雙層熒光粉涂覆對COB封裝LED出光的影響

傅志紅，武寧杰，田有鏘，郭鵬程，王 洪

（1.中南大學 機電工程學院 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.華南理工大學 現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術研究院，廣東 中山 528437）

引言

LED效率高且體積小，因此在固體照明、顯示器、背光源等領域有巨大的應用前景[1-5]。隨著LED 應用市場的擴大，工藝不斷成熟，COB封裝技術應運而生。COB（chips on board）封裝，就是將多顆芯片之間以串并聯(lián)的方式直接與基板相連接[6]。COB封裝能夠提高電子組件的組裝密度、降低成本、縮小和減輕電子組件的體積和質(zhì)量[7]，這樣的封裝結構，不僅提高了光功率、亮度等光學性能[8]，還減少了器件的熱阻，增加了散熱。近年來，COB封裝逐漸成為LED 封裝工藝的主流[9]。

發(fā)光二極管（LED）是繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命[10]。熒光轉換型白光LED的發(fā)光原理是在LED芯片表面涂覆一層熒光粉混合物，熒光粉在芯片所發(fā)出的光的激發(fā)下產(chǎn)生其他顏色的光，與芯片發(fā)出的光混合而產(chǎn)生白光[11]。熒光粉涂覆工藝是影響LED出光質(zhì)量的一個關鍵工藝。國內(nèi)外針對熒光粉的涂覆已經(jīng)做了大量的研究。曹小兵等人[12]重點研究如何將遠程熒光技術與大功率LED 集成封裝技術結合制備，提升封裝整體發(fā)光效率，使LED 封裝設計的自由度更大。Ching-Cherng Sun 等人[13]提出了一種新的空間編碼涂層熒光粉結構，有效地提高了白光LED的效率。Qinghao Meng 等人[14]提出了結合傳統(tǒng)熒光粉涂覆對自適應熒光粉涂層結構進行優(yōu)化的方法。

LED制造行業(yè)生產(chǎn)廠家一般只生產(chǎn)其中一種或幾種元部件，各個廠商都在為同一個目標而努力——提高發(fā)光效率[15]。普通的COB封裝結構表面的硅膠呈平面狀或略微凸起狀，較大角度的光線易在平面上發(fā)生全反射，難以取出[16]。本文設計了一種雙層熒光粉涂覆結構，通過改變上下層熒光粉的濃度以及上層熒光粉膠涂覆量，探究其對提高出光量的影響，最后通過調(diào)整熒光粉的配合使用，提高綜合光學性能。

1 仿真

1.1 仿真模型

在仿真軟件Lighttools 中建立3D模型如圖1所示，所用COB 光源由48顆藍光倒裝LED芯片組成，連接方式為4并12。為了簡化仿真，仿真中設置為發(fā)光半徑為8.5 mm的面光源，總光通量設為270 lm，光強分布為朗伯型。藍光芯片和黃色熒光粉的發(fā)射波長分別如圖2、3所示。模型中圍壩高度為1 mm，單層熒光粉層厚度為1 mm，熒光粉顆粒折射率實部為1.8，不含虛部，仿真追跡光線總數(shù)為50 萬條。仿真中首先用峰值波長為558 nm的單一黃色熒光粉探究上下層濃度及上層涂覆量對COB封裝結構出光量的影響，然后在最優(yōu)結構中調(diào)整熒光粉的配合使用，保持高出光量的同時提高其顯色性。

圖1 仿真3D模型Fig.1 3D model of simulation

圖2 藍光芯片發(fā)射光譜Fig.2 Emission spectrum of blue light chip

圖3 黃色熒光粉發(fā)射光譜Fig.3 Emission spectrum of yellow phosphor

1.2 光通量

仿真濃度設定如表1所示，為了便于數(shù)據(jù)處理和對比，將Lighttools 中熒光粉的質(zhì)量百分比換算成膠粉比。濃度設定為：上層膠粉比為14～32；下層膠粉比為14～32，梯度為2。上下層涂覆量相等為227 ul，記為v。在Lighttools 建立好模型，設定參數(shù)后進行模擬仿真。

表1 濃度設定Table1 Concentration setting

如圖4所示，在上涂覆層膠粉較大時，隨著下涂覆層膠粉比的增大，COB封裝結構的出光量逐漸減小，上涂覆層膠粉比為14和18的出光量呈增大再逐漸減小的趨勢，COB封裝結構出光量達到最大時的濃度組合為下層膠粉比28，上層膠粉比18，光通量最大為2 145.8 lm，單層涂覆膠粉比為28的模型出光量為1 810.1 lm，光通量提升了18.55%。這是因為：1） 上涂覆層的熒光粉膠形成的自由曲面更容易提高封裝結構的光萃取；2） 下層低濃度的熒光粉與上層高濃度的熒光粉折射率差值變大，上層熒光粉膠對光的向后散射性減小。但下層熒光粉膠濃度過低時，熒光粉激發(fā)產(chǎn)生的黃光減少；上層濃度過高時，膠體-空氣界面更容易發(fā)生全反射。因此存在一個合適的上下層濃度的組合。

圖4 仿真中不同上下層膠粉比組合的COB封裝結構的出光量Fig.4 Light output of COB encapsulation structure of different upper-lower layers rubber powder ratios in simulation

為了進一步證實雙層涂覆具有提高光通量的作用，分別設計了涂覆量為v和2 v的2組單層涂覆對比模型，所對應膠粉比為10.5和22，即保持熒光粉總顆粒數(shù)與膠粉比為18～28的雙層涂覆一致。結果如表2所示，涂覆量為v模型，由于涂覆層呈平整結構，在膠體-空氣界面容易發(fā)生全反射，不利于出光；涂覆量為2 v模型，粉膠量增多，增加了光的吸收且熒光粉顆粒對光向后散射嚴重。相對于涂覆量為v和2 v的單層涂覆，雙層涂覆出光量分別提升了5.90%、4.66%。

表2 仿真中單層涂覆和雙層涂覆出光量對比Table2 Comparison of light output between monolayer coating and double-layer coating in simulation

為了進一步研究上層熒光粉涂覆量對出光量的影響，仿真中控制上層熒光粉總顆粒數(shù)不變，初始涂覆量為227 ul，數(shù)值記為v。如圖5所示，在上層涂覆量由0.5 v到v 逐漸增大時，出光量呈先增大后減小的趨勢。這是由于控制熒光粉總顆粒數(shù)一定時，高濃度、少涂覆量的涂覆層單位體積的熒光粉顆粒數(shù)更多且涂覆結構曲率小，熒光粉顆粒對光的吸收、向后散射增強，光在膠體-空氣界面的全反射更容易發(fā)生；涂覆量逐漸增加時，涂覆層的曲率逐漸增大、濃度逐漸減小，上涂覆層對光的萃取逐漸增加，在涂覆量為0.8 v時出光量達到最大。當涂覆量繼續(xù)增加時，出光量反而降低，這是由于膠體對光的吸收占據(jù)主導，光萃取效率降低。因此對于本COB封裝結構在上層熒光粉膠涂覆量為下層的0.8倍時，COB封裝結構出光率最大，光通量為2 197.6 lm，相對于涂覆量為v和2 v的單層涂覆，出光量分別提升了8.46%、7.18%。

圖5 仿真中上層涂覆量對COB封裝出光的影響Fig.5 Effect of upper coating volume on light output of COB encapsulation in simulation

1.3 顯色指數(shù)

上述研究中，COB封裝結構出光量得以提高，但顯色指數(shù)低于70。為了改善顯色性，仿真中在最佳出光量的結構中將上下層黃色熒光粉置換為同等比重的黃綠粉，峰值波長為537 nm，并在上涂覆層中添加少量紅色熒光粉，其中紅色熒光粉峰值波長有620 nm、630 nm 兩種。設黃綠粉為1 g，紅粉加入質(zhì)量分別為0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g。仿真模擬結果如表3、表4所示，由表3和表4數(shù)據(jù)對比可知，在提高顯色性方面630 nm的紅粉效果更佳，在較高光通量的同時突破80 顯指。

表3 仿真中加入峰值波長620 nm的紅粉Table3 Adding red phosphor with peak wavelength of 620 nm in simulation

表4 仿真中加入峰值波長630 nm的紅粉Table4 Adding red phosphor with peak wavelength of 630 nm in simulation

紅粉的加入彌補了發(fā)射光譜中紅色光譜的不足，得以提高顯色指數(shù)。而紅色熒光粉轉換效率低，紅色熒光粉的加入會在一定程度上降低LED的出光量，因此要控制紅色熒光粉的摻入量。對于本文中15 W的COB封裝結構，在加入630 nm紅粉0.1 g時，光通量達到1 965.1 lm，顯指為81.6，色溫為4 914.7 K，綜合光色指標最佳。

2 實驗與測試結果

2.1 實驗簡化流程

圖6所示為實驗所制得的不同濃度的雙涂覆層COB 光源。

圖6 某3種不同濃度的雙層涂覆COB封裝結構Fig.6 Three double-layer coating COB encapsulation structures with different concentrations

2.2 測試結果

2.2.1 光通量

實驗中所用黃色熒光粉為博睿光電的BM304A，實驗結果如圖7所示，不同上下層膠粉比組合的COB封裝結構的出光量趨勢和仿真近似一致，實驗檢測結果顯示：在下層膠粉比為28，上層涂覆膠粉比為14和18時，封裝結構的光通量非常接近，與仿真有些區(qū)別，可能是由于配熒光粉時存在誤差。由圖表中單層涂覆和雙層涂覆出光量對比可知，雙層涂覆對LED的出光量具有顯著提高的作用，一方面是由于雙層涂覆中更多的熒光粉被激發(fā)產(chǎn)生黃光；另一方面是上層熒光粉層呈曲面形狀，提高了光的萃取率。實驗中在上層膠粉比18和下層膠粉比28時光通量最大為2 136 lm，單層涂覆膠粉比28時的COB封裝結構的光通量為1 769 lm，出光量提升了20.75%。

圖7 實驗中不同上下層膠粉比組合的COB封裝結構的出光量Fig.7 Light output of COB encapsulation structure of different upper-lower layers rubber powder ratios in experiment

為了驗證雙層涂覆工藝優(yōu)于單層涂覆，設計了相應的對比實驗組，配粉濃度及自動點膠機設定的涂覆量與仿真參數(shù)對應一致。實驗結果如表6所示，相對于涂覆量為v和2 v的單層涂覆，雙層涂覆出光量分別提升了5.69%、4.71%，與仿真近似一致。因此，雙層涂覆具有提高出光量的作用，驗證了仿真的正確性。

表6 實驗中單層涂覆與雙層涂覆出光量對比Table6 Comparison of light output between monolayer coating and double-layer coating in experiment

為了研究上層熒光粉涂覆量對出光量的影響，在實驗中設置了4組對比涂覆量，分別為0.5 v、0.6 v、0.8 v、v（227 ul），保持總粒子數(shù)不變則所對應的膠粉比分別為8.5、10.4、14.2、18。如圖8所示，上層涂覆量由0.5 v 增加到v時，COB封裝結構的出光量呈現(xiàn)增大再減小的趨勢。隨著涂覆量的增加，涂覆層的曲率逐漸增大，在涂覆量為0.8 v時達到最優(yōu)，出光量達到最大，證實了存在一個最佳曲率的上層涂覆層來達到最大的光萃取，驗證了仿真的正確性。光通量最大為2 179 lm，即光效為145.3 lm/W，與涂覆量為v和2 v的單層涂覆相比，出光量分別提升了7.82%、6.81%，與仿真相對誤差分別為7.57%、5.15%。

圖8 實驗中上層涂覆量對COB封裝出光的影響Fig.8 Effect of upper coating volume on light output of COB encapsulation in experiment

2.2.2 顯色指數(shù)

為了提高顯色性，實驗中將黃色熒光粉置換為同等質(zhì)量的黃綠粉，并在上涂覆層中加入少量紅粉，黃綠粉和紅粉分別選用選用博睿光電的GM537 L、RH620 X、RH630 KM。設黃綠粉為1 g，紅粉加入質(zhì)量分別為0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g，實驗中通入直流電流為440 mA，檢測結果如表7、表8所示。

表7 實驗中加入峰值波長620 nm的紅粉Table7 Adding red phosphor with peak wavelength of 620 nm in experiment

表8 實驗中加入峰值波長630 nm的紅粉Table8 Adding red phosphor with peak wavelength of 630 nm in experiment

實驗數(shù)據(jù)顯示當加入峰值波長為620 nm的紅粉時，雖提高了顯色性，但顯色指數(shù)不易突破80，相對而言加入峰值波長為630 nm的紅粉時，在較高光通量的同時突破80 顯指。在加入630 nm 紅粉0.1 g時，光通量達到1 945 lm，即光效129.7 lm/W，顯指為81.2，色溫為4 854 K，綜合光色指標最佳，與仿真結果近似一致。

將黃色熒光粉換為黃綠粉與紅粉的組合，使COB封裝結構的發(fā)射光的光譜更加均衡，彌補了單一黃色熒光粉發(fā)射光譜中綠光和紅光的缺失，提高了顯色性。加入紅粉的COB封裝結構LED發(fā)光光譜圖如圖9、10所示，由兩圖可知隨著紅粉質(zhì)量的增加，光譜圖逐漸向右偏移，紅光波段能量值逐漸升高。但紅色熒光粉轉化效率低，隨著紅粉質(zhì)量增加，在提高顯色性的同時會導致出光量下降。而雙層熒光粉涂覆結構提高出光量，因此可以通過加入適當?shù)募t粉，在保持高光通量的同時達到高顯指的目的。本次實驗中加入峰值波長630 nm的紅粉且質(zhì)量為0.1 g時，發(fā)射光譜更為均衡，實現(xiàn)高光效、高顯指的目標。

圖9 加入峰值波長620 nm的紅粉的光譜Fig.9 Adding spectrum of red phosphor with peak wavelength of 620 nm

圖10 加入峰值波長630 nm的紅粉的光譜Fig.10 Adding spectrum of red phosphor with peak wavelength of 630 nm

3 結論

仿真和實驗表明，在一定范圍內(nèi)，在COB封裝結構低濃度單層熒光粉上涂覆一層高濃度熒光粉，可以達到高出光率的目的。對于本COB封裝結構，當涂覆單一黃色熒光粉，上層—下層膠粉比為14.2～28，且上層涂覆量為下層的0.8倍時，其出光量達到最大。但對于涂覆單一黃色熒光粉的COB封裝結構，其顯色性較差，通過調(diào)整熒光粉的配合使用，在控制上下層膠粉比不變的情況下，黃粉改用為峰值波長為537 nm的黃綠粉，并在上層熒光粉中加入紅粉，彌補了單一黃色熒光粉發(fā)射光譜中綠光和紅光的缺失，使發(fā)光光譜更加均衡。加入峰值波長630 nm的紅粉且與黃綠粉比例為0.1時，在通電流為440 mA 情況下，可以實現(xiàn)15 W的COB封裝結構的光通量、色溫、光效及顯指分別為1 945 lm、4 854 K、129.7 lm/W和81.2。如何將本文中熒光粉涂覆結構應用于遠程涂覆中成為下一步研究的問題。