感光性樹脂應用于LED 平面自適應封裝的最新研究*

丁 坤，饒海波 ，王 瑋

(電子科技大學光電學院，成都610054)

作為白光LED 照明核心技術和關鍵環節之一的封裝技術，是整個器件制備以及附加值增長的一個必不可少的環節和過程，而且最切合我國LED 照明產業主體技術發展的現狀，是我國目前LED 照明行業中最具活力的方向。大功率LED 封裝必然是今后行業發展的重要增長點，因此，封裝技術領域的任何一次創新都意味著巨大的市場前景［1］。對整個LED 器件的結構和工序而言，封裝工藝是一個非常重要的環節，否則，LED 器件散熱困難、光損失嚴重、光通量及光效率低、光色不均勻、光衰嚴重、使用壽命短，當前滯后的封裝工藝已經成為制約高效白光LED 器件應用及性能好壞的關鍵因素［2］。現有的基于LED 芯片的白光LED 照明技術，以藍色LED 芯片配合黃色熒光粉的PCLED(Phosphor－Converted Light Emitting Diode)方式最簡單易行，其相關研究和開發應用也最廣泛，特別是隨著近年來藍色LED 芯片效率的迅速提升，這種PCLED 的固態照明技術的應用進程得到明顯加速，已形成在短期內取代熒光燈成為商用、家用照明主流的趨勢［3］。而PCLED 白光實現的一個技術關鍵就是熒光粉的涂敷工藝，熒光粉涂層的厚度可控性和均勻性直接影響LED 出光的亮度、色度一致性，甚至白光出射的效率。當前國內PCLED 產業普遍采用的傳統灌封工藝已經難以滿足作為照明光源應用的功率型白光LED 技術和性能增長的要求［4］。

傳統的灌封工藝，直接在芯片表面點涂熒光粉膠，即將熒光粉顆粒與膠體(如硅膠或環氧樹脂等)按一定配比混合，制成粉漿，攪拌均勻，然后用針頭類工具將其涂敷于芯片表面，理想情況下形成類似球冠狀的涂層［5］。但這種方法及涂層存在明顯的結構缺陷，這種熒光粉涂層，除中心到邊緣的結構性非均勻外，在實際操作中，無論手動或機器實現，同一批次的LED 管之間，熒光粉層在形狀上都會有一定的差異，很難控制均勻性和一致性，是必帶來器件之間較大的色度差異;同時，由于涂層膠滴實際微觀表面的凹凸不平，當光線出射時，就會形成白光光束顏色的不均勻，導致局部偏黃或偏藍的不均勻性光斑出現［5－7］，參見涂層結構示意圖1(a)。

要克服上述缺陷，改善白光LED 的光斑空間分布均勻性以及管間色度、亮度的均勻一致性［8］，從而在產品性能和批量生產能力上有所提高，就必須改變現有的熒光粉涂層形狀和工藝，使芯片出光面方向的熒光粉層厚度均勻適當，這樣才能得到均勻一致的出射白光，即要求熒光粉涂層的濃度、厚度和形狀的可控性［9］，熒光粉層的平面結構應該是一種有效的解決途經，參見涂層結構示意圖1(b)。

圖1 傳統灌封工藝與平面工藝

1 基本原理

自20 世紀40 年代感光材料開始引起人們的注意，到進入21 世紀以來，感光材料的應用研究已趨于完善，其應用領域已遍及照相、電影、遙感、醫療、印刷制版等各個領域［10－11］。本文主要研究其在高新技術LED 涂層中的重要應用，基本原理如圖2 所示。

圖2 自曝光工藝原理圖

先將熒光粉粉末分散在感光材料(如PVA、重氮樹脂Diazo、疊氮樹脂等)中，形成含有感光膠的熒光粉粉漿(膠體)，然后取適量膠體涂覆在芯片出光面上，使熒光粉粉漿在芯片表面均勻分布，適當干燥后，通過自曝光、熱水(或者有機溶劑、酸、堿等)顯影步驟，在芯片表面形成所需要的熒光粉感光膠分散體(多相)結構的粉層圖案，然后，采用干法去膠工藝去除涂層中的感光膠成份，從而在芯片出光面上實現對芯片光強分布具有自適應特點的(單相)熒光粉涂層，結合后續光學硅膠灌封工藝，最后獲得具有熒光粉硅膠分散體成份的熒光粉平面涂層封裝效果，以實現光學熱學性能最優化的白光LED 器件。

該技術克服了LED 芯片+硅膠+熒光粉系列的眾多技術缺陷:粉層形狀不規則，外形呈拱圓形，直接導致了單顆白光LED 出光在空間的分布不均勻，人眼在白光范圍內是很靈敏的，能分辨的空間色溫差異閾值是50 K ～100 K，分辨出色度坐標為0.01的差別;器件間的一致性得不到保證，同一批產品可能會有很大的差異。正是以上原因，制約了白光LED 整體性能的提高。而采用感光膠曝光技術，其粉層結構和形狀得到控制，厚度的均勻性得到一致性保障。其封裝的LED 光斑均勻性比硅膠熒光粉系列的光斑具有明顯的均勻，并且應用感光膠+熒光粉系列可以根據芯片自身發光特點進行自適應效果，具體來講，由于芯片自身生長過程中可能會產生缺陷而使得某一小部分發光較弱或較強，從而產生光斑不均勻，當感光粉漿涂覆到芯片表面，在曝光過程中其發光較弱或較強的區域上面的熒光粉層也會相應的變薄或者變厚，從而達到最終出射光斑的均勻可控，實現其自適應效果。

2 實驗與分析

本實驗采用GaN 基藍光LED 外延片所封裝的半成品，其發射波長為460 nm ～465 nm;其感光膠采用應用廣泛的聚乙烯醇(PVA)+重鉻酸銨(ADC)系列;熒光粉選用與芯片波長匹配的弘大432 粉，它在藍光激發后發射的波長為569 nm 的黃光。

預先配置好聚乙烯醇膠體，其濃度為10%;重鉻酸銨溶液的濃度為1‰;然后取0.2 mL 的PVA膠體，0.2 mL 的重鉻酸銨溶液，200 mg 的432 熒光粉，然后加入0.6 mL 的去離子水，攪拌均勻，使之形成混合均勻的感光膠粉漿體系;用點膠針頭蘸取一定量粉漿點在LED 芯片出光面上，烘干，曝光完以后用水將芯片周圍的粉漿洗滌干凈，干燥即可。其實驗結果如圖3 所示。采用粉漿法工藝的熒光粉平面涂層結構，可見規則、均勻的熒光粉層平面圖案。

圖3 自曝光平面涂層結構

3 性能測試

對所做的樣品進行性能測試，測試項目包括:

(1)反應色度均勻性的空間色坐標，其方法是在距離LED 光源30 cm 處取一個10 mm×10 cm 的正方形平面，在平面上依次取9 個點，分別測量每個點的色坐標，然后將他們繪制成坐標圖，如圖4 所示。結果表明:光斑9 點色度差≤3%，管間色度差范圍在(0.33±6%，0.33±6%)之內。

圖4 平面涂層LED 光斑九點色度分布圖

(2)樣品發光色溫與曝光時間的關系。控制曝光時間，測量曝光時間不同的情況下樣品的色溫變化，分別取曝光時間為1 s、2 s、4 s 和6 s 對LED 進行曝光，然后測量其色溫，結果如圖5 所示。結果表明:通過控制曝光時間能夠很好地控制芯片表面熒光粉涂層的厚度(即熒光粉總量)，進而實現不同色溫(CCT)的發光輸出，是粉漿法工藝白光LED 器件性能可控一致性的直接證明。

圖5 樣品發光色溫與曝光時間的關系曲線

4 結論

采用非銀鹽感光材料(感光性樹脂)+熒光粉進行LED 平面自適應涂覆技術，實現了白光LED 熒光粉涂層的平面化工藝，器件出光的亮度、空間色度均勻性較之傳統封裝工藝器件有了明顯的改善，光斑及單管間色度、亮度偏差均小于6%。通過采用對藍光(460 nm 左右)敏感的感光劑(ADC 或Diaza)，直接利用藍色LED 芯片自發光促使感光區PVA 的交聯反應，從而實現了感光過程的自曝光工藝。綜合PVA 的感光和硅膠的物化、光學性能，在粉漿法工藝中采用乳化技術，實現了PVA+Silicone的多相結構的熒光粉平面涂層，有助于進一步改善熒光粉層的物化性能，而多相涂層有效折射率的提高更有利于器件出光效。由于感光性樹脂其感光波長覆蓋范圍非常廣，另外還可以通過光增感等技術使其感光波長范圍變得其與LED 的發光波長相匹配，這樣，對于各種熒光粉轉化(PCLED)的白光LED 都可以實現平面涂層技術。由于大部分感光材料對紫外部分的吸收更強烈，所以對于紫外+三基色熒光粉的傳統封裝技術將會得到明顯的改善。

熒光粉平面涂層工藝作為白光LED 封裝工藝的升級換代技術，是目前國外LED 先進生產廠家(Cree、Philips Luminleds、Osram)正在積極推廣采用的主流封裝技術方向，平面涂層自適應技術能夠徹底克服現有LED 主流灌封工藝在粉層結構和形狀上的弊端，尤其能改善光斑的均勻性，實現涂層形狀、厚度及均勻性的可控一致性，實驗已經證明，新工藝白光LED 器件的光斑及管間色度、亮度均勻性較之傳統工藝器件有明顯的改善。同時由于平面工藝的集成化優勢，該技術在批量化生產方面應用前景巨大。

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