如何從LED封裝入手解決熒光粉沉降對白光LED色區(qū)的影 響

目前實(shí)現(xiàn)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UVLED激發(fā)R、G、B熒光粉、通過藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉形成?，F(xiàn)今LED行業(yè)內(nèi)制作白光普遍的方式是，將具有一定波段的黃色熒光粉與環(huán)氧或硅膠混合后，灌封在藍(lán)光LED芯片四周，芯片藍(lán)光與熒光粉受激發(fā)生成的黃光混合形成白。但是熒光粉易于在膠水固化過程中發(fā)生沉降，由沉降造成的熒光粉分布不均對白光LED色區(qū)集中度有很大影響。
在中小功率白光LED方面，因其體積小、散熱少、出光效率高等特點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用到照明產(chǎn)品中。然而因中小功率單顆LED器件封裝所需熒光粉量較少，熒光粉含量和在膠體中的分布變化更易影響封裝樣品的色坐標(biāo)分布，導(dǎo)致LED產(chǎn)品色區(qū)集中度不高，形成一定的庫存壓力，增加了產(chǎn)品成本。為此，如何提高白光LED的色區(qū)達(dá)成率，成為很多封裝企業(yè)亟待解決的問題。
本文將結(jié)合實(shí)際封裝生產(chǎn)情況，研究影響熒光粉沉降的因素以及熒光粉沉降和封裝樣品色坐標(biāo)集中度的關(guān)系。旨在找出合理的封裝工藝，通過適當(dāng)控制熒光粉沉降程度來提高白光LED器件的色區(qū)集中度，并為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1白光LED器件封裝 1.1 封裝材料
本文中采用的主要封裝材料如下：
熒光粉：YAG黃色熒光粉，平均粒徑約為13μm，密度為4.8g/cm3；膠水：雙組分A/B有機(jī)硅樹脂，室溫下粘度為3350cp，A/B膠混合后密度為1.2g/cm3；LED支架：SMD3528支架，碗杯深為0.38mm。在芯片選擇方面，白光LED的色坐標(biāo)會(huì)受到芯片波長和亮度的影響，此處選擇波長和亮度范圍較為集中的藍(lán)光芯片，以避免芯片參數(shù)對后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析造成影響。所選藍(lán)光芯片參數(shù)：尺寸10×16mil，芯片主波長范圍456.3～456.8nm，平均波長456.5nm，亮度范圍22.1～22.4mW，平均亮度22.2mW。 1.2 封裝設(shè)備及封裝步驟
1）固晶：采用ASM-AD830固晶設(shè)備，通過固晶絕緣膠將LED芯片粘接在LED支架碗杯內(nèi)，并加熱固化。 2）焊線：采用ASM-iHawkXtreme自動(dòng)焊線機(jī)將芯片電極和支架電極用導(dǎo)線連接。
3）配膠：分別稱取10份的膠水和1份的熒光粉，采用MV-310SII真空攪拌機(jī)將熒光粉與膠水均勻混合并抽真空。

4）點(diǎn)膠：采用SM3003-3A點(diǎn)膠機(jī)，將配置好的膠水倒

入點(diǎn)膠針筒內(nèi)，調(diào)整點(diǎn)膠參數(shù)，對已固晶焊線的LED支架進(jìn)行點(diǎn)膠。
5）烘烤固化：點(diǎn)膠后的樣品放入已設(shè)定好溫度的烤箱內(nèi)進(jìn)行烘烤固化。 2熒光粉沉降
2.1 熒光粉沉降原理
在牛頓流體中，固體顆粒在液體中主要受重力Fg、浮力F0和阻力f的作用。當(dāng)顆粒為球形或近似球形時(shí)，且液體粘度較大，顆粒較小時(shí)，其初始沉降速度和終沉降速度差別不大，加速度可以忽略。當(dāng)顆粒穩(wěn)定或均勻下降時(shí)，阻力f可表示為：
式（1）中，d為顆粒當(dāng)量直徑，ρ為顆粒密度，ρ0為液體密度。
根據(jù)Stokes定律，顆粒沉降時(shí)所受阻力f又可表示為： 式（2）中，η為液體粘度系數(shù)，ν為固體顆粒沉降速率。 由式（1）、（2）可得顆粒沉降速率為：
由公式（3）可知，牛頓流體中，固體顆粒沉降速率與粒徑及其密度成正比，與液體粘度成反比。
實(shí)際上封裝過程中熒光粉在膠體中的沉降是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，特別是在對膠水加熱的過程中。由于采用雙組分A/B膠，在加熱過程中膠水內(nèi)部會(huì)發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，趨向固化，且溫度也會(huì)對膠水的其他特性造成一定的影響。

所以熒光粉與膠水形成的沉降體系并不是一個(gè)恒定的流體形式，膠水所形成的基液更趨向于非牛頓流體。為簡化分析，在膠水加熱固化過程的前期，將熒光粉沉降看作是在變化著的牛頓流體中的自由沉降；膠水加熱固化后期，看作是在非牛頓流體中的沉降，此時(shí)沉降方式較為復(fù)雜，熒光粉開始懸浮在膠體中，后*停止沉降。 2.2 溫度對膠水粘度的影響
由公式（3）可知，當(dāng)熒光粉參數(shù)確定的情況下，膠水的粘度與熒光粉沉降速率成反比。為確定加熱過程中膠水粘度與溫度的關(guān)系，此處采用DV-Ⅱ旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，并結(jié)合油浴加熱設(shè)備，在保證粘度計(jì)剪切速率相同的情況下，分別測試所用硅膠在不同溫度下的粘度變化，如圖1所示。 從圖1可知，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，膠水粘度快速下降，這可能是由于隨著溫度的升高，分子能量增大，分子間范德華力降低，分子間距離增大造成的。室溫下膠水粘度為3350cPs，當(dāng)溫度升高到70℃時(shí)，膠水粘度下降到468cPs。此處值得一提的是，由于測試膠水為A/B雙組分膠，隨著測試溫度的提高，當(dāng)油浴溫度達(dá)到80℃時(shí)，開始時(shí)膠水粘度下降，隨著加熱時(shí)間的延長，膠水粘度快速上升，并發(fā)生固化。這主要是因?yàn)樯邷囟瓤梢约铀俟袒瘎┡c主劑的化學(xué)反應(yīng)，從而提高固化速率。
在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)對點(diǎn)膠樣品進(jìn)行烘烤時(shí)，通常是先低溫烘烤，再進(jìn)行高溫長烤。結(jié)合公式（3）可知，在膠水低溫烘烤的過程中，由于粘度降低，熒光粉沉降速率變大。 2.3 熒光粉在不同溫度下沉降情況 2.3.1 熒光粉在室溫下的沉降

假設(shè)常溫下硅樹脂A/B混合膠水為牛頓流體，由常溫下膠水粘度為3350cp，硅膠密度約為1.2g/cm3，經(jīng)公式（3）計(jì)算得熒光粉初始沉降速率約為9.8×10-8m/s，可見室溫下熒光粉沉降非常緩慢。為觀察室溫下熒光粉是否發(fā)生沉降，以10：1質(zhì)量比分別稱取膠水和熒光粉，并用真空攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌混合脫泡。之后將混合膠體倒入玻璃試管內(nèi)并在室溫下連續(xù)靜置8h，其沉降情況如圖2所示。 從圖2可知，靜置1h后，熒光粉沒有明顯沉降；靜置8h后，靠近試管頂部的膠水層顏色變淡，如圖2-3標(biāo)注處所示。從上可知，靜置情況下，熒光粉在膠水中確實(shí)存在沉淀現(xiàn)象，但短時(shí)間內(nèi)沉降情況并不顯著。
2.3.2 室溫下熒光粉沉降對LED色坐標(biāo)的影響 在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到膠水在室溫下的反應(yīng)情況和熒光粉在點(diǎn)膠過程中的沉降情況，通常會(huì)控制每次倒入點(diǎn)膠筒內(nèi)的膠量，并把點(diǎn)膠時(shí)間控制在30min以內(nèi)。為研究實(shí)際點(diǎn)膠過程中熒光粉沉降對封裝樣品的色坐標(biāo)影響情況，以10：1質(zhì)量比分別稱取膠水和熒光粉，共配制熒光膠14.3g，整體點(diǎn)膠時(shí)間在30min左右。抽取點(diǎn)膠前、中、后期樣品各280樣品色坐標(biāo)較為集中；圖10、11表明，當(dāng)延長靜置時(shí)間為90min時(shí)，初始低溫烘烤樣品的色區(qū)集中度反而比高溫初始烘烤樣品的高。 綜上，切片圖中熒光粉之所以有不同的沉降情況，主要是因?yàn)楫?dāng)以50℃進(jìn)行烘烤時(shí)，膠水粘度降低，熒光粉沉降速率加快，且由于烘烤溫度較低，膠水固化速率較慢，熒光粉有較長的沉降時(shí)間，所以沉降較為嚴(yán)重；當(dāng)初始溫度為120℃時(shí)，在升溫過程中，膠水粘度降低，熒光粉發(fā)生沉降，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)器件整體溫度與烤箱溫度相當(dāng)時(shí)，由于溫度較高，膠水固化速率加快，粘度顯著上升，熒光粉來不及進(jìn)一步沉降，整體沉降情況不明顯。

從圖8、9、10、11可知，不同熒光粉的沉降程度對應(yīng)不同的色區(qū)分布情況。當(dāng)將點(diǎn)膠后樣品直接放入50℃烤箱進(jìn)行烘烤時(shí)，隨著低溫烘烤時(shí)間的延長，A/B膠逐漸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，膠水粘度開始變大并呈現(xiàn)非牛頓流體狀態(tài)，此時(shí)熒光粉沉降速率減慢并逐漸停止。由于熒光粉不能較為*地沉降，受支架碗杯內(nèi)膠水環(huán)境變化的影響，熒光粉沉降分布并不能保持一致，終導(dǎo)致該工藝下同批樣品的色坐標(biāo)分布并不集中。當(dāng)將點(diǎn)膠樣品靜置90min后再以50℃初溫進(jìn)行烘烤時(shí)，因?yàn)闊晒夥墼谑覝叵乱延谐两?，從圖7-c可以看出熒光粉整體沉降較為*，熒光粉分布差異性不大，同批樣品的色區(qū)分布就較為集中。
反之，當(dāng)以高溫120℃直接烘烤時(shí)，由于膠水在高溫下快速固化，同批樣品的熒光粉沉降程度較輕，在每個(gè)支架碗杯內(nèi)熒光粉含量基本一致的情況下，色坐標(biāo)分布較為集中，如圖9所示。同理，當(dāng)將點(diǎn)膠樣品靜置90min后，由于熒光粉已發(fā)生部分沉降，再以120℃烘烤時(shí)，膠水溫度開始上升期間，熒光粉又發(fā)生部分沉降。隨著溫度的升高，膠水粘度急劇上升，熒光粉短時(shí)間內(nèi)結(jié)束沉降現(xiàn)象。整個(gè)過程中，熒光粉不能*沉降，熒光粉微觀分布更為散亂，從而導(dǎo)致封裝LED樣品的色坐標(biāo)較為分散，如圖11所示。 3結(jié)論

綜上可知，熒光粉沉降對白光LED色區(qū)分布有較大影響。在zuida程度上減少熒光粉在支架碗杯內(nèi)的沉降，或通過封裝工藝盡量促使熒光粉沉降，均能減少由于沉降造成的熒光粉分布不均勻現(xiàn)象，終提高白光LED的色區(qū)集中度。 在一定溫度范圍內(nèi)，膠水粘度隨著溫度的升高而降低。根據(jù)膠水粘度隨溫度變化的特性，選擇一定的低溫初始溫度并適當(dāng)延長烘烤時(shí)間，可增加熒光粉的沉降程度；反之，通過提高初始烘烤溫度、加速膠水固化速率、縮短熒光粉沉降時(shí)間，整體上將降低熒光粉的沉降程度。
總之，在實(shí)際生產(chǎn)中，可選擇粘度適中的膠水，并根據(jù)膠水和熒光粉的性能參數(shù)，通過控制點(diǎn)膠樣品室溫下的靜置時(shí)間和固化工藝，盡量降低熒光粉在膠水中的分布差異性，將有利于提高中小功率的色區(qū)集中度。