一種類白熾燈光譜LED光源的研制

劉洋

摘 要：近年來，半導體照明技術的飛速發展使得LED在照明應用中作為一種新型照明光源被越來越廣泛的應用。LED白光主要是依靠450～460nm波段的藍光激發熒光粉而形成，使得LED藍光危害成為一個不容忽視的問題。本文介紹一種采用特定波段藍光芯片和YAG、氮化物熒光粉，結合藍光芯片激發熒光粉產生多基色混合光的原理，合成出類白熾燈光譜，其光譜與白熾燈光譜擬合度大于90%。采用低熱阻和光學性能良好的專用支架封裝成高效率、高可靠性的LED白光照明光源，相較于普通LED光源，樣品光譜中藍光波段輻射能量大幅降低，單位光通量下，LED光源的藍光危害降低了45.67%，從而達到護眼效果，推動LED在高端室內照明的應用。

關鍵詞：LED；光輻射；類白熾燈；封裝技術；擬合度

一、序言

隨著LED技術的發展，LED光源相比于傳統光源具有節能、環保、壽命長、能耗低、體積小、可靠性高等諸多優點，這些優點使得LED光源在室內照明中的應用越來越受到世界各國的廣泛關注。然而隨著人們對于照明產品光生物效應的關注，光照明產品的光生物輻射安全問題，尤其是藍光危害已成為人們對于LED產品望而卻步的一個重要原因。

藍光危害主要體現在眼睛的近紫外輻射損傷、視網膜藍光的光化學損傷和輻射的熱損傷等方面。LED通過眼的屈光介質聚焦在視網膜上形成影像，使視網膜上的能量密度較角膜上入射能量密度提高，由于現有的LED光源光譜色系少，所以在眼底的色差小，致使極低的LED照射即可引起眼角膜或視網膜的損傷。

藍光對眼部的損害是不可恢復的，尤其是青少年，視網膜尚未發育成熟，對外界光的敏感度較高，更易受外界的刺激和影響。

因此，本次研制項目以面向青少年兒童及高端照明應用為背景，提高LED照明的安全性和舒適度為目標，主要研究用于室內照明的類白熾燈光譜的多種芯片、多種熒光粉、低功率的白光LED，建立可生產的由藍光芯片或多種藍光芯片激發混合熒光粉合成的類自然光光譜模型。

在較高光譜擬合度的情況下，確定各基色光譜的成分比例。生產出類自然光譜LED光源，并在光譜合成技術、低熱阻封裝技術、高穩定光輸出技術等方面開展相應工作。突破批生產關鍵技術和成本控制技術，生產具有高光譜安全性和舒適度的LED單芯片功能功率和多芯片大功率封裝產品，推動LED在高端室內照明的應用。

二、研制過程

（一）LED光源光譜安全性的提高研制

通過研究LED的藍光危害，分析了LED藍光危害產生的原因和可能對人體造成的傷害，并研究在近場條件下的各發光單元的相互影響，確定工程學理論模型和產品設計模型，為系列產品設計提供理論基礎。使用以下顏色光譜模擬白熾燈光譜，擬合度達到80%以上。根據CIE和國家標準寬波段光源對視網膜的危害度與光源短波長段的光譜分布有相當大的關系，其危害度最大的波長位于440nm。而藍光LED的半峰寬在25～30nm左右，因而實驗將在減少總危害度和保持相對高的光源效率方面開展工作。選擇特定波長的藍光LED芯片，設計適合長時間、近距離照明需要的安全光源。選取波長470nm的芯片，使光譜能量高值避開440nm附近，熒光粉轉化使藍光能量減少，從而達到減少藍光危害的目的。

（二）低熱阻芯片安裝的研制

研究芯片安裝材料的綜合特性和安裝工藝技術，實現可以進行高效率、連續生產的LED芯片的安裝生產技術。主要內容有膠粘、釬焊和共晶焊接等方式進行熱阻、熱疲勞、工藝周期等方面進行試驗研究，確定具有較低熱阻、較短生產周期和低成本的工藝。并重點研究膠粘方式的材料特性、點膠方法、膠量控制和膠體成型工藝等技術。

在不降低芯片粘合強度的情況下，降低貼片膠的高度，僅為1～3μm，使得襯底與LED支架的粘接層變薄，熱向支架導出更快，從而達到降低結溫的目的，使LED的壽命延長，光衰降低。封裝殼體采用具有良好熱沉的封裝支架，該結構具有良好的散熱通道及氣候防護特性。

（三）熒光粉空間分布和出色均勻控制的研制

熒光粉的空間分布狀態與LED的發光效率、可靠性以及生產成本有十分密切的關系。重點研究在多種規格的熒光粉混合狀態下熒光粉空間分布狀態控制技術，包括粉體物理參數（形狀、粒徑、密度等）的確定、混合方式、膠體固化程序等。以實現高光效和可靠性所需要的熒光粉空間形態，從而實現LED光參數和色參數的目標。

選擇顆粒均勻，粒徑大小適宜的YAG及不同激發波長的氮化物熒光粉，經充分混合后，通過470nm波長的藍光激發，合成所需白光。其中，為了獲得高光轉換效率，必須降低熒光粉層孔隙率，因此多種熒光粉的配比及濃度決定了白光的填充結構和填充特性。

本實驗中，對不同激發波長的熒光粉的顆粒度、熒光粉間的孔隙率、粒級分配、比表面積、光吸收效果和轉換效率進行反復研究，合成出符合要求的白光。

在封裝硅膠內加入以（Al，Ti）O2 為主要成分的納米級光介質，提高出光效率，同時使出光更加均勻。光介質還可以使熒光粉的沉淀減緩，使批量生產時的熒光粉一致性提高。此樣品使用熒光粉的比例很高，使用光介質可以更有效激發熒光粉，從而減少所需熒光粉的濃度，在攪拌和點膠時，可以使熒光粉更加均勻。

三、測試

（一）光電參數

根據該實驗工藝流程，生產出相應LED光源，采用光譜分析系統對樣品進行測試，表1所示為其光電參數測試數據：

其測試電流為20mA，電壓為3.1V，相應色溫為2955K，屬暖白系光源。光效為72.86 lm/W，由于添加氮化物熒光粉比例較高，其光效低于同類LED光源的光效均值，但遠遠高于白熾燈10～20 lm/W的光效均值。尤其R9（深色鮮紅）是評價紅色復現質量的指標，該樣品R9測試值為37，為正值，表示其再現真實顏色的指數較高，能高度真實還原所有的顏色，而普通LED光源的R9值為非正值，對紅色還原能力能力較弱。

（二）擬合度

人類眼睛的識別度與敏感度在經過幾百年的進化，已適應白熾燈的發光光譜，因此，LED光譜需與白熾燈的光譜高度匹配，才能使得人眼快速的適應LED光譜，而不必重新經歷適應LED光譜這一過程，匹配度（即擬合度）的高低直接影響人類對LED光譜的適應度。擬合度（Goodness of fit）是指回歸直線對觀測值的擬合程度。顯然若觀測點離回歸直線近，則擬合程度好，是檢驗來自總體中的一類數據其分布是否與某種理論分布相一致的統計方法。

根據以上理論計算可知，LED光譜與白熾燈光譜擬合度為90.2%，說明實驗所生產的LED光源光譜較接近于白熾燈光譜，眼睛舒適度較高。

（三）藍光危害

對于普通的LED光源，發光原理主要是由450-460nm波段的藍光激發熒光粉而形成白光，使得藍光危害增大，視網膜的安全性下降。針對此原因，本實驗特選用470nm波長段的激發光，以降低藍光對視網膜的損害。藍光危害及藍光波長計算是按照燈和燈系統的光生物安全性的國家標準的要求。其中，視網膜長期受藍光輻射的損傷，光源的光譜輻亮度與藍光危害函數B（λ）加權積分后的能量，也就是藍460nm處LED樣品光源的藍光光譜明顯低于白熾燈，藍光光譜的輻射能明顯減少，大幅降低了藍光對視網膜的危害。通過對白熾燈光譜與LED樣品光譜的理論計算對比可知，單位光通量下，LED樣品光源藍光危害下降了45.67%，藍光對視網膜的損害大幅降低，從而達到護眼效果。

四、結論

研制過程以青少年兒童及高端照明的安全性和舒適度為目標，研究用于室內照明的類白熾燈光譜LED光源，采用470nm波長藍光芯片激發YAG、氮化物熒光粉，產生多基色光混合白光，突破光譜合成技術、低熱阻封裝技術、高穩定光輸出技術等方面障礙，生產具有高光譜安全性和舒適度的LED光源器件，其光譜與白熾燈光譜擬合度高于90%，藍光波段光譜輻射的能量減少，光輻射危害降低了45.67%，從而達到護眼效果，推動LED在高端室內照明的應用。

參考文獻：

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