如何從LED封裝入手解決熒光粉沉降對白光LED色區的影 響

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UVLED激發R、G、B熒光粉、通過藍光LED芯片激發黃色熒光粉形成。現今LED行業內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，芯片藍光與熒光粉受激發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生沉降，由沉降造成的熒光粉分布不均對白光LED色區集中度有很大影響。
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，被越來越多地應用到照明產品中。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分布，導致LED產品色區集中度不高，形成一定的庫存壓力，增加了產品成本。為此，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。
本文將結合實際封裝生產情況，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集中度的關系。旨在找出合理的封裝工藝，通過適當控制熒光粉沉降程度來提高白光LED器件的色區集中度，并為實際生產提供一定的理論指導。

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的色坐標會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光芯片，以避免芯片參數對后續實驗結果分析造成影響。所選藍光芯片參數：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 封裝設備及封裝步驟
1）固晶：采用ASM-AD830固晶設備，通過固晶絕緣膠將LED芯片粘接在LED支架碗杯內，并加熱固化。 2）焊線：采用ASM-iHawkXtreme自動焊線機將芯片電極和支架電極用導線連接。
3）配膠：分別稱取10份的膠水和1份的熒光粉，采用MV-310SII真空攪拌機將熒光粉與膠水均勻混合并抽真空。

4）點膠：采用SM3003-3A點膠機，將配置好的膠水倒

入點膠針筒內，調整點膠參數，對已固晶焊線的LED支架進行點膠。
5）烘烤固化：點膠后的樣品放入已設定好溫度的烤箱內進行烘烤固化。 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。當顆粒為球形或近似球形時，且液體粘度較大，顆粒較小時，其初始沉降速度和終沉降速度差別不大，加速度可以忽略。當顆粒穩定或均勻下降時，阻力f可表示為：
式（1）中，d為顆粒當量直徑，ρ為顆粒密度，ρ0為液體密度。
根據Stokes定律，顆粒沉降時所受阻力f又可表示為： 式（2）中，η為液體粘度系數，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。
實際上封裝過程中熒光粉在膠體中的沉降是一個較為復雜的過程，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部會發生明顯的化學反應，趨向固化，且溫度也會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，此時沉降方式較為復雜，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，當熒光粉參數確定的情況下，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系，此處采用DV-Ⅱ旋轉粘度計，并結合油浴加熱設備，在保證粘度計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，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，當溫度升高到70℃時，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，當油浴溫度達到80℃時，開始時膠水粘度下降，隨著加熱時間的延長，膠水粘度快速上升，并發生固化。這主要是因為升高溫度可以加速固化劑與主劑的化學反應，從而提高固化速率。
在實際生產中，當對點膠樣品進行烘烤時，通常是先低溫烘烤，再進行高溫長烤。結合公式（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，經公式（3）計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生沉降，以10：1質量比分別稱取膠水和熒光粉，并用真空攪拌機進行攪拌混合脫泡。之后將混合膠體倒入玻璃試管內并在室溫下連續靜置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標注處所示。從上可知，靜置情況下，熒光粉在膠水中確實存在沉淀現象，但短時間內沉降情況并不顯著。
2.3.2 室溫下熒光粉沉降對LED色坐標的影響 在實際生產中，考慮到膠水在室溫下的反應情況和熒光粉在點膠過程中的沉降情況，通常會控制每次倒入點膠筒內的膠量，并把點膠時間控制在30min以內。為研究實際點膠過程中熒光粉沉降對封裝樣品的色坐標影響情況，以10：1質量比分別稱取膠水和熒光粉，共配制熒光膠14.3g，整體點膠時間在30min左右。抽取點膠前、中、后期樣品各280樣品色坐標較為集中；圖10、11表明，當延長靜置時間為90min時，初始低溫烘烤樣品的色區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，主要是因為當以50℃進行烘烤時，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間，所以沉降較為嚴重；當初始溫度為120℃時，在升溫過程中，膠水粘度降低，熒光粉發生沉降，當短時間內器件整體溫度與烤箱溫度相當時，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不同的色區分布情況。當將點膠后樣品直接放入50℃烤箱進行烘烤時，隨著低溫烘烤時間的延長，A/B膠逐漸發生交聯反應，膠水粘度開始變大并呈現非牛頓流體狀態，此時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，受支架碗杯內膠水環境變化的影響，熒光粉沉降分布并不能保持一致，終導致該工藝下同批樣品的色坐標分布并不集中。當將點膠樣品靜置90min后再以50℃初溫進行烘烤時，因為熒光粉在室溫下已有沉降，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，同批樣品的色區分布就較為集中。
反之，當以高溫120℃直接烘烤時，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，在每個支架碗杯內熒光粉含量基本一致的情況下，色坐標分布較為集中，如圖9所示。同理，當將點膠樣品靜置90min后，由于熒光粉已發生部分沉降，再以120℃烘烤時，膠水溫度開始上升期間，熒光粉又發生部分沉降。隨著溫度的升高，膠水粘度急劇上升，熒光粉短時間內結束沉降現象。整個過程中，熒光粉不能*沉降，熒光粉微觀分布更為散亂，從而導致封裝LED樣品的色坐標較為分散，如圖11所示。 3結論

綜上可知，熒光粉沉降對白光LED色區分布有較大影響。在zuida程度上減少熒光粉在支架碗杯內的沉降，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象，終提高白光LED的色區集中度。 在一定溫度范圍內，膠水粘度隨著溫度的升高而降低。根據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延長烘烤時間，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、縮短熒光粉沉降時間，整體上將降低熒光粉的沉降程度。
總之，在實際生產中，可選擇粘度適中的膠水，并根據膠水和熒光粉的性能參數，通過控制點膠樣品室溫下的靜置時間和固化工藝，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集中度。