一种高发光效率的量子点白光LED的制作方法

本实用新型属于量子点LED封装领域，更具体地，涉及一种高发光效率的量子点白光LED。

背景技术：

半导体照明是一种基于高效白光发光二极管(White Light Emitting Diode,WLED)的新型照明技术。相比传统照明光源，具有发光效率高、耗电量少、可靠性高和寿命长等优点，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。

目前市场上应用最广泛的是荧光粉转化的白光LED，它有着较高的发光效率。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，然而在共混式封装结构中，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，本实用新型提供了一种高发光效率的量子点白光LED，其将量子点硅纳米球涂覆于LED芯片上方，再点涂荧光粉胶的分离式结构，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，显著提高白光LED的发光效率，由于分别对量子点和荧光粉进行封装，在生产中能够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，且可显著减少量子点的用量，节约了生产成本。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种高发光效率的量子点白光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，荧光粉胶将所述量子点硅纳米球和LED芯片完全包裹住，所述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，并将所述荧光粉胶、LED芯片和量子点硅纳米球密封在内，所述透光壳体内的空隙处填充有封装胶。

具体地，先将量子点硅纳米球涂覆于LED芯片上方，再点涂荧光粉胶的分离式结构，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，由此制备的白光LED具有高发光效率；而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；且由于分别对量子点和荧光粉进行封装，在生产中能够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或球冠形，其内表面的直径为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范围为20nm～50nm，所述量子点硅纳米球的发光波长为600nm～700nm。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。

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。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种高发光效率的量子点白光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；

S2.将荧光粉胶点涂在量子点硅纳米球上方，并加热使荧光粉胶固化，固化后的荧光粉胶将量子点硅纳米球和LED芯片完全包裹在内；

S3.将透光壳体开口朝下放置，固定安装在基板上或固定安装在基板上方的模塑料内；

S4.在所述透光壳体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。

优选地，在步骤S1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。

优选地，在步骤S2中，所述荧光粉胶的点涂体积为2ul～20ul，加热温度为100℃～150℃。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。而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范围内，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，通过本实用新型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、本实用新型的量子点白光LED先将量子点硅纳米球涂覆于LED芯片上方，再点涂荧光粉胶的分离式结构，相比传统的量子点-荧光粉混合式结构，能够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，显著提高了白光LED的发光效率；而且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。

2、由于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。

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、本实用新型的量子点LED的制备方法仅采用四个步骤，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为本实用新型实施例1结构示意图；

图2为本实用新型实施例2结构示意图；

图3为本实用新型实施例3结构示意图；

图4为本实用新型实施例4结构示意图；

图5(a)和5(b)为本实用新型实施例5结构示意图；

图6(a)和6(b)为本实用新型实施例6结构示意图；

图7(a)和7(b)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-基板、102-模塑料、103-引线框架、104-金线、105-LED芯片、106-量子点硅纳米球、107-荧光粉胶、108-封装胶、109-透光壳体、110-铜柱、111-点胶设备、112-加热板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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1所示，是本实用新型的一种高发光效率的量子点白光LED，其包括基板101、透光壳体109、以及设置在基板101上的LED芯片105和量子点硅纳米球106，

其中，所述LED芯片105固定设置在基板101表面，所述量子点硅纳米球106附着在所述LED芯片105表面，荧光粉胶107将所述量子点硅纳米球106和LED芯片105完全包裹住，所述透光壳体109直接安装在基板101上或通过一模塑料102固定在基板101上方，并将所述荧光粉胶107、LED芯片105和量子点硅纳米球106密封在内，所述透光壳体109内的空隙处填充有封装胶108。

在本实用新型的一个优选实施例中，通过在所述模塑料102上设置引线框架103，所述LED芯片105通过金线104和引线框架103实现电连接；或者通过将所述基板101中间设置铜柱110，所述LED芯片105固定在该铜柱110上实现电连接。

在本实用新型的另一个优选实施例中，所述透光壳体109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109的形状为半球形或球冠形，其内表面的直径为1mm～20mm，内表面的高度为1mm～20mm。

在本实用新型的另一个优选实施例中，所述量子点硅纳米球106的粒径范围为20nm～50nm，所述量子点硅纳米球106的发光波长为600nm～700nm。

在本实用新型的另一个优选实施例中，所述量子点硅纳米球106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。

在本实用新型的另一个优选实施例中，所述荧光粉胶107中的荧光粉为YAG或TAG，所述荧光粉胶107使用的胶材为硅胶、环氧树脂或液态玻璃，所述封装胶108为硅胶、环氧树脂或液态玻璃。

在本实用新型的另一个优选实施例中，所述LED芯片105为垂直电极芯片或水平电极芯片，其衬底为蓝宝石或硅。

本实用新型还提供了一种高发光效率的量子点白光LED的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，加热使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，并加热使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；

S4.在所述透光壳体109的空隙处填充封装胶108，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

在本实用新型的另一个优选实施例中，在步骤S1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。

在本实用新型的另一个优选实施例中，在步骤S2中，所述荧光粉胶107的点涂体积为2ul～20ul，加热温度为100℃～150℃。

为更好地解释本实用新型，以下给出几个具体实施例：

实施例1

参见图1，本实施例采用氮化镓水平电极LED芯片，衬底为蓝宝石。量子点微球的粒径为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。

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，涂覆高度为30nm，将模块放在加热板上100摄氏度加热10分钟，使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.采用点胶设备111将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，荧光粉胶中荧光粉采用YAG，胶体采用硅胶，荧光粉在胶体中的质量分数为10％，点涂体积为15ul，随后采用加热板112在150摄氏度加热1小时，使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；透光壳体材料为聚碳酸酯，其透光率为95％；透光壳体的形状为半球形，其内表面的直径为3mm，内表面的高度为1.5mm；

S4.在所述引线框架103与透光壳体109的空隙处填充封装胶108，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

实施例2

参见图2，本实施例采用氮化镓水平电极LED芯片，衬底为蓝宝石。量子点微球的粒径为40nm，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。

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，涂覆高度为60nm，将模块放在加热板上100摄氏度加热10分钟，使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.采用点胶设备111将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，荧光粉胶中荧光粉采用YAG，胶体采用硅胶，荧光粉在胶体中的质量分数为20％，点涂体积为10ul，随后采用加热板112在150摄氏度加热1小时，使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；透光壳体材料为聚碳酸酯，其透光率为90％；透光壳体的形状为半球形，其内表面的直径为6mm，内表面的高度为3mm；

S4.在所述引线框架103与透光壳体109的空隙处填充封装胶108，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

实施例3

参见图3，本实施例采用氮化镓水平电极LED芯片，衬底为蓝宝石。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。

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，涂覆高度为150nm，将模块放在加热板上80摄氏度加热10分钟，使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.采用点胶设备111将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，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％；点涂体积为20ul，随后采用加热板112在135摄氏度加热1小时，使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；透光壳体材料为聚碳酸酯，其透光率为95％，透光壳体的形状为球冠形，其内表面的直径为20mm，内表面的高度为20mm；

S4.在所述引线框架103与透光壳体109的空隙处填充封装胶108，封装胶为环氧树脂，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

实施例4

参见图4，本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，基板的上表面不是平面，具有反光杯结构。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。

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，涂覆高度为80nm，将模块放在加热板上120摄氏度加热10分钟，使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.采用点胶设备111将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，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％；点涂体积为20ul，随后采用加热板112在130摄氏度加热1小时，使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；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。

S4.在所述引线框架103与透光壳体109的空隙处填充封装胶108，封装胶为液态玻璃，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

实施例5

参见图5(a)和5(b)，本实施例中涉及的是LED硅基封装。单颗或阵列LED芯片固定在硅基板上，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荧光粉胶体点涂在量子点硅纳米球上方，随后加热使荧光粉胶固化；在所述基板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白光LED。

本实施例采用氮化镓水平电极LED芯片，衬底为蓝宝石。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。

S1.将LED芯片105固定在基板101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105上方，涂覆高度为20nm，将模块放在加热板上100摄氏度加热10分钟，使水溶液中的溶剂完全挥发，在LED芯片105表面形成量子点硅纳米球106；

S2.采用点胶设备111将荧光粉胶107点涂在量子点硅纳米球上方，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％；点涂体积为2ul，随后采用加热板112在100摄氏度加热1小时，使荧光粉胶107固化，固化后的荧光粉胶107将量子点硅纳米球和LED芯片105完全包裹在内；

S3.将透光壳体109开口朝下放置，固定安装在基板101上或固定安装在基板101上方的模塑料102内；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；

S4.在所述引线框架103与透光壳体109的空隙处填充封装胶108，封装胶为环氧树脂，待封装胶108固化后即制备得到所述量子点白光LED。

实施例6

参见图6(a)和6(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荧光粉胶体点涂在量子点硅纳米球上方，随后加热使荧光粉胶固化；在所述基板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白光LED。所述量子点白光LED的其他参数与实施例5中的相同。

图7(a)和7(b)是通过所述的方法制备的一款支架式量子点白光LED，以及一款传统的量子点-荧光粉共混式量子点白光LED，两者的性能测试结果。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。例如，在20mA电流驱动下，所述的方法制备的量子点白光LED比传统的共混式量子点白光LED的光效提高了15.7％。

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