COB LED光源封裝密度對發(fā)光效率的影響

李炳乾 ，羅明浩 ，俞理云 ，夏正浩，陳葉青 ，陳 巖

(1.五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020；2.中山市光圣半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司, 廣東 中山 528421)

引言

根據(jù)不同照明領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，白光LED具有多種封裝形式，在很多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)照明光源[1-3]。COB(Chip on Board)是將LED芯片直接固定在高導(dǎo)熱的金屬或者陶瓷基板上，通過基板直接散熱，減少熱阻可以實(shí)現(xiàn)高密度的集成封裝[4，5]。采用COB封裝的LED光源由于光通量/面積比很高，在很小的發(fā)光面積上可以實(shí)現(xiàn)很高的光通量輸出，因此發(fā)光面積較小，有利于燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)，在商業(yè)照明、博物館照明等對照明質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

為了解決COB封裝高光通量密度時的發(fā)光效率下降問題，和光通維持率，人們在熒光粉的涂覆方式上開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究[6-9]。近年來，由于熒光粉制備工藝的改進(jìn)，熒光粉的高溫淬滅現(xiàn)象得到有效緩解，在產(chǎn)業(yè)界的推動下，在COB白光LED封裝技術(shù)方面出現(xiàn)了“沉粉工藝”，即利用低粘度硅膠混合熒光粉，讓熒光粉在固化過程中充分沉淀，在芯片表面附近出現(xiàn)一個濃度很高的熒光粉薄層。沉粉技術(shù)從原理上講有其合理之處，一是高密度的熒光粉薄層可以提高光致激發(fā)的效率，二是高密度的熒光粉薄層的導(dǎo)熱率較高，為芯片向基板散熱提供了一個并聯(lián)的導(dǎo)熱通道，可以降低芯片到基板的熱阻。本文采用鏡面率基板，用傳統(tǒng)熒光粉涂覆工藝制作了18，24 W和36 W的COB LED光源，實(shí)驗(yàn)測量了脈沖驅(qū)動時不同封裝密度COB LED光源發(fā)光效率的電流依賴關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明了隨著封裝密度的增加，光源的發(fā)光效率呈現(xiàn)下降趨勢，并對發(fā)光效率的下降原因進(jìn)行了定性分析。在此基礎(chǔ)上，采用沉粉技術(shù)制作了36 W的COB LED光源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：沉粉工藝制作的36 W光源恒流驅(qū)動時發(fā)光效率和光效維持率均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的熒光粉涂覆技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和樣品制作

實(shí)驗(yàn)選用邊長為13 mm的正方形鏡面鋁基板，發(fā)光面和固晶區(qū)的尺寸為直徑10 mm的圓形。鏡面鋁基板兼有光反射率高和導(dǎo)熱性能好兩方面的優(yōu)點(diǎn)，是高端COB LED光源的首選基板。芯片采用德豪潤達(dá)的商品化芯片，型號為DH1428，芯片尺寸為0.35 mm×0.70 mm，發(fā)光的峰值波長452.5 nm, 熒光粉采用博睿的537H7黃綠粉和R630P6紅粉。為了分析光源熱量產(chǎn)生的來源和大小，首先采用半球形的封裝結(jié)構(gòu)，制作了藍(lán)光LED，采用半球形封裝可以有效增加藍(lán)光的提取效率，實(shí)驗(yàn)測量芯片在150 mA典型工作電流下，單顆藍(lán)光芯片出射功率為243.8 mW，相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率為52.5%。

18 W、24 W和36 W樣品分別使用36顆、48顆和72顆芯片，采用先串聯(lián)，然后2串并聯(lián)的連接方式，對應(yīng)的典型工作電流為300 mA，電壓分別為54 V、72 V和108 V、電路連接如圖1所示。

圖1 COB LED電路連接示意圖Fig.1 COB LED circuit diagram

為了保證對比實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和可信性，所有樣品制作均采用同一生產(chǎn)批號的芯片、熒光粉、硅膠(沉粉工藝除外)和鏡面鋁基板，通過微調(diào)熒光膠的涂覆量，使得制作的各種樣品色坐標(biāo)基本一致。沉粉工藝使用的硅膠在固化溫度下，可以較長時間保持低的粘度，以利于熒光粉的沉淀，沉粉工藝制作的樣品表面清澈透明，說明固化過程中，熒光粉沉淀充分，大部分熒光粉沉淀在芯片表面附近的薄層。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 脈沖驅(qū)動時發(fā)光效率隨電流的變化

測量時隨機(jī)選擇不同種類的樣品各3顆，工作電流從20 mA開始增加，每隔20 mA測量一組數(shù)據(jù)，直到光通量出現(xiàn)飽和效應(yīng)，測量的參數(shù)值取3顆樣品測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，可以有效避免樣品個體差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響。表1是幾種樣品色坐標(biāo)的測量結(jié)果，從表中可以看出，幾種樣品的色坐標(biāo)非常接近，表中沒有列出的色溫、顯色指數(shù)也幾乎相同，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)兩種樣品色坐標(biāo)隨電流的變化規(guī)律相同，而且差別不大，在這樣的情況下比較它們發(fā)光效率的差異具有了實(shí)際意義。

表1 300 mA時四種不同樣品的色坐標(biāo)Table 1 CIE(x,y) of different samples@300 mA

圖2是三種不同功率COB LED光源發(fā)光效率(η)隨電流的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)時，電流由20 mA開始，每隔40 mA測量一次光電參數(shù)，直到出現(xiàn)飽和效應(yīng)(光通量不隨電流增加而增加)。從圖中可以看出，三種樣品的發(fā)光效率都隨著電流的變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著驅(qū)動電流增加，發(fā)光效率呈現(xiàn)單調(diào)下降的現(xiàn)象。因?yàn)檫@時候采用的是脈沖驅(qū)動時，驅(qū)動電脈沖的持續(xù)時間在毫秒量級(50 ms)，芯片電光轉(zhuǎn)換和熒光粉光致發(fā)光時產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以忽略不計(jì)，實(shí)驗(yàn)中各種樣品發(fā)光效率隨電流增加的下降主要是藍(lán)光芯片電光轉(zhuǎn)換效率下降的結(jié)果，這里面既有高電流密度時電流擴(kuò)散不均帶來的，又有所謂的“光效下降”效應(yīng)起的作用。

圖2 不同封裝密度發(fā)光效率隨電流的變化Fig.2 The change of the luminous efficiency of different packaging density with the current

圖2數(shù)據(jù)反映出的更重要的一點(diǎn)是隨著光源功率(封裝密度)的增加，發(fā)光效率呈現(xiàn)出下降的趨勢，與18 W光源相比，在典型工作狀態(tài)下(300 mA)，24 W、36 W光源發(fā)光效率分別下降了1.14%和7.96%。為了解釋這一現(xiàn)象，文中計(jì)算得到了18 W、24 W、36 W三種COB光源引入芯片面積/鏡面鋁反光面積比分別為11.24%、14.98%和22.47%。相比于鏡面鋁的高反射率，LED芯片對光的反射率要低很多，芯片面積占比的增加導(dǎo)致了基板表面整體反射率的降低是導(dǎo)致COB LED光源的整體發(fā)光效率下降的原因之一，這個原因也是提高光源封裝密度必然會帶來的副作用。

除此之外，出現(xiàn)隨著封裝密度提高發(fā)光效率下降的還有另外一個因素，LED芯片側(cè)面發(fā)出的光也占有相當(dāng)比例，隨著封裝密度提高，芯片之間的距離縮短，芯片側(cè)面發(fā)光照射到周圍芯片側(cè)面的幾率有所增加，一般情況下認(rèn)為照射到其他芯片上的藍(lán)光會被芯片完全吸收，這個因素一方面可以通過采用圖形襯底技術(shù)改變芯片發(fā)光的空間分布部分消除，也可以在封裝層面進(jìn)行通過沉粉技術(shù)適當(dāng)彌補(bǔ)。

針對發(fā)光效率下降最為明顯，也是封裝密度最高的36 W光源，利用沉粉工藝替代傳統(tǒng)的熒光粉涂覆工藝，制作了相應(yīng)的樣品。圖3是兩種工藝制作的36 W LED光源發(fā)光效率隨驅(qū)動電流的變化曲線，從圖中可以看出，采用沉粉工藝的樣品在整個測試區(qū)間，發(fā)光效率比傳統(tǒng)工藝制作的樣品略有增加，但是增加幅度不大，僅為1%左右。這種沉粉工藝發(fā)光效率略高于傳統(tǒng)工藝的現(xiàn)象，主要是因?yàn)槌练酃に囍?，光源底部熒光粉濃度較高，藍(lán)光芯片側(cè)面發(fā)出的光較大比例轉(zhuǎn)換成了黃光和紅光，這些波長較長的光，既照射在周圍的藍(lán)光芯片上，也不會被藍(lán)光芯片吸收。

圖3 沉粉和傳統(tǒng)工藝發(fā)光效率隨電流的變化Fig.3 The change of the luminous efficiency with the current in the deposited and traditional process

2.2 恒流驅(qū)動時發(fā)光效率隨時間的變化

從定性的角度分析，沉粉工藝中熒光粉沉到底部，硅膠中熒光粉混個比例提高，硅膠的導(dǎo)熱率提高[8]，提供了一個更高效的并聯(lián)散熱通道，LED芯片的結(jié)溫有可能降低，提高光源的光效和使用壽命。脈沖測量時，光源的熱效應(yīng)不需要考慮，因此我們有進(jìn)行了恒流點(diǎn)亮，測量了典型工作電流下(300 mA)，不同點(diǎn)亮?xí)r間沉粉工藝和傳統(tǒng)工藝光效的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 點(diǎn)亮?xí)r間與光效的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between light time and luminous efficiency

從圖4中可以看出，在通電0～30 min時間里，沉粉工藝和傳統(tǒng)工藝制作的樣品的發(fā)光效率都隨著隨著時間延長而下降，但是沉粉工藝發(fā)光效率的下降明顯低于傳統(tǒng)工藝制作的樣品。為了進(jìn)一步分析二者的關(guān)系，繪制了兩種樣品發(fā)光效率維持率(等效于常說的光通維持率)隨恒流點(diǎn)亮?xí)r間變化的關(guān)系曲線，如圖5所示，對比圖中數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)熒光粉涂覆工藝制作的樣品其發(fā)光效率在0～30 min的范圍里一直呈現(xiàn)下降趨勢，在大約15 min，下降趨勢變得略微平緩，30 min時發(fā)光效率下降到初始值的96.49%；沉粉工藝樣品在點(diǎn)亮開始的兩分鐘，發(fā)光效率下降很快，隨后發(fā)光效率下降開始變慢，到大約16 min之后，發(fā)光效率基本保持在一個不變的數(shù)值，30 min時發(fā)光效率下降到初始值的97.60%。兩種工藝制作的樣品發(fā)光效率在6～8 min時有一個交叉點(diǎn)(圖5中A點(diǎn))。

圖5 點(diǎn)亮?xí)r間與發(fā)光效率維持率的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between light time and lumen efficiency maintenance factor

在COB光源中，熱量產(chǎn)生主要包括兩部分：一是藍(lán)光芯片電致發(fā)光和等效串聯(lián)電阻的能量損失轉(zhuǎn)換為熱量，本文采用的藍(lán)光芯片這部分熱量約占輸入電功率的47.5%，集中在LED芯片上；二是熒光粉光致發(fā)光將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃、綠、紅等顏色時的能量損失，熱量約占輸入電功率的15.3%，這部分熱量產(chǎn)生的區(qū)域與熒光粉分布有關(guān)。在沉粉工藝中，光致發(fā)光和電致發(fā)光產(chǎn)生的熱量都集中在芯片附近，在恒流點(diǎn)亮的初始階段，芯片的初始溫度較低，熒光粉沉淀帶來的并聯(lián)散熱通道導(dǎo)出的熱量較少，芯片溫度迅速升高，造成初始階段沉粉工藝的發(fā)光效率下降很快，但是隨著溫度的升高，并聯(lián)散熱導(dǎo)熱效率迅速提升，發(fā)光效率下降的速度變慢，并很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。反觀傳統(tǒng)工藝，則因?yàn)樵诔跏茧A段，光致發(fā)光產(chǎn)生的熱量分布在熒光膠中更廣泛的區(qū)域，芯片溫度升高的比較慢，但是隨著點(diǎn)亮?xí)r間的增加，在熒光膠中光致發(fā)光產(chǎn)生熱量缺乏有效的散熱通道，熱量逐漸堆積，造成整個熒光膠區(qū)域溫度上升，熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降。

3 結(jié)論

隨著封裝密度的增加，光源的發(fā)光效率呈現(xiàn)下降趨勢，這一點(diǎn)是高密度COB LED光源封裝不可避免的問題。本文采用鏡面率基板，制作了18 W、24 W和36 W等不同封裝密度的COB LED光源，并對其發(fā)光效率和發(fā)光效率維持率進(jìn)行了研究。與18 W光源相比，脈沖(300 mA)驅(qū)動時，24 W、36 W光源發(fā)光效率分別下降了1.14%和7.96%；恒流(300 mA)驅(qū)動時，24 W、36 W光源發(fā)光效率分別下降了1.31%和10.87%。相比于傳統(tǒng)熒光粉涂覆工藝，沉粉工藝制作的36 W光源脈沖驅(qū)動時發(fā)光效率變化不大，恒流驅(qū)動時，發(fā)光效率初始值提高了1.00%，同時表現(xiàn)出更好的光效維持率，在持續(xù)點(diǎn)亮30 min時，發(fā)光效率維持率達(dá)到97.60%，高于傳統(tǒng)熒光粉涂覆工藝2.16%。本文的研究結(jié)果表明：沉粉工藝在高密度封裝領(lǐng)域可以有效提高COB LED光源的發(fā)光效率和發(fā)光效率(光通量)維持率，降低光源的工作溫度。