不同波長雙芯藍光芯片封裝高顯色指數白光LED技術

任昌烈，卞文靜，謝自力

（1.南京南大光電工程研究院有限公司，南京 210046；2.南京大學 電子科學與工程學院，南京 210023）

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。光源的顯色性越好其顯色指數值越大。光源的光譜功率分布可以對光源顯色性產生直接影響，光譜組成較全且分布較平滑的光源顯色性較好［1-4］。目前，高顯色指數全光譜光源的制作方案有：1）紫外光配上三色（RGB）熒光粉，主要利用實際上不參與配出白光的紫外LEDs激發紅、綠、藍熒光粉，再由三色熒光粉發出的三色光配成較高顯色指數白光產品，該方案由于紫外芯片輻射功率較低，封裝材料在紫外光下易老化，且存在紫外光泄露風險［5］，目前僅在部分場景中應用；2）從技術成熟度和制造成本綜合考慮，高顯色指數白光LED封裝的主流方式是單波長藍光LED芯片激發多種熒光粉材料，經混光后發出較高顯色指數白光［6-8］，但該方案的特殊顯色指數R12（飽和藍色）、R11（飽和綠色）、R9（飽和紅色）很難滿足大于90的要求，即不能滿足行業規定的特殊顯色指數R1～R15均大于90的全光譜光源要求［9-11］。

由于單波長藍光激發多種熒光粉材料，部分特殊顯色指數很難滿足大于90的要求，選用不同波長的雙芯藍光激發藍綠粉、黃綠粉、紅粉，不同熒光粉混合存在不同的最佳激發波長，通過實驗，在主波長447.5～462.5 nm范圍，找出不同波長雙芯藍光在5 000 K色溫時，制備高顯色指數全光譜LED光源的封裝方案。

1 實驗

1.1 實驗用品及設備

LED封裝實驗用品及設備：SMD支架（型號：2835，尺寸規格：2.8 mm×3.5 mm×0.8 mm），藍光芯片（主波長為447.5～450 nm，450～452.5 nm，452.5～455 nm，455～457.5 nm，457.5～460 nm，460～462.5 nm，電壓3.0～3.1 V，光功率155～162 mW），LED用熒光粉（有研稀土新材料股份有限公司，熒光粉參數見表1），硅膠（慧谷化學，PS-7097SA／B，A∶B＝1∶10）；LED光電參數測試采用遠方光電HAAS-1200光譜測試系統，配備LED專用積分球（直徑為0.5 m），正向測試電流為60 mA。

以上4種熒光粉均可被芯片波長為447.5～462.5 nm的藍光激發，其發射波長見表1的峰值波長。選用兩顆藍光芯片（芯片波長不同，在447.5～462.5 nm間組合）同時激發上述4種熒光粉，制備高顯色指數光源。

1.2 封裝及實驗流程

根據LED封裝經驗，其封裝的主要步驟如圖1所示。

表1 LED用熒光粉主要參數

圖1 封裝及實驗流程圖

1）藍光芯片分組。按照芯片波長不同，組合成雙芯藍光（見表2）。

表2 不同波長雙芯藍光芯片分組

2）固晶。將分組好的藍光芯片固晶作業，A1組，使用一顆447.5～450 nm芯片和一顆450～452.5 nm芯片，采用雙芯并聯，將雙芯藍光用固晶膠粘接在SMD支架內部，按A1方式依次將A2、A3、A4、A5、B2、B3、B4、B5、C3、C4、C5、D4、D5、E5固晶作業，共15組，每一組做好標記，完成后固晶烘烤。

3）焊線。使用自動焊線機作業，用金線將芯片正負極與支架正負極連接，實驗品在顯微鏡下全檢且低電流點亮，確保雙芯藍光均正常發光。

4）配熒光膠。根據配比稱取硅膠及熒光粉，將熒光粉及硅膠混合后放入自動真空攪拌機，確保均勻混合且消除氣泡。

5）點熒光膠。將均勻混合后的熒光膠涂覆在焊線好的SMD支架內部，因每組波長不同需要調整每組產品的配比，確保色溫及坐標一致，點膠后的產品作烘烤固化處理。

6）測試數據。固化后的產品分組測試光電參數。

7）分析及處理數據。

以上方案可得到15組數據，均以F5000，x＝0.346 0，y＝0.359 0為參考調試配比及膠量，每組數據色溫偏差ΔT c不超過60 K，色容差SDCM不超過3，為確保每組數據的可靠性，每組產品封裝5顆燈珠，測試5顆產品數據，取平均值。

1.3 封裝及實驗配比

不同波長的雙芯藍光熒光膠配比如表3所示。

表3 不同波長的雙芯藍光熒光膠配比

2 實驗結果與分析

上述實驗選取行業通用芯片，光功率保持一致，波長在447.5～462.5 nm之間，按照芯片波長不同，組成雙芯藍光，得到15組實驗數據，從表3及圖2數據可以看出，5 000 K色溫時，顯色指數Ra≥96的組別為A1（447.5～450 nm，450～452.5 nm，）顯色指數為96.4、A2（447.5～450 nm，452.5～455 nm）顯色指數為96.7、A3（447.5～450 nm，455～457.5 nm）顯色指數為97.8，這3組中均含有一顆波長為447.5～450 nm的藍光芯片，另外一顆芯片波長小于457.5 nm。在A4、A5組中也有一顆波長為447.5～450 nm的藍光芯片，但另一顆藍光芯片波長大于457.5 nm，其整體顯色指數略低。

圖2 每組顯色指數分布

由A5、B5、C5、D5、E5數據不難發現，波長越長的雙芯藍光組合，其顯色指數越低。從表3各組熒光膠配比可以看出，要保持色容差一致，雙芯藍光波長越長，配比中的紅色熒光粉比例下降，黃綠色熒光粉比例上升。

選取A1（低波段+低波段）、A3（低波段+中波段）、A5（低波段+高波段）、C3（中波段+中波段）、E5（高波段+高波段），其R1～R15的值如圖3所示。A3（低波段+中波段）的顯色指數最高，Ra為97.8，Avg R為97.4，特殊顯色指數R9為99.3，R11為91.2，R12為96.8，R1～R15的值均大于90，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。該方案產品滿足全光譜的要求，其次顯色指數較高的組別為A1（低波段+低波段），R a為96.4，但R11較低為89.5。組別A5（低波段+高波段），Ra為95.2，但R10為88.9，R12為88.3。組別C3（中波段+中波段），Ra為95.4，Avg R為94.8，R1～R15的值均大于90，滿足全光譜要求，R10、R11的值偏低。E5（高波段+高波段）Ra為90.6，Avg R為89.2，特殊顯色指數R1～R15整體偏低。

圖3 不同波長組合下的特殊顯色指數R1～R15值

3 結論

在5 000 K色溫時，不同波長雙芯藍光激發熒光粉制備白光LED，當藍光芯片波長在447.5～462.5 nm范圍時，存在A3（447.5～450 nm和455～457.5 nm）的最佳組合，其顯色指數Ra達到97.8，Avg R達到97.4，同時各特殊顯色指數R1～R15值均大于90，滿足高顯色指數全光譜的要求。由于該方案成品參數值高于高顯色指數全光譜要求的參數值，易于批量化生產。其次C3（452.5～455 nm，455～457.5 nm）的方案也滿足高顯色指數全光譜的要求，但該方案成品參數值剛好達到高顯色指數全光譜要求的參數值，批量化生產存在一定比例的不良品。另外，E5（457.5～460 nm，460～462.5 nm）方案，顯色指數R a及特殊顯色指數R1～R15整體偏低，達不到高顯色指數全光譜的要求。