專利名稱：一種yag晶片式白光發(fā)光二極管及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及白光LED領(lǐng)域，具體涉及一種YAG晶片式白光發(fā)光二極管及其封裝方法。
背景技術(shù)：
隨著高效紫光和藍(lán)光發(fā)光二極管的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破，白光LED已日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，獲得白光LED的技術(shù)方案主要分為LED芯片組合和熒光轉(zhuǎn)換，而后者是目前白光LED領(lǐng)域的主流技術(shù)。其中，已產(chǎn)業(yè)化的白光LED主要由藍(lán)光LED芯片和熒光粉Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)組成，其主要制備技術(shù)是將熒光粉與膠體以一定的比例混合配成漿液，然后通過涂覆或點(diǎn)膠方式，直接或間接地將漿液涂在藍(lán)光LED晶粒表面，最后在一定溫度下固化成型。這種技術(shù)方案產(chǎn)生白光的主要原理是當(dāng)LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光通過樹脂時(shí)，部分藍(lán)光被光路中的YAG:Ce熒光粉顆粒吸收并轉(zhuǎn)換為黃色可見光，而另一部分藍(lán)光則由于光路中沒有YAG:Ce熒光粉顆粒，故直接透過樹脂未發(fā)生熒光轉(zhuǎn)換，最終未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光和轉(zhuǎn)換后的黃光通過混合產(chǎn)生白光。顯而易見，熒光粉的粒度大小、尺寸分布以及其在膠體中的空間分散性等因素直接決定著白光LED的白光質(zhì)量，尤其是均勻性。而目前很難獲得均一粒度分布的熒光粉，因此，在用非均一分布的熒光粉與膠體混合配漿液過程中，不同粒度大小的熒光粉顆粒表現(xiàn)出不同的沉降速度，而當(dāng)膠體固化后，熒光粉在膠體中就表現(xiàn)出非均一性空間分布，最終使不同的白光LED器件之間的白光質(zhì)量呈現(xiàn)出不一致性。
為了克服上述技術(shù)缺陷，人們又進(jìn)行了各種嘗試。一種途徑是通過有機(jī)發(fā)光染料薄膜代替熒光粉，來達(dá)到熒光轉(zhuǎn)換的目的，由于避免了不同粒度的熒光粉在膠體中的分布不均勻性，白光LED器件的均一性問題得到了解決，但是，這種技術(shù)也存在著嚴(yán)重的不足，即很難獲得具有優(yōu)良穩(wěn)定性的染料。
中國專利1618925A報(bào)道了一種生產(chǎn)光色均一的白光LED的方法。該方案特征在于在環(huán)氧樹脂或硅樹脂中除混入YAG熒光粉以外，另外加入0.1～10wt％的不會(huì)與熒光粉反應(yīng)且平均粒度在1nm～10um的無機(jī)物細(xì)粉末如二氧化硅粉料。雖然，此方案部分改善了光色的均勻性。然而，由于獲得顆粒粒徑分布窄且均勻的熒光粉的技術(shù)問題仍然沒有解決，因此，該方案所獲得的器件，顯而易見，仍無法從本質(zhì)上解決白光的均勻性差的技術(shù)問題。
最近，美國專利6,630,691B1報(bào)道了用YAG:Ce單晶片取代藍(lán)寶石或炭化硅作為襯底材料，使藍(lán)光LED晶粒外延生長在上面。在這種結(jié)構(gòu)中，單晶不僅作為芯片的襯底材料，同時(shí)兼具熒光轉(zhuǎn)換功能，由于晶體本身具有特性和規(guī)律，最終使得器件產(chǎn)生高質(zhì)量的白光。然而，這種技術(shù)也存在嚴(yán)重的技術(shù)難題，即外延片的晶格、熱力學(xué)和力學(xué)參數(shù)嚴(yán)重制約著其能否順利地生長在YAG單晶片上，這最終也影響白光LED器件的光學(xué)性能；同時(shí)，也由此導(dǎo)致生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性和高成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前白光LED器件的白光均勻性差的技術(shù)問題，提供一種YAG晶片式白光發(fā)光二極管，以獲得均一、高質(zhì)量的白光。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述YAG晶片式白光發(fā)光二極管的封裝方法，實(shí)現(xiàn)封裝的全自動(dòng)化。
本發(fā)明提供的白光LED器件技術(shù)方案的主要原理是利用一種YAG單晶片將GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為另外一種或多種理想波段的光，其中至少包括部分黃光，然后，無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的剩余未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光與單晶片轉(zhuǎn)換后的理想波段的光混合產(chǎn)生白光。該技術(shù)通過精確控制單晶片熒光體各種參數(shù)，如基質(zhì)晶體組成、激活離子的摻雜濃度及晶片厚度與加工方式等，來調(diào)節(jié)和控制由熒光體單晶片轉(zhuǎn)換的黃光與未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光之間的比例，同時(shí)利用單晶片自身具有的均勻性，獲得均一、高質(zhì)量的白光以及封裝的全自動(dòng)化。
本發(fā)明的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，包括GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒和單晶熒光體，所述單晶熒光體為單晶熒光體鈰釔鋁石榴石，其化學(xué)組成表示為(Y1-x-m-nGdx)3(GayAl1-y)5O12:3mCe，3nR，其中R為Pr，Sm，Tb，Dy中的一種；0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.01≤m≤0.1，0≤n≤0.1。
上述單晶熒光體鈰釔鋁石榴石為片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石，對上述單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，保證其厚度為0.1～1.0mm；然后，再對單晶片進(jìn)行單面或雙面拋光處理，或者雙面不拋光處理，并將薄單晶片切割成器件大小所需的尺寸，最終得到片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
上述片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石在藍(lán)光激發(fā)下，會(huì)發(fā)出的一種或多種波段的光，至少部分為黃光。
上述片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的制備方法為根據(jù)配比，稱取相應(yīng)元素的氧化物，并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
上述YAG晶片式白光發(fā)光二極管的封裝方法，其步驟為將GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒安放在上端開口，并且預(yù)先安裝有電極裝置的塑料模底部，然后連接好導(dǎo)電線，在塑料模內(nèi)，注入透明硅膠或樹脂，再將具有不同激活離子濃度、不同厚度、不同尺寸和不同表面處理的片式單晶熒光體覆蓋在塑料模的開口上，然后烘烤，使片式單晶熒光體粘附在塑料模上，即得產(chǎn)品。在GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)下，具有不同激活離子濃度、不同厚度、不同尺寸和不同表面處理的片式單晶熒光體對藍(lán)光的吸收程度不同，因而，藍(lán)光被單晶片轉(zhuǎn)化后得到不同熒光強(qiáng)度的黃光；同時(shí)，GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒所剩余的藍(lán)光強(qiáng)度也隨片式單晶熒光體的不同而變化，最終實(shí)現(xiàn)片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換的黃光與未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光之間的比例調(diào)節(jié)和控制，獲得均一、高質(zhì)量的白光。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1、對比有機(jī)發(fā)光染料薄膜代替熒光粉的技術(shù)方案，本發(fā)明公開的白光LED器件中的YAG單晶片具有化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫性能穩(wěn)定，單晶制備技術(shù)成熟、晶片后處理工藝簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)。
2、對比中國專利1618925A，本發(fā)明公開的白光LED器件，由于使用了高度均勻的YAG單晶片，從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)白光LED器件技術(shù)中，由于熒光粉粒度及其分布的不均勻，導(dǎo)致熒光體粉末在環(huán)氧樹脂密封膠中的空間分散性很差，并最終導(dǎo)致白光LED器件的白光不均勻的技術(shù)問題。此外，在目前產(chǎn)業(yè)化白光LED器件封裝過程中，熒光粉事先與樹脂膠混合配成漿料，然后再通過人工點(diǎn)漿、點(diǎn)膠等步驟，此工序既煩瑣，而且白光LED器件的批量重復(fù)性極差。本發(fā)明中，在白光LED器件封裝過程中，可以通過機(jī)械手精密控制、轉(zhuǎn)移和固定事先切割好的YAG晶片，因而，還具有技術(shù)方案簡易、易操作，有利于進(jìn)一步提高白光LED器件封裝過程的機(jī)械化程度以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
3、對比美國專利6,630,691 B1，本發(fā)明公開的白光LED器件中，YAG單晶片僅僅作為熒光轉(zhuǎn)化材料，且采用了熒光體單晶片與GaN基無機(jī)半導(dǎo)體藍(lán)光晶粒中的外延片分離的技術(shù)，避免了專利US 6,630,691 B1中用熒光體單晶片作為外延片襯底所導(dǎo)致的嚴(yán)重技術(shù)缺陷，即外延片的晶格、熱力學(xué)和力學(xué)參數(shù)與YAG單晶片很難匹配，并順利地在其上生長。
需要特別說明的是，本發(fā)明以上所描述的實(shí)施方法所涉及的藍(lán)光LED晶粒不局限于某一種特定結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品，如SMD型，或支架型等，只要它發(fā)射出藍(lán)光；本發(fā)明所描述的熒光體單晶片不僅僅涉及YAG化合物，專業(yè)認(rèn)識(shí)很容易理解其它發(fā)射黃色光的熒光體單晶片也同樣適用于本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明白光LED器件的剖面圖；圖2為本發(fā)明白光LED器件的俯視圖A和B；圖3為實(shí)施例1白光LED器件的光譜能量分布圖。
其中，1為LED晶粒，2為YAG晶片，3為塑料膜，4為電極，5為導(dǎo)電線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1(1)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的生長按照化學(xué)組成表示式Y(jié)2.97Al5O12:0.03Ce(x＝0，y＝0，m＝0.01，n＝0)稱取Y2O3335.34gAl2O3254.9gCeO25.16g研磨并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；再將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
(2)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的后處理將上述得到的單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，得到厚度為0.1mm的圓形單晶片，然后，再對單晶片進(jìn)行單面拋光處理，最終得到所需片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
(3)白光LED器件封裝如圖1和圖2A，將GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒1安放在上端開口，并且預(yù)先安裝有電極裝置的塑料模3底部，然后，連接好導(dǎo)電線5，在塑料模3內(nèi)，注入透明硅膠或樹脂，再將Y2.97Al5O12:0.03Ce片式單晶熒光體2覆蓋在塑料模的開口上，然后烘烤，使片式熒光體單晶片粘附在塑料模上，即得產(chǎn)品。在電壓驅(qū)動(dòng)下，所封裝器件的LED晶粒發(fā)射藍(lán)色可見光；Y2.97Al5O12:0.03Ce片式單晶熒光體至少部分吸收GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光，并將其轉(zhuǎn)換成黃光；最后，LED晶粒的剩余藍(lán)光均勻穿透片式單晶熒光體，并和片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的黃光混合產(chǎn)生均一、高質(zhì)量的白光。白光LED器件的光譜能量分布圖如圖3所示。
實(shí)施例2(1)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的生長按照化學(xué)組成表示式(Y0.3Gd0.5)3(Ga0.5Al0.5)5O12:0.3Ce，0.3Pr(x＝0.5，y＝0.5，m＝0.1，n＝0.1)稱取Y2O3101.62g Gd2O3271.95gAl2O3127.45gGa2O3234.3gCeO251.63g Pr6O1151.07g研磨并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；再將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
(2)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的后處理將上述得到的單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，得到厚度為1.0mm的方形單晶片，然后，再對單晶片進(jìn)行雙面拋光處理，最終得到所需片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
(3)白光LED器件封裝步驟與實(shí)施例1相同；制得白光LED器件的俯視圖如圖2B所示。在電壓驅(qū)動(dòng)下，所封裝器件的LED晶粒發(fā)射藍(lán)色可見光；(Y0.3Gd0.5)3(Ga0.5Al0.5)5O12:0.3Ce，0.3Pr片式單晶熒光體至少部分吸收GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光，并將其轉(zhuǎn)換成黃光和紅光；最后，LED晶粒的剩余藍(lán)光均勻穿透片式單晶熒光體，并和片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的黃光和紅光混合產(chǎn)生均一、高質(zhì)量的白光。
實(shí)施例3(1)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的生長按照化學(xué)組成表示式(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Sm(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.04)稱取Y2O3240.5gGd2O3108.78gAl2O3178.43g Ga2O3140.58gCeO225.82g Sm2O320.93g研磨并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；再將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(2)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的后處理將上述得到的單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，得到厚度為0.55mm的單晶片，然后，再對單晶片進(jìn)行雙面不拋光處理，最終得到所需片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(3)白光LED器件封裝步驟與實(shí)施例1相同；在電壓驅(qū)動(dòng)下，所封裝器件的LED晶粒發(fā)射藍(lán)色可見光；(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Sm片式單晶熒光體至少部分吸收GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光，并將其轉(zhuǎn)換成黃光和橙紅光；最后，LED晶粒的剩余藍(lán)光均勻穿透片式單晶熒光體，并和片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的黃光和橙紅光混合產(chǎn)生均一、高質(zhì)量的白光。
實(shí)施例4(1)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的生長按照化學(xué)組成表示式(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Tb(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.04)稱取Y2O3240.5gGd2O3108.78gAl2O3178.43g Ga2O3140.58gCeO225.82g Tb4O722.43g研磨并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；再將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(2)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的后處理將上述得到的單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，得到厚度為0.2mm的單晶片，然后，再對單晶片進(jìn)行雙面不拋光處理，最終得到所需片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(3)白光LED器件封裝步驟與實(shí)施例1相同；在電壓驅(qū)動(dòng)下，所封裝器件的LED晶粒發(fā)射藍(lán)色可見光；(Y0.71Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.12Tb片式單晶熒光體至少部分吸收GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光，并將其轉(zhuǎn)換成黃光和黃綠光；最后，LED晶粒的剩余藍(lán)光均勻穿透片式單晶熒光體，并和片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的黃光和黃綠光混合產(chǎn)生均一、高質(zhì)量的白光。
實(shí)施例5(1)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的生長按照化學(xué)組成表示式(Y0.7Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.15Dy(x＝0.2，y＝0.3，m＝0.05，n＝0.05)稱取Y2O3237.11g Gd2O3108.78gAl2O3178.43gGa2O3140.58gCeO225.82g Dy2O327.98g研磨并混合均勻，然后在氫氣氣氛下進(jìn)行焙燒；再將焙燒產(chǎn)物置于中頻爐的Ir銥坩鍋中，在Ar氣氛下，通過提拉法生長得到單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(2)單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的后處理將上述得到的單晶熒光體鈰釔鋁石榴石進(jìn)行切割處理，得到厚度為0.8mm的單晶片，然后，再對單晶片進(jìn)行雙面拋光處理，最終得到所需片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石；(3)白光LED器件封裝步驟與實(shí)施例1相同；在電壓驅(qū)動(dòng)下，所封裝器件的LED晶粒發(fā)射藍(lán)色可見光；(Y0.7Gd0.2)3(Ga0.3Al0.7)5O12:0.15Ce，0.15Dy片式單晶熒光體至少部分吸收GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的藍(lán)光，并將其轉(zhuǎn)換成黃光和橙黃光；最后，LED晶粒的剩余藍(lán)光均勻穿透片式單晶熒光體，并和片式單晶熒光體轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的黃光和橙黃光混合產(chǎn)生均一、高質(zhì)量的白光。
權(quán)利要求
1.一種YAG晶片式白光發(fā)光二極管，包括GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒和單晶熒光體，其特征在于所述單晶熒光體為單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，其特征在于所述單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的化學(xué)組成表示為(Y1-x-m-nGdx)3(GayAl1-y)5O12:3mCe，3nR，其中R為Pr，Sm，Tb，Dy中的一種；0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.01≤m≤0.1，0≤n≤0.1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，其特征在于所述單晶熒光體鈰釔鋁石榴石為片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，其特征在于所述片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石在藍(lán)光激發(fā)下，發(fā)出的一種或多種波段的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，其特征在于所述一種或多種波段的光至少部分為黃光。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的YAG晶片式白光發(fā)光二極管，其特征在于所述片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的厚度為0.1～1.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的YAG晶片式白光發(fā)光二二極管，其特征在于所述片式單晶熒光體鈰釔鋁石榴石的表面經(jīng)過單面或雙面拋光處理，或者雙面不拋光處理。
8.一種權(quán)利要求3所述YAG晶片式白光發(fā)光二極管的封裝方法，其步驟為將GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒安放在上端開口，并且預(yù)先安裝有電極裝置的塑料模底部，然后連接好導(dǎo)電線，在塑料模內(nèi)，注入透明硅膠或樹脂，再將片式單晶熒光體覆蓋在塑料模的開口上，然后烘烤，使熒光體單晶片粘附在塑料模上，即得產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種YAG晶片式白光發(fā)光二極管及其封裝方法。其利用YAG單晶片將GaN基無機(jī)半導(dǎo)體LED晶粒發(fā)出的部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為另外一種或多種理想波段的光，然后LED晶粒發(fā)出的剩余未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光與單晶片轉(zhuǎn)換后的理想波段的光混合產(chǎn)生白光。該技術(shù)通過精確控制單晶片熒光體各種參數(shù)，來調(diào)節(jié)和控制熒光體單晶片轉(zhuǎn)換的黃光與未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光之間的比例，同時(shí)利用單晶片自身具有的均勻性，獲得均一、高質(zhì)量白光；解決了傳統(tǒng)白光LED器件技術(shù)很難控制熒光體粉末在硅脂類或樹脂類密封膠中的分散性，而最終導(dǎo)致白光LED器件的白光不均勻的技術(shù)問題。此外，其可將薄單晶片切割成器件所需尺寸，利用全自動(dòng)化進(jìn)行封裝，大大提高現(xiàn)有白光LED器件封裝的機(jī)械化程度。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1815765SQ200510102388
公開日2006年8月9日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
發(fā)明者蘇鏘, 謝鴻波, 方福波, 王靜, 鐘玖平, 李緒鋒, 吳昊, 武南平, 潘利兵, 李軍政 申請人:中山大學(xué), 廣州半導(dǎo)體材料研究所, 佛山市國星光電科技有限公司