基于YAG陶瓷封裝的大功率車用LED的發光性能

張曄明，芶 立，時佳男，高江東

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基于YAG陶瓷封裝的大功率車用LED的發光性能

張曄明1，芶 立1，時佳男1，高江東2

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

不同摻雜量的Ce:YAG陶瓷與5 W藍光芯片封裝后得到發光二極管（LED）燈珠并表征了其發光性能。這種陶瓷燈珠的電致發光光譜結果表明，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燈珠發光效率可以達到88.2 lm/W，此種陶瓷燈珠在LED車大燈應用領域有很大潛力。

Ce:YAG；陶瓷；熒光粉；LED；發光性能；車大燈

作為第四代光源，LED具有空間尺寸小、亮度高、節能環保、壽命長、效率高、可靠性高和色彩鮮艷等優點，因此被廣泛應用于交通信號燈、汽車前后燈、電子器件中液晶背光、夜景照明燈等領域[1]。目前主流的白光LED是由黃色熒光物質結合InGaN芯片來實現，在應用中有機封裝物質如環氧樹脂和硅膠在長時間工作后會老化，導致色偏移和漂變。特別是大功率的LED，老化現象對于LED發光穩定性影響巨大[2]，因此，尋求耐熱性更好的熒光材料是此領域工作者積極探索的方向之一。

LED在車大燈（遠光近光）應用領域有著巨大潛力，目前車大燈市場主要還是被鹵素燈、HID（High Intensity Discharge）氙燈占有，而更為節能高效、迅速響應的LED大燈主要應用于高端車型。這是因為LED在車頭燈應用上面臨著以下挑戰：LED車大燈工作環境相比于普通LED光源更復雜，支持LED車大燈正常運作的驅動電源、LED陣列、散熱方案等都比普通LED燈有更高的要求；為了達到如ECE R112及GB 4599—2007標準所規定的光性能要求，同時兼顧設計靈活性及成本因素[3]，LED陣列里單個燈珠更傾向于發光高效化、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所要求的高效穩定，更緊湊的體積也是先進熒光材料應該具備的特點。

針對LED市場熒光材料的改進思路有：使用更高熱導率的封裝硅膠、玻璃陶瓷[4]、單晶[5]以及透明陶瓷[6]。后三者均為無機塊體材料，本身具有更高的抗熱蝕性。相比之下，單晶生產成本較高，工藝復雜，生產周期長，即使在預算更為充沛的車大燈領域，其成本也制約著應用范圍。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的熱侵蝕，另外玻璃基體引入的離子對于發光可能有淬滅作用，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性能，同時還具備良好的力學、化學、耐濕、耐熱等穩定性[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透明陶瓷應用于白光LED，得到的小功率（0.3 W）燈珠的發光效率為73.5 lm/W。Liu等[8]將 Ce:YAG透明陶瓷與大功率藍光芯片（20 W）結合，并且側重研究了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的應用潛力。但對于實際應用而言，3~5 W的單燈珠LED燈具是市面最常用的大功率LED產品，通過集成多個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陶瓷燈珠對于實現YAG陶瓷進入大功率LED產業鏈具有重要意義。

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

1 實驗

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粉體理論產量5%（質量分數）的PEG作為分散劑，加入YAG粉體理論產量0.5%（質量分數）的TEOS作為燒結助劑[9]。將烘干的前驅體在弱還原氣氛下于1 200 ℃煅燒為YAG熒光粉體。經干壓、冷等靜壓成型為=12 mm的陶瓷坯體，在真空碳管爐內1 700 ℃燒結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測試YAG粉體的光致激發和發射光譜；使用德國Instrument Systems CAS 140 CT系統表征不同摻雜量的YAG陶瓷與5 W InGaN芯片（450 nm）封裝的燈珠發光性能。

2 結果與討論

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YAG粉體的光致發光激發譜與發射光譜，530 nm為Ce3+的5d-4f能級躍遷特征發射，以530 nm為監測波長測試Ce: YAG陶瓷的激發光譜有2個明顯的寬激發峰，中心分別位于340和460 nm處，屬于Ce3+的4f→5d能級躍遷，分別對應于Ce3+的2F5/2→5d 和2F7/2→5d 的躍遷。從粉體光致發光強度來看，=0.03是本實驗工藝下較合適的摻雜量，在=0.03之后光譜強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粉體的激發和發射光譜

2.2 陶瓷封裝燈珠的發光性能

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光(EL)光譜。550 nm處的峰值為熒光體受激發射的黃光，隨著陶瓷厚度的增加，黃光強度在不同摻雜量的陶瓷中均呈現下降的趨勢。這是由于隨著厚度的增加，散射缺陷(如氣孔)數量增多，這些散射缺陷降低了黃光的出射量。同時，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，藍光經過陶瓷熒光層后絕大部分轉變為黃光。

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

圖3(a)是藍光分別在YAG陶瓷和熒光粉/樹脂熒光層中轉換差別的示意圖。InGaN芯片發出的藍光經過陶瓷和熒光粉/樹脂均會有以下幾個途徑的減少：表面的散射、內部缺陷的折射以及發光激活中心Ce3+的吸收。而作為主導因素，激活中心Ce3+的多少決定了最終出射藍光的量。在圖3(b)中可以看出，兩種燈珠電致發光光譜的黃藍光比例有明顯不同，摻雜相對更低的陶瓷燈珠電致發光光譜的黃光波段明顯占主導地位。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芯片發出的藍光轉換為黃光。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。在實際應用中，SMD貼片式的熒光粉/樹脂燈珠主要應用于小功率領域，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定性，同時可降低勻膠工藝難度。換言之，熒光粉/樹脂可較好適應無體積要求的發光器件，而陶瓷作為熒光材料則更匹配緊湊型的大功率LED器件結構。

圖3 (a)不同摻雜量的YAG陶瓷以及熒光粉/樹脂藍光轉換機制示意圖；（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，裸芯和有機物/熒光粉有更高的光功率，這是由于藍光相比于黃光能量高，因而，出射光中藍光越多，光功率越高。從發光效率曲線圖4 (b)可以看出，陶瓷發光效率高于熒光粉/樹脂以及裸芯，這是由于光通量的檢測與對可見光區域積分得到主波長的視見函數有關，而明視視見函數在555 nm達到最值1[11]，出射光中黃綠光越多，則發光效率越高。同時發光效率隨著電流升高而下降是由于芯片電流密度增大導致了“droop效應”[12]。本實驗中的摻雜量為=0.03，厚度為0.4 mm的陶瓷燈珠在6.7 mm×6.8 mm的面積下可以達到428 lm的光通，發光效率為88.2 lm/W。同時考慮到摻雜量=0.03陶瓷的電致發光曲線中入射藍光幾乎被完全消耗，這一值還可以繼續上升，直到所提供的藍光入射量達到此摻雜濃度下的“轉換閾值”，且此數值主要取決于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用要求的高效、緊湊的特點。

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值，表1是具體的光性能數值。陶瓷色溫在 3 444~4 135 K，發光為黃綠色波段，與鹵素大燈相近，在霧、霾等天氣有較強的穿透性，也可用于希望減少照明藍光污染的大功率家用市場[13-14]。而顯色指數相對熒光粉/樹脂較低，這是由于缺少藍光發射波段，可根據應用通過優化Ce摻雜量和陶瓷厚度來調整。

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(插圖為燈珠發光數碼照片)

表1 不同燈珠的光性能參數

Tab.1 Optical parameters of different LED lamp beads

3 結論

通過評價不同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，包含了大量的發光激活中心Ce3+。摻雜量為=0.03的陶瓷封裝燈珠可以達到88.2 lm/W的發光效率(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+，大部分藍光轉換為黃光，可以使用更大功率芯片或者相應降低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

成都市高校院所應用成果轉化資助項目（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