遠(yuǎn)程熒光粉涂覆一體化光源封裝技術(shù)

賀 軍，張 景，葛 鵬，王 洪

(華南理工大學(xué)廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，物理與光電學(xué)院，廣州 510640)

遠(yuǎn)程熒光粉涂覆一體化光源封裝技術(shù)

賀 軍，張 景，葛 鵬，王 洪

(華南理工大學(xué)廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，物理與光電學(xué)院，廣州 510640)

提出了一種遠(yuǎn)程熒光粉涂覆一體化光源封裝技術(shù)。從熒光粉散射理論分析了LED遠(yuǎn)程熒光粉涂覆角色溫不均勻的原因,利用邊緣光線理論設(shè)計(jì)了一符合從熒光粉激發(fā)出的黃光光強(qiáng)分布的自由曲面反射器結(jié)構(gòu)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示這種反射器結(jié)構(gòu)相比普通反射器增加了光效且改善了角色溫均勻性,此外我們基于此反射器做了色溫6 000 K的一體化光源，其光效能達(dá)到110 lm/W。

遠(yuǎn)程熒光粉涂覆；自由曲面反射器；角色溫均勻；一體化光源

引言

作為新一代固體光源，LED相比傳統(tǒng)的光源有更高效率，高可靠性，高穩(wěn)定性而且更環(huán)保。通常采用藍(lán)光芯片激發(fā)黃紅熒光粉使其混合從而產(chǎn)生白光。目前LED已用于各種場(chǎng)合，如背光源、路燈、汽車燈、室內(nèi)照明、交通顯示燈等。然而還面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如如何提高光效，提高顯指，提高角色溫均勻性等。熒光粉涂覆被認(rèn)為是影響光質(zhì)量的主要因素。目前有三種不同的涂覆方法：傳統(tǒng)的點(diǎn)膠涂覆法，保形涂覆法，遠(yuǎn)程涂覆法。遠(yuǎn)程熒光粉涂覆由于熒光粉遠(yuǎn)離LED芯片，相比前兩種涂覆方法使其溫度沒有那么高，提高了熒光粉的效率，而且降低了芯片對(duì)背向散射光的吸收。但是遠(yuǎn)程熒光涂覆存在許多不足之處，如很多光線被困反射杯、芯片和熒光粉之間，另外還有熒光粉層的折射率與空氣折射率相差太大，很多光線被全反射，導(dǎo)致光效低。此外遠(yuǎn)程熒光粉帶來空間顏色不均勻現(xiàn)象較明顯。許多學(xué)者都在致力于改進(jìn)遠(yuǎn)程熒光粉涂覆的光效和空間顏色均勻性。通過改變熒光粉形狀來來提高角色溫均勻性[1-10]，利用帶微結(jié)構(gòu)來改善角色溫均勻性[11-19]，利用硅膠的形狀來改善光的角色溫均勻性[20]，利用微小顆粒添加到熒光粉層中來改善角色溫均勻性[21]，等等。大部分文獻(xiàn)都是針對(duì)單個(gè)大功率芯片封裝的研究[3,14]，直到最近才出現(xiàn)針對(duì)多芯片COB封裝的研究[7,10]，但大部分都是小功率的。本文提出自由曲面反射器和遠(yuǎn)程熒光涂覆技術(shù)來改善大功率LED COB封裝光源角色溫均勻性，且在熒光粉片上方加擴(kuò)散板，進(jìn)一步改善大功率LED光源角色溫均勻性。

1 仿真

熒光粉層的發(fā)光機(jī)制包括藍(lán)光散射、藍(lán)光吸收、藍(lán)光被熒光粉吸收后的黃光輻射以及黃光的散射四個(gè)方面。圖1是1 mm厚的熒光粉層激發(fā)出來的黃光光強(qiáng)分布圖。由于熒光粉激發(fā)出來的黃光是各向同性的，所以處于0°到50°范圍內(nèi)的光強(qiáng)大體上一致，對(duì)于50°到90°范圍，由于存在熒光粉粒子的阻礙，再加上大角度折射時(shí)菲涅爾損耗比較嚴(yán)重，故光強(qiáng)迅速減小。由于將近有50%的光背向散射，所以反射器的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)背向散射的黃光分布和LED芯片發(fā)出的大角度藍(lán)光產(chǎn)生影響。由于藍(lán)光經(jīng)過反射器、熒光粉后與熒光粉激發(fā)出的黃光光強(qiáng)不匹配，藍(lán)光朗伯光形經(jīng)過普通反射杯后變成中間光強(qiáng)增加，邊緣光強(qiáng)降低，而熒光粉激發(fā)出的黃光是各向同性的，雖然在大于50°左右受熒光粉的阻礙和菲涅爾損耗，但是其相對(duì)于0°左右的黃藍(lán)比還是很大的，所以導(dǎo)致中間藍(lán)，邊緣黃的現(xiàn)象。

從圖1可以看出黃光在50°時(shí)的光強(qiáng)迅速減小，為了匹配黃光的光強(qiáng)分布，我們利用邊緣光線理論[22]設(shè)計(jì)出自由曲面反射器，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

1)定義初始點(diǎn)P0(x0,y0)和頂面出光直徑D,然后把反射器分為N個(gè)部分，各個(gè)部分橫向均等分。

2)根據(jù)能量守恒和邊緣光線理論求出每一入射光線對(duì)應(yīng)反射光線的出射角度[22-23]。

圖1 熒光粉激發(fā)出黃光的光強(qiáng)分布Fig.1 Intensity Distribution of the yellow light from the phosphor

3)利用初始點(diǎn)P0得到一系列點(diǎn)Pi(i=1…N)。如對(duì)于已知的Pi點(diǎn)，由于入射光線和出射光線都已知，根據(jù)反射定律就可求出此點(diǎn)的法向量Ni和切向量Γi，由于已知Pi+1的橫坐標(biāo)，故Pi+1點(diǎn)也可求出，以此類推直到PN，如圖2(a)所示。

4)把這些點(diǎn)導(dǎo)入機(jī)械設(shè)計(jì)軟件得到一自由曲線再繞z軸旋轉(zhuǎn)得到一自由曲面。

為了配合下面的底座和上面的熒光粉片擴(kuò)散板，我們做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,模型如圖2(b)所示。藍(lán)光經(jīng)過該自由曲面反射器的光強(qiáng)分布如圖3(a)所示。

圖2 (a)計(jì)算自由曲面上的點(diǎn)Pi+1， (b) 自由曲面發(fā)射器Fig.2 (a)calculate the point Pi+1 of the free-form surface， (b) free-form surface reflector

對(duì)自由曲面反射器和普通反射器進(jìn)行了模擬對(duì)比[24]，來驗(yàn)證基于自由曲面反射器的遠(yuǎn)程熒光粉涂覆相比普通反射器角色溫均勻性有所改善。光源為直徑19 mm的朗伯分布的面光源，波長分布如圖4所示。熒光粉層設(shè)置厚度1 mm,直徑為58 mm和直徑為50 mm的圓柱，其吸收光譜，激發(fā)光譜，發(fā)射光譜如圖5所示，自由曲面反射器模型如圖2(b)所示，普通反射器底部直徑為21 mm，頂部直徑為50 mm，高25 mm。模擬時(shí)假設(shè)熒光粉顆粒均勻分散在硅膠中,調(diào)整熒光粉濃度使各自光源色溫達(dá)到5 000 K左右，仿真結(jié)果的部分光學(xué)參數(shù)如表1所示，角色溫分布如圖6所示。我們可以看到基于自由曲面反射器的角色溫均勻性明顯比普通反射器的要好。

圖4 藍(lán)光芯片的波長分布Fig.4 The wavelength distribution of the blue LED chip

圖5 熒光粉的參數(shù)Fig.5 phosphor’s parameters

圖6 COB光源經(jīng)過反射器的角色溫曲線Fig.6 Angular correlated color temperature distribution

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述模擬結(jié)果，我們分別對(duì)兩種反射器做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。陶瓷基板的COB光源尺寸和單個(gè)藍(lán)光芯片的尺寸分別為直徑19 mm和0.508 mm×0.889 mm，藍(lán)光芯片為三安的正裝芯片，其主波長大約為447 nm。在120 mA的電流下，光輻射能量約為190 mW。45顆藍(lán)光芯片3并15串用銀膠固定在基板上，上面涂一層硅膠來保護(hù)電極與焊線。制作熒光粉片過程中把熒光粉與硅膠混合，使用攪拌機(jī)脫泡攪勻，在玻璃板上圍一個(gè)圓形壩，噴上脫模劑，再把配好的熒光粉膠均勻的涂在圓壩內(nèi)，旋轉(zhuǎn)使其厚度一致，放進(jìn)溫度為150 ℃的烤箱烘烤3 h，揭下熒光粉片。調(diào)整熒光粉濃度使相同體積的熒光粉片能使色溫達(dá)到5 000 K左右。其模型如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 自由曲面發(fā)射器和普通反射器對(duì)比試驗(yàn) Fig.7 comparative trial between free-form and general reflector

圖8 自由曲面反射器和普通反射器的對(duì)比Fig.8 comparison between free-form and general reflector

3 結(jié)果與討論

從圖8可以看出，自由曲面發(fā)射器的角色溫明顯比普通反射器的角色溫均勻，驗(yàn)證了仿真結(jié)果。這是因?yàn)樗{(lán)光被普通反射器匯聚形成中間光強(qiáng)很大，邊緣光強(qiáng)很小，而黃光的發(fā)射在熒光層中是各向同性的，在50°左右才急速下降。藍(lán)光經(jīng)過熒光粉后部分被吸收，而沒被吸收的部分藍(lán)光大體上遵從Mie散射，對(duì)于直徑平均為13 μm的粒子來說，Mie散射造成藍(lán)光的偏轉(zhuǎn)角不會(huì)太大,故造成了中間藍(lán)邊緣黃的現(xiàn)象。而對(duì)于自由曲面發(fā)射器來說，藍(lán)光在0°到50°左右?guī)缀醣３植蛔?，?0°開始才急速下降，這剛好與黃光的光強(qiáng)分布基本相吻合。故而角色溫均勻性比普通反射器要好。對(duì)于光效，從表1可以看出無論是仿真還是實(shí)驗(yàn)都證明了對(duì)于同一色溫基于自由曲面反射器的光源比普通反射器的光效要好。一方面由于自由曲面反射器張開的角要比普通反射器的要大，而普通反射器對(duì)于藍(lán)光吸收比較大，故而光效比普通反射器高，另一方面由于黃光各向同性背向散射的黃光也被普通反射器吸收了一部分。對(duì)于顯指，我們對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)這兩者存在一定差異，仿真結(jié)果表明兩種反射器對(duì)于顯指并無太大差異，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于自由曲面發(fā)射器的顯指略高一點(diǎn)，這可能是由于實(shí)驗(yàn)采用的熒光粉不止一種的緣故。我們比較仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然得到的具體數(shù)值不太一樣，但是都能發(fā)現(xiàn)自由曲面反射器的優(yōu)越性。這一方面是歸因于實(shí)際光源并非亮度均勻且服從朗伯分布，另一方面是由于熒光粉并非以真正的球形均勻的分布在硅膠中，因此并不完全服從理論上的Mie散射分布。我們分別在兩種燈具的熒光粉片上加了擴(kuò)散板，基于自由曲面反射器的遠(yuǎn)程涂覆燈具光顏色在0°到80°左右無明顯變化，而普通反射器的遠(yuǎn)程涂覆燈具角顏色均勻明顯改善。利用自由曲面反射器遠(yuǎn)程熒光涂覆技術(shù)，并在熒光粉片上方加擴(kuò)散板，實(shí)現(xiàn)了一體化光源如圖9所示，其色溫為6 000 K，光效達(dá)到110 lm/W，顯色指數(shù)達(dá)到73。

表1 自由曲面反射器和普通反射器的出光光學(xué)參數(shù)(實(shí)驗(yàn)/仿真)

圖9 遠(yuǎn)程熒光粉涂覆的一體化光源Fig.9 Light source integration based on remote phosphor

4 結(jié)論

本文提出了基于自由曲面反射器的遠(yuǎn)程熒光粉涂覆的一體化光源技術(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明在5 000 K時(shí)自由曲面反射器的一體化光源相比普通反射器角顏色更加均勻，光效也相對(duì)比較高。此外我們還做了6 000 K色溫的一體化光源，光效能達(dá)110 lm/W,顯色指數(shù)能達(dá)到73。

[1] CHENG T, YU X, MA Y, et al. Color Uniformity Enhancement of White LEDs by Lens Wetting Phosphor Coating[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2016,28(14):1589-1592.

[2] ZHENG H, FU X, HU R, et al. Angular color uniformity improvement for phosphor-converted white light-emitting diodes by optimizing remote coating phosphor geometry[C]//Proc. 13th Int. Conf. Electron. Packag. Technol. High Density Packag (ICEPT-HDP).2012:1483-1486.

[3] WANG S, CHEN X, CHEN M, et al. Improvement in angular color uniformity of white light-emitting diodes using screen-printed multilayer phosphor -in-glass[J]. Appl Opt,2014,53(36):8492-8498.

[4] LIU Z, LIU S, WANG K, et al.Optical analysis of color distribution in white LEDs with various packaging methods[J]. IEEE Photon Technol Lett,2008,20(21-24):2027-2029.

[5] YING SP, FU HK, TU HZ. Curved remote phosphor structure for phosphor converted white LEDs[J]. Appl Opt,2014,53(29):H160-H164.

[6] CHEN KJ, CHEN HC, SHIH MH, et al. Enhancem-ent of angular CCT by hybrid phosphor structure in white light-emitting diodes[C]//ROCEED-INGS OF THE 2013 IEEE 5THINEC.2013:30-32.

[7] TSAI PY, HUANG HK, SUNG JM, et al. High thermal stability and wide angle of white light chip-on-board package using a remote phosphor structure[J].IEEE Electron Device Lett,2015,36(3):250-252.

[8] KUO HC, HUNG CW, CHEN HC, et al. Patterned structure of remote phosphor for phosphor converted white LEDs[J].Opt Express,2011,19(4):A930-A936.

[9] LI JS, LI ZT, LI Z, et al. Improvement in optical performance and color uniformity by optimizing the remote phosphor caps geometry for chip-on-board light emitting diodes[J]. SOLID-STATE ELECTRONICS,2016,126:36-45.

[10] LI JS, LI ZT, LIANG GW, et al. Color uniformity enhancement for COB WLEDs using a remote phosphor film with two free form surfaces[J].Opt Express,2016,24(21):23685-23696.

[11] HUANG KC, LAI TH, CHEN CY. Improved CCT uniformity of white LED using remote phosphor with patterned sapphire substrate[J]. Appl. Opt.,2013, 52(30):7376-7381.

[12] LEE HW, LIN BS. Micro-lens array design on a flexible light-emitting diode package for indoor lighting[J]. Appl. Opt.,2015,54(28): E210-5.

[13] HUANG HT, HUANG YP,TSAI CC. Planar lighting system using array of blue LEDs to excite yellow remote phosphor film[J]. J. Disp. Technol.,2011,7(1): 44-51.

[14] XIAO H, LU YJ, SHIH TM, et al. Improvements on remote diffuser-phosphor-packaged light-emitting diode systems[J]. IEEE Photon. J.,2014,6(2): 8200108.

[15] YU S, LI Z, LIANG G, et al. Angular color uniformity enhancement of white light emitting diodes by remote micro-patterned phosphor film[J]. Photon. Res.,2016,4(4): 140-145.

[16] CHEN Q, LI ZT, CHEN KH, et al. CCT-tunable LED device with excellent ACU by using micro structure array film[J].Opt Express,2016,24(15): 16695-704.

[17] LIN HY, WANG SW, LIN CC, et al. Effective optimization and analysis of white LED properties by using nano-honeycomb patterned phosphor film. Opt Express,2016,24(17):19032-19039.

[18] XIAO H, LU YJ, GUO ZQ, et al. Improvements on optical and chromatic uniformities of light-emitting diodes with microscale-roughness-controlled surfaces[J]. IEEE Photon.J., 2015,7(4): 1600908.

[19] DING X, LI J, CHEN Q, et al. Improving LED CCT uniformity using micropatterned films optimized by combining ray tracing and FDTD methods[J]. Opt Express,2015,23(3):A180-91.

[20] LEE TX, TSAI MC, CHANG SC, et al. Miniaturized LED primary optics design used for short-distance color mixing[J]. Appl. Opt.,2016, 55(32);9067-9073.

[21] LIU LL, TAN XZ, TENG DD, et al. Simultaneously Enhancing the Angular-Color Uniformity, Luminous Efficiency, and Relia-bility of White Light-Emitting Diodes by ZnO@SiO2 Modified Silicones[J].IEEE Tran-sactions on Components,2015,5(5):599-605.

[22] RABL A, GORDON, J M. Reflector design for illumination with extended sources: the basic solutions[J]. Appl Opt,1994,33(25):6012-21.

[23] ZHANG WZ, LIU QX, Gao HF, et al. Free-form reflector optimization for general lighting[J]. Optical Engineering,2010,49(6): 063003.

[24] WU HY, JENKINS D R. Phosphor modeling and characterization[J].Optical Engineering,2014,53(11):114107-12.

Packaging Technique of the Integrated Light Source Based on Remote Phosphor

HE Jun, ZHANG Jing, GE Peng, WANG Hong

(EngineeringResearchCenterforOptoelectronicsofGuangdongProvince,SchoolofPhysicsandOpto-electronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640，China)

A packaging technique of the integrated light source based on remote phosphor is proposed. We design a freeform reflector for the yellow light emitted from the phosphor based on the edge rays’ theory through analyzing the cause of the color angular non-uniformity of LED’s remote phosphor technology. Simulation and the experimental measurements show that the LED samples with free form reflector can improve the lumen efficiency and achieves smaller correlated color temperature deviation than the ordinary ones. Besides, we made an integrated light source whose color temperature is 6 000 K based on the remote phosphor and the freeform reflector. It can achieve as high light efficiency as 110 lm/W.

remote phosphor; freeform reflectors; angular color uniformity; integrated light source

廣東省科技廳重大產(chǎn)學(xué)研 (2016B090918057), 廣州市科創(chuàng)委重大產(chǎn)學(xué)研(Nos.201504291502518,201504291057005),廣東省科技廳戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金 (No.2012A080304015) 通信作者：王洪，E-mail:phhwang@scut.edu.cn

TM923. 01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.020