基于旋轉涂覆法的LED遠程配光器件研究

馬建設，代振華，劉 彤

(清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

引言

隨著半導體材料在藍光芯片領域的突破，以大功率發光二極管為光源的半導體照明技術[1-3]孕育著照明產業革命。半導體電致發光特性使LED的發光效率高，顯色性好，安全可靠，色彩豐富和易于維護[4]，再加上其節能、環保、體積小、壽命長等特點，使得LED燈成為繼白熾燈、熒光燈、金鹵燈后的新一代光源。LED封裝經歷了引腳式封裝[5]、四引腳食人魚式封裝和表面貼片封裝技術。1998年，Lumileds公司研發出Luxeon支架式封裝[6]，之后，Cree公司提出溶液蒸發法，電子科技大學的饒海波等人利用粉漿法和紫外固化膠實現芯片級的保形涂覆[7]。但芯片較高的溫度容易使與其接觸的熒光粉膠老化，距離太近的熒光粉受激發出的光易被芯片吸收，使得芯片的發光效率降低[8]。Rensselaer理工學院E.F.Schubert等人發現，遠離熒光粉層可降低后向散射到芯片的幾率，提高流明效率。中山大學王剛等人研究表明，遠離式封裝可降低熒光粉層的溫度，改進激發效率[9]。遠程封裝技術正在興起，國外Intematix公司已經開始運用，做成產品，正嘗試著開啟中國市場，國內起步比較晚，又由于國外技術上的封鎖，在相關文獻方面描述不夠詳細，國內關于這方面的研究較少，還處于摸索階段。一般研發的遠程配光器件光效較低，不高于80lm/W，本文針對旋轉涂覆方法制備的熒光粉膠薄片,自制連續可調芯片與薄片距離測試器件,距離信息可直接讀取，厚度在0.506mm的薄膜，在不同電流下分析遠程配光器件發光效率、顯色指數、相關色溫的變化規律，在電流為150mA時，改變芯片與熒光粉薄片的距離，分析對上述參數的影響，并設立變化速率系列參數t，對粗調微調LED燈重要參數具有指導意義，此外設立的變距和讀數方式對LED遠程配光器件的研發可提供借鑒意義。

1 實驗

1.1 實驗所用材料和器材

深圳格亮光電有限公司銷售的YAG-4黃色熒光粉、SB626紅色熒光粉，杭州五會港膠粘劑有限公司的1:1環氧AB膠，直徑為25mm、厚度為1.25mm的石英玻璃基片，北京金鑫微納科技有限公司的SC-1B型勻膠臺，杭州遠方光電信息股份有限公司型號為WY+HAAS2000_V1_UBS的積分球。此外還有電子秤、螺旋測微儀、平板加熱器、熒光粉膠薄膜品質檢測用燈具等。

1.2 實驗步驟

1.2.1 熒光粉膠薄膜制備

準確稱量0.2gYAG-4黃色熒光粉放入燒杯，然后加入0.025g紅色熒光粉，1gA膠，用玻璃棒攪拌10min，加入1gB膠，再用玻璃棒攪拌15min。然后將熒光粉膠倒入注射器中，真空脫泡。

啟動勻膠臺，設置2檔轉速，500r/min速度下8s，在5500r/min下保持15s，用鑷子取玻璃基片放置在吸盤上，開啟真空泵，吸住基片，將熒光粉膠注入適量于基片上，啟動吸盤旋轉。將旋轉后帶有熒光粉膠的基片放置在墊有吸水紙的平板加熱器上加熱30min，然后再將加熱后的基片放置在真空吸盤上，在表面再次注入熒光粉膠。通過變化熒光粉膠加熱和旋涂的次數來控制熒光粉膠薄膜的厚度。使之為一梯度，本次采用厚度為0.506mm的薄片來研究LED遠程配光器件。

2.2.2 連續可調芯片與熒光粉薄片距離器件測試原理

選用市場上所銷售LED燈驅動，然后自制連續可調芯片與薄片距離測試器件用于檢測熒光粉薄膜的品質和器件的影響因素，如圖1為測試器件結構圖。圖中主軸凹槽口放置制備好的熒光粉薄片，絕緣導熱墊片、芯片模組通過螺釘連接，固定在插桿上，在主軸孔內移動以改變芯片至熒光粉薄片的距離，內六角頂絲將插桿固定。在插桿中切割寬度為5mm的平面，其上放置標尺貼，如圖2所示，這樣在插桿移動后可以很方便的讀出距離。在絕緣導熱墊片和插桿上都開有一小孔，從芯片模組下方的電極引腳接出正負極連接到激勵電流上，從而可以改變電流大小。檢測不同電流下LED燈的發光效率、顯色指數、相關色溫。

圖1 連續可調芯片與熒光粉薄片距離測試器件結構圖Fig.1 Continuously adjustable chip and phosphor sheet distance test fevice structure diagram

圖2 LED燈測試示意圖Fig.2 LED lamp test schematic diagram

3 數據處理以及結果分析

3.1 發光效率

LED發光效率是光通量與輸入功率的比值，不同顏色的光引起的人眼的視見函數值不同，在波長555nm處有最大值，當功率一定時，過長或過短的波長的光視見函數值降低，使得引起人視覺的光通量降低。在小電流時，變化電流值，測出LED燈的光效，如圖3所示，當電流由10mA增加到50mA時，發光效率先增加后降低，最高時達106.18lm/W,此時電流為24mA，能替換大部分小功率應用。根據光譜視見函數的不同可知，在較小電流時，功率低，隨著電流增加，轉換成高視見函數的光子數增加，從而光效增加，當電流相對較大時，轉換為視見函數低的紅光的光子數增加，如此變化，可以找出光效最高點。

對于大于1W的功率時的情況，如表1所示。在電流較高時，電壓以較小幅度上升，LED燈功率增加，此時構成大功率LED燈，測得相應的功率和發光效率。根據發光效率隨電流的變化作圖，如圖4所示，電流為150mA時，發光效率為93.32lm/W，此時功率為1288mW。能較好的滿足各應用場合。為了分析光效衰減的情況，設立參數t，表達式為

圖3 小電流時LED燈發光效率隨電流變化圖Fig.3 The LED lamp luminous efficiency at low current with the current change map

其中η2為在電流為I2時的發光效率，η1為在電流為I1時的發光效率。參數t用來表示隨著電流的增加，也即功率的增加，發光效率的衰減情況，由圖4中t的變化曲線可知，發光效率的衰減隨著功率的增加是逐漸減弱的。

表1 LED電流變化時對應電壓和功率值Table 1 The correspanding voltage and power value when the LED current changes

圖4 較高電流時發光效率隨電流變化示意圖Fig.4 High current with the current change diagram of luminous efficiency

圖5 距離變化對發光效率的影響Fig.5 Effect of distance variation on lumious efficiency

當改變芯片至熒光粉薄片的距離時，隨著距離增加，發光效率逐漸降低，分析得知，隨著距離的增加，增加了光子在LED器件內壁和熒光粉薄片內的散射，從而增加了消耗，由t1代表的變化率可知，光效的衰減速率隨距離的增加是邊際遞減的。

3.2 顯色指數

光源決定被照物體顏色感覺的性質為顯色性，即還原物體本來顏色的能力，光發射的光譜內容決定光源的光色，當光源光譜中很少或者缺乏物體在基準光源下所反射的主波時，會使顏色產生明顯的色差，色差程度越大，光源對該色的顯色性越差，顯色指數為目前定義光源顯色性評價的普遍方法。白熾燈的顯色指數定義為100，被視為理想的基準光源。

圖6 顯色指數隨距離變化的情況Fig.6 The color rendering index changes with the distance

如圖6所示，當芯片至熒光粉薄片的距離增加時，顯色指數值逐漸增加，顯色效果變好，分析得知，距離的增加，將加強光子在芯片與薄片間的散射次數，散射的增加將改善光譜的均勻性，提高LED器件的顯色能力，在距離為1.5mm時，顯色指數為82.0，在距離為19.0mm時，為85.2。由t2值代表的顯色指數隨距離的變化率可知，這種變化速率是逐漸降低的。

圖7 顯色指數隨電流變化情況Fig.7 The color rendering index with the change of current

當電流逐漸增加時，LED器件光源顯色指數變化不明顯，分析可知，電流增加導致光輻射功率的增加，只是增加了光強度，對光譜的成分影響不大，對顯色性能的提高不具有很強的參考性。

3.3 相關色溫

顯色指數用來分析光源還原物體本來顏色的能力，而相關色溫則是指與具有相同亮度刺激時，顏色最相似黑體輻射體的溫度。相關色溫是用來描述光源的顏色特性，用K氏溫度表示。

圖8 距離對相關色溫的影響Fig.8 Effect of distance on the correlated color temperature

當距離增加時，相關色溫逐漸增高(見圖8)，分析知當短波長光偏多時，光譜色偏藍、偏冷，相關色溫較高，距離較近時，由于芯片對出射藍光的后向散射吸收較多，所以相關色溫偏低，當距離增加時，芯片對藍光后向散射吸收較少，從而相關色溫增加，由變化速率t3知，相關色溫的變化速率是減弱的。

當電流增加時，相關色溫隨之增加(見圖9)，分析知電流增加，熒光粉薄片對藍光的吸收轉換逐漸減弱，從而藍光溢出的比例增加，使得相關色溫隨電流增加而增加，由t4的變化趨勢以及值的較小可知，變化速率先增加，再逐漸減弱，電流變化200mA時，相關色溫僅變化30K左右，而引起人色溫感覺變化的差值為50K，所以電流的增加對相關色溫的變化影響不大。

圖9 電流對相關色溫的影響Fig.9 Effect of distance on the correlated color temperature

3.4 應用可行性分析

對比Philips市售LED燈，在LED驅動和芯片相同時，比較封裝效果(見表2)，實驗參考熒光粉薄片厚度為0.506mm，在功率均為1288mW時，自制LED器件的發光效率為93.32lm/W，占比Philips發光效率112.49lm/W的83%，顯色指數為其110%，具有更好的顯色性能，相關色溫對應于工作需要的冷暖色調需求，不過根據白光標準分類，自制燈相關色溫稍需改進，但是通過上述調整電流大小和距離理論上是可改變的，總體來講基于旋轉涂覆法制備的LED熒光粉薄膜是具有應用前景的。

表2 自制可調距離LED器件與市售封裝效果比較Table 2 Comparison of the effect of self-made adjustable distance LED device and the commericial divice

4 結論

本文探究了基于旋轉涂覆法的LED遠程配光器件影響因素，結果發現在小功率LED器件中，YAG-4黃色熒光粉、SB626紅色熒光粉質量比為8∶1，膜厚為0.506mm時，發光效率可達106.18lm/W。在功率大于1W時，發光效率可得93.32lm/W，光效隨電流的增加以逐漸降低的速率遞減。當芯片到熒光粉薄片的距離增加時，顯色指數逐漸增加，可達85.2，相關色溫以增速減弱的方式可在4809～6690K之間變換，光效隨距離增加逐漸降低。當電流改變時，隨電流增加，光效逐漸降低，顯色指數幾乎不變，相關色溫增加。各參數在隨電流或者距離變化的過程中速率都是降低的，對于實踐制備LED遠程配光器件，可通過減小芯片到熒光粉薄膜的距離和適當減小電流來增加光效，通過適當增加距離來提升顯色指數，通過增大距離和電流來提高相關色溫，根據不同的應用場合來調整確定所需參數值，同時注意各參數對LED燈光品質影響的速率。

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