LED封装中荧光粉光热耦合研究及工艺应用

大功率白光发光二极管(LED)封装凭借其节能、环保、高可靠性、长寿命等优势,被认为是第四代照明光源,已经渗透到我们日常生活的方方面面。基于蓝光LED芯片和黄色荧光粉的白光LED封装是目前应用最为广泛的形式,也是本论文的主要研究对象。荧光粉作为一种光致发光材料,决定了白光LED封装的色温、空间颜色均匀性、显色指数等光学参数,其本身还会产生光致发热进而影响LED封装的热学性能。为了同时实现荧光粉良好的光学和热学性能,本论文将荧光粉的光学和热学性能进行耦合研究,并用于指导新型工艺的开发,取得了如下成果： 1)基于Mie散射理论计算了荧光粉颗粒的光学常数,包括吸收系数、散射系数、各向异性参数等。结合荧光粉颗粒的光吸收、散射和转化特性,通过修正Kubelka-Munk理论,建立了更贴近真实情况的单层和多层荧光粉光散射模型,分析了荧光粉颗粒沉淀现象。此外还首次发现了单颗白光LED模块中混光的“近场效应”。 2)基于Unit Cell方法建立2D/3D模型计算了荧光粉硅胶混合物的有效导热系数,并通过实验进行验证,误差在5%以内。提出了基于磁纳米颗粒测量荧光粉温度的方法,结果表明在电压为5.2V时,LED芯片温度为326.8K,而荧光粉温度为374.8K,在不同电压下都观察到荧光粉温度高于芯片温度的实验现象。进一步通过在线可靠性测试,发现荧光粉温度高的LED光衰严重,而降低荧光粉温度可以抑制LED光衰,因此降低荧光粉温度是实现高性能白光LED封装的必要环节。 3)建立了荧光粉的光热耦合模型,推导出荧光粉的光致发热表达式,研究了荧光粉参数对荧光粉光致发热的影响。考虑荧光粉光致发热,首次发现了白光LED封装中由荧光粉位置和浓度引起的“热点转移”现象,并基于遗传算法优化荧光粉颗粒分布,提出降低荧光粉温度的具体措施。 4)基于荧光粉的光热耦合模型,提出了多种优化荧光粉涂覆的工艺,包括优化荧光粉保形涂覆的工艺参数,给出理想荧光粉保形涂覆厚度为50到70μm：设计出了同时实现荧光粉保形涂覆和均匀照明的一次光学自由曲面透镜；提出了提高取光效率17.63%的双层荧光粉涂覆工艺等。