圖案化基板LED中熒光粉對光學(xué)性能的影響

張清梅， 朱大慶， 鄒懷遠(yuǎn)

(1. 華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021；2. 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

圖案化基板LED中熒光粉對光學(xué)性能的影響

張清梅1,2， 朱大慶1,2， 鄒懷遠(yuǎn)1,2

(1. 華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021；2. 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

采用基板上加倒錐形圖案化的新型封裝方式，用蒙特卡洛光線追跡法仿真保形涂覆熒光粉體積比和厚度變化時，發(fā)光二極管(LED)光源光色品質(zhì)的變化.仿真結(jié)果表明：LED光源的出光效率在圖案化傾斜角α為30°,45°時，出光效率的提升量最大；α為45°時，傳統(tǒng)平面封裝光源的空間顏色均勻性最大優(yōu)化幅度分別為9.1%,8.4%；熒光粉厚度、體積比不變時，顏色均勻性相對于傳統(tǒng)平面封裝光源的優(yōu)化幅度最大為11.1%,10.4%，光源的色溫差值最大減小1 006,1 319 K；在厚度、體積比參數(shù)中任選一個進(jìn)行優(yōu)化，均可改善LED產(chǎn)品的顏色均勻性，而優(yōu)化圖案化結(jié)構(gòu)可使空間顏色均勻性更明顯地提高.

熒光粉層； 圖案化基板； 出光效率； 空間顏色分布

Abstract： Effects of variations of conformal coating phosphors thickness and volume ratio on optical consistency of the new packaging light emitting diodes (LED) including the luminous and chromatic performance were simulated studied by Monte Carlo ray tracing method. The new packaging LED had a patterned board with regular invert cone structures. Simulation results revealed that a maximum light extraction efficiency improvement of the LED would achieve when the inclination angles of the invert cone structures were 30° and 45°. Whenα=45°, the largest improvement of angular color uniformity (ACU) compared to traditional planar packaging was 9.1% and 8.4% respectively. When the phosphor volume ratio and thickness were not changed, the largest improvement of ACU was 11.1% and 10.4%. When the thickness and the volume ratio of the phosphor layer changed, the correlated color temperature difference value of patterned structure LED was 1 006, 1 319 K lower than the LED with planar board. At this point, the patterned board has an obvious impact on the ACU of the LED. Optimization of phosphor layer thickness or volume ratio parameters can improve the light quality of LED packages. In the meantime, optimize the patterned structure can make the space color uniformity increase more obviously.

Keywords： phosphor coating layer; patterned board; light extraction efficiency; angular color uniformity

集成高功率發(fā)光二極管(LED)逐漸成為固體照明的發(fā)展趨勢，白光LED的出光效率和空間顏色均勻性是業(yè)界關(guān)心的重要問題，而熒光粉涂覆工藝是影響LED光色品質(zhì)的最重要因素[1-2].為了提高LED光源的出光效率，Li等[3]在平面基板上做圖案化結(jié)構(gòu)，破壞出光界面的全反射,使出光效率提高42%.Wu等[4]在封裝硅膠平面加微結(jié)構(gòu)，出光效率理論上可以提高47%.為了有效提高封裝光源的光色一致性，國內(nèi)外研究人員做了許多工作.Sommer等[5-6]建立保形涂覆熒光粉層的模型，討論熒光粉層厚度、體積比等參數(shù)對空間色分布均勻性的影響.Liu等[7-8]建立幾種不同的封裝模型，仿真計(jì)算不同結(jié)構(gòu)封裝的熒光粉層厚度和體積比、距離等參數(shù)對白光LED光色品質(zhì)的影響，得出熒光粉和芯片的發(fā)光形式相近時出光均勻性最佳.本文采用基板上加倒錐形圖案的新型封裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行光學(xué)仿真(Lightools 8.0)，研究圖案化結(jié)構(gòu)的LED中，熒光粉層參數(shù)對光源出光效率及空間顏色分布均勻性的影響.

1 仿真模型的建立

對圖案化結(jié)構(gòu)的COB封裝的白光LED光色品質(zhì)進(jìn)行研究.封裝光源芯片排列為3×3陣列，中心間距6 mm，芯片模型為1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm的GaN藍(lán)光芯片.有圖案的基板尺寸為22 mm×22 mm×2 mm，表面反射率為0.90.基板表面添加的倒錐形結(jié)構(gòu)半徑為0.5 mm，錐形開口朝上，頂點(diǎn)間距為0.75 mm.保形涂覆熒光粉層的材料為YAG:Ge和硅膠的混合物.由Mie散射理論，設(shè)熒光粉顆粒直徑為15 μm的球體，熒光粉層折射率為1.63.在距發(fā)光面316 mm處，設(shè)置片狀接收器，每相鄰的片狀接收器角度間隔5°，分析各個角度接收面上的光線信息.

光線追跡過程中，仿真得出LED的出光效率和黃藍(lán)光比(YBR).采用空間±65°范圍內(nèi)的最小YBR(RYB,min)和最大YBR(RYB,max)的比值UC評價LED的空間顏色均勻性[9-11]，即

用相同熒光粉厚度、體積比變化范圍內(nèi)，色溫最大值與最小值的差值ΔTCC描述圖案化結(jié)構(gòu)LED中熒光粉參數(shù)變化的影響，即

2 結(jié)果與討論

美國能源之星的固態(tài)照明燈具標(biāo)準(zhǔn)將白光LED分為8種色型[12]，討論不同結(jié)構(gòu)光源的熒光粉體積比及厚度變化對光色品質(zhì)的影響.

2.1出光效率的影響因數(shù)分析

分析傾斜角度為0°,15°,30°,45°,55°時，倒圓錐形結(jié)構(gòu)光源的出光效率隨體積比和厚度的變化情況.其中，0°表示無圖案封裝.試驗(yàn)采用2種方法：方法1為平面基板加圖案化結(jié)構(gòu)；方法2為帶反光杯陣列基板圖案化.當(dāng)α為0°,15°,30°,45°,55°時，熒光粉的厚度(h)、體積比變化對出光效率(η)的影響，如圖1,2所示.以色溫在3 000～9 700 K范圍內(nèi)的封裝做進(jìn)一步分析.圖1中：體積比為1.59%；厚度為0.07～0.25 mm.圖2中：厚度為0.1 mm；體積比為1.06%～2.30%.

(a) 方法1 (b) 方法2圖1 熒光粉厚度變化對出光效率的影響Fig.1 Influence of phosphor thickness on luminous efficiency

(a) 方法1 (b) 方法2圖2 熒光粉體積比變化對出光效率的影響Fig.2 Influence of phosphor volume ratio on luminous efficiency

由圖1,2可知：對不同的圖案參數(shù)，LED的出光效率隨厚度和體積比的變化是一致的，均高于不加圖案化的結(jié)構(gòu)；當(dāng)α為30°時，方法1與方法2的出光效率均達(dá)到最高[10]；方法2的出光效率受體積比和厚度的影響較小.

當(dāng)厚度和體積比增加時，由于熒光粉層的散射作用增強(qiáng)，所有結(jié)構(gòu)的出光效率呈下降趨勢，且熒光粉厚度和體積比較大時，熒光粉對藍(lán)光的吸收轉(zhuǎn)換作用加強(qiáng)，轉(zhuǎn)換過程有較高的能量損失.因此，厚度和體積比較大時，出光效率變化趨勢逐漸變緩.對于不加圖案化結(jié)構(gòu)封裝光源，出光效率隨厚度或體積比變化的提升量均最小，當(dāng)角度取30°,45°時，其出光效率提升量最大，最高可達(dá)16.5%，光線出射的概率最高.

對比仿真結(jié)果可知：對于無圖案結(jié)構(gòu)封裝，在熒光粉體積比和厚度變化范圍內(nèi)，均會導(dǎo)致較大的色溫差值，且對于方法1，熒光粉參數(shù)變化對色溫差值的影響較明顯.當(dāng)傾斜角α為30°，45°時，在0.07～0.25 mm厚度變化范圍內(nèi)，色溫差值可分別減少1 006，405 K；在1.06%～2.30%體積比變化范圍內(nèi)，色溫差值分別減少1 319，424 K；此傾斜角封裝結(jié)構(gòu)下的LED光源色溫波動范圍最小.由此可知：圖案化結(jié)構(gòu)可以減弱熒光粉涂層體積比和厚度變化對色溫波動的影響.

2.2空間顏色分布的影響因數(shù)分析

LED產(chǎn)品性能包括光效和空間顏色分布.在仿真過程中，熒光粉層厚度取70,100,150 μm，體積比取1.15%,1.59%,2.30%，通過控制熒光粉的厚度及體積比，使其色溫保持在6 500(冷白)，5 000(正白)，3 500(暖白)等3個色品區(qū)域，討論不同圖案化結(jié)構(gòu)參數(shù)下的LED空間顏色分布均勻性.

2.2.1 熒光粉厚度 熒光粉厚度變化對不同圖案化結(jié)構(gòu)光源空間顏色均勻性的影響，如圖3,4所示.圖3,4中：θ為基板上倒錐形圖案結(jié)構(gòu)的傾斜角度.當(dāng)熒光粉厚度增加，所有封裝結(jié)構(gòu)的YBR值都會增大，相應(yīng)的LED的顏色也將偏向暖白光，空間顏色均勻度隨熒光粉厚度的增加而變低.

當(dāng)熒光粉厚度為0.07,0.10 mm時,顏色分布曲線基本上是以平移的方式變化.此時,熒光粉的厚度改變，對空間顏色的均勻度影響較小.當(dāng)熒光粉厚度增大時，熒光粉的吸收和散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致整個空間的YBR指數(shù)升高.

由圖3可知：對于方法1，由于芯片的藍(lán)光呈朗伯分布，中心角度處的YBR低于邊緣角度的YBR，空間顏色分布曲線出現(xiàn)波谷；圖案化結(jié)構(gòu)破壞出光界面全反射后，黃光受全反射的影響較藍(lán)光大，出射概率的提高量大于藍(lán)光，中心角度的YBR形成的波谷逐漸平緩；當(dāng)α為45°時，厚度的增加使中心角度的YBR逐漸逼近邊緣角度的YBR, 此時，當(dāng)熒光粉厚度為0.07 mm，空間顏色均勻性為85.3%，相對于傳統(tǒng)平面封裝LED光源有所提高.

由圖4可知：對于方法2，當(dāng)熒光粉厚度為0.07，0.10 mm時,顏色分布曲線表現(xiàn)出類似于平面封裝的變好趨勢.當(dāng)熒光粉厚度為0.15 mm時，顏色分布曲線出現(xiàn)明顯的波峰波谷，加上圖案化結(jié)構(gòu)以后，波峰和波谷均在逐漸的削弱；當(dāng)厚度為0.07 mm，α為45°時，顏色均勻性為83.1%，比無圖案化結(jié)構(gòu)優(yōu)化7.62%.

由此可知：加圖案化結(jié)構(gòu)的空間均勻性均高于無圖案化結(jié)構(gòu)，帶反光杯陣列結(jié)構(gòu)的空間均勻性高于平面封裝結(jié)構(gòu).對于傳統(tǒng)平面封裝光源，顏色均勻性最大優(yōu)化幅度為9.1%；而平面封裝結(jié)構(gòu)中，當(dāng)熒光粉層厚度為0.15 mm，α為45°時，顏色均勻性相對于傳統(tǒng)平面封裝光源優(yōu)化幅度最大為11.1%.對于帶反光杯陣列光源結(jié)構(gòu)，顏色均勻性變化幅度為7.1%；加圖案化結(jié)構(gòu)后，熒光粉層厚度為0.15 mm，α為45°的情況下，最大變化幅度為7.62%.因此，相對于改變熒光粉層厚度參數(shù)，使用圖案化結(jié)構(gòu)封裝能更大程度地優(yōu)化LED光源的空間顏色分布.

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°圖3 熒光粉厚度變化對光源顏色分布的影響(方法1)Fig.3 Influence of phosphor thickness on distribution of light source color (method 1)

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°圖4 熒光粉厚度變化對光源顏色分布的影響(方法2)Fig.4 Influence of phosphor thickness on distribution of light source color (method 2)

2.2.2 熒光粉體積比 熒光粉體積比變化對不同圖案化結(jié)構(gòu)光源空間顏色均勻性的影響，如圖5，6所示.熒光粉體積比增加對空間顏色均勻性的改善作用與熒光粉的厚度增加的影響基本一致.

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°圖5 熒光粉體積比變化對光源顏色分布的影響(方法1)Fig.5 Influence of phosphor volume ratio on distribution of light source color (method 1)

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°圖6 熒光粉體積比變化對光源顏色分布的影響(方法2) Fig.6 Influence of phosphor volume ratio on distribution of light source color (method 2)

由圖5可知：當(dāng)熒光粉的厚度為0.15 mm，α為45°時，不同體積比熒光粉封裝的顏色均勻性分別為82.6%，76.4%，74.8%；對于帶反光杯基板加圖案化結(jié)構(gòu)光源，當(dāng)α為45°時，不同體積比下的顏色均勻性分別為82.1%，79.8%，74.6%，此時的空間顏色均勻性均高于其他角度的封裝結(jié)構(gòu).在上述熒光粉體積比變化范圍內(nèi)，平面圖案化封裝結(jié)構(gòu)情況下，顏色均勻性可提高8.4%；當(dāng)體積比為2.30%，α為45°時，圖案化結(jié)構(gòu)可使空間顏色分布最大提高10.4%.

由圖6可知：上述體積比變化范圍內(nèi)的空間顏色均勻性提高7.8%；當(dāng)體積比為2.30%，α為45°時，顏色均勻性提高5.3%.因此，優(yōu)化熒光粉的參數(shù)也可以提高LED光源的空間顏色均勻性.

總之，在厚度或者體積比參數(shù)中任選一個進(jìn)行優(yōu)化，均可在一定程度上改善LED產(chǎn)品的顏色均勻性.采用優(yōu)化的圖案化結(jié)構(gòu)參數(shù)，空間顏色均勻性可以得到更大地提高.

3 結(jié)束語

通過仿真分析，分別討論在平面基板和帶反光杯陣列封裝基板上加倒錐形圖案化結(jié)構(gòu)的新型封裝結(jié)構(gòu)，保形涂覆熒光粉層體積比和厚度發(fā)生變化，對出光效率和空間顏色分布的影響.由仿真結(jié)果可知，基板加圖案化結(jié)構(gòu)光源出光效率均高于不加圖案化的結(jié)構(gòu).在厚度或者體積比參數(shù)中任選一個進(jìn)行優(yōu)化，而優(yōu)化圖案化結(jié)構(gòu)使空間顏色均勻性更明顯提高.熒光粉體積比和厚度較大時，圖案化結(jié)構(gòu)對光源的空間顏色分布的作用更明顯.圖案化結(jié)構(gòu)基板封裝將有利于提高光源出光效率和空間顏色一致性，弱化熒光粉涂層生產(chǎn)工藝的誤差對顏色分布的影響，提高LED封裝產(chǎn)品的光色性能，從而降低生產(chǎn)過程中的成本.

[1] KIM J K,LUO H,SCHUBERT E F,etal.Strongly enhanced phosphor efficiency in GaInN white light-emitting diodes using remote phosphor configuration and diffuse reflector cup[J].Japanese Journal of Applied Physics,2005,44(21):L649-L651.

[2] 劉志彬,錢可元,羅毅,等.熒光粉層形狀對白光LED空間色溫均勻性的影響[J].半導(dǎo)體光電,2012,33(5):651-656.

[3] LI Zongtao,WANG Qinghui,TANG Yong,etal.Light extraction improvement for LED COB devices by introducing a patterned leadframe substrate configuration[J].Transactions on Electron Devices,2013,60(4):1397-1403.

[4] WU Dan,WANG Kai,LIU Sheng.Enhancement of light extraction efficiency of multi-chips light-emitting diode array packaging with various microstructure arrays[C]∥61st Electronic Components and Technology Conference.Florida:IEEE Press,2011:242-245.

[5] SOMMER C,HARTMANN P,PACHLER P,etal.A detailed study on the requirements for angular homogeneity of phosphor converted high power white LED light sources[J].Optical Materials,2009,31(6):837-848.

[6] SOMMER C,WENZL F P,HARTMANN P,etal.Tailoring of the color conversion elements in phosphor-converted high-power LEDs by optical simulations[J].Photonics Technology Letters,2008,20(9):739-741.

[7] LIU Zongyuan,WANG Kai,LUO Xiaobing,etal.Precise optical modeling of blue light-emitting diodes by Monte Carlo ray-tracing[J].Optics Express,2010,18(9):9398-9412.

[8] LIU Zongyuan,LIU Sheng,WANG Kai,etal.Studies on optical consistency of white LEDs affected by phosphor thickness and concentration using optical simulation[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,2010,33(4):680-687.

[9] ZHENG Huai,FU Xing,HU Run,etal.Angular color uniformity improvement for phosphor-converted white light-emitting diodes by optimizing remote coating phosphor geometry[C]∥13th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging.Guilin：IEEE Press,2012:1483-1486.

[10] 張清梅,朱大慶.圖案化基板對集成封裝LED的光色品質(zhì)的影響[J].發(fā)光學(xué)報,2014,35(10):1276-1282.

[11] LIU Zongyuan,LIU Sheng,WANG Kai,etal.Optical analysis of phosphor′s location for high-power light-emitting diodes[J].Device and Materials Reliability,2009,9(1):65-73.

[12] 趙敏,張萬生.白光LED色溫漂移的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù),2010,35(9):214-218.

(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 吳逢鐵)

InfluenceofPhosphorCoatingLayertoOpticalPerformanceofLEDWithPatternedBoard

ZHANG Qingmei1,2, ZHU Daqing1,2, ZOU Huaiyuan1,2

(1. College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. Fujian Provincial Key Laboratory of Light Propagation and Transformation, Xiamen 361021, China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201503026

2015-03-24

朱大慶(1966-)，男，副教授，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、LED照明技術(shù)的研究.E-mail:zhudaqing@hqu.edu.cn.

華僑大學(xué)高層次人才科研啟動項(xiàng)目(09BS103); 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2014202)

TN 312.8

A

1000-5013(2017)05-0687-06