如何从LED封装入手解决荧光粉沉降对白光LED色区的影响

省电师 2015-09-12

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　　目前实现照明用LED白光有如下三种途径：采用R、G、B三基色合成白光、通过UVLED激发R、G、B荧光粉、通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉形成。现今LED行业内制作白光最普遍的方式是，将具有一定波段的黄色荧光粉与环氧或硅胶混合后，灌封在蓝光LED芯片四周，芯片蓝光与荧光粉受激发生成的黄光混合形成白。但是荧光粉易于在胶水固化过程中发生沉降，由沉降造成的荧光粉分布不均对白光LED色区集中度有很大影响。

　　在中小功率白光LED方面，因其体积小、散热少、出光效率高等特点，被越来越多地应用到照明产品中。然而因中小功率单颗LED器件封装所需荧光粉量较少，荧光粉含量和在胶体中的分布变化更易影响封装样品的色坐标分布，导致LED产品色区集中度不高，形成一定的库存压力，增加了产品成本。为此，如何提高白光LED的色区达成率，成为很多封装企业亟待解决的问题。

　　本文将结合实际封装生产情况，研究影响荧光粉沉降的因素以及荧光粉沉降和封装样品色坐标集中度的关系。旨在找出合理的封装工艺，通过适当控制荧光粉沉降程度来提高白光LED器件的色区集中度，并为实际生产提供一定的理论指导。

1白光LED器件封装

　　1.1 封装材料

　　本文中采用的主要封装材料如下：

　　荧光粉：YAG黄色荧光粉，平均粒径约为13μm，密度为4.8g/cm3；胶水：双组分A/B有机硅树脂，室温下粘度为3350cp，A/B胶混合后密度为1.2g/cm3；LED支架：SMD3528支架，碗杯深为0.38mm。在芯片选择方面，白光LED的色坐标会受到芯片波长和亮度的影响，此处选择波长和亮度范围较为集中的蓝光芯片，以避免芯片参数对后续实验结果分析造成影响。所选蓝光芯片参数：尺寸10×16mil，芯片主波长范围456.3～456.8nm，平均波长456.5nm，亮度范围22.1～22.4mW，平均亮度22.2mW。

　　1.2 封装设备及封装步骤

　　1）固晶：采用ASM-AD830固晶设备，通过固晶绝缘胶将LED芯片粘接在LED支架碗杯内，并加热固化。

　　2）焊线：采用ASM-iHawkXtreme自动焊线机将芯片电极和支架电极用导线连接。

　　3）配胶：分别称取10份的胶水和1份的荧光粉，采用THINKY-ARV310真空搅拌机将荧光粉与胶水均匀混合并抽真空。

　　4）点胶：采用SM3003-3A点胶机，将配置好的胶水倒入点胶针筒内，调整点胶参数，对已固晶焊线的LED支架进行点胶。

　　5）烘烤固化：点胶后的样品放入已设定好温度的烤箱内进行烘烤固化。

2荧光粉沉降

　　2.1 荧光粉沉降原理

　　在牛顿流体中，固体颗粒在液体中主要受重力Fg、浮力F0和阻力f的作用。当颗粒为球形或近似球形时，且液体粘度较大，颗粒较小时，其初始沉降速度和最终沉降速度差别不大，加速度可以忽略。当颗粒稳定或均匀下降时，阻力f可表示为：

　　式（1）中，d为颗粒当量直径，ρ为颗粒密度，ρ0为液体密度。

　　根据Stokes定律，颗粒沉降时所受阻力f又可表示为：

　　式（2）中，η为液体粘度系数，ν为固体颗粒沉降速率。

　　由式（1）、（2）可得颗粒沉降速率为：

　　由公式（3）可知，牛顿流体中，固体颗粒沉降速率与粒径及其密度成正比，与液体粘度成反比。

　　实际上封装过程中荧光粉在胶体中的沉降是一个较为复杂的过程，特别是在对胶水加热的过程中。由于采用双组分A/B胶，在加热过程中胶水内部会发生明显的化学反应，趋向固化，且温度也会对胶水的其他特性造成一定的影响。所以荧光粉与胶水形成的沉降体系并不是一个恒定的流体形式，胶水所形成的基液更趋向于非牛顿流体。为简化分析，在胶水加热固化过程的前期，将荧光粉沉降看作是在变化着的牛顿流体中的自由沉降；胶水加热固化后期，看作是在非牛顿流体中的沉降，此时沉降方式较为复杂，荧光粉开始悬浮在胶体中，最后完全停止沉降。

　　2.2 温度对胶水粘度的影响

　　由公式（3）可知，当荧光粉参数确定的情况下，胶水的粘度与荧光粉沉降速率成反比。为确定加热过程中胶水粘度与温度的关系，此处采用DV-Ⅱ旋转粘度计，并结合油浴加热设备，在保证粘度计剪切速率相同的情况下，分别测试所用硅胶在不同温度下的粘度变化，如图1所示。

　　从图1可知，在一定温度范围内，随着温度的升高，胶水粘度快速下降，这可能是由于随着温度的升高，分子能量增大，分子间范德华力降低，分子间距离增大造成的。室温下胶水粘度为3350cPs，当温度升高到70℃时，胶水粘度下降到468cPs。此处值得一提的是，由于测试胶水为A/B双组分胶，随着测试温度的提高，当油浴温度达到80℃时，开始时胶水粘度下降，随着加热时间的延长，胶水粘度快速上升，并发生固化。这主要是因为升高温度可以加速固化剂与主剂的化学反应，从而提高固化速率。

　　在实际生产中，当对点胶样品进行烘烤时，通常是先低温烘烤，再进行高温长烤。结合公式（3）可知，在胶水低温烘烤的过程中，由于粘度降低，荧光粉沉降速率变大。

　　2.3 荧光粉在不同温度下沉降情况

　　2.3.1 荧光粉在室温下的沉降

　　假设常温下硅树脂A/B混合胶水为牛顿流体，由常温下胶水粘度为3350cp，硅胶密度约为1.2g/cm3，经公式（3）计算得荧光粉初始沉降速率约为9.8×10-8m/s，可见室温下荧光粉沉降非常缓慢。为观察室温下荧光粉是否发生沉降，以10：1质量比分别称取胶水和荧光粉，并用真空搅拌机进行搅拌混合脱泡。之后将混合胶体倒入玻璃试管内并在室温下连续静置8h，其沉降情况如图2所示。

　　从图2可知，静置1h后，荧光粉没有明显沉降；静置8h后，靠近试管顶部的胶水层颜色变淡，如图2-3标注处所示。从上可知，静置情况下，荧光粉在胶水中确实存在沉淀现象，但短时间内沉降情况并不显著。

　　2.3.2 室温下荧光粉沉降对LED色坐标的影响

　　在实际生产中，考虑到胶水在室温下的反应情况和荧光粉在点胶过程中的沉降情况，通常会控制每次倒入点胶筒内的胶量，并把点胶时间控制在30min以内。为研究实际点胶过程中荧光粉沉降对封装样品的色坐标影响情况，以10：1质量比分别称取胶水和荧光粉，共配制荧光胶14.3g，整体点胶时间在30min左右。抽取点胶前、中、后期样品各280颗，对应编号分别设为A、B、C。抽取样品点胶完成后立即放入初始烘烤温度为120℃的烤箱内，进行快速固化。不同点胶时段样品色坐标（xy）变化分别如图3、图4所示。

　　为观察方便，现将A、B、C每组样品的CIE-X、CIE-Y分别叠加，其坐标分布如图5、6、7所示。图中黑点代表各组样品的色坐标分布情况。

　　由图3、图4中CIE-X、CIE-Y盒形图可知：除去实验中的异常样品，A、B组CIE-X、CIE-Y分布非常接近；C组样品CIE-X、CIE-Y分布较A、B离散。结合图5、6、7点胶前、中、后期封装样品的（x，y）分布图可知，从点胶开始到点胶15min左右的样品，其色坐标分布很一致，并未出现由荧光粉沉降造成的色坐标偏移现象；点胶30min左右的样品，部分色坐标点较为离散，这可能是由于点胶过程中荧光粉沉降造成的，但与开始点胶样品相比，整体色坐标分布仍未出现明显偏移。

　　综上可知，在30min内的点胶过程中，荧光粉在点胶针筒中的沉降不会对先后点胶样品造成明显的色坐标偏移，整体封装样品的色坐标分布较为稳定。

　　2.3.3 固化过程中荧光粉沉降及对样品色坐标的影响

　　由公式（3）和图1可知，在对胶水进行低温烘烤固化时，由于胶水粘度降低，荧光粉沉降速率加快。由于硅胶随着温度的升高，其固化速率同时加快。综上，为明显观察荧光粉在不同温度下的沉降情况，此处分别以50℃和120℃作为初始温度对点胶样品进行烘烤。同时为了观察不同荧光粉沉降程度对样品色坐标集中度的影响，分别做另一对比实验组，延长点胶样品在室温下的静置时间，以增加荧光粉在碗杯中的沉降程度。所用荧光胶中胶水与荧光粉配比不变，为避免荧光粉在点胶针筒中的沉降对后续实验的影响，抽取在3min以内的连续点胶样品，根据封装条件分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四组，具体封装工艺如表1所示。

　　分别从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ实验组中抽取封装样品，制作切片，荧光粉分布情况如图7所示。

　　从图7可以看出，在荧光粉含量相同的情况下，当初烤温度为50℃时，荧光粉沉降较为严重，支架碗杯上层灌封胶呈近乎透明状，荧光粉主要沉降在支架底部；当初烤温度为120℃时，灌封胶上层颜色较浅，荧光粉在支架碗杯内也发生了沉降，但整体沉降并不严重。

　　从组图a）、c）和b）、d）荧光粉分布情况可知，当固化工艺相同时，与点胶后直接烘烤样品相比，点胶样品静置90min后，荧光粉在支架碗杯内沉降现象更加明显，可知延长点胶样品入烤前的静置时间也会增加荧光粉的沉降程度。

　　为观察荧光粉沉降对封装样品色坐标的影响情况，现将上述四种固化工艺下的封装样品进行光电参数测试，对应样品的色坐标分布如图8、9、10、11所示。

　　从图8、9可知，当静置时间为0min时，初始温度为50℃时烘烤的样品色坐标分布较为离散，高温120℃时烘烤样品色坐标较为集中；图10、11表明，当延长静置时间为90min时，初始低温烘烤样品的色区集中度反而比高温初始烘烤样品的高。

　　综上，切片图中荧光粉之所以有不同的沉降情况，主要是因为当以50℃进行烘烤时，胶水粘度降低，荧光粉沉降速率加快，且由于烘烤温度较低，胶水固化速率较慢，荧光粉有较长的沉降时间，所以沉降较为严重；当初始温度为120℃时，在升温过程中，胶水粘度降低，荧光粉发生沉降，当短时间内器件整体温度与烤箱温度相当时，由于温度较高，胶水固化速率加快，粘度显著上升，荧光粉来不及进一步沉降，整体沉降情况不明显。

　　从图8、9、10、11可知，不同荧光粉的沉降程度对应不同的色区分布情况。当将点胶后样品直接放入50℃烤箱进行烘烤时，随着低温烘烤时间的延长，A/B胶逐渐发生交联反应，胶水粘度开始变大并呈现非牛顿流体状态，此时荧光粉沉降速率减慢并逐渐停止。由于荧光粉不能较为彻底地沉降，受支架碗杯内胶水环境变化的影响，荧光粉沉降分布并不能保持一致，最终导致该工艺下同批样品的色坐标分布并不集中。当将点胶样品静置90min后再以50℃初温进行烘烤时，因为荧光粉在室温下已有沉降，从图7-c可以看出荧光粉整体沉降较为完全，荧光粉分布差异性不大，同批样品的色区分布就较为集中。

　　反之，当以高温120℃直接烘烤时，由于胶水在高温下快速固化，同批样品的荧光粉沉降程度较轻，在每个支架碗杯内荧光粉含量基本一致的情况下，色坐标分布较为集中，如图9所示。同理，当将点胶样品静置90min后，由于荧光粉已发生部分沉降，再以120℃烘烤时，胶水温度开始上升期间，荧光粉又发生部分沉降。随着温度的升高，胶水粘度急剧上升，荧光粉短时间内结束沉降现象。整个过程中，荧光粉不能完全沉降，荧光粉微观分布更为散乱，从而导致封装LED样品的色坐标较为分散，如图11所示。