不同波长双芯蓝光芯片封装高显色指数白光LED技术

任昌烈，卞文静，谢自力

（1.南京南大光电工程研究院有限公司，南京 210046；2.南京大学 电子科学与工程学院，南京 210023）

显色指数是LED照明灯具的关键性能参数之一，用来表征光源对物体颜色的显现能力。光源的显色性越好其显色指数值越大。光源的光谱功率分布可以对光源显色性产生直接影响，光谱组成较全且分布较平滑的光源显色性较好［1-4］。目前，高显色指数全光谱光源的制作方案有：1）紫外光配上三色（RGB）荧光粉，主要利用实际上不参与配出白光的紫外LEDs激发红、绿、蓝荧光粉，再由三色荧光粉发出的三色光配成较高显色指数白光产品，该方案由于紫外芯片辐射功率较低，封装材料在紫外光下易老化，且存在紫外光泄露风险［5］，目前仅在部分场景中应用；2）从技术成熟度和制造成本综合考虑，高显色指数白光LED封装的主流方式是单波长蓝光LED芯片激发多种荧光粉材料，经混光后发出较高显色指数白光［6-8］，但该方案的特殊显色指数R12（饱和蓝色）、R11（饱和绿色）、R9（饱和红色）很难满足大于90的要求，即不能满足行业规定的特殊显色指数R1～R15均大于90的全光谱光源要求［9-11］。

由于单波长蓝光激发多种荧光粉材料，部分特殊显色指数很难满足大于90的要求，选用不同波长的双芯蓝光激发蓝绿粉、黄绿粉、红粉，不同荧光粉混合存在不同的最佳激发波长，通过实验，在主波长447.5～462.5 nm范围，找出不同波长双芯蓝光在5 000 K色温时，制备高显色指数全光谱LED光源的封装方案。

1 实验

1.1 实验用品及设备

LED封装实验用品及设备：SMD支架（型号：2835，尺寸规格：2.8 mm×3.5 mm×0.8 mm），蓝光芯片（主波长为447.5～450 nm，450～452.5 nm，452.5～455 nm，455～457.5 nm，457.5～460 nm，460～462.5 nm，电压3.0～3.1 V，光功率155～162 mW），LED用荧光粉（有研稀土新材料股份有限公司，荧光粉参数见表1），硅胶（慧谷化学，PS-7097SA／B，A∶B＝1∶10）；LED光电参数测试采用远方光电HAAS-1200光谱测试系统，配备LED专用积分球（直径为0.5 m），正向测试电流为60 mA。

以上4种荧光粉均可被芯片波长为447.5～462.5 nm的蓝光激发，其发射波长见表1的峰值波长。选用两颗蓝光芯片（芯片波长不同，在447.5～462.5 nm间组合）同时激发上述4种荧光粉，制备高显色指数光源。

1.2 封装及实验流程

根据LED封装经验，其封装的主要步骤如图1所示。

表1 LED用荧光粉主要参数

图1 封装及实验流程图

1）蓝光芯片分组。按照芯片波长不同，组合成双芯蓝光（见表2）。

表2 不同波长双芯蓝光芯片分组

2）固晶。将分组好的蓝光芯片固晶作业，A1组，使用一颗447.5～450 nm芯片和一颗450～452.5 nm芯片，采用双芯并联，将双芯蓝光用固晶胶粘接在SMD支架内部，按A1方式依次将A2、A3、A4、A5、B2、B3、B4、B5、C3、C4、C5、D4、D5、E5固晶作业，共15组，每一组做好标记，完成后固晶烘烤。

3）焊线。使用自动焊线机作业，用金线将芯片正负极与支架正负极连接，实验品在显微镜下全检且低电流点亮，确保双芯蓝光均正常发光。

4）配荧光胶。根据配比称取硅胶及荧光粉，将荧光粉及硅胶混合后放入自动真空搅拌机，确保均匀混合且消除气泡。

5）点荧光胶。将均匀混合后的荧光胶涂覆在焊线好的SMD支架内部，因每组波长不同需要调整每组产品的配比，确保色温及坐标一致，点胶后的产品作烘烤固化处理。

6）测试数据。固化后的产品分组测试光电参数。

7）分析及处理数据。

以上方案可得到15组数据，均以F5000，x＝0.346 0，y＝0.359 0为参考调试配比及胶量，每组数据色温偏差ΔT c不超过60 K，色容差SDCM不超过3，为确保每组数据的可靠性，每组产品封装5颗灯珠，测试5颗产品数据，取平均值。

1.3 封装及实验配比

不同波长的双芯蓝光荧光胶配比如表3所示。

表3 不同波长的双芯蓝光荧光胶配比

2 实验结果与分析

上述实验选取行业通用芯片，光功率保持一致，波长在447.5～462.5 nm之间，按照芯片波长不同，组成双芯蓝光，得到15组实验数据，从表3及图2数据可以看出，5 000 K色温时，显色指数Ra≥96的组别为A1（447.5～450 nm，450～452.5 nm，）显色指数为96.4、A2（447.5～450 nm，452.5～455 nm）显色指数为96.7、A3（447.5～450 nm，455～457.5 nm）显色指数为97.8，这3组中均含有一颗波长为447.5～450 nm的蓝光芯片，另外一颗芯片波长小于457.5 nm。在A4、A5组中也有一颗波长为447.5～450 nm的蓝光芯片，但另一颗蓝光芯片波长大于457.5 nm，其整体显色指数略低。

图2 每组显色指数分布

由A5、B5、C5、D5、E5数据不难发现，波长越长的双芯蓝光组合，其显色指数越低。从表3各组荧光胶配比可以看出，要保持色容差一致，双芯蓝光波长越长，配比中的红色荧光粉比例下降，黄绿色荧光粉比例上升。

选取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的值如图3所示。A3（低波段+中波段）的显色指数最高，Ra为97.8，Avg R为97.4，特殊显色指数R9为99.3，R11为91.2，R12为96.8，R1～R15的值均大于90，对于全光谱白光LED封装而言，要求特殊显色指数R1～R15全部大于90。该方案产品满足全光谱的要求，其次显色指数较高的组别为A1（低波段+低波段），R a为96.4，但R11较低为89.5。组别A5（低波段+高波段），Ra为95.2，但R10为88.9，R12为88.3。组别C3（中波段+中波段），Ra为95.4，Avg R为94.8，R1～R15的值均大于90，满足全光谱要求，R10、R11的值偏低。E5（高波段+高波段）Ra为90.6，Avg R为89.2，特殊显色指数R1～R15整体偏低。

图3 不同波长组合下的特殊显色指数R1～R15值

3 结论

在5 000 K色温时，不同波长双芯蓝光激发荧光粉制备白光LED，当蓝光芯片波长在447.5～462.5 nm范围时，存在A3（447.5～450 nm和455～457.5 nm）的最佳组合，其显色指数Ra达到97.8，Avg R达到97.4，同时各特殊显色指数R1～R15值均大于90，满足高显色指数全光谱的要求。由于该方案成品参数值高于高显色指数全光谱要求的参数值，易于批量化生产。其次C3（452.5～455 nm，455～457.5 nm）的方案也满足高显色指数全光谱的要求，但该方案成品参数值刚好达到高显色指数全光谱要求的参数值，批量化生产存在一定比例的不良品。另外，E5（457.5～460 nm，460～462.5 nm）方案，显色指数R a及特殊显色指数R1～R15整体偏低，达不到高显色指数全光谱的要求。