解析白光LED光斑均匀性的改进方法

白光LED以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能、绿色环保等显著优点,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,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50～100 K,目前普通LED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800 K。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LED角向色温差异的主要原因。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LED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LED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。

　　图1　五种白光LEDs制作的工艺示意图

　　3　实验测试平台的建立

　　通过9点法测试每个LED的9点色坐标和色温,以判断单个LED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LED 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LED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。

　　图2　测试屏和LED位置示意图

　　实验条件:本文中制作的是1W白光LED,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60cm,测试所用工具为: CHROMA METER CS2100M INOLTA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ssp3112LED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( xi , yi ) ( i = 1, 2, 9 ) , 9测试点的色坐标平均值为,则标准差为σ:

　　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LED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CIE1931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( xi , yi ) ( 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:

　　同理其色温的标准差为：

　　图3　样品空间9点色坐标分布　　4　测试数据及讨论

　　4. 1　单个LED白光光斑均匀性

　　为了考察单个白光LED 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 IE1931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CIE1931色度坐标图及其主波长范围分布

　　表1　A1～A5样品9点色坐标标准差及主波长分布

　　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LED 的色坐标值(x,y)和色温(Tc) ,计算出其色度标准差σ和色温标准差σTc ,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CIE1931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

　　图5　A3样品批内的色度坐标图及其主波长分布

　　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.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50～100 K,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,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。