基于全藍(lán)光芯片和熒光粉分區(qū)涂覆的高顯色指數(shù)色域可調(diào)COB LED 光源

劉建平，李炳乾*，溫作杰，張榮榮，蔣新國，夏正浩，馮振聰

（1. 五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 中山市光圣半導(dǎo)體科技有限公司，廣東 中山 528421；3. 中山市木林森電子有限公司，廣東 中山 528421）

1 引 言

近年來，發(fā)光二極管（LED）因其節(jié)能、高效、壽命長、穩(wěn)定性好以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，在照明與顯 示 領(lǐng) 域 得 到 了 廣 泛 應(yīng) 用［1］。COB（Chip on board）封裝是直接將LED 芯片固定到金屬基或陶瓷基等具有高導(dǎo)熱性能的電路板上，實(shí)現(xiàn)高密度集成封裝［2-4］。這種封裝方式可以將大量芯片封裝在電路板上，從而縮小了LED 光源的體積，提高了光通量，增加了LED 的可靠性以及光源光色的一致性［5-9］，非常適合小尺寸且對光源有著較高要求的照明環(huán)境。

COB 光源的發(fā)展到目前為止經(jīng)歷了幾個階段的更新迭代。在提高發(fā)光效率階段，一方面是提升芯片自身的出光率，另一方面是改善封裝工藝。李炳乾等人在金屬基板表面直接制作反光杯并安裝光學(xué)透鏡，芯片發(fā)出的光通過反光杯反射，熱量直接導(dǎo)到基板，有效提高了器件的出光效率［10］。李蕾等人通過優(yōu)化芯片排布，提高了器件的電熱轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提升了COB 光源的出光效率和光色均勻性［11］。在提高光質(zhì)階段，李博超等人采用遠(yuǎn)程熒光封裝方式，選擇了色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等重要參數(shù)對燈具進(jìn)行了測試與分析，為優(yōu)質(zhì)LED 照明提供了更客觀的綜合評價［12］。在色溫可調(diào)階段，諶江波等人提出用暖白、紅、青、藍(lán)光4種LED 光源混光，采用PWM 調(diào)光技術(shù)得到了超高顯色指數(shù)和色溫可調(diào)的LED 白光光源［13］。殷錄橋等人通過計(jì)算出RGB 三基色光源不同亮度、不同色溫下的光通量配比數(shù)據(jù)，控制電路根據(jù)不同亮度、不同色溫對應(yīng)的數(shù)據(jù)控制每路光源的電流，實(shí)現(xiàn)不同的色溫［14-16］。在色域可調(diào)階段，馬瑞青通過調(diào)整RGB-LED 光源紅、綠、藍(lán)三色芯片的發(fā)光強(qiáng)度來合成任意色度的光源，但顯色指數(shù)相對較低［17-18］。高衛(wèi)東等人在傳統(tǒng)三基色混合光源的基礎(chǔ)上通過增加青色和黃色光源合成了五基色LED 光源，光色域范圍廣且提升了人眼的觀看舒適度［19］。傳統(tǒng)的三基色光源由紅綠藍(lán)芯片構(gòu)成，三者所采用的的材料成分不同，這就造成了各自光衰、溫度特性不同，使用久了性能方面會出現(xiàn)問題，同時還存在三色的發(fā)射峰較窄、光譜不夠連續(xù)、顯色指數(shù)較低的缺點(diǎn)。而五基色光源也存在芯片光衰不同且5 路電路驅(qū)動3 種芯片導(dǎo)致工藝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的缺點(diǎn)。

本文以智能調(diào)光、智能照明為出發(fā)點(diǎn)，在傳統(tǒng)COB 光源的制作工藝中采用前沿的熒光粉涂覆技術(shù)并提出創(chuàng)新性的思維方式，基于倒裝COB封裝對藍(lán)光芯片表面采用分區(qū)涂覆混合熒光粉的方式，設(shè)計(jì)并制作了一款在3 000～6 000 K 連續(xù)色溫下，顯色指數(shù)高于72，光通量可以達(dá)到5 17l m以上色域可調(diào)的LED 光源，滿足了光譜較為連續(xù)且顯色指數(shù)較高的要求，在三基色可調(diào)色域光源的商業(yè)照明領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的意義。

2 設(shè)計(jì)思路及樣品制作

2.1 設(shè)計(jì)背景

現(xiàn)有的多色COB 光源裝置在基板上設(shè)置有多個紅綠藍(lán)LED 芯片，再用透光罩對各個芯片封裝，通過調(diào)節(jié)三基色芯片的發(fā)光配比得到不同的混光顏色。但是，3 種基色芯片所用到的是兩個材料體系，藍(lán)、綠基色芯片用的是氮化鎵體系（里邊的材料組分不一樣），紅基色芯片用的是砷化鎵體系，這就造成了芯片各自的光衰和溫度特性不同，使用久了性能容易出現(xiàn)問題，并且各自的發(fā)射光譜較窄，混合之后白光光譜不夠連續(xù)，且顯色指數(shù)不高。采用全藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉的方式不僅解決了光衰問題，而且還擁有光譜連續(xù)、顯色指數(shù)較高的優(yōu)點(diǎn)。此外，藍(lán)光芯片相較于其余兩種芯片，成本低且熒光粉的價格不貴，是一個比較好的組合，關(guān)鍵的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)在微小尺寸的LED 芯片表面涂覆均勻的熒光粉。中山市光圣半導(dǎo)體科技有限公司擁有這種涂覆設(shè)備，相比于點(diǎn)粉、絲網(wǎng)印刷等涂覆熒光粉工藝，噴粉技術(shù)能夠解決熒光粉沉淀產(chǎn)生的斯托克斯效應(yīng)，極大程度上避免了色坐標(biāo)偏移，從而解決了技術(shù)難點(diǎn)，使技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)得到實(shí)踐認(rèn)證。

2.2 設(shè)計(jì)思路

首先將藍(lán)光芯片平均分為3 組并做好標(biāo)記，對第一組的芯片表面均噴涂混合的紅色熒光膠，第三組均噴涂混合的綠色熒光膠，第二組藍(lán)光芯片不噴涂，藍(lán)光夾在紅、綠光中間能夠減少芯片激發(fā)不同種類熒光粉所帶來的影響。然后，填充封裝硅膠保護(hù)所有芯片。最后，采用驅(qū)動電源對每一條電路上的芯片分別提供驅(qū)動電流，三基色LED 光源每條獨(dú)立電路發(fā)出的藍(lán)光、綠光以及紅光的強(qiáng)度會隨著驅(qū)動電流的改變而發(fā)生變化，這樣光源就能夠?qū)崿F(xiàn)色域可調(diào)、任意變色。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 COB LED 電路連接示意圖Fig.1 COB LED circuit connection diagram

該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：選材方面，由于熒光粉的發(fā)射光譜較寬，所以通過調(diào)節(jié)熒光粉的配比，即在高顯色指數(shù)、高光效白光的配比基礎(chǔ)上加入紅、綠粉的成分，分別配制成紅、綠色熒光膠，則光源發(fā)光時任何顏色都包含了相當(dāng)多的其他光譜成分，光譜足夠連續(xù)且顯色指數(shù)較高。封裝方面，由于倒裝工藝不需要金線，直接將倒裝芯片固裝在基板上，熱量不必經(jīng)過芯片的藍(lán)寶石襯底，導(dǎo)熱更快，同時避免了因金線虛焊或接觸不良等因素引起的光源失效問題，提高了良率。制作工藝方面，用噴粉工藝替代傳統(tǒng)的點(diǎn)膠工藝，實(shí)現(xiàn)了在微小尺寸芯片表面完成熒光粉定域、定量的涂覆，能夠精確控制光源的色度。

2.3 樣品制作

LED 光源采用倒裝COB 封裝方式，封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。中間部分由下向上依次為基板、芯片、熒光粉涂層和封裝膠，左右兩邊則包含有絕緣層、銅箔。

圖2 COB 封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of COB package structure

采用邊長為19 mm 的高導(dǎo)熱率正方形超導(dǎo)鋁基板，發(fā)光面是直徑為17 mm 的圓形。芯片采用尺寸大小為0.35 mm×0.76 mm、發(fā)光的峰值波長為447 nm、單顆功率為0.5 W 的倒裝GaN 藍(lán)光芯片并采用12 串3 并的電路結(jié)構(gòu)方式將其連接起來。制作實(shí)驗(yàn)樣品時，依次經(jīng)過固晶、噴粉、圍壩和填膠等工藝將芯片固定在基板上完成電氣互連。具體工藝流程為：首先將藍(lán)光芯片固定在超導(dǎo)鋁基板上（底部帶有設(shè)置好的線路），使用噴粉機(jī)在芯片表面噴涂不同顏色的混合熒光粉，再用圍壩機(jī)進(jìn)行點(diǎn)圈圍壩，然后將封裝膠點(diǎn)涂在圍壩圈內(nèi)控制膠面呈平面裝或微向內(nèi)凹，最后進(jìn)行固化。

使用江蘇博睿光電有限公司型號為GM525M 3的YAG 黃綠色熒光粉、BG547D 硅酸鹽綠色熒光粉以及RH639 氟化物紅色熒光粉，在525 nm 中添加547 nm 綠粉，補(bǔ)充了綠色波段的光譜。因?yàn)楣庾V中紅光波段缺陷較大，所以使用發(fā)光效率較高的峰值波長為639 nm 的紅色熒光粉，補(bǔ)充LED中的紅光，使光譜的紅光波段更為平滑，有效提高了顯色指數(shù)，3 種熒光粉的光譜曲線如圖3 所示。封裝膠使用高透光性和熱穩(wěn)定性的有機(jī)硅膠：A 膠和B 膠。使用深圳市金迪電子材料有限公司的稀釋劑M-001，其作用是稀釋有機(jī)硅膠，把黏度降到最低從而使熒光膠在噴涂時能夠更好地霧化，而在一定溫度烘烤后稀釋劑會完全揮發(fā)。

圖3 熒光粉光譜曲線Fig.3 Spectral curves of phosphor

通過調(diào)節(jié)熒光粉的配比及噴涂時所使用的膠量來決定LED 光源分別發(fā)出紅綠藍(lán)光時的靶點(diǎn)。混合紅色熒光膠的配比為稀釋劑∶封裝A 膠∶封裝B 膠∶525 黃綠粉∶639 紅粉=6∶1∶1∶0.27∶5，混合綠色熒光膠的配比為稀釋劑：封裝A 膠∶封裝B 膠∶525 黃綠粉∶639 紅粉∶547 綠粉=6∶1∶1∶0.27∶0.008∶5.5。在噴涂熒光膠的過程中，通過在光譜測試儀上觀察點(diǎn)亮單色光時的靶點(diǎn)位置，并以此為依據(jù)控制單次噴粉量和噴涂次數(shù)。該過程只需要噴紅綠兩種顏色的熒光膠，因?yàn)樾酒陨戆l(fā)出的是藍(lán)光，激發(fā)兩種顏色的熒光膠產(chǎn)生紅綠光，三者自然而然組合成了三基色。噴粉完成后，放入150 ℃烘烤箱內(nèi)烘烤2 h 使熒光膠固化，完成實(shí)驗(yàn)樣品制作。

3 結(jié)果分析

3.1 測量原理及方法

采用杭州星譜公司的SSP3112 型LED 光色電參數(shù)綜合測試儀測量COB 光源光電參數(shù)。該測試儀是一個內(nèi)部空的完整球殼，內(nèi)壁涂白色漫反射層，球內(nèi)放待測光源。光源發(fā)射并經(jīng)球面漫反射的一部分光線通過球壁上的窗口射到光探測器上，在光探測器前面裝濾光器，保證光探測器的測量值準(zhǔn)確并接近人眼視覺函數(shù)。由探測器將光信號轉(zhuǎn)化為光電流信號，經(jīng)過取樣、放大后，AD 轉(zhuǎn)換器將光電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入微處理器，再經(jīng)過計(jì)算和定校即可得到光通量值［20-21］。它的測試原理是光纖將收集到的光傳遞到光譜儀的衍射光柵上，衍射光柵將入射的白光按照波長分解，在光電轉(zhuǎn)換器上將能量按照波長的分布轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。測試儀直接測量到的參數(shù)僅是光能量隨波長的分布，然后在計(jì)算機(jī)中根據(jù)光度學(xué)和色度學(xué)基本原理，由光譜分布計(jì)算得到色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)等LED 光源的主要參數(shù)。

測試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)除了可以完成數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理之外，還可以控制LED 驅(qū)動電源的電流和供電電流脈沖的寬度。實(shí)驗(yàn)中樣品采用脈沖電流測試，電流值取COB 光源的典型工作電流100 mA，脈沖（曝光時間）持續(xù)30 ms。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 光色參數(shù)分析

在光譜儀上對樣品進(jìn)行點(diǎn)亮測試，測量參數(shù)包括色溫、色坐標(biāo)、光通量、顯色指數(shù)等。光源的電路結(jié)構(gòu)為12 串3 并，點(diǎn)亮每并芯片需要150 mA額定電流，設(shè)置總驅(qū)動電流為300 mA，改變各獨(dú)立支路的電流大小得到對應(yīng)的色溫。表1 為不同驅(qū)動電流下光源的各個光色參數(shù)。

表1 不同驅(qū)動電流下的光色參數(shù)Tab.1 Color parameters of different driving current

由表1 可知，c 組（藍(lán)光）電路電流為0 mA 時，光源的色溫最低為3 000 K，顯色指數(shù)為72.9；電流為30 mA 時，色溫為5 500 K，顯色指數(shù)為83.4。隨著a 組電流減小，b 組、c 組電路電流增加，紅光強(qiáng)度逐漸減小，綠、藍(lán)光強(qiáng)度逐漸增大，藍(lán)光光譜所占的比例增加，導(dǎo)致光源的色溫升高。

隨著c 組（藍(lán)光）電路的電流逐漸變大，光源的光通量隨之變大。造成這種現(xiàn)象的原因是藍(lán)光強(qiáng)度越來越高，熒光粉的光致激發(fā)效率變大，導(dǎo)致波長變短，輻射能量增強(qiáng)。

3.2.2 顯色指數(shù)分析

采用控制變量法，測試RGB 芯片光源在3 000～6 000 K 連續(xù)色溫下的顯色指數(shù)并與樣品光源的顯色指數(shù)進(jìn)行對比，各項(xiàng)數(shù)值如表2 所示。

表2 兩種RGB 在不同色溫下的顯色指數(shù)Tab.2 Color rendering index of the two RGB colors at different color temperatures

在3 000～6 000 K 連續(xù)范圍內(nèi)，任何一個色溫下樣品光源的顯色指數(shù)均高于RGB 芯片光源。其中5 000 K 時，樣品光源的顯色指數(shù)為83.4，而RGB 芯片光源顯色指數(shù)只有43.3。在均值方面，RGB 樣品光源顯色指數(shù)的均值為78.5，而RGB 芯片光源只有41.0。由于紅、綠熒光膠是在高顯色指數(shù)、高光效冷白光的配比基礎(chǔ)上添加639 nm 紅粉和547 nm 青綠粉，故光源在任何顏色、任何色溫下的顯色指數(shù)都較高。

選取樣品光源在連續(xù)色溫3 000～6 000 K 下的平均顯色指數(shù)Ra 和特殊顯色指數(shù)R9、R12，繪制了如圖4 所示的柱狀圖。其中平均顯色指數(shù)Ra 在任一色溫下均達(dá)到了72 以上；而特殊顯色指數(shù)R9 在任一色溫下都較小，在色溫4 000 K 時的值最低為2.4，而3 000 K 時也只有15.9；特殊顯色指 數(shù)R12 在3 000 K 時最低為75.5，在3 500 K 時最高為86.4。綜上所述，樣品光源的R9 較小，對物體紅色的還原能力較弱，但根據(jù)平均顯指Ra和特殊顯指R12，樣品光源還是能夠適應(yīng)較多的場景需求。

圖4 不同色溫下光源的顯色指數(shù)柱狀圖Fig.4 Histogram of color rendering index of light source at different color temperatures

為了進(jìn)一步佐證樣品光源相比于傳統(tǒng)三基色光源在照明領(lǐng)域的優(yōu)勢，對比分析了其他重要的光色參數(shù)。對樣品光源、RGB 芯片光源分別使用150 mA 電流點(diǎn)亮單色光時，在色度圖上紅、綠、藍(lán)光對應(yīng)的靶點(diǎn)以及圍成的色域圖如圖5所示。其中R1G1B1組成的三角形區(qū)域?yàn)闃悠饭庠吹纳驁D，R2G2B2組成的三角形區(qū)域?yàn)镽GB 芯片光源的色域圖。理論上三角形面積越大則表示色域范圍越大，但在實(shí)際使用中，需要保證其兼容性和良好的色彩管理，色域值并不是越大越好，還應(yīng)該兼顧色彩的控制，這樣才能夠發(fā)揮真正的效果。本文樣品光源的色域范圍沒有RGB芯片光源的色域范圍大，但在考慮了產(chǎn)品的兼容性的條件下達(dá)到了較好的色彩，在照明領(lǐng)域中足以滿足要求。此外，在樣品色域圖（R1G1B1組成的三角形區(qū)域）中可以看到，選取的表2 中7 個特定色溫下的色坐標(biāo)有6 組位于普朗克曲線上，其余一個也非?？拷€，進(jìn)一步證明樣品光源的顯色性較好、色彩保真度較高。

圖5 兩種RGB 光源的色域?qū)Ρ葓DFig.5 Color gamut of two RGB light sources

色溫都為5 000 K 時，兩種RGB 光源的光譜圖如圖6 所示。從整體來看，RGB芯片光源的光譜只有3個突兀的峰，而樣品光源的光譜較為連續(xù)。在480 nm 附近，三基色芯片光譜強(qiáng)度最低只有0.05 左右，而樣品光源光譜強(qiáng)度最低為0.25，比前者高出了0.2；三基色光源光譜強(qiáng)度在680 nm后趨于0，而樣品光源光譜強(qiáng)度在760 nm 后才逐漸趨于0。也就是說，樣品光源光譜整體的連續(xù)性優(yōu)于RGB 芯片光源。

圖6 色溫為5 000 K 時兩種RGB 光譜對比圖Fig.6 Comparison of two RGB spectra at 5 000 K color temperature

4 結(jié) 論

色域可調(diào)階段是LED 光源發(fā)展至今一個重要的階段，傳統(tǒng)的RGB 芯片光源已滿足不了高品質(zhì)生活的需求，使用COB 封裝的LED 光源實(shí)現(xiàn)色域可調(diào)目前還未有過報(bào)道。本文以智能照明、智能調(diào)光為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了一款基于全藍(lán)光芯片和熒光粉分區(qū)涂覆的高顯色指數(shù)、色域可調(diào)的COB LED 光源，通過改變3 條支路的電流，實(shí)現(xiàn)了色域可調(diào)。在3 000～6 000 K 連續(xù)色溫下，樣品光源的顯色指數(shù)最低是72.9，最高為83.4，同時色彩保真度較好，光譜足夠連續(xù)，非常適用于對光源尺寸有著嚴(yán)格要求的商業(yè)照明領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的RGB 光源，樣品光源具備低成本、應(yīng)用廣等優(yōu)勢，能夠與商業(yè)化相結(jié)合，有著良好的應(yīng)用前景。