發(fā)光二極管（LED）被譽(yù)為新一代綠色照明光源，在日常生活中已得到廣泛應(yīng)用。但仍有大約70%的電功率轉(zhuǎn)化為熱量，熱可靠性依然是LED挑戰(zhàn)性問題之一。現(xiàn)有LED熱管理研究大多關(guān)注芯片產(chǎn)熱和系統(tǒng)級(jí)散熱，忽視了熒光粉光致發(fā)熱及針對熒光粉的封裝內(nèi)熱管理。目前對光致發(fā)熱仍缺乏有效計(jì)算和分析手段，實(shí)驗(yàn)又無法準(zhǔn)確測量。基于上述背景，本項(xiàng)目開展了以下四部分研究內(nèi)容：（1）建立了熒光粉光熱耦合模型。通過定量描述熒光粉層中的光輸運(yùn)過程建立了熒光輻射傳遞方程；通過Mie散射理論計(jì)算了熒光粉層的光學(xué)常數(shù)；通過譜元法求解了熒光輻射傳遞方程和通用邊界，同時(shí)基于能量守恒定律和光致發(fā)光機(jī)理，計(jì)算了光致發(fā)熱量，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。（2）探究了新型熒光粉溫度預(yù)測模型和測試方法。提出了一種雙向熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，通過考慮芯片、熒光粉發(fā)熱及所有的傳熱路徑，實(shí)現(xiàn)了芯片和熒光粉溫度的同時(shí)預(yù)測；開發(fā)了一種基于磁納米顆粒的新型熒光粉溫度測試方法，將磁納米顆粒混合到熒光粉中進(jìn)行涂覆，基于郎之萬方程測試熒光粉溫度。（3）分析了影響熒光粉發(fā)熱的典型封裝參數(shù)。基于光熱模型研究了熒光粉濃度、厚度、量子效率、顆粒尺寸和封裝形式對熒光粉光致發(fā)熱量和熒光粉溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明遠(yuǎn)離涂覆具有更低的熒光粉溫度，增大熱導(dǎo)率能大幅減低熒光粉溫度。（4）開發(fā)了低熒光粉溫度的封裝工藝。基于模型預(yù)測結(jié)果，提出了摻雜透明高導(dǎo)熱六方氮化硼顆粒工藝和熒光粉雙面冷卻工藝分別提高熒光粉層的熱導(dǎo)率和散熱能力，結(jié)果表明這兩種工藝都能有效降低熒光粉工作溫度。本項(xiàng)目對熒光粉光致發(fā)熱和封裝內(nèi)熱管理的基礎(chǔ)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，有助于指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)低熱阻高可靠性LED封裝。

由于白光發(fā)光二極管（LED）節(jié)能環(huán)保，市場應(yīng)用前景巨大，發(fā)明人在短期內(nèi)獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不過由于仍有大約70%的電功率轉(zhuǎn)化為熱量，熱可靠性依然是LED挑戰(zhàn)性問題之一。現(xiàn)有LED熱管理研究大多關(guān)注的是芯片產(chǎn)熱和系統(tǒng)級(jí)散熱，忽視了熒光粉光致發(fā)光過程中的二次產(chǎn)熱以及針對熒光粉的封裝內(nèi)熱管理。申請人近期的研究表明：二次產(chǎn)熱將會(huì)導(dǎo)致最高溫度從芯片轉(zhuǎn)移到熒光粉層，從而導(dǎo)致LED失效。目前對這一現(xiàn)象缺乏有效計(jì)算和分析手段，實(shí)驗(yàn)又無法準(zhǔn)確測量。基于這一想法，本項(xiàng)目期望通過宏觀和微觀研究手段，搭建微觀電子非輻射躍遷能量損失與宏觀光致發(fā)熱之間的橋梁，建立熒光粉光熱耦合模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)熒光粉發(fā)熱的定量預(yù)測；研究不同熒光粉濃度、形貌和涂覆工藝等參數(shù)對熒光粉發(fā)熱的影響規(guī)律，并進(jìn)行工藝驗(yàn)證和熱量控制。本課題是一個(gè)典型的從工藝和應(yīng)用中提出的基礎(chǔ)的交叉問題，期望研究成果能指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)低熱阻LED封裝工藝。

發(fā)光二極管( LED)是固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保、全固體化、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)人類解決能源危機(jī)的重要途徑之一。白光LED以其省電（為白熾燈的1/8，熒光燈的1/2）、體積小、發(fā)熱量低、可低壓或低電流起動(dòng)、壽命長（120000h以上）、響應(yīng)快、抗震耐沖、可回收、無污染、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛的發(fā)展。白光LED廣泛應(yīng)用于城市景觀照明、液晶顯示背光源、室內(nèi)外普通照明等多種照明領(lǐng)域，被認(rèn)為是替代白熾燈、熒光燈的新一代綠色照明光源。

1)獲取白光LED的方法

獲取白光LED的主要途徑有以下三種。①利用三基色原理和已能生產(chǎn)的紅、綠、藍(lán)三種超高亮度的LED，按光強(qiáng)1：2：0.38的比例混合而成白色。但由于LED器件光輸出會(huì)隨溫度升高而下降，不同的LED下降程度差別較大，結(jié)果造成混合白光的色差，限制了用三基色LED芯片組裝實(shí)現(xiàn)白光的應(yīng)用。②藍(lán)色LED芯片與可被藍(lán)光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉結(jié)合，組成白光；這時(shí)LED用熒光粉吸收一部分藍(lán)光，受激發(fā)后發(fā)射黃光，發(fā)射的黃光與剩余的藍(lán)光混合，通過調(diào)控二者的強(qiáng)度比后，可以獲得各種色溫的白光。③采用發(fā)紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍(lán)三基色的熒光粉，產(chǎn)生多色混合組成白光LED。此外，也可選用兩基色、四基色，甚至五基色熒光粉來獲得白光。

熒光粉性能的好壞直接影響白光LED的性能。制備白光發(fā)光二極管大多離不開稀土熒光粉，主要有黃色熒光粉和三基色熒光粉等。因此獲得化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和性能優(yōu)異的熒光粉是實(shí)現(xiàn)白光LED的關(guān)鍵。

2) LED用黃色熒光粉

藍(lán)色LED芯片和一種或多種能被藍(lán)光有效激發(fā)的熒光粉有機(jī)結(jié)合可組成白色LED。其中發(fā)展最成熟的是藍(lán)色LED與黃色熒光粉的組合，一部分藍(lán)光被熒光粉吸收后，激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光，發(fā)射的黃光和剩余的藍(lán)光混合，調(diào)控它們的強(qiáng)度比，即可得到各種色溫的白光。這種方法驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡易、生產(chǎn)容易、耗電量低。

當(dāng)今使用最多的是InGaN藍(lán)光LED，發(fā)射峰值450～480nm，采用藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉獲得白光。熒光粉使用的是三價(jià)鈰激活的稀土石榴石體系(YAG)熒光粉，它的吸收和激發(fā)光譜與InGaN芯片的藍(lán)色發(fā)光光譜匹配較佳，發(fā)射光譜覆蓋綠一黃（橙黃光）的光譜范圍，缺少紅色成分，色調(diào)偏冷，不能達(dá)到室內(nèi)照明的要求。為解決這一問題，可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉。

本書從白光LED的光譜設(shè)計(jì)與封裝出發(fā)，立足于解決當(dāng)前高光色質(zhì)量的白光LED設(shè)計(jì)與制造中存在的關(guān)鍵性難點(diǎn)。全書分為6章，分別是白光LED簡介、高顯色性能的白光LED光譜優(yōu)化、針對人體生物安全性的LED光譜優(yōu)化方法、考慮物體表面反射特性的節(jié)能光源光譜優(yōu)化、高光學(xué)性能的白光LED光學(xué)建模和高光學(xué)性能的白光LED封裝優(yōu)化。