基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管實現(xiàn)方法研究

0 引言
    近年來，在照明領(lǐng)域最引人關(guān)注的事件是半導(dǎo)體照明的興起。20世紀(jì)90年代中期，日本日亞化學(xué)公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力，突破了制造藍(lán)光發(fā)光數(shù)碼管的關(guān)鍵技術(shù)，并由此開發(fā)出以熒光材料覆蓋藍(lán)光數(shù)碼管產(chǎn)生白光光源的技術(shù)。在數(shù)碼管產(chǎn)業(yè)鏈中，主要分為上游半導(dǎo)體襯底生長、中游芯片制造及下游數(shù)碼管分裝技術(shù)。對整個數(shù)碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環(huán)節(jié)，主要完成輸出電信號，保護(hù)管芯正常工作，使其不受機械、熱、潮濕及其他外部沖擊，具有輸出可見光等功能，即達(dá)到既具有電參數(shù)，又具有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求?？梢?，封裝工藝已成為制約數(shù)碼管器件使用及性能的關(guān)鍵因素。對于白光數(shù)碼管的開發(fā)和制作，封裝環(huán)節(jié)具有更重要的意義。
    我國從20世紀(jì)80年代開始研發(fā)LED數(shù)碼管技術(shù)，到20世紀(jì)90年代，LED的封裝業(yè)有了一定的發(fā)展，但企業(yè)總體規(guī)模小，工藝水平不夠高，這種狀況制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，諸多技術(shù)瓶頸沒有突破，急需在LED封裝技術(shù)方面有較好的突破，以打開新的數(shù)碼管市場份額。

1 白光的實現(xiàn)
    依據(jù)發(fā)光學(xué)和色度學(xué)原理，實現(xiàn)白光數(shù)碼管有多種方案，而開發(fā)較早、已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方案是在數(shù)碼管芯片上涂敷熒光粉而實現(xiàn)白光發(fā)射。
    數(shù)碼管采用熒光粉實現(xiàn)白光，下述3種方案發(fā)展較快：在藍(lán)色芯片上涂敷能被藍(lán)光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光互補形成白光；在藍(lán)色芯片上涂覆綠色和紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光；在紫光或紫外光芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉，利用該芯片發(fā)射的長波紫外光(370～380nm)或紫光(380～410 nm)來激發(fā)熒光粉而實現(xiàn)白光發(fā)射。下面主要介紹以第1種方案為原理實現(xiàn)白光的機制。
    利用波長為460～470 nm的GaN基藍(lán)光芯片發(fā)射的藍(lán)色光作為基礎(chǔ)光源(圖1所示為藍(lán)光芯片在溫室，電流為20 mA時的電致發(fā)光光譜圖)，應(yīng)用GaN基藍(lán)光芯片所發(fā)出的460～470 nm藍(lán)光一部分用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠色光，另一部分藍(lán)光透過熒光粉發(fā)射而出。熒光粉發(fā)出的黃綠色光與GaN基藍(lán)光芯片發(fā)出的透射部分混合形成白光，即白光=藍(lán)+黃的機制，如圖2所示。圖3是藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉所產(chǎn)生的光譜，產(chǎn)生黃光，該黃光與藍(lán)光混合而成白光。

    這種方法存在的2個關(guān)鍵部分是GaN基藍(lán)光芯片和作為光轉(zhuǎn)換的熒光材料。GaN基藍(lán)光芯片的選擇不僅要考慮芯片本身的特性，還應(yīng)兼顧熒光材料的選擇。熒光材料的選擇必須滿足以下2個條件：
    (1)熒光材料的激發(fā)光譜必須與所選擇的藍(lán)光芯片的發(fā)射光譜相匹配。目前國際上常采用波長為460～470 nm的GaN基藍(lán)光芯片作為基礎(chǔ)光源，這樣就要求熒光材料的激發(fā)光譜在460～470 nm，這樣可以確保獲得更高的光轉(zhuǎn)換效率；熒光材料的發(fā)射光譜。
    (2)熒光材料的發(fā)射光譜與藍(lán)光芯片的發(fā)射光譜能夠匹配成白光，從CIEl931色坐標(biāo)圖可以看出，想要匹配成白光，熒光材料的發(fā)射光譜應(yīng)在555 nm左右?；谏鲜黾夹g(shù)要求，普遍選用YAG：Ce3+光轉(zhuǎn)換材料。
    由于這種方法采用單顆芯片與單種熒光粉，主要采用YAG：Ce3+熒光粉轉(zhuǎn)換效率高，操作上較易實現(xiàn)，且沒有紫外成份，不會造成紫外輻射污染，是目前制作白光數(shù)碼管的主要方向。

2 數(shù)碼管封裝技術(shù)
    數(shù)碼管品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵在封裝。封裝技術(shù)對數(shù)碼管的性能、可靠性，起著至關(guān)重要的作用。劣質(zhì)封裝會導(dǎo)致數(shù)碼管光子損失嚴(yán)重，光通量和光效低，光色不均勻，使用壽命短等多種缺點。目前發(fā)展的典型白色數(shù)碼管結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)照明光源的要求，封裝用的樹脂和光學(xué)結(jié)構(gòu)等有待采用新設(shè)計思想、新工藝和新材料，以臻工藝完善，適合固體照明光源的發(fā)展。在繼承其原有優(yōu)良性能的同時，更重要的是擯棄舊的框架，創(chuàng)新性推出有自己特色的新白光數(shù)碼管封裝技術(shù)。
2．1 傳統(tǒng)工藝存在的問題
    傳統(tǒng)封裝工藝存在以下幾個問題(圖4所示為傳統(tǒng)工藝流程圖)。灌封膠材料的選擇和封膠工藝對數(shù)碼管光效參數(shù)的影響。在數(shù)碼管使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失主要包括3個方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；由于光子在出射界面折射率差而引起反射損失；由于入射角大于全反射臨界角而引起全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片與空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，以提高取光效率。

    目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。環(huán)氧樹脂的固有缺點是耐沖擊損傷能力差，韌性差比較脆，耐熱性能也較低(小于170℃)。由于硅膠具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點，故性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂。但研究表明，硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響數(shù)碼管光效和光強分布。傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。
2．2 空封技術(shù)
    空封技術(shù)作為數(shù)碼管封裝的新工藝技術(shù)，是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上研制的。在傳統(tǒng)數(shù)碼管工藝的基礎(chǔ)上，去掉環(huán)氧樹脂灌封高溫固化2個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)用已經(jīng)固晶接好線的線路板套接外殼后，再壓蓋成型。最后在顯示表面貼一張散射膜，以得到生產(chǎn)需要的白色光(圖5為應(yīng)用空封技術(shù)制作數(shù)碼管的工藝流程圖)。利用空封技術(shù)工藝可以解決傳統(tǒng)工藝上的這些問題：

    (1)空封技術(shù)制作數(shù)碼管省掉了封膠、烘烤的制作流程，解除了傳統(tǒng)工藝中選擇封膠材料難的問題。
    (2)以刷熒光粉工藝技術(shù)替代點熒光粉工藝，解決了傳統(tǒng)工藝中點熒光粉精度的問題。
    利用新技術(shù)制作數(shù)碼管必須解決以下幾個技術(shù)問題：
    (1)采用絲印技術(shù)、網(wǎng)板印刷以及電子噴墨印刷，制作特制的熒光粉貼膜。制作熒光粉貼膜在采用絲印技術(shù)印刷時要注意影響質(zhì)量的一些問題：首先，在靜態(tài)時絲網(wǎng)與承印物之間保持一定的距離，距離的大小對絲印的質(zhì)量影響很大，而距離又與絲網(wǎng)伸長量有關(guān)。在正常情況下，即距離最佳時，絲印過程中網(wǎng)版能立即從承印物上彈離開。必須克服印料本身的凝聚力，克服印料和承印物間的張力。其次，刮板與承印物的夾角，一般在50°～55°之間變化，理論上大于45°印出的圖案被拉毛，小于45°出現(xiàn)重復(fù)印刷，兩者均降低絲印精度、因此必須掌握刮板與承印物之間的正確刮印角度。理論上要求刮板與承印物之間的夾角，即刮板的直角刃邊為45°，保證一條線與承印物接觸的條件，就不可能產(chǎn)生重印和拉毛現(xiàn)象，確保圖案光潔和不糊邊。總之要求制作特制的熒光粉貼膜必須保證絲網(wǎng)在印刷時厚度與密度的均勻性。
    (2)數(shù)碼管空封技術(shù)研發(fā)。鋁絲的防氧化和鋼化處理，數(shù)碼管的發(fā)光反射均勻性。在空氣中，經(jīng)低溫處理的鋁絲材料的氧化層中仍含相當(dāng)數(shù)量的碳，氧化反應(yīng)向內(nèi)部推進(jìn)較快，在高溫下處理的材料，其氧化層完全脫碳，并形成致密的燒結(jié)層而阻礙氧化過程的進(jìn)行，氧化層深度的增加緩慢。利用適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉?，可以在低溫到高溫下寬廣的溫度區(qū)間內(nèi)形成保護(hù)層，以防止含碳材料的繼續(xù)氧化。鋁絲防氧化處理后，氧化時間超過10萬小時，鋁絲經(jīng)過鋼化處理后，拉力在O．1 V以上。數(shù)碼管的反射腔及出光通道的優(yōu)化設(shè)計，使數(shù)碼管筆段的亮度誤差小于等于10 ％。
2．3 兩種不同工藝對光參數(shù)的影響
    兩種工藝制作的數(shù)碼管對光通量及數(shù)碼管壽命有一定差異。由于傳統(tǒng)工藝制作的數(shù)碼管采用灌封膠材料，該材料層處于芯片和空氣之間，從而有效減少光子在界面的損失，提高了取光效率。然而由于新工藝制作的數(shù)碼管不采用灌封膠層，僅依靠管芯與底板上涂透明絕緣膠來提高出光效率，光子直接向外發(fā)射，因光的發(fā)射及折射原因，部分光子不能到達(dá)外部，造成光子損失。所以初始階段用新工藝制作的數(shù)碼管光通量較低。由于灌封膠材料的導(dǎo)熱性及光子吸收等原因，在長時間高溫工作中會出現(xiàn)壽命及光通量降低的現(xiàn)象。圖6是兩種封裝技術(shù)經(jīng)高溫老化時對數(shù)碼管光衰影響的實驗結(jié)果?？梢钥闯觯鹿に囍谱鞯漠a(chǎn)品在光通量及壽命方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制作的產(chǎn)品。

2．4 采用空封技術(shù)工藝生產(chǎn)的數(shù)碼管實際經(jīng)濟(jì)價值
    (1)去掉傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)白光數(shù)碼管環(huán)氧封膠的流程環(huán)節(jié)，不使用灌封膠材料，既節(jié)約了原材料，又提高了產(chǎn)品的可靠性；
    (2)貼膜技術(shù)替代高溫固化封膠，可節(jié)約能源；新工藝產(chǎn)品成本是傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品成本的50％左右，價格優(yōu)勢明顯。
    利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管，采用貼膜工藝，可以避免環(huán)氧樹脂的污染。去掉高溫封膠工序，制造產(chǎn)品的基本節(jié)能在原來的一半以上，成本降低顯著，有利于擴(kuò)大市場競爭力。

3 結(jié)語
    目前制作的白光數(shù)碼管主要是通過在藍(lán)光芯片上涂覆黃色熒光粉層，用藍(lán)光與黃光相混合的方法得到的。芯片和熒光粉的匹配性是影響產(chǎn)品電學(xué)、光學(xué)性能及器件穩(wěn)定性的重要因素。對整個數(shù)碼管器件來說，封裝過程是一個非常重要的環(huán)節(jié)，主要完成輸出電信號，
保護(hù)管芯正常工作，使其不受到機械、熱、潮濕及其他外部沖擊，具有輸出可見光等功能，即達(dá)到既具有電參數(shù)，又具有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求。本文給出了基于空封技術(shù)白光數(shù)碼管的實現(xiàn)方法，對原數(shù)碼管的性能有一定提高，成本有較大下降。