝光经过陶瓷和荧光粉/树脂均会有以下几个途径的减少：表面的散射、内部缺陷的折射以及发光激活中心Ce3+的吸收。而作为主导因素，激活中心Ce3+的多少决定了最终出射蓝光的量。在图3(b)中可以看出，两种灯珠电致发光光谱的黄蓝光比例有明显不同，掺杂相对更低的陶瓷灯珠电致发光光谱的黄光波段明显占主导地位。这是由于在单位体积中陶瓷包含更多的激活中心Ce3+，这些激活中心可有效地将InGaN芯片发出的蓝光转换为黄光。而对于荧光粉/树脂，为提高单位体积中Ce3+激活中心的密度，需要增加荧光粉用量，这样会加大分散的难度。在实际应用中，SMD贴片式的荧光粉/树脂灯珠主要应用于小功率领域，大功率灯珠多采用占表面积更大的芯片COB(Chip On Board) 型阵列以保证散热稳定性，同时可降低匀胶工艺难度。换言之，荧光粉/树脂可较好适应无体积要求的发光器件，而陶瓷作为荧光材料则更匹配紧凑型的大功率LED器件结构。

图3 (a)不同掺杂量的YAG陶瓷以及荧光粉/树脂蓝光转换机制示意图；（b）0.4 mm厚度下的不同掺杂量陶瓷与荧光粉/树脂电致发光光谱（插图是陶瓷灯珠及荧光粉/树脂灯珠照片）

图4是InGaN裸芯，=0.03掺杂的陶瓷封装的灯珠以及荧光粉/树脂封装的灯珠的光功率和发光效率随电流变化曲线。从图4(a)中的光功率曲线可以看出，相比于陶瓷，裸芯和有机物/荧光粉有更高的光功率，这是由于蓝光相比于黄光能量高，因而，出射光中蓝光越多，光功率越高。从发光效率曲线图4 (b)可以看出，陶瓷发光效率高于荧光粉/树脂以及裸芯，这是由于光通量的检测与对可见光区域积分得到主波长的视见函数有关，而明视视见函数在555 nm达到最值1[11]，出射光中黄绿光越多，则发光效率越高。同时发光效率随着电流升高而下降是由于芯片电流密度增大导致了“droop效应”[12]。本实验中的掺杂量为=0.03，厚度为0.4 mm的陶瓷灯珠在6.7 mm×6.8 mm的面积下可以达到428 lm的光通，发光效率为88.2 lm/W。同时考虑到掺杂量=0.03陶瓷的电致发光曲线中入射蓝光几乎被完全消耗，这一值还可以继续上升，直到所提供的蓝光入射量达到此掺杂浓度下的“转换阈值”，且此数值主要取决于Ce3+含量的多少。换言之，相比于荧光粉/树脂，陶瓷可以将更多的激活中心Ce3+均匀地容纳在较小的体积，很好地符合车大灯应用要求的高效、紧凑的特点。

图4 (a) 裸芯，荧光粉/树脂和陶瓷灯珠的光功率随电流变化曲线；(b) 裸芯，荧光粉/树脂和陶瓷灯珠发光效率随电流变化的曲线（所选陶瓷厚度为0.4 mm，掺杂量为x=0.03）

图5给出了荧光粉/树脂型灯珠、厚度为0.4 mm YAG陶瓷封装的陶瓷灯珠在不同掺杂量下的色温及色坐标值，表1是具体的光性能数值。陶瓷色温在 3 444~4 135 K，发光为黄绿色波段，与卤素大灯相近，在雾、霾等天气有较强的穿透性，也可用于希望减少照明蓝光污染的大功率家用市场[13-14]。而显色指数相对荧光粉/树脂较低，这是由于缺少蓝光发射波段，可根据应用通过优化Ce掺杂量和陶瓷厚度来调整。

图5 荧光粉/树脂和厚度为0.4 mm，不同掺杂量的陶瓷灯珠的色坐标(插图为灯珠发光数码照片)

表1 不同灯珠的光性能参数

Tab.1 Optical parameters of different LED lamp beads

3 结论

通过评价不同Ce掺杂量和不同厚度的YAG陶瓷封装灯珠的光性能，表明陶瓷是一种紧凑型的荧光层，在较低的掺杂量下，包含了大量的发光激活中心Ce3+。掺杂量为=0.03的陶瓷封装灯珠可以达到88.2 lm/W的发光效率(1 500 mA)，并且在较小面积（6.8 mm×6.8 mm）下获得428 lm的总光通，有望成为车头灯用大功率LED的荧光层材料。由于陶瓷包含了更多激活中心Ce3+，大部分蓝光转换为黄光，可以使用更大功率芯片或者相应降低YAG陶瓷的Ce3+掺杂量以获得白光出射。

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（编辑：陈丰）

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

成都市高校院所应用成果转化资助项目（No. 12DXYB316JH-002）

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

张晔明（1991－），男，湖南怀化人，研究生，从事发光材料与器件研究，E-mail: craigzym@163.com。

2016-07-01 10:47:53

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