熒光粉的材質(zhì)對(duì)WLED光輸出冷熱比的影響

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，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

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

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：

(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(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：rGa3+（八配位）=0.69 ?，rY3+（八配位）=1.04 ?，rAl3+（六配位）=0.62 ?，rLu3+（六配位）=1.001 ?[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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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。