白光LED數(shù)碼顯示器實(shí)封偏藍(lán)原因分析

（廈門(mén)華聯(lián)電子股份有限公司 福建·廈門(mén) 361006）

0 引言

二次實(shí)封的白光數(shù)碼顯示器出光效果比白光 Chip LED明顯偏藍(lán)，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是本文主要研究?jī)?nèi)容。

1 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

應(yīng)用在LED數(shù)碼顯示器上的白光LED一般是已經(jīng)封裝熒光粉膠的Chip LED或Top LED形式的封裝光源。常規(guī)的單色LED數(shù)碼顯示器為實(shí)封封裝形式，即單色LED芯片裝架在印制板上，再將反射罩填充環(huán)氧保護(hù)LED封裝，如圖1。對(duì)使用Chip LED或TopLED封裝光源的數(shù)碼顯示器，再填充環(huán)氧封裝相當(dāng)于增加一個(gè)封裝環(huán)節(jié)，一般將這一環(huán)節(jié)取消以簡(jiǎn)化制造工藝、節(jié)省物料成本，即而變?yōu)榭辗獾姆庋b形式，如圖2。但是，為了進(jìn)一步提高整體的防潮效果、機(jī)械強(qiáng)度、散熱效果、減緩光衰，一些應(yīng)用條件較嚴(yán)苛的白光數(shù)碼顯示器仍會(huì)填充環(huán)氧實(shí)現(xiàn)LED芯片的二次實(shí)封封裝，如圖3。

圖1：實(shí)封結(jié)構(gòu)

圖2：空封結(jié)構(gòu)

圖3：二次實(shí)封結(jié)構(gòu)

2 顏色因素

偏藍(lán)首先體現(xiàn)為視覺(jué)因素，結(jié)合圖1及圖3，顏色因素主要為填充物，即環(huán)氧及環(huán)氧中散射劑，以下從這兩方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 環(huán)氧顏色

常規(guī)使用的環(huán)氧為雙組分混合使用，即分為A部、B部；A部主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂，B部主要成分為酸酐固化劑；A部為藍(lán)紫色粘稠體，圖4為保存A部的白色塑料包裝桶外觀(guān)，透過(guò)包裝可見(jiàn)其呈現(xiàn)藍(lán)紫色；B部為近無(wú)色透明液體，A部與B部混合后接近無(wú)色透明（重量混合比例1：1），封裝后見(jiàn)圖5，封裝后筆劃為無(wú)色透明。

圖4：環(huán)氧樹(shù)脂A部外觀(guān)

圖5：環(huán)氧樹(shù)脂封裝的白光數(shù)碼顯示器

A部的藍(lán)紫色與發(fā)光偏藍(lán)的顏色相關(guān)性較大，是否白光透過(guò)環(huán)氧后顏色受到影響；將A部和B部按照配比混合后對(duì)白光LED數(shù)碼顯示器進(jìn)行封裝，最終得到的結(jié)果如表1所示，色坐標(biāo)、主波長(zhǎng)測(cè)試值均變小，參照?qǐng)D6，波長(zhǎng)越短，越靠近藍(lán)色，因此說(shuō)明增加環(huán)氧后使發(fā)光顏色變藍(lán)，但是不是環(huán)氧的顏色影響的還需再進(jìn)一步對(duì)比。

表1：Chip LED環(huán)氧封裝前后發(fā)光對(duì)比

圖6：自然光（白天）光譜分布

2.2 擴(kuò)散劑

數(shù)碼顯示器的封裝環(huán)氧添加擴(kuò)散劑提高發(fā)光面均勻性，擴(kuò)散劑（圖7）對(duì)LED的出光顏色是否會(huì)造成影響。因此對(duì)添加擴(kuò)散劑前后進(jìn)行比較，在透明的環(huán)氧中加入A部質(zhì)量10%比例的擴(kuò)散劑進(jìn)行封裝，測(cè)試得到表2的結(jié)果，色坐標(biāo)、主波長(zhǎng)測(cè)試值均變大。

圖7：擴(kuò)散劑

圖8：含10%擴(kuò)散劑的環(huán)氧樹(shù)脂封裝白光數(shù)碼顯示器

表2：Chip LED擴(kuò)散劑環(huán)氧封裝前后發(fā)光對(duì)比

添加擴(kuò)散劑后環(huán)氧體呈乳白色，從色坐標(biāo)變化可知顏色偏藍(lán)，并非偏藍(lán)，因此不是造成白光數(shù)碼顯示器實(shí)封偏藍(lán)的因素。

3 光學(xué)因素

參考LED封裝材料，除環(huán)氧外還有硅膠，為驗(yàn)證其他顏色的封裝膠對(duì)出光顏色是否有影響，采用單組份的無(wú)色透明的硅膠進(jìn)行了驗(yàn)證，得到結(jié)果如表3。

表3：Chip LED硅膠封裝前后發(fā)光對(duì)比

從表3可以看出，即使是無(wú)色透明的單組份的硅膠，也會(huì)使白光LED的爭(zhēng)坐標(biāo)、主波長(zhǎng)等顏色參數(shù)數(shù)值明顯下降，下降程度與透明環(huán)氧相當(dāng)。說(shuō)明環(huán)氧顏色并不是影響出光顏色的重要因素。環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠封裝的共同點(diǎn)是取代了原來(lái)結(jié)構(gòu)中的空氣這一光學(xué)傳導(dǎo)介質(zhì)，產(chǎn)生了折射率的變化，Chip LED的出光就不一樣。可是為什么會(huì)有這么大的變化呢？

首先來(lái)研究下環(huán)氧封裝的全反射角，折射率公式：

假設(shè)空氣為介質(zhì)1，Chip LED的封裝環(huán)氧為介質(zhì)2，空氣的折射率n1=1，將環(huán)氧的折射率約為n2=1.5，當(dāng)從Chip LED發(fā)出的光在界面剛好發(fā)生全反射時(shí)（1=90°），可求出Chip LED中的全反射角為42°。由此可判斷，Chip LED有很大一部分光線(xiàn)未直接從Chip LED封裝體傳播導(dǎo)出，見(jiàn)圖9。

圖9：空氣與環(huán)氧介質(zhì)面的全反射角示意圖

LED發(fā)射的光經(jīng)封裝體表面全反射回環(huán)氧中再激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換為白光，提高了熒光粉轉(zhuǎn)換效率，使Chip LED發(fā)出的光偏白。說(shuō)明介質(zhì)1為空氣時(shí)（無(wú)填充環(huán)氧），數(shù)碼顯示器的色坐標(biāo)、波長(zhǎng)等參數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)較大，顏色比較白。而當(dāng)介質(zhì)1變成與介質(zhì)2折射率一樣的環(huán)氧時(shí)（實(shí)封），反射罩腔體內(nèi)的Chip LED封裝環(huán)氧體中的藍(lán)光沒(méi)有全反射角影響，提高了光線(xiàn)的傳播角度，降低了藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換為白光的轉(zhuǎn)換效率，也就使得最終的出光效果變藍(lán)。

4 光學(xué)模擬

由第三點(diǎn)對(duì)光學(xué)因素的分析，基本上可以確認(rèn)為光線(xiàn)傳播變化使白光 LED數(shù)碼顯示器實(shí)封偏藍(lán)。對(duì)光學(xué)因素的分析還可以借助光學(xué)模擬軟件進(jìn)行分析，為了更直觀(guān)的觀(guān)察不同介質(zhì)面的出光情況，采用Trace-pro對(duì)出光進(jìn)行了模擬。

如表4，對(duì)空封及實(shí)封兩種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，設(shè)定出射光線(xiàn)100條，對(duì)比光線(xiàn)的傳播情況。

表4：Chip LED封裝前后光線(xiàn)傳播路徑分析

表中a與b出射光線(xiàn)為100條，其中a的Chip LED的周?chē)鸀榭諝猓饩€(xiàn)全反射后在Chip LED內(nèi)部的進(jìn)行復(fù)雜的傳播，環(huán)氧體充滿(mǎn)密密麻麻的光線(xiàn)，這些光線(xiàn)對(duì)熒光粉再次激發(fā)，提高了藍(lán)光的利用率，轉(zhuǎn)換為白光，降低了藍(lán)光的射出，出射的光線(xiàn)形成了不同的顏色線(xiàn)條。而b的Chip LED周?chē)鸀榄h(huán)氧，視為同介質(zhì)傳播，光線(xiàn)的出射路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，也只形成一種顏色線(xiàn)條，藍(lán)光的利用率則相對(duì)較低，出射光也較藍(lán)。

5 結(jié)論

文中分析了白光LED數(shù)碼顯示器實(shí)封偏藍(lán)的原因，第一部分對(duì)結(jié)構(gòu)的剖析，再對(duì)結(jié)構(gòu)中涉及的封裝材料環(huán)氧、擴(kuò)散劑、硅膠進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，排除環(huán)氧、擴(kuò)散劑的顏色因素，最終分析出實(shí)封結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧封裝改變光線(xiàn)傳播介質(zhì)的折射率為決定因素，并利用光學(xué)模擬仿真驗(yàn)證了結(jié)論。

本文結(jié)論為類(lèi)似的封裝結(jié)構(gòu)提供參考，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中利用或防止不同介質(zhì)層全反射造成的出光顏色差異，依據(jù)光學(xué)測(cè)試參數(shù)預(yù)測(cè)顏色差異，避免重復(fù)的分析改善工作。