LED熒光粉的散射特性研究及透明藍(lán)寶石基板COB LED中的應(yīng)用

葉立康

摘 要：本研究主要對(duì)LED封裝中的熒光粉散射特性研究，結(jié)果表明隨著熒光粉粒徑的增加，反向的散射光能量逐漸增大，即反向散射效果隨著粒徑的增大而加強(qiáng)；隨著散射劑/熒光粉濃度的增大反向的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉濃度的增大而加強(qiáng)。因此，通過(guò)透明藍(lán)寶石基板將反向光線(xiàn)取出，可有效提高產(chǎn)品的光通量。與陶瓷基板COB LED相比，實(shí)際透明藍(lán)寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量可提高出光率約11.2%。

關(guān)鍵詞：熒光粉；散射特性；光學(xué)仿真；COB LED；藍(lán)寶石基板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.009

1 熒光粉散射特性仿真分析

熒光粉為光致發(fā)光材料是重要的LED封裝材料，其品質(zhì)的好壞直接影響整個(gè)LED 器件的光電色參數(shù)。因此提高COB的取光率，必須首先要對(duì)熒光粉的散射特性進(jìn)行分析。目前許多研究已經(jīng)采用了光學(xué)仿真手段研究了LED取光率的提高。但藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉的混合白光LED仿真還需要引入散射理論進(jìn)行。Mie散射是當(dāng)前用于熒光粉光學(xué)仿真的主要理論。Mie 理論主要針對(duì)的是球形粒子，盡管實(shí)際粒子形狀不規(guī)則，但研究發(fā)現(xiàn)，利用Mie 散射理論來(lái)對(duì)球形近似的實(shí)際不規(guī)則粒子進(jìn)行求解可得到較為精確的結(jié)果。米氏散射的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比，散射在光線(xiàn)向前的方向比向后的方向更強(qiáng)，方向性比較明顯。利用米氏散射理論為基礎(chǔ)，研究熒光粉這種粒徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的粒子，比較有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前許多研究都通過(guò)Mie散射對(duì)熒光粉的散射特性進(jìn)行了研究。米氏散射理論在熒光粉中的應(yīng)用，則是通過(guò)仿真軟件進(jìn)行。本文采用的是Lighttools7.0軟件進(jìn)行仿真，考察不同粒徑的熒光粉、不同濃度的熒光粉顆粒的散射特點(diǎn)。

本研究中由于考察的是熒光粉散射特性，模型設(shè)置了一顆芯片、一層熒光粉膠層（30mm×30mm×0.6mm，如圖1所示。熒光粉膠尺寸遠(yuǎn)大于芯片，保證光線(xiàn)基本從上下表面射出，避免側(cè)面出光干擾散射特性研究），忽略基板、芯片對(duì)光線(xiàn)吸收，光線(xiàn)僅為單一波長(zhǎng)555nm，芯片也與熒光粉膠層設(shè)置為同一種材料。熒光粉膠中的硅膠折射率為1.41，透光率98.5% /2mm厚，熒光粉設(shè)置為折射率1.8，無(wú)虛部折射率。其余表面均設(shè)置為Baresurface。芯片尺寸為0.8mm×0.8mm×0.15mm。上表面朗伯型發(fā)光，光線(xiàn)數(shù)量設(shè)置為1×106條。

首先考察比較典型的情況，即熒光粉粒徑為11μm，濃度3×104個(gè)/mm3。由光分布仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，除了正面出光外，許多光線(xiàn)仍然反向出光。這表明熒光粉的散射作用是必須在仿真模型中考慮的。將總能量歸一化，通過(guò)計(jì)算正、反面的光分布曲線(xiàn)積分值，可知二者的相對(duì)能量值。在這個(gè)典型案例里，正面相對(duì)能量為0.71，反面能量比為0.29，反面出的光線(xiàn)占總光線(xiàn)29%。

考察不同粒徑下熒光粉前后向散射光能量的變化，顆粒濃度設(shè)置為3×104個(gè)/mm3。由圖3可知，隨著熒光粉粒徑的增加，向后的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉直徑的增大而加強(qiáng)。熒光粉通常的粒徑一般在5-20μm左右，在這個(gè)粒徑范圍熒光粉的反向散射效果變化較小，反向相對(duì)能量由0.27上升到0.30。

不同的熒光粉濃度下的前后散射光能量也是必須要關(guān)注的變量。由圖4可以看出隨著熒光粉濃度的增大反向的散射光能量逐漸增大，即熒光粉反向散射效果隨著粉濃度的增大而加強(qiáng)。當(dāng)濃度大約達(dá)到6×105/mm-3時(shí)，熒光粉反向散射與正向散射能量相當(dāng)，當(dāng)濃度進(jìn)一步增大后，熒光粉反向散射大于正向散射。但一般情況下，點(diǎn)膠法所用的熒光粉濃度在0.1～1×105/mm-3（經(jīng)驗(yàn)配方的計(jì)算值），反向相對(duì)能量0.27-0.33，其變化較大，散射影響很大。而保形涂覆一般低于3×105/mm-3，這個(gè)范圍內(nèi)反向散射相對(duì)能量最高可達(dá)0.42，對(duì)于保形涂覆的仿真，散射因素尤為重要。

2 透明藍(lán)寶石基板COB LED產(chǎn)品的實(shí)際光通量的提高

從上述研究表明，熒光粉的反向散射是很大的。因此采用透明材料作為基板，可以利用這些反向散射光線(xiàn)。因此本研究采用透明藍(lán)寶石平面基板，制作了大角度發(fā)光高取光率新結(jié)構(gòu)的COB LED。具體方案：將24顆12mil×31mil藍(lán)光芯片按串聯(lián)的陣列形式固晶于透明藍(lán)寶石基板表面。采用金絲鍵合各個(gè)芯片與電極形成電路。在基板正面點(diǎn)圍壩膠并固化，然后在基板背面制作圍壩并固化。將一定比例配置的熒光粉硅膠點(diǎn)入基板背面內(nèi)，加熱固化。與此同時(shí)制作同樣條件的陶瓷基板COB LED進(jìn)行對(duì)比。

由表1可見(jiàn)，在封裝材料、芯片及布局類(lèi)似的情況下，透明藍(lán)寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量提高了11.2%，透明基板對(duì)光線(xiàn)的取出率有顯著效果。

3 小結(jié)

本研究對(duì)熒光粉的散射特性研究，以Mie散射為理論基礎(chǔ)進(jìn)行光學(xué)仿真，結(jié)果表明隨著熒光粉粒徑的增加，反向的散射光能量逐漸增大；隨著散射劑/熒光粉濃度的增大后向的散射光能量逐漸增大。在典型案例里反面出的光線(xiàn)占總光線(xiàn)29%。為了利用反向光線(xiàn)，開(kāi)發(fā)了透明藍(lán)寶石基板COB LED產(chǎn)品，可有效提高產(chǎn)品的光通量，實(shí)際制作的透明藍(lán)寶石基板COB LED產(chǎn)品的光通量可提高出光率約11.2%。以上結(jié)果具有一定理論價(jià)值并可應(yīng)用于大功率COB LED封裝，為L(zhǎng)ED燈絲燈光源類(lèi)照明產(chǎn)品提供了一條新的技術(shù)方案。

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