趙芳儀，劉小浪，宋 振，劉泉林

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

引言

與傳統(tǒng)光源相比，以白光LED為代表的半導體光源具有壽命長、體積小、響應速度快等優(yōu)點[1-3]。LED大規(guī)模地應用于普通照明已成為趨勢[4-6]。LED封裝是決定LED光源進入通用照明領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[7,8]。從技術(shù)成熟度和制造成本綜合考慮，目前白光LED封裝的主流方式是藍光LED芯片激發(fā)多種熒光粉材料[9]。隨著LED光源的快速發(fā)展，各種照明應用對白光LED提出更高的要求。常規(guī)藍光芯片+黃色或者綠色+紅色熒光粉的封裝方案，會導致白光LED光譜中藍光過剩、青色光缺失、長波紅光不足等諸多問題。另外，顯色指數(shù)是LED照明燈具的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，用來表征光源對物體顏色的顯現(xiàn)能力[10]。超高顯色指數(shù)一般是指LED燈的顯色指數(shù)Ra> 95，而全光譜白光LED照明則是在此基礎上，還要求所有特殊顯色指數(shù)R1～R15大于90[11]。從白光LED封裝的角度來說，高品質(zhì)白光LED光源應該具備較高的顯色性以呈現(xiàn)物體的真實顏色。因此，提升現(xiàn)有白光LED照明品質(zhì)，特別是提升顯色指數(shù)，是白光LED研究和應用的一個重要任務[12]。

目前制備高顯色指數(shù)的LED主要是通過藍光LED芯片激發(fā)熒光粉的方式來實現(xiàn)，常見的熒光粉搭配有：鋁酸鹽黃色熒光粉+氮化物紅粉、鋁酸鹽黃綠色熒光粉+氮化物紅粉[13]。氮氧化物藍綠色熒光粉是近年來才研制出來的一款LED用熒光粉，克服了藍綠色硅酸鹽熒光粉不穩(wěn)定等缺點，長期以來被LED封裝廠家單獨用來制備冰藍色LED[14]。特殊顯色指數(shù)R12是評價LED對飽和藍色的復現(xiàn)質(zhì)量指標，所以在Ra較高的同時，R12還要保持較高的水平，但R12值的提升相對較難，所以在制備全光譜白光LED時，需格外關(guān)注R12值。峰值發(fā)射波長為495 nm左右的氮氧化物藍綠色熒光粉，可以彌補白光LED光譜中的青色成分，對R12具有提高作用，搭配常規(guī)波段的黃綠粉和高波段的紅粉，可以實現(xiàn)95及以上超高顯指甚至實現(xiàn)全光譜。另外，色溫也是表征光源品質(zhì)的重要指標。色溫表征光源的色調(diào)，由與之顏色相同的黑體輻射溫度來表示。LED燈具標準將6 000 K、4 000 K、3 000 K左右色溫分別稱為正白、中性白和暖白。本論文選擇在暖白、中性白和正白三個色溫下，系統(tǒng)研究了氮氧化物藍綠色熒光粉對白光LED顯色指數(shù)Ra及特殊顯色指數(shù)R12的影響，并以此提出了超高顯指及全光譜白光LED的封裝方案。

1 實驗

1.1 實驗用品及設備

LED封裝實驗用品及設備有：2835型SMD支架(規(guī)格為2.8 mm×3.5 mm×0.8 mm), 正波藍光芯片(主波長為450～452.5 nm)，LED熒光粉(山東盈光新材料有限公司，熒光粉參數(shù)見表1、光譜圖如圖1所示)，硅膠(虹星，HX-2226A/B，A∶B=1∶4)；LED光電參數(shù)測試采用遠方光電PMS-50光譜測試系統(tǒng)，配備有LED專用積分球(直徑0.3 m)，探測器(V-10001)，正向測試電流為60 mA；LED熒光粉相關(guān)參數(shù)測試采用熒光光譜儀(愛丁堡儀器，F(xiàn)LS920)和激光粒度分布測試儀(丹東百特，BT-9300H)。

表1 LED用熒光粉基本參數(shù)

圖1 熒光粉穩(wěn)態(tài)光譜圖Fig.1 Excitation and emission spectra of various phosphors

熒光粉是實現(xiàn)白光LED的關(guān)鍵材料之一。本實驗使用的氮氧化物、鋁酸鹽和氮化物熒光粉具有較好的熱穩(wěn)定性、較高的量子效率及優(yōu)異的發(fā)光性能，適用于白光LED封裝[15]。圖1(a)為BaSi2O2N2:Eu2+氮氧化物藍綠粉光譜圖，可以看出該型熒光粉能被藍光激發(fā)，實現(xiàn)峰值波長為495 nm的青光發(fā)射，半峰寬較窄僅為32 nm，色純度較高，可以彌補白光LED光譜中的青色成分，有利于顯色性的提高，在超高顯指及全光譜白光LED封裝中具有非常重要的意義。圖1(b)為Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+鋁酸鹽黃綠粉光譜圖，在藍光激發(fā)下，發(fā)射光譜峰值波長為525 nm，用于提供LED封裝光譜的綠光成分。圖1(c)為 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+氮化物紅粉光譜圖，其發(fā)射光譜峰值波長為655 nm，位于深紅光區(qū)域，用于提供LED封裝光譜的紅光成分。

根據(jù)白光LED封裝經(jīng)驗，本文優(yōu)選藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的封裝方案，實現(xiàn)超高顯指白光LED；采用藍光芯片+氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的封裝方案，實現(xiàn)全光譜白光LED(Ra> 95，R1～R15均大于90)。

1.2 封裝測試流程

如圖2所示，LED封裝測試主要分為以下幾步：①固晶，將藍光芯片固定在2835 SMD支架上；②焊線，用超聲波金絲球焊線機將芯片正負極與支架正負極用金線連接；③根據(jù)配比稱量熒光粉及硅膠A/B；④沿著同一方向?qū)⑴浜玫臒晒夥奂肮枘z手動攪拌30 min，直到熒光粉分布均勻；⑤點膠，將混合好的熒光粉與A/B膠均勻涂覆在焊好線的支架杯中，點膠量以平杯或者微凹為宜，測試光電參數(shù)并調(diào)整熒光粉配比及膠量；⑥固化，將點好膠的支架放入烘箱125 ℃烘烤3 h使膠水固化；⑦測試數(shù)據(jù)，將固化好的LED放入積分球中進行測試，得到其色品坐標和顯色指數(shù)(Ra、R1～R15)等光參數(shù)；⑧分析與處理數(shù)據(jù)。

圖2 封裝測試流程圖Fig.2 Flow chart of packaging

為確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性，采用每種配方封裝8～10顆燈珠求平均值的方法來減小實驗誤差。另外在測試過程中需關(guān)注色溫Tc和色容差SDCM兩個參數(shù)，實驗以Tc= 6 000 K、4 000 K、3 000 K為例，每顆燈珠的色容差SDCM ≤ 3，色溫變化范圍ΔTc≤ 50 K，以確保LED色坐標落到CIE 1931黑體輻射曲線上，符合白光LED的實際照明要求。

1.3 封裝配比方案

本實驗用到的熒光粉及硅膠配比如表2所示。針對正白、中性白和暖白三種色溫，選用主波長為450～452.5 nm的藍光芯片，搭配鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案和氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案，目標是獲得超高顯指(Ra> 95)和全光譜(R1～R15> 90)的白光LED。

表2 不同色溫下熒光粉及硅膠配比

2 實驗結(jié)果

2.1 黃綠粉+紅粉封裝測試結(jié)果

采用藍光LED芯片激發(fā)鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案，調(diào)節(jié)熒光粉配比以實現(xiàn)超高顯指，對應的光譜圖如圖3所示。從光譜形狀上來看，不同色溫下的白光光譜在490 nm附近均存在較大凹陷。隨著白光LED色溫的降低，藍光的峰值強度逐漸降低，而紅光的強度逐漸增加。

圖3 黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下獲得的白光光譜圖Fig.3 Spectra at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with yellow-green and red phosphors

圖4給出的是不同色溫下，顯色指數(shù)Ra及特殊顯色指數(shù)R1～R15的對應關(guān)系?？梢钥闯?，隨色溫的降低，Ra及R12值逐漸增加。當Tc= 6 000 K時，不僅顯色指數(shù)偏低(Ra= 90.7)，不滿足超高顯指的要求，并且R12僅為70；當Tc= 4 000 K時，Ra有所提高達到96.8，滿足超高顯指要求，但R12仍相對較低為84；而當Tc= 3 000 K時，Ra進一步提高至98.3，且特殊顯色指數(shù)R12達到91，R1～R15均大于90，可以實現(xiàn)全光譜。

圖4 黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下的特殊顯色指數(shù)R1～R15值Fig.4 The value of special CRI R1～R15 at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with yellow-green and red phosphors

2.2 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝測試結(jié)果

采用藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案，雖然可以實現(xiàn)較高的顯色指數(shù)Ra，但是特殊顯色指數(shù)R12的值相對較低，尤其在色溫較高時，Ra和R12均難以滿足超高顯指或全光譜白光LED的要求。采用藍光LED芯片激發(fā)氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案，通過調(diào)節(jié)熒光粉配比所得不同色溫下的白光LED光譜圖如圖5所示。對比雙熒光粉封裝測試結(jié)果(圖3)可知，額外添加氮氧化物藍綠色熒光粉，可以彌補藍光芯片發(fā)光峰和熒光粉發(fā)射峰之間的光譜缺失，白光光譜曲線變得更加飽滿。

圖5 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下獲得的白光光譜圖Fig.5 Spectra at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with blue-green, yellow-green and red phosphors

圖6 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下的特殊顯色指數(shù)R1～R15值Fig.6 The value of special CRI R1～R15 at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with blue-green, yellow-green and red phosphors

圖6給出的是不同色溫下，顯色指數(shù)Ra及特殊顯色指數(shù)R1～R15的對應關(guān)系?？梢钥闯?，相比于雙熒光粉封裝方案，額外添加氮氧化物藍綠粉，在正白、中性白和暖白LED色溫時，Ra均大于95，并且R12均有所提升，全部達到90以上，符合超高顯指以及全光譜白光LED封裝要求。當Tc= 6 000 K時，R12增加最為顯著，從70增加為92；當Tc= 4 000 K時，R12從84增加為93；當Tc=3 000 K時，R12值也略有提升，但是增幅較小，差值僅為2。因此，加入氮氧化物藍綠粉彌補了白光LED光譜中的飽和藍色成分，有利于R12的提升，并且隨白光LED色溫的升高，提升作用逐漸增強。

3 討論

實驗結(jié)果表明，在不同色溫下的白光LED封裝中，氮氧化物藍綠粉有利于提升顯色指數(shù)Ra和特殊顯色指數(shù)R12，是實現(xiàn)超高顯指和全光譜白光LED的關(guān)鍵。此部分將從藍綠粉對Ra和R12的影響兩個方面進行分析。

3.1 藍綠粉對Ra的影響

圖7為白光LED光譜中藍光(400～500 nm)所占比例隨色溫的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當Tc= 6 000 K時，藍光所占比例較大，約為25%；當Tc= 4 000 K時，藍光所占比例較小，約為17%；當Tc=3 000 K時，藍光所占比例最小，僅為10%。由此可知，加入氮氧化物藍綠粉與否，同種色溫下藍光所占比例大致相同，而隨著色溫的降低，藍光所占比例均逐漸減小。因此，在色溫較低時，加入藍綠粉對顯色指數(shù)Ra的提升作用較??；而隨著色溫的升高，藍綠粉對Ra的提升作用逐漸增大。這與添加藍綠粉對暖白顯色指數(shù)提升較小而對中性白和正白顯色指數(shù)提升較大的封裝測試結(jié)果相符。特別是對正白而言，藍綠粉的加入使得Ra由90.7大幅提升至97.4。

圖7 兩種封裝方案在不同色溫下的藍光所占比例圖Fig.7 Proportion of blue light at different correlated color temperatures for two packaging schemes

3.2 藍綠粉對R12的影響

對于全光譜白光LED封裝而言，要求特殊顯色指數(shù)R1～R15全部大于90。其中，實現(xiàn)全光譜白光LED的難點在于R12的提升。R12與白光光譜中的飽和藍光成分相關(guān)，是評價LED對飽和藍色的復現(xiàn)質(zhì)量指標。峰值發(fā)射波長為495 nm的氮氧化物藍綠色熒光粉，恰好可以彌補白光LED光譜中的飽和藍色成分，有利于全光譜白光LED封裝。

為研究氮氧化物藍綠粉對R12的影響規(guī)律，將同一色溫加入藍綠粉前后的光譜圖與特殊顯色指數(shù)R12對應的光譜輻亮度因數(shù)曲線進行比較，結(jié)果如圖8所示。可以看出，R12對應的光譜輻亮度因數(shù)曲線在430～520 nm之間具有較高強度，也就是說白光光譜在該波段范圍內(nèi)光譜強度越強，飽和藍色R12越大，顯色性越好。通過Origin 9.3軟件對加入藍綠粉前后該波段范圍進行積分，積分面積在整個白光光譜中的占比如表3所示。未加入藍綠粉時，6 000 K、4 000 K和3 000 K色溫下430～520 nm波段積分面積占比分別為33.45%，22.72%，16.02%；加入藍綠粉后，相應占比分別為36.77%，25.50%，16.88%，增幅分別為3.32%，2.78%，0.86%。由此解釋了隨著白光LED色溫的升高，氮氧化物藍綠粉的加入對R12提升作用逐漸增強的實驗現(xiàn)象。

圖8 兩種封裝方案在不同色溫下的光譜對比圖Fig.8 Spectral comparison of two packaging schemes at different correlated color temperatures

Tc/K6 0004 0003 000P1/%33.4522.7216.02P2/%36.7725.5016.88△P/%3.322.780.86

注：P1代表黃綠粉+紅粉的雙熒光粉封裝方案；P2代表藍綠粉+黃綠粉+紅粉的三熒光粉封裝方案

4 結(jié)論

利用藍光LED芯片激發(fā)熒光粉的方法制備白光LED，并在不同色溫條件下研究實現(xiàn)超高顯指及全光譜白光LED的封裝方案，重點研究了加入氮氧化物藍綠色熒光粉BaSi2O2N2:Eu2+在白光LED封裝中對顯色指數(shù)Ra，特別是特殊顯色指數(shù)R12的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，添加氮氧化物藍綠粉后，對白光LED的顯色指數(shù)Ra和特殊顯色指數(shù)R12均有較大的提升作用，并且隨色溫的升高，對R12的提升作用逐漸增強，在Tc=6 000 K、4 000 K、3 000 K時，R12分別增加了22、9和2，特別是在正白色溫下，顯色指數(shù)Ra增幅達到6.7。因此，相對于藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉Y3(Al,Ga)5O12:Ce3++氮化物紅粉(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+的雙熒光粉封裝方案，采用藍光芯片+氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案有利于提升Ra和R12，可以實現(xiàn)全光譜白光LED(Ra> 95，R1～R15均大于90)，在提升現(xiàn)有白光LED照明品質(zhì)方面具有重要的應用價值。