LED封装中荧光粉颗粒沉淀建模及实验研究

Light-emitting diodes (LEDs), which are considered as the next-generation green light sources, have been widely used in our daily lives. Phosphor coating is one of the most important processes in white-light LED packaging, which determines the final optical and thermal performances of LED devices. Owing to the density difference, the phosphor particle sedimentation phenomenon tends to occur in silicone, which is not only hard to control but also negative to the luminous efficiency and light quality of LEDs. In essence, phosphor particle sedimentation phenomenon is a small-scale flowing and heat-transfer problem coupled with particle flowing and silicone solidification. If we can find out the coupling mechanism, we can instruct the process innovation and control the phosphor particle sedimentation. Based on this idea, in this proposal, we will use the theoretical modeling and experimental verification methods, systematically investigate the phosphor particle sedimentation problems in LED packaging via coding, CFD simulation and experimental observation, discuss the influencing regularities of particle size, distribution, concentration and process parameters on particle sedimentation, clarify the sedimentation mechanism of phosphor particles in silicone, propose processes/methods to control the sedimentation, and develop new phosphor coating processes. This proposal covers a typical fundamental problem abstracting from the real-world processes and applications. By doing this research, we hope to instruct and realize high-efficiency and high-consistency phosphor coating processes.

发光二极管（LED）被誉为新一代绿色照明方式，在日常生活中已得到广泛应用。荧光粉涂覆是白光LED 封装中最重要的工艺之一，它决定了最终LED 产品的光学和热学性能。由于密度差异，荧光粉颗粒在硅胶中发生沉淀现象，不仅难以控制而且还大大降低了LED产品的光效和光品质。荧光粉颗粒沉淀现象本质上是一个颗粒流动与硅胶固化相互耦合的小尺度流动与传热问题，如能了解其耦合作用机理，那么就能指导工艺创新加以控制。基于这一想法，本课题拟采用理论建模与实验验证相结合的研究方法，通过编程建模、CFD模拟、实验观测等手段，系统研究LED封装中荧光粉颗粒沉淀问题，探讨颗粒尺寸、分布、浓度、工艺参数等因素对颗粒沉淀的影响规律，阐明荧光粉颗粒在硅胶中的沉淀机理，并提出控制颗粒沉淀的工艺方法。本课题是一个典型的从工艺和应用中提出的基础问题，期望研究结果能指导实现高光效高产品一致性的荧光粉涂覆工艺。

荧光粉涂覆是白光LED 封装中最重要的工艺之一，它决定了最终LED 产品的光学和热学性能。由于密度差异，荧光粉颗粒在硅胶中发生沉淀现象，不仅难以控制而且还大大降低了LED产品的光效和光品质。荧光粉颗粒沉淀现象本质上是一个颗粒流动与硅胶固化相互耦合的小尺度流动与传热问题，如能了解其耦合作用机理，那么就能指导工艺创新加以控制。基于这一想法，本课题采用理论建模与实验验证相结合的研究方法，通过CFD模拟、实验观测等手段，系统研究LED封装中荧光粉颗粒沉淀问题，探讨颗粒尺寸、分布、浓度、工艺参数等因素对颗粒沉淀的影响规律，阐明荧光粉颗粒在硅胶中的沉淀机理，并提出控制颗粒沉淀的工艺方法。首先实验测试了硅胶荧光粉的粘度曲线并给出了理论预测曲线，然后基于欧拉双流体模型对荧光粉沉淀现象进行了模拟，给出了荧光粉胶底部颗粒体积分数随时间的变化曲线，以及不同温度下的荧光粉颗粒完全沉淀时间，发现随着时间的推移，硅胶的粘度增大，荧光粉颗粒沉淀受到的阻力越来越大；不同温度下荧光粉完全沉淀所需的时间不同，温度越高，荧光粉完全沉淀时间越短；不同温度下荧光粉颗粒的沉淀程度不同，温度越高，完全沉淀时底部荧光粉颗粒浓度越低。实验方面，探究不同温度下LED流明效率、色温随时间的变化，分析得到温度、时间对荧光粉颗粒沉淀的影响。将实验结果与模拟结果进行了对比后误差不大，验证了结果的准确性。根据研究结果，得到了以下结论：温度不变时，荧光粉颗粒沉淀现象导致流明效率随时间推移先增大后减小直至不变，色温随时间推移先减小后增大直至保持不变；当温度低于50℃时，升温会促进荧光粉沉淀；当温度高于50℃时，升温会抑制荧光粉沉淀。根据这些结果，开发了控制荧光粉颗粒沉淀的新型封装工艺，实现的荧光粉硅胶形貌在空间颜色均匀性上有很大的提升，并且14μl下实现的荧光粉硅胶形貌具有更好的空间颜色均匀性，空间色温差仅为175K。