離心沉降工藝對白光LED器件色區的影響

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具有高效節能、壽命長、綠色環保等優點,在顯示和照明領域有著廣泛的應用。目前實現照明用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R、G、B熒光粉、通過藍光LED芯片激發黃色熒光粉形成。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節，熒光粉易于在膠水中發生沉降，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、產品光色不一致等問題，這嚴重影響白光LED色區集中度，特別是在大功率白光LED方面因其體積大、發熱多、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的色區達成率成為很多封裝企業亟待解決的問題。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的引發的熒光粉空間初始分布而引發的顏色漂移問題，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器件產品的光電參數的影響，根據研究的結果，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器件色區的影響，并進行實際批量生產各10 000片LED器件產品，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器件產品色區變化情況，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器件產品，吊籃的數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器件光電參數的影響

3 000 K時，光電參數隨時間的變化如圖1所示。

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

4 000 K時光電參數隨時間的變化如圖2所示。

5 000 K時光電參數隨時間的變化如圖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，會導致光電參數變化的幅度會有所差異，但最終都會隨著沉淀時間趨于穩定。基于此，本文認為只要實現熒光粉加速沉積，就有可能解決由于熒光粉自身的沉降而引發的顏色漂移。

圖2 4 000 K時光電參數隨時間的變化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器件色區影響的批量驗證

將10 000片已經固晶好的LED器件產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，將生產后的產品進行光電參數的測試，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10 000片LED器件產品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10 000片LED器件產品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10 000片LED器件產品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品在實際批量生產的時候，產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生前面實驗的熒光粉沉降問題，進而引發LED器件產品色坐標的漂移，進烤箱后，在硅膠固化前同樣也會發生色坐標的漂移。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，基本上沒有時間發生熒光粉的沉降，因此所有產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，滿足目前高端商業照明對顏色一致性的高要求，能實現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，顯色指數不小于80的LED器件產品熒光粉沉降隨時間變化規律，結果表明隨著沉降時間的增加發現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Ra會升高，當沉降時間達到8 h后，上面這些參數基本趨于不變。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器件的色區一致性。實驗結果發現，離心沉降工藝確實比點膠工藝更有助于實現白光LED器件色區一致性的提升，同時也發現雖然色區一致性提高了，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一致性，但亮度卻下降了。