孔寶根

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000)

白光數(shù)碼管低溫環(huán)境下光通量補償方法研究

孔寶根

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000)

白光數(shù)碼管長期在低溫(-30℃)環(huán)境下工作將有16%的光通量損失，使數(shù)碼管的壽命下降到1 100 h左右.應(yīng)用發(fā)光體集成技術(shù)可以將數(shù)碼管厚度從3 mm下降到1 mm而不會影響人眼的識別，這一技術(shù)使數(shù)碼管發(fā)出光穿透的環(huán)氧樹脂厚度變薄，可以提高數(shù)碼管11.6%的光通量，從而延長數(shù)碼管的壽命.

數(shù)碼管；低溫工作環(huán)境；光通量

一些國家和地區(qū)一年中大多數(shù)時間處于-20℃～-30℃的低溫環(huán)境，白光數(shù)碼管在這一環(huán)境溫度下工作時光通量有許多損失，影響了數(shù)碼管的性能和壽命[1-3]，也影響了使用數(shù)碼管設(shè)備的效能.為了解決這一問題，本文對點膠白光數(shù)碼管在常溫下(20℃)和低溫下(-30℃)的光通量進行了實驗測試和數(shù)據(jù)比較，得到了低溫工作環(huán)境下數(shù)碼管光通量的損失率.而后，通過降低環(huán)氧樹脂膠質(zhì)厚度，獲得了數(shù)碼管光通量的損失補償?shù)姆椒?但是，要制作超薄型數(shù)碼管(厚度1 mm)，關(guān)鍵要使數(shù)碼管發(fā)光體集成化.

1 實驗?zāi)康摹x器與設(shè)備

1.1 實驗?zāi)康?/p>

(1)測試低溫(-30℃)工作環(huán)境較常溫(20℃)環(huán)境下新出廠的點膠貼片白光數(shù)碼管(厚度3 mm)的光通量損失情況；

(2)通過高溫加速壽命的實驗方法，獲得數(shù)碼管的壽命曲線，以數(shù)碼管工作時間與光通量的關(guān)系曲線來描述；

(3)在常溫(20℃)環(huán)境下，測試應(yīng)用發(fā)光體集成技術(shù)制備的超薄數(shù)碼管(厚度1 mm)的光通量情況.

1.2 實驗儀器與設(shè)備

實驗中使用到的設(shè)備包括：

V-10001標(biāo)準級探測器(杭州遠方光電信息有限公司)；

詩貝倫LED-高反射積分球(0.3 m)(杭州遠方光電信息有限公司)；

V2.0-HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)軟件(杭州遠方光電信息有限公司).

2 實驗方法

首先，取新出廠的型號為CSOV-25067W-21的點膠白光貼片數(shù)碼管(厚度3 mm)兩批各10只，分別放至-30℃恒溫箱中和在常溫(20℃)下點亮，然后測量數(shù)碼管的光通量.

其次，另取一種型號的數(shù)碼管3批各10只，分別放至20℃，80℃和100℃的恒溫箱中點亮，分別在1 h，100 h，200 h，300 h，400 h，500 h，600 h，700 h，800 h，900 h后測試數(shù)碼管的光通量.

第三步，取采用發(fā)光體集成技術(shù)制備的超薄數(shù)碼管(厚度1 mm)10只，在常溫(20℃)下點亮，1 h后測量數(shù)碼管光通量.

3 實驗結(jié)果

3.1 低溫(-30℃)工作環(huán)境下新出廠的數(shù)碼管(厚度3 mm)光通量損失情況

表1是常溫(20℃)和低溫(-30℃)下、電壓為3V時數(shù)碼管(厚度3 mm)光通量情況.新出廠的數(shù)碼管，在低溫(-30℃)條件下光通量較常溫(20℃)時的損失不大，約為5%(見圖1).

表1 常溫(20℃)和低溫(-30℃)時新出廠數(shù)碼管(厚度3 mm)的光通量情況

3.2 數(shù)碼管在不同工作時刻及溫度下的光通量

表2是在20℃，80℃和100℃的恒溫箱中，測量的數(shù)碼管(厚度3 mm)在不同時刻的光通量與出廠初始值的比值.由表2可知，隨著工作時間的增加，數(shù)碼管光通量不斷下降；而隨著溫度的升高，數(shù)碼管光通量的損失率也會增加，損失的大小與溫度高低有關(guān).一般而言，廠家生產(chǎn)的數(shù)碼管在常溫(20℃)時的光通量值最大，與常溫的溫度偏離越大，光通量損失越大；溫度偏離越小，光通量損失越小.

表2 數(shù)碼管在20℃，80℃和100℃恒溫箱中不同時刻的光通量與出廠初始值的比值 %

3.3 采用發(fā)光體集成技術(shù)制作的數(shù)碼管(厚度1 mm)在常溫(20℃)下的光通量情況

表3是在常溫(20℃)、電壓3 V時超薄數(shù)碼管(厚度1 mm)的光通量情況，與普通數(shù)碼管(厚度3 mm)相比，光通量提高了11.6%.

表3 常溫(20℃)超薄數(shù)碼管(厚度1 mm)的光通量

4 數(shù)碼管的光通量補償計算

低溫(-30℃)工作環(huán)境下，數(shù)碼管的光通量較常溫工作環(huán)境有損失，而且其損失的大小與數(shù)碼管的工作時間有關(guān).那么，低溫(-30℃)條件下數(shù)碼管的光通量在不同工作時長下?lián)p失的情況將會怎樣呢？由于數(shù)碼管工作時間越長，光通量損失越大，需要補償?shù)墓馔堪俜致试酱?，因而需要獲得數(shù)碼管在接近壽命極限時的光通量補償百分率.為獲得這一數(shù)據(jù)，我們采用提高溫度實現(xiàn)加速壽命測試的方法，分別測量3組各10只數(shù)碼管的光通量取平均值，得到了數(shù)碼管的老化曲線，如圖2所示.由圖2可知，20℃時的數(shù)碼管顯然還遠遠沒有達到老化狀態(tài)，80℃的工作環(huán)境數(shù)碼管在717 h時光通量明顯下降，此時的光通量值為出廠時的50%以下，即數(shù)碼管明顯老化，其壽命值為717 h；100℃恒溫箱中的數(shù)碼管在273 h時光通量明顯下降到50%以下，即數(shù)碼管的壽命值為273 h.從數(shù)碼管工作溫度與數(shù)碼管壽命的關(guān)系入手，可以獲得低溫(-30℃)條件下數(shù)碼管的壽命時限.

數(shù)碼管高溫加速壽命方法中，工作溫度與數(shù)碼管壽命一般滿足Arrhenius公式：

(1)

式中：L為壽命；Ea為激活能；A為器件常數(shù)；k=0.8617×10-4eV/K,為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)絕對溫度，單位是K.但實際情況是，Arrhenius公式比較適用于在20℃～100℃條件下工作的數(shù)碼管;當(dāng)溫度高于100℃時，數(shù)碼管內(nèi)的環(huán)氧樹脂易軟化，影響光子出光數(shù);當(dāng)工作溫度在-60℃～20℃時，數(shù)碼管壽命呈反向縮短;低于-60℃時，數(shù)碼管容易凍裂，其壽命也不符合Arrhenius公式.即工作溫度在20℃時，數(shù)碼管的壽命最長.為此，對于工作溫度在-60℃～100℃時的數(shù)碼管，我們將Arrhenius公式修正如下：

.

(2)

式中的常數(shù)293是20℃時的絕對溫度值，當(dāng)工作溫度為20℃時，數(shù)碼管的壽命最長.我們可以通過2種不同工作溫度下的壽命值，求得激活能Ea.由式(2)可以得出：

(3)

當(dāng)數(shù)碼管光通量降低到50%時，即為數(shù)碼管已經(jīng)完全老化.從圖2的數(shù)碼管壽命曲線中可以看出，當(dāng)數(shù)碼管工作溫度在80℃,光通量降低到50%時，數(shù)碼管老化壽命為717h；工作溫度在100℃時，數(shù)碼管老化壽命為260h.代入式(3)，得到Ea=0.53eV,將Ea值代入式(3),可得到工作溫度在-30℃時的壽命為1 100h.

實驗顯示，數(shù)碼管在常溫20℃下工作1 100h的光通量損失率為66%，即由于低溫工作環(huán)境所導(dǎo)致的光通量損失率為66%-50%=16%.

這一損失需要通過發(fā)光體集成技術(shù)采取環(huán)氧樹脂膠質(zhì)的超薄設(shè)計得以彌補.圖3顯示,在20℃工作溫度下，發(fā)光體集成后的超薄數(shù)碼管比點膠3mm數(shù)碼管的光通量提升了11.6%，這是由膠質(zhì)厚度變薄引起的，不會因為工作溫度的改變而改變，也即采用發(fā)光體集成技術(shù)后，超薄數(shù)碼管可以彌補11.6%的光通量，對提高數(shù)碼管壽命有幫助.

5 發(fā)光體集成的超薄數(shù)碼管工作原理

從上述分析可以看出，長期在-30℃的環(huán)境下，數(shù)碼管將在工作1 100h之后光通量變?yōu)槌叵碌?0%，達到了報廢的臨界點，而一般數(shù)碼管的使用壽命在24 000h以上[4-5]，因而必須對數(shù)碼管進行光通量補償，補償?shù)姆椒ㄊ菍?shù)碼管的發(fā)光體集成，而后將數(shù)碼管的膠質(zhì)厚度降低到1mm，制成超薄型的數(shù)碼管，這種超薄類型的數(shù)碼管既能滿足許多設(shè)備對數(shù)碼管的超薄要求，又能實現(xiàn)提高光通量的目的.發(fā)光體集成技術(shù)制備超薄數(shù)碼管的方法如下：

在集成塊焊盤上固晶藍光芯片，利用藍光穿過黃色熒光粉產(chǎn)生白光的原理，將硅膠與黃色熒光粉按一定比例混合，真空排泡脫氣后，以點膠精度為0.000 1ml的高精度點膠機將混合膠體灌裝在集成塊內(nèi)，制作成集成化的發(fā)光體，再使用分辨精度為±0.001mm的高精度貼片機將集成塊固化到數(shù)碼管基板焊盤上，如圖4所示.為使數(shù)碼管筆段間出光均勻，在保證膠質(zhì)混合物均勻的前提下，于發(fā)光體外殼出腔通道上固化環(huán)氧樹脂，然后使用壓蓋機壓制，這樣制成的數(shù)碼管厚度在1mm左右.

5.1 超薄的數(shù)碼管套件能夠提高光通量

白光數(shù)碼管在熒光粉層和出腔口之間固化環(huán)氧樹脂層，其目的是利用光的折射原理提高出光的均勻性，但同時環(huán)氧樹脂也將吸收白光數(shù)碼管發(fā)出的短波長光子，使短波長光子穿透率下降.套件越薄，封裝在套件內(nèi)部的環(huán)氧樹脂的量就越少，減小了出射光子在環(huán)氧樹脂層的折射幾率，降低了被環(huán)氧樹脂吸收的光子數(shù)量，因而光通量能夠提高；套件越厚，封裝的環(huán)氧樹脂的量就越多，增大了出射光子在環(huán)氧樹脂層的折射幾率，被環(huán)氧樹脂吸收的光子數(shù)增加，從而降低了光通量.

5.2 發(fā)光體集成的成型結(jié)構(gòu)能夠提高數(shù)碼管的光通量

由于點膠白光數(shù)碼管的陶瓷襯底和熒光粉層形成了碗狀結(jié)構(gòu)(圖5)，這種結(jié)構(gòu)形狀限制了光子在熒光粉層的穿透率，降低了數(shù)碼管的光通量.采用微型化集成技術(shù)的白光數(shù)碼管，將熒光粉層和陶瓷襯底成型為扁平結(jié)構(gòu)(見圖4)，大部分光子以向上的方向穿透熒光粉層，使溢出數(shù)碼管出腔口的光子數(shù)量顯著增加，因而提高了光通量.

5.3 發(fā)光體集成的超薄數(shù)碼管筆段出光不均勻性問題

對于以點光源制成的數(shù)碼管，筆段出光的均勻性依靠的是光子在膠質(zhì)內(nèi)的折射次數(shù)，折射次數(shù)越多，則出光的均勻性越好；折射次數(shù)越少，則出光的均勻性越差.由于套件變薄，光子在膠質(zhì)內(nèi)的折射次數(shù)變少，出光的不均勻性有可能增加.一般而言，人眼對白光的敏感性在色度上的差異達到0.01才能被感覺到并分辨出來.實驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用發(fā)光體集成技術(shù)制成的數(shù)碼管的色坐標(biāo)標(biāo)準差均小于0.01(見表4)，即增加的少量不均勻性不影響人眼的識別.

表4 兩種類型數(shù)碼管筆段色坐標(biāo)標(biāo)準差

6 結(jié)論

如果數(shù)碼管長期在低溫(-30℃)環(huán)境下工作,將使數(shù)碼管光通量損失16%;應(yīng)用發(fā)光體集成技術(shù)可以使數(shù)碼管中穿透光的環(huán)氧樹脂厚度變薄,將數(shù)碼管厚度從3mm下降到1mm而不會影響人眼的識別，提高數(shù)碼管11.6%的光通量，從而延長了數(shù)碼管的壽命.

[1]YamakoshiS，AbeM，WadaO，etal．ReliabilityofhighradianceInGaAsP/InPLEDsOperatinginthe1.2～1.3μmWavelength[J]．IEEEJQuantumElectron，1981，17(2)：167-173．

[2]SheuJK，HangSJC，KuoCH，eta1．WhitelightemissionfromnearUVInGaN-GaNLEDchipprecoatedwithblue/green/redphosphors[J]．IEEEPhotonTechnolLett，2003，15(1)：18-20．

[3]ShengLJ.Researchofthewhilelightofthedigitaltubetechnologybasedonthepointglue[J].OpticalTechnique,2013,39(3):286-288.

[4]ShengLJ.Analysisofconversionrateofphosphorpowderfornon-sealingwhitenixietube[J].ChineseJournalofSpectroscopyLaboratory,2012,29(1):479-483.

[5]盛立軍，孔寶根.基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管壽命的研究[J]．光學(xué)技術(shù)，2011，37(4)：487-490．

(責(zé)任編輯 鄧穎)

OnLuminousFluxCompensationMethodofWhiteLightDigitroninLowTemperature

KongBaogen

(ShaoxingVocational&TechnicalCollege,Shaoxing,Zhejiang312000)

In some countries and regions, the temperature is quite low with only -20℃～-30 ℃ for the most part of the year. Under such conditions, white light digitron will have a flux loss of 16% when it works below -30℃ for a long time, and the digital tube’s life is shortened down to about 1100 hours. Luminous body integration technology can be applied to decrease the digital tube from 3mm to 1mm without affecting the eye recognition. This technology enables a thin epoxy through which digital tube emitting light penetrates and improves the luminous flux by11.6%, thus prolonging the service life of the digital tube.

digital tube; low temperature working environment; luminous flux

2014-03-05

紹興市院校合作資助項目“基于發(fā)光體集成技術(shù)的貼片白光數(shù)碼管研制”(2013722)

孔寶根(1965-)，男，浙江紹興人，副教授，碩士，主要從事信息技術(shù)與高教管理研究.

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1008-293X(2014)07-0013-05