解析白光LED光斑均勻性的改進方法

　　白光LED以其效率高、功耗小、壽命長、固態節能、綠色環保等顯著優點,被認為是「綠色照明光源」,預計將成為繼白熾燈、螢光燈之後的第三代照明光源,具有巨大的發展潛力。利用螢光粉轉換的方法實現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,散熱及螢光粉塗層是兩大封裝工藝突破重點。用於照明領域的白光功率LED,其色溫與色度的空間分布均勻性是產品性能的重要指標。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。這是因為螢光粉濃度一定時,藍光被轉換成黃光的機率與藍光出射過程中遇到的螢光粉厚度成正比,螢光粉厚度不均正是造成白光LED角向色溫差異的主要原因。可見,對於白光LED,出射白光光斑均勻性研究與改善是一個重要課題。

　　2　樣品製作過程

　　我們利用現在主流的灌封點膠工藝, 採用不同的螢光粉層形狀與結構, 製作了五種樣品,A1～A5,螢光粉層的製作過程主要有兩個步驟,首先在晶片上塗覆一層透明的矽膠,將其烘乾形成透明矽膠層;再在矽膠層上塗敷螢光粉和透明矽膠的混合物。圖1 ( a～e)為五種不同形狀結構白光LED的示意圖。在晶片的正面,螢光粉層厚度約為25μm。

　　圖1(a)所示,樣品A1的結構是先在LED晶片發光層上塗敷較厚的矽膠層,其厚度約為螢光粉層的2倍,該矽膠層覆蓋了整個金屬的襯底基座,再在烘乾的矽膠層上塗敷螢光粉膠層。圖1(b)所示,樣品A2的結構與A1結構基本類似,也是在LED晶片發光層上先塗敷矽膠層,其厚度約為螢光粉層的1 /2,該矽膠層覆蓋了整個金屬的襯底基座,再在上面塗覆螢光粉層,其略不同之處在於此時矽膠層的厚度明顯更薄,但因由人工操作,誤差可能會很大。圖1(c)所示,樣品A3的結構是沿襯底邊緣在金屬基座上塗敷矽膠層,該矽膠層的高度不超過倒裝晶片的陶瓷襯底,正好與陶瓷襯底填平,而晶片上面的發光層沒有矽膠,烘乾後,在整個晶片上塗敷螢光粉層。圖1(d)所示, 樣品A4的結構是沿晶片發光層邊緣在金屬基座和陶瓷襯底上塗敷矽膠層,該矽膠層的高度不超過倒裝晶片的晶片中心發光區域,正好與晶片的發光層填平,發光層的上表面露出來,烘乾後,在整個晶片上塗敷螢光粉層。圖1(e)所示,樣品A5的結構是在晶片的發光面的正面塗敷矽膠,其厚度與螢光粉層相同,然後,在烘乾的矽膠層上塗敷螢光粉膠層。

　　圖1　五種白光LEDs製作的工藝示意圖

　　3　實驗測試平臺的建立

　　通過9點法測試每個LED的9點色坐標和色溫,以判斷單個LED出射光斑各個方向上發光的空間均勻性。並用積分球法測試器件色溫、色度,以考察同一類樣品的器件之間的差異性。

　　為了測試單個白光LED 的出射光斑的空間均勻性,建立了如下實驗平臺:試驗在暗室中進行以減少環境光線的影響。先把LED固定在牆上,在其正前方放置一個白色屏,屏的中心位置的高度和LED一致(如圖2所示) ,屏和牆保持平行。為了方便測試和統計我們選取了組成正方形的9點作為代表性的測量點。