一种主动散热的荧光玻璃用于反射型白光激光二极管封装

摘要：提出一种主动散热的荧光玻璃(PiG)用于反射型白光激光二极管(LD)封装，利用热电制冷器(TEC)的帕尔帖效应来增强荧光玻璃热耗散，降低大功率激光激发下荧光玻璃工作温度，从而提高白光激光二极管光热性能．将荧光玻璃浆料涂覆在热电制冷器冷端陶瓷基板表面，再通过低温烧结获得荧光玻璃膜-热电制冷器(PiG-TEC)结构．当激光功率从 1.1 W增加到 6.2 W时，荧光玻璃的工作温度从 -5.9℃缓慢增加到 23.8℃，最高工作温度仍处于较低水平．当激光功率为6.2 W时，采用热电制冷器主动散热的荧光玻璃的工作温度降低了 49℃(约67%)．此外，在不同激光功率下，荧光玻璃膜-热电制冷器封装的白光激光二极管均表现出稳定的光学性能．当激光功率为6.2 W时，白光激光二极管的光通量为 756.1 lm，色温为 5132 K，CIE色坐标为(0.3435，0.3795)．实验结果表明：利用热电制冷器的帕尔帖效应实现了荧光玻璃的主动散热，满足了大功率荧光转换白光激光二极管封装需求。

随着高亮度照明领域需求的不断增加，半导体照明技术向着大电流、高功率密度方向发展，多芯片集成的白光发光二极管(LED)技术和下一代激光照明技术应运而生．理论上白光发光二极管光效为 260 lm/W以上，但由于发光二极管芯片存在“效率骤降”现象，导致白光发光二极管功率和光通量较小，虽然采用多芯片集成封装能够提高白光发光二极管光通量，但却由此带来诸如器件成本上升、结构复杂等问题．

作为高亮度固态照明技术的另一个选择，激光照明技术避免了光效下降问题，其中蓝光激光二极管(LD)芯片在输入电流密度为28 A/cm^2^时仍保持较高的光转换效率，而蓝光发光二极管芯片仅在10 A/cm^2^时就出现明显的光效下降．此外，激光二极管芯片辐射光斑小，有利于提高激光二极管光功率密度和发光亮度．

与现有的发光二极管技术相比，激光二极管技术具有超大功率、超高亮度、高准直性、照射距离远等特点，可应用于汽车大灯、投影显示、医疗健康和可见光通信等领域．

目前激光照明技术主要采用荧光转换白光激光二极管，即蓝光激光二极管芯片激发黄色荧光粉产生黄光，黄光与蓝光混合形成白光．蓝光激光二极管光功率密度高、辐射光斑小，使得荧光层要承受高的激光辐射能量和荧光转换热量，造成荧光层光斑位置出现局部高温．传统荧光层是由荧光粉与有机树脂(环氧树脂、硅胶等)混合而成，有机树脂的耐热性差、热导率低，在高温下出现树脂碳化和荧光粉热猝灭问题，使得有机荧光层难以满足白光激光二极管封装需求．

针对这一问题，研究者提出采用高热稳定的无机荧光转换材料来代替有机荧光树脂材料，用于白光激光二极管封装，包括发光单晶、荧光陶瓷和荧光玻璃(phosphor-in-glass，PiG)．其中荧光玻璃是一种由玻璃和荧光粉组成的无机复合材料，不仅保留荧光粉的发光特性，还拥有玻璃材料的耐热性，且荧光玻璃具有制备工艺简单、发光特性可调、成本低、易批量化等优点．

目前，荧光玻璃封装白光激光二极管通常分为透过型封装和反射型封装．透过型白光激光二极管采用透明荧光玻璃，蓝光激光二极管芯片发出的部分蓝光和荧光转换产生的黄光穿透荧光玻璃以混合形成白光；反射型白光激光二极管中荧光玻璃底部有反射基片，蓝光激光二极管芯片发出的部分蓝光和荧光转换产生的黄光被基片反射以混合形成白光．

由于两种封装形式中荧光玻璃结构和光路系的差异，使得反射型白光激光二极管中荧光玻璃具有更高的热稳定性．研究者提出高导热荧光玻璃用于反射型白光激光二极管封装，主要是将荧光玻璃膜烧结在铝基片上．

在大功率激光激发下，荧光玻璃膜产生的热量通过高导热铝基片传导出去，同时铝基片的镜面反射作用提高光转换和光提取．然而由于玻璃和铝两种材料的热膨胀系数不同，荧光玻璃膜与铝基片间会出现缝隙、分层、裂纹等问题．

更重要的是，现有的荧光转换材料都采取被动散热的方式，即将荧光粉嵌入到高导热基质材料或附着在导热基片上．这些方法难以满足高功率密度激光激发下的散热需求，将导致荧光材料产生发光饱和，造成白光激光二极管发光失效．以上问题严重阻碍了大功率、高亮度白激光光源的技术发展与激光照明应用．

为此，本研究提出一种主动散热的荧光玻璃用于反射型白光激光二极管封装，通过在热电制冷器(thermoelectric cooler，TEC)的冷端烧结一层荧光玻璃膜，利用热电制冷器的帕尔帖效应来增强荧光玻璃热耗散．本实验研究荧光玻璃的微观形貌及荧光玻璃-热电制冷器(PiG-TEC)复合结构的散热效果，并将该复合结构用于反射型白光激光二极管封装，系统分析其对白光激光二极管光热性能的影响．

01实验

1.1 实验原料

直接覆铜(direct bonded cooper，DBC)技术制备的氧化铝陶瓷基板(Accelerated Printed Circuit Board Co.，Ltd)，p型(Bi0.5Sb1.5Te3)和n型(Bi2Te2.7Se0.3)热电粒子(1 mm×1 mm×2 mm，常山万谷科技)，Sn-Ag-Cu焊料(SAC305)，低熔点Sn-Bi焊料，YAG：Ce^3+^黄色荧光粉(Y3Al5O12：Ce^3+^，Intematix，美国)，硼硅酸盐低温玻璃粉(B2O3-SiO2-ZnO-Li2O-La2O3-WO3)，乙基纤维素(阿拉丁)，松油醇(阿拉丁)．本研究使用的玻璃浆料通过以下步骤制备：称取质量分数为 95%的松油醇和 5%乙基纤维素并倒入烧杯中，在 80℃条件下充分搅拌直至完全溶解，然后在有机载体溶液中加入质量比为1∶1的YAG：Ce^3+^黄色荧光粉和硼硅酸盐低温玻璃粉，其中有机载体与固体微粒质量比为1∶3．充分搅拌混合后形成荧光玻璃浆料．

1.2 荧光玻璃-热电制冷器制备

图1(a)为荧光玻璃-热电制冷器制备工艺．首先，采用直接覆铜陶瓷基板作为热电制冷器的冷端和热端，在冷端上光滑的一面均匀地涂覆制备好的荧光玻璃浆料，另一面的铜层作为导电层，将涂覆浆料的基板放置马弗炉中在 600℃下烧结0.5 h，随后在300 ℃下退火1 h并随炉冷却至室温，之后酸洗去除基板表面的铜氧化层．其中荧光玻璃可通过控制薄膜厚度来调节发光性能．

然后，将p型和n型热电粒子按照次序摆入放置在热端上的模具中，并对准陶瓷基板上涂覆有Sn-Ag-Cu焊料的铜层，在 250℃下加压 10 min将其焊接．随后，在热电材料的顶端涂覆低熔点Sn-Bi焊料，并将涂覆有荧光玻璃的冷端相应的铜层与之对齐，在150℃下加压5 min使其焊接．

最后，将荧光玻璃-热电制冷器用于反射型白光激光二极管封装，如图1(b)和(c)所示．在热电制冷器的热端涂覆导热硅脂，并将该结构粘接在翅片上进行散热．蓝色激光器(LSR445CPD-6W，Lasever，中国)通过透镜系统发出的准直蓝色激光束聚焦在荧光玻璃薄膜上，产生直径约1 mm的光斑．

图1 荧光玻璃-热电制冷器制备工艺、封装白光激光二极管的结构示意图和发光图片

在反射型结构中，蓝光激光二极管直接激发荧光玻璃薄膜，部分蓝光转换为黄光，高反射率(约90%)的陶瓷基板使得未转换的蓝光与黄光在其表面反射并混合形成白光．由于热电制冷器主动散热的作用，因此荧光转换过程中荧光玻璃薄膜产生的热量能够传输到周围环境中．

1.3 性能表征

采用配备能谱仪(EDS)系统的扫描电子显微镜(SEM，Nova NanoSEM 450，FEI，美国)表征荧光玻璃微观形貌，采用荧光光谱仪(FLS980，Edinburgh Instruments，英国)测量荧光玻璃光致发光激发光谱和发射光谱，通过X射线衍射仪(XRD，PANalytical，荷兰)确定荧光玻璃与相关的YAG：Ce^3+^荧光粉的X射线衍射图谱．热电制冷器与荧光玻璃-热电制冷器的工作温度用红外热像仪(VarioCAM680，InfraTech，德国)测试．采用配有直径为 100 cm 积分球的光谱分析系统(ATA-1000，Everfine，中国)测试白光激光二极管光学性能，包括发射光谱(electroluminescence，EL)、光通量、色温(correlated color temperature，CCT)、显色指数(color rendering index，CRI)和国际标准照明委员会(CIE)色坐标．

02结果与讨论

2.1 荧光玻璃薄膜微观结构

图2(a)和(b)分别表示荧光玻璃-热电制冷器中荧光玻璃表面与横截面的微观形貌．由于烧结过程中玻璃的熔化与流动，荧光粉得以分散在玻璃基质中，使得荧光玻璃薄膜有着相对光滑的表面．荧光玻璃薄膜的厚度可以通过控制涂覆玻璃浆料的次数来改变，本研究中制备的荧光玻璃薄膜厚度约为 120 μm．由于制备的玻璃基体与氧化铝陶瓷有着相似的热膨胀系数，因此荧光玻璃薄膜与陶瓷基板间没有明显的界面间隙．图2(c)显示在荧光玻璃薄膜中检测到 YAG：Ce^3+^荧光粉中所含的Y，Al和O元素，这表明荧光玻璃薄膜中嵌入的颗粒为YAG：Ce^3+^荧光粉颗粒．

图2 荧光玻璃薄膜的微观形貌和荧光粉颗粒元素分析

图3(a)为荧光玻璃薄膜的光致发光激发光谱和发射光谱．荧光玻璃薄膜有着与YAG：Ce^3+^荧光粉相似的激发光谱和发射光谱，即以 463 nm为中心的宽激发带与在波长为450 nm的激发下500～650 nm的宽发射带．此外，荧光玻璃薄膜显示出与YAG：Ce^3+^荧光粉和相关衍射标准卡(PDF#33-0040)一致的衍射峰，图3(b)为三者在X射线衍射图中的对比．以上结果表明荧光玻璃薄膜中的荧光粉颗粒保持着完好的晶体结构．

图3 荧光玻璃薄膜的光致发光光谱和激发光谱及相关荧光粉和标准卡在X射线衍射图中的对比

2.2 激光激发下荧光玻璃-热电制冷器工作温度

图4(a)显示了带有铜层的陶瓷基板，图4(b)和(c)分别显示了在荧光玻璃-热电制冷器制备过程中，涂覆在热电制冷器冷端上的荧光玻璃薄膜与焊接在热电制冷器热端上的热电粒子，图4(d)显示荧光玻璃-热电制冷器是通过将涂覆有荧光玻璃薄膜的热电制冷器冷端与热端上的热电粒子对应焊接制备而成．整个荧光玻璃-热电制冷器的尺寸为23 mm×23 mm×5 mm．

图4 荧光玻璃-热电制冷器制备过程中的实物图及特性

图4(e)显示：当热电制冷器的输入电流(Iin)从 0.2 A增加到 2.0 A时，其电压(U)从0.9 V线性地增加到 6.3 V；同时，由于热电材料的帕尔帖效应，热电制冷器冷端涂覆的荧光玻璃薄膜的表面稳态温度(ts)从10℃降低至-22.6℃．以上结果表明热电制冷器能为荧光玻璃薄膜提供一个简单、有效的主动热管理方法．

此外，图5(a)显示了当不同激光功率(P)的激光激发时，热电制冷器开启、关闭两种情况下荧光玻璃薄膜表面最大温度(tmax)的变化．当激光功率从 1.1 W增加至 6.2 W时，在开启热电制冷器的情况下，荧光玻璃薄膜的表面稳态温度仅从-11.3℃增加至 23.8℃，而在关闭热电制冷器的情况下，荧光玻璃薄膜的表面稳态温度从21.8℃增加至72.8℃．

图5 在热电制冷器开关两种情况下，荧光玻璃薄膜表面的最大稳态温度随激光功率的变化，及在激光功率为 3.7 W和 6.2 W时荧光玻璃薄膜的热像图(色标单位：℃)

图5(b-c)表明：在热电制冷器开启的情况下，低功率激光激发时荧光玻璃薄膜的表面稳态温度较低，且分布均匀；高功率激光激发时荧光玻璃薄膜出现高温点，但温度值依旧保持在较低水平．图5(d-e)显示：在热电制冷器关闭的情况下，随着激光功率的增加，荧光玻璃薄膜上的高温点始终存在，且温度值远高于热电制冷器开启时的高温点．

以上两组实验结果说明：热电制冷器结构增强了激光辐照点的散热，并使荧光玻璃薄膜的温度分布情况保持稳定．在功率为6.2 W(功率密度约为 7.9 W/mm^2^)的激光激发下，热电制冷器开启后荧光玻璃薄膜的最高稳态温度相较于热电制冷器关闭时降低了49 ℃(约67%)．

以上结果表明：热电制冷器结构能够使荧光玻璃薄膜保持一个较低的工作温度，从而减少严重的荧光粉热猝灭现象，并在高功率激光激发下避免出现白光激光二极管发光饱和．该荧光玻璃-热电制冷器结构使荧光玻璃薄膜在功率密度为 7.9 W/mm^2 ^的激光激发下保持较低的温度水平，可通过进一步提高激光功率或减小光斑面积达到更高的功率密度．

因此，本研究中制备的荧光玻璃-热电制冷器在高功率(P＞10 W)和高功率密度(激光功率密度大于 50 W/mm^2^)的白光激光二极管封装展现出潜在的应用价值．

2.3 荧光玻璃-热电制冷器封装白光激光二极管光学性能

将制备的荧光玻璃-热电制冷器应用于反射型白光激光二极管封装，并测试白光激光二极管光学性能．如图6(a)所示，在热电制冷器输入电流为1.6 A的条件下，随着激光功率从1.1 W增加至 6.2 W，由于有更多的蓝光被转换为黄光，因此白光激光二极管的黄光发射强度逐渐增加．并且，由于热电制冷器的主动散热作用，即使在 6.2 W的激光激发下，白光激光二极管也没有发生发光饱和现象．

在激光激发下，荧光玻璃薄膜发出白光，如图6(b)所示．当激光功率从1.1 W增加至 6.2 W时，白光激光二极管的光通量逐渐从130.5 lm增加至756.1 lm，色温(Tc)从 4829 K缓慢增加至 5132 K，白光激光二极管的显示指数约为61．在6.2 W的激光激发下，白光激光二极管发出光通量(Φ)为756.1 lm，色温为 5132 K，CIE色坐标为(0.3435，0.3795)的白光，此时白光激光二极管的流明效率(光视效能K)为121.9 lm/W．

图6 荧光玻璃-热电制冷器封装白光激光二极管的发射光谱、6.2 W激发下发光图片、光通量与流明效率

荧光玻璃-热电制冷器封装白光激光二极管的CIE色坐标与对应的色温见图7(图中数值380～700为对应的光的波长，量纲为nm)．随着激光功率的增加，该白光激光二极管的CIE色坐标从暖白色区朝着黑体辐射曲线方向偏移．色坐标(x，y)变化的最大值分别为0.0131和 0.0307，且色彩距离的最大值为 0.0333．

图7 荧光玻璃-热电制冷器封装白光激光二极管的CIE色坐标与对应的色温

以上结果表明：在不同功率的激光激发下，荧光玻璃-热电制冷器封装的白光激光二极管实现高亮度、稳定的白光照明，有利于促进白激光光源在大功率场合的应用．

03结论

本研究提出了一种主动散热的荧光玻璃-热电制冷器用于反射型白光激光二极管封装，利用热电制冷器的帕尔帖效应来增强荧光玻璃热耗散，从而提高白光激光二极管的光热性能．将荧光玻璃薄膜制备在热电制冷器的冷端，从而在高功率激光激发下能够实现荧光层的主动散热．

当激光功率从 1.1 W增加至 6.2 W时，荧光玻璃的工作温度仅从 -11.3℃增加至 23.8℃．通过热电制冷器主动制冷的作用，在功率为 6.2 W的激光激发下，荧光玻璃的最大温度降低了 49℃(约67%)．

此外，该荧光玻璃-热电制冷器封装的白光激光二极管能够在功率为6.2 W的激光激发下，发出光通量为756.1 lm，色温为5 132 K，CIE色坐标为(0.3435，0.3795)的白光．该白光激光二极管能够在不同功率的激光激发下实现稳定的发光质量．

基于荧光玻璃-热电制冷器的反射型白光激光二极管是一种有效、可靠的高亮度白光光源，在激光照明和显示领域具有广泛应用前景．

原作者：余子康，黎双，刘佳欣，牟运，彭洋，陈明祥