感光性樹脂應用于LED 平面自適應封裝的最新研究*

丁 坤，饒海波 ，王 瑋

(電子科技大學光電學院，成都610054)

作為白光LED 照明核心技術和關鍵環(huán)節(jié)之一的封裝技術，是整個器件制備以及附加值增長的一個必不可少的環(huán)節(jié)和過程，而且最切合我國LED 照明產業(yè)主體技術發(fā)展的現(xiàn)狀，是我國目前LED 照明行業(yè)中最具活力的方向。大功率LED 封裝必然是今后行業(yè)發(fā)展的重要增長點，因此，封裝技術領域的任何一次創(chuàng)新都意味著巨大的市場前景［1］。對整個LED 器件的結構和工序而言，封裝工藝是一個非常重要的環(huán)節(jié)，否則，LED 器件散熱困難、光損失嚴重、光通量及光效率低、光色不均勻、光衰嚴重、使用壽命短，當前滯后的封裝工藝已經成為制約高效白光LED 器件應用及性能好壞的關鍵因素［2］?，F(xiàn)有的基于LED 芯片的白光LED 照明技術，以藍色LED 芯片配合黃色熒光粉的PCLED(Phosphor－Converted Light Emitting Diode)方式最簡單易行，其相關研究和開發(fā)應用也最廣泛，特別是隨著近年來藍色LED 芯片效率的迅速提升，這種PCLED 的固態(tài)照明技術的應用進程得到明顯加速，已形成在短期內取代熒光燈成為商用、家用照明主流的趨勢［3］。而PCLED 白光實現(xiàn)的一個技術關鍵就是熒光粉的涂敷工藝，熒光粉涂層的厚度可控性和均勻性直接影響LED 出光的亮度、色度一致性，甚至白光出射的效率。當前國內PCLED 產業(yè)普遍采用的傳統(tǒng)灌封工藝已經難以滿足作為照明光源應用的功率型白光LED 技術和性能增長的要求［4］。

傳統(tǒng)的灌封工藝，直接在芯片表面點涂熒光粉膠，即將熒光粉顆粒與膠體(如硅膠或環(huán)氧樹脂等)按一定配比混合，制成粉漿，攪拌均勻，然后用針頭類工具將其涂敷于芯片表面，理想情況下形成類似球冠狀的涂層［5］。但這種方法及涂層存在明顯的結構缺陷，這種熒光粉涂層，除中心到邊緣的結構性非均勻外，在實際操作中，無論手動或機器實現(xiàn)，同一批次的LED 管之間，熒光粉層在形狀上都會有一定的差異，很難控制均勻性和一致性，是必帶來器件之間較大的色度差異;同時，由于涂層膠滴實際微觀表面的凹凸不平，當光線出射時，就會形成白光光束顏色的不均勻，導致局部偏黃或偏藍的不均勻性光斑出現(xiàn)［5－7］，參見涂層結構示意圖1(a)。

要克服上述缺陷，改善白光LED 的光斑空間分布均勻性以及管間色度、亮度的均勻一致性［8］，從而在產品性能和批量生產能力上有所提高，就必須改變現(xiàn)有的熒光粉涂層形狀和工藝，使芯片出光面方向的熒光粉層厚度均勻適當，這樣才能得到均勻一致的出射白光，即要求熒光粉涂層的濃度、厚度和形狀的可控性［9］，熒光粉層的平面結構應該是一種有效的解決途經，參見涂層結構示意圖1(b)。

圖1 傳統(tǒng)灌封工藝與平面工藝

1 基本原理

自20 世紀40 年代感光材料開始引起人們的注意，到進入21 世紀以來，感光材料的應用研究已趨于完善，其應用領域已遍及照相、電影、遙感、醫(yī)療、印刷制版等各個領域［10－11］。本文主要研究其在高新技術LED 涂層中的重要應用，基本原理如圖2 所示。

圖2 自曝光工藝原理圖

先將熒光粉粉末分散在感光材料(如PVA、重氮樹脂Diazo、疊氮樹脂等)中，形成含有感光膠的熒光粉粉漿(膠體)，然后取適量膠體涂覆在芯片出光面上，使熒光粉粉漿在芯片表面均勻分布，適當干燥后，通過自曝光、熱水(或者有機溶劑、酸、堿等)顯影步驟，在芯片表面形成所需要的熒光粉感光膠分散體(多相)結構的粉層圖案，然后，采用干法去膠工藝去除涂層中的感光膠成份，從而在芯片出光面上實現(xiàn)對芯片光強分布具有自適應特點的(單相)熒光粉涂層，結合后續(xù)光學硅膠灌封工藝，最后獲得具有熒光粉硅膠分散體成份的熒光粉平面涂層封裝效果，以實現(xiàn)光學熱學性能最優(yōu)化的白光LED 器件。

該技術克服了LED 芯片+硅膠+熒光粉系列的眾多技術缺陷:粉層形狀不規(guī)則，外形呈拱圓形，直接導致了單顆白光LED 出光在空間的分布不均勻，人眼在白光范圍內是很靈敏的，能分辨的空間色溫差異閾值是50 K ～100 K，分辨出色度坐標為0.01的差別;器件間的一致性得不到保證，同一批產品可能會有很大的差異。正是以上原因，制約了白光LED 整體性能的提高。而采用感光膠曝光技術，其粉層結構和形狀得到控制，厚度的均勻性得到一致性保障。其封裝的LED 光斑均勻性比硅膠熒光粉系列的光斑具有明顯的均勻，并且應用感光膠+熒光粉系列可以根據(jù)芯片自身發(fā)光特點進行自適應效果，具體來講，由于芯片自身生長過程中可能會產生缺陷而使得某一小部分發(fā)光較弱或較強，從而產生光斑不均勻，當感光粉漿涂覆到芯片表面，在曝光過程中其發(fā)光較弱或較強的區(qū)域上面的熒光粉層也會相應的變薄或者變厚，從而達到最終出射光斑的均勻可控，實現(xiàn)其自適應效果。

2 實驗與分析

本實驗采用GaN 基藍光LED 外延片所封裝的半成品，其發(fā)射波長為460 nm ～465 nm;其感光膠采用應用廣泛的聚乙烯醇(PVA)+重鉻酸銨(ADC)系列;熒光粉選用與芯片波長匹配的弘大432 粉，它在藍光激發(fā)后發(fā)射的波長為569 nm 的黃光。

預先配置好聚乙烯醇膠體，其濃度為10%;重鉻酸銨溶液的濃度為1‰;然后取0.2 mL 的PVA膠體，0.2 mL 的重鉻酸銨溶液，200 mg 的432 熒光粉，然后加入0.6 mL 的去離子水，攪拌均勻，使之形成混合均勻的感光膠粉漿體系;用點膠針頭蘸取一定量粉漿點在LED 芯片出光面上，烘干，曝光完以后用水將芯片周圍的粉漿洗滌干凈，干燥即可。其實驗結果如圖3 所示。采用粉漿法工藝的熒光粉平面涂層結構，可見規(guī)則、均勻的熒光粉層平面圖案。

圖3 自曝光平面涂層結構

3 性能測試

對所做的樣品進行性能測試，測試項目包括:

(1)反應色度均勻性的空間色坐標，其方法是在距離LED 光源30 cm 處取一個10 mm×10 cm 的正方形平面，在平面上依次取9 個點，分別測量每個點的色坐標，然后將他們繪制成坐標圖，如圖4 所示。結果表明:光斑9 點色度差≤3%，管間色度差范圍在(0.33±6%，0.33±6%)之內。

圖4 平面涂層LED 光斑九點色度分布圖

(2)樣品發(fā)光色溫與曝光時間的關系?？刂破毓鈺r間，測量曝光時間不同的情況下樣品的色溫變化，分別取曝光時間為1 s、2 s、4 s 和6 s 對LED 進行曝光，然后測量其色溫，結果如圖5 所示。結果表明:通過控制曝光時間能夠很好地控制芯片表面熒光粉涂層的厚度(即熒光粉總量)，進而實現(xiàn)不同色溫(CCT)的發(fā)光輸出，是粉漿法工藝白光LED 器件性能可控一致性的直接證明。

圖5 樣品發(fā)光色溫與曝光時間的關系曲線

4 結論

采用非銀鹽感光材料(感光性樹脂)+熒光粉進行LED 平面自適應涂覆技術，實現(xiàn)了白光LED 熒光粉涂層的平面化工藝，器件出光的亮度、空間色度均勻性較之傳統(tǒng)封裝工藝器件有了明顯的改善，光斑及單管間色度、亮度偏差均小于6%。通過采用對藍光(460 nm 左右)敏感的感光劑(ADC 或Diaza)，直接利用藍色LED 芯片自發(fā)光促使感光區(qū)PVA 的交聯(lián)反應，從而實現(xiàn)了感光過程的自曝光工藝。綜合PVA 的感光和硅膠的物化、光學性能，在粉漿法工藝中采用乳化技術，實現(xiàn)了PVA+Silicone的多相結構的熒光粉平面涂層，有助于進一步改善熒光粉層的物化性能，而多相涂層有效折射率的提高更有利于器件出光效。由于感光性樹脂其感光波長覆蓋范圍非常廣，另外還可以通過光增感等技術使其感光波長范圍變得其與LED 的發(fā)光波長相匹配，這樣，對于各種熒光粉轉化(PCLED)的白光LED 都可以實現(xiàn)平面涂層技術。由于大部分感光材料對紫外部分的吸收更強烈，所以對于紫外+三基色熒光粉的傳統(tǒng)封裝技術將會得到明顯的改善。

熒光粉平面涂層工藝作為白光LED 封裝工藝的升級換代技術，是目前國外LED 先進生產廠家(Cree、Philips Luminleds、Osram)正在積極推廣采用的主流封裝技術方向，平面涂層自適應技術能夠徹底克服現(xiàn)有LED 主流灌封工藝在粉層結構和形狀上的弊端，尤其能改善光斑的均勻性，實現(xiàn)涂層形狀、厚度及均勻性的可控一致性，實驗已經證明，新工藝白光LED 器件的光斑及管間色度、亮度均勻性較之傳統(tǒng)工藝器件有明顯的改善。同時由于平面工藝的集成化優(yōu)勢，該技術在批量化生產方面應用前景巨大。

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