一种低工作温度的量子点白光LED及其制备方法与流程

本发明属于量子点led封装领域，更具体地，涉及一种低工作温度的量子点白光led及其制备方法。

背景技术：

白光发光二极管(whitelightemittingdiode,wled)是一种基于p-n结电致发光原理制成的半导体发光器件。相比传统照明光源，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。同时，基于白光led背光的平板显示技术近年来发展迅猛，已成为新的经济增长点。预计到2020年我国白光led相关产值有望达到万亿元。

大功率白光led通常是由蓝光led芯片激发黄色荧光粉组成。这种方式虽然可以取得高发光效率，然而由于光谱中缺乏红光成分，荧光粉转化白光led的色彩不饱和，显色指数很低。量子点作为一种新的纳米级光转化材料，其发射光谱可以通过改变尺寸和成分来调控，并且发出的颜色纯度极高。因此，蓝光led激发黄色荧光粉和红色量子点组成的量子点白光led可以同时取得高发光效率与高显色指数。

现有技术中，在进行量子点白光led封装时，由于量子点表面带有的氮、硫、磷等元素会使荧光粉胶体中的铂催化剂失效，导致硅胶无法固化，因此必须对量子点和荧光粉胶进行有效隔离。目前有效的隔离措施是在量子点外表面附着一层致密的氧化硅纳米层，制备出量子点硅纳米球。虽然利用量子点硅纳米球可以较好地与荧光粉胶实现共混，但仍存在以下缺点和不足：(1)在共混式封装结构中，由于量子点的耐温性能弱于荧光粉，因此量子点与荧光粉长期处于同一高温下时，会导致量子点发光衰减严重，最终导致器件性能漂移严重；(2)由于量子点与荧光粉相互间的光能量重吸收，导致光能量损失严重，进而导致量子点白光led发光效率损失，也相应地增大了量子点与荧光粉材料的用量，导致器件成本增加。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种量子点白光led，使其能够克服上述缺陷和不足。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低工作温度的量子点白光led及其制备方法，将量子点硅纳米球涂覆于led芯片上方，将荧光粉胶涂覆于透光壳体，再利用封装胶将两者隔离，其能够将量子点硅纳米球产生的热量迅速地通过led芯片、热沉传导出去，进而降低量子点工作温度；相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，有效地减少量子点再次吸收荧光粉发射光，从而减少重吸收损失，提高白光led的发光效率；在生产中可以更加便捷地控制量子点与荧光粉各自的发光光谱，从而得到所需的理想型发光，还可显著减少量子点的用量，节约了生产成本，十分适用于生产大功率白光led。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低工作温度的量子点白光led，其特征在于，其包括基板、透光壳体、以及设置在基板上的led芯片和量子点硅纳米球，

其中，所述led芯片固定设置在基板表面，所述量子点硅纳米球附着在所述led芯片表面，所述透光壳体内表面附着有一层荧光粉胶，该透光壳体直接安装在基板上或通过一模塑料固定在基板上方，并将所述led芯片和量子点硅纳米球密封在内，所述透光壳体底部设置有注胶孔，所述透光壳体内还填充有封装胶将量子点硅纳米球和荧光粉胶隔离。

具体地，将量子点硅纳米球涂覆于led芯片上方，将荧光粉胶涂覆于透光壳体，再利用封装胶将两者隔离，将量子点硅纳米球涂覆于led芯片上方，可以将量子点硅纳米球产生的热量迅速地通过led芯片、热沉传导出去，进而降低量子点工作温度；相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，可以有效地减少量子点再次吸收荧光粉发射光，从而减少重吸收损失，提高白光led的发光效率；产生同样强度的量子点发射光谱时，可显著减少量子点的用量，节约了生产成本；由于分别对量子点和荧光粉进行封装，因此相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，在生产中可以更加便捷地控制量子点与荧光粉各自的发光光谱，从而得到所需的理想型发光。

进一步优选地，通过在所述模塑料上设置引线框架，所述led芯片通过金线和引线框架实现电连接；或者通过将所述基板中间设置铜柱，所述led芯片固定在该铜柱上实现电连接。通过引线框架和铜柱的设置，能够在各种使用环境中实现电连接，满足不同的使用需求。

优选地，所述透光壳体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯或玻璃，其透光率大于90％；所述透光壳体的形状为半球形、等多边形、圆柱形或球冠形，其内表面的边长或直径为1mm～20mm，内表面的高度为1mm～20mm。较多的比较试验表明，采用聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯或玻璃作为透光壳体，能够具有较好的透光率，而使透明壳体的透光率大于90％，则能够使最终制得的led具有较好的光强度。将透光壳体的形状和大小规格控制在上述范围内，能够激发透明壳体内部的荧光粉胶和量子点纳米球，从而得到合适的光谱以满足使用需要。

优选地，所述量子点硅纳米球的粒径为20nm～50nm，所述量子点硅纳米球的发光波长为600nm～700nm，所述量子点硅纳米球为核壳结构颗粒，所述核壳结构颗粒的核层为硒化镉、硫硒化镉、磷化铟、铜铟硫或钙钛矿中的一种或多种，所述核壳结构颗粒的壳层为无定型氧化硅。较多的比较试验表明，量子点硅纳米球的大小和纯度能够影响其发射光谱，将量子点硅纳米球的粒径和发光波长控制在上述范围内，具有高发光效率与高显色指数以满足使用要求。

优选地，所述荧光粉胶中的荧光粉为yag或tag，所述荧光粉胶使用的胶材为硅胶、环氧树脂或液态玻璃，所述封装胶为硅胶、环氧树脂或液态玻璃。

优选地，所述led芯片为垂直电极芯片或水平电极芯片，其衬底为蓝宝石或硅。

按照本发明的另一方面，提供了一种低工作温度的量子点白光led的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

s1.将透光壳体顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备将荧光粉胶均匀涂覆于所述透光壳体的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶的透光壳体翻转，放置于加热设备上加热，使得所述荧光粉胶固化，从而在所述透光壳体的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片固定在基板上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球水溶液点涂在led芯片上方，加热使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球；

s4.将含荧光粉胶固化后的透光壳体固定安装在基板上或固定安装在基板上方的模塑料内，将led芯片密封在内；

s5.通过透光壳体底部的注胶孔在所述透光壳体内部的空隙处填充封装胶，待封装胶固化后即制备得到所述量子点白光led。

进一步优选地，其特征在于，在步骤s1中，所述荧光粉胶的体积为所述透光壳体容积的10％～77.5％，荧光粉胶包括质量分数为1％～50％的荧光粉以及质量分数为50％～99％的胶体。较多比较试验表明，将荧光粉胶的体积控制在上述范围，且将各个组分的比值限定在上述范围，均能够保证荧光粉能够有效地利用，并能够与量子点硅纳米球有效地配合，得到合适亮度和色彩的光谱。

优选地，其特征在于，在步骤s2中，所述透光壳体的加热温度为100℃～150℃。

优选地，其特征在于，在步骤s3中，所述量子点硅纳米球水溶液的涂覆厚度为20nm～150mm，加热温度为80～120度。

较多的比较试验表明，将荧光粉胶的固化温度和量子点硅纳米球的加热温度控制在上述温度内，能够有效固化或干燥，同时又不会影响led中各个元件的最终性能，保证其质量满足最终使用要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明的量子点led由于将量子点硅纳米球涂覆于led芯片上方，将荧光粉胶涂覆于透光壳体，再利用封装胶将两者隔离，将量子点硅纳米球涂覆于led芯片上方，可以将量子点产生的热量迅速地通过led芯片、热沉传导出去，进而降低量子点工作温度；将量子点硅纳米球紧贴led芯片，相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，产生同样强度的量子点发射光谱时，可显著减少量子点的用量，节约了生产成本；

2、将荧光粉胶点涂在透光壳体上的分离式结构，相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，可以有效地减少量子点再次吸收荧光粉发射光，从而减少重吸收损失，提高白光led的发光效率；由于分别对量子点硅纳米球和荧光粉进行封装，因此相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，在生产中可以更加便捷地控制量子点与荧光粉各自的发光光谱，从而得到所需的理想型发光。

3、通过引线框架和铜柱的设置，能够在各种使用环境中实现电连接，满足不同的使用需求。而将荧光粉胶、量子点硅纳米球、透明壳体选择合适的规格和材料，能够有效地提高led的发光效率，得到理想的发光光谱，并能够满足不同环境的使用需求。

4、本发明的量子点led的制备方法仅采用五个步骤，即可以制备出发光效率高且显色度好的量子点led，且操作简单、成本低廉，适合大规模生产量子点白光led。

附图说明

图1为本发明制备方法流程图；

图2为本发明实施例1结构示意图；

图3为本发明实施例2结构示意图；

图4为本发明实施例3结构示意图；

图5为本发明实施例4结构示意图；

图6(a)和6(b)为本发明实施例5结构示意图；

图7(a)和7(b)为本发明实施例6结构示意图；

图8(a)-8(c)为采用所述的方法制备的量子点白光led与传统混合式白光led的性能对比结果。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101-加热设备、102-点胶设备、103-透光壳体、104-注胶孔、105-荧光粉胶、106-量子点硅纳米球水溶液、107-基板、108-模塑料、109-引线框架、110-金线、111-led芯片、112-量子点硅纳米球、113-封装胶、114-铜柱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，是本发明的一种低工作温度的量子点白光led，其包括基板107、透光壳体103、以及设置在基板107上的led芯片111和量子点硅纳米球112，

其中，所述led芯片111固定设置在基板107表面，所述量子点硅纳米球112附着在所述led芯片111表面，所述透光壳体103内表面附着有一层荧光粉胶105，该透光壳体103直接安装在基板107上或通过一模塑料108固定在基板107上方，并将所述led芯片111和量子点硅纳米球112密封在内，所述透光壳体103底部设置有注胶孔104，所述透光壳体103内还填充有封装胶113将荧光粉胶105和量子点硅纳米球112隔离。

在本发明的一个具体实施例中，通过在所述模塑料108上设置引线框架109，所述led芯片111通过金线110和引线框架109实现电连接；或者通过将所述基板107中间设置铜柱114，所述led芯片111固定在该铜柱114上实现电连接。

在本发明的一个具体实施例中，所述透光壳体103的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯或玻璃，其透光率大于90％；所述透光壳体103的形状为半球形、等多边形、圆柱形或球冠形，其内表面的边长或直径为1mm～20mm，内表面的高度为1mm～20mm。

在本发明的一个具体实施例中，所述量子点硅纳米球112的粒径为20nm～50nm，所述量子点硅纳米球112的发光波长为600nm～700nm，所述量子点硅纳米球112为核壳结构颗粒，所述核壳结构颗粒的核层为硒化镉、硫硒化镉、磷化铟、铜铟硫或钙钛矿中的一种或多种，所述核壳结构颗粒的壳层为无定型氧化硅。

在本发明的一个具体实施例中，所述荧光粉胶105中的荧光粉为yag或tag，所述荧光粉胶105使用的胶材为硅胶、环氧树脂或液态玻璃，所述封装胶113为硅胶、环氧树脂或液态玻璃。

在本发明的一个具体实施例中，所述led芯片111为垂直电极芯片或水平电极芯片，其衬底为蓝宝石或硅。

如图1所示，为本发明提供的一种低工作温度的量子点白光led的制备方法，具体包括以下步骤：

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，加热使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103内部的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤s1中，所述荧光粉胶105的体积为所述透光壳体103容积的10％～77.5％，荧光粉胶105包括质量分数为1％～50％的荧光粉以及质量分数为50％～99％的胶体。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤s2中，所述透光壳体103的加热温度为100℃～150℃。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤s3中，所述量子点硅纳米球水溶液的涂覆厚度为20nm～150mm，加热温度为80～120度。

为更好地解释本发明，以下给出几个具体实施例：

实施例1

参见图1和图2，本实施例采用氮化镓水平电极led芯片，衬底为蓝宝石；荧光粉胶中的荧光粉为yag型，胶体为硅胶，荧光粉质量分数为10％；量子点硅纳米球的粒径为30nm，发光波长为630nm，量子点核层材料为硒化镉，量子点硅纳米球水溶液中量子点硅纳米球的质量浓度为5mg/ml。透光壳体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其透光率为90％，形状为半球形，其内表面的直径为6mm，内表面的高度为3mm。封装胶为硅胶。

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将体积为所述透光壳体容积的15％的荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上150°加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，点涂高度为30nm，100度加热，使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

实施例2

参见图3，实施例采用氮化镓水平电极led芯片，衬底为蓝宝石；荧光粉胶中的荧光粉为yag型，胶体为硅胶，荧光粉质量分数为20％；量子点微球的粒径为40nm，发光波长为660nm，量子点核层材料为硒化镉，量子点硅纳米球水溶液中量子点硅纳米球的质量浓度为5mg/ml。透光壳体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其透光率为90％，形状为半球形，其内表面的直径为6mm，内表面的高度为3mm。封装胶为硅胶。

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将体积为所述透光壳体容积的10％的荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上150°加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，点涂高度为80nm，100度加热，使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

实施例3

参见图4，实施例采用氮化镓水平电极led芯片，衬底为蓝宝石；荧光粉胶中的荧光粉为tag型，胶体为硅胶，荧光粉质量分数为1％；量子点微球的粒径为20nm，发光波长为700nm，量子点核层材料为硫硒化镉，量子点硅纳米球水溶液中量子点硅纳米球的质量浓度为6mg/ml。透光壳体材料为聚碳酸酯，其透光率为95％，透光壳体的形状为等六边形，其内表面边长为20mm，内表面的高度为20mm。封装胶为环氧树脂。

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将体积为所述透光壳体容积的77.5％的荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上135°加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，点涂厚度为150nm，80度加热，使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

实施例4

参见图5，实施例采用氮化镓水平电极led芯片，衬底为硅，基板是硅基板。荧光粉胶中的荧光粉为yag型，胶体为硅胶，荧光粉质量分数为99％；量子点微球的粒径为50nm，发光波长为600nm，量子点核层材料为铜铟硫，量子点硅纳米球水溶液中量子点硅纳米球的质量浓度为6mg/ml。透光壳体材料为玻璃，其透光率为92％，透光壳体的形状为半球形，其部直径为10mm，内表面的高度为10mm。封装胶为液态玻璃。

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将体积为所述透光壳体容积的50％的荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上130°加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，点涂厚度为150nm，120度加热，使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

实施例5

参见图6(a)和6(b)，本实施例中涉及的是多led芯片的阵列式硅基封装。实施例采用氮化镓水平电极led芯片，衬底为蓝宝石；荧光粉胶中的荧光粉为yag型，胶体为环氧树脂，荧光粉质量分数为30％；量子点微球的粒径为20nm，发光波长为660nm，量子点核层材料为硒化镉，量子点硅纳米球水溶液中量子点硅纳米球的质量浓度为6.5mg/ml。透光壳体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其透光率为92％，透光壳体的形状为半球形，其内部直径为1mm，内表面的高度为1mm。封装胶为环氧树脂。

s1.将透光壳体103顶部朝下、开口朝上放置，采用点胶设备102将体积为所述透光壳体容积的30％的荧光粉胶105均匀涂覆于所述透光壳体103的内表面；

s2.将涂覆荧光粉胶105的透光壳体103翻转，放置于加热设备101上100°加热，使得所述荧光粉胶105固化，从而在所述透光壳体103的内表面形成荧光粉胶薄膜；

s3.将led芯片111固定在基板107上并完成电路连接，然后将量子点硅纳米球112水溶液点涂在led芯片111上方，点涂厚度为20nm，100度加热，使水溶液中的溶剂完全挥发，在led芯片表面形成量子点硅纳米球112；

s4.将荧光粉胶105固化后的透光壳体103固定安装在基板107上或固定安装在基板107上方的模塑料108内，将led芯片111密封在内；

s5.通过透光壳体103底部的注胶孔104在所述透光壳体103的空隙处填充封装胶113，待封装胶113固化后即制备得到所述量子点白光led。

实施例6

参见图7(a)和7(b)，本实施例中涉及的是led印刷电路板(pcb)封装。印刷电路板上具有通孔结构，通孔中填充有高导热系数的铜柱或其他金属结构。单颗或阵列led芯片固定在印刷电路板中填充的铜柱上，铜柱的尺寸与led芯片的尺寸一致。完成电互连后，将量子点硅纳米球水溶液点涂在led芯片上方，待溶液完全挥发后再将含荧光粉胶体的透光壳体嵌套在固定于基板表面的led芯片的上方；在所述荧光粉胶与所述透光壳体的空隙处填充封装胶，固化后即制备得到所述量子点白光led。所述量子点白光led的参数与实施例5中的相同。

图8(a)是通过所述的方法制备的一款量子点白光led，以及一款传统的量子点-荧光粉共混式量子点白光led，两者的发光光谱及光学性能对比；图8(b)和8(c)为温度场仿真和实验测试结果。对比两者可以看出，所述的方法制备的量子点白光led在同等色温与光谱分布下，可以取得更高的发光效率，并且量子点的工作温度显著降低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。