博睿光電通過表面修飾改善SCASN紅粉高溫高濕劣化
發布時間：
2016-04-15
白光LED正朝著更高光效、更好光色品質、更高封裝密度和更高信賴性方向發展。其中的氮化物紅色熒光粉的性能直接影響到白光LED的光效、色溫、顯色指數以及使用壽命，特別是其抗高溫高濕性能的優劣對于中高功率器件的光效維持率及抗色漂性能起著至關重要的作用。博睿光電氮化物紅粉包覆課題組在深入理解SCASN/CASN紅粉高溫高濕劣化機理的基礎上，運用獨有無機-有機復合包覆技術顯著改善了SCASN紅粉抗高溫高濕劣化性能。
隨著白光LED技術的不斷發展，LED封裝形式經歷了直插式、表面貼裝(SMD)、集成封裝(COB)等不同封裝結構，白光LED的功率和封裝密度不斷增加，特別是隨著EMC、WLP以及CSP等新型封裝形式的興起，白光LED的封裝密度和功率密度大幅提升。作為白光LED的重要組成材料的熒光粉將處于極端惡劣的應用環境中，一方面由于白光LED較高的功率密度導致LED芯片的工作溫度顯著提升;另一方面由于藍光芯片光子密度的激增導致熒光粉在激發過程中因非輻射躍遷釋放的熱量在熒光粉顆粒中集聚，兩方面原因的綜合影響使得熒光粉的工作溫度可能達到150-220℃。同時，透過封裝膠體浸入的水氣與熒光粉自身的高溫形成的高溫高濕環境是熒光粉必須面對的更為嚴峻的考驗。相較于化學穩定性優異的鋁酸鹽黃綠粉(包括LuAG和Ga-YAG)，氮化物紅粉(包括SCASN和CASN兩個系列)在高溫高濕下的穩定性能對高顯色白光LED的光衰和色漂移等關鍵指標將起著決定性的影響。
建立SCASN紅粉快速評價系統
為了對紅粉信賴性方面的性能進行準確評價，博睿光電在研究中對高溫高濕蒸煮的實驗條件進行了以下調整：將加熱溫度控制在125℃左右，使得熒光粉在相對溫和的蒸煮條件下緩慢發生劣化;適當延長蒸煮時間，更為細致的研究紅粉的劣化行為。具體的蒸煮處理條件為0.18 MPa、100%RH和125℃。氮化物紅粉的性能評價包括兩部分：一部分是將熒光粉進行蒸煮處理，每隔一定時段取出部分熒光粉樣品，進行微觀形貌及亮度對比測試;另一部分是將蒸煮的幾種熒光粉采用相同的封裝形式進行封裝，制作成燈珠，測試燈珠的性能指標變化。最后通過綜合上述兩個方面的測試數據對氮化物紅粉信賴性優劣進行快速評價。
圖1a和圖1b分別為未改進的SCASN紅粉經72 h蒸煮前后的掃描電鏡(SEM)照片，由圖可見，經蒸煮后，紅粉顆粒出現了明顯的開裂或解理現象，同時紅粉的發光亮度降低了13%。說明在蒸煮產生的高溫高壓環境中紅粉與水汽產生了緩慢的化學反應，反應過程在粉體內部產生了較大內應力導致了粉體的開裂(該反應過程導致粉體內部內應力不斷增加并持續累積，最終導致粉體開裂)。
表面修飾改善SCASN紅粉抗高溫高濕劣化性能
為了提高SCASN紅粉高溫高濕劣化性能，博睿光電氮化物紅粉包覆課題組經過多年的攻關，解決了SCASN紅粉進行無機-有機復合包覆中所存在的親和性等關鍵性難題，獨創了熒光粉表面修飾技術，顯著改善了SCASN紅粉抗高溫高濕劣化性能。
圖2為SCASN紅粉表面復合包覆納米Al2O3/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)蒸煮前后的SEM照片，由圖可見SCASN紅粉復合包覆納米Al2O3/PMMA后，蒸煮96 h后無粉體開裂產生，即使高溫蒸煮168 h，紅粉顆粒基本保持完整，僅有少許顆粒產生開裂，說明經過復合包覆后，紅粉的抗高溫高濕劣化性能得到了顯著提升。
圖3顯示了改進前后兩個樣品經過蒸煮處理后再進行封裝，通過比較光衰和色飄幅度大小可以評價信賴性的好壞。如圖所示，改進前樣品由于穩定性能很差，光衰和色漂幅度分別超過了4%和3%，而經納米Al2O3/PMMA復合包覆后，改進后樣品的光衰和色漂幅度均小于1%，紅粉劣化得到了有效的遏制，進一步說明了紅粉經納米Al2O3+PMMA復合包覆改性后，紅粉的抗高溫高濕劣化性能能得到了較顯著提升。這與微觀形貌變化規律相一致。
本課題組采用獨特的包覆技術在熒光粉表面形成一層納米尺度的氧化鋁膜，同時該膜層具有良好的疏水特性，該膜層在紅粉表面形成連續執迷包覆，可有效阻擋水汽擴散入侵;而PMMA包覆是以甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體在紅粉表面通過原位聚合技術形成致密聚合物PMMA膜。通過我們的前期研究發現，PMMA膜也可有效阻隔水汽，但是由于PMMA和氮化物紅粉的界面作用力較弱，PMMA膜難以長期穩定的包裹在氮化物紅粉的表面，因此效果相對有限。為此，本研究開發出的全新無機-有機復合包覆技術，可以有效的結合這兩種膜層材料的優勢，上面的測試結果也充分證明了本技術的運用取得了更好的改進效果。
結論
隨著白光LED向著更高光效、更好的光色品質、更高封裝密度和更高的穩定性方向不斷發展，給白光LED用熒光粉帶來更多的挑戰。博睿光電的研究工作主要包括兩個方面，一方面旨在為封裝企業提供一種評價熒光粉信賴性的快速方法，另一方面，通過本公司運用獨創的表面修飾技術對高顯色白光LED用SCASN紅粉進行了無機-有機復合包覆，通過高溫高壓蒸煮實驗結合SEM和封裝測試評價包覆改性對紅粉性能的影響，研究發現，通過對SCASN紅粉進行納米Al2O3/PMMA聯合包覆，有效遏制了SCASN紅粉抗高溫高濕劣化。目前，本研究產品已經實現量產，并在部分高端客戶獲得應用。