logo资料库

大功率LED用荧光粉硅胶固化过程中的颗粒沉淀现象模拟.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.70M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共7页
第2页 / 共7页
第3页 / 共7页
第4页 / 共7页
第5页 / 共7页
第6页 / 共7页
第7页 / 共7页
资料共7页，全文预览结束
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 大功率 LED 用荧光粉硅胶固化过程中的颗 粒沉淀现象模拟 王依蔓，郑 怀，罗小兵 (华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074) 摘要：针对大功率 LED 封装工艺流程中荧光粉颗粒出现沉淀的问题, 基于斯托克斯定律， 在忽略流体惯性力的情况下，通过耦合硅胶固化过程黏时曲线及荧光粉颗粒粒径分布函数建 立了荧光粉颗粒沉淀模型，并借助实验对模型进行了验证。结果表明：该模型较为有效地反 映了荧光粉颗粒的沉淀现象；颗粒沉淀速度与粒径成正比，与黏度成反比，固化开始大约 5 min 后沉淀停止，大颗粒基本停留在底层。该结果可为进一步研究荧光粉颗粒的分布对 LED 的出光及光学一致性的影响提供参考。 关键词：荧光粉沉淀；等温固化；建模 中图分类号：TN305.94 文献标志码：A Modeling on phosphor sedimentation phenomenon during curing process of high power LED packaging (School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wang Yiman, Zheng Huai, Luo Xiaobing Wuhan 430074, China) Abstract: For the problem of the sedimentation of phosphor particles, during the progress of high power LED packaging. In this paper, in case of ignoring the fluid inertia force, a model was developed to investigate phosphor sedimentation phenomenon in silicone during isothermal curing according to the Stokes’ law, and size distribution of phosphor particles and viscosity-time function of silicone during curing were built for the model. And the model was verified by experiments. The results show that the sedimentation velocity is inversely proportional to the viscosity of silicone and proportional to the size of phosphor particle. Phosphor particles sedimentation lasts for about 5 minutes during isothermal curing at 85 , and the big ones remain in the bottom of the sample. The results can provide reference for the further research of the phosphor particles distribution on the light of LED and optical consistence. Key words: phosphor sedimentation; isothermal curing; modeling 大功率发光二极管（LED）因具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能和体积小等 优点，被视为取代传统照明光源的新型节能照明光源，经过近年的发展已广泛应用于日常生 活中[1-3]。光学特性和热学特性作为 LED 最重要的两个特性是影响 LED 迈向通用照明的主 要因素。 ℃ 白光 LED 是目前应用最广泛的 LED 光源，发光原理[4]如图 1 所示。LED 芯片在电激发 下发出的部分蓝光被涂覆在芯片表面的荧光粉颗粒所吸收，荧光粉受此激发发出黄光，激发 黄光与透射蓝光相互混合得到白光，因此荧光粉颗粒在芯片表面的分布对白光 LED 最终的 光学性能有着重要的影响。 在白光 LED 封装工艺流程中，荧光粉颗粒并非直接涂覆于芯片表面，而是先与硅胶充 分混合得到荧光粉胶，再通过点涂等方式将荧光粉胶涂覆于芯片表面，涂覆过程中荧光粉胶 处于流动状态，以便于荧光粉的输送、涂抹以及扩散，涂覆完成后通过加温固化得到最终的 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100142110046)；国家重点基础研究发展计划(973 计划)资助项目(2011CB013105) 作者简介：王依蔓(1990—)，硕士研究生，主要研究方向为大功率 LED 用硅胶特性及荧光粉颗粒沉淀 通信联系人：罗小兵，教授，主要研究方向为半导体照明和集成电路中的热和流体问题，Luoxb@hust.edu.cn -1-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 荧光粉胶层[5]。理想的情况是，荧光粉颗粒在涂覆、固化过程中始终均匀地悬浮于硅胶中。 实际上，由于荧光粉颗粒的密度（4 800 kg/m3）大于硅胶的密度（1 120 kg/m3），在重力的 作用下，荧光粉颗粒会在硅胶中沉淀，最终荧光粉颗粒在硅胶中出现浓度梯度，而非均匀分 布。荧光粉颗粒沉淀会导致白光 LED 流明效率降低，空间颜色均匀性变差，因而是 LED 封 装产业中的一个严重问题。 图 1 白光 LED 发光原理示意图 科研人员对荧光粉沉淀现象进行了一定理论分析和实验研究。Lee 等[6]通过改变芯片结 构研究了荧光粉沉淀对白光 LED 发光效率的影响。Sommer 等[7]用商业软件 ASAP(advanced system analysis program)模拟了白光 LED 中荧光粉的沉淀现象，并发现白光 LED 的色温和 光通量与荧光粉颗粒的分布密切相关。Hu 等[8]通过修改 Kubelka-Munk 理论，建立了一个多 层荧光粉模型来研究沉淀对白光 LED 光学性能的影响，发现沉淀的发生增强了白光 LED 的 光损。 关于白光 LED 中荧光粉沉淀的研究多侧重于研究沉淀对白光 LED 光学性能的影响，对 荧光粉胶固化过程中荧光粉沉淀现象的研究未见报道。基于斯托克斯定律，在忽略惯性力的 情况下，通过耦合硅胶固化过程黏时函数和荧光粉颗粒粒径分布函数建立了模型，并模拟了 85 ℃下荧光粉胶固化过程中颗粒的沉淀现象，用 SEM（scanning electron microscope）拍摄 了 85 ℃下固化后的荧光粉胶截面实物，以验证模型的可行性。对荧光粉胶固化过程中荧光 粉沉淀现象的模拟，为后续进一步研究沉淀对 LED 光学性能的影响提供理论指导。 本文由以下 3 个部分构成：建立了沉淀模型，考虑了硅胶固化过程中黏度随时间的变化； 用 CPA2000+黏度计测试了 85 ℃下硅胶黏度随时间的变化，并拟合实验数据得到该温度下 硅胶的黏时函数；运用沉淀模型对 85 ℃下荧光粉胶固化过程中的颗粒沉淀进行模拟，并借 助实验进行了验证。 1 沉淀模型的建立 由斯托克斯定律（Stokes Law）可知，在忽略流体惯性力的情况下，球形物体在流体中 运动所受到的阻力等于该球形物体的半径、速度、所处流体的黏度与 6π 的乘积[9]，即 F Stokes   。 (1) 6π rv 式中： StokesF 为斯托克斯力，即为球形物体在流体中运动所受到的阻力，N；为流体黏度， -2-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Pas； r 为球形颗粒半径，m； v 为球形颗粒运动速度，m/s。 球形颗粒在流体中运动的雷诺数可表示为 Re  ρ vr η f2 。 (2) 式中： fρ 为流体的密度，kg/m3。 荧光粉颗粒可近似看作球形颗粒，故荧光粉颗粒在硅胶中的沉淀运动即为小粒径颗粒 以低运动速度在黏滞流体中的运动。由式(2)可以看出，该运动的雷诺数很小，流体惯性 力可以忽略，因而荧光粉颗粒在硅胶中的沉淀运动满足斯托克斯定律。 荧光粉颗粒在硅胶中的受力分析如图 2 所示。斯托克斯力项表示如式(1)所示，重力 项由颗粒重力和硅胶对其浮力两部分组成，表示为 式中： pρ 为荧光粉颗粒的密度，kg/m3。 F grav    4 3 π r g 3    。 (3) p f  图 2 荧光粉颗粒在硅胶中的受力分析 综上所述，荧光粉颗粒在斯托克斯力项和重力项的作用下以速度 v 、加速度 a 在硅胶中 沉淀，力平衡关系为 求解该微分方程得 F grav  F Stokes  ma  r (4 3)π 3  。 (4) p v d t d v t ( )  ( A A e   Bt C ) 。 (5) B  。系数 A、B、C 中的参数除颗粒 p 3  p  f A r g 3  4 3 π   ， 6π 其中   粒径 r 和硅胶黏度外都为常数，故沉淀模型建立的关键是荧光粉颗粒粒径分布函数及 85 ℃下硅胶的黏时函数。   ， r (4 3)π C B  r 荧光粉制造厂家(音特美)提供的荧光粉颗粒粒径分布（平均粒径为 13 μm）如图 3 所 f x ，即荧光粉颗粒粒径小于 x 的 示。拟合粒径分布曲线，得荧光粉颗粒粒径分布函数 ( ) 概率 ( ) f x ，其表达式为 f x ( )       x  0.391 0.124e 56.741 5.802 504.968 27.245 1 e  1.040 x    x  x   x  12.5 21.2 21.2 12.5  x 0.152  。 (6) 0.041  x  +577.003 1 e   -3-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 荧光粉颗粒粒径分布 2 硅胶黏时函数拟合 LED 封装硅胶是由 A 胶、B 胶组成的双组分成型硅橡胶，两组分在常温下处于液体 流动状态，充分混合后开始发生固化反应，实际封装工艺中常通过加温来加速固化。固化 是物质的分子浓度从低向高的转化过程。在未固化时，硅胶呈现液态，随着固化的进行其 黏度逐渐变大直至转变为固态。为了得到恒温固化时硅胶黏度随时间变化的函数关系式， 在固定加热板的温度为 85 ℃下，随着固化的进行采用 CPA2000+黏度计测得了一系列硅 胶黏度值，如图 4 所示，其中测试用硅胶型号为 Dow Corning OE-6550。 图 4 85 ℃下硅胶黏度随时间的变化关系 研究表明，材料在固化过程中的黏度随时间的变化关系通常满足如下关系式[10]： t ( )   0   eat b  。 (7) 其中 0 为硅胶在该温度下尚未固化时的初始黏度。采用式(7)对实验测得的数据点进行拟 合，得待定系数 0.024 ，拟合曲线见图 4，故 85 ℃下固化过程中硅胶 的黏时函数为 3.587 b   a  、 0.024 3.587  t 。 (8)  t ( ) 0.131 e   -4-
    中国科技论文在线 3 模拟结果及实验验证 http://www.paper.edu.cn 得到荧光粉颗粒粒径分布函数式(6)和 85 ℃下硅胶黏时函数式(8)后，结合沉淀速度随时 间的变化关系式式(5)，基于荧光粉颗粒初始时在硅胶中随机均匀分布的假设，即可得到荧 光粉胶固化过程中任意时刻颗粒的沉淀速度。为了验证模型的正确性，设计实验对模型进行 了验证。 3.1 实验过程及结果 采用 SEM（scanning electron microscope）观测荧光粉胶的沉淀，样品制备过程如图 5 所示。实际白光 LED 中荧光粉胶的厚度大约为 1.2 mm，用毛细管吸取少量充分混合的荧光 粉胶滴入大小为 5 mm×2 mm×1.2 mm 的模具后置于 85 ℃的加热板上加热固化，然后经过镶 样，并将观察沉淀的截面打磨、抛光，最后置于 SEM 中观察，得到荧光粉胶颗粒沉淀实物 图，如图 6 所示。 图 5 荧光粉胶制样过程 3.2 模拟结果 图 6 荧光粉胶颗粒沉淀实物图 模拟结果如图 7 所示。假设初始时荧光粉颗粒随机均匀地分布于硅胶中，由图 7 可以看 出，沉淀结束时荧光粉颗粒分布与沉淀进行 5 min 时颗粒分布相近，即 85 ℃下荧光粉胶固 化过程中颗粒的沉淀大约进行 5 min。 -5-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 7 荧光粉胶固化过程中颗粒的沉淀模拟结果 以粒径为平均粒径（d=13 μm）的颗粒沉淀为例，其沉淀速度随时间的变化关系如图 8 所示。随着时间的推移，硅胶固化程度越来越高，硅胶的黏度越来越大，由式(1)可知颗粒   ）越来越大，颗粒的沉淀速度逐渐下降，最后趋 受到的黏滞力即斯托克斯力（ Stokes 近于 0，整个沉淀过程进行了大约 5 min，颗粒沉淀位移 h=0.188 mm，占整个样品厚度的 15.67%。 6π F rv 图 8 颗粒沉淀速度随时间的变化关系 3.3 结果对比 模拟结果与实验结果对比如图 9 所示。将沉淀截面沿纵向 4 等分，等分编号为 1~4, 每 一等分中颗粒的总面积占截面总面积的比值为面积分数。由图 9 可以看出，模拟结果与实验 -6-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 结果符合较好，即所提模型能够有效地模拟荧光粉胶固化过程中颗粒的沉淀现象。 图 9 模拟结果与时间结果对比 4 结 论 基于斯托克斯定律建立了荧光粉胶固化过程中颗粒沉淀的模型，借助 SEM 拍摄沉淀截 面实物图，模拟与实验对比表明，该沉淀模型能够较好地模拟出荧光粉胶中颗粒的沉淀。得 出如下结论：85 ℃下固化的荧光粉胶会出现较为明显的颗粒沉淀现象，以粒径为平均粒径 （13 μm）的颗粒为例，颗粒沉淀大约进行了 5 min，沉淀位移为 0.188 mm 且占样品总厚度 （1.2 mm）的 15.67%，故沉淀不能忽略，荧光粉颗粒在固化结束后并不是均匀分布在硅胶 中；随着时间的推移，硅胶固化程度越来越高，硅胶的黏度越来越大，颗粒受到的黏滞力即   ）越来越大，颗粒的沉淀速度逐渐减小，最后趋近于 0，即沉淀 斯托克斯力（ Stokes 结束；颗粒沉淀速度与粒径成正比，沉淀结束时大颗粒基本停留在底层。 F 6π rv [参考文献] (References) [1] Pimputkar S, Speck J S, Denbaars S P , et al. Prospects for LED lighting [J]. Nature Photonics, 2009, 3: 180-182. [2] Zhao Fangchao, Sun Ning, Zhang Hongmei, et al. Hybrid white organic light-emitting diodes with a double light-emitting layer structure for high color-rendering index [J]. Journal of Applied Physics, 2012, 112(8): article No. 084504. [3] Hu Run, Luo Xiaobing, Zheng Huai, et al. Design of a novel freeform lens for LED uniform illumination and conformal phosphor coating [J]. Optics Express, 2012, 20(13): 13727-13737. [4] 刘宗源. 大功率 LED 封装设计与制造的关键问题研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2010. Liu Zongyuan. Research on Key Issues of Design and Manufacturing for High-Power Light-Emitting Diode Packaging [D]. Wuhan, China: Huazhong University of Science and Technology, 2010. (in Chinese) [5] Liu Sheng, Luo Xiaobing. LED Packaging for Lighting Applications: Design, Manufacturing, and Testing [M]. Singapore: John Wiley & Sons, 2011: 85-90. [6] Lee Kwang-Cheol, Kim Deok Gi, Kim Sang-Mook, et al. The influence of phosphor sedimentation on the white LEDs with different structure chip [C]//Asia Communications and Photonics Conference and Exhibition. Shanghai, China, 2011, article No. 83120E. [7] Sommer C, Reil F, Krenn J R, et al. The impact of light scattering on the radiant flux of phosphor-converted high power white light-emitting diodes [J]. Journal of Lightwave Technology, 2011, 29(15): 2287-2291. [8] Hu Run, Wang Yiman, Zou Yong, et al. Study on phosphor sedimentation effect in white light-emitting diode packages by modeling multi-layer phosphors with the modified Kubelka-Munk theory [J]. Journal of Applied Physic , 2013, 113(6): article No. 063108. [9] Choi C, Yatsuzuka K, Asano K. Dynamic motion of a conductive particle in viscous fluid under DC electric field [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(3): 785-791. [10] 石凤, 段跃新, 曾秀妮, 等. 双酚 A 型环氧树脂／DDS 固化剂体系的流变特性及其黏度模型研究[J]. 航空学报，2005, 26(5): 610-616. Shi Feng, Duan Yuexin, Zeng Xiuni, et al. Rheological behaviors and viscosity model of bisphnol-A epoxy/DDS resin system [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2005, 26(5): 610-616. (in Chinese) -7-
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料