基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管實現(xiàn)方法研究

摘 要:為了應(yīng)用空封技術(shù)實現(xiàn)白光數(shù)碼管，在此介紹了一種利用藍光芯片與黃色熒光粉混合形成白光的實現(xiàn)方法。并在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，去掉環(huán)氧樹脂灌封、高溫固化2個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用絲印技術(shù)、網(wǎng)板印刷以及電子噴墨印刷，制作特制的熒光粉貼膜，再通過鋁絲的防氧化和鋼化處理，使數(shù)碼管的發(fā)光反射達到均勻，從而完成空封制作過程。通過比較，得出應(yīng)用空封技術(shù)比應(yīng)用傳統(tǒng)工藝制作數(shù)碼管的光通量衰減低而數(shù)碼管壽命長的結(jié)果。結(jié)果表明，基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管在技術(shù)指標(biāo)方面有一定提高，成本也有較大降低。

關(guān)鍵詞:白光數(shù)碼管; 藍光芯片; 空封技術(shù); 光通量

中圖分類號:TN6 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0173-03

Implementation Method of White Light Digital Tube Based on Empty Encapsulation Technology

KONG Bao-gen

(Shaoxing Top Vocational Institute of Information Technology， Shaoxing 312000， China)

Abstract:The white light digital tube was realized with the empty encapsulation technology. A method to achieve white light formed by the mixture of blue light chips and yellow phosphor powders is introduced. The production process of the empty encapsulation based on the tradition technology is implemented by getting rid of two production processes of high-temperature curing and epoxy resin casting， adopting silk-screen technology， halftone printing and ink-jet printing to make a special fluorescent stick film， and then performing the oxidation and toughening treatment of aluminum wires to make the digital tube emit the equality lighting. In comparison with the digital tube produced by the traditional technique， the digital tube produced by the empty encapsulation technology has lower flux attenuation and longer life-time. The conclusion is that the white digital tube based on the empty encapsulation technology is improved in specifications and the cost is reduced significantly.

Keywords:white light digital tube; blue light chip; empty encapsulation technology; luminous flux

0 引 言

近年來，在照明領(lǐng)域最引人關(guān)注的事件是半導(dǎo)體照明的興起。20世紀90年代中期，日本日亞化學(xué)公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力，突破了制造藍光發(fā)光數(shù)碼管的關(guān)鍵技術(shù)，并由此開發(fā)出以熒光材料覆蓋藍光數(shù)碼管產(chǎn)生白光光源的技術(shù)[1-2]。在數(shù)碼管產(chǎn)業(yè)鏈中，主要分為上游半導(dǎo)體襯底生長、中游芯片制造及下游數(shù)碼管分裝技術(shù)。對整個數(shù)碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環(huán)節(jié)，主要完成輸出電信號，保護管芯正常工作，使其不受機械、熱、潮濕及其他外部沖擊，具有輸出可見光等功能，即達到既具有電參數(shù)，又具有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求。可見，封裝工藝已成為制約數(shù)碼管器件使用及性能的關(guān)鍵因素。對于白光數(shù)碼管的開發(fā)和制作，封裝環(huán)節(jié)具有更重要的意義。

我國從20世紀80年代開始研發(fā)LED數(shù)碼管技術(shù)，到20世紀90年代，LED的封裝業(yè)有了一定的發(fā)展，但企業(yè)總體規(guī)模小，工藝水平不夠高，這種狀況制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，諸多技術(shù)瓶頸沒有突破，急需在LED封裝技術(shù)方面有較好的突破，以打開新的數(shù)碼管市場份額。

1 白光的實現(xiàn)

依據(jù)發(fā)光學(xué)和色度學(xué)原理，實現(xiàn)白光數(shù)碼管有多種方案，而開發(fā)較早、已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方案是在數(shù)碼管芯片上涂敷熒光粉而實現(xiàn)白光發(fā)射。

數(shù)碼管采用熒光粉實現(xiàn)白光，下述3種方案發(fā)展較快[3-4]:在藍色芯片上涂敷能被藍光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍光與熒光粉發(fā)出的黃光互補形成白光;在藍色芯片上涂覆綠色和紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光;在紫光或紫外光芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉，利用該芯片發(fā)射的長波紫外光(370~380 nm)或紫光(380~410 nm)來激發(fā)熒光粉而實現(xiàn)白光發(fā)射。下面主要介紹以第1種方案為原理實現(xiàn)白光的機制。

利用波長為460~470nm的GaN基藍光芯片發(fā)射的藍色光作為基礎(chǔ)光源(圖1所示為藍光芯片在溫室，電流為20 mA時的電致發(fā)光光譜圖)，應(yīng)用GaN基藍光芯片所發(fā)出的460~470 nm藍光一部分用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠色光，另一部分藍光透過熒光粉發(fā)射而出。熒光粉發(fā)出的黃綠色光與GaN基藍光芯片發(fā)出的透射部分混合形成白光，即白光=藍+黃的機制，如圖2所示。圖3是藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉所產(chǎn)生的光譜，產(chǎn)生黃光，該黃光與藍光混合而成白光。

圖1 GaN LED在25°，20 mA時的電激發(fā)光譜

圖2 藍光芯片與黃色熒光粉混合法

圖3 藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉形成白光光譜圖

這種方法存在的2個關(guān)鍵部分是GaN基藍光芯片和作為光轉(zhuǎn)換的熒光材料。GaN基藍光芯片的選擇不僅要考慮芯片本身的特性，還應(yīng)兼顧熒光材料的選擇。熒光材料的選擇必須滿足以下2個條件:

(1) 熒光材料的激發(fā)光譜必須與所選擇的藍光芯片的發(fā)射光譜相匹配。目前國際上常采用波長為460~470 nm的GaN基藍光芯片作為基礎(chǔ)光源，這樣就要求熒光材料的激發(fā)光譜在460~470 nm，這樣可以確保獲得更高的光轉(zhuǎn)換效率;熒光材料的發(fā)射光譜。

(2) 熒光材料的發(fā)射光譜與藍光芯片的發(fā)射光譜能夠匹配成白光，從CIE1931色坐標(biāo)圖可以看出，想要匹配成白光，熒光材料的發(fā)射光譜應(yīng)在555 nm左右。基于上述技術(shù)要求，普遍選用YAG:Ce3+光轉(zhuǎn)換材料。

由于這種方法采用單顆芯片與單種熒光粉，主要采用YAG:Ce3+熒光粉轉(zhuǎn)換效率高，操作上較易實現(xiàn)，且沒有紫外成份，不會造成紫外輻射污染，是目前制作白光數(shù)碼管的主要方向。

2 數(shù)碼管封裝技術(shù)

數(shù)碼管品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵在封裝。封裝技術(shù)對數(shù)碼管的性能、可靠性，起著至關(guān)重要的作用。劣質(zhì)封裝會導(dǎo)致數(shù)碼管光子損失嚴重，光通量和光效低[5]，光色不均勻，使用壽命短等多種缺點。目前發(fā)展的典型白色數(shù)碼管結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)照明光源的要求，封裝用的樹脂和光學(xué)結(jié)構(gòu)等有待采用新設(shè)計思想、新工藝和新材料，以臻工藝完善，適合固體照明光源的發(fā)展。在繼承其原有優(yōu)良性能的同時，更重要的是擯棄舊的框架，創(chuàng)新性推出有自己特色的新白光數(shù)碼管封裝技術(shù)。

2.1 傳統(tǒng)工藝存在的問題

傳統(tǒng)封裝工藝存在以下幾個問題(圖4所示為傳統(tǒng)工藝流程圖)。灌封膠材料的選擇和封膠工藝對數(shù)碼管光效參數(shù)的影響。在數(shù)碼管使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失主要包括3個方面:芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收;由于光子在出射界面折射率差而引起反射損失;由于入射角大于全反射臨界角而引起全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片與空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，以提高取光效率。

目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。環(huán)氧樹脂的固有缺點是耐沖擊損傷能力差，韌性差比較脆，耐熱性能也較低(小于170 ℃)。由于硅膠具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點，故性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂[6-7]。但研究表明，硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響數(shù)碼管光效和光強分布。傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光。

圖4 傳統(tǒng)白光數(shù)碼管封裝工藝流程

2.2 空封技術(shù)

空封技術(shù)作為數(shù)碼管封裝的新工藝技術(shù)，是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上研制的[8-9]。在傳統(tǒng)數(shù)碼管工藝的基礎(chǔ)上，去掉環(huán)氧樹脂灌封高溫固化2個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)用已經(jīng)固晶接好線的線路板套接外殼后，再壓蓋成型。最后在顯示表面貼一張散射膜，以得到生產(chǎn)需要的白色光(圖5為應(yīng)用空封技術(shù)制作數(shù)碼管的工藝流程圖)。

利用空封技術(shù)工藝可以解決傳統(tǒng)工藝上的這些問題:

(1) 空封技術(shù)制作數(shù)碼管省掉了封膠、烘烤的制作流程，解除了傳統(tǒng)工藝中選擇封膠材料難的問題。

(2) 以刷熒光粉工藝技術(shù)替代點熒光粉工藝，解決了傳統(tǒng)工藝中點熒光粉精度的問題。

利用新技術(shù)制作數(shù)碼管必須解決以下幾個技術(shù)問題:

(1) 采用絲印技術(shù)、網(wǎng)板印刷以及電子噴墨印刷，制作特制的熒光粉貼膜。

制作熒光粉貼膜在采用絲印技術(shù)印刷時要注意影響質(zhì)量的一些問題[10]:首先，在靜態(tài)時絲網(wǎng)與承印物之間保持一定的距離，距離的大小對絲印的質(zhì)量影響很大，而距離又與絲網(wǎng)伸長量有關(guān)。在正常情況下，即距離最佳時，絲印過程中網(wǎng)版能立即從承印物上彈離開。必須克服印料本身的凝聚力，克服印料和承印物間的張力。其次，刮板與承印物的夾角，一般在50°~55°之間變化，理論上大于45°印出的圖案被拉毛，小于45°出現(xiàn)重復(fù)印刷，兩者均降低絲印精度、因此必須掌握刮板與承印物之間的正確刮印角度。理論上要求刮板與承印物之間的夾角，即刮板的直角刃邊為45°，保證一條線與承印物接觸的條件，就不可能產(chǎn)生重印和拉毛現(xiàn)象，確保圖案光潔和不糊邊。總之要求制作特制的熒光粉貼膜必須保證絲網(wǎng)在印刷時厚度與密度的均勻性。

圖5 利用空封技術(shù)制作白光數(shù)碼管工藝流程圖

(2)數(shù)碼管空封技術(shù)研發(fā)。鋁絲的防氧化和鋼化處理，數(shù)碼管的發(fā)光反射均勻性。

在空氣中，經(jīng)低溫處理的鋁絲材料的氧化層中仍含相當(dāng)數(shù)量的碳，氧化反應(yīng)向內(nèi)部推進較快，在高溫下處理的材料，其氧化層完全脫碳，并形成致密的燒結(jié)層而阻礙氧化過程的進行，氧化層深度的增加緩慢。利用適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉樱梢栽诘蜏氐礁邷叵聦拸V的溫度區(qū)間內(nèi)形成保護層，以防止含碳材料的繼續(xù)氧化。鋁絲防氧化處理后，氧化時間超過10萬小時，鋁絲經(jīng)過鋼化處理后，拉力在0.1 V以上。數(shù)碼管的反射腔及出光通道的優(yōu)化設(shè)計，使數(shù)碼管筆段的亮度誤差小于等于10%。

2.3 兩種不同工藝對光參數(shù)的影響

兩種工藝制作的數(shù)碼管對光通量及數(shù)碼管壽命有一定差異。由于傳統(tǒng)工藝制作的數(shù)碼管采用灌封膠材料，該材料層處于芯片和空氣之間，從而有效減少光子在界面的損失，提高了取光效率。然而由于新工藝制作的數(shù)碼管不采用灌封膠層，僅依靠管芯與底板上涂透明絕緣膠來提高出光效率，光子直接向外發(fā)射，因光的發(fā)射及折射原因，部分光子不能到達外部，造成光子損失。所以初始階段用新工藝制作的數(shù)碼管光通量較低。由于灌封膠材料的導(dǎo)熱性及光子吸收等原因，在長時間高溫工作中會出現(xiàn)壽命及光通量降低的現(xiàn)象。圖6是兩種封裝技術(shù)經(jīng)高溫老化時對數(shù)碼管光衰影響的實驗結(jié)果。可以看出，新工藝制作的產(chǎn)品在光通量及壽命方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制作的產(chǎn)品。

圖6 不同工藝對白光數(shù)碼管光衰的影響

2.4 采用空封技術(shù)工藝生產(chǎn)的數(shù)碼管實際經(jīng)濟價值

(1) 去掉傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)白光數(shù)碼管環(huán)氧封膠的流程環(huán)節(jié)，不使用灌封膠材料，既節(jié)約了原材料，又提高了產(chǎn)品的可靠性;

(2) 貼膜技術(shù)替代高溫固化封膠，可節(jié)約能源;新工藝產(chǎn)品成本是傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品成本的50%左右，價格優(yōu)勢明顯。

利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管，采用貼膜工藝，可以避免環(huán)氧樹脂的污染。去掉高溫封膠工序，制造產(chǎn)品的基本節(jié)能在原來的一半以上，成本降低顯著，有利于擴大市場競爭力。

3 結(jié) 語

目前制作的白光數(shù)碼管主要是通過在藍光芯片上涂覆黃色熒光粉層，用藍光與黃光相混合的方法得到的。芯片和熒光粉的匹配性是影響產(chǎn)品電學(xué)、光學(xué)性能及器件穩(wěn)定性的重要因素。對整個數(shù)碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環(huán)節(jié)，主要完成輸出電信號，保護管芯正常工作，使其不受到機械、熱、潮濕及其他外部沖擊，具有輸出可見光等功能，即達到既具有電參數(shù)，又具有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求。本文給出了基于空封技術(shù)白光數(shù)碼管的實現(xiàn)方法，對原數(shù)碼管的性能有一定提高，成本有較大下降。

參考文獻

[1]錢可元，胡飛，吳慧穎.大功率白光LED封裝技術(shù)的研究[J].半導(dǎo)體光電，2005，26(2):118-120.

[2]Burgess. LED update: alternate packaging improves white LEDs[J]. Photonics Spectra，2005，39(7):118-118.

[3]王樂.關(guān)于LED應(yīng)用于照明的研究與設(shè)計[D].杭州:浙 江大學(xué)，2004.

[4]BOGNER Georg，DEBRAY Alexandra， HEIDEL Gunther. White LED[C]. SPIE. [ S.l.] :[ s.n.] ， 2004.

[5]徐剛.最新電光源生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實務(wù)全書[M].北京:科技出版社，2006.

[6]張淑芳，方亮，付光宗，等.導(dǎo)熱涂層對LED散熱性能的影響[ J] .半導(dǎo)體光電，2007，28(6):793-796.

[7]宋國華，繆建文，宋建新，等.透鏡對1 W白光LED參數(shù)的影響[ J] .光學(xué)技術(shù)，2009(2):269-271，275.

[8]王華，耿凱鴿，趙義坤，等.大功率白光LED封裝工藝技術(shù)與研制[ J] .電源技術(shù)，2009，34(5):470-473.

[9]鄭毅夫.白光LED封裝工藝對其性能的影響[ J] .現(xiàn)代顯示，2008(3):60-63.

[10]齊成.薄膜開關(guān)面板絲網(wǎng)印刷要注意的問題[ J] .印制電路信息，2009(5):34-38.