白光LED正朝着更高光效、更好光色品质、更高封装密度和更高信赖性方向发展。其中的氮化物红色荧光粉的性能直接影响到白光LED的光效、色温、显色指数以及使用寿命,特别是其抗高温高湿性能的优劣对于中高功率器件的光效维持率及抗色漂性能起着至关重要的作用。博睿光电氮化物红粉包覆课题组在深入理解SCASN/CASN红粉高温高湿劣化机理的基础上,运用独有无机-有机复合包覆技术显著改善了SCASN红粉抗高温高湿劣化性能。

随着白光LED技术的不断发展,LED封装形式经历了直插式、表面贴装(SMD)、集成封装(COB)等不同封装结构,白光LED的功率和封装密度不断增加,特别是随着EMC、WLP以及CSP等新型封装形式的兴起,白光LED的封装密度和功率密度大幅提升。作为白光LED的重要组成材料的荧光粉将处于极端恶劣的应用环境中,一方面由于白光LED较高的功率密度导致LED芯片的工作温度显著提升;另一方面由于蓝光芯片光子密度的激增导致荧光粉在激发过程中因非辐射跃迁释放的热量在荧光粉颗粒中集聚,两方面原因的综合影响使得荧光粉的工作温度可能达到150-220℃。同时,透过封装胶体浸入的水气与荧光粉自身的高温形成的高温高湿环境是荧光粉必须面对的更为严峻的考验。相较于化学稳定性优异的铝酸盐黄绿粉(包括LuAG和Ga-YAG),氮化物红粉(包括SCASN和CASN两个系列)在高温高湿下的稳定性能对高显色白光LED的光衰和色漂移等关键指标将起着决定性的影响。

建立SCASN红粉快速评价系统

为了对红粉信赖性方面的性能进行准确评价,博睿光电在研究中对高温高湿蒸煮的实验条件进行了以下调整:将加热温度控制在125℃左右,使得荧光粉在相对温和的蒸煮条件下缓慢发生劣化;适当延长蒸煮时间,更为细致的研究红粉的劣化行为。具体的蒸煮处理条件为0.18 MPa、100%RH和125℃。氮化物红粉的性能评价包括两部分:一部分是将荧光粉进行蒸煮处理,每隔一定时段取出部分荧光粉样品,进行微观形貌及亮度对比测试;另一部分是将蒸煮的几种荧光粉采用相同的封装形式进行封装,制作成灯珠,测试灯珠的性能指标变化。最后通过综合上述两个方面的测试数据对氮化物红粉信赖性优劣进行快速评价。

图1a和图1b分别为未改进的SCASN红粉经72 h蒸煮前后的扫描电镜(SEM)照片,由图可见,经蒸煮后,红粉颗粒出现了明显的开裂或解理现象,同时红粉的发光亮度降低了13%。说明在蒸煮产生的高温高压环境中红粉与水汽产生了缓慢的化学反应,反应过程在粉体内部产生了较大内应力导致了粉体的开裂(该反应过程导致粉体内部内应力不断增加并持续累积,最终导致粉体开裂)。

表面修饰改善SCASN红粉抗高温高湿劣化性能

为了提高SCASN红粉高温高湿劣化性能,博睿光电氮化物红粉包覆课题组经过多年的攻关,解决了SCASN红粉进行无机-有机复合包覆中所存在的亲和性等关键性难题,独创了荧光粉表面修饰技术,显著改善了SCASN红粉抗高温高湿劣化性能。

图2为SCASN红粉表面复合包覆纳米Al2O3/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)蒸煮前后的SEM照片,由图可见SCASN红粉复合包覆纳米Al2O3/PMMA后,蒸煮96 h后无粉体开裂产生,即使高温蒸煮168 h,红粉颗粒基本保持完整,仅有少许颗粒产生开裂,说明经过复合包覆后,红粉的抗高温高湿劣化性能得到了显著提升。

图3显示了改进前后两个样品经过蒸煮处理后再进行封装,通过比较光衰和色飘幅度大小可以评价信赖性的好坏。如图所示,改进前样品由于稳定性能很差,光衰和色漂幅度分别超过了4%和3%,而经纳米Al2O3/PMMA复合包覆后,改进后样品的光衰和色漂幅度均小于1%,红粉劣化得到了有效的遏制,进一步说明了红粉经纳米Al2O3+PMMA复合包覆改性后,红粉的抗高温高湿劣化性能能得到了较显著提升。这与微观形貌变化规律相一致。

本课题组采用独特的包覆技术在荧光粉表面形成一层纳米尺度的氧化铝膜,同时该膜层具有良好的疏水特性,该膜层在红粉表面形成连续执迷包覆,可有效阻挡水汽扩散入侵;而PMMA包覆是以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体在红粉表面通过原位聚合技术形成致密聚合物PMMA膜。通过我们的前期研究发现,PMMA膜也可有效阻隔水汽,但是由于PMMA和氮化物红粉的界面作用力较弱,PMMA膜难以长期稳定的包裹在氮化物红粉的表面,因此效果相对有限。为此,本研究开发出的全新无机-有机复合包覆技术,可以有效的结合这两种膜层材料的优势,上面的测试结果也充分证明了本技术的运用取得了更好的改进效果。

结论

随着白光LED向着更高光效、更好的光色品质、更高封装密度和更高的稳定性方向不断发展,给白光LED用荧光粉带来更多的挑战。博睿光电的研究工作主要包括两个方面,一方面旨在为封装企业提供一种评价荧光粉信赖性的快速方法,另一方面,通过本公司运用独创的表面修饰技术对高显色白光LED用SCASN红粉进行了无机-有机复合包覆,通过高温高压蒸煮实验结合SEM和封装测试评价包覆改性对红粉性能的影响,研究发现,通过对SCASN红粉进行纳米Al2O3/PMMA联合包覆,有效遏制了SCASN红粉抗高温高湿劣化。目前,本研究产品已经实现量产,并在部分高端客户获得应用。