摘要：光輸出冷熱比是白光LED光源的關(guān)鍵溫度特性。本文以相關(guān)色溫3000K、Ra80的2835 SMD白光LED光源產(chǎn)品為載體，研究了熒光粉的材質(zhì)體系、離散系數(shù)、粉膠相容度、粉體形貌對(duì)白光LED光輸出冷熱的影響。此研究結(jié)果對(duì)白光LED產(chǎn)品的溫度性能優(yōu)化和熒光粉的開(kāi)發(fā)和物料管控有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：白光LED；光輸出冷熱比；粉膠相容度；粉體形貌

The effect of physical properties of phosphors for specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light outputwith white LED

Xiao Haitao, Pei Xiaoming, Cai jie

(shenzhen refond optoelectronics co.,LTD, shenzhen518000, China)

Abstract:The specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light outputis the Key temperature characterists of white LED light. With using the supporter of 2835 SMD and target parametes for Ra=80 and CT=3000K, the relationship betweenphysical properties of phosphors— material composition, discrete coefficient, Compatibility of powder and glue and Powder morphology—andspecific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light output with white LED was studied. The results should be of a certain guiding effect for product optimization and management and control of powder.

Key words: white LED; specific value of light output; Compatibility of powder and glue; Powder morphology

1引言

白光LED（WLED）是新一代固態(tài)綠色光源，具有節(jié)能環(huán)保、小體積、高光效、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。

目前WLED以PC/MC方式實(shí)現(xiàn)白光的路徑有三條：1）藍(lán)光LED芯片+黃色熒光粉；2）紫光LED芯片+紅+綠+藍(lán)三基色熒光粉；3）藍(lán)光LED芯片+綠光LED芯片+紅光LED芯片。實(shí)現(xiàn)白光的三種途徑中，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的途徑是藍(lán)光LED芯片涂覆黃色熒光粉，使用該途徑的WLED的光效高達(dá)250lm/W。隨著照明終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈以及照明燈具的散熱環(huán)境越來(lái)越差，LED光源要具有更好的熱的特性才能滿足市場(chǎng)的需求。LED光源的熱的特性通常采用光輸出冷熱比表征。WLED的光輸出冷熱比，即LED光源高溫時(shí)的光電參數(shù)（光通量）與常溫時(shí)光電參數(shù)（光通量）的比值，采用此指標(biāo)可以驗(yàn)證LED光源熱穩(wěn)定性能的優(yōu)劣。

在WLED光源中，熒光粉對(duì)白光的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。熒光粉一般為無(wú)機(jī)發(fā)光材料，具有有序排列的晶體結(jié)構(gòu)，其物化性能的穩(wěn)定性與以下因素有關(guān)：材質(zhì)體系、離散系數(shù)、粉膠相容度、粉體形貌。WLED光輸出冷熱比的影響因素與WLED器件材料有關(guān)，熒光材料是前述器件中的關(guān)鍵材料。熒光粉的物理特性（材質(zhì)體系、離散系數(shù)、粉膠相容度、粉體形貌）對(duì)WLED光輸出冷熱比影響的研究未有相關(guān)報(bào)道，同時(shí)解決LED光源熱的特性的問(wèn)題也顯得至關(guān)重要，因此探討熒光粉物理特性與WLED光輸出冷熱比的關(guān)系具有實(shí)用意義，同時(shí)對(duì)后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

2實(shí)驗(yàn)部分

本文采用SMD 2835的封裝形式，藍(lán)光芯片，發(fā)射波段在450-455nm，每個(gè)LED光源有3顆串聯(lián)的LED芯片，熒光粉方案由YAG黃色熒光材料、氮化物紅色熒光材料和Ga-YAG/LuAG黃綠色熒光材料構(gòu)成。每組實(shí)驗(yàn)只改變黃綠粉的類(lèi)型而固定膠水用量和另外兩種熒光粉含量，并且每個(gè)LED光源具有相同的點(diǎn)膠量。黃色、紅色和黃綠色3種熒光粉和膠水的配比為黃色∶紅色∶黃綠色∶膠水=0.50∶0.15∶1.5∶1，選取5個(gè)相同熒光粉配比的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為脈沖電流100 mA，測(cè)試溫度點(diǎn)為25℃，50℃，75℃，85℃，95℃，105℃，取光通量的平均值。粉體參數(shù)測(cè)試設(shè)備：粒徑采用激光粒度分析儀測(cè)試，熱淬滅性能、激發(fā)發(fā)射光譜采用Fluoromax-4測(cè)試；顆粒SEM形貌采用掃描電子顯微鏡測(cè)試；封裝設(shè)備：ASM固晶機(jī)，ASM焊線機(jī)，真空脫泡機(jī)，武藏點(diǎn)膠機(jī)。封裝成品光電參數(shù)測(cè)試設(shè)備：遠(yuǎn)方積分球測(cè)試儀。

3結(jié)果與討論

熒光粉一般為無(wú)機(jī)材料，根據(jù)其基質(zhì)分類(lèi)，常用的體系有鋁酸鹽、氮化物/氮氧化物、硅酸鹽、氟化物等。圖1.1為不同體系熒光粉的熱淬滅性能，可以看出幾種體系的粉體中鋁酸鹽的熱穩(wěn)定性最好，氟化物和硅酸鹽的熱穩(wěn)定性較差，氮化物的熱穩(wěn)定性比鋁酸鹽差但優(yōu)于氟化物和硅酸鹽。

圖1.1 不同體系熒光粉的熱淬滅性能

Fig.1.1 The heat quenching properties of different system fluorescent powder

因此本文以鋁酸鹽體系作為研究對(duì)象。鋁酸鹽體系的典型代表為YAG，其化學(xué)式為Y₃Al₅O₁₂:Ce，晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，晶格常數(shù)為1.2002nm，YAG的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。從晶體結(jié)構(gòu)可以看出，在Y、Al和O組成的空間中存在三種多面體，分別為：十二面體（圖1.2a）、八面體（圖1.2b）、四面體（圖1.2c），其中氧原子的配位數(shù)分別為（Y₃³⁺）八配位、(Al₂³⁺)六配位、（Al₃³⁺）四配位。

圖1.2YAG的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1.2 The schematic of YAG crystal structure

3.1熒光粉的材質(zhì)對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響

本實(shí)驗(yàn)采用Ga-YAG和LuAG黃綠粉為研究對(duì)象，Ga-YAG和LuAG同屬釔鋁石榴石的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.1，釔鋁石榴石的化學(xué)通式為：

(RE_1-rSm_r)₃(Al_1-sGa_s)O₁₂:Ce（1）

式（1）中，RE=La，Lu，Y，Gd，Sc，0≤r<1，0≤s≤1。一般而言Ga-YAG與LuAG同屬于立方晶系，只是其晶胞參數(shù)存在差異，Ga-YAG是Ga³⁺對(duì)Al³⁺的部分取代，而LuAG是Lu³⁺對(duì)Y³⁺的完全取代，其離子半徑分別為：r_Ga3+（八配位）=0.69 Å，r_Y3+（八配位）=1.04 Å，r_Al3+（六配位）=0.62 Å，r_Lu3+（六配位）=1.001 Å^[4]。結(jié)合離子半徑的匹配度，理論上完全取代比部分取代所形成的晶體結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性會(huì)更好。就材料角度而言，材料本身的熱穩(wěn)定性可以通過(guò)熱淬滅性能進(jìn)行表征。

如圖1.3所示為GRF-G和GRF-L之間的粉體熱淬滅性能的關(guān)系，可以看出，隨著溫度的上升粉體的亮度衰減呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中GRF-L的熱淬滅性能優(yōu)于GRF-G的熱淬滅性能。

圖1.3 GRF-G和GRF-L的熱淬滅性能

Fig.1.3 The heat quenching properties of GRF-G and GRF-L

實(shí)驗(yàn)中Ga-YAG和LuAG分別為GRF-G和GRF-L，其電鏡下的形貌如圖1.4，可以得出GRF-G和GRF-L的顆粒形貌近似圓球狀，其表面光滑。

圖1.4左圖和右圖分別為GRF-G和GRF-L的SEM形貌

Fig.1.4 The SEM morphology of GRF-G (left) and GRF-L (right)

采用GRF-G和GRF-L作為黃綠粉封裝成2835成品燈珠，成品燈珠的光通量與測(cè)試溫度間的變化如圖1.5所示，可以得出光通量的冷熱比隨著溫度的增加逐漸下降，在85℃的WLED光輸出冷熱比GRF-L優(yōu)于GRF-G。

圖1.5 GRF-G和GRF-L的WLED光輸出冷熱比

Fig.1.5 specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light output with WLED of GRF-G and GRF-L

GRF-G和GRF-L的WLED光輸出冷熱比，GRF-L比GRF-G要好，這與熒光材料的熱淬滅性能以及粉體本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此不同材質(zhì)的光轉(zhuǎn)換材料（部分取代與完全取代）對(duì)WLED光輸出冷熱比存在影響。

3.2熒光粉的離散系數(shù)對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響

離散系數(shù)指的是熒光粉試樣粒度分布的相對(duì)寬度或不均勻度的度量。其定義為分布寬度與中心粒徑的比值，其中分布寬度為邊界粒徑的一組特征粒徑的差值，離散系數(shù)一般采用如下表達(dá)式：

S=(d₉₀-d₁₀)/d₅₀                         (2)^[5]

式（2）中S表示離散系數(shù)，d₁₀、d₅₀、d₉₀分別為粉體的體積累積分布中對(duì)應(yīng)10%、50%、90%的熒光粉的粒徑，單位為um，其中d₅₀表示粉體顆粒的中位粒徑。一般來(lái)說(shuō)，S值越小粉體顆粒大小分布越集中，單位體積內(nèi)顆粒表面的缺陷數(shù)目大體相同，其受熱性能無(wú)差異化，熱穩(wěn)定性能越好。本實(shí)驗(yàn)采用GRF-S、GRF-M、GRF-B作為黃綠粉，分別與黃粉和紅粉搭配到相同的方案中進(jìn)行封裝，其中GRF-S、GRF-M、GRF-B的離散系數(shù)S分別為：0.925，1.125，1.325。圖1.6表示不同離散系數(shù)的GRF-S、GRF-M、GRF-B的熱淬滅性能，可以看出隨著溫度的升高，其熒光材料的亮度不斷衰減，其中GRF-B的衰減幅度最大，GRF-M次之，GRF-S最小，三者中GRF-S的熱淬滅性能最好。因此從粉體角度來(lái)看，離散系數(shù)小的其熱淬滅性能較好，與前述分析結(jié)論一致。

圖1.6GRF-S、GRF-M和GRF-B的熱淬滅性能

Fig.1.6 The heat quenching properties of GRF-S, GRF-M and GRF-B

本文就離散系數(shù)對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響進(jìn)行研究，采用2835的封裝形式，目標(biāo)參數(shù)為Ra=80-82，CCT=3000K，采用相同的封裝方案，驗(yàn)證不同離散系數(shù)對(duì)WLED光輸出冷熱比的關(guān)系，圖1.7表示不同離散系數(shù)的GRF-S、GRF-M、GRF-B的WLED光輸出冷熱比關(guān)系，隨著溫度的升高成品燈珠光通量的冷熱態(tài)比值在不斷較小，GRF-S、GRF-M、GRF-B在成品中的衰減幅度GRF-B最大，GRF-M次之，GRF-S最小，說(shuō)明GRF-S的WLED光輸出冷熱比最好，GRF-B的WLED光輸出冷熱比最差，因此不同的離散系數(shù)對(duì)WLED光輸出冷熱比存在影響，離散系數(shù)越小WLED光輸出冷熱比越好。

圖1.7 GRF-S、GRF-M、GRF-B的WLED光輸出冷熱比關(guān)系

Fig.1.7 specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light output with WLED of GRF-S,GRF-M and GRF-B

3.3粉膠相容度對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響

熒光粉合成以后為了提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性能，通常會(huì)采用一定的后處理工藝，例如二次淬火處理、包覆工藝等，使用較多的為包覆工藝，使用的包材為SiO₂等材料，但即便采用這樣的工藝，往往其熱穩(wěn)定性能特別是反映在WLED光輸出冷熱比中還是會(huì)差強(qiáng)人意。一般當(dāng)熒光粉在封裝過(guò)程中與封裝膠混合時(shí)，可能會(huì)在顆粒表面與膠體的接觸面上存在一定的空隙，里面可能含有未排出去的空氣，致使成品在受熱時(shí)，熱穩(wěn)定性能存在影響，為了解決此問(wèn)題。有相關(guān)廠家提出了一種全新的后處理工藝，通過(guò)一定的包覆手段在熒光粉顆粒表面包含一層特殊的物質(zhì)，經(jīng)過(guò)特殊處理后的熒光粉放入水中會(huì)迅速凝聚成一個(gè)大的顆粒，從而防止水分進(jìn)入，經(jīng)過(guò)此工藝處理的顆粒，在與封裝膠體結(jié)合時(shí)，封裝膠體會(huì)緊密的包裹在顆粒的表面上，不存在有空隙的問(wèn)題，增大粉膠相容度，理論上來(lái)說(shuō)，可以提升WLED光輸出冷熱比^[6]。

圖1.8 RF-G和CRF-G的熱淬滅性能

Fig.1.8 The heat quenching properties of RF-G and CRF-G

本文采用2835的封裝形式，目標(biāo)參數(shù)為Ra=80-82，CCT=3000K，采用相同的封裝方案，驗(yàn)證改善粉膠相容度與未改善粉膠相容度的熒光粉對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響，前述兩者分別表示為CRF-G和RF-G。圖1.8表示RF-G和CRF-G的熱淬滅性能，可以看出隨著溫度的升高熒光粉的發(fā)光亮度呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，其中CRF-G的遞減幅度比RF-G要小，說(shuō)明就熒光粉本身而言，CRF-G的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于RF-G。

圖1.9 RF-G和CRF-G的WLED光輸出冷熱比關(guān)系

Fig.1.7 specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light output with WLED of RF-G and CRF-G

本文就粉膠相容度對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響，采用2835的封裝形式，目標(biāo)參數(shù)為Ra=80-82，CCT=3000K，采用相同的封裝方案，驗(yàn)證改善粉膠相容度的粉體對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響，圖1.9表示改善的粉膠相容度的CRF-G和未改善粉膠相容度RF-G的WLED光輸出冷熱比的關(guān)系，隨著溫度的升高成品燈珠光通量的WLED光輸出冷熱比在不斷較小，CRF-G和RF-G在成品中的衰減幅度RF-G最大，CRF-G次之，說(shuō)明CRF-G的WLED光輸出冷熱比較好，RF-G的WLED光輸出冷熱比較差，因此粉膠相容度對(duì)WLED光輸出冷熱比存在影響，經(jīng)過(guò)改善粉膠相容度的熒光粉相比未改善粉膠相容度的熒光粉在WLED光輸出冷熱比要好。

3.4熒光粉形貌對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響

熒光粉的顆粒形貌的完整度、光滑度對(duì)其穩(wěn)定性存在一定的影響。在高溫固相法的合成工藝中，固態(tài)粉體在高溫高壓氣體保護(hù)的環(huán)境下，會(huì)發(fā)生相變，由固相轉(zhuǎn)為固溶態(tài)從而發(fā)生固相反應(yīng)，最終在最佳的合成溫度和最佳的合成時(shí)間的條件下，形成新的固相結(jié)晶體，此物相要經(jīng)過(guò)破碎工藝，形成一定顆粒大小的熒光粉，破碎工藝一般在球磨機(jī)中進(jìn)行，延長(zhǎng)破碎時(shí)間和增大球磨轉(zhuǎn)速致使最小顆粒表面產(chǎn)生破碎痕跡、粘上一定的破碎屑或是顆粒直接被劈成片狀，使得粉體顆粒形貌完整度、光滑度不一。通過(guò)非正常球磨破碎工藝，使熒光粉的顆粒形貌為不規(guī)則或顆粒表面有裂痕，如圖2.0所示左圖為經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈球磨破碎的熒光粉顆粒形貌，右圖為正常破碎工藝的熒光粉的顆粒形貌，通過(guò)前述分析，可以推斷強(qiáng)烈破碎相比正常破碎的顆粒的熱穩(wěn)定性要好。

圖2.0左圖和右圖分別為GRF-N和GRF-V的SEM形貌

Fig.2.0 The SEM morphology of GRF-N (left) and GRF-V (right)

本文采用2835的封裝形式，目標(biāo)參數(shù)為Ra=80-82，CCT=3000K，采用相同的封裝方案，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈破碎處理工藝與正常破碎處理的熒光粉對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響，前述兩者分別表示為GRF-N和GRF-V。圖2.1表示GRF-N和GRF-V的熱淬滅性能，可以看出隨著溫度的升高熒光粉的發(fā)光亮度呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，其中GRF-V的遞減幅度比GRF-N要小，說(shuō)明就熒光粉本身而言，GRF-V的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于GRF-N。

圖2.1 GRF-N和GRF-V的熱淬滅性能

Fig.2.1 The heat quenching properties of GRF-N and CRF-V

本文對(duì)強(qiáng)烈破碎處理工藝與正常破碎處理工藝對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響，采用2835的封裝形式，目標(biāo)參數(shù)為Ra=80-82,CCT=3000K，采用相同的封裝方案，驗(yàn)證強(qiáng)烈破碎處理工藝與正常破碎處理對(duì)冷熱態(tài)的影響，圖2.2表示后處理工藝的CRF-N和GRF-V的WLED光輸出冷熱比關(guān)系，隨著溫度的升高成品燈珠光通量的冷熱態(tài)比值在不斷減小，CRF-N和RF-V在成品中的衰減幅度GRF-N較大，CRF-V次之，說(shuō)明GRF-V的WLED光輸出冷熱比較好，GRF-N的WLED光輸出冷熱比較差，因此強(qiáng)烈破碎處理工藝對(duì)WLED光輸出冷熱比存在影響，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈破碎處理工藝的熒光粉相比正常破碎處理工藝的熒光粉的WLED光輸出冷熱比要差。

圖2.2 GRF-V和GRF-N的WLED光輸出冷熱比的關(guān)系

Fig.1.7 specific value of photoelectric parameterson ordinary and high temperature of light output with WLED of GRF-V and GRF-N

4結(jié)論

本文采用SMD 2835的封裝形式，采用不同材質(zhì)的熒光粉、不同離散系數(shù)的熒光粉、不同粉膠相容度的熒光粉以及不同形貌的熒光粉作為黃綠粉進(jìn)行封裝實(shí)驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論:采用LUAG材質(zhì)、小離散系數(shù)、較好粉膠相容度、良好顆粒形貌的熒光粉封裝的LED光源的光輸出冷熱比更佳。

因此，熒光粉的物理特性對(duì)WLED光輸出冷熱比存在影響。此研究結(jié)論作為粉體管控和優(yōu)化產(chǎn)品的依據(jù)。同時(shí)對(duì)WLED的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 金尚忠，張?jiān)谛�，郭志軍，�?白光照明LED 燈溫度特性的研究[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào)，2002，23（4）：399402.

[2] 李柏承，張大偉.功率型白光LED封裝設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009，46（9）.

[3]李建宇. 稀土發(fā)光材料及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[4] R.D.SHANNON.Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studdies of Interatomic Distance in Halides and Chalcogendes [J].Acta Cryst.(1976).A32,751.

[5]劉光華. 稀土固體材料學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[6]馬林、胡建國(guó)等. YAG∶Ge3+發(fā)光材料合成的助熔劑研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2006，27（3）.