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【科技成果】熒光材料物理特性對白光LED光輸出冷熱比的影響
文:互聯網 來源:互聯網 時間:2019-05-09 點擊:235

1. 引言

白光LED(WLED)是新一代固態綠色光源,具有節能環保、小體積、高光效、性能穩定等諸多優點。

目前WLED以PC/MC方式實現白光的路徑有三條:1)藍光LED芯片+黃色熒光粉;2)紫光LED芯片+紅+綠+藍三基色熒光粉;3)藍光LED芯片+綠光LED芯片+紅光LED芯片。實現白光的三種途徑中,目前已經實現產業化、最經濟實用的途徑是藍光LED芯片涂覆黃色熒光粉,使用該途徑的WLED的光效高達250lm/W。隨著照明終端產品的市場競爭越來越激烈以及照明燈具的散熱環境越來越差,LED光源要具有更好的熱的特性才能滿足市場的需求。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光源高溫時的光電參數(光通量)與常溫時光電參數(光通量)的比值,采用此指標可以驗證LED光源熱穩定性能的優劣。

在WLED光源中,熒光粉對白光的實現起到至關重要的作用。熒光粉一般為無機發光材料,具有有序排列的晶體結構,其物化性能的穩定性與以下因素有關:材質體系、離散系數、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,熒光材料是前述器件中的關鍵材料。熒光粉的物理特性(材質體系、離散系數、粉膠相容度、粉體形貌)對WLED光輸出冷熱比影響的研究未有相關報道,同時解決LED光源熱的特性的問題也顯得至關重要,因此探討熒光粉物理特性與WLED光輸出冷熱比的關系具有實用意義,同時對后續產品設計具有一定的指導作用。

2. 實驗部分

本文采用SMD 2835的封裝形式,藍光芯片,發射波段在450-455nm,每個LED光源有3顆串聯的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黃綠色熒光材料構成。每組實驗只改變黃綠粉的類型而固定膠水用量和另外兩種熒光粉含量,并且每個LED光源具有相同的點膠量。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個相同熒光粉配比的樣品進行測試,測試條件為脈沖電流100 mA,測試溫度點為25℃,50℃,75℃,85℃,95℃,105℃,取光通量的平均值。粉體參數測試設備:粒徑采用激光粒度分析儀測試,熱淬滅性能、激發發射光譜采用Fluoromax-4測試;顆粒SEM形貌采用掃描電子顯微鏡測試;封裝設備:ASM固晶機,ASM焊線機,真空脫泡機,武藏點膠機。封裝成品光電參數測試設備:遠方積分球測試儀。

3. 結果與討論

熒光粉一般為無機材料,根據其基質分類,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定性最好,氟化物和硅酸鹽的熱穩定性較差,氮化物的熱穩定性比鋁酸鹽差但優于氟化物和硅酸鹽。

♦ 圖1.1 不同體系熒光粉的熱淬滅性能

因此本文以鋁酸鹽體系作為研究對象。鋁酸鹽體系的典型代表為YAG,其化學式為Y3Al5O12:Ce,晶體結構屬于立方晶系,晶格常數為1.2002nm,YAG的晶體結構如圖1.2所示。從晶體結構可以看出,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分別為(Y33+)八配位、(Al23+)六配位、(Al33+)四配位。

♦ 圖1.2YAG的晶體結構示意圖

3.1 熒光粉的材質對WLED光輸出冷熱比的影響

本實驗采用Ga-YAG和LuAG黃綠粉為研究對象,Ga-YAG和LuAG同屬釔鋁石榴石的晶體結構如圖1.1,釔鋁石榴石的化學通式為:
(RE1-rSmr)3(Al1-sGas)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,只是其晶胞參數存在差異,Ga-YAG是Ga3+對Al3+的部分取代,而LuAG是Lu3+對Y3+的完全取代,其離子半徑分別為:rGa3+(八配位)=0.69  Å,rY3+(八配位)=1.04 Å,rAl3+(六配位)=0.62 Å,rLu3+(六配位)=1.001 Å[4]。結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構的熱穩定性會更好。就材料角度而言,材料本身的熱穩定性可以通過熱淬滅性能進行表征。

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

♦ 圖1.3 GRF-G和GRF-L的熱淬滅性能

實驗中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

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優于GRF-G。

♦ 圖1.5 GRF-G和GRF-L的WLED光輸出冷熱比

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構有關,因此不同材質的光轉換材料(部分取代與完全取代)對WLED光輸出冷熱比存在影響。

3.2 熒光粉的離散系數對WLED光輸出冷熱比的影響

離散系數指的是熒光粉試樣粒度分布的相對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,離散系數一般采用如下表達式:

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

式(2)中S表示離散系數,d10、d50、d90分別為粉體的體積累積分布中對應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。一般來說,S值越小粉體顆粒大小分布越集中,單位體積內顆粒表面的缺陷數目大體相同,其受熱性能無差異化,熱穩定性能越好。本實驗采用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行封裝,其中GRF-S、GRF-M、GRF-B的離散系數S分別為:0.925,1.125,1.325。圖1.6表示不同離散系數的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。因此從粉體角度來看,離散系數小的其熱淬滅性能較好,與前述分析結論一致。

♦ 圖1.6GRF-S、GRF-M和GRF-B的熱淬滅性能

本文就離散系數對WLED光輸出冷熱比的影響進行研究,采用2835的封裝形式,目標參數為Ra=80-82,CCT=3000K,采用相同的封裝方案,驗證不同離散系數對WLED光輸出冷熱比的關系,圖1.7表示不同離散系數的GRF-S、GRF-M、GRF-B的WLED光輸出冷熱比關系,隨著溫度的升高成品燈珠光通量的冷熱態比值在不斷較小,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對WLED光輸出冷熱比存在影響,離散系數越小WLED光輸出冷熱比越好。

♦ 圖1.7 GRF-S、GRF-M、GRF-B的WLED光輸出冷熱比關系

3.3 粉膠相容度對WLED光輸出冷熱比的影響

熒光粉合成以后為了提高產品的穩定性能,通常會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,往往其熱穩定性能特別是反映在WLED光輸出冷熱比中還是會差強人意。一般當熒光粉在封裝過程中與封裝膠混合時,可能會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,熱穩定性能存在影響,為了解決此問題。有相關廠家提出了一種全新的后處理工藝,通過一定的包覆手段在熒光粉顆粒表面包含一層特殊的物質,經過特殊處理后的熒光粉放入水中會迅速凝聚成一個大的顆粒,從而防止水分進入,經過此工藝處理的顆粒,在與封裝膠體結合時,封裝膠體會緊密的包裹在顆粒的表面上,不存在有空隙的問題,增大粉膠相容度,理論上來說,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

本文采用2835的封裝形式,目標參數為Ra=80-82,CCT=3000K,采用相同的封裝方案,驗證改善粉膠相容度與未改善粉膠相容度的熒光粉對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光亮度呈現出不斷降低的趨勢,其中CRF-G的遞減幅度比RF-G要小,說明就熒光粉本身而言,CRF-G的熱穩定性要優于RF-G。

♦ 圖1.9 RF-G和CRF-G的WLED光輸出冷熱比關系

本文就粉膠相容度對WLED光輸出冷熱比的影響,采用2835的封裝形式,目標參數為Ra=80-82,CCT=3000K,采用相同的封裝方案,驗證改善粉膠相容度的粉體對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WLED光輸出冷熱比存在影響,經過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、光滑度對其穩定性存在一定的影響。在高溫固相法的合成工藝中,固態粉體在高溫高壓氣體保護的環境下,會發生相變,由固相轉為固溶態從而發生固相反應,最終在最佳的合成溫度和最佳的合成時間的條件下,形成新的固相結晶體,此物相要經過破碎工藝,形成一定顆粒大小的熒光粉,破碎工藝一般在球磨機中進行,延長破碎時間和增大球磨轉速致使最小顆粒表面產生破碎痕跡、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。通過非正常球磨破碎工藝,使熒光粉的顆粒形貌為不規則或顆粒表面有裂痕,如圖2.0所示左圖為經過強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,通過前述分析,可以推斷強烈破碎相比正常破碎的顆粒的熱穩定性要好

♦ 圖2.0左圖和右圖分別為GRF-N和GRF-V的SEM形貌

本文采用2835的封裝形式,目標參數為Ra=80-82,CCT=3000K,采用相同的封裝方案,驗證經過強烈破碎處理工藝與正常破碎處理的熒光粉對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光亮度呈現出不斷降低的趨勢,其中GRF-V的遞減幅度比GRF-N要小,說明就熒光粉本身而言,GRF-V的熱穩定性要優于GRF-N。

♦ 圖2.1 GRF-N和GRF-V的熱淬滅性能

本文對強烈破碎處理工藝與正常破碎處理工藝對WLED光輸出冷熱比的影響,采用2835的封裝形式,目標參數為Ra=80-82,CCT=3000K,采用相同的封裝方案,驗證強烈破碎處理工藝與正常破碎處理對冷熱態的影響,圖2.2表示后處理工藝的CRF-N和GRF-V的WLED光輸出冷熱比關系,隨著溫度的升高成品燈珠光通量的冷熱態比值在不斷減小,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,因此強烈破碎處理工藝對WLED光輸出冷熱比存在影響,經過強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光輸出冷熱比的關系

4 結論

本文采用SMD 2835的封裝形式,采用不同材質的熒光粉、不同離散系數的熒光粉、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行封裝實驗,可以得出如下結論:采用LUAG材質、小離散系數、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WLED光輸出冷熱比存在影響。此研究結論作為粉體管控和優化產品的依據。同時對WLED的產品設計具有理論指導意義和實際的參考價值。

參考文獻

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