您好,歡迎進(jìn)入東莞睿思邁機(jī)電科技有限公司網(wǎng)站!
目前實現(xiàn)照明用LED白光有如下三種途徑:采用R、G、B三基色合成白光、通過UVLED激發(fā)R、G、B熒光粉、通過藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉形成。現(xiàn)今LED行業(yè)內(nèi)制作白光普遍的方式是,將具有一定波段的黃色熒光粉與環(huán)氧或硅膠混合后,灌封在藍(lán)光LED芯片四周,芯片藍(lán)光與熒光粉受激發(fā)生成的黃光混合形成白。但是熒光粉易于在膠水固化過程中發(fā)生沉降,由沉降造成的熒光粉分布不均對白光LED色區(qū)集中度有很大影響。
在中小功率白光LED方面,因其體積小、散熱少、出光效率高等特點,被越來越多地應(yīng)用到照明產(chǎn)品中。然而因中小功率單顆LED器件封裝所需熒光粉量較少,熒光粉含量和在膠體中的分布變化更易影響封裝樣品的色坐標(biāo)分布,導(dǎo)致LED產(chǎn)品色區(qū)集中度不高,形成一定的庫存壓力,增加了產(chǎn)品成本。為此,如何提高白光LED的色區(qū)達(dá)成率,成為很多封裝企業(yè)亟待解決的問題。
本文將結(jié)合實際封裝生產(chǎn)情況,研究影響熒光粉沉降的因素以及熒光粉沉降和封裝樣品色坐標(biāo)集中度的關(guān)系。旨在找出合理的封裝工藝,通過適當(dāng)控制熒光粉沉降程度來提高白光LED器件的色區(qū)集中度,并為實際生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。
1白光LED器件封裝 1.1 封裝材料
本文中采用的主要封裝材料如下:
熒光粉:YAG黃色熒光粉,平均粒徑約為13μm,密度為4.8g/cm3;膠水:雙組分A/B有機(jī)硅樹脂,室溫下粘度為3350cp,A/B膠混合后密度為1.2g/cm3;LED支架:SMD3528支架,碗杯深為0.38mm。在芯片選擇方面,白光LED的色坐標(biāo)會受到芯片波長和亮度的影響,此處選擇波長和亮度范圍較為集中的藍(lán)光芯片,以避免芯片參數(shù)對后續(xù)實驗結(jié)果分析造成影響。所選藍(lán)光芯片參數(shù):尺寸10×16mil,芯片主波長范圍456.3~456.8nm,平均波長456.5nm,亮度范圍22.1~22.4mW,平均亮度22.2mW。 1.2 封裝設(shè)備及封裝步驟
1)固晶:采用ASM-AD830固晶設(shè)備,通過固晶絕緣膠將LED芯片粘接在LED支架碗杯內(nèi),并加熱固化。 2)焊線:采用ASM-iHawkXtreme自動焊線機(jī)將芯片電極和支架電極用導(dǎo)線連接。
3)配膠:分別稱取10份的膠水和1份的熒光粉,采用MV-310SII真空攪拌機(jī)將熒光粉與膠水均勻混合并抽真空。
4)點膠:采用SM3003-3A點膠機(jī),將配置好的膠水倒
入點膠針筒內(nèi),調(diào)整點膠參數(shù),對已固晶焊線的LED支架進(jìn)行點膠。
5)烘烤固化:點膠后的樣品放入已設(shè)定好溫度的烤箱內(nèi)進(jìn)行烘烤固化。 2熒光粉沉降
2.1 熒光粉沉降原理
在牛頓流體中,固體顆粒在液體中主要受重力Fg、浮力F0和阻力f的作用。當(dāng)顆粒為球形或近似球形時,且液體粘度較大,顆粒較小時,其初始沉降速度和終沉降速度差別不大,加速度可以忽略。當(dāng)顆粒穩(wěn)定或均勻下降時,阻力f可表示為:
式(1)中,d為顆粒當(dāng)量直徑,ρ為顆粒密度,ρ0為液體密度。
根據(jù)Stokes定律,顆粒沉降時所受阻力f又可表示為: 式(2)中,η為液體粘度系數(shù),ν為固體顆粒沉降速率。 由式(1)、(2)可得顆粒沉降速率為:
由公式(3)可知,牛頓流體中,固體顆粒沉降速率與粒徑及其密度成正比,與液體粘度成反比。
實際上封裝過程中熒光粉在膠體中的沉降是一個較為復(fù)雜的過程,特別是在對膠水加熱的過程中。由于采用雙組分A/B膠,在加熱過程中膠水內(nèi)部會發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng),趨向固化,且溫度也會對膠水的其他特性造成一定的影響。
所以熒光粉與膠水形成的沉降體系并不是一個恒定的流體形式,膠水所形成的基液更趨向于非牛頓流體。為簡化分析,在膠水加熱固化過程的前期,將熒光粉沉降看作是在變化著的牛頓流體中的自由沉降;膠水加熱固化后期,看作是在非牛頓流體中的沉降,此時沉降方式較為復(fù)雜,熒光粉開始懸浮在膠體中,后*停止沉降。 2.2 溫度對膠水粘度的影響
由公式(3)可知,當(dāng)熒光粉參數(shù)確定的情況下,膠水的粘度與熒光粉沉降速率成反比。為確定加熱過程中膠水粘度與溫度的關(guān)系,此處采用DV-Ⅱ旋轉(zhuǎn)粘度計,并結(jié)合油浴加熱設(shè)備,在保證粘度計剪切速率相同的情況下,分別測試所用硅膠在不同溫度下的粘度變化,如圖1所示。 從圖1可知,在一定溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,膠水粘度快速下降,這可能是由于隨著溫度的升高,分子能量增大,分子間范德華力降低,分子間距離增大造成的。室溫下膠水粘度為3350cPs,當(dāng)溫度升高到70℃時,膠水粘度下降到468cPs。此處值得一提的是,由于測試膠水為A/B雙組分膠,隨著測試溫度的提高,當(dāng)油浴溫度達(dá)到80℃時,開始時膠水粘度下降,隨著加熱時間的延長,膠水粘度快速上升,并發(fā)生固化。這主要是因為升高溫度可以加速固化劑與主劑的化學(xué)反應(yīng),從而提高固化速率。
在實際生產(chǎn)中,當(dāng)對點膠樣品進(jìn)行烘烤時,通常是先低溫烘烤,再進(jìn)行高溫長烤。結(jié)合公式(3)可知,在膠水低溫烘烤的過程中,由于粘度降低,熒光粉沉降速率變大。 2.3 熒光粉在不同溫度下沉降情況 2.3.1 熒光粉在室溫下的沉降
假設(shè)常溫下硅樹脂A/B混合膠水為牛頓流體,由常溫下膠水粘度為3350cp,硅膠密度約為1.2g/cm3,經(jīng)公式(3)計算得熒光粉初始沉降速率約為9.8×10-8m/s,可見室溫下熒光粉沉降非常緩慢。為觀察室溫下熒光粉是否發(fā)生沉降,以10:1質(zhì)量比分別稱取膠水和熒光粉,并用真空攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌混合脫泡。之后將混合膠體倒入玻璃試管內(nèi)并在室溫下連續(xù)靜置8h,其沉降情況如圖2所示。 從圖2可知,靜置1h后,熒光粉沒有明顯沉降;靜置8h后,靠近試管頂部的膠水層顏色變淡,如圖2-3標(biāo)注處所示。從上可知,靜置情況下,熒光粉在膠水中確實存在沉淀現(xiàn)象,但短時間內(nèi)沉降情況并不顯著。
2.3.2 室溫下熒光粉沉降對LED色坐標(biāo)的影響 在實際生產(chǎn)中,考慮到膠水在室溫下的反應(yīng)情況和熒光粉在點膠過程中的沉降情況,通常會控制每次倒入點膠筒內(nèi)的膠量,并把點膠時間控制在30min以內(nèi)。為研究實際點膠過程中熒光粉沉降對封裝樣品的色坐標(biāo)影響情況,以10:1質(zhì)量比分別稱取膠水和熒光粉,共配制熒光膠14.3g,整體點膠時間在30min左右。抽取點膠前、中、后期樣品各280樣品色坐標(biāo)較為集中;圖10、11表明,當(dāng)延長靜置時間為90min時,初始低溫烘烤樣品的色區(qū)集中度反而比高溫初始烘烤樣品的高。 綜上,切片圖中熒光粉之所以有不同的沉降情況,主要是因為當(dāng)以50℃進(jìn)行烘烤時,膠水粘度降低,熒光粉沉降速率加快,且由于烘烤溫度較低,膠水固化速率較慢,熒光粉有較長的沉降時間,所以沉降較為嚴(yán)重;當(dāng)初始溫度為120℃時,在升溫過程中,膠水粘度降低,熒光粉發(fā)生沉降,當(dāng)短時間內(nèi)器件整體溫度與烤箱溫度相當(dāng)時,由于溫度較高,膠水固化速率加快,粘度顯著上升,熒光粉來不及進(jìn)一步沉降,整體沉降情況不明顯。
從圖8、9、10、11可知,不同熒光粉的沉降程度對應(yīng)不同的色區(qū)分布情況。當(dāng)將點膠后樣品直接放入50℃烤箱進(jìn)行烘烤時,隨著低溫烘烤時間的延長,A/B膠逐漸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),膠水粘度開始變大并呈現(xiàn)非牛頓流體狀態(tài),此時熒光粉沉降速率減慢并逐漸停止。由于熒光粉不能較為*地沉降,受支架碗杯內(nèi)膠水環(huán)境變化的影響,熒光粉沉降分布并不能保持一致,終導(dǎo)致該工藝下同批樣品的色坐標(biāo)分布并不集中。當(dāng)將點膠樣品靜置90min后再以50℃初溫進(jìn)行烘烤時,因為熒光粉在室溫下已有沉降,從圖7-c可以看出熒光粉整體沉降較為*,熒光粉分布差異性不大,同批樣品的色區(qū)分布就較為集中。
反之,當(dāng)以高溫120℃直接烘烤時,由于膠水在高溫下快速固化,同批樣品的熒光粉沉降程度較輕,在每個支架碗杯內(nèi)熒光粉含量基本一致的情況下,色坐標(biāo)分布較為集中,如圖9所示。同理,當(dāng)將點膠樣品靜置90min后,由于熒光粉已發(fā)生部分沉降,再以120℃烘烤時,膠水溫度開始上升期間,熒光粉又發(fā)生部分沉降。隨著溫度的升高,膠水粘度急劇上升,熒光粉短時間內(nèi)結(jié)束沉降現(xiàn)象。整個過程中,熒光粉不能*沉降,熒光粉微觀分布更為散亂,從而導(dǎo)致封裝LED樣品的色坐標(biāo)較為分散,如圖11所示。 3結(jié)論
綜上可知,熒光粉沉降對白光LED色區(qū)分布有較大影響。在zuida程度上減少熒光粉在支架碗杯內(nèi)的沉降,或通過封裝工藝盡量促使熒光粉沉降,均能減少由于沉降造成的熒光粉分布不均勻現(xiàn)象,終提高白光LED的色區(qū)集中度。 在一定溫度范圍內(nèi),膠水粘度隨著溫度的升高而降低。根據(jù)膠水粘度隨溫度變化的特性,選擇一定的低溫初始溫度并適當(dāng)延長烘烤時間,可增加熒光粉的沉降程度;反之,通過提高初始烘烤溫度、加速膠水固化速率、縮短熒光粉沉降時間,整體上將降低熒光粉的沉降程度。
總之,在實際生產(chǎn)中,可選擇粘度適中的膠水,并根據(jù)膠水和熒光粉的性能參數(shù),通過控制點膠樣品室溫下的靜置時間和固化工藝,盡量降低熒光粉在膠水中的分布差異性,將有利于提高中小功率的色區(qū)集中度。