白光数码管低温环境下光通量补偿方法研究

孔宝根

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴312000)

白光数码管低温环境下光通量补偿方法研究

孔宝根

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴312000)

白光数码管长期在低温(-30℃)环境下工作将有16%的光通量损失，使数码管的寿命下降到1 100 h左右.应用发光体集成技术可以将数码管厚度从3 mm下降到1 mm而不会影响人眼的识别，这一技术使数码管发出光穿透的环氧树脂厚度变薄，可以提高数码管11.6%的光通量，从而延长数码管的寿命.

数码管；低温工作环境；光通量

一些国家和地区一年中大多数时间处于-20℃～-30℃的低温环境，白光数码管在这一环境温度下工作时光通量有许多损失，影响了数码管的性能和寿命[1-3]，也影响了使用数码管设备的效能.为了解决这一问题，本文对点胶白光数码管在常温下(20℃)和低温下(-30℃)的光通量进行了实验测试和数据比较，得到了低温工作环境下数码管光通量的损失率.而后，通过降低环氧树脂胶质厚度，获得了数码管光通量的损失补偿的方法.但是，要制作超薄型数码管(厚度1 mm)，关键要使数码管发光体集成化.

1 实验目的、仪器与设备

1.1 实验目的

(1)测试低温(-30℃)工作环境较常温(20℃)环境下新出厂的点胶贴片白光数码管(厚度3 mm)的光通量损失情况；

(2)通过高温加速寿命的实验方法，获得数码管的寿命曲线，以数码管工作时间与光通量的关系曲线来描述；

(3)在常温(20℃)环境下，测试应用发光体集成技术制备的超薄数码管(厚度1 mm)的光通量情况.

1.2 实验仪器与设备

实验中使用到的设备包括：

V-10001标准级探测器(杭州远方光电信息有限公司)；

诗贝伦LED-高反射积分球(0.3 m)(杭州远方光电信息有限公司)；

V2.0-HAAS-2000光谱分析系统软件(杭州远方光电信息有限公司).

2 实验方法

首先，取新出厂的型号为CSOV-25067W-21的点胶白光贴片数码管(厚度3 mm)两批各10只，分别放至-30℃恒温箱中和在常温(20℃)下点亮，然后测量数码管的光通量.

其次，另取一种型号的数码管3批各10只，分别放至20℃，80℃和100℃的恒温箱中点亮，分别在1 h，100 h，200 h，300 h，400 h，500 h，600 h，700 h，800 h，900 h后测试数码管的光通量.

第三步，取采用发光体集成技术制备的超薄数码管(厚度1 mm)10只，在常温(20℃)下点亮，1 h后测量数码管光通量.

3 实验结果

3.1 低温(-30℃)工作环境下新出厂的数码管(厚度3 mm)光通量损失情况

表1是常温(20℃)和低温(-30℃)下、电压为3V时数码管(厚度3 mm)光通量情况.新出厂的数码管，在低温(-30℃)条件下光通量较常温(20℃)时的损失不大，约为5%(见图1).

表1 常温(20℃)和低温(-30℃)时新出厂数码管(厚度3 mm)的光通量情况

3.2 数码管在不同工作时刻及温度下的光通量

表2是在20℃，80℃和100℃的恒温箱中，测量的数码管(厚度3 mm)在不同时刻的光通量与出厂初始值的比值.由表2可知，随着工作时间的增加，数码管光通量不断下降；而随着温度的升高，数码管光通量的损失率也会增加，损失的大小与温度高低有关.一般而言，厂家生产的数码管在常温(20℃)时的光通量值最大，与常温的温度偏离越大，光通量损失越大；温度偏离越小，光通量损失越小.

表2 数码管在20℃，80℃和100℃恒温箱中不同时刻的光通量与出厂初始值的比值 %

3.3 采用发光体集成技术制作的数码管(厚度1 mm)在常温(20℃)下的光通量情况

表3是在常温(20℃)、电压3 V时超薄数码管(厚度1 mm)的光通量情况，与普通数码管(厚度3 mm)相比，光通量提高了11.6%.

表3 常温(20℃)超薄数码管(厚度1 mm)的光通量

4 数码管的光通量补偿计算

低温(-30℃)工作环境下，数码管的光通量较常温工作环境有损失，而且其损失的大小与数码管的工作时间有关.那么，低温(-30℃)条件下数码管的光通量在不同工作时长下损失的情况将会怎样呢？由于数码管工作时间越长，光通量损失越大，需要补偿的光通量百分率越大，因而需要获得数码管在接近寿命极限时的光通量补偿百分率.为获得这一数据，我们采用提高温度实现加速寿命测试的方法，分别测量3组各10只数码管的光通量取平均值，得到了数码管的老化曲线，如图2所示.由图2可知，20℃时的数码管显然还远远没有达到老化状态，80℃的工作环境数码管在717 h时光通量明显下降，此时的光通量值为出厂时的50%以下，即数码管明显老化，其寿命值为717 h；100℃恒温箱中的数码管在273 h时光通量明显下降到50%以下，即数码管的寿命值为273 h.从数码管工作温度与数码管寿命的关系入手，可以获得低温(-30℃)条件下数码管的寿命时限.

数码管高温加速寿命方法中，工作温度与数码管寿命一般满足Arrhenius公式：

(1)

式中：L为寿命；Ea为激活能；A为器件常数；k=0.8617×10-4eV/K,为玻尔兹曼常数；T为热力学绝对温度，单位是K.但实际情况是，Arrhenius公式比较适用于在20℃～100℃条件下工作的数码管;当温度高于100℃时，数码管内的环氧树脂易软化，影响光子出光数;当工作温度在-60℃～20℃时，数码管寿命呈反向缩短;低于-60℃时，数码管容易冻裂，其寿命也不符合Arrhenius公式.即工作温度在20℃时，数码管的寿命最长.为此，对于工作温度在-60℃～100℃时的数码管，我们将Arrhenius公式修正如下：

.

(2)

式中的常数293是20℃时的绝对温度值，当工作温度为20℃时，数码管的寿命最长.我们可以通过2种不同工作温度下的寿命值，求得激活能Ea.由式(2)可以得出：

(3)

当数码管光通量降低到50%时，即为数码管已经完全老化.从图2的数码管寿命曲线中可以看出，当数码管工作温度在80℃,光通量降低到50%时，数码管老化寿命为717h；工作温度在100℃时，数码管老化寿命为260h.代入式(3)，得到Ea=0.53eV,将Ea值代入式(3),可得到工作温度在-30℃时的寿命为1 100h.

实验显示，数码管在常温20℃下工作1 100h的光通量损失率为66%，即由于低温工作环境所导致的光通量损失率为66%-50%=16%.

这一损失需要通过发光体集成技术采取环氧树脂胶质的超薄设计得以弥补.图3显示,在20℃工作温度下，发光体集成后的超薄数码管比点胶3mm数码管的光通量提升了11.6%，这是由胶质厚度变薄引起的，不会因为工作温度的改变而改变，也即采用发光体集成技术后，超薄数码管可以弥补11.6%的光通量，对提高数码管寿命有帮助.

5 发光体集成的超薄数码管工作原理

从上述分析可以看出，长期在-30℃的环境下，数码管将在工作1 100h之后光通量变为常温下的50%，达到了报废的临界点，而一般数码管的使用寿命在24 000h以上[4-5]，因而必须对数码管进行光通量补偿，补偿的方法是将数码管的发光体集成，而后将数码管的胶质厚度降低到1mm，制成超薄型的数码管，这种超薄类型的数码管既能满足许多设备对数码管的超薄要求，又能实现提高光通量的目的.发光体集成技术制备超薄数码管的方法如下：

在集成块焊盘上固晶蓝光芯片，利用蓝光穿过黄色荧光粉产生白光的原理，将硅胶与黄色荧光粉按一定比例混合，真空排泡脱气后，以点胶精度为0.000 1ml的高精度点胶机将混合胶体灌装在集成块内，制作成集成化的发光体，再使用分辨精度为±0.001mm的高精度贴片机将集成块固化到数码管基板焊盘上，如图4所示.为使数码管笔段间出光均匀，在保证胶质混合物均匀的前提下，于发光体外壳出腔通道上固化环氧树脂，然后使用压盖机压制，这样制成的数码管厚度在1mm左右.

5.1 超薄的数码管套件能够提高光通量

白光数码管在荧光粉层和出腔口之间固化环氧树脂层，其目的是利用光的折射原理提高出光的均匀性，但同时环氧树脂也将吸收白光数码管发出的短波长光子，使短波长光子穿透率下降.套件越薄，封装在套件内部的环氧树脂的量就越少，减小了出射光子在环氧树脂层的折射几率，降低了被环氧树脂吸收的光子数量，因而光通量能够提高；套件越厚，封装的环氧树脂的量就越多，增大了出射光子在环氧树脂层的折射几率，被环氧树脂吸收的光子数增加，从而降低了光通量.

5.2 发光体集成的成型结构能够提高数码管的光通量

由于点胶白光数码管的陶瓷衬底和荧光粉层形成了碗状结构(图5)，这种结构形状限制了光子在荧光粉层的穿透率，降低了数码管的光通量.采用微型化集成技术的白光数码管，将荧光粉层和陶瓷衬底成型为扁平结构(见图4)，大部分光子以向上的方向穿透荧光粉层，使溢出数码管出腔口的光子数量显著增加，因而提高了光通量.

5.3 发光体集成的超薄数码管笔段出光不均匀性问题

对于以点光源制成的数码管，笔段出光的均匀性依靠的是光子在胶质内的折射次数，折射次数越多，则出光的均匀性越好；折射次数越少，则出光的均匀性越差.由于套件变薄，光子在胶质内的折射次数变少，出光的不均匀性有可能增加.一般而言，人眼对白光的敏感性在色度上的差异达到0.01才能被感觉到并分辨出来.实验发现，应用发光体集成技术制成的数码管的色坐标标准差均小于0.01(见表4)，即增加的少量不均匀性不影响人眼的识别.

表4 两种类型数码管笔段色坐标标准差

6 结论

如果数码管长期在低温(-30℃)环境下工作,将使数码管光通量损失16%;应用发光体集成技术可以使数码管中穿透光的环氧树脂厚度变薄,将数码管厚度从3mm下降到1mm而不会影响人眼的识别，提高数码管11.6%的光通量，从而延长了数码管的寿命.

[1]YamakoshiS，AbeM，WadaO，etal．ReliabilityofhighradianceInGaAsP/InPLEDsOperatinginthe1.2～1.3μmWavelength[J]．IEEEJQuantumElectron，1981，17(2)：167-173．

[2]SheuJK，HangSJC，KuoCH，eta1．WhitelightemissionfromnearUVInGaN-GaNLEDchipprecoatedwithblue/green/redphosphors[J]．IEEEPhotonTechnolLett，2003，15(1)：18-20．

[3]ShengLJ.Researchofthewhilelightofthedigitaltubetechnologybasedonthepointglue[J].OpticalTechnique,2013,39(3):286-288.

[4]ShengLJ.Analysisofconversionrateofphosphorpowderfornon-sealingwhitenixietube[J].ChineseJournalofSpectroscopyLaboratory,2012,29(1):479-483.

[5]盛立军，孔宝根.基于空封技术的白光数码管寿命的研究[J]．光学技术，2011，37(4)：487-490．

(责任编辑 邓颖)

OnLuminousFluxCompensationMethodofWhiteLightDigitroninLowTemperature

KongBaogen

(ShaoxingVocational&TechnicalCollege,Shaoxing,Zhejiang312000)

In some countries and regions, the temperature is quite low with only -20℃～-30 ℃ for the most part of the year. Under such conditions, white light digitron will have a flux loss of 16% when it works below -30℃ for a long time, and the digital tube’s life is shortened down to about 1100 hours. Luminous body integration technology can be applied to decrease the digital tube from 3mm to 1mm without affecting the eye recognition. This technology enables a thin epoxy through which digital tube emitting light penetrates and improves the luminous flux by11.6%, thus prolonging the service life of the digital tube.

digital tube; low temperature working environment; luminous flux

2014-03-05

绍兴市院校合作资助项目“基于发光体集成技术的贴片白光数码管研制”(2013722)

孔宝根(1965-)，男，浙江绍兴人，副教授，硕士，主要从事信息技术与高教管理研究.

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1008-293X(2014)07-0013-05