LED燈絲中熒光粉的配比研究

楊文 李霞

1 引言

140多年前，美國著名科學(xué)家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison）發(fā)明了人類史上最早的電光源——白熾燈，將世界引入了人工照明時代[1]。如今，全球氣候變暖趨勢嚴(yán)峻，土地沙漠化也越來越嚴(yán)重，低效率的白熾燈意味著需要消耗更多的能源資源，也意味著更多的二氧化碳被排放到大氣中。隨著人們逐漸對節(jié)能環(huán)保提高重視，低耗能的產(chǎn)品越來越受到大家的歡迎，節(jié)能、環(huán)保、高光效、長壽命的發(fā)光二極管（LED）產(chǎn)品受到了廣大消費者的熱烈追捧，同時國家的大力推廣，使得LED漸漸成為未來主流的照明光源，會更廣泛應(yīng)用于商業(yè)照明、家居照明、工業(yè)照明、戶外照明等領(lǐng)域。

目前，市場上主流的LED照明光源，有插件LED、貼片LED、集成大功率板上芯片封裝（COB）等種類，因為照明光源需要有一定的光強，并且光線的均勻性也要好，所以LED照明光源通常都需要安裝一個用來反射或折射的光學(xué)器件，額外的光學(xué)器件不僅影響照明效果，還阻礙部分光線的吸收，降低LED照明光源的能效，如不加這些光學(xué)器件，光線就只能平面射出[2]。LED燈絲就突破了這一限制，它由數(shù)個微型LED芯片通過串聯(lián)的方式封裝在LED燈絲支架上，采用回流焊技術(shù)。這種封裝方式，可以達(dá)到360°全周角度發(fā)光，不用額外增加實現(xiàn)反射或折射效果的光學(xué)器件，避免了因折射或反射導(dǎo)致的光損，滿足人們?nèi)馨l(fā)光的需求，增強了人們的照明體驗，達(dá)到照明和節(jié)能的均衡[3]。

2 LED燈絲局限性

近幾年，LED燈絲產(chǎn)品在照明市場上一直處于風(fēng)口浪尖，其在2013年嶄露頭角的時候，當(dāng)時存在著很大的爭議，很多人認(rèn)為LED燈絲存在散熱不良、功率不高、性能不穩(wěn)定等問題，甚至說“LED燈絲是走回頭路”，國內(nèi)市場前景不甚明朗， 很多業(yè)內(nèi)人士并不太看好LED燈絲，在自主研發(fā)的過程中也走了不少崎嶇的路。LED燈絲技術(shù)發(fā)展至今，各企業(yè)生產(chǎn)工藝都不相同，良莠不齊，沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著晶科電子（廣州）有限公司、飛利浦（中國）投資有限公司、通用電氣（中國）有限公司、木林森股份有限公司、歐司朗（中國）照明有限公司等國際大廠入局LED燈絲市場，LED燈絲的技術(shù)瓶頸連續(xù)突破，生產(chǎn)工藝突飛猛進，技術(shù)越來越成熟，所謂的散熱不良、功率不高、性能不穩(wěn)定等問題已經(jīng)得到了很大的改善。但是，其還存在一個重大的缺陷，該缺陷也是LED光源領(lǐng)域共同面臨的困境，即光效與顯示指數(shù)不可兼得。

光效，即發(fā)光效率。它是光源發(fā)出的光通量除以光源所消耗的功率比值，它象征著消耗單位功率所發(fā)出光的亮度，若亮度越高，則對能源的利用率越高，也意味著節(jié)能的效果越好，這是一個衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)。

顯示指數(shù)是光源對物體顯色能力的定量評價，是通過與同色溫的參考或基準(zhǔn)光源（白熾燈）下物體外觀顏色的比較得出的衡量人工光源顏色特性的重要參數(shù)。顯示指數(shù)越高，說明光源的顯色性越好，對物體的色彩還原能力越強，它是評價人工光源照明質(zhì)量的重要指標(biāo)。

光效和顯示指數(shù)是LED照明的重要指標(biāo)，如果可以的話，大家都想擁有最高的光效與最好的顯示效果，但為什么光效和顯示指數(shù)是“魚和熊掌不可兼得”呢？這就涉及到了LED照明封裝領(lǐng)域一種不可或缺的材料——熒光粉。

3 LED熒光粉

眾所周知，LED芯片本身發(fā)出的光并不是白光，而是藍(lán)色、紅色、綠色、紫色等，這些帶顏色的光要轉(zhuǎn)化成照明用的白光，就需要用到一種關(guān)鍵性的材料——熒光粉。熒光粉是由基質(zhì)和激活離子（大多數(shù)是稀土離子）2部分組成的，LED發(fā)光的過程是激活稀土離子吸收LED芯片放出的能量再釋放能量的過程，當(dāng)激活稀土離子受到LED芯片光照時，被激活的離子吸收能量，能級受到激發(fā)，外層電子躍遷到激發(fā)態(tài)，然后從高能量的激發(fā)態(tài)回到低能量的基態(tài)時會將多余的能量以光的形式釋放出去，即輻射發(fā)光[4]，這個過程就產(chǎn)生了白光。

不同的激活離子，其激發(fā)光譜和發(fā)射光譜是不同的，激活離子的激發(fā)光譜是一個范圍值，其值越寬，越能夠適應(yīng)多種芯片，而激活離子的發(fā)射光譜越寬，就越能發(fā)射出更多的顏色，最終的顯色性就越好[5]。

3.1 常見LED熒光粉組合方案

目前市場上可實現(xiàn)LED白光的熒光粉組合如下：

①將黃色熒光粉覆蓋在藍(lán)光LED芯片上，LED芯片發(fā)射的藍(lán)光，激發(fā)了黃色熒光粉，發(fā)出白光。這種白光顯示指數(shù)較低，光效也不高。

②將綠色熒光粉和紅色熒光粉混合，覆蓋在藍(lán)光LED芯片上，LED芯片發(fā)出的藍(lán)光，激發(fā)綠色熒光粉發(fā)出綠光，同時激發(fā)紅色熒光粉發(fā)出紅光，3種光色混合在一起，發(fā)出白光。這種方法相比第一種顯示指數(shù)和光效提高了不少[6]。

③將多種顏色的熒光粉（通常是紅綠藍(lán)）混合，覆蓋在紫光LED芯片上，通過紫色的光激發(fā)混合熒光粉，產(chǎn)生白光。這種方法目前還在研發(fā)階段，具有巨大的潛力。

④在1個支架上同時封裝紅綠藍(lán)3種顏色的芯片，通過混光達(dá)到白光的目的。這種方法的缺點是芯片老化性能不一，顏色漂移嚴(yán)重。

⑤硒化鋅（ZnSe）單色芯片，它是自身的藍(lán)光加黃光組合成白光，目前還處在研發(fā)階段，具有巨大潛力。

現(xiàn)在業(yè)界公認(rèn)產(chǎn)生白光效率最佳的是第2種方案：藍(lán)光LED芯片搭配綠色熒光粉與紅色熒光粉。這也是目前市場上的主流方案，而綠色熒光粉與紅色熒光粉也正是掌握著LED產(chǎn)品的光效和顯示指數(shù)的2把關(guān)鍵鑰匙。

3.2 LED紅色熒光粉和綠色熒光粉的特點

綠色熒光粉的特點是顆粒大，光效高，增加綠色熒光粉的配比，可以迅速提升產(chǎn)品的光效，但是其光譜中缺少紅光，所以光譜不完整，顯色性較低。因此，加入紅色熒光粉剛好能彌補其缺失的光譜，但是另一方面紅色熒光粉光效較低，加入紅色熒光粉，就不得不犧牲一部分光效，并且紅色熒光粉配比少，光效上不去；配比多，光效又下降明顯。因此，搭配多少紅色熒光粉，能夠使得2種熒光粉達(dá)到光效和顯示指數(shù)的平衡，成為長期困擾業(yè)界的一個技術(shù)難題，這也是本文研究的重點。

4 LED熒光粉配比的研究

目前市場上的LED燈絲產(chǎn)品，光效達(dá)到130 lm/W就稱為高光效產(chǎn)品，而顯示指數(shù)（RA）達(dá)到90就是高顯指產(chǎn)品。但是市場上鮮有光效達(dá)到130 lm/W而RA又能達(dá)到90的“完美”產(chǎn)品，這也是受制于紅綠2種熒光粉互相矛盾的特點而導(dǎo)致的結(jié)果。隨著時代的發(fā)展，人們的需求不斷提升，需要在綠色熒光粉和紅色熒光粉之間找到平衡點，既能達(dá)到光效的要求，也要滿足顯示指數(shù)的要求。

在此背景下，本研究接下來會對LED燈絲的熒光粉方案進行優(yōu)化，用不同的配比方案進行封裝制作樣品，測試樣品的光電參數(shù)，尋找能達(dá)到顯示指數(shù)和光效的平衡點的配比方案。

LED封裝的原理是用固晶機將錫膏點在支架的鍍銀電極上，并將芯片固定在點有錫膏的鍍銀電極上，通過用回流爐進行加熱，使錫膏熔融，實現(xiàn)芯片正負(fù)極與支架鍍銀電極之間的焊接。在芯片外涂覆一層熒光粉膠，藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)光，混合得到白光。

本次封裝所用設(shè)備有：自動擴晶機、固晶機（型號：AD860）、回流爐（型號：日東NT—7A—V2）、精密電子秤、熒光粉攪拌機、點膠機（型號：武藏300DS）、烤箱。

封裝所用材料及其技術(shù)參數(shù)如表1—5。

封裝工藝步驟如下：

步驟1：在固晶機上安裝好固晶治具；

步驟2：用擴晶機將芯片擴晶后放置于固晶機上；

步驟3：將燈絲支架固定于料架上；

步驟4：在點膠盤中加入適量固晶錫膏；

步驟5：設(shè)定程序：印刷電路板（PCB）的設(shè)定、固晶點的設(shè)定、吸嘴高度的設(shè)定、頂針高度的設(shè)定、點膠高度和取膠高度的設(shè)定；

步驟6：芯片的校準(zhǔn)；

步驟7：設(shè)定點膠位置，使用單頭點膠頭，在支架的正負(fù)電極上分別進行點膠，目測膠量，根據(jù)需要調(diào)節(jié)錫膏用量；

步驟8：首先單步固晶，錫膏位置與用量合適后，進行連續(xù)固晶；

步驟9：回流焊接，將固晶后的支架放入回流焊爐中，進行焊接，根據(jù)錫膏的規(guī)格書設(shè)定設(shè)定回流焊爐的參數(shù)；

步驟10：涂覆熒光粉膠，調(diào)節(jié)點膠機，進行對點和程序的選擇，對燈絲支架進行涂覆作業(yè)；

步驟11：烘烤固化。

其中，回流焊是一道關(guān)鍵工序，為了達(dá)到最好的回流焊接效果，降低固晶錫膏的空洞率，進而達(dá)到降低焊接電阻的目的，溫度設(shè)置依據(jù)廠商提供的固晶錫膏的規(guī)格書中給出的建議回流溫度曲線，如圖1。

從圖1中可以看出，橫坐標(biāo)為回流時間，縱坐標(biāo)為回流溫度，其分為預(yù)熱區(qū)、升溫區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、降溫區(qū)4個部分，在0～2min屬于預(yù)熱區(qū)，溫度穩(wěn)定在30℃左右；在2～3min時間，是屬于升溫區(qū)，溫度在1min的時間內(nèi)從30℃升到220℃；隨后在3～4min的時間內(nèi)，溫度恒定在 240℃左右；最后在4～5min時間，溫度從240℃降到60℃左右。由于使用的回流爐有7個溫區(qū)，為了盡量滿足規(guī)格書中的回流曲線，按照表6設(shè)置了回流參數(shù)。

接下來，熒光粉膠的配比是本次實驗的重點工作，由之前的實驗發(fā)現(xiàn)，如果紅綠粉按1∶9配比，會出現(xiàn)光效太高而顯示指數(shù)不夠的情況，因此本次實驗將逐步增加紅粉的用量，把紅綠粉的配比，從1∶9逐漸升高到1.4∶8.6，如表7。

最后的烘烤固化步驟，根據(jù)硅膠規(guī)格書的建議，設(shè)定烘烤溫度為150℃，烘烤時間是3h。

通過以上步驟，最終制成了LED燈絲產(chǎn)品，把各方案的實驗樣品在同一條件下，進行光電參數(shù)的測試，測試結(jié)果如表8。

通過表8，可以看出，隨著紅粉逐漸增加，樣品的光效從150 lm/W左右逐漸降低到130 lm/W左右，色溫也從3 600K左右逐漸降低到3100K左右，而顯示指數(shù)從78左右逐漸升高到90左右。根據(jù)目前主流市場的需求，需要達(dá)到光效130 lm/W，RA為90的技術(shù)指標(biāo)。因此，方案5也就是綠色熒光粉比紅色熒光粉為8.6∶1.4是最符合技術(shù)要求的配比方案。

5 結(jié)語

熒光粉是將LED芯片的藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光的關(guān)鍵材料，通過對LED熒光粉原理的學(xué)習(xí)和對市場的調(diào)研，了解到最常用的生產(chǎn)方案是綠、紅熒光粉搭配的技術(shù)方案，其中綠色熒光粉光效高，而紅色熒光粉RA高。從理論上講，為了追求光效，在一定程度內(nèi)可以適當(dāng)多加綠色熒光粉，少加紅色熒光粉；相反，如果要追求顯示指數(shù)，則應(yīng)該在一定程度內(nèi)少加綠色熒光粉，多加紅色熒光粉。通過加紅色熒光粉，可以降低LED產(chǎn)品最后發(fā)出光線的色溫，因此通過調(diào)整綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例，可以控制LED照明的光效、顯示指數(shù)與色溫3個參數(shù)。在實驗中也證明這一理論的正確，從最開始的綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例為9∶1，到后面的8.6∶1.4，綠色熒光粉比例在下降，紅色熒光粉的比例在上升，結(jié)果也導(dǎo)致光效從150l m / W降到130 lm/W，而從80上升到90，同時色溫也從3600降低到3 100，意味著色調(diào)越來越偏暖色。相對于目前LED燈絲國內(nèi)外市場100～120 lm/W的光效和RA70～80的顯示指數(shù)，此技術(shù)已經(jīng)完成了全面的超越。綜合考慮到光效和顯示指數(shù)的平衡，綠色熒光粉和紅色熒光粉的比例為8.6∶1.4的方案是應(yīng)用范圍最廣且最為合適的配比方案。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.016

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