LED封装中荧光粉光热耦合研究及工艺应用

发布时间：2017-03-19 23:09

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【摘要】：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。
【关键词】：大功率LED封装 荧光粉 光热耦合 涂覆工艺
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 课题来源与研究意义9-11
• 1.2 大功率白光LED封装概述11-16
• 1.3 荧光粉光热研究国内外现状16-20
• 1.4 现有技术问题及本课题的技术路线20-22
• 1.5 全文组织安排22-24
• 2 荧光粉的光散射模型24-63
• 2.1 引言24
• 2.2 荧光粉光散射的理论基础24-36
• 2.3 单层荧光粉的光散射模型36-48
• 2.4 多层荧光粉的光散射模型48-57
• 2.5 单模块荧光粉混光的近场效应57-62
• 2.6 本章小结62-63
• 3 荧光粉导热系数计算及温度测量63-88
• 3.1 引言63
• 3.2 荧光粉硅胶混合物的导热系数计算63-73
• 3.3 基于磁纳米颗粒的荧光粉温度测量73-84
• 3.4 荧光粉的热可靠性84-87
• 3.5 本章小结87-88
• 4 荧光粉光热耦合模型和温度控制88-113
• 4.1 引言88
• 4.2 荧光粉的光热转化88-90
• 4.3 荧光粉的光热耦合模型90-98
• 4.4 大功率LED封装中的热点转移现象98-103
• 4.5 荧光粉颗粒分布优化103-112
• 4.6 本章小结112-113
• 5 荧光粉涂覆的工艺优化113-136
• 5.1 引言113
• 5.2 荧光粉保形涂覆的工艺参数优化113-119
• 5.3 实现荧光粉保形涂覆的自由曲面透镜设计119-127
• 5.4 提高取光效率的双层荧光粉涂覆工艺127-134
• 5.7 本章小结134-136
• 6 总结与展望136-139
• 6.1 全文总结136-137
• 6.2 工作展望137-139
• 致谢139-140
• 参考文献140-150
• 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文150-152
• 附录2 攻读博士学位期间的学术交流152-153
• 附录3 攻读博士学位期间的授权专利153

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