LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案*

王宇陽(yáng)

（佛山市航光電子科技有限公司）

LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案*

王宇陽(yáng)

（佛山市航光電子科技有限公司）

基于LED關(guān)鍵制作工藝中點(diǎn)膠工序的產(chǎn)品一致性問(wèn)題，提出一種LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案，通過(guò)點(diǎn)膠、測(cè)量和補(bǔ)膠的工藝方案，解決了初次點(diǎn)膠偏離目標(biāo)色坐標(biāo)較遠(yuǎn)的問(wèn)題?；谏葘W(xué)理論建模，建立LED芯片和熒光粉峰值功率與點(diǎn)膠量V1的方程組，并通過(guò)該方程組計(jì)算目標(biāo)色坐標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)膠量V2，從而得到修補(bǔ)膠量ΔV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方案能有效提升LED模組的光色一致性，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

LED模塊；熒光粉膠；在線修補(bǔ)

0 引言

白光LED作為一種新型照明光源廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但其關(guān)鍵制作工藝點(diǎn)膠工序的產(chǎn)品一致性問(wèn)題，是限制LED產(chǎn)能的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。白光LED的發(fā)光原理是采用藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉發(fā)射紅、黃色熒光，混合得到白光光源，其光色特性取決于每次點(diǎn)膠量和熒光粉濃度?，F(xiàn)有點(diǎn)膠工藝將熒光粉膠存儲(chǔ)在針管中，然后通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)每次點(diǎn)固定量的熒光粉膠在LED模塊上；然而由于熒光粉存在沉降特性，隨著時(shí)間推移，針管底部熒光粉濃度會(huì)增加，導(dǎo)致產(chǎn)品光色一致性降低[3-4]。目前的解決方案是通過(guò)隨機(jī)抽樣點(diǎn)膠后的LED產(chǎn)品，檢測(cè)其光色特性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整點(diǎn)膠機(jī)的點(diǎn)膠量。此方法存在以下問(wèn)題：無(wú)法修正已點(diǎn)膠產(chǎn)品的光色特性；人工抽檢的方式效率低；通過(guò)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整點(diǎn)膠量不準(zhǔn)確。

為克服現(xiàn)有LED點(diǎn)膠工藝問(wèn)題，本文提出一種LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)膠、測(cè)試和補(bǔ)膠的全自動(dòng)化，減少人工干預(yù)、提高LED產(chǎn)品光色一致性。

1 LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案

1.1 在線修補(bǔ)裝置及工藝流程

本文提出的LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案主要包括初次點(diǎn)膠、積分球測(cè)量光譜參數(shù)和補(bǔ)膠3個(gè)步驟。為自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述步驟，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)裝置，如圖1所示。

圖1 LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)裝置示意圖

該裝置主要包括點(diǎn)膠機(jī)、積分球和光譜儀。工藝流程如圖2所示。其核心是基于采集的信息計(jì)算修補(bǔ)膠量，使LED模塊色坐標(biāo)接近目標(biāo)色坐標(biāo)，以提高產(chǎn)品光色一致性。

圖2 LED模塊熒光粉膠在線點(diǎn)膠、修補(bǔ)工藝流程

1.2 修補(bǔ)膠量建模

點(diǎn)膠后，可得到當(dāng)時(shí)熒光粉的膠量為V1；LED模組的光譜分布芯片峰值功率和熒光粉峰值功率至此可計(jì)算此時(shí)LED芯片的光譜、熒光粉和LED模塊的光譜為

由于熒光粉膠吸收藍(lán)光，導(dǎo)致芯片光譜功率下降，熒光粉將藍(lán)光吸收，激發(fā)出熒光。假設(shè)此時(shí)LED芯片功率、波長(zhǎng)、熒光粉濃度不發(fā)生變化，那么可得到點(diǎn)膠量V與的函數(shù)關(guān)系為

這種函數(shù)關(guān)系可通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合的結(jié)果往往是非線性的[6]。但在補(bǔ)粉階段，由于LED模組的色坐標(biāo)已經(jīng)非常接近目標(biāo)位置，增補(bǔ)粉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于之前的點(diǎn)膠量，因此可在局部范圍內(nèi)假設(shè)其為線性變化，即

理想的色坐標(biāo)（x0,y0）若在（xchip,ychip）和（xp,yp）直線上，則理想芯片功率與熒光粉激發(fā)光譜功率比例R根據(jù)顏色相加理論可得

因此，計(jì)算實(shí)際應(yīng)點(diǎn)膠量V2為

則，增補(bǔ)熒光粉膠量ΔV＝V2-V1。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

白光LED用熒光粉主要含有鋁酸鹽、硅酸鹽和氮化物3類(lèi)，其中鋁酸鹽類(lèi)熒光粉因其量子效率高、高溫穩(wěn)定性好、工藝操作簡(jiǎn)易，且激發(fā)光譜與藍(lán)光芯片的發(fā)射光譜重合度好，能有效吸收芯片藍(lán)光，在白光LED中應(yīng)用最為廣泛[8-9]。為此，本文采用黃色YAG熒光粉作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用的LED芯片為3W，中心波長(zhǎng)為460 nm，色坐標(biāo)（0.1384，0.0523）。采用YAG-04黃色熒光粉作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其峰值波長(zhǎng)為558 nm，色坐標(biāo)（0.4504，0.5331）。熒光粉膠采用AB膠，混合比例為A：B：YAG = 0.45：0.45：0.1。

點(diǎn)膠機(jī)和補(bǔ)膠機(jī)針管內(nèi)為同一批次的熒光粉膠，保證具有相同的沉淀效果。本實(shí)驗(yàn)以5700 K的BIN為目標(biāo)，根據(jù)顏色相加理論可知，此LED與YAG混合得到的白光最接近5700 K中心（0.3287，0.3417）的理想色坐標(biāo)為（0.3280，0.3443），以5700 K的LED BIN中心的3階、5階、7階麥克亞當(dāng)橢圓[10]，如圖3所示。

圖3 5700 K LED BIN中心及色容差分布圖

為了避免初次點(diǎn)膠過(guò)多，導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法增膠進(jìn)行修補(bǔ)，因此點(diǎn)膠量略低于經(jīng)驗(yàn)值，共進(jìn)行10次點(diǎn)膠，每次間隔1分鐘。記錄每次點(diǎn)膠的膠量V1，積分球測(cè)量點(diǎn)膠后的LED模塊色坐標(biāo)LED芯片峰值功率 和熒光粉峰值功率按照1.2節(jié)提出的修補(bǔ)方案計(jì)算修補(bǔ)膠量ΔV；然后，再次測(cè)量修補(bǔ)之后的LED模塊色坐標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)10次點(diǎn)膠測(cè)得的結(jié)果如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)初次點(diǎn)膠后，LED模塊的色坐標(biāo)點(diǎn)距離5700 K中心偏差較大，甚至7個(gè)LED模塊的色坐標(biāo)落在6500 K LED BIN內(nèi)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。以5700 K LED BIN為中心繪制的麥克亞當(dāng)橢圓中，2個(gè)在5 SDCM內(nèi)，4個(gè)在7 SDCM內(nèi)，4個(gè)在7 SDCM外。

表1 LED模塊初次點(diǎn)膠后測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 初次點(diǎn)膠（方形）和修補(bǔ)后（圓形）的色坐標(biāo)分布圖

通過(guò)1.2節(jié)提出的修補(bǔ)方案，計(jì)算得到修補(bǔ)膠量ΔV和測(cè)量修補(bǔ)后LED模塊的色坐標(biāo)如表2和圖4所示。從圖4可以看出，補(bǔ)膠后LED模組色坐標(biāo)全部進(jìn)入5700 K LED BIN中，并且更接近其中心。從光色一致性看，補(bǔ)膠后LED模塊的色坐標(biāo)更加集中。以5700 K LED BIN為中心的繪制的麥克亞當(dāng)橢圓中，有3個(gè)在3 SDCM內(nèi)，6個(gè)在5 SDCM內(nèi)，1個(gè)在7 SDCM內(nèi)。

表2 LED模塊補(bǔ)膠量及測(cè)量得到的色坐標(biāo)

實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案能有效提升LED模組的光色一致性，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品一致性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種LED模塊熒光粉膠在線修補(bǔ)方案，通過(guò)點(diǎn)膠、測(cè)量和補(bǔ)膠的工藝方案，解決初次點(diǎn)膠偏離目標(biāo)色坐標(biāo)較遠(yuǎn)的問(wèn)題。方案基于色度學(xué)理論建模，建立LED芯片和熒光粉峰值功率與點(diǎn)膠量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并基于該對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算到目標(biāo)色坐標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)膠量，從而得到修補(bǔ)膠量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方案能有效提升LED模組的光色一致性，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。并且該方案還可用于修正初次點(diǎn)膠量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，減少人工干預(yù)，提升點(diǎn)膠工藝的自動(dòng)化程度。

[1] 馮瀚.熒光粉沉降問(wèn)題對(duì)LED光學(xué)一致性的影響[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[2] 劉宗源.大功率LED封裝設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

[3] 王依蔓.大功率LED用熒光粉膠中顆粒沉淀現(xiàn)象理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

[4] Hu Run, Luo Xiaobing, Han Feng, et al. Effect of phosphor settling on the optical performance of phosphor-converted white light-emitting diode[J]. Journal of Luminescence, 2012,132(5):1252-1256.

[5] 詹鈺君.大功率白光LED熒光粉測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[6] 賈龍昌.熒光粉沉降導(dǎo)致的白光LED色溫漂移及其解決辦法[D].南京:東南大學(xué),2015.

[7] Ohta N, Robertson A R. Colorimetry: fundamentals and applications [M]. US：John Wiley & Sons, 2006.

[8] 嚴(yán)小松.白光LED用熒光材料的制備與性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

[9] 解文杰.白光LED用硅基氧氮化物熒光粉的研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[10] Macadam D L. Visual sensitivities to color differences in daylight[J]. Journal of the Optical Society of America, 1942, 32(5):247-274.

Online Correction of LED Module Phosphor Glue

Wang Yuyang
(Foshan Hang Guang Electronic Technology Co., Ltd.)

White LED as a new type of lighting has been widely used in all walks of life, but its key production process in the dispensing process of product consistency is a key issue to limit the LED production capacity. In this paper, a kind of LED module phosphor patch online patch program, through the dispensing, measurement, filling the process program to solve the initial dispensing deviation from the target color coordinates of the problem. Based on the theory of chromaticity modeling, the correspondence between the peak power of LED chip and phosphor and the dispensing volume V1is established. And the dispensing amount V2of the target color coordinate point is calculated based on the correspondence relationship. The experimental results show that the proposed scheme can effectively improve the color consistency of LED module and improve the product quality.

LED Module; Phosphor Glue; Online Correction

王宇陽(yáng)，男，1990年生，本科，主要研究方向：半導(dǎo)體照明關(guān)鍵工藝研究與自動(dòng)化、智能化改造等。E-mail: 2547562967@qq.com

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“面向LED 光組件大規(guī)模制造的光色品質(zhì)精確控制全自動(dòng)裝備研制”（2015B010133004）