基于空封技术的白光数码管实现方法研究

0 引言
    近年来，在照明领域最引人关注的事件是半导体照明的兴起。20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力，突破了制造蓝光发光数码管的关键技术，并由此开发出以荧光材料覆盖蓝光数码管产生白光光源的技术。在数码管产业链中，主要分为上游半导体衬底生长、中游芯片制造及下游数码管分装技术。对整个数码管器件来说，封装过程是一个非常重要的环节，主要完成输出电信号，保护管芯正常工作，使其不受机械、热、潮湿及其他外部冲击，具有输出可见光等功能，即达到既具有电参数，又具有光参数的设计及技术要求。可见，封装工艺已成为制约数码管器件使用及性能的关键因素。对于白光数码管的开发和制作，封装环节具有更重要的意义。
    我国从20世纪80年代开始研发LED数码管技术，到20世纪90年代，LED的封装业有了一定的发展，但企业总体规模小，工艺水平不够高，这种状况制约了产业的发展，诸多技术瓶颈没有突破，急需在LED封装技术方面有较好的突破，以打开新的数码管市场份额。

1 白光的实现
    依据发光学和色度学原理，实现白光数码管有多种方案，而开发较早、已实现产业化的方案是在数码管芯片上涂敷荧光粉而实现白光发射。
    数码管采用荧光粉实现白光，下述3种方案发展较快：在蓝色芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光；在蓝色芯片上涂覆绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光；在紫光或紫外光芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光(370～380nm)或紫光(380～410 nm)来激发荧光粉而实现白光发射。下面主要介绍以第1种方案为原理实现白光的机制。
    利用波长为460～470 nm的GaN基蓝光芯片发射的蓝色光作为基础光源(图1所示为蓝光芯片在温室，电流为20 mA时的电致发光光谱图)，应用GaN基蓝光芯片所发出的460～470 nm蓝光一部分用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿色光，另一部分蓝光透过荧光粉发射而出。荧光粉发出的黄绿色光与GaN基蓝光芯片发出的透射部分混合形成白光，即白光=蓝+黄的机制，如图2所示。图3是蓝光芯片激发黄色荧光粉所产生的光谱，产生黄光，该黄光与蓝光混合而成白光。

    这种方法存在的2个关键部分是GaN基蓝光芯片和作为光转换的荧光材料。GaN基蓝光芯片的选择不仅要考虑芯片本身的特性，还应兼顾荧光材料的选择。荧光材料的选择必须满足以下2个条件：
    (1)荧光材料的激发光谱必须与所选择的蓝光芯片的发射光谱相匹配。目前国际上常采用波长为460～470 nm的GaN基蓝光芯片作为基础光源，这样就要求荧光材料的激发光谱在460～470 nm，这样可以确保获得更高的光转换效率；荧光材料的发射光谱。
    (2)荧光材料的发射光谱与蓝光芯片的发射光谱能够匹配成白光，从CIEl931色坐标图可以看出，想要匹配成白光，荧光材料的发射光谱应在555 nm左右。基于上述技术要求，普遍选用YAG：Ce3+光转换材料。
    由于这种方法采用单颗芯片与单种荧光粉，主要采用YAG：Ce3+荧光粉转换效率高，操作上较易实现，且没有紫外成份，不会造成紫外辐射污染，是目前制作白光数码管的主要方向。

2 数码管封装技术
    数码管品质优劣的关键在封装。封装技术对数码管的性能、可靠性，起着至关重要的作用。劣质封装会导致数码管光子损失严重，光通量和光效低，光色不均匀，使用寿命短等多种缺点。目前发展的典型白色数码管结构难以适应照明光源的要求，封装用的树脂和光学结构等有待采用新设计思想、新工艺和新材料，以臻工艺完善，适合固体照明光源的发展。在继承其原有优良性能的同时，更重要的是摈弃旧的框架，创新性推出有自己特色的新白光数码管封装技术。
2．1 传统工艺存在的问题
    传统封装工艺存在以下几个问题(图4所示为传统工艺流程图)。灌封胶材料的选择和封胶工艺对数码管光效参数的影响。在数码管使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失主要包括3个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；由于光子在出射界面折射率差而引起反射损失；由于入射角大于全反射临界角而引起全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片与空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，以提高取光效率。

    目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。环氧树脂的固有缺点是耐冲击损伤能力差，韧性差比较脆，耐热性能也较低(小于170℃)。由于硅胶具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，故性能优于环氧树脂。但研究表明，硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响数码管光效和光强分布。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。
2．2 空封技术
    空封技术作为数码管封装的新工艺技术，是在原有技术基础上研制的。在传统数码管工艺的基础上，去掉环氧树脂灌封高温固化2个生产环节。应用已经固晶接好线的线路板套接外壳后，再压盖成型。最后在显示表面贴一张散射膜，以得到生产需要的白色光(图5为应用空封技术制作数码管的工艺流程图)。利用空封技术工艺可以解决传统工艺上的这些问题：

    (1)空封技术制作数码管省掉了封胶、烘烤的制作流程，解除了传统工艺中选择封胶材料难的问题。
    (2)以刷荧光粉工艺技术替代点荧光粉工艺，解决了传统工艺中点荧光粉精度的问题。
    利用新技术制作数码管必须解决以下几个技术问题：
    (1)采用丝印技术、网板印刷以及电子喷墨印刷，制作特制的荧光粉贴膜。制作荧光粉贴膜在采用丝印技术印刷时要注意影响质量的一些问题：首先，在静态时丝网与承印物之间保持一定的距离，距离的大小对丝印的质量影响很大，而距离又与丝网伸长量有关。在正常情况下，即距离最佳时，丝印过程中网版能立即从承印物上弹离开。必须克服印料本身的凝聚力，克服印料和承印物间的张力。其次，刮板与承印物的夹角，一般在50°～55°之间变化，理论上大于45°印出的图案被拉毛，小于45°出现重复印刷，两者均降低丝印精度、因此必须掌握刮板与承印物之间的正确刮印角度。理论上要求刮板与承印物之间的夹角，即刮板的直角刃边为45°，保证一条线与承印物接触的条件，就不可能产生重印和拉毛现象，确保图案光洁和不糊边。总之要求制作特制的荧光粉贴膜必须保证丝网在印刷时厚度与密度的均匀性。
    (2)数码管空封技术研发。铝丝的防氧化和钢化处理，数码管的发光反射均匀性。在空气中，经低温处理的铝丝材料的氧化层中仍含相当数量的碳，氧化反应向内部推进较快，在高温下处理的材料，其氧化层完全脱碳，并形成致密的烧结层而阻碍氧化过程的进行，氧化层深度的增加缓慢。利用适当的表面涂层，可以在低温到高温下宽广的温度区间内形成保护层，以防止含碳材料的继续氧化。铝丝防氧化处理后，氧化时间超过10万小时，铝丝经过钢化处理后，拉力在O．1 V以上。数码管的反射腔及出光通道的优化设计，使数码管笔段的亮度误差小于等于10 ％。
2．3 两种不同工艺对光参数的影响
    两种工艺制作的数码管对光通量及数码管寿命有一定差异。由于传统工艺制作的数码管采用灌封胶材料，该材料层处于芯片和空气之间，从而有效减少光子在界面的损失，提高了取光效率。然而由于新工艺制作的数码管不采用灌封胶层，仅依靠管芯与底板上涂透明绝缘胶来提高出光效率，光子直接向外发射，因光的发射及折射原因，部分光子不能到达外部，造成光子损失。所以初始阶段用新工艺制作的数码管光通量较低。由于灌封胶材料的导热性及光子吸收等原因，在长时间高温工作中会出现寿命及光通量降低的现象。图6是两种封装技术经高温老化时对数码管光衰影响的实验结果。可以看出，新工艺制作的产品在光通量及寿命方面明显优于传统工艺制作的产品。

2．4 采用空封技术工艺生产的数码管实际经济价值
    (1)去掉传统工艺生产白光数码管环氧封胶的流程环节，不使用灌封胶材料，既节约了原材料，又提高了产品的可靠性；
    (2)贴膜技术替代高温固化封胶，可节约能源；新工艺产品成本是传统工艺产品成本的50％左右，价格优势明显。
    利用空封技术研制的白光数码管，采用贴膜工艺，可以避免环氧树脂的污染。去掉高温封胶工序，制造产品的基本节能在原来的一半以上，成本降低显著，有利于扩大市场竞争力。

3 结语
    目前制作的白光数码管主要是通过在蓝光芯片上涂覆黄色荧光粉层，用蓝光与黄光相混合的方法得到的。芯片和荧光粉的匹配性是影响产品电学、光学性能及器件稳定性的重要因素。对整个数码管器件来说，封装过程是一个非常重要的环节，主要完成输出电信号，
保护管芯正常工作，使其不受到机械、热、潮湿及其他外部冲击，具有输出可见光等功能，即达到既具有电参数，又具有光参数的设计及技术要求。本文给出了基于空封技术白光数码管的实现方法，对原数码管的性能有一定提高，成本有较大下降。