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

熒光粉為光致發光材料是重要的LED封裝材料，其品質的好壞直接影響整個LED 器件的光電色參數。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則，但研究發現，利用Mie 散射理論來對球形近似的實際不規則粒子進行求解可得到較為精確的結果。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。上表面朗伯型發光，光線數量設置為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現，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，制作了大角度發光高取光率新結構的COB LED。具體方案：將24顆12mil×31mil藍光芯片按串聯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，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

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，開發了透明藍寶石基板COB LED產品，可有效提高產品的光通量，實際制作的透明藍寶石基板COB LED產品的光通量可提高出光率約11.2%。以上結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品提供了一條新的技術方案。

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