博睿光電通過表面修飾改善SCASN紅粉高溫高濕劣化
發(fā)布時(shí)間：
2016-04-15
白光LED正朝著更高光效、更好光色品質(zhì)、更高封裝密度和更高信賴性方向發(fā)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(shù)以及使用壽命，特別是其抗高溫高濕性能的優(yōu)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(guān)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(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用獨(dú)有無機(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆技術(shù)顯著改善了SCASN紅粉抗高溫高濕劣化性能。
隨著白光LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED封裝形式經(jīng)歷了直插式、表面貼裝(SMD)、集成封裝(COB)等不同封裝結(jié)構(gòu)，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(yīng)用環(huán)境中，一方面由于白光LED較高的功率密度導(dǎo)致LED芯片的工作溫度顯著提升;另一方面由于藍(lán)光芯片光子密度的激增導(dǎo)致熒光粉在激發(fā)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(dá)到150-220℃。同時(shí)，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(huán)境是熒光粉必須面對的更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。相較于化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)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(gè)系列)在高溫高濕下的穩(wěn)定性能對高顯色白光LED的光衰和色漂移等關(guān)鍵指標(biāo)將起著決定性的影響。
建立SCASN紅粉快速評價(jià)系統(tǒng)
為了對紅粉信賴性方面的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，博睿光電在研究中對高溫高濕蒸煮的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了以下調(diào)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(fā)生劣化;適當(dāng)延長蒸煮時(shí)間，更為細(xì)致的研究紅粉的劣化行為。具體的蒸煮處理?xiàng)l件為0.18 MPa、100%RH和125℃。氮化物紅粉的性能評價(jià)包括兩部分：一部分是將熒光粉進(jìn)行蒸煮處理，每隔一定時(shí)段取出部分熒光粉樣品，進(jìn)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(jìn)行封裝，制作成燈珠，測試燈珠的性能指標(biāo)變化。最后通過綜合上述兩個(gè)方面的測試數(shù)據(jù)對氮化物紅粉信賴性優(yōu)劣進(jìn)行快速評價(jià)。
圖1a和圖1b分別為未改進(jìn)的SCASN紅粉經(jīng)72 h蒸煮前后的掃描電鏡(SEM)照片，由圖可見，經(jīng)蒸煮后，紅粉顆粒出現(xiàn)了明顯的開裂或解理現(xiàn)象，同時(shí)紅粉的發(fā)光亮度降低了13%。說明在蒸煮產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境中紅粉與水汽產(chǎn)生了緩慢的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程在粉體內(nèi)部產(chǎn)生了較大內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致了粉體的開裂(該反應(yīng)過程導(dǎo)致粉體內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力不斷增加并持續(xù)累積，最終導(dǎo)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(jīng)過多年的攻關(guān)，解決了SCASN紅粉進(jìn)行無機(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆中所存在的親和性等關(guān)鍵性難題，獨(dú)創(chuàng)了熒光粉表面修飾技術(shù)，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(fù)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(fù)合包覆納米Al2O3/PMMA后，蒸煮96 h后無粉體開裂產(chǎn)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(chǎn)生開裂，說明經(jīng)過復(fù)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(jìn)前后兩個(gè)樣品經(jīng)過蒸煮處理后再進(jìn)行封裝，通過比較光衰和色飄幅度大小可以評價(jià)信賴性的好壞。如圖所示，改進(jìn)前樣品由于穩(wěn)定性能很差，光衰和色漂幅度分別超過了4%和3%，而經(jīng)納米Al2O3/PMMA復(fù)合包覆后，改進(jìn)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(jìn)一步說明了紅粉經(jīng)納米Al2O3+PMMA復(fù)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(guī)律相一致。
本課題組采用獨(dú)特的包覆技術(shù)在熒光粉表面形成一層納米尺度的氧化鋁膜，同時(shí)該膜層具有良好的疏水特性，該膜層在紅粉表面形成連續(xù)執(zhí)迷包覆，可有效阻擋水汽擴(kuò)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(shù)形成致密聚合物PMMA膜。通過我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(fā)出的全新無機(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆技術(shù)，可以有效的結(jié)合這兩種膜層材料的優(yōu)勢，上面的測試結(jié)果也充分證明了本技術(shù)的運(yùn)用取得了更好的改進(jìn)效果。
結(jié)論
隨著白光LED向著更高光效、更好的光色品質(zhì)、更高封裝密度和更高的穩(wěn)定性方向不斷發(fā)展，給白光LED用熒光粉帶來更多的挑戰(zhàn)。博睿光電的研究工作主要包括兩個(gè)方面，一方面旨在為封裝企業(yè)提供一種評價(jià)熒光粉信賴性的快速方法，另一方面，通過本公司運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的表面修飾技術(shù)對高顯色白光LED用SCASN紅粉進(jìn)行了無機(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆，通過高溫高壓蒸煮實(shí)驗(yàn)結(jié)合SEM和封裝測試評價(jià)包覆改性對紅粉性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，通過對SCASN紅粉進(jìn)行納米Al2O3/PMMA聯(lián)合包覆，有效遏制了SCASN紅粉抗高溫高濕劣化。目前，本研究產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并在部分高端客戶獲得應(yīng)用。