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高亮度细粒径荧光粉的封装应用研究 徐俊峰 梁超 符义兵 江苏博睿光电有限公司,江苏南京 211100 摘要：采用自主开发的YH型YAG荧光粉产品与市售进口及国产同类产品的光色指标及粒径等进行了全面对比分析。在此基础上，通过封装测试，对荧光粉的初始光效、老化性能及量产打靶集中度等封装应用性能进行了系统试验研究，并结合量产数据对成本控制进行了测算。试验结果表明，博睿YH系列荧光粉与进口商用粉在初始亮度和长期老化性能相当的情况下；打靶集中度具有明显的提升，这对于提升封装生产良率异，进而降低生产成本均具有重要的意义。 关键词：LED荧光粉；细粒径高亮度；封装；色区集中度；成本 一 前言 近年来，GaN基白光发光二极管(LED)的发展受到了很大的关注[1]。由于它具有高效节能、绿色环保、体积小和寿命长等优点被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明光源[2]。尤其最近白光LED在发光效率、使用寿命、亮度等方面都取得了很大的进步。 白光LED的制备方法主要是利用蓝光LED芯片与YAG荧光粉结合实现(即光转换法) [3]。因此，研制在蓝光（440-470nm）下可被激发且具有高转换效率、低衰减和优化LED白光封装集中度的YAG荧光粉有着重要意义，也已成为当前固态照明的研究重点。 目前，SMD型封装产品在封装过程中为了最求更高的亮度，多采用中等或较粗粒径的荧光粉产品用于白光LED的制作，但由此会造成白光封装颜色集中度下降，打靶几种率偏低的问题，进而造成封装厂家存在大量档外品库存积压，增加了生产成本。 针对这一问题，博睿光电新近开发出全新的YH系列产品，该系列产品在保持较高光效的同时具有更细的粉体粒径和更窄的粒径分布系数，这对于满足应用厂家对光效和集中度的双重要求具有非常重要的意义。 基于对YH系列荧光粉与市售同类产品的基本性能的对比测试，本文对YH系列荧光粉与市售同类产品的初始光效、热猝灭性能、光衰性能进行全面的对比。在此基础上，通过量产封装测试，进一步对荧光粉的光色集中度进行对比研究，进而为优化白光LED的量产技术提供有益的支撑。 二 试验材料与方法 2.1 荧光粉的基本性能对比测试 本文研究选用了三种荧光粉进行对比分析和应用性能测试，样品选择的原则包括两个方面：发射波长一致和相对亮度相当。按照这个原则选择了与博睿自制YH302产品波段和亮度达到相当水平的进口某型号产品和国内某厂家荧光粉产品，分别编号为sample-1、sample-2和sample-3。 2.1.1 光效指标对比 表1列出了三种荧光粉基本光学性能指标数据，从表中数据可以看出三个荧光粉样品的主波长、半峰宽及相对亮度等指标均基本相当。 表1 荧光粉基本性能指标
2.1.2 微观形貌 图1是这三款荧光粉的扫描电镜照片，可以反映出三个荧光粉颗粒均呈类球形，分散状态良好，相比之下，YH302对应的sample-1荧光粉样品具有更小的粒径。 图1 荧光粉微观形貌 2.1.3 粒径及分布 图2中同时显示了这三款荧光粉的粒径积分分布曲线，对比这三款荧光粉的中心粒径及分布宽度可以看出，YH302的粒径最小，中心粒径为10.47μm，其他两种荧光粉的中心粒径都在13~14μm左右。同时sample-1的粒径分布系数为0,688,明显小于另外两款荧光粉的数据。表2中罗列出三款荧光粉的粒径数据。 表2 荧光粉的粒径大小及粒径分布
图2 三款荧光粉的粒径分布图 2.2 初始光效对比试验 封装实验采用的蓝光LED芯片为台湾晶元光电公司产品，芯片尺寸为10*23mil，主波为455~457.5 nm，亮度为26-28mw。采用SMD型规格为3528的支架进行封装。光源点亮测试电流20mA，每款荧光粉的试验灯珠数量为20颗，通过对比三款荧光粉的初始光通量及光效对荧光粉的光转换效率进行评价。测试仪器采用杭州中为光电的LED手动分光分色系统（型号为ZWL-3901）。 2.3 光衰性能对比试验 将制作好的灯珠以30mA电流进行老化，各随机取灯珠10颗，每隔500小时测试一次数据，老化总时间为3000小时。老化仪器采用杭州中为光电的LED小功率老化仪（型号为ZWL-150）。 2.4 光色集中度量产对比试验 首先通过小试验基本确定三款荧光粉的粉胶比，确保三款荧光粉做到相同的色坐标范围。再导入自动封装产线进行量产封装。芯片仍采用台湾晶元光电产品，尺寸为10*23mil，主波为455~457.5 nm，亮度为26-28mw。支架为SMD3528。点胶机采用武藏MPP-1，固晶机采用AMS厂商自动固晶机（型号为AD820），焊线机采用AMS厂商的自动焊线机（型号为IHAWK），点亮测试电流20mA，每种荧光粉分别制作50000颗灯珠，最后采用杭州中为光电的全自动SMD高速分光系统（型号为ZWL-X7ZH）进行分光测试，并对比落并率。 三 试验结果与讨论 3.1 荧光粉白光封装初始亮度对比 表3列出了蓝光芯片搭配不同种类的YAG荧光粉制作6000K±200K色温白光LED的光通量数值。由表中可以看出，sample-1荧光粉制作的LED灯珠光通量均值为7.464lm，sample-2荧光粉制作的LED光源光通量平均值为7.485lm，sample-3荧光粉制作的LED光源光通量平均值为7.421lm，三种在光通量方面基本相当。其中sample-1、sample-2和 sample-3配制的荧光胶中的荧光粉与胶水的混合比例分别为12：1，10：1和9：1；sample-1荧光粉用粉量相对于另外两款荧光粉用粉量少20%和34%。 表3 采用三款荧光粉制作的白光LED的光通量数据
3.2 荧光粉的长期光衰性能对比测试 图3同时显示了采用三款荧光粉制作的白光LED灯珠的光通量随老化时间变化趋势。如图所示，Sample-1样品对应的光衰幅度在3000小时老化后达到2.9%，与sample-2的光衰幅度2.7%相当，略优于sample-3（光衰幅度为3.6%）。
图3 不同荧光粉制成的灯珠光衰幅度随老化时间的变化趋势图 3.3 光色集中度对比评估 图4~6分别列出了三款荧光粉粉制作白光LED色坐标打靶图，图7表示了不同荧光粉在色坐标打靶图上的颜色分布数据。
图4 YH荧光粉制作白光LED色坐标打靶分布图
图5 进口荧光粉制作白光LED色坐标打靶分布图
图6 国产荧光粉制作白光LED色坐标打靶分布图
图7 不同荧光粉颜色打靶集中度分布图 由上列图表可知，sample-1荧光粉制作的白光LED集中度最好，进口荧光粉与国产荧光粉集中程度相当。sample-1荧光粉封装的光源光色分布X坐标值跨度的0.03，一共有5个色块区，其中主色块光源数量占总数量的60%；sample-2荧光粉封装的光源光色分布占X坐标值跨度的0.04，一共有7个色块区，其中主色块光源数量占总数量的42%；sample-3荧光粉封装的光源光色分布占X坐标值跨度的0.04，一共有8个色块区，中主色块光源数量占总数量的30%。 对此，笔者认为影响灯珠色区集中度的原因主要有两方面，首先是荧光粉粒径大小及其分布。荧光粉粒径越小，在荧光胶中的沉降程度越低，使光源点粉烘烤后颜色改变幅度小，从而有利于颜色一致性控制；其次，荧光粉粒度分布系数值越小，颗粒分布约窄，使荧光粉的沉降一致性好，颜色变化程度接近，从而有利于颜色一致性控制。 此外，荧光粉表面特性还是影响荧光粉与封装胶相容性的重要因素之一，进而也会影响荧光粉在胶中的沉降过程。事实上，博睿光电的YH型产品在对粉体粒径进行有效控制的同时还进一步采取了复合包覆处理技术，这也是也是色区集中度的重要原因之一。 3.4 成本分析 3.4.1 荧光粉用量的成本分析 荧光粉粒径不同，制作同样颜色的灯珠所需要荧光粉的粉量也是不同的。事实上是粒径越细，所用的荧光粉越少。通过光色集中度对比试验，所制作的5K光源所用的三款荧光粉的用量分别为1克、1.2克、1.34克，贴片封装厂为中等生产规模，每天生产灯珠预计为1KK，每年产量约为300KK（一年以300个工作日计算），则每年使用这三款不同荧光粉的粉的用量为60kg、72kg和80kg；荧光粉价格都按照市场上每克YAG荧光粉价格5元/克来计算，每年使用sample-1荧光粉相对于sample-2和sample-3荧光粉成本花费减少6万和10万元。 3.4.2 封装光色集中度对光源封装成本影响分析 荧光粉粒径情况对封装厂光源颜色良率有很大影响，生产的光源颜色越分散，会导致不良率提升以及出货难度加大。如上述批量试验数据以目前市场上分并图来分色块，则三款荧光粉的颜色良率分别为98.5%、97.2%和96.1%，边缘色块所占的比例为2.3%、3.5%和5.3%。假使以封装客户每年生产300KK贴片灯珠产量计算，每1K光源的成本为30元；则使用三款荧光粉颜色不良率导致的成本损失分别为13.5万、25.2万和35.1万元；生产的边缘色块难以出货，基本上都是降价处理，本文以八折价格销售来计算这三种不同荧光粉的生产边缘色块的价值损失分别为4.14万、6.3万和9.54万元。由上述颜色不良和边缘色块分析，使用sample-1荧光粉相对于sample-2和sample-3荧光粉生产光源成本花费别减少13.86万和27万元。 四 结论 YH系列荧光粉在与其他荧光粉对比性能不降低的情况下，对于LED封装白光打靶集中度有改善，对于封装厂良率提升和成本的降低有促进作用从而降低生产成本。 参考文献： [1]Pimputkar S，Speck J S，DenBaars S P，et al．Prospects forLED lighting，Nat．Nature Photonics［J］，2009，3:180182． [2] Schubert E F and Kim J K，Solid-state light sources getting smart［J］．Science，2005，308(5726):1274-1278． [3] Zhao X X，Wang X J，Chen B J，et al．Preparation ofα-Gd2(MoO4)3 red emitting phosphor for white light emittingdiodes and its luminescence study［J］．Spectro．Spectra．Anal．(光谱学与光谱分析)，2007，27(4):629-633(in Chinese)． |
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