一種類白熾燈光譜LED光源的研制

劉洋

摘 要：近年來，半導(dǎo)體照明技術(shù)的飛速發(fā)展使得LED在照明應(yīng)用中作為一種新型照明光源被越來越廣泛的應(yīng)用。LED白光主要是依靠450～460nm波段的藍(lán)光激發(fā)熒光粉而形成，使得LED藍(lán)光危害成為一個(gè)不容忽視的問題。本文介紹一種采用特定波段藍(lán)光芯片和YAG、氮化物熒光粉，結(jié)合藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉產(chǎn)生多基色混合光的原理，合成出類白熾燈光譜，其光譜與白熾燈光譜擬合度大于90%。采用低熱阻和光學(xué)性能良好的專用支架封裝成高效率、高可靠性的LED白光照明光源，相較于普通LED光源，樣品光譜中藍(lán)光波段輻射能量大幅降低，單位光通量下，LED光源的藍(lán)光危害降低了45.67%，從而達(dá)到護(hù)眼效果，推動(dòng)LED在高端室內(nèi)照明的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LED；光輻射；類白熾燈；封裝技術(shù)；擬合度

一、序言

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED光源相比于傳統(tǒng)光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、能耗低、體積小、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得LED光源在室內(nèi)照明中的應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。然而隨著人們對于照明產(chǎn)品光生物效應(yīng)的關(guān)注，光照明產(chǎn)品的光生物輻射安全問題，尤其是藍(lán)光危害已成為人們對于LED產(chǎn)品望而卻步的一個(gè)重要原因。

藍(lán)光危害主要體現(xiàn)在眼睛的近紫外輻射損傷、視網(wǎng)膜藍(lán)光的光化學(xué)損傷和輻射的熱損傷等方面。LED通過眼的屈光介質(zhì)聚焦在視網(wǎng)膜上形成影像，使視網(wǎng)膜上的能量密度較角膜上入射能量密度提高，由于現(xiàn)有的LED光源光譜色系少，所以在眼底的色差小，致使極低的LED照射即可引起眼角膜或視網(wǎng)膜的損傷。

藍(lán)光對眼部的損害是不可恢復(fù)的，尤其是青少年，視網(wǎng)膜尚未發(fā)育成熟，對外界光的敏感度較高，更易受外界的刺激和影響。

因此，本次研制項(xiàng)目以面向青少年兒童及高端照明應(yīng)用為背景，提高LED照明的安全性和舒適度為目標(biāo)，主要研究用于室內(nèi)照明的類白熾燈光譜的多種芯片、多種熒光粉、低功率的白光LED，建立可生產(chǎn)的由藍(lán)光芯片或多種藍(lán)光芯片激發(fā)混合熒光粉合成的類自然光光譜模型。

在較高光譜擬合度的情況下，確定各基色光譜的成分比例。生產(chǎn)出類自然光譜LED光源，并在光譜合成技術(shù)、低熱阻封裝技術(shù)、高穩(wěn)定光輸出技術(shù)等方面開展相應(yīng)工作。突破批生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和成本控制技術(shù)，生產(chǎn)具有高光譜安全性和舒適度的LED單芯片功能功率和多芯片大功率封裝產(chǎn)品，推動(dòng)LED在高端室內(nèi)照明的應(yīng)用。

二、研制過程

（一）LED光源光譜安全性的提高研制

通過研究LED的藍(lán)光危害，分析了LED藍(lán)光危害產(chǎn)生的原因和可能對人體造成的傷害，并研究在近場條件下的各發(fā)光單元的相互影響，確定工程學(xué)理論模型和產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，為系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。使用以下顏色光譜模擬白熾燈光譜，擬合度達(dá)到80%以上。根據(jù)CIE和國家標(biāo)準(zhǔn)寬波段光源對視網(wǎng)膜的危害度與光源短波長段的光譜分布有相當(dāng)大的關(guān)系，其危害度最大的波長位于440nm。而藍(lán)光LED的半峰寬在25～30nm左右，因而實(shí)驗(yàn)將在減少總危害度和保持相對高的光源效率方面開展工作。選擇特定波長的藍(lán)光LED芯片，設(shè)計(jì)適合長時(shí)間、近距離照明需要的安全光源。選取波長470nm的芯片，使光譜能量高值避開440nm附近，熒光粉轉(zhuǎn)化使藍(lán)光能量減少，從而達(dá)到減少藍(lán)光危害的目的。

（二）低熱阻芯片安裝的研制

研究芯片安裝材料的綜合特性和安裝工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行高效率、連續(xù)生產(chǎn)的LED芯片的安裝生產(chǎn)技術(shù)。主要內(nèi)容有膠粘、釬焊和共晶焊接等方式進(jìn)行熱阻、熱疲勞、工藝周期等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定具有較低熱阻、較短生產(chǎn)周期和低成本的工藝。并重點(diǎn)研究膠粘方式的材料特性、點(diǎn)膠方法、膠量控制和膠體成型工藝等技術(shù)。

在不降低芯片粘合強(qiáng)度的情況下，降低貼片膠的高度，僅為1～3μm，使得襯底與LED支架的粘接層變薄，熱向支架導(dǎo)出更快，從而達(dá)到降低結(jié)溫的目的，使LED的壽命延長，光衰降低。封裝殼體采用具有良好熱沉的封裝支架，該結(jié)構(gòu)具有良好的散熱通道及氣候防護(hù)特性。

（三）熒光粉空間分布和出色均勻控制的研制

熒光粉的空間分布狀態(tài)與LED的發(fā)光效率、可靠性以及生產(chǎn)成本有十分密切的關(guān)系。重點(diǎn)研究在多種規(guī)格的熒光粉混合狀態(tài)下熒光粉空間分布狀態(tài)控制技術(shù)，包括粉體物理參數(shù)（形狀、粒徑、密度等）的確定、混合方式、膠體固化程序等。以實(shí)現(xiàn)高光效和可靠性所需要的熒光粉空間形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)LED光參數(shù)和色參數(shù)的目標(biāo)。

選擇顆粒均勻，粒徑大小適宜的YAG及不同激發(fā)波長的氮化物熒光粉，經(jīng)充分混合后，通過470nm波長的藍(lán)光激發(fā)，合成所需白光。其中，為了獲得高光轉(zhuǎn)換效率，必須降低熒光粉層孔隙率，因此多種熒光粉的配比及濃度決定了白光的填充結(jié)構(gòu)和填充特性。

本實(shí)驗(yàn)中，對不同激發(fā)波長的熒光粉的顆粒度、熒光粉間的孔隙率、粒級分配、比表面積、光吸收效果和轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行反復(fù)研究，合成出符合要求的白光。

在封裝硅膠內(nèi)加入以（Al，Ti）O2 為主要成分的納米級光介質(zhì)，提高出光效率，同時(shí)使出光更加均勻。光介質(zhì)還可以使熒光粉的沉淀減緩，使批量生產(chǎn)時(shí)的熒光粉一致性提高。此樣品使用熒光粉的比例很高，使用光介質(zhì)可以更有效激發(fā)熒光粉，從而減少所需熒光粉的濃度，在攪拌和點(diǎn)膠時(shí)，可以使熒光粉更加均勻。

三、測試

（一）光電參數(shù)

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)工藝流程，生產(chǎn)出相應(yīng)LED光源，采用光譜分析系統(tǒng)對樣品進(jìn)行測試，表1所示為其光電參數(shù)測試數(shù)據(jù)：

其測試電流為20mA，電壓為3.1V，相應(yīng)色溫為2955K，屬暖白系光源。光效為72.86 lm/W，由于添加氮化物熒光粉比例較高，其光效低于同類LED光源的光效均值，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈10～20 lm/W的光效均值。尤其R9（深色鮮紅）是評價(jià)紅色復(fù)現(xiàn)質(zhì)量的指標(biāo)，該樣品R9測試值為37，為正值，表示其再現(xiàn)真實(shí)顏色的指數(shù)較高，能高度真實(shí)還原所有的顏色，而普通LED光源的R9值為非正值，對紅色還原能力能力較弱。

（二）擬合度

人類眼睛的識別度與敏感度在經(jīng)過幾百年的進(jìn)化，已適應(yīng)白熾燈的發(fā)光光譜，因此，LED光譜需與白熾燈的光譜高度匹配，才能使得人眼快速的適應(yīng)LED光譜，而不必重新經(jīng)歷適應(yīng)LED光譜這一過程，匹配度（即擬合度）的高低直接影響人類對LED光譜的適應(yīng)度。擬合度（Goodness of fit）是指回歸直線對觀測值的擬合程度。顯然若觀測點(diǎn)離回歸直線近，則擬合程度好，是檢驗(yàn)來自總體中的一類數(shù)據(jù)其分布是否與某種理論分布相一致的統(tǒng)計(jì)方法。

根據(jù)以上理論計(jì)算可知，LED光譜與白熾燈光譜擬合度為90.2%，說明實(shí)驗(yàn)所生產(chǎn)的LED光源光譜較接近于白熾燈光譜，眼睛舒適度較高。

（三）藍(lán)光危害

對于普通的LED光源，發(fā)光原理主要是由450-460nm波段的藍(lán)光激發(fā)熒光粉而形成白光，使得藍(lán)光危害增大，視網(wǎng)膜的安全性下降。針對此原因，本實(shí)驗(yàn)特選用470nm波長段的激發(fā)光，以降低藍(lán)光對視網(wǎng)膜的損害。藍(lán)光危害及藍(lán)光波長計(jì)算是按照燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性的國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中，視網(wǎng)膜長期受藍(lán)光輻射的損傷，光源的光譜輻亮度與藍(lán)光危害函數(shù)B（λ）加權(quán)積分后的能量，也就是藍(lán)460nm處LED樣品光源的藍(lán)光光譜明顯低于白熾燈，藍(lán)光光譜的輻射能明顯減少，大幅降低了藍(lán)光對視網(wǎng)膜的危害。通過對白熾燈光譜與LED樣品光譜的理論計(jì)算對比可知，單位光通量下，LED樣品光源藍(lán)光危害下降了45.67%，藍(lán)光對視網(wǎng)膜的損害大幅降低，從而達(dá)到護(hù)眼效果。

四、結(jié)論

研制過程以青少年兒童及高端照明的安全性和舒適度為目標(biāo)，研究用于室內(nèi)照明的類白熾燈光譜LED光源，采用470nm波長藍(lán)光芯片激發(fā)YAG、氮化物熒光粉，產(chǎn)生多基色光混合白光，突破光譜合成技術(shù)、低熱阻封裝技術(shù)、高穩(wěn)定光輸出技術(shù)等方面障礙，生產(chǎn)具有高光譜安全性和舒適度的LED光源器件，其光譜與白熾燈光譜擬合度高于90%，藍(lán)光波段光譜輻射的能量減少，光輻射危害降低了45.67%，從而達(dá)到護(hù)眼效果，推動(dòng)LED在高端室內(nèi)照明的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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