熒光粉溶液和塗抹模式的研究

jackhanpen · 发表于 2007-10-8 16:03:35

熒光粉溶液和塗抹模式的研究

3.3熒光粉溶液以及塗抹模式的設計選擇的溶劑必須是不能破壞熒光粉自身的組織的，因此這個溶劑需要是不能和熒光粉發生化學回應的一種物質，首先考慮的是無機物，熒光粉就可以溶解在其中，但是所用的熒光粉的比重很大，很容易沈澱，幾乎是不能溶解在無機溶劑裡面的而且所做的是電子類的產品，液體溶劑也不能有導電性。因此無機溶劑被推翻掉了，這樣不得不在有機物的溶劑裡去尋找，根據相似相溶的原理知道，熒光粉是不能溶解在有機溶劑裡的，那麼就只能是混合了，如果只是單純的將這種混合溶液覆蓋在晶片的表面再去進行外觀的封裝是行不通的，因為外觀封裝是用的環氧樹脂這種液態物質，也就是說必須要將其在封裝前烤干，於是採用外封裝的環氧樹脂來做這種溶劑。用了溶劑再來配置溶液。在這裡選用的材料有，相對應波段的黃色熒光粉和環氧樹脂。根據白光的發光原理可以知道，如果熒光粉加入的量太多就會造成發出的白光光偏黃，倘若熒光粉的量加入的太少就會使得發出的白光光偏藍，因此應該根據熒光粉的發光效率來合理配製熒光粉。也就是說，做出的白光其色坐標必須是在x＝0.333,y＝0.333附近。但是封裝出的成品光斑是一片藍，一片白，一片黃。根據大量的分析知道是因為熒光粉被藍色的光激發的不均勻，也就是說熒光粉的細小顆粒沒有被藍色的光完全激發，。好比去看一個人只能看到他的一個正面，不能看到他的整個面，如果想看到一個人的這個面，那一定是需要一個鏡子的，同樣的道理，熒光粉也需要一個“鏡子”。要解決這個“鏡子”問題，就引入了擴散劑這樣的一種物質，擴散劑可以增強藍光激發熒光粉的效率，增強了熒光粉的發光效率。透過實驗，發現擴散劑的確對光斑又了改善，使得發出的光斑不再是一塊一塊的，但是卻又發現了新的問題，光斑雖然整體呈現一種顏色但是外圍卻有黃圈出現。要改善黃圈必須要知道原因，透過理論分析知道︰這種現象是由黃光功率偏大所引起的。那就是先要改變熒光粉溶液的配比，找到合適的配比才能夠改善黃圈。反覆實驗，能得到最佳的熒光粉、擴散劑和環氧樹脂的質量配比，但是對LED進行測試的時候，發現其亮度不能達到預期的效果。為了更好的說明問題，將LED成品解剖，可以看到熒光粉的沈澱情況，如圖3-1。圖3-1 熒光粉溶液烤干後的剖面圖這是因為在烘烤的過程中，環氧樹脂會揮發一部分，而環氧樹脂是雙組分的，一部分是樹脂，而另一個部分是固化劑屬於酸酐類，固化劑的作用是減小分子之間的距離，使其固化。它與樹脂的回應是個放熱回應，環氧樹脂的的熱傳導性很差，黏度又很大，所以產生的熱量不容易消散，這樣很容易使得熒光粉沈澱。熒光粉溶液的濃度分佈不均勻偏差，最後造成白光LED的色溫分佈不均，使得白光LED的亮度和光斑都不能達到預期效果。那如何改善熒光粉的沈澱，這是新一步研究的問題。理論上可以從2個方面去改善︰ (1) 透過生產的工藝。也就是在生產過程中，在時間很短的間隔裡均勻攪拌，而且點熒光粉的速度加快，與下個環節的銜接時間也變緊，點好熒光粉的半成品很快進入烘烤的步驟中。 (2) 加入一種新的物質，使得熒光粉容易在高溫下也能保持很好的均勻混合狀態。於是想到了化工裡面的那種一邊可以吸附有機物，一邊可以吸附無機物的表面活性劑，而且，透過實驗我們得到了如下的相對數據︰在溫度和濕度以及熒光粉溶液都相同的條件下，將其中一瓶加入表面活性劑，將2瓶溶液都攪拌相同的時間，而且均勻。發現10分鐘後加入表面活性劑的溶液比不加活性劑的溶液中熒光粉的沈澱率降低將近20%。經過反覆的實驗，得到的熒光粉、表面活性劑、擴散劑和環氧樹脂的最優質量配比為10︰5︰3︰100。發光效率的提升還與熒光粉的選擇和工藝處理有關。為了提升熒光粉激發藍色晶片的效率，首先熒光粉的選擇要合適，包括激發波長、顆粒度大小、激發效率等，需全面考核，兼顧各個性能。其次，熒光粉的涂覆要均勻，最好是相對發光晶片各個發光面的膠層濃度均勻，以免因濃度不均造成局部光線無法射出，同時也可改善光斑的質量。對於道統直插式白光LED的外封裝有成型模具，頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用︰保護管芯等不受外界侵蝕；採用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角。；因此由環氧樹脂形成的“透鏡”不可以調節。為了達到更好的光效，必須設計由塗抹的熒光粉而形成的“透鏡”，熒光粉可以在支架的杯面上形成三種透鏡形式︰1.凹透鏡2.平面透鏡3.凸透鏡。根據兩層透鏡的光輻射圖樣，我們選取的是凸透鏡，凸透鏡的角度與外封裝膠形成的透鏡角度是相同的。但是這樣熒光粉塗抹模式還是不夠完美，因為晶片的底部是幾乎不發光的，而且晶片周遭4個面的光強分佈也是不同的，雖然對原材料的選擇做了一些調整，但是熒光粉的沈澱是不能完全解決的，這樣的塗抹模式會影響白光LED的色溫和色品坐標。如果能將熒光粉完全單薄的覆蓋在晶片上，就能解決這個問題。但是對於道統直插式白光LED的封裝工藝上是很難辦到的。而且要適合工廠的生產和銷售，這種塗抹技術是不合適的。但是這種設想對於大功率這種封裝模式是可以做到。直插式的封裝模式只能利用晶片發出的約50%的光能，由於半導體和膠體的折射率相差比較大，致使內部的全發射臨界角很小，光大部分在晶片內部經過多次反射而被吸收，成為道統封裝白光LED晶片取光效率很底的原因。在大功率白光LED中，晶片的發光效率要求高，因此使用面積比小模芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED晶片。雖然大型LED晶片可以獲得大光束，不過加大晶片面積會有弊害，例如晶片內發光層的電界不均等、發光部位受到局限、晶片內部產生的光線放射到外部過程會嚴重衰減等等。因此採用倒裝晶片方法。倒裝晶片是把GaN LED晶粒倒裝焊在散熱板上，並在P電極上方製作反射率較高的反射層，籍以將原先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度匯出，而由藍寶石基板端緣取光。這樣就降低了在電極側面的光損耗，可有接近於正裝模式2倍左右的光輸出。如圖3-2的兩種晶片的出光路圖比較。因為沒有了金線焊墊的阻礙，對提升亮度有一定的幫助。因為電流流通的距離縮短，電阻降低，所以熱的產生也相對降低，同時這樣的接合亦能有效地將熱傳至下一層的散熱基板再傳到器件外面。 a. 道統正裝大功率晶片 b.倒裝大功率晶片圖3-2 兩種功率模芯片的出光示意圖對比兩種晶片的優缺點，基於大於功率LED需要好的散熱環境和發出高光效來考慮，在大功率白光LED的封裝中，採用的是倒裝晶片代替道統的正裝大功率晶片。大功率白光LED的熒光粉塗抹技術則是只用將熒光粉均勻塗抹在表面就可以，而不用塗抹在晶片四周，根據前面介紹的倒裝晶片的架構而得出塗抹工藝如圖3-3所示︰圖3-3 大功率LED的熒光粉塗抹模式圖這種模式是將熒光粉混合溶液直接塗抹在晶片上，因此所用到的溶液膠體不再是環氧樹脂，因為環氧樹脂的流動性較強，如果用道統的環氧樹脂來混合熒光粉，熒光粉溶液就會從晶片表面溢出，所以必須選擇可以自動成型的UV膠，將ＵＶ膠與普通熒光粉按照一定的重量比進行均勻混合調配，將調配好的原料加入點膠機對大功率發光二極體晶片進行點膠涂布，使涂層濃度控制在0.5～0.6mm，將涂布完成的晶片用紫外燈照射進行固化，完成固化工藝過程。 3.4封膠膠體的研究根據折射定律，光線從光密介質入射到光疏介質時，當入射角達到一定值，即大於等於臨界角時，會發生全發射。以GaN藍色晶片來說，GaN材料的折射率是2.3，當光線從晶體內部射向空氣時，根據折射定律，臨界角θ0=argsin(n1/n2)，其中n2等於1，即空氣的折射率，n1是GaN的折射率，由此計算得到臨界角θ0約為25.8度。在這種情況下，能射出的光只有入射角小於25.8度這個空間立體角內的光，因此其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在內部經多次反射而被吸收，易發生全反射導致過多光損失。為了提升LED產品封裝的取光效率，必須提升n2的值，即提升封裝材料的折射率，以提升產品的臨界角，從而提升產品的封裝發光效率。同時，封裝材料對光線的吸收要小。為了提升出射光的比例，封裝的外形最好是拱形或半球形，這樣，光線從封裝材料射向空氣時，幾乎是垂直射到界面，因而不再產生全反射。對白光LED進行封膠，當然首先是選取的普通用的雙組分的環氧樹脂，但封裝用光學級的樹脂容易受熱變黃，尤其波長愈低時老化愈快，特別是部分白光LED使用近紫外線發光，與其它可見光相比其波長又更低，老化更快，從而影響其流明保持率，在這裡採用的是矽膠封裝。矽膠除了對短波長有較佳的抗受性、較不易老化外，矽膠阻隔近紫外線使其不外泄也是對人體健康的一種保護，此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想，特別對於大功率的白光LED封裝尤其顯得重要。這種封膠材料是一種穩定的柔性膠凝體，在-40度─120度的範圍，不會應為溫度的聚變而產生的內應力，使金線與引線框架斷開，並防止外封裝的環氧樹脂形成的“透鏡”變黃

gb936 · 发表于 2007-10-11 01:19:06

熒光粉溶液和塗抹模式的研究

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