LED灯丝中荧光粉的配比研究

杨文 李霞

1 引言

140多年前，美国著名科学家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）发明了人类史上最早的电光源——白炽灯，将世界引入了人工照明时代[1]。如今，全球气候变暖趋势严峻，土地沙漠化也越来越严重，低效率的白炽灯意味着需要消耗更多的能源资源，也意味着更多的二氧化碳被排放到大气中。随着人们逐渐对节能环保提高重视，低耗能的产品越来越受到大家的欢迎，节能、环保、高光效、长寿命的发光二极管（LED）产品受到了广大消费者的热烈追捧，同时国家的大力推广，使得LED渐渐成为未来主流的照明光源，会更广泛应用于商业照明、家居照明、工业照明、户外照明等领域。

目前，市场上主流的LED照明光源，有插件LED、贴片LED、集成大功率板上芯片封装（COB）等种类，因为照明光源需要有一定的光强，并且光线的均匀性也要好，所以LED照明光源通常都需要安装一个用来反射或折射的光学器件，额外的光学器件不仅影响照明效果，还阻碍部分光线的吸收，降低LED照明光源的能效，如不加这些光学器件，光线就只能平面射出[2]。LED灯丝就突破了这一限制，它由数个微型LED芯片通过串联的方式封装在LED灯丝支架上，采用回流焊技術。这种封装方式，可以达到360°全周角度发光，不用额外增加实现反射或折射效果的光学器件，避免了因折射或反射导致的光损，满足人们全周发光的需求，增强了人们的照明体验，达到照明和节能的均衡[3]。

2 LED灯丝局限性

近几年，LED灯丝产品在照明市场上一直处于风口浪尖，其在2013年崭露头角的时候，当时存在着很大的争议，很多人认为LED灯丝存在散热不良、功率不高、性能不稳定等问题，甚至说“LED灯丝是走回头路”，国内市场前景不甚明朗， 很多业内人士并不太看好LED灯丝，在自主研发的过程中也走了不少崎岖的路。LED灯丝技术发展至今，各企业生产工艺都不相同，良莠不齐，没有统一的行业标准，但是随着晶科电子（广州）有限公司、飞利浦（中国）投资有限公司、通用电气（中国）有限公司、木林森股份有限公司、欧司朗（中国）照明有限公司等国际大厂入局LED灯丝市场，LED灯丝的技术瓶颈连续突破，生产工艺突飞猛进，技术越来越成熟，所谓的散热不良、功率不高、性能不稳定等问题已经得到了很大的改善。但是，其还存在一个重大的缺陷，该缺陷也是LED光源领域共同面临的困境，即光效与显示指数不可兼得。

光效，即发光效率。它是光源发出的光通量除以光源所消耗的功率比值，它象征着消耗单位功率所发出光的亮度，若亮度越高，则对能源的利用率越高，也意味着节能的效果越好，这是一个衡量光源节能的重要指标。

显示指数是光源对物体显色能力的定量评价，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯）下物体外观颜色的比较得出的衡量人工光源颜色特性的重要参数。显示指数越高，说明光源的显色性越好，对物体的色彩还原能力越强，它是评价人工光源照明质量的重要指标。

光效和显示指数是LED照明的重要指标，如果可以的话，大家都想拥有最高的光效与最好的显示效果，但为什么光效和显示指数是“鱼和熊掌不可兼得”呢？这就涉及到了LED照明封装领域一种不可或缺的材料——荧光粉。

3 LED荧光粉

众所周知，LED芯片本身发出的光并不是白光，而是蓝色、红色、绿色、紫色等，这些带颜色的光要转化成照明用的白光，就需要用到一种关键性的材料——荧光粉。荧光粉是由基质和激活离子（大多数是稀土离子）2部分组成的，LED发光的过程是激活稀土离子吸收LED芯片放出的能量再释放能量的过程，当激活稀土离子受到LED芯片光照时，被激活的离子吸收能量，能级受到激发，外层电子跃迁到激发态，然后从高能量的激发态回到低能量的基态时会将多余的能量以光的形式释放出去，即辐射发光[4]，这个过程就产生了白光。

不同的激活离子，其激发光谱和发射光谱是不同的，激活离子的激发光谱是一个范围值，其值越宽，越能够适应多种芯片，而激活离子的发射光谱越宽，就越能发射出更多的颜色，最终的显色性就越好[5]。

3.1 常见LED荧光粉组合方案

目前市场上可实现LED白光的荧光粉组合如下：

①将黄色荧光粉覆盖在蓝光LED芯片上，LED芯片发射的蓝光，激发了黄色荧光粉，发出白光。这种白光显示指数较低，光效也不高。

②将绿色荧光粉和红色荧光粉混合，覆盖在蓝光LED芯片上，LED芯片发出的蓝光，激发绿色荧光粉发出绿光，同时激发红色荧光粉发出红光，3种光色混合在一起，发出白光。这种方法相比第一种显示指数和光效提高了不少[6]。

③将多种颜色的荧光粉（通常是红绿蓝）混合，覆盖在紫光LED芯片上，通过紫色的光激发混合荧光粉，产生白光。这种方法目前还在研发阶段，具有巨大的潜力。

④在1个支架上同时封装红绿蓝3种颜色的芯片，通过混光达到白光的目的。这种方法的缺点是芯片老化性能不一，颜色漂移严重。

⑤硒化锌（ZnSe）单色芯片，它是自身的蓝光加黄光组合成白光，目前还处在研发阶段，具有巨大潜力。

现在业界公认产生白光效率最佳的是第2种方案：蓝光LED芯片搭配绿色荧光粉与红色荧光粉。这也是目前市场上的主流方案，而绿色荧光粉与红色荧光粉也正是掌握着LED产品的光效和显示指数的2把关键钥匙。

3.2 LED红色荧光粉和绿色荧光粉的特点

绿色荧光粉的特点是颗粒大，光效高，增加绿色荧光粉的配比，可以迅速提升产品的光效，但是其光谱中缺少红光，所以光谱不完整，显色性较低。因此，加入红色荧光粉刚好能弥补其缺失的光谱，但是另一方面红色荧光粉光效较低，加入红色荧光粉，就不得不牺牲一部分光效，并且红色荧光粉配比少，光效上不去；配比多，光效又下降明显。因此，搭配多少红色荧光粉，能够使得2种荧光粉达到光效和显示指数的平衡，成为长期困扰业界的一个技术难题，这也是本文研究的重点。

4 LED荧光粉配比的研究

目前市场上的LED灯丝产品，光效达到130 lm/W就称为高光效产品，而显示指数（RA）达到90就是高显指产品。但是市场上鲜有光效达到130 lm/W而RA又能达到90的“完美”产品，这也是受制于红绿2种荧光粉互相矛盾的特点而导致的结果。随着时代的发展，人们的需求不断提升，需要在绿色荧光粉和红色荧光粉之间找到平衡点，既能达到光效的要求，也要满足显示指数的要求。

在此背景下，本研究接下来会对LED灯丝的荧光粉方案进行优化，用不同的配比方案进行封装制作样品，测试样品的光电参数，寻找能达到显示指数和光效的平衡点的配比方案。

LED封装的原理是用固晶机将锡膏点在支架的镀银电极上，并将芯片固定在点有锡膏的镀银电极上，通过用回流炉进行加热，使锡膏熔融，实现芯片正负极与支架镀银电极之间的焊接。在芯片外涂覆一层荧光粉胶，蓝光激发荧光粉发光，混合得到白光。

本次封装所用设备有：自动扩晶机、固晶机（型号：AD860）、回流炉（型号：日东NT—7A—V2）、精密电子秤、荧光粉搅拌机、点胶机（型号：武藏300DS）、烤箱。

封装所用材料及其技术参数如表1—5。

封装工艺步骤如下：

步骤1：在固晶机上安装好固晶治具；

步骤2：用扩晶机将芯片扩晶后放置于固晶机上；

步骤3：将灯丝支架固定于料架上；

步骤4：在点胶盘中加入适量固晶锡膏；

步骤5：设定程序：印刷电路板（PCB）的设定、固晶点的设定、吸嘴高度的设定、顶针高度的设定、点胶高度和取胶高度的设定；

步骤6：芯片的校准；

步骤7：设定点胶位置，使用单头点胶头，在支架的正负电极上分别进行点胶，目测胶量，根据需要调节锡膏用量；

步骤8：首先单步固晶，锡膏位置与用量合适后，进行连续固晶；

步骤9：回流焊接，将固晶后的支架放入回流焊炉中，进行焊接，根据锡膏的规格书设定设定回流焊炉的参数；

步骤10：涂覆荧光粉胶，调节点胶机，进行对点和程序的选择，对灯丝支架进行涂覆作业；

步骤11：烘烤固化。

其中，回流焊是一道关键工序，为了达到最好的回流焊接效果，降低固晶锡膏的空洞率，进而达到降低焊接电阻的目的，温度设置依据厂商提供的固晶锡膏的规格书中给出的建议回流温度曲线，如图1。

从图1中可以看出，横坐标为回流时间，纵坐标为回流温度，其分为预热区、升温区、稳定区、降温区4个部分，在0～2min属于预热区，温度稳定在30℃左右；在2～3min时间，是属于升温区，温度在1min的时间内从30℃升到220℃；随后在3～4min的时间内，温度恒定在 240℃左右；最后在4～5min时间，温度从240℃降到60℃左右。由于使用的回流炉有7个温区，为了尽量满足规格书中的回流曲线，按照表6设置了回流参数。

接下来，荧光粉胶的配比是本次实验的重点工作，由之前的实验发现，如果红绿粉按1∶9配比，会出现光效太高而显示指数不够的情况，因此本次实验将逐步增加红粉的用量，把红绿粉的配比，从1∶9逐渐升高到1.4∶8.6，如表7。

最后的烘烤固化步骤，根据硅胶规格书的建议，设定烘烤温度为150℃，烘烤时间是3h。

通过以上步骤，最终制成了LED灯丝产品，把各方案的实验样品在同一条件下，进行光电参数的测试，测试结果如表8。

通过表8，可以看出，随着红粉逐渐增加，样品的光效从150 lm/W左右逐渐降低到130 lm/W左右，色温也从3 600K左右逐渐降低到3100K左右，而显示指数从78左右逐渐升高到90左右。根据目前主流市场的需求，需要达到光效130 lm/W，RA为90的技术指标。因此，方案5也就是绿色荧光粉比红色荧光粉为8.6∶1.4是最符合技术要求的配比方案。

5 结语

荧光粉是将LED芯片的蓝光转化为白光的关键材料，通过对LED荧光粉原理的学习和对市场的调研，了解到最常用的生产方案是绿、红荧光粉搭配的技术方案，其中绿色荧光粉光效高，而红色荧光粉RA高。从理论上讲，为了追求光效，在一定程度内可以适当多加绿色荧光粉，少加红色荧光粉；相反，如果要追求显示指数，则应该在一定程度内少加绿色荧光粉，多加红色荧光粉。通过加红色荧光粉，可以降低LED产品最后发出光线的色温，因此通过调整绿色荧光粉和红色荧光粉的比例，可以控制LED照明的光效、显示指数与色温3个参数。在实验中也证明这一理论的正确，从最开始的绿色荧光粉和红色荧光粉的比例为9∶1，到后面的8.6∶1.4，绿色荧光粉比例在下降，红色荧光粉的比例在上升，结果也导致光效从150l m / W降到130 lm/W，而从80上升到90，同时色温也从3600降低到3 100，意味着色调越来越偏暖色。相对于目前LED灯丝国内外市场100～120 lm/W的光效和RA70～80的显示指数，此技术已经完成了全面的超越。综合考虑到光效和显示指数的平衡，绿色荧光粉和红色荧光粉的比例为8.6∶1.4的方案是应用范围最广且最为合适的配比方案。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.016

參考文献

[1] 程绪林.一种恒流无感LED驱动芯片的设计与应用[D].成都：电子科技大学微电子与固体电子学院，2017.

[2] 于天宝.一种光强空间分布均匀的LED灯：2016103405530[P].2016—05—18.

[3] 于天宝.一种LED灯丝：2016107125825[P].2016—08—22.

[4] 张帆，张宝坦，李茹，等.LED荧光粉发展现状及趋势[J].照明工程学报.2010（3）：43—45.

[5] 赵前程.LED用新型YAG荧光材料的制备和性能研究[D].上海：上海应用技术大学材料科学与工程学院，2018.

[6] 雷勇.功率型白光LED热效应研究[D].广州：华南师范大学信息光电子科技学院，2006.