超高顯色指數、全光譜白光LED封裝技術

趙芳儀，劉小浪，宋 振，劉泉林

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

引言

與傳統光源相比，以白光LED為代表的半導體光源具有壽命長、體積小、響應速度快等優點[1-3]。LED大規模地應用于普通照明已成為趨勢[4-6]。LED封裝是決定LED光源進入通用照明領域的關鍵技術之一[7,8]。從技術成熟度和制造成本綜合考慮，目前白光LED封裝的主流方式是藍光LED芯片激發多種熒光粉材料[9]。隨著LED光源的快速發展，各種照明應用對白光LED提出更高的要求。常規藍光芯片+黃色或者綠色+紅色熒光粉的封裝方案，會導致白光LED光譜中藍光過剩、青色光缺失、長波紅光不足等諸多問題。另外，顯色指數是LED照明燈具的關鍵性能參數之一，用來表征光源對物體顏色的顯現能力[10]。超高顯色指數一般是指LED燈的顯色指數Ra> 95，而全光譜白光LED照明則是在此基礎上，還要求所有特殊顯色指數R1～R15大于90[11]。從白光LED封裝的角度來說，高品質白光LED光源應該具備較高的顯色性以呈現物體的真實顏色。因此，提升現有白光LED照明品質，特別是提升顯色指數，是白光LED研究和應用的一個重要任務[12]。

目前制備高顯色指數的LED主要是通過藍光LED芯片激發熒光粉的方式來實現，常見的熒光粉搭配有：鋁酸鹽黃色熒光粉+氮化物紅粉、鋁酸鹽黃綠色熒光粉+氮化物紅粉[13]。氮氧化物藍綠色熒光粉是近年來才研制出來的一款LED用熒光粉，克服了藍綠色硅酸鹽熒光粉不穩定等缺點，長期以來被LED封裝廠家單獨用來制備冰藍色LED[14]。特殊顯色指數R12是評價LED對飽和藍色的復現質量指標，所以在Ra較高的同時，R12還要保持較高的水平，但R12值的提升相對較難，所以在制備全光譜白光LED時，需格外關注R12值。峰值發射波長為495 nm左右的氮氧化物藍綠色熒光粉，可以彌補白光LED光譜中的青色成分，對R12具有提高作用，搭配常規波段的黃綠粉和高波段的紅粉，可以實現95及以上超高顯指甚至實現全光譜。另外，色溫也是表征光源品質的重要指標。色溫表征光源的色調，由與之顏色相同的黑體輻射溫度來表示。LED燈具標準將6 000 K、4 000 K、3 000 K左右色溫分別稱為正白、中性白和暖白。本論文選擇在暖白、中性白和正白三個色溫下，系統研究了氮氧化物藍綠色熒光粉對白光LED顯色指數Ra及特殊顯色指數R12的影響，并以此提出了超高顯指及全光譜白光LED的封裝方案。

1 實驗

1.1 實驗用品及設備

LED封裝實驗用品及設備有：2835型SMD支架(規格為2.8 mm×3.5 mm×0.8 mm), 正波藍光芯片(主波長為450～452.5 nm)，LED熒光粉(山東盈光新材料有限公司，熒光粉參數見表1、光譜圖如圖1所示)，硅膠(虹星，HX-2226A/B，A∶B=1∶4)；LED光電參數測試采用遠方光電PMS-50光譜測試系統，配備有LED專用積分球(直徑0.3 m)，探測器(V-10001)，正向測試電流為60 mA；LED熒光粉相關參數測試采用熒光光譜儀(愛丁堡儀器，FLS920)和激光粒度分布測試儀(丹東百特，BT-9300H)。

表1 LED用熒光粉基本參數

圖1 熒光粉穩態光譜圖Fig.1 Excitation and emission spectra of various phosphors

熒光粉是實現白光LED的關鍵材料之一。本實驗使用的氮氧化物、鋁酸鹽和氮化物熒光粉具有較好的熱穩定性、較高的量子效率及優異的發光性能，適用于白光LED封裝[15]。圖1(a)為BaSi2O2N2:Eu2+氮氧化物藍綠粉光譜圖，可以看出該型熒光粉能被藍光激發，實現峰值波長為495 nm的青光發射，半峰寬較窄僅為32 nm，色純度較高，可以彌補白光LED光譜中的青色成分，有利于顯色性的提高，在超高顯指及全光譜白光LED封裝中具有非常重要的意義。圖1(b)為Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+鋁酸鹽黃綠粉光譜圖，在藍光激發下，發射光譜峰值波長為525 nm，用于提供LED封裝光譜的綠光成分。圖1(c)為 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+氮化物紅粉光譜圖，其發射光譜峰值波長為655 nm，位于深紅光區域，用于提供LED封裝光譜的紅光成分。

根據白光LED封裝經驗，本文優選藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的封裝方案，實現超高顯指白光LED；采用藍光芯片+氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的封裝方案，實現全光譜白光LED(Ra> 95，R1～R15均大于90)。

1.2 封裝測試流程

如圖2所示，LED封裝測試主要分為以下幾步：①固晶，將藍光芯片固定在2835 SMD支架上；②焊線，用超聲波金絲球焊線機將芯片正負極與支架正負極用金線連接；③根據配比稱量熒光粉及硅膠A/B；④沿著同一方向將配好的熒光粉及硅膠手動攪拌30 min，直到熒光粉分布均勻；⑤點膠，將混合好的熒光粉與A/B膠均勻涂覆在焊好線的支架杯中，點膠量以平杯或者微凹為宜，測試光電參數并調整熒光粉配比及膠量；⑥固化，將點好膠的支架放入烘箱125 ℃烘烤3 h使膠水固化；⑦測試數據，將固化好的LED放入積分球中進行測試，得到其色品坐標和顯色指數(Ra、R1～R15)等光參數；⑧分析與處理數據。

圖2 封裝測試流程圖Fig.2 Flow chart of packaging

為確保實驗數據的可靠性，采用每種配方封裝8～10顆燈珠求平均值的方法來減小實驗誤差。另外在測試過程中需關注色溫Tc和色容差SDCM兩個參數，實驗以Tc= 6 000 K、4 000 K、3 000 K為例，每顆燈珠的色容差SDCM ≤ 3，色溫變化范圍ΔTc≤ 50 K，以確保LED色坐標落到CIE 1931黑體輻射曲線上，符合白光LED的實際照明要求。

1.3 封裝配比方案

本實驗用到的熒光粉及硅膠配比如表2所示。針對正白、中性白和暖白三種色溫，選用主波長為450～452.5 nm的藍光芯片，搭配鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案和氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案，目標是獲得超高顯指(Ra> 95)和全光譜(R1～R15> 90)的白光LED。

表2 不同色溫下熒光粉及硅膠配比

2 實驗結果

2.1 黃綠粉+紅粉封裝測試結果

采用藍光LED芯片激發鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案，調節熒光粉配比以實現超高顯指，對應的光譜圖如圖3所示。從光譜形狀上來看，不同色溫下的白光光譜在490 nm附近均存在較大凹陷。隨著白光LED色溫的降低，藍光的峰值強度逐漸降低，而紅光的強度逐漸增加。

圖3 黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下獲得的白光光譜圖Fig.3 Spectra at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with yellow-green and red phosphors

圖4給出的是不同色溫下，顯色指數Ra及特殊顯色指數R1～R15的對應關系。可以看出，隨色溫的降低，Ra及R12值逐漸增加。當Tc= 6 000 K時，不僅顯色指數偏低(Ra= 90.7)，不滿足超高顯指的要求，并且R12僅為70；當Tc= 4 000 K時，Ra有所提高達到96.8，滿足超高顯指要求，但R12仍相對較低為84；而當Tc= 3 000 K時，Ra進一步提高至98.3，且特殊顯色指數R12達到91，R1～R15均大于90，可以實現全光譜。

圖4 黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下的特殊顯色指數R1～R15值Fig.4 The value of special CRI R1～R15 at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with yellow-green and red phosphors

2.2 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝測試結果

采用藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的雙熒光粉封裝方案，雖然可以實現較高的顯色指數Ra，但是特殊顯色指數R12的值相對較低，尤其在色溫較高時，Ra和R12均難以滿足超高顯指或全光譜白光LED的要求。采用藍光LED芯片激發氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案，通過調節熒光粉配比所得不同色溫下的白光LED光譜圖如圖5所示。對比雙熒光粉封裝測試結果(圖3)可知，額外添加氮氧化物藍綠色熒光粉，可以彌補藍光芯片發光峰和熒光粉發射峰之間的光譜缺失，白光光譜曲線變得更加飽滿。

圖5 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下獲得的白光光譜圖Fig.5 Spectra at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with blue-green, yellow-green and red phosphors

圖6 藍綠粉+黃綠粉+紅粉封裝方案在不同色溫下的特殊顯色指數R1～R15值Fig.6 The value of special CRI R1～R15 at different correlated color temperatures for white LEDs packaged with blue-green, yellow-green and red phosphors

圖6給出的是不同色溫下，顯色指數Ra及特殊顯色指數R1～R15的對應關系。可以看出，相比于雙熒光粉封裝方案，額外添加氮氧化物藍綠粉，在正白、中性白和暖白LED色溫時，Ra均大于95，并且R12均有所提升，全部達到90以上，符合超高顯指以及全光譜白光LED封裝要求。當Tc= 6 000 K時，R12增加最為顯著，從70增加為92；當Tc= 4 000 K時，R12從84增加為93；當Tc=3 000 K時，R12值也略有提升，但是增幅較小，差值僅為2。因此，加入氮氧化物藍綠粉彌補了白光LED光譜中的飽和藍色成分，有利于R12的提升，并且隨白光LED色溫的升高，提升作用逐漸增強。

3 討論

實驗結果表明，在不同色溫下的白光LED封裝中，氮氧化物藍綠粉有利于提升顯色指數Ra和特殊顯色指數R12，是實現超高顯指和全光譜白光LED的關鍵。此部分將從藍綠粉對Ra和R12的影響兩個方面進行分析。

3.1 藍綠粉對Ra的影響

圖7為白光LED光譜中藍光(400～500 nm)所占比例隨色溫的變化關系。從圖中可以看出，當Tc= 6 000 K時，藍光所占比例較大，約為25%；當Tc= 4 000 K時，藍光所占比例較小，約為17%；當Tc=3 000 K時，藍光所占比例最小，僅為10%。由此可知，加入氮氧化物藍綠粉與否，同種色溫下藍光所占比例大致相同，而隨著色溫的降低，藍光所占比例均逐漸減小。因此，在色溫較低時，加入藍綠粉對顯色指數Ra的提升作用較小；而隨著色溫的升高，藍綠粉對Ra的提升作用逐漸增大。這與添加藍綠粉對暖白顯色指數提升較小而對中性白和正白顯色指數提升較大的封裝測試結果相符。特別是對正白而言，藍綠粉的加入使得Ra由90.7大幅提升至97.4。

圖7 兩種封裝方案在不同色溫下的藍光所占比例圖Fig.7 Proportion of blue light at different correlated color temperatures for two packaging schemes

3.2 藍綠粉對R12的影響

對于全光譜白光LED封裝而言，要求特殊顯色指數R1～R15全部大于90。其中，實現全光譜白光LED的難點在于R12的提升。R12與白光光譜中的飽和藍光成分相關，是評價LED對飽和藍色的復現質量指標。峰值發射波長為495 nm的氮氧化物藍綠色熒光粉，恰好可以彌補白光LED光譜中的飽和藍色成分，有利于全光譜白光LED封裝。

為研究氮氧化物藍綠粉對R12的影響規律，將同一色溫加入藍綠粉前后的光譜圖與特殊顯色指數R12對應的光譜輻亮度因數曲線進行比較，結果如圖8所示。可以看出，R12對應的光譜輻亮度因數曲線在430～520 nm之間具有較高強度，也就是說白光光譜在該波段范圍內光譜強度越強，飽和藍色R12越大，顯色性越好。通過Origin 9.3軟件對加入藍綠粉前后該波段范圍進行積分，積分面積在整個白光光譜中的占比如表3所示。未加入藍綠粉時，6 000 K、4 000 K和3 000 K色溫下430～520 nm波段積分面積占比分別為33.45%，22.72%，16.02%；加入藍綠粉后，相應占比分別為36.77%，25.50%，16.88%，增幅分別為3.32%，2.78%，0.86%。由此解釋了隨著白光LED色溫的升高，氮氧化物藍綠粉的加入對R12提升作用逐漸增強的實驗現象。

圖8 兩種封裝方案在不同色溫下的光譜對比圖Fig.8 Spectral comparison of two packaging schemes at different correlated color temperatures

Tc/K6 0004 0003 000P1/%33.4522.7216.02P2/%36.7725.5016.88△P/%3.322.780.86

注：P1代表黃綠粉+紅粉的雙熒光粉封裝方案；P2代表藍綠粉+黃綠粉+紅粉的三熒光粉封裝方案

4 結論

利用藍光LED芯片激發熒光粉的方法制備白光LED，并在不同色溫條件下研究實現超高顯指及全光譜白光LED的封裝方案，重點研究了加入氮氧化物藍綠色熒光粉BaSi2O2N2:Eu2+在白光LED封裝中對顯色指數Ra，特別是特殊顯色指數R12的影響規律。實驗結果表明，添加氮氧化物藍綠粉后，對白光LED的顯色指數Ra和特殊顯色指數R12均有較大的提升作用，并且隨色溫的升高，對R12的提升作用逐漸增強，在Tc=6 000 K、4 000 K、3 000 K時，R12分別增加了22、9和2，特別是在正白色溫下，顯色指數Ra增幅達到6.7。因此，相對于藍光芯片+鋁酸鹽黃綠粉Y3(Al,Ga)5O12:Ce3++氮化物紅粉(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+的雙熒光粉封裝方案，采用藍光芯片+氮氧化物藍綠粉+鋁酸鹽黃綠粉+氮化物紅粉的三熒光粉封裝方案有利于提升Ra和R12，可以實現全光譜白光LED(Ra> 95，R1～R15均大于90)，在提升現有白光LED照明品質方面具有重要的應用價值。