基于空封技術的白光數碼管實現方法研究

摘 要:為了應用空封技術實現白光數碼管，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方法。并在傳統工藝的基礎上，去掉環氧樹脂灌封、高溫固化2個生產環節，采用絲印技術、網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，使數碼管的發光反射達到均勻，從而完成空封制作過程。通過比較，得出應用空封技術比應用傳統工藝制作數碼管的光通量衰減低而數碼管壽命長的結果。結果表明，基于空封技術的白光數碼管在技術指標方面有一定提高，成本也有較大降低。

關鍵詞:白光數碼管; 藍光芯片; 空封技術; 光通量

中圖分類號:TN6 文獻標識碼: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，在照明領域最引人關注的事件是半導體照明的興起。20世紀90年代中期，日本日亞化學公司的Nakamura等人經過不懈努力，突破了制造藍光發光數碼管的關鍵技術，并由此開發出以熒光材料覆蓋藍光數碼管產生白光光源的技術[1-2]。在數碼管產業鏈中，主要分為上游半導體襯底生長、中游芯片制造及下游數碼管分裝技術。對整個數碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環節，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，又具有光參數的設計及技術要求。可見，封裝工藝已成為制約數碼管器件使用及性能的關鍵因素。對于白光數碼管的開發和制作，封裝環節具有更重要的意義。

我國從20世紀80年代開始研發LED數碼管技術，到20世紀90年代，LED的封裝業有了一定的發展，但企業總體規模小，工藝水平不夠高，這種狀況制約了產業的發展，諸多技術瓶頸沒有突破，急需在LED封裝技術方面有較好的突破，以打開新的數碼管市場份額。

1 白光的實現

依據發光學和色度學原理，實現白光數碼管有多種方案，而開發較早、已實現產業化的方案是在數碼管芯片上涂敷熒光粉而實現白光發射。

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

利用波長為460~470nm的GaN基藍光芯片發射的藍色光作為基礎光源(圖1所示為藍光芯片在溫室，電流為20 mA時的電致發光光譜圖)，應用GaN基藍光芯片所發出的460~470 nm藍光一部分用來激發熒光粉，使熒光粉發出黃綠色光，另一部分藍光透過熒光粉發射而出。熒光粉發出的黃綠色光與GaN基藍光芯片發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是藍光芯片激發黃色熒光粉所產生的光譜，產生黃光，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 藍光芯片激發黃色熒光粉形成白光光譜圖

這種方法存在的2個關鍵部分是GaN基藍光芯片和作為光轉換的熒光材料。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) 熒光材料的激發光譜必須與所選擇的藍光芯片的發射光譜相匹配。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光源，這樣就要求熒光材料的激發光譜在460~470 nm，這樣可以確保獲得更高的光轉換效率;熒光材料的發射光譜。

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

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

2 數碼管封裝技術

數碼管品質優劣的關鍵在封裝。封裝技術對數碼管的性能、可靠性，起著至關重要的作用。劣質封裝會導致數碼管光子損失嚴重，光通量和光效低[5]，光色不均勻，使用壽命短等多種缺點。目前發展的典型白色數碼管結構難以適應照明光源的要求，封裝用的樹脂和光學結構等有待采用新設計思想、新工藝和新材料，以臻工藝完善，適合固體照明光源的發展。在繼承其原有優良性能的同時，更重要的是擯棄舊的框架，創新性推出有自己特色的新白光數碼管封裝技術。

2.1 傳統工藝存在的問題

傳統封裝工藝存在以下幾個問題(圖4所示為傳統工藝流程圖)。灌封膠材料的選擇和封膠工藝對數碼管光效參數的影響。在數碼管使用過程中，輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失主要包括3個方面:芯片內部結構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氧樹脂和硅膠。環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，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點，故性能優于環氧樹脂[6-7]。但研究表明，硅膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響數碼管光效和光強分布。傳統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，導致出射光色彩不一致，出現偏藍光或者偏黃光。

圖4 傳統白光數碼管封裝工藝流程

2.2 空封技術

空封技術作為數碼管封裝的新工藝技術，是在原有技術基礎上研制的[8-9]。在傳統數碼管工藝的基礎上，去掉環氧樹脂灌封高溫固化2個生產環節。應用已經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，以得到生產需要的白色光(圖5為應用空封技術制作數碼管的工藝流程圖)。

利用空封技術工藝可以解決傳統工藝上的這些問題:

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

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

利用新技術制作數碼管必須解決以下幾個技術問題:

(1) 采用絲印技術、網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印刷時要注意影響質量的一些問題[10]:首先，在靜態時絲網與承印物之間保持一定的距離，距離的大小對絲印的質量影響很大，而距離又與絲網伸長量有關。在正常情況下，即距離最佳時，絲印過程中網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°出現重復印刷，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，就不可能產生重印和拉毛現象，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在印刷時厚度與密度的均勻性。

圖5 利用空封技術制作白光數碼管工藝流程圖

(2)數碼管空封技術研發。鋁絲的防氧化和鋼化處理，數碼管的發光反射均勻性。

在空氣中，經低溫處理的鋁絲材料的氧化層中仍含相當數量的碳，氧化反應向內部推進較快，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。利用適當的表面涂層，可以在低溫到高溫下寬廣的溫度區間內形成保護層，以防止含碳材料的繼續氧化。鋁絲防氧化處理后，氧化時間超過10萬小時，鋁絲經過鋼化處理后，拉力在0.1 V以上。數碼管的反射腔及出光通道的優化設計，使數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的影響

兩種工藝制作的數碼管對光通量及數碼管壽命有一定差異。由于傳統工藝制作的數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，光子直接向外發射，因光的發射及折射原因，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碼管光通量較低。由于灌封膠材料的導熱性及光子吸收等原因，在長時間高溫工作中會出現壽命及光通量降低的現象。圖6是兩種封裝技術經高溫老化時對數碼管光衰影響的實驗結果。可以看出，新工藝制作的產品在光通量及壽命方面明顯優于傳統工藝制作的產品。

圖6 不同工藝對白光數碼管光衰的影響

2.4 采用空封技術工藝生產的數碼管實際經濟價值

(1) 去掉傳統工藝生產白光數碼管環氧封膠的流程環節，不使用灌封膠材料，既節約了原材料，又提高了產品的可靠性;

(2) 貼膜技術替代高溫固化封膠，可節約能源;新工藝產品成本是傳統工藝產品成本的50%左右，價格優勢明顯。

利用空封技術研制的白光數碼管，采用貼膜工藝，可以避免環氧樹脂的污染。去掉高溫封膠工序，制造產品的基本節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 語

目前制作的白光數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品電學、光學性能及器件穩定性的重要因素。對整個數碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環節，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，又具有光參數的設計及技術要求。本文給出了基于空封技術白光數碼管的實現方法，對原數碼管的性能有一定提高，成本有較大下降。

參考文獻

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