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(tài)節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點,被認為是“綠色照明光源”,預計將成為繼白熾燈、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,散熱及熒光粉涂層是兩大封裝工藝突破重點。用于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。這是因為熒光粉濃度一定時,藍光被轉換成黃光的幾率與藍光出射過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?對于白光LED,出射白光光斑均勻性研究與改善是一個重要課題。

　　2　樣品制作過程

　　我們利用現在主流的灌封點膠工藝, 采用不同的熒光粉層形狀與結構, 制作了五種樣品,A1～A5,熒光粉層的制作過程主要有兩個步驟,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)為五種不同形狀結構白光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的結構是先在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的結構與A1結構基本類似,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硅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涂敷硅膠層,該硅膠層的高度不超過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)光層沒有硅膠,烘干后,在整個芯片上涂敷熒光粉層。圖1(d)所示, 樣品A4的結構是沿芯片發(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,烘干后,在整個芯片上涂敷熒光粉層。圖1(e)所示,樣品A5的結構是在芯片的發(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(fā)光的空間均勻性。并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(huán)境光線的影響。先把LED固定在墻上,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) ,屏和墻保持平行。為了方便測試和統(tǒng)計我們選取了組成正方形的9點作為代表性的測量點。

　　圖2　測試屏和LED位置示意圖

　　實驗條件:本文中制作的是1W白光LED,采用350mA恒流電源驅動,電壓3.5V左右。LED距離屏的距離相同,為60cm,測試所用工具為: CHROMA METER CS2100M INOLTA色彩色差計。對單個器件光通量、色溫和色坐標等的測量;采用的ssp3112LED光譜波長分析系統(tǒng)利用積分球的方法測試整個LED的色度坐標和色溫。色度坐標的離散性可以用每個LED的9個測試點的色度坐標的標準差來表示,設9 個測試點的色坐標為( xi , yi ) ( i = 1, 2, 9 ) , 9測試點的色坐標平均值為,則標準差為σ:

　　主波長分布也能體現9點的色坐標離散性。主波長范圍越小, 9點色坐標越集中,則LED的空間色度分布越均勻。另外,從主波長的大小可以看出這個LED發(fā)光的顏色偏向。主波長主要采用作圖法來體現。

　　器件之間的色度均勻性,可由色度坐標的標準差和色溫標準差來表示,也可由CIE1931色度圖上的分布直接反應出來。設測試得到的器件的色坐標為( xi , yi ) ( i為器件個數) , 一批器件的色坐標平均值為( x, y ) , 色度坐標點的標準差為:

　　同理其色溫的標準差為：

　　圖3　樣品空間9點色坐標分布　　4　測試數據及討論

　　4. 1　單個