封装结构对“On-chip” 型量子点LED性能的影响

摘

要

为了提高背光LED器件的色域值，突破高色域背光器件的封装瓶颈，聚飞光电采用全新的“On-Chip”方式，将量子点荧光粉封装于LED灯珠内，制备出了不同封装结构的OC-QLED灯珠，获得了NTSC ≥ 98 %的高色域背光源。对不同封装结构的OC-QLED灯珠进行光电特性及可靠性的测试与分析，发现在当前4种方案中，按照蓝-红-绿的封装顺序所得多层OC-QLED灯珠发光效率最优，而在QD荧光胶上涂覆透明封装胶所得具有保护层的OC-QLED灯珠可靠性最好。

关键词

量子点、LED、On-chip、封装结构、发光效率、可靠性

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引言

近年来，LED背光源技术发展迅速，不断有新技术、新产品推出，其具有高色域、高亮度、长寿命、节能环保、实时色彩可控等诸多优点。特别是高色域的LED背光源使应用其的电视、手机、平板电脑等电子产品屏幕具有更加鲜艳的颜色，色彩还原度更高[1, 2]。

目前常用的LED背光源采用蓝光芯片激发YAG黄光荧光粉的形式，因背光源中缺少红光成分，色域值只能达到NTSC 65 % ～ 72 %。为了进一步提高色域值，技术人员普遍采用了蓝光芯片同时激发红光荧光粉、绿光荧光粉的方式。但由于现用荧光粉的半波宽较宽，故即使采用这种方式，也只能将背光源的色域值提升至NTSC 85 %左右[3]。同时，现有荧光粉的激发效率低，为实现高色域白光需要在封装时加入大量荧光粉，导致LED封装过程中荧光粉的浓度（荧光粉占封装胶水的比例）很高，从而极大增加了封装作业的难度以及次品率[4]。

作为一种新型的纳米荧光材料，量子点（Quantum dots，QD）展现出了其强烈依赖于尺寸的特殊光学性质。与传统荧光材料相比，量子点荧光材料具有光谱随尺寸可调、发射峰半波宽窄、斯托克斯位移大、激发效率高等一系列独特的光学性能，从而可以实现用量少（即封装过程中量子点荧光胶的浓度很低）、高色域（≥ NTSC 98 %）的封装，受到了LED背光行业的广泛关注[5]。

目前，使用量子点荧光材料实现高色域白光的方式主要有：（1）量子点光学膜（On-Surface型），其将量子点荧光材料制成光学膜材，填充于导光板或者贴于液晶屏幕内，配合蓝光或紫外光LED背光源，实现高色域白光；（2）量子点玻璃管（On-Edge型），其将量子点荧光材料制成玻璃管，置于屏幕侧面，配合蓝光或紫外光LED背光源，实现高色域白光。上述两种实现方式已有相关产品推出。但是，这两种实现方式的工艺复杂、光转化效率低、成本较高，且难以与当前LCD显示器件相兼容，存在大规模产业化的瓶颈。为解决量子点显示应用的难题，聚飞光电采用全新的“On-Chip”方式，将量子点荧光粉封装于LED灯珠内，制备出OC-QLED（”On Chip” mode quantumdots light-emitting diode, OC-QLED）灯珠，从而获得能与LCD器件完美兼容的高色域背光源，并研究了不同封装结构对OC-QLED灯珠光电性能及可靠性的影响。

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实验过程

本实验使用Cd( SxSe1-x)型红光量子点荧光材料、绿光QD荧光材料，并利用甲苯（C7H8）作为分散桥梁，采用先溶解再抽出的方式[6]，将红、绿光QD荧光材料封装于聚飞S206型LED 灯珠内（灯珠尺寸为3.8 mm × 0.6 mm × 1.0 mm），配合蓝光LED芯片（芯片发射光峰值波长为450 nm，工作条件为20 mA，3.0 V），获得了高色域白光OC-QLED灯珠。

通过不同封装工艺的设计，制备出了多种结构灯珠，如图1所示。由图1（a）可知，方案1是将红、绿光QD荧光材料共同置于封装胶水中，混合之后获得红、绿光QD荧光胶，然后将荧光胶涂覆于LED灯珠杯壳内，烘烤固化获得方案1的OC-QLED灯珠，其封装过程与当前荧光粉封装类似。

由图1（b）可知，方案2先进行红、绿光QD荧光胶的涂覆，但涂覆的荧光胶量约占LED杯壳容积的50%，待烘烤固化后，再向QD荧光胶之上涂覆另一款封装胶水（透明胶），再进行二次烘烤固化，即得到方案2的OC-QLED灯珠。

由图1（c）可以看出，方案3分别将红、绿QD荧光材料混入封装胶水1、封装胶水2中，分别形成了红光、绿光QD荧光胶，在进行点胶工艺时，先涂覆绿光QD荧光胶，待烘烤固化后再涂覆红光QD荧光材料并进行二次烘烤固化，由下向上依次形成蓝-绿-红的封装结构顺序，从而获得方案3所示的OC-QLED灯珠。

由图1（d）可知，方案4与方案3过程类似，但方案4更换了涂覆顺序，先涂覆红光QD荧光材料，固化后再涂覆绿光QD材料，经烘烤固化即得方案4所示蓝-红-绿封装顺序的OC-QLED灯珠。

完成封装之后，对上述四种方案各取1000 pcs处于相同色坐标范围（x = 0.281-0.282， y = 0.276-0277）的OC-QLED灯珠，进行光电性能及可靠性测试，并对1000pcs灯珠测试结果的平均值进行分析。

图1 不同封装结构的OC-QLED灯珠示意图，（a）方案1；（b）方案2；（c）方案3；（d）方案4。其中，A：支架杯壳；B：支架金属镀层；C：LED芯片；D：键合线；E：封装胶水1；F：红光QD荧光材料；G：绿光QD荧光材料；H：封装胶水2

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结果与讨论

3.1OC-QLED灯珠的显色性能

图2 为方案1所得OC-QLED灯珠的发射光谱。由图2可知，在450nm的蓝光激发下，封入灯珠内的量子点荧光材料分别发射出534nm的绿光和630nm的红光，红、绿光发射峰的半波宽约为30nm。将灯珠光谱与背光玻璃频谱进行拟合计算可知，灯珠上屏后色域值≥ NTSC 98 %。

图2 方案1所得OC-QLED灯珠的发射光谱。

3.2不同封装结构对OC-QLED灯珠出光效率影响

图3是在不同电流驱动下，各封装结构所得OC-QLED灯珠的亮度变化趋势图。由图3可知，在环境温度为25℃，环境湿度为60%条件下，不同方案所得OC-QLED灯珠的亮度均随驱动电流的增大而增大，其中方案1与方案4基本呈线性关系。当驱动电流为20mA时（芯片正常使用电流为20 mA），以方案1所得灯珠亮度作为基准（亮度为100%），各方按所得OC-QLED灯珠亮度关系为：方案4（113 %）＞方案1（100 %）＞方案2（90 %）＞大于方案3（75 %）。分析该实验结果，其可能原因是，由于QD材料的吸收光谱对短波长的吸收强度较大，采用方案4蓝-红-绿的封装顺序，最大程度降低了外层QD材料对近芯片层QD材料发射光的重吸收现象，从而降低了能量的非辐射弛豫损失，提高了最终灯珠发光效率[7]。

图3 不同电流驱动下，各封装结构所得OC-QLED灯珠的亮度变化趋势图。

3.3不同封装结构对OC-QLED灯珠可靠性影响

图4为各封装结构所得OC-QLED灯珠亮度随点亮时间的相对变化趋势。由图4可知，在温度为60℃，湿度为90 % RH的环境中，于20 mA电流点亮过程中，随着点亮时间的延长，各方案所得OC-QLED灯珠均出现了亮度衰减。当点亮时间为1000h时，方案2所得灯珠的亮度衰减最小，相较初始亮度约衰减了5%，而方案1、3、4三种结构的OC-QLED灯珠衰减较大，约衰减了8 %。众所周知，影响量子点可靠性的因素有温度、氧气、湿气等。与其他三组方案相比，方案2可靠性较好，可能有两方面原因：（1）金属镀层导热性优于封装胶水，方案2所得OC-QLED灯珠中QD荧光材料靠近芯片与支架金属镀层，点亮过程中QD荧光材料产生的热量会从芯片和金属镀层散出，从而减少热量对QD荧光材料的持续影响；（2）在方案2所得OC-QLED灯珠中，QD荧光材料的上方再次涂覆了一层透明封装胶水，从而延长了外界氧气和湿气侵入灯珠来接触和破坏QD荧光材料的路径。

图4 各封装结构所得OC-QLED灯珠亮度随点亮时间的相对变化趋势。

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结论

聚飞光电采用全新的“On-Chip”方式，将量子点荧光粉封装于LED灯珠内，制备出了不同封装结构的OC-QLED灯珠，通过研究不同封装结构对灯珠光电特性及可靠性的影响，得出以下三点结论：

（1）在450 nm的蓝光芯片激发下，灯珠内的量子点荧光材料分别发射出534 nm的绿光和630 nm的红光，拟合计算可知，灯珠的色域值NTSC ≥ 98 %。

（2）结合量子点相互吸收的原理及实验结果，在当前4种方案中，按照蓝-红-绿的封装顺序所得多层OC-QLED灯珠发光效率最优。

（3）当前4种方案中，在QD荧光胶上涂覆透明封装胶，具有透明封装胶水保护的OC-QLED灯珠可靠性最好。

以上研究成果均由聚飞光电提供。在今年的SID展会（Disney Week，美国显示周）上，聚飞光电正式对外发布了此项全新技术的OC-QLED产品。

【本文作者：深圳市聚飞光电股份有限公司高丹鹏，张志宽，邢其彬；文章来源于《广东LED》杂志，转载请注明出处】

参考文献

[1] 王平，项志伟，胡进，等. 我国平板显示行业发展现状及发展趋势分析[J]. 改革与开放，2016，21：16-18.

[2] 周忠伟，孟长军，王磊，等. 液晶显示器广色域技术的研究[J]. 发光学报，2015，09： 1071-1075.

[3] 张学杰，刘如熹. 广色域背光源用绿色荧光粉β-SiAlON:Eu2+的研究进展[J]. 中国稀土学报，2016，06：667-674.

[4] 邢其彬，高丹鹏，张志宽. 一种基于绿光量子点的高色域白光LED灯珠的制作方法[P]，CN 105845810 A，2016. 03. 30.

[5] Talapin D V, Steckel J. Quantum dot light-emitting devices[J]. Materials Research Bulletin, 2013, 38: 685–695.

[6] 高丹鹏，张志宽，邢其彬，等. 一种分层型量子点LED灯珠的封装方法[P]. CN106558644 A，2016. 11. 30.

[7] 朱永明，谢斌，罗小兵. 量子点转化LED封装的进展与展望[J]. 中国科学：科学通报，2017，62：659-673.

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