LED荧光粉在封装端的可靠性验证

    led(Light Emitting Diode)是一种发光组件，其结构实际上是一个半导体的PN结，基本的工作机理是一个电光转换过程。即当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。对于一个真实的PN结型器件，通常P区的载流子浓度远大于N区，致使N区非平衡空穴的积累远大于P区的电子积累（对于NP结，情况正好相反）。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，从而达到发光的效果。LED有工作寿命长、耗电低、、响应时间快、体积小、重量轻、耐冲击、易于调光、调色、可控性大、绿色、环保等优点，可预期将被广泛地应用在很多光源市场。特别是贴片式白光LED，其在应用端的可应用于背光、装饰以及照明等方面，而且其未来的应用市场将会日趋扩大普及，并逐渐延伸至其它领域。

　　随着贴片式白光LED（主要原物料如下图一）的广泛使用，荧光粉已成为不可或缺的一部分；大量厂商已经嗅到这个商机（贴片式白光LED封装成本结构如下图二，该信息出自韩国 Displaybank）并开始往荧光粉生产方面发展，导致市场上的荧光粉品牌层出不穷。

 

 

　　LED荧光粉亦可称为稀土荧光粉。因为稀土元素原子具有丰富的电子能级，稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能（如下图三）：
 

　　LED荧光粉按制备方法大致可分为：高温固相法、燃烧合成法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法、水热合成法、化学共沉淀法；其中大部分荧光粉厂商主要使用固相反应法来制备荧光粉（各制备方法优缺点大致如下表）。

制备方法	优点	缺点
高温固相法	工艺简便	合成温度高，能耗大
	荧光粉结晶好	产物团聚严重
	亮度高	颗粒粗大
燃烧合成法	反应时间短	产物物相不纯
	合成温度低	荧光粉亮度低
溶胶-凝胶法	成分均匀	工艺复杂，反应周期长
	反应活性高	荧光粉结晶差
	合成温度低	亮度低
喷雾热解法	成分均匀	颗粒中间存在空腔，易塌陷
	球形颗粒	颗粒表面存在微孔
	分散性好
水热合成法	易控制纯度、粒度	使用有局限性，对设备要求高
		荧光粉亮度低
化学共沉淀法	混合均匀，合成温度低	工艺不够成熟
	工艺简便，适宜工业化生产	产物易出现团聚现象

颜色分类	应用方式
蓝色荧光粉	UV芯片+蓝色荧光粉+绿色荧光粉+红粉荧光粉
绿色荧光粉	蓝光芯片+绿色荧光粉+红色荧光粉
	蓝光芯片+绿色荧光粉+黄色荧光粉
红色荧光粉	蓝光芯片+绿色荧光粉+红色荧光粉
	蓝光芯片+红色荧光粉+黄色荧光粉
黄色荧光粉	蓝光芯片+黄色荧光粉

　　荧光粉按成分大致可分为：铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物（或氮氧化物）荧光粉、硫化物荧光粉，其中铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉的应用占主要部分（各成分荧光粉的激发效率大致如下表）。

成分分类	激发效率
铝酸盐	优
硅酸盐	优
氮化物/ 氮氧化物	差
硫化物	优

　　一般情况下，荧光粉的评估项目包括效率评估、色度评估、可靠性评估以及其它相关参数的评估，其中大部分LED封装厂商将效率评估，色度评估做为评估重点；

　　按目前市场状况，由于各荧光粉厂商的制程技术能力不同，其产品性能也各有优缺点。当然，也有部分商家为了追求暴利，在荧光粉里面添加部分有机粉末或是无机盐（例如硫化物），以次充好。因此，荧光粉的评估重点已不再单单局限于荧光粉自身的效率及色度，其自身的可靠性评估也变得越来越重要了。

　　现阶段相关行业组织在2009年11月17日出台了相应的标准对荧光粉生产进行规范（中华人民共和国电子行业标准SJ/T 11397-2009《半导体发光二极管用荧光粉》），其正式执行时间为2010年1月1日。该标准规定了半导体发光二极管用荧光粉相关的名词术语及其定义，还规定了半导体发光二极管用铝酸盐和硅酸盐荧光粉的要求、试验方法，检测规则及标志、包装、运输和贮存要求。但个人认为，此标准其实更适用于荧光粉生厂商对自身产品的验证，却不能更好的指导 LED封装厂对荧光粉可靠性的验证。

　　那各贴片式 LED封装厂如何在众多的荧光粉品牌之间选择稳定性较好的荧光粉产品；在此，个人提出以下四个荧光粉稳定性验证方案，以供大家讨论：

　　A、荧光粉的耐热性验证：

　　大家可能会遇到这样的问题，有部分终端客户反应我们的产品在经过REFLOW之后，其色温发行偏移；那此偏移到底是由于何种物料造成？是否与荧光粉有关？这是很难分解出各种原物料并来做分析的。

　　那我们应该如何在前期来确定荧光粉其自身的耐热性能呢？大家都知道，荧光粉在被封装成SMD成品时，需要经过150℃左右的烘烤成型，而且终端客户使用时，SMD成品会经过REFLOW组装到PCB上，其回流焊最高温度是260℃。也就是说，荧光粉在前期使用的时候，其经受的最高温度是 260℃。所以，我们可将耐热实验的温度设定在260℃。

　　从以上可知，我们有以下两个验证方案可以选择：

	方案一	方案二
方案内容	将荧光粉放置于260℃的烤箱里直接烘烤	将荧光粉放置于REFLOW中烘烤
加热方式	恒温加热	马鞍型曲线加热
加热曲线	如图四	如图五（该信息出自JEDEC）
优点	可持续加热	接近客户使用方法

 

 

　　由于我们的终端客户实际使用的也是马鞍型的温度曲线，故为能更好的模拟客户的使用方法，使用方案二来验证荧光粉的耐热性是最佳的选择。也许在您进行此项实验之前，您的荧光粉供应商会对您说，荧光粉的烧结温度在1000℃以上，所以用260℃烘烤荧光粉是没有必要的，无论烘烤多少时间荧光粉都是不会分解的。但大家不要忘了，荧光粉制程中还有多道后处理工序（如包膜），其经过后处理工序后的荧光粉颗粒，是否也可以承受 260℃乃至1000℃以上的烘烤而不影响产品的激发效率？如果该荧光粉中添加了其它物质，那此物质是否可以承受260℃而不分解？这就要看各家的后处理工艺如何了。

　　以下是我司采用日东八温区无铅回流焊（上八下八温区）做的相关实验，其中图六是可靠性较好的荧光粉样品，图七是可靠性较差的荧光粉样品，实验证明，采用这方案可以有效验证荧光粉可靠性。

 

                                          

 

　　B、荧光粉的耐湿性验证：

　　我们的终端客户在应用产品的时候，其周围的环境是有一定湿度的，那如果我们的产品发生色温偏移时，那此种情况是否是由于荧光粉自身造成？而我们应该如何在前期就将荧光粉的耐湿性验证做好？

　　通常情况下，当荧光粉与封装胶水充分混合固化后，封装胶水本身会起到一定的防潮隔湿作用，从而保护荧光粉不受水解。但每一款封装胶水自身都有一定的气密性，即水汽可以不同程度的渗透到封装胶体内部，与荧光粉发生相关反应；所以其荧光粉的耐湿性性能，受封装胶水气密性的影响很大。现有封装胶水气密性大致如下表：

封装胶水	气密性
环氧类	优
硅橡胶	差
硅树脂	中

　　由于各封装胶水气密性不同，所以用相同款荧光粉进行耐湿性验证时结果也会不同。这样我们就无法更客观的来验证荧光粉的耐湿性能；

　　为了更客观的验证荧光粉（包括可能添加的物质）的耐湿性能，我们有两种方案来选择。一是将荧光粉放置于中性水里浸泡，二是将荧光粉放置在高湿（90%RH）机里储存。采用第一种方案验证时，其湿度可看成是100%RH，但此种方案对荧光粉来讲比较苛刻（特别是硅酸盐荧光粉，从目前我司的实验结果来看，如下图八，几乎所有荧光粉厂商的产品均无法通过此项实验的）；采用第二种方案验证时，其水是以气态的形式与荧光粉接触，也更接近实际产品失效的机理。（即使是硅酸盐荧光粉，从目前我司的实验结果来看，如下图九，发现一些国外荧光粉厂商的产品在同行业对比中，其耐湿性能较好）

 

 

 

　　C、荧光粉的热稳定性测试

　　荧光粉的耐热性不同于热稳定性，耐热性偏重于荧光粉的前期性能，相对来讲是一个瞬态性验证；而热稳定性则偏重于荧光粉的后期性能，是一个相对较长期的验证；虽然现在业界有些荧光粉测试仪可测试出荧光粉样品在不同温度下的激发效率，但大多数测试仪只是采用对样品粉盘底部加热；而实际上，荧光粉测试仪在测试样品时，是通过接收样品粉盘表面荧光粉激发出来的光谱（原理如图十所示）；由于荧光粉本身的导热系数相对较差，如果采取只加热粉盘底部的方式去测试荧光粉样品，其得到的数值是很不准确的。因为可能机台设定加热温度为120℃，粉盘实际温度也为120℃，但粉盘表面荧光粉则是远低于这个温度的。

　　而相对较好的方式是采用空间加热，即将整个粉盘放于热空气中，使粉盘表面的荧光粉样品充分受热。这种方式的测试结果就比较准确。但相对的设备费用会较昂贵。如LED封装厂进行此项验证，其前期设备投入成本则较高。所以较合理的验证方案是将荧光粉充分混合封装胶水固化成成品后，再进行高温老化。（当然，使用此方案时验证时，应使用信赖性较好的芯片及气密较好，抗衰减性能较好的封装胶水等原物料），经过一定的老化时间再对比其衰减数据（通常情况下是老化1000HRS）。

　　D、荧光粉的抗紫外性能测试
现业界大部分LED都是通过蓝光芯片加荧光粉组成白光，但蓝光芯片本身在紫外部分存在一定的能量，其芯片波段越短，紫外部分的能量会越多，而荧光粉本身会吸收部分的紫外能量并转化为可见光（如图十一）。

 

　　 当荧光粉吸收紫外能量的时候，其也会加速荧光粉自身的老化，特别是在荧光粉的后处理技术较差，荧光粉中添有部分有机粉末或是无机盐（如硫化物）等物质时，其抗紫外性能就更显得重要了。

　　综合以上四个方案，其各自特点如下表：

项目	名称	作用
方案一	耐热性	验证荧光粉前期在瞬态时的耐高温性能
方案二	耐湿性	验证荧光粉的耐湿气性能
方案三	热稳定性	验证荧光粉后期在稳定状态时的耐高温性能
方案四	抗紫外性	验证荧光粉抗紫外能量的性能

　　荧光粉的耐热性、耐湿性、热稳定性、抗紫外性等四个性能决定了荧光粉可靠性能的好坏,只有这四个性能达到一定标准，那才能满足白光LED的使用要求。希望大家能在众多的荧光粉厂商中评估出最适合产品用的荧光粉。