杜元寶，張耀華，林 勝，劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波 315000；2.中國科學院大學，北京 100049)

引言

白光LED具有高效節(jié)能、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點,在顯示和照明領域有著廣泛的應用。目前實現(xiàn)照明用LED白光有如下三種途徑：采用R、G、B三基色合成白光、通過UV LED激發(fā)R、G、B熒光粉、通過藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉形成。當前最普遍的方式是藍光LED芯片與黃色熒光粉組合，即將具有一定比例的黃色熒光粉和紅色熒光粉與環(huán)氧或硅膠混合后，灌封在藍光LED芯片四周，芯片藍光與熒光粉激發(fā)生成的黃光混合形成白光，但是在白光LED封裝工藝中的點膠和烘烤環(huán)節(jié)，熒光粉易于在膠水中發(fā)生沉降，由沉降造成的熒光粉的粒徑重新分布，導致白光LED色溫嚴重漂移、產(chǎn)品光色不一致等問題，這嚴重影響白光LED色區(qū)集中度，特別是在大功率白光LED方面因其體積大、發(fā)熱多、出光效率高等特點，影響更加顯著[1-3]。

為解決此問題,如何提高白光LED的色區(qū)達成率成為很多封裝企業(yè)亟待解決的問題。本實驗中，我們采用新型離心沉降工藝，該工藝可以在短時間內在盡可能不打破初始熒光粉空間分布的狀態(tài)下加速沉積在LED芯片的表面，有效地避免由于熒光自身下沉引發(fā)的引發(fā)的熒光粉空間初始分布而引發(fā)的顏色漂移問題，進一步提高白光LED器件的顏色一致性，提高改善LED色溫分布[4-6]。

1 實驗材料和實驗方法

實驗所用LED器件首先選用常規(guī)的13 mm×13 mm外形的鏡面鋁基板，電路結構2并12串，正裝15×30 mil芯片，芯片電壓3～3.1V，芯片波段455～457.5 nm，Po>190 mW,紅色熒光粉采用氮化物1113結構的峰值波長625 nm波長，粒徑D50=(14±2) μm綠色熒光粉采用Ga-YAG峰值波長538 nm，粒徑D50=(15±2) μm，硅膠采用信越2 500A/B雙組份甲基硅膠，顯色指數(shù)Ra不小于80。實驗首先研究熒光粉的沉降對不同ANSI標準的色溫如3 000 K、4 000 K、5 000 K的LED器件產(chǎn)品的光電參數(shù)的影響，根據(jù)研究的結果，采用離心沉降工藝加速熒光粉的沉降速度，進一步研究沉降工藝對LED器件色區(qū)的影響，并進行實際批量生產(chǎn)各10 000片LED器件產(chǎn)品，按ANSI 3 000 K色溫，對比研究點膠工藝和離心沉降工藝實際批量后，兩種工藝的 LED器件產(chǎn)品色區(qū)變化情況，進一步驗證前面的實驗研究結果[7-9]。

點膠工藝比較成熟，就是將綠色熒光粉和紅色熒光粉按一定的比例和硅膠進行混合，均勻攪拌后，進行脫泡處理，通過點膠機將熒光粉和硅膠的混合體點在LED器件芯片表面，然后進行烘烤和測試。

離心沉降工藝需要借助離心設備，該設備結構原理是采用吊籃的模式，每個吊籃可以放一個拼板的LED器件產(chǎn)品，吊籃的數(shù)量可以按實際的需要設定，每個吊籃可以左右按一定的角度旋轉，整個離心設備和摩天輪的原理相似，為了保證熒光粉均勻、快速地沉積在LED器件的芯片上面，設備轉臂的半徑要在1.5 m左右，離心轉速在500轉/min[10]。

2 結果與討論

2.1 熒光粉沉降對LED器件光電參數(shù)的影響

3 000 K時，光電參數(shù)隨時間的變化如圖1所示。

圖1 3 000 K時光電參數(shù)隨時間的變化Fig.1 The parameters varied with precipitation time (3 000 K)

4 000 K時光電參數(shù)隨時間的變化如圖2所示。

5 000 K時光電參數(shù)隨時間的變化如圖3所示。

從圖1～圖3可以看出,LED器件不同色溫的光電參數(shù)會隨著時間的變化，色坐標CIEx和CIEy會隨著沉淀時間逐漸降低，色溫Tc會隨著沉淀時間逐步升高，光通量Φ會隨著沉淀時間逐步降低，顯指Ra會隨著沉淀時間逐步升高，同時由于不同色溫熒光粉中黃粉和紅粉配比有所不同，會導致光電參數(shù)變化的幅度會有所差異，但最終都會隨著沉淀時間趨于穩(wěn)定?；诖?，本文認為只要實現(xiàn)熒光粉加速沉積，就有可能解決由于熒光粉自身的沉降而引發(fā)的顏色漂移。

圖2 4 000 K時光電參數(shù)隨時間的變化Fig.2 The parameters varied with precipitation time (4 000 K)

圖3 5 000 K時光電參數(shù)隨時間的變化Fig.3 The parameters varied with precipitation time (5 000 K)

2.2 點膠和離心沉降工藝LED器件色區(qū)影響的批量驗證

將10 000片已經(jīng)固晶好的LED器件產(chǎn)品分別采用離心沉降設備和點膠設備進行實際的批量生產(chǎn)，將生產(chǎn)后的產(chǎn)品進行光電參數(shù)的測試，對色坐標進行打點分析，結果如下。

點膠和沉降工藝批量生產(chǎn)10 000片LED器件產(chǎn)品3 000 K色坐標集中度如圖4所示。

點膠和沉降工藝批量生產(chǎn)10 000片LED器件產(chǎn)品4 000 K色坐標集中度如圖5所示。

點膠和沉降工藝批量生產(chǎn)10 000片LED器件產(chǎn)品5 000 K色坐標集中度如圖6所示。

圖4 3 000 K LED器件色坐標Fig.4 Color coordinates of LED (3 000 K)

圖5 4 000 K LED器件色坐標Fig.5 Color coordinates of LED (4 000 K)

圖6 5 000 K LED器件色坐標Fig.6 Color coordinates of LED (5 000 K)

可見，采用離心沉降工藝的產(chǎn)品在3 000 K、4 000 K、5 000 K色溫的色坐標集中度明顯由于LED點膠的工藝，這是由于點膠工藝的產(chǎn)品在實際批量生產(chǎn)的時候，產(chǎn)品點膠及進烤箱工序都會有一定的時間差，在這一時間差內會發(fā)生前面實驗的熒光粉沉降問題，進而引發(fā)LED器件產(chǎn)品色坐標的漂移，進烤箱后，在硅膠固化前同樣也會發(fā)生色坐標的漂移。兩種情況的漂移最終會導致色坐標的離散性會更加顯著。熒光粉離心沉降工藝是所有產(chǎn)品一次性利用離心力將熒光粉短時間加速沉積LED芯片表面，基本上沒有時間發(fā)生熒光粉的沉降，因此所有產(chǎn)品的在時間上一致性較高，色坐標集中度可以得到明顯提高，LED光源顏色一致性的問題可以得到有效解決，滿足目前高端商業(yè)照明對顏色一致性的高要求，能實現(xiàn)2階麥克亞當橢圓的控制[11-13]。

3 結論

本文通過實驗研究3 000 K、4 000 K、5 000 K三種色溫，顯色指數(shù)不小于80的LED器件產(chǎn)品熒光粉沉降隨時間變化規(guī)律，結果表明隨著沉降時間的增加發(fā)現(xiàn)不同色溫的的色坐標CIEx、CIEy會逐步降低，色溫Tc會升高，光通量Φ會下降，顯色指數(shù)Ra會升高，當沉降時間達到8 h后，上面這些參數(shù)基本趨于不變。進一步研究了能否通過熒光粉的離心沉降工藝來加速熒光粉沉降，避免熒光粉的沉降帶來的色漂移，提高白光LED器件的色區(qū)一致性。實驗結果發(fā)現(xiàn)，離心沉降工藝確實比點膠工藝更有助于實現(xiàn)白光LED器件色區(qū)一致性的提升，同時也發(fā)現(xiàn)雖然色區(qū)一致性提高了，但是LED的光通量下降了3%～6%，因此，雖然離心沉降工藝可以改良色區(qū)一致性，但亮度卻下降了。