解析白光LED光斑均勻性的改進(jìn)方法

白光LED以其效率高、功耗小、壽命長(zhǎng)、固態(tài)節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是“綠色照明光源”,預(yù)計(jì)將成為繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。利用熒光粉轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)白光是目前研究得最多最熱的一種方法。目前功率型白光LED封裝工藝還很不成熟,散熱及熒光粉涂層是兩大封裝工藝突破重點(diǎn)。用于照明領(lǐng)域的白光功率LED,其色溫與色度的空間分布均勻性是產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)。人眼能分辨的色溫差異為50～100 K,目前普通LED器件色度的均勻性仍不理想,甚至單顆LED的角向色溫差異可大到800 K。這是因?yàn)闊晒夥蹪舛纫欢〞r(shí),藍(lán)光被轉(zhuǎn)換成黃光的幾率與藍(lán)光出射過(guò)程中遇到的熒光粉厚度成正比,熒光粉厚度不均正是造成白光LED角向色溫差異的主要原因?？梢?jiàn),對(duì)于白光LED,出射白光光斑均勻性研究與改善是一個(gè)重要課題。

　　2　樣品制作過(guò)程

　　我們利用現(xiàn)在主流的灌封點(diǎn)膠工藝, 采用不同的熒光粉層形狀與結(jié)構(gòu), 制作了五種樣品,A1～A5,熒光粉層的制作過(guò)程主要有兩個(gè)步驟,首先在芯片上涂覆一層透明的硅膠,將其烘干形成透明硅膠層;再在硅膠層上涂敷熒光粉和透明硅膠的混合物。圖1 ( a～e)為五種不同形狀結(jié)構(gòu)白光LED的示意圖。在芯片的正面,熒光粉層厚度約為25μm。

　　圖1(a)所示,樣品A1的結(jié)構(gòu)是先在LED芯片發(fā)光層上涂敷較厚的硅膠層,其厚度約為熒光粉層的2倍,該硅膠層覆蓋了整個(gè)金屬的襯底基座,再在烘干的硅膠層上涂敷熒光粉膠層。圖1(b)所示,樣品A2的結(jié)構(gòu)與A1結(jié)構(gòu)基本類似,也是在LED芯片發(fā)光層上先涂敷硅膠層,其厚度約為熒光粉層的1 /2,該硅膠層覆蓋了整個(gè)金屬的襯底基座,再在上面涂覆熒光粉層,其略不同之處在于此時(shí)硅膠層的厚度明顯更薄,但因由人工操作,誤差可能會(huì)很大。圖1(c)所示,樣品A3的結(jié)構(gòu)是沿襯底邊緣在金屬基座上涂敷硅膠層,該硅膠層的高度不超過(guò)倒裝芯片的陶瓷襯底,正好與陶瓷襯底填平,而芯片上面的發(fā)光層沒(méi)有硅膠,烘干后,在整個(gè)芯片上涂敷熒光粉層。圖1(d)所示, 樣品A4的結(jié)構(gòu)是沿芯片發(fā)光層邊緣在金屬基座和陶瓷襯底上涂敷硅膠層,該硅膠層的高度不超過(guò)倒裝芯片的芯片中心發(fā)光區(qū)域,正好與芯片的發(fā)光層填平,發(fā)光層的上表面露出來(lái),烘干后,在整個(gè)芯片上涂敷熒光粉層。圖1(e)所示,樣品A5的結(jié)構(gòu)是在芯片的發(fā)光面的正面涂敷硅膠,其厚度與熒光粉層相同,然后,在烘干的硅膠層上涂敷熒光粉膠層。

　　圖1　五種白光LEDs制作的工藝示意圖

　　3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的建立

　　通過(guò)9點(diǎn)法測(cè)試每個(gè)LED的9點(diǎn)色坐標(biāo)和色溫,以判斷單個(gè)LED出射光斑各個(gè)方向上發(fā)光的空間均勻性。并用積分球法測(cè)試器件色溫、色度,以考察同一類樣品的器件之間的差異性。

　　為了測(cè)試單個(gè)白光LED 的出射光斑的空間均勻性,建立了如下實(shí)驗(yàn)平臺(tái):試驗(yàn)在暗室中進(jìn)行以減少環(huán)境光線的影響。先把LED固定在墻上,在其正前方放置一個(gè)白色屏,屏的中心位置的高度和LED一致(如圖2所示) ,屏和墻保持平行。為了方便測(cè)試和統(tǒng)計(jì)我們選取了組成正方形的9點(diǎn)作為代表性的測(cè)量點(diǎn)。

　　圖2　測(cè)試屏和LED位置示意圖

　　實(shí)驗(yàn)條件:本文中制作的是1W白光LED,采用350mA恒流電源驅(qū)動(dòng),電壓3.5V左右。LED距離屏的距離相同,為60cm,測(cè)試所用工具為: CHROMA METER CS2100M INOLTA色彩色差計(jì)。對(duì)單個(gè)器件光通量、色溫和色坐標(biāo)等的測(cè)量;采用的ssp3112LED光譜波長(zhǎng)分析系統(tǒng)利用積分球的方法測(cè)試整個(gè)LED的色度坐標(biāo)和色溫。色度坐標(biāo)的離散性可以用每個(gè)LED的9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的色度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示,設(shè)9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的色坐標(biāo)為( xi , yi ) ( i = 1, 2, 9 ) , 9測(cè)試點(diǎn)的色坐標(biāo)平均值為,則標(biāo)準(zhǔn)差為σ:

　　主波長(zhǎng)分布也能體現(xiàn)9點(diǎn)的色坐標(biāo)離散性。主波長(zhǎng)范圍越小, 9點(diǎn)色坐標(biāo)越集中,則LED的空間色度分布越均勻。另外,從主波長(zhǎng)的大小可以看出這個(gè)LED發(fā)光的顏色偏向。主波長(zhǎng)主要采用作圖法來(lái)體現(xiàn)。

　　器件之間的色度均勻性,可由色度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差和色溫標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示,也可由CIE1931色度圖上的分布直接反應(yīng)出來(lái)。設(shè)測(cè)試得到的器件的色坐標(biāo)為( xi , yi ) ( i為器件個(gè)數(shù)) , 一批器件的色坐標(biāo)平均值為( x, y ) , 色度坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為:

　　同理其色溫的標(biāo)準(zhǔn)差為：

　　圖3　樣品空間9點(diǎn)色坐標(biāo)分布　　4　測(cè)試數(shù)據(jù)及討論

　　4. 1　單個(gè)