不同波長(zhǎng)雙芯藍(lán)光芯片封裝高顯色指數(shù)白光LED技術(shù)

任昌烈，卞文靜，謝自力

（1.南京南大光電工程研究院有限公司，南京 210046；2.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023）

顯色指數(shù)是LED照明燈具的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，用來表征光源對(duì)物體顏色的顯現(xiàn)能力。光源的顯色性越好其顯色指數(shù)值越大。光源的光譜功率分布可以對(duì)光源顯色性產(chǎn)生直接影響，光譜組成較全且分布較平滑的光源顯色性較好［1-4］。目前，高顯色指數(shù)全光譜光源的制作方案有：1）紫外光配上三色（RGB）熒光粉，主要利用實(shí)際上不參與配出白光的紫外LEDs激發(fā)紅、綠、藍(lán)熒光粉，再由三色熒光粉發(fā)出的三色光配成較高顯色指數(shù)白光產(chǎn)品，該方案由于紫外芯片輻射功率較低，封裝材料在紫外光下易老化，且存在紫外光泄露風(fēng)險(xiǎn)［5］，目前僅在部分場(chǎng)景中應(yīng)用；2）從技術(shù)成熟度和制造成本綜合考慮，高顯色指數(shù)白光LED封裝的主流方式是單波長(zhǎng)藍(lán)光LED芯片激發(fā)多種熒光粉材料，經(jīng)混光后發(fā)出較高顯色指數(shù)白光［6-8］，但該方案的特殊顯色指數(shù)R12（飽和藍(lán)色）、R11（飽和綠色）、R9（飽和紅色）很難滿足大于90的要求，即不能滿足行業(yè)規(guī)定的特殊顯色指數(shù)R1～R15均大于90的全光譜光源要求［9-11］。

由于單波長(zhǎng)藍(lán)光激發(fā)多種熒光粉材料，部分特殊顯色指數(shù)很難滿足大于90的要求，選用不同波長(zhǎng)的雙芯藍(lán)光激發(fā)藍(lán)綠粉、黃綠粉、紅粉，不同熒光粉混合存在不同的最佳激發(fā)波長(zhǎng)，通過實(shí)驗(yàn)，在主波長(zhǎng)447.5～462.5 nm范圍，找出不同波長(zhǎng)雙芯藍(lán)光在5 000 K色溫時(shí)，制備高顯色指數(shù)全光譜LED光源的封裝方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用品及設(shè)備

LED封裝實(shí)驗(yàn)用品及設(shè)備：SMD支架（型號(hào)：2835，尺寸規(guī)格：2.8 mm×3.5 mm×0.8 mm），藍(lán)光芯片（主波長(zhǎng)為447.5～450 nm，450～452.5 nm，452.5～455 nm，455～457.5 nm，457.5～460 nm，460～462.5 nm，電壓3.0～3.1 V，光功率155～162 mW），LED用熒光粉（有研稀土新材料股份有限公司，熒光粉參數(shù)見表1），硅膠（慧谷化學(xué)，PS-7097SA／B，A∶B＝1∶10）；LED光電參數(shù)測(cè)試采用遠(yuǎn)方光電HAAS-1200光譜測(cè)試系統(tǒng)，配備LED專用積分球（直徑為0.5 m），正向測(cè)試電流為60 mA。

以上4種熒光粉均可被芯片波長(zhǎng)為447.5～462.5 nm的藍(lán)光激發(fā)，其發(fā)射波長(zhǎng)見表1的峰值波長(zhǎng)。選用兩顆藍(lán)光芯片（芯片波長(zhǎng)不同，在447.5～462.5 nm間組合）同時(shí)激發(fā)上述4種熒光粉，制備高顯色指數(shù)光源。

1.2 封裝及實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)LED封裝經(jīng)驗(yàn)，其封裝的主要步驟如圖1所示。

表1 LED用熒光粉主要參數(shù)

圖1 封裝及實(shí)驗(yàn)流程圖

1）藍(lán)光芯片分組。按照芯片波長(zhǎng)不同，組合成雙芯藍(lán)光（見表2）。

表2 不同波長(zhǎng)雙芯藍(lán)光芯片分組

2）固晶。將分組好的藍(lán)光芯片固晶作業(yè)，A1組，使用一顆447.5～450 nm芯片和一顆450～452.5 nm芯片，采用雙芯并聯(lián)，將雙芯藍(lán)光用固晶膠粘接在SMD支架內(nèi)部，按A1方式依次將A2、A3、A4、A5、B2、B3、B4、B5、C3、C4、C5、D4、D5、E5固晶作業(yè)，共15組，每一組做好標(biāo)記，完成后固晶烘烤。

3）焊線。使用自動(dòng)焊線機(jī)作業(yè)，用金線將芯片正負(fù)極與支架正負(fù)極連接，實(shí)驗(yàn)品在顯微鏡下全檢且低電流點(diǎn)亮，確保雙芯藍(lán)光均正常發(fā)光。

4）配熒光膠。根據(jù)配比稱取硅膠及熒光粉，將熒光粉及硅膠混合后放入自動(dòng)真空攪拌機(jī)，確保均勻混合且消除氣泡。

5）點(diǎn)熒光膠。將均勻混合后的熒光膠涂覆在焊線好的SMD支架內(nèi)部，因每組波長(zhǎng)不同需要調(diào)整每組產(chǎn)品的配比，確保色溫及坐標(biāo)一致，點(diǎn)膠后的產(chǎn)品作烘烤固化處理。

6）測(cè)試數(shù)據(jù)。固化后的產(chǎn)品分組測(cè)試光電參數(shù)。

7）分析及處理數(shù)據(jù)。

以上方案可得到15組數(shù)據(jù)，均以F5000，x＝0.346 0，y＝0.359 0為參考調(diào)試配比及膠量，每組數(shù)據(jù)色溫偏差ΔT c不超過60 K，色容差SDCM不超過3，為確保每組數(shù)據(jù)的可靠性，每組產(chǎn)品封裝5顆燈珠，測(cè)試5顆產(chǎn)品數(shù)據(jù)，取平均值。

1.3 封裝及實(shí)驗(yàn)配比

不同波長(zhǎng)的雙芯藍(lán)光熒光膠配比如表3所示。

表3 不同波長(zhǎng)的雙芯藍(lán)光熒光膠配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上述實(shí)驗(yàn)選取行業(yè)通用芯片，光功率保持一致，波長(zhǎng)在447.5～462.5 nm之間，按照芯片波長(zhǎng)不同，組成雙芯藍(lán)光，得到15組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表3及圖2數(shù)據(jù)可以看出，5 000 K色溫時(shí)，顯色指數(shù)Ra≥96的組別為A1（447.5～450 nm，450～452.5 nm，）顯色指數(shù)為96.4、A2（447.5～450 nm，452.5～455 nm）顯色指數(shù)為96.7、A3（447.5～450 nm，455～457.5 nm）顯色指數(shù)為97.8，這3組中均含有一顆波長(zhǎng)為447.5～450 nm的藍(lán)光芯片，另外一顆芯片波長(zhǎng)小于457.5 nm。在A4、A5組中也有一顆波長(zhǎng)為447.5～450 nm的藍(lán)光芯片，但另一顆藍(lán)光芯片波長(zhǎng)大于457.5 nm，其整體顯色指數(shù)略低。

圖2 每組顯色指數(shù)分布

由A5、B5、C5、D5、E5數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的雙芯藍(lán)光組合，其顯色指數(shù)越低。從表3各組熒光膠配比可以看出，要保持色容差一致，雙芯藍(lán)光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，配比中的紅色熒光粉比例下降，黃綠色熒光粉比例上升。

選取A1（低波段+低波段）、A3（低波段+中波段）、A5（低波段+高波段）、C3（中波段+中波段）、E5（高波段+高波段），其R1～R15的值如圖3所示。A3（低波段+中波段）的顯色指數(shù)最高，Ra為97.8，Avg R為97.4，特殊顯色指數(shù)R9為99.3，R11為91.2，R12為96.8，R1～R15的值均大于90，對(duì)于全光譜白光LED封裝而言，要求特殊顯色指數(shù)R1～R15全部大于90。該方案產(chǎn)品滿足全光譜的要求，其次顯色指數(shù)較高的組別為A1（低波段+低波段），R a為96.4，但R11較低為89.5。組別A5（低波段+高波段），Ra為95.2，但R10為88.9，R12為88.3。組別C3（中波段+中波段），Ra為95.4，Avg R為94.8，R1～R15的值均大于90，滿足全光譜要求，R10、R11的值偏低。E5（高波段+高波段）Ra為90.6，Avg R為89.2，特殊顯色指數(shù)R1～R15整體偏低。

圖3 不同波長(zhǎng)組合下的特殊顯色指數(shù)R1～R15值

3 結(jié)論

在5 000 K色溫時(shí)，不同波長(zhǎng)雙芯藍(lán)光激發(fā)熒光粉制備白光LED，當(dāng)藍(lán)光芯片波長(zhǎng)在447.5～462.5 nm范圍時(shí)，存在A3（447.5～450 nm和455～457.5 nm）的最佳組合，其顯色指數(shù)Ra達(dá)到97.8，Avg R達(dá)到97.4，同時(shí)各特殊顯色指數(shù)R1～R15值均大于90，滿足高顯色指數(shù)全光譜的要求。由于該方案成品參數(shù)值高于高顯色指數(shù)全光譜要求的參數(shù)值，易于批量化生產(chǎn)。其次C3（452.5～455 nm，455～457.5 nm）的方案也滿足高顯色指數(shù)全光譜的要求，但該方案成品參數(shù)值剛好達(dá)到高顯色指數(shù)全光譜要求的參數(shù)值，批量化生產(chǎn)存在一定比例的不良品。另外，E5（457.5～460 nm，460～462.5 nm）方案，顯色指數(shù)R a及特殊顯色指數(shù)R1～R15整體偏低，達(dá)不到高顯色指數(shù)全光譜的要求。