LED白光芯片的光色一致性及光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

羅亮亮，樊嘉杰，，經(jīng) 周，錢 誠(chéng)，3，4，樊學(xué)軍，5，張國(guó)旗，3，6

(1.常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 常州 213161；2. 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；3.中科院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 4.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；5. 拉瑪爾大學(xué)機(jī)械工程系，美國(guó)博蒙特；6. 代爾夫特理工大學(xué)EEMCS學(xué)院，荷蘭代爾夫特)

引言

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)照明的要求已從單純的環(huán)保節(jié)能逐漸轉(zhuǎn)向?qū)】凳孢m的追求。因此，發(fā)光二極管(LED)光源面臨的挑戰(zhàn)不僅僅需要低成本和高光效，更須滿足健康、舒適、高光色品質(zhì)、低頻閃、高可靠性等需求[1-2]。傳統(tǒng)大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、散熱性能差、熒光粉沉降造成光色不一致性[3]等問題已經(jīng)凸顯。面向高效、高品質(zhì)、低熱阻、小尺寸應(yīng)用需求，LED晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP，簡(jiǎn)稱LED白光芯片)技術(shù)近期被提出。它采用倒裝LED芯片結(jié)合熒光薄膜預(yù)成型技術(shù)，通過芯片切割和倒裝固晶工藝完成LED的封裝流程。這大大簡(jiǎn)化了封裝工藝，縮短了工藝流程時(shí)間，并且可以精確控制薄膜厚度和色度一致性，有效地解決了傳統(tǒng)點(diǎn)膠技術(shù)中熒光粉下沉導(dǎo)致色度不均勻問題[4-5]。

近年來，晶圓級(jí)芯片尺寸封裝經(jīng)過業(yè)界不斷的努力研發(fā)，逐漸由概念走向成熟產(chǎn)品。特別是基于倒裝技術(shù)開發(fā)的LED白光芯片以其優(yōu)異的出光效率、良好的散熱結(jié)構(gòu)、靈活的外形尺寸，已開始應(yīng)用于背光燈、閃光燈等領(lǐng)域，同時(shí)在特殊商用照明等高端應(yīng)用領(lǐng)域也可得到認(rèn)可和發(fā)展，例如，燈絲球泡燈、多色溫調(diào)光燈具以及與柔性基板結(jié)合形成可隨意彎折的創(chuàng)意照明結(jié)構(gòu)等等[6]。目前，各廠家開發(fā)的LED白光芯片結(jié)構(gòu)各不相同，主要有以下幾種主流結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。其中，結(jié)構(gòu)b[圖1(b)]由于光效高，光色均勻性好的特點(diǎn)，在市場(chǎng)上較為普遍，也是各個(gè)LED廠競(jìng)相開發(fā)的方向?；诮Y(jié)構(gòu)b，目前的封裝技術(shù)方案是先將LED晶圓金屬化后，經(jīng)劃片制作倒裝LED芯片，然后把倒裝LED芯片的正上方和四個(gè)側(cè)面使用熒光層材料包覆而達(dá)到封裝的目的[7-9]。另外，也有在LED外延片經(jīng)金屬化電極完成后，直接在晶圓級(jí)進(jìn)行熒光粉涂覆，再經(jīng)過切割、裂片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)封裝，但是該工藝路線技術(shù)難度較大，目前尚處在產(chǎn)業(yè)化初期階段。

圖1 幾種白光芯片的主流封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Mainstream packaging structures of white LED chip

本文針對(duì)自主研發(fā)的具有五面出光角度特點(diǎn)的LED白光芯片，基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對(duì)白光芯片光色一致性的影響。并建立了一套高效實(shí)用的配粉設(shè)計(jì)流程，針對(duì)配粉實(shí)驗(yàn)提出了一種快速優(yōu)化光譜設(shè)計(jì)方法來制定最佳熒光粉配比，為L(zhǎng)ED白光芯片工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)制備了一種五面出光的LED白光芯片，主要采用半固化混合熒光粉硅膠膜，利用真空熱壓合于排布陣列LED倒裝芯片的載板上完成封裝，然后使熒光粉硅膠膜在高溫下完全固化，最后通過機(jī)械切割方式獲得單顆的LED白光芯片器件。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 LED白光芯片制備工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of white LED chip

通過以上排片、壓膜、固化、切割四個(gè)工序獲得五面發(fā)光的LED白光芯片，再?gòu)腖ED白光芯片的封裝材料和工藝角度考慮，研究其對(duì)光-色(光效和顏色)一致性的影響，主要因素包括：材料一致性和結(jié)構(gòu)尺寸一致性。本文通過上述工藝流程制備三種相對(duì)色溫(3 000 K，4 000 K和5 000 K)的LED白光芯片，分析封裝材料和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)其光-色參數(shù)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 LED白光芯片顏色一致性的影響因素

本文考慮影響LED白光芯片顏色一致性的因素主要包括尺寸一致性和材料一致性兩個(gè)方面[10-13]：①尺寸一致性主要取決于壓膜和切割兩個(gè)工藝精度，壓膜精度決定LED白光芯片的厚度偏差，切割精度主要決定LED白光芯片長(zhǎng)、寬尺寸的一致性；②材料一致性包括LED藍(lán)光芯片的光參數(shù)集中度和熒光膜的顏色均勻度。

圖3 LED白光芯片厚度與顏色一致性的關(guān)系Fig.3 Relationship between color consistency and thickness of LED white chip

另外，從圖3中3 000 K/5 000 K 0.5 W中功率與4 000 K 1 W大功率兩款LED白光芯片顏色一致性和厚度一致性的擬合直線斜率可知，0.5 W中功率白光芯片的斜率要比1 W大功率的斜率要小，這表明：采用大功率LED芯片時(shí)，LED白光芯片的厚度一致性對(duì)顏色一致性的影響要比中小功率的更為顯著。由圖3可以計(jì)算出，要確保顏色一致性在3個(gè)顏色匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差(3 SDCM，即Δu′v′<0.003)，0.5 W中功率白光芯片的厚度差要控制在δ<20 μm；而1 W大功率白光芯片厚度差要保證在10 μm以內(nèi)。

2)材料因素的影響。圖4表示為L(zhǎng)ED藍(lán)光芯片輸出功率(PO)對(duì)LED白光芯片顏色一致性的影響，橫坐標(biāo)為芯片輸出功率標(biāo)準(zhǔn)方差與均值的比值(σ/μ)，縱坐標(biāo)為當(dāng)Δu′v′<0.003時(shí)LED白光芯片的最大允許厚度差。由圖4可以看出，芯片PO的σ/μ越大，LED白光芯片最大允許的厚度差越小。由于LED白光芯片的顏色一致性與厚度差成正相關(guān)，這說明芯片PO的一致性對(duì)白光芯片的顏色一致性影響顯著。當(dāng)厚度差一定時(shí)，芯片PO的一致性越好，白光芯片的顏色一致性越好。當(dāng)LED白光芯片顏色一致性要求Δu′v′ <0.003時(shí)，最大允許厚度差=20 μm時(shí)，芯片PO的標(biāo)準(zhǔn)方差/均值<0.72%。對(duì)于大功率芯片(PO=800 mW)，PO的標(biāo)準(zhǔn)方差要控制<5.6 mW；對(duì)于中小功率芯片(PO=170 mW)，PO的標(biāo)準(zhǔn)方差要控制<1.2 mW。

圖4 當(dāng)Δu′v′<0.003時(shí)，LED白光芯片的最大允許厚度差與芯片PO標(biāo)準(zhǔn)方差/均值的關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum allowable thickness of white LED chip and PO consistency of blue LED chip when Δu′v′ < 0.003

2.2 LED白光芯片的光效模型

1)光效模型建立。由圖5所示的LED白光芯片結(jié)構(gòu)示意圖可知，影響LED白光芯片光效的主要因素可分為L(zhǎng)ED藍(lán)光芯片、熒光層和基板三部分。

圖5 LED白光芯片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of LED white chip structure

由此，我們定義LED白光芯片的光效ΦW模型為

ΦW=(LER·ΦB)C+ζ

(1)

其中，LER(Luminous Efficacy of Radiation)為理論光效，指電功率全部轉(zhuǎn)換為光功率時(shí)光源的光效(lm/W)，可由LED白光芯片的發(fā)光光譜計(jì)算獲得；ΦB為藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率；C為線性相關(guān)系數(shù)，可定義為C1C2Cx，其中C1為熒光層的影響因子(由熒光粉效率、熒光膠配比及熒光膜的結(jié)構(gòu)尺寸等決定[15-17])，C2為基板的影響因子(由基板白油的吸光率和反射率決定)，Cx為其他影響因素(比如，芯片的功率、封裝工藝等[18-20])。由公式(1)LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關(guān)系模型可知，如果我們確定線性相關(guān)系數(shù)C，根據(jù)理論光效LER和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率可以估算出LED白光芯片的光效的光效，在對(duì)LED白光芯片設(shè)計(jì)時(shí)擇優(yōu)藍(lán)光芯片和熒光粉類型有一定的參考價(jià)值。

2)模型的參數(shù)提取。圖6(a)(b)(c)所示分別為CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種色溫情況下，LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關(guān)系。由圖6可知，光效與LER·ΦB基本呈現(xiàn)正線性相關(guān)，直線斜率表示為線性相關(guān)系數(shù)C。由線性擬合結(jié)構(gòu)可得CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種LED白光芯片的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.668 4、0.725 3、0.778 6?；诖四Ｐ?，在進(jìn)行配粉設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)LED白光芯片理論光效LER和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率，大致估算出LED白光芯片的光效是否可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，據(jù)此對(duì)芯片和熒光粉類型進(jìn)行選擇調(diào)整。

圖6 光效與LER·ΦB的關(guān)系Fig.6 Relationship between luminous efficacy and LER·ΦB

對(duì)比三種LED白光芯片的線性相關(guān)系數(shù)C可以發(fā)現(xiàn)：色溫越低，線性相關(guān)系數(shù)C越小。根據(jù)線性相關(guān)系數(shù)C的定義分析主要原因是LED白光芯片色溫越低，表明熒光粉配比中紅粉占比較高。但是由于紅粉的效率相對(duì)較低，同時(shí)紅粉會(huì)吸收其他波長(zhǎng)的光，導(dǎo)致混合熒光粉的發(fā)光效率相對(duì)變低，因此其熒光層影響因子C1會(huì)更小。這種情況下在基板影響因子C2和其他影響因子Cx一定時(shí)，線性相關(guān)系數(shù)越小。由此也可知，在使用藍(lán)光芯片相同時(shí)，采用相同型號(hào)的熒光粉得到暖白色白光芯片的光效比冷白色的要低，低約14%左右。

2.3 基于光譜優(yōu)化的LED白光芯片配粉設(shè)計(jì)

針對(duì)LED白光芯片的設(shè)計(jì)和制備工藝，本文建立了一套高效實(shí)用的配粉方法，可以根據(jù)不同的光-色參數(shù)要求和光譜功率分布要求，對(duì)LED白光芯片進(jìn)行快速有效的配粉設(shè)計(jì)。圖7所示為配粉設(shè)計(jì)流程示意圖，其主要基于光譜功率分布合成方法將藍(lán)光芯片光譜和熒光粉光譜合成白光(如圖8所示)。具體流程可分為以下幾個(gè)步驟：第一步，選擇熒光粉和藍(lán)光芯片，測(cè)試得到熒光粉的發(fā)射光譜以及藍(lán)光芯片的發(fā)光光譜和電光轉(zhuǎn)化效率ΦB；第二步，把熒光粉和藍(lán)光芯片光譜導(dǎo)入光譜合成軟件，計(jì)算達(dá)到目標(biāo)色溫后的顯色指數(shù)Ra和理論光效LER，并由公式(1)估算白光芯片的光效ΦW；第三步，以光效和Ra參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)選擇合適的熒光粉和藍(lán)光芯片型號(hào)，最終獲得滿足光-色要求的最優(yōu)化熒光粉及藍(lán)光芯片型號(hào)；第四步，選定好芯片和熒光粉后進(jìn)行白光芯片的配粉實(shí)驗(yàn)，使色坐標(biāo)最終達(dá)到目標(biāo)色溫區(qū)，驗(yàn)證光效和Ra是否達(dá)到光色要求。

圖7 LED白光芯片配粉設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Phosphor design flow diagram of LED white chip

圖8 LED白光芯片的光譜功率分布設(shè)計(jì)方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of design for spectral power distribution of LED white chip

以下利用實(shí)驗(yàn)中的案例對(duì)所提基于光譜優(yōu)化確定最佳配粉工藝方法進(jìn)行驗(yàn)證。如圖9所示，虛線為目標(biāo)光譜，即為選定最佳熒光粉和藍(lán)光芯片后采用光譜合成軟件計(jì)算達(dá)到目標(biāo)色溫的合成光譜；實(shí)線為配粉過程中積分球測(cè)試的實(shí)際光譜。配粉過程中，對(duì)比實(shí)際光譜和目標(biāo)光譜，如果熒光粉光譜部分只是上下幅度的平移，可以采用調(diào)高或降低熒光粉濃度的手段來達(dá)到目標(biāo)；同樣的，如果熒光粉光譜部分有左右方向移動(dòng)或不一致，那就需要通過調(diào)整熒光粉的配比來達(dá)到目標(biāo)。

圖9 基于光譜優(yōu)化確定最佳配粉工藝方法的實(shí)例Fig.9 The examples of phosphor preparing process based on the SPD optimization method

3 結(jié)論

本文基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對(duì)LED白光芯片光色一致性的影響，并針對(duì)LED白光芯片封裝工藝過程中配粉實(shí)驗(yàn)，提出了一種采用優(yōu)化光譜快速找到最佳配方的配粉設(shè)計(jì)流程。研究結(jié)果表明：

①LED白光芯片的顏色一致性主要由尺寸和材料因素的決定，其中熒光層厚度和藍(lán)光芯片輸出功率對(duì)其影響顯著，因此在白光芯片封裝過程中，需要嚴(yán)格把控壓膜工藝精度和來料LED芯片輸出功率；

②LED白光芯片的光效與理論光效和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)化效率的乘積呈線性相關(guān)，色溫越低，線性相關(guān)系數(shù)越小。

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