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白光LED光斑均匀性的改进_徐国芳

第29卷 第4期

2008年8月

发 光 学 报

CH I N ESE JOURNAL OF LU M I N ESCE NCE

Vol 129No 14

Aug .,2008

文章编号:100027032(2008)0420707206

白光L E D 光斑均匀性的改进

徐国芳1

,饶海波

23

,余心梅2,李君飞2,侯 斌

2

(1.宁波升谱光电半导体有限公司,浙江宁波 315040; 2.电子科技大学光电信息学院,四川成都 610054)

摘要:用于照明领域的白光LE D,其出射光斑的色度均匀性对于产品性能有着更加重要的意义。介绍了目

前工业上制作白光LE D 主要采用的荧光粉灌封点胶工艺。并在目前主流灌封点胶工艺的基础上通过改善荧光粉层结构形状,以提高白光LE D 器件的出射光斑均匀性。并通过九点法对不同工艺结构下LE D 出射光斑的空间色度分布进行了测量和分析。通过分析,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性。但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,现有的荧光粉层灌封点胶工艺存在很大的弊端。荧光粉层的可控性是影响色度均匀性(即光斑均匀性)的主要因素,包括单个器件内的光斑和器件之间的颜色一致性都不理想。关 键 词:白光LE D;光斑均匀性;色度空间分布

中图分类号:T N312.8 PACC:3250F;7860 文献标识码:A

收稿日期:2007210205;修订日期:2007211224

基金项目:十五国家科技攻关项目(2003ba316a01202202);国家“863”计划(2006AA03A116)资助项目 作者简介:徐国芳(1954-),男,浙江宁波人,主要从事半导体照明的研究。

E 2mail:xgf@sunpu 2op t o .com

3:通讯联系人;E 2mail:rhb@uestc .edu .cn,Tel:(028)83202108

1 引 言

白光LE D 以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能、绿色环保

[1~6]

等显著优点,被认为是“绿色照明光源”,预计将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源

[2,7,8]

,具有巨大的发展潜力。

利用荧光粉转换的方法实现白光是目前研究得最多最热的一种方法。目前功率型白光LED 封装工艺还很不成熟,散热及荧光粉涂层是两大封装工艺突破重点。用于照明领域的白光功率LED,其色温与色度的空间分布均匀性是产品性

能的重要指标。人眼能分辨的色温差异为50~100K,目前普通LE D 器件色度的均匀性仍不理

想,甚至单颗LED 的角向色温差异可大到800K 。这是因为荧光粉浓度一定时,蓝光被转换成黄光的几率与蓝光出射过程中遇到的荧光粉厚度成正比,荧光粉厚度不均正是造成白光LE D 角向色温差异的主要原因

[9~11]

。可见,对于白光LED,出

射白光光斑均匀性研究与改善是一个重要课题。

2 样品制作过程

我们利用现在主流的灌封点胶工艺,采用不

同的荧光粉层形状与结构,制作了五种样品,A1~A5,荧光粉层的制作过程主要有两个步骤,

首先在芯片上涂覆一层透明的硅胶,将其烘干形成透明硅胶层;再在硅胶层上涂敷荧光粉和透明

硅胶的混合物。图1(a ~e )为五种不同形状结构白光LE D 的示意图。在芯片的正面,荧光粉层厚度约为25μm 。

图1(a )所示,样品A1的结构是先在LED 芯片发光层上涂敷较厚的硅胶层,其厚度约为荧光粉层的2倍,该硅胶层覆盖了整个金属的衬底基座,再在烘干的硅胶层上涂敷荧光粉胶层。图1(b )所示,样品A2的结构与A1结构基本类似,也是在LE D 芯片发光层上先涂敷硅胶层,其厚度约为荧光粉层的1/2,该硅胶层覆盖了整个金属的衬底基座,再在上面涂覆荧光粉层,其略不同之处在于此时硅胶层的厚度明显更薄,但因由人工操作,误差可能会很大。图1(c )所示,样品A3的结构是沿衬底边缘在金属基座上涂敷硅胶层,该硅胶层的高度不超过倒装芯片的陶瓷衬底,正好与陶瓷衬底填平,而芯片上面的发光层没有硅胶,烘干后,在整个芯片上涂敷荧光粉层。图1(d )所示,样品A4的结构是沿芯片发光层边缘在金属基

708 发 光 学 报第29

图1 五种白光LE D s 制作的工艺示意图

Fig .1 Sche matic diagram of fabricating 5kinds of white LE D s .

座和陶瓷衬底上涂敷硅胶层,该硅胶层的高度不超过倒装芯片的芯片中心发光区域,正好与芯片的发光层填平,发光层的上表面露出来,烘干后,在整个芯片上涂敷荧光粉层。图1(e )所示,样品A5的结构是在芯片的发光面的正面涂敷硅胶,其

厚度与荧光粉层相同,然后,在烘干的硅胶层上涂敷荧光粉胶层。

3 实验测试平台的建立

通过9点法测试每个LE D 的9点色坐标和色温,以判断单个LE D 出射光斑各个方向上发光的空间均匀性。并用积分球法测试器件色温、色度,以考察同一类样品的器件之间的差异性。

为了测试单个白光LE D 的出射光斑的空间均匀性,建立了如下实验平台:试验在暗室中进行以减少环境光线的影响。先把LE D 固定在墙上,在其正前方放置一个白色屏,屏的中心位置的高度和LED 一致(如图2所示),屏和墙保持平行。为了方便测试和统计我们选取了组成正方形的9点作为代表性的测量点。

实验条件:本文中制作的是1W 白光LE D ,采用350mA 恒流电源驱动,电压3.5V 左右。LED 距离屏的距离相同,为60c m ,

测试所用工具

图2 测试屏和LE D 位置示意图

Fig .2 Sche matic diagra m of the testing screen and LE D po 2

siti ons .

为:CHROMA METER CS 2100M I N OLT A 色彩色差计。对单个器件光通量、色温和色坐标等的测量;采用的ss p3112LED 光谱波长分析系统利用积分球的方法测试整个LED 的色度坐标和色温。

色度坐标的离散性可以用每个LED 的9个测试点的色度坐标的标准差来表示,设9个测

试点的色坐标为(x i ,y i )(i =1,2,…,9),9测试点的色坐标平均值为(x,y ),则标准差为σ:σ=

69

i =1

[(x i -x )2+(y i -y )2

]

n

主波长分布也能体现9点的色坐标离散性。主波长范围越小,9点色坐标越集中,则LE D 的空间色度分布越均匀。另外,从主波长的大小可以看出这个LED 发光的颜色偏向。主波长主要采

 第4期徐国芳,等:白光LE D 光斑均匀性的改进709

 用作图法来体现。

器件之间的色度均匀性,可由色度坐标的标准差和色温标准差来表示,也可由C I E1931色度图上的分布直接反应出来。设测试得到的器件的色坐标为(x i ,y i )(i 为器件个数),一批器件的色坐标平均值为(x,y ),色度坐标点的标准差为:σ=

6n

i =1[(x i -x )

2

+(y i -y )2

]

n

;同理其色温的标

准差为:σT c =

6n

i =1

(T c i -T c )

2

n

图3 样品空间9点色坐标分布

Fig .3 The distributi on of col ori m etric data .

4 测试数据及讨论

4.1 单个L E D 白光光斑均匀性

为了考察单个白光LE D 出射光斑的光学一致性,在A1~A5样品中,随机抽取一个样品,通过9点法测得每个LED 的色坐标空间分布值,并

根据公式计算出其色坐标的标准差σ及主波长分布,结果如表1所示。将表1中每种样品的单个白光LED 的空间9

点色度坐标值,即(x,y )值分别绘于折线图3,以考察其分散性,图中所示

x =0.33,y =0.33点为理想白光点。并将A1~

A5样品的9点色度坐标位置绘于C I E1931色度

图4,以便更直观的反应色度的空间分布性,并标

注其主波长分布区域,并将其中A1~A4样品的色度分布嵌入小图中。

图4 A1~A5样品空间9点的C I E1931色度坐标图及其

主波长范围分布

Fig .4 D istributi on of the col ori m etric data f or WLE D A1~

A5in C I E1931and their main wavelength .

为了分析的简单和对问题主要矛盾的把握,我们在分析过程中忽略芯片本身发光不均匀的影响,和人工操作的误差。只考虑工艺对发光均匀性的影响。由以上表和图可见,A3工艺色坐标标准差相对较小,从折线图、色度图上体现出9点色坐标分布更集中,主波长范围分布也更小,该工艺

能更好的控制荧光粉的厚度均匀性,使出射光斑更均匀,同时发出的光也很接近标准白光。A4略次于A3。A1、A2的均匀性不好,离散性更大。A5能改善均匀性,但偏离理想白光太远,对厚度

的掌控性太差。

由于A3采用的工艺是在沿衬底边缘在金属基座上涂敷硅胶层,使其与陶瓷衬底填平,这会使荧光粉层在芯片发光层上分布更均匀。因为硅胶填平陶瓷衬底,使旁边厚的荧光粉层变薄,同时使

表1 A1~A5样品9点色坐标标准差及主波长分布

Table 1 Standard deviati on of the col ori m etric data for A1~A5in C I E1931and their main wavelength .

样品号

A1

A2

A3

A4

A5

9点标准差

0.007790.009170.004430.005690.00771主波长(nm )

502~528

485~502

492~504

493~506

475~481

710

 发 光 学 报第29卷

底面积增大,使荧光粉层分布的平面增大,这样荧光粉层在芯片上形成的弧型更平一点,也使荧光粉层均匀些。A4的结构是沿芯片发光层边缘,使硅胶层填平芯片表面的发光层,这能使芯片上平的面积增大,提高均匀性。但由于发光面在芯片表面的旁边也要发光,在旁边先涂硅胶,这样会造成旁边露出蓝色光线,且工艺操作性更差。A5结构在芯片上先涂硅胶,这就先形成一个弧形,原理上能减小荧光粉层的弧形差异,使荧光粉层在芯片上厚度更一致,但是正是由于下面的硅胶层使荧光粉的量减少,造成A5的发光偏向蓝光,同时由于芯片较小,操作更加困难,可控性也更差。样品A1、A2的结构基本类似,在LED芯片发光层上先涂敷硅胶层,这基本不会改变荧光粉层在芯片上的形状,当然也不能改善荧光粉层的均匀性。

4.2 器件之间的一致性

为考察各种工艺制作时的可控性与一致性,考察器件之间的色度、色温一致性,我们采用积分球法测量了样品A1~A5的每批白光LE D的色坐标值(x,y)和色温(T

c

),计算出其色度标准差

σ和色温标准差σ

T c

,结果列于表2中。将表2中样品A3一批器件的色度坐标值绘于C I E1931色度图5上,以便更直观的反应器件之间色度的差异性。

表2 A1~A5样品一批之间的色坐标及色温标准差

Table2 Standard deviati on of the col ori m etric data and CCT of sa mp les.

样品号A1A2A3A4A5

色度标准差σ0.040560.018030.019480.016870.12742

色温标准差σ

T c14089418125788

691

图5 A3样品批内的色度坐标图及其主波长分布Fig.5 D istributing of the col ori m etric data for A3in C I E1931 and their main wavelength.

由表和图中可见,一批器件的一致性很不好。色度上0.01的差异就能很容易的被人眼感觉到并分辨出来[12]。而以上A1~A5样品的色度差异远大于人眼所能感觉的限度,即一批产品的色度有的偏蓝、有的偏黄,差异性很大。从另一个角度上,人眼能分辨的色温差异为50~100K[9],以上A1~A5样品的色温差异远大于这一范畴,即采用这种工艺生产的产品色温一致性不好。这种器件之间的色度不均匀性是由于封装工艺中,荧光粉层涂敷环节可控性差造成的,且采用人工操作,其一致性和可控性不好。在同一批产品的制作中,颜色的分布都是很大的。

人眼对于白光区域是非常敏感的,色度上0.01的差异就能很容易的被人眼感觉到并分辨出来[2],所以,要求色坐标的分布差异应尽可能小。由上可见,虽然采用不同的粉层结构,单个LED 的出射白光光斑的色度分布的差异有所不同,但总体上的色坐标差异还是很大的,9点之间的色坐标差异基本都大于人眼能分辨的颜色差异值(0.01)。当器件点亮时,其投射的白光光斑色度不均匀,有的地方偏黄,有的地方偏蓝,器件的光学性能不是很理想。光斑的不均匀性是由荧光粉层的涂敷形状造成的。说明采用目前的点胶工艺制作荧光粉层时对于器件内的荧光粉层形状和厚度均匀性的控制较差,很难得到出射光斑光色的均匀性和一致性。

5 结 论

由以上的测试分析我们得到,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性。但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,其出射光斑的空间色坐标差异基本都大于人眼能分辨的颜色差异值(0.01)。这种光斑的不均匀性是由荧光粉层的涂敷形状造成的。由于是手工操作,所形成的荧光粉层形状是凹凸不平的,且这种工艺形成的荧光粉层是拱形的,厚度是不均匀的,最后出射的白光光斑会有蓝圈黄圈现象,极大地影响产品性

 第4期徐国芳,等:白光LE D光斑均匀性的改进711

 

能,即产生单个器件的出射白光不均匀性。

同时,采用目前的点胶工艺制作荧光粉层,一批器件的一致性也不好,色度、色温分散性大。这种器件之间的色度不均匀性是由于荧光粉层涂敷环节可控性差造成的。

所以,现有的荧光粉层灌封点胶工艺是很不成熟的,存在很大的弊端。荧光粉层的可控性是影响色度不均匀性(即光斑均匀性)的主要因素,包括单个器件内的光斑和器件之间的颜色一致性都不理想。

为了弥补灌封点胶工艺在出光均匀性的不足,一种新型的平面涂层技术受到重视,利用粉浆法,可以在LED芯片的表面上,得到一层厚度均匀的荧光粉粉层,均匀的荧光粉粉层可以保证单颗白光LED出光在空间的均匀性,同时,通过控制感光胶中各成分的比例及相关工艺参数,使器件间的色度均匀性得到改善。

参 考 文 献:

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I m provem en t of O pti ca l Un i form ity of W h ite L ED s

XU Guo2fang1,RAO Hai2bo2,Y U Xin2mei2,L I Jun2fei2,HOU B in2

(1.N ingbo Sunpo O pto Se m iconductor Co.L TD.,N ingbo315040,China;

2.School of O pto2electronic Infor m ation,U niversity of E lectronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China)

Abstract:Combining phos phor with LED chi p has become the most common method t o realize white light out2 put f or white LED.Ther mal conducti on and phos phor coating are t w o key fact ors that influence on the quality of p r oducts.The s patial distributi ons of col or te mperature and chr o maticity are the crucial para meters of power white LE D used in lighting.The range of col or te mperature deviati on within single white LE D which can be

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distinguished by human eyes is fr om50K t o100K.The unifor m ity of col or te mperature of white LE D devices still cannot achieve the op ti m ized standard,because the col or te mperature deviati on of single p r oduct can even attain800K.This can be attributed on the nonunif or m ity of phos phor coating on the LE D chi p.Therefore,the unifor m ity of light out put is of great i m portance as white LED s f ound their way in the lighting app licati on.The conventi onal dis pensing method(or di pp ing method)for phos phor coating,which is much popular currently used in the LE D s industry,was intr oduced in this paper.Further,s ome modificati on had been made in the structure configurati on of the phos phor layer t o i m p r ove the unif or m ity of light out put of white LE D s based on the dis pensing p r ocess.N ine2point sche me had been adop ted t o measure the s patial distributi on of brightness and chr omaticity of light out put of different LED s sa mp les with different p r ocess para meters.A lthough these modificati on has i m p r oved the unif or m ity of chr omaticity of white light s pot in a certain extent,as a whole the unifor m ity of white light out put of devices made by e mp l oying conventi onal dis pensing method of phos phor coating is still not good,and deviati ons of s patial coordinates of white light s pots are larger than those of0.01 that human eyes can distinguish.This can be ascribed t o the cu mber shape of phos phor coating.Since the p r ocess of phos phor coating is operated by hand work,the thickness of phos phor layer is not unif or m which cau2 ses a big influence t o the perf or mance of p r oducts.I n additi on,the consistency of p r oducts of sa me batch is not good,and deviati on of col or te mperature and chr o maticity a mong different p r oducts is large.It can be ex2 p lained that the p r ocess of phos phor dis pensing cannot be well contr olled a mong different p r oducts.A ll of these indicate that the conventi onal phos phor coating method2dis pensing has l ots of defects.T o eli m inate and over2 come these defects,a novel phos phor coating method ter med confor mal coating,which can largely i m p r oves the unifor m ity of phos phor layer,should be e mphasized.

Key words:white LED s;unifor m ity of light s pot;s patial distributi on of chr omaticity

Received date:2007210205

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