LED熒光粉的散射特性研究及透明藍寶石基板COB LED中的應用

葉立康

摘 要：本研究主要對LED封裝中的熒光粉散射特性研究，結(jié)果表明隨著熒光粉粒徑的增加，反向的散射光能量逐漸增大，即反向散射效果隨著粒徑的增大而加強；隨著散射劑/熒光粉濃度的增大反向的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉濃度的增大而加強。因此，通過透明藍寶石基板將反向光線取出，可有效提高產(chǎn)品的光通量。與陶瓷基板COB LED相比，實際透明藍寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量可提高出光率約11.2%。

關鍵詞：熒光粉；散射特性；光學仿真；COB LED；藍寶石基板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.009

1 熒光粉散射特性仿真分析

熒光粉為光致發(fā)光材料是重要的LED封裝材料，其品質(zhì)的好壞直接影響整個LED 器件的光電色參數(shù)。因此提高COB的取光率，必須首先要對熒光粉的散射特性進行分析。目前許多研究已經(jīng)采用了光學仿真手段研究了LED取光率的提高。但藍光芯片激發(fā)熒光粉的混合白光LED仿真還需要引入散射理論進行。Mie散射是當前用于熒光粉光學仿真的主要理論。Mie 理論主要針對的是球形粒子，盡管實際粒子形狀不規(guī)則，但研究發(fā)現(xiàn)，利用Mie 散射理論來對球形近似的實際不規(guī)則粒子進行求解可得到較為精確的結(jié)果。米氏散射的輻射強度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。利用米氏散射理論為基礎，研究熒光粉這種粒徑遠大于波長的粒子，比較有實際應用價值。目前許多研究都通過Mie散射對熒光粉的散射特性進行了研究。米氏散射理論在熒光粉中的應用，則是通過仿真軟件進行。本文采用的是Lighttools7.0軟件進行仿真，考察不同粒徑的熒光粉、不同濃度的熒光粉顆粒的散射特點。

本研究中由于考察的是熒光粉散射特性，模型設置了一顆芯片、一層熒光粉膠層（30mm×30mm×0.6mm，如圖1所示。熒光粉膠尺寸遠大于芯片，保證光線基本從上下表面射出，避免側(cè)面出光干擾散射特性研究），忽略基板、芯片對光線吸收，光線僅為單一波長555nm，芯片也與熒光粉膠層設置為同一種材料。熒光粉膠中的硅膠折射率為1.41，透光率98.5% /2mm厚，熒光粉設置為折射率1.8，無虛部折射率。其余表面均設置為Baresurface。芯片尺寸為0.8mm×0.8mm×0.15mm。上表面朗伯型發(fā)光，光線數(shù)量設置為1×106條。

首先考察比較典型的情況，即熒光粉粒徑為11μm，濃度3×104個/mm3。由光分布仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，除了正面出光外，許多光線仍然反向出光。這表明熒光粉的散射作用是必須在仿真模型中考慮的。將總能量歸一化，通過計算正、反面的光分布曲線積分值，可知二者的相對能量值。在這個典型案例里，正面相對能量為0.71，反面能量比為0.29，反面出的光線占總光線29%。

考察不同粒徑下熒光粉前后向散射光能量的變化，顆粒濃度設置為3×104個/mm3。由圖3可知，隨著熒光粉粒徑的增加，向后的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉直徑的增大而加強。熒光粉通常的粒徑一般在5-20μm左右，在這個粒徑范圍熒光粉的反向散射效果變化較小，反向相對能量由0.27上升到0.30。

不同的熒光粉濃度下的前后散射光能量也是必須要關注的變量。由圖4可以看出隨著熒光粉濃度的增大反向的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉濃度的增大而加強。當濃度大約達到6×105/mm-3時，熒光粉反向散射與正向散射能量相當，當濃度進一步增大后，熒光粉反向散射大于正向散射。但一般情況下，點膠法所用的熒光粉濃度在0.1～1×105/mm-3（經(jīng)驗配方的計算值），反向相對能量0.27-0.33，其變化較大，散射影響很大。而保形涂覆一般低于3×105/mm-3，這個范圍內(nèi)反向散射相對能量最高可達0.42，對于保形涂覆的仿真，散射因素尤為重要。

2 透明藍寶石基板COB LED產(chǎn)品的實際光通量的提高

從上述研究表明，熒光粉的反向散射是很大的。因此采用透明材料作為基板，可以利用這些反向散射光線。因此本研究采用透明藍寶石平面基板，制作了大角度發(fā)光高取光率新結(jié)構(gòu)的COB LED。具體方案：將24顆12mil×31mil藍光芯片按串聯(lián)的陣列形式固晶于透明藍寶石基板表面。采用金絲鍵合各個芯片與電極形成電路。在基板正面點圍壩膠并固化，然后在基板背面制作圍壩并固化。將一定比例配置的熒光粉硅膠點入基板背面內(nèi)，加熱固化。與此同時制作同樣條件的陶瓷基板COB LED進行對比。

由表1可見，在封裝材料、芯片及布局類似的情況下，透明藍寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量提高了11.2%，透明基板對光線的取出率有顯著效果。

3 小結(jié)

本研究對熒光粉的散射特性研究，以Mie散射為理論基礎進行光學仿真，結(jié)果表明隨著熒光粉粒徑的增加，反向的散射光能量逐漸增大；隨著散射劑/熒光粉濃度的增大后向的散射光能量逐漸增大。在典型案例里反面出的光線占總光線29%。為了利用反向光線，開發(fā)了透明藍寶石基板COB LED產(chǎn)品，可有效提高產(chǎn)品的光通量，實際制作的透明藍寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量可提高出光率約11.2%。以上結(jié)果具有一定理論價值并可應用于大功率COB LED封裝，為LED燈絲燈光源類照明產(chǎn)品提供了一條新的技術方案。

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