白光LED數碼顯示器實封偏藍原因分析

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0 引言

二次實封的白光數碼顯示器出光效果比白光 Chip LED明顯偏藍，為什么會出現這樣的現象是本文主要研究內容。

1 結構說明

應用在LED數碼顯示器上的白光LED一般是已經封裝熒光粉膠的Chip LED或Top LED形式的封裝光源。常規的單色LED數碼顯示器為實封封裝形式，即單色LED芯片裝架在印制板上，再將反射罩填充環氧保護LED封裝，如圖1。對使用Chip LED或TopLED封裝光源的數碼顯示器，再填充環氧封裝相當于增加一個封裝環節，一般將這一環節取消以簡化制造工藝、節省物料成本，即而變為空封的封裝形式，如圖2。但是，為了進一步提高整體的防潮效果、機械強度、散熱效果、減緩光衰，一些應用條件較嚴苛的白光數碼顯示器仍會填充環氧實現LED芯片的二次實封封裝，如圖3。

圖1：實封結構

圖2：空封結構

圖3：二次實封結構

2 顏色因素

偏藍首先體現為視覺因素，結合圖1及圖3，顏色因素主要為填充物，即環氧及環氧中散射劑，以下從這兩方面進行對比分析。

2.1 環氧顏色

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

圖4：環氧樹脂A部外觀

圖5：環氧樹脂封裝的白光數碼顯示器

A部的藍紫色與發光偏藍的顏色相關性較大，是否白光透過環氧后顏色受到影響；將A部和B部按照配比混合后對白光LED數碼顯示器進行封裝，最終得到的結果如表1所示，色坐標、主波長測試值均變小，參照圖6，波長越短，越靠近藍色，因此說明增加環氧后使發光顏色變藍，但是不是環氧的顏色影響的還需再進一步對比。

表1：Chip LED環氧封裝前后發光對比

圖6：自然光（白天）光譜分布

2.2 擴散劑

數碼顯示器的封裝環氧添加擴散劑提高發光面均勻性，擴散劑（圖7）對LED的出光顏色是否會造成影響。因此對添加擴散劑前后進行比較，在透明的環氧中加入A部質量10%比例的擴散劑進行封裝，測試得到表2的結果，色坐標、主波長測試值均變大。

圖7：擴散劑

圖8：含10%擴散劑的環氧樹脂封裝白光數碼顯示器

表2：Chip LED擴散劑環氧封裝前后發光對比

添加擴散劑后環氧體呈乳白色，從色坐標變化可知顏色偏藍，并非偏藍，因此不是造成白光數碼顯示器實封偏藍的因素。

3 光學因素

參考LED封裝材料，除環氧外還有硅膠，為驗證其他顏色的封裝膠對出光顏色是否有影響，采用單組份的無色透明的硅膠進行了驗證，得到結果如表3。

表3：Chip LED硅膠封裝前后發光對比

從表3可以看出，即使是無色透明的單組份的硅膠，也會使白光LED的爭坐標、主波長等顏色參數數值明顯下降，下降程度與透明環氧相當。說明環氧顏色并不是影響出光顏色的重要因素。環氧樹脂或硅膠封裝的共同點是取代了原來結構中的空氣這一光學傳導介質，產生了折射率的變化，Chip LED的出光就不一樣。可是為什么會有這么大的變化呢？

首先來研究下環氧封裝的全反射角，折射率公式：

假設空氣為介質1，Chip LED的封裝環氧為介質2，空氣的折射率n1=1，將環氧的折射率約為n2=1.5，當從Chip LED發出的光在界面剛好發生全反射時（1=90°），可求出Chip LED中的全反射角為42°。由此可判斷，Chip LED有很大一部分光線未直接從Chip LED封裝體傳播導出，見圖9。

圖9：空氣與環氧介質面的全反射角示意圖

LED發射的光經封裝體表面全反射回環氧中再激發熒光粉轉換為白光，提高了熒光粉轉換效率，使Chip LED發出的光偏白。說明介質1為空氣時（無填充環氧），數碼顯示器的色坐標、波長等參數數據會較大，顏色比較白。而當介質1變成與介質2折射率一樣的環氧時（實封），反射罩腔體內的Chip LED封裝環氧體中的藍光沒有全反射角影響，提高了光線的傳播角度，降低了藍光芯片激發熒光粉轉換為白光的轉換效率，也就使得最終的出光效果變藍。

4 光學模擬

由第三點對光學因素的分析，基本上可以確認為光線傳播變化使白光 LED數碼顯示器實封偏藍。對光學因素的分析還可以借助光學模擬軟件進行分析，為了更直觀的觀察不同介質面的出光情況，采用Trace-pro對出光進行了模擬。

如表4，對空封及實封兩種封裝結構進行模擬，設定出射光線100條，對比光線的傳播情況。

表4：Chip LED封裝前后光線傳播路徑分析

表中a與b出射光線為100條，其中a的Chip LED的周圍為空氣，光線全反射后在Chip LED內部的進行復雜的傳播，環氧體充滿密密麻麻的光線，這些光線對熒光粉再次激發，提高了藍光的利用率，轉換為白光，降低了藍光的射出，出射的光線形成了不同的顏色線條。而b的Chip LED周圍為環氧，視為同介質傳播，光線的出射路徑相對簡單，也只形成一種顏色線條，藍光的利用率則相對較低，出射光也較藍。

5 結論

文中分析了白光LED數碼顯示器實封偏藍的原因，第一部分對結構的剖析，再對結構中涉及的封裝材料環氧、擴散劑、硅膠進行測試比對，排除環氧、擴散劑的顏色因素，最終分析出實封結構中的環氧封裝改變光線傳播介質的折射率為決定因素，并利用光學模擬仿真驗證了結論。

本文結論為類似的封裝結構提供參考，在產品設計中利用或防止不同介質層全反射造成的出光顏色差異，依據光學測試參數預測顏色差異，避免重復的分析改善工作。