LED燈絲中熒光粉的配比研究

楊文 李霞

1 引言

140多年前，美國著名科學家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison）發明了人類史上最早的電光源——白熾燈，將世界引入了人工照明時代[1]。如今，全球氣候變暖趨勢嚴峻，土地沙漠化也越來越嚴重，低效率的白熾燈意味著需要消耗更多的能源資源，也意味著更多的二氧化碳被排放到大氣中。隨著人們逐漸對節能環保提高重視，低耗能的產品越來越受到大家的歡迎，節能、環保、高光效、長壽命的發光二極管（LED）產品受到了廣大消費者的熱烈追捧，同時國家的大力推廣，使得LED漸漸成為未來主流的照明光源，會更廣泛應用于商業照明、家居照明、工業照明、戶外照明等領域。

目前，市場上主流的LED照明光源，有插件LED、貼片LED、集成大功率板上芯片封裝（COB）等種類，因為照明光源需要有一定的光強，并且光線的均勻性也要好，所以LED照明光源通常都需要安裝一個用來反射或折射的光學器件，額外的光學器件不僅影響照明效果，還阻礙部分光線的吸收，降低LED照明光源的能效，如不加這些光學器件，光線就只能平面射出[2]。LED燈絲就突破了這一限制，它由數個微型LED芯片通過串聯的方式封裝在LED燈絲支架上，采用回流焊技術。這種封裝方式，可以達到360°全周角度發光，不用額外增加實現反射或折射效果的光學器件，避免了因折射或反射導致的光損，滿足人們全周發光的需求，增強了人們的照明體驗，達到照明和節能的均衡[3]。

2 LED燈絲局限性

近幾年，LED燈絲產品在照明市場上一直處于風口浪尖，其在2013年嶄露頭角的時候，當時存在著很大的爭議，很多人認為LED燈絲存在散熱不良、功率不高、性能不穩定等問題，甚至說“LED燈絲是走回頭路”，國內市場前景不甚明朗， 很多業內人士并不太看好LED燈絲，在自主研發的過程中也走了不少崎嶇的路。LED燈絲技術發展至今，各企業生產工藝都不相同，良莠不齊，沒有統一的行業標準，但是隨著晶科電子（廣州）有限公司、飛利浦（中國）投資有限公司、通用電氣（中國）有限公司、木林森股份有限公司、歐司朗（中國）照明有限公司等國際大廠入局LED燈絲市場，LED燈絲的技術瓶頸連續突破，生產工藝突飛猛進，技術越來越成熟，所謂的散熱不良、功率不高、性能不穩定等問題已經得到了很大的改善。但是，其還存在一個重大的缺陷，該缺陷也是LED光源領域共同面臨的困境，即光效與顯示指數不可兼得。

光效，即發光效率。它是光源發出的光通量除以光源所消耗的功率比值，它象征著消耗單位功率所發出光的亮度，若亮度越高，則對能源的利用率越高，也意味著節能的效果越好，這是一個衡量光源節能的重要指標。

顯示指數是光源對物體顯色能力的定量評價，是通過與同色溫的參考或基準光源（白熾燈）下物體外觀顏色的比較得出的衡量人工光源顏色特性的重要參數。顯示指數越高，說明光源的顯色性越好，對物體的色彩還原能力越強，它是評價人工光源照明質量的重要指標。

光效和顯示指數是LED照明的重要指標，如果可以的話，大家都想擁有最高的光效與最好的顯示效果，但為什么光效和顯示指數是“魚和熊掌不可兼得”呢？這就涉及到了LED照明封裝領域一種不可或缺的材料——熒光粉。

3 LED熒光粉

眾所周知，LED芯片本身發出的光并不是白光，而是藍色、紅色、綠色、紫色等，這些帶顏色的光要轉化成照明用的白光，就需要用到一種關鍵性的材料——熒光粉。熒光粉是由基質和激活離子（大多數是稀土離子）2部分組成的，LED發光的過程是激活稀土離子吸收LED芯片放出的能量再釋放能量的過程，當激活稀土離子受到LED芯片光照時，被激活的離子吸收能量，能級受到激發，外層電子躍遷到激發態，然后從高能量的激發態回到低能量的基態時會將多余的能量以光的形式釋放出去，即輻射發光[4]，這個過程就產生了白光。

不同的激活離子，其激發光譜和發射光譜是不同的，激活離子的激發光譜是一個范圍值，其值越寬，越能夠適應多種芯片，而激活離子的發射光譜越寬，就越能發射出更多的顏色，最終的顯色性就越好[5]。

3.1 常見LED熒光粉組合方案

目前市場上可實現LED白光的熒光粉組合如下：

①將黃色熒光粉覆蓋在藍光LED芯片上，LED芯片發射的藍光，激發了黃色熒光粉，發出白光。這種白光顯示指數較低，光效也不高。

②將綠色熒光粉和紅色熒光粉混合，覆蓋在藍光LED芯片上，LED芯片發出的藍光，激發綠色熒光粉發出綠光，同時激發紅色熒光粉發出紅光，3種光色混合在一起，發出白光。這種方法相比第一種顯示指數和光效提高了不少[6]。

③將多種顏色的熒光粉（通常是紅綠藍）混合，覆蓋在紫光LED芯片上，通過紫色的光激發混合熒光粉，產生白光。這種方法目前還在研發階段，具有巨大的潛力。

④在1個支架上同時封裝紅綠藍3種顏色的芯片，通過混光達到白光的目的。這種方法的缺點是芯片老化性能不一，顏色漂移嚴重。

⑤硒化鋅（ZnSe）單色芯片，它是自身的藍光加黃光組合成白光，目前還處在研發階段，具有巨大潛力。

現在業界公認產生白光效率最佳的是第2種方案：藍光LED芯片搭配綠色熒光粉與紅色熒光粉。這也是目前市場上的主流方案，而綠色熒光粉與紅色熒光粉也正是掌握著LED產品的光效和顯示指數的2把關鍵鑰匙。

3.2 LED紅色熒光粉和綠色熒光粉的特點

綠色熒光粉的特點是顆粒大，光效高，增加綠色熒光粉的配比，可以迅速提升產品的光效，但是其光譜中缺少紅光，所以光譜不完整，顯色性較低。因此，加入紅色熒光粉剛好能彌補其缺失的光譜，但是另一方面紅色熒光粉光效較低，加入紅色熒光粉，就不得不犧牲一部分光效，并且紅色熒光粉配比少，光效上不去；配比多，光效又下降明顯。因此，搭配多少紅色熒光粉，能夠使得2種熒光粉達到光效和顯示指數的平衡，成為長期困擾業界的一個技術難題，這也是本文研究的重點。

4 LED熒光粉配比的研究

目前市場上的LED燈絲產品，光效達到130 lm/W就稱為高光效產品，而顯示指數（RA）達到90就是高顯指產品。但是市場上鮮有光效達到130 lm/W而RA又能達到90的“完美”產品，這也是受制于紅綠2種熒光粉互相矛盾的特點而導致的結果。隨著時代的發展，人們的需求不斷提升，需要在綠色熒光粉和紅色熒光粉之間找到平衡點，既能達到光效的要求，也要滿足顯示指數的要求。

在此背景下，本研究接下來會對LED燈絲的熒光粉方案進行優化，用不同的配比方案進行封裝制作樣品，測試樣品的光電參數，尋找能達到顯示指數和光效的平衡點的配比方案。

LED封裝的原理是用固晶機將錫膏點在支架的鍍銀電極上，并將芯片固定在點有錫膏的鍍銀電極上，通過用回流爐進行加熱，使錫膏熔融，實現芯片正負極與支架鍍銀電極之間的焊接。在芯片外涂覆一層熒光粉膠，藍光激發熒光粉發光，混合得到白光。

本次封裝所用設備有：自動擴晶機、固晶機（型號：AD860）、回流爐（型號：日東NT—7A—V2）、精密電子秤、熒光粉攪拌機、點膠機（型號：武藏300DS）、烤箱。

封裝所用材料及其技術參數如表1—5。

封裝工藝步驟如下：

步驟1：在固晶機上安裝好固晶治具；

步驟2：用擴晶機將芯片擴晶后放置于固晶機上；

步驟3：將燈絲支架固定于料架上；

步驟4：在點膠盤中加入適量固晶錫膏；

步驟5：設定程序：印刷電路板（PCB）的設定、固晶點的設定、吸嘴高度的設定、頂針高度的設定、點膠高度和取膠高度的設定；

步驟6：芯片的校準；

步驟7：設定點膠位置，使用單頭點膠頭，在支架的正負電極上分別進行點膠，目測膠量，根據需要調節錫膏用量；

步驟8：首先單步固晶，錫膏位置與用量合適后，進行連續固晶；

步驟9：回流焊接，將固晶后的支架放入回流焊爐中，進行焊接，根據錫膏的規格書設定設定回流焊爐的參數；

步驟10：涂覆熒光粉膠，調節點膠機，進行對點和程序的選擇，對燈絲支架進行涂覆作業；

步驟11：烘烤固化。

其中，回流焊是一道關鍵工序，為了達到最好的回流焊接效果，降低固晶錫膏的空洞率，進而達到降低焊接電阻的目的，溫度設置依據廠商提供的固晶錫膏的規格書中給出的建議回流溫度曲線，如圖1。

從圖1中可以看出，橫坐標為回流時間，縱坐標為回流溫度，其分為預熱區、升溫區、穩定區、降溫區4個部分，在0～2min屬于預熱區，溫度穩定在30℃左右；在2～3min時間，是屬于升溫區，溫度在1min的時間內從30℃升到220℃；隨后在3～4min的時間內，溫度恒定在 240℃左右；最后在4～5min時間，溫度從240℃降到60℃左右。由于使用的回流爐有7個溫區，為了盡量滿足規格書中的回流曲線，按照表6設置了回流參數。

接下來，熒光粉膠的配比是本次實驗的重點工作，由之前的實驗發現，如果紅綠粉按1∶9配比，會出現光效太高而顯示指數不夠的情況，因此本次實驗將逐步增加紅粉的用量，把紅綠粉的配比，從1∶9逐漸升高到1.4∶8.6，如表7。

最后的烘烤固化步驟，根據硅膠規格書的建議，設定烘烤溫度為150℃，烘烤時間是3h。

通過以上步驟，最終制成了LED燈絲產品，把各方案的實驗樣品在同一條件下，進行光電參數的測試，測試結果如表8。

通過表8，可以看出，隨著紅粉逐漸增加，樣品的光效從150 lm/W左右逐漸降低到130 lm/W左右，色溫也從3 600K左右逐漸降低到3100K左右，而顯示指數從78左右逐漸升高到90左右。根據目前主流市場的需求，需要達到光效130 lm/W，RA為90的技術指標。因此，方案5也就是綠色熒光粉比紅色熒光粉為8.6∶1.4是最符合技術要求的配比方案。

5 結語

熒光粉是將LED芯片的藍光轉化為白光的關鍵材料，通過對LED熒光粉原理的學習和對市場的調研，了解到最常用的生產方案是綠、紅熒光粉搭配的技術方案，其中綠色熒光粉光效高，而紅色熒光粉RA高。從理論上講，為了追求光效，在一定程度內可以適當多加綠色熒光粉，少加紅色熒光粉；相反，如果要追求顯示指數，則應該在一定程度內少加綠色熒光粉，多加紅色熒光粉。通過加紅色熒光粉，可以降低LED產品最后發出光線的色溫，因此通過調整綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例，可以控制LED照明的光效、顯示指數與色溫3個參數。在實驗中也證明這一理論的正確，從最開始的綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例為9∶1，到后面的8.6∶1.4，綠色熒光粉比例在下降，紅色熒光粉的比例在上升，結果也導致光效從150l m / W降到130 lm/W，而從80上升到90，同時色溫也從3600降低到3 100，意味著色調越來越偏暖色。相對于目前LED燈絲國內外市場100～120 lm/W的光效和RA70～80的顯示指數，此技術已經完成了全面的超越。綜合考慮到光效和顯示指數的平衡，綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例為8.6∶1.4的方案是應用范圍最廣且最為合適的配比方案。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.016

參考文獻

[1] 程緒林.一種恒流無感LED驅動芯片的設計與應用[D].成都：電子科技大學微電子與固體電子學院，2017.

[2] 于天寶.一種光強空間分布均勻的LED燈：2016103405530[P].2016—05—18.

[3] 于天寶.一種LED燈絲：2016107125825[P].2016—08—22.

[4] 張帆，張寶坦，李茹，等.LED熒光粉發展現狀及趨勢[J].照明工程學報.2010（3）：43—45.

[5] 趙前程.LED用新型YAG熒光材料的制備和性能研究[D].上海：上海應用技術大學材料科學與工程學院，2018.

[6] 雷勇.功率型白光LED熱效應研究[D].廣州：華南師范大學信息光電子科技學院，2006.