夏正浩，張 康，羅明浩，俞理云

1.中山市光圣半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司，廣東 中山 528421；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

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大功率白光LED燈珠色溫變化特性研究*

夏正浩1，張 康2，羅明浩1，俞理云1

1.中山市光圣半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司，廣東 中山 528421；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

研究了配粉膠、填充膠、光參數(shù)測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法，對(duì)大功率仿流明式LED燈珠的色溫參數(shù)變化的影響．研究結(jié)果表明：高折射率配粉膠可有效地提高LED燈珠的光通量，但產(chǎn)品色度穩(wěn)定性較差；低折射率配粉膠的燈珠的光通量低，產(chǎn)品色度穩(wěn)定性高；填充膠的折射率對(duì)燈珠的色溫變化影響較小，同時(shí)燈珠的光通量受填充膠折射率的影響亦較?。?/p>

LED；硅膠折射率；色溫

發(fā)光二極管(LED)作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，具有節(jié)能、壽命長、無污染等優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的照明光源[1]．隨著技術(shù)水平的提升，產(chǎn)業(yè)化大功率LED的最大光視效能已達(dá)200 lm/W，產(chǎn)品的性價(jià)比大幅提高，大功率LED即將取代白熾燈和熒光燈而成為市場(chǎng)主流的光源產(chǎn)品．目前，仿流明式封裝作為一種低熱阻高光效的大功率LED封裝形式，占國內(nèi)1 W大功率LED燈珠市場(chǎng)較高的份額，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 大功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high power LED packaging

仿流明式封裝是在反光杯內(nèi)芯片上覆熒光粉及膠水混合物，蓋透鏡后再灌封填充膠的一種制造工藝．LED芯片通電發(fā)射藍(lán)光，藍(lán)光激發(fā)熒光粉生成黃光與芯片發(fā)射的部分藍(lán)光混合生成白光，光由芯片發(fā)射經(jīng)熒光粉膠、填充膠及透鏡后出射．

仿流明式封裝的1 W大功率LED在使用過程中，光向外發(fā)射時(shí)會(huì)有一定損失，主要包括芯片內(nèi)部缺陷及封裝材料的吸收、出射界面的折射率差引起的反射損失、入射角大于全反射臨界角引起的全反射損失[2]．由于氮化鎵(GaN)材料的折射率高達(dá)2.4，光從芯片直接出射至空氣中，其全反射臨界角僅為24.6 °，僅有少數(shù)光子能從材料中逃逸，大部分光子被材料吸收．因此，采用折射率處于空氣和GaN之間的硅膠材料進(jìn)行填充，不僅可以保護(hù)芯片釋放應(yīng)力，同時(shí)作為一種良好的光提取材料，其還能提高出光效率[3-4]、加強(qiáng)散熱、降低芯片結(jié)溫、提高LED壽命．為提高LED器件的出光效率，一般采用高折射率、高透光率的封裝材料[5]，但高折射率硅膠一般為苯基功能團(tuán)，相比低折射率的甲基功能團(tuán)性能穩(wěn)定性略差[6]．目前大部分的文獻(xiàn)報(bào)道的是如何提高硅膠折射率從而提高器件出光效率，而在硅膠折射率對(duì)出光效率穩(wěn)定性方面影響的研究較少．

本文主要對(duì)配粉膠、填充膠、光參數(shù)測(cè)試設(shè)備及點(diǎn)亮?xí)r間，對(duì)大功率仿流明式LED燈珠的色溫參數(shù)變化的影響進(jìn)行了研究．詳細(xì)分析了配粉膠的折射率、填充膠的折射率、光參數(shù)測(cè)試儀積分球的大小及脈沖通電和連續(xù)點(diǎn)亮兩種方式，對(duì)燈珠的色溫漂移及光通量的影響．同時(shí)，提出對(duì)有色溫穩(wěn)定性要求的產(chǎn)品可采用的膠水優(yōu)化方案．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

大功率LED藍(lán)光芯片為臺(tái)灣新世紀(jì)光電生產(chǎn)的XSJ30，芯片主要參數(shù)列于表1．LED芯片固晶膠采用日本京瓷CT285，熒光粉采用北有研公司生產(chǎn)的Y44黃色熒光粉，焊接線采用線徑為25 μm的金線，支架采用仿流明式大功率LED銅支架，熒光粉配粉膠采用道康寧6550、道康寧6370及卡夫特5506J三種硅膠，填充膠采用道康寧6550、道康寧6370、卡夫特5505H及卡夫特5510四種硅膠，上述硅膠材料的相關(guān)參數(shù)列于表2．

表1 藍(lán)光LED芯片主要參數(shù)

表2 硅膠折射率

1.2 方 法

實(shí)驗(yàn)選取5組樣品進(jìn)行對(duì)比，每組選取10個(gè)試樣，分別采用高低折射率的配粉膠和高低折射率的填充膠進(jìn)行搭配，第1組為配粉膠6550搭配填充膠6550、第2組為配粉膠6550搭配填充膠5505H、第3組為配粉膠6370搭配填充膠5510、第4組為配粉膠6370搭配填充膠6370、第5組為配粉膠6370搭配填充膠5505H．

LED燈珠光電測(cè)試設(shè)備分別為積分球直徑0.2 m的LED光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱小球)和積分球直徑1.5 m的LED光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱大球)．使用積分球直徑為0.2 m和1.5 m的LED光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀測(cè)試樣品的光電參數(shù)時(shí)，每組測(cè)試結(jié)果采用去掉最高值及最低值后所剩8組數(shù)值取平均數(shù)的方法，得到該組實(shí)驗(yàn)樣品的數(shù)據(jù)．其中，在使用積分球直徑為1.5 m的LED光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，燈珠焊接在鋁基板上進(jìn)行點(diǎn)亮測(cè)試，通過鋁基板為測(cè)試器件進(jìn)行有效散熱．實(shí)驗(yàn)采用統(tǒng)一的封裝工藝進(jìn)行固晶、焊線，采用同種工藝進(jìn)行不同配粉膠點(diǎn)膠和填充膠灌封，后續(xù)烘烤等封裝工藝采用硅膠廠推薦的工藝．

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試設(shè)備對(duì)LED器件色溫的影響分析

表3為用大小積分球測(cè)試的LED器件色溫及光通量參數(shù)．

表3 大小積分球測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表3可知：采用折射率為1.54的6550配粉膠的二組樣品，其大小球測(cè)試色溫差分別達(dá)385 K和550 K；采用折射率為1.41的6370配粉膠的三組樣品，其大小球測(cè)試色溫差僅為15 K，100 K和40 K．相比低折射率的配粉膠，高折射率的配粉膠色溫變化大，已完全偏離LED產(chǎn)品的同一檔位的色溫區(qū)間，而低折射率的配粉膠產(chǎn)品色溫變化小，處于同一色溫檔位區(qū)間，表明色溫變化僅與配粉膠的折射率相關(guān)，不同折射率的填充膠基本不影響樣品的色溫．由表3還可知：采用折射率為1.54的6550配粉膠的二組樣品，其大小球測(cè)試光通量差分別為0.3 lm和2.8 lm；采用折射率為1.41的6370配粉膠的三組樣品，其大小球測(cè)試光通量差為-5.6 lm，3.4 lm和-2.3 lm．結(jié)果顯示，五組樣品大小球測(cè)試的光通量變化均較小，說明積分球尺寸對(duì)樣品光通量測(cè)試結(jié)果影響小．在光通量測(cè)試中，高折射率配粉膠的樣品光通量為110 lm左右，而低折射率配粉膠的樣品光通量僅為90 lm左右，可見較高折射率的配粉膠有利于LED芯片的光提取，從而增加了LED的光通量．

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用高折射率配粉膠在不同積分球內(nèi)測(cè)量的色溫參數(shù)存在較大的差異，而采用低折射率配粉膠制作的樣品差異較?。@是由于不同折射率配粉膠制作的器件在同一個(gè)積分球內(nèi)測(cè)量時(shí)，雖然色溫一致但其在不同光束角的光譜分布并不相同，當(dāng)換成不同體積積分球再次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其色溫值就會(huì)產(chǎn)生差別．

LED芯片作為一種朗伯光源，其出光光強(qiáng)等于垂直方向上發(fā)光強(qiáng)度乘以方向角余弦，芯片發(fā)出的藍(lán)光光強(qiáng)隨著角度增大而減弱(圖2)．在全反射角內(nèi)，相比低折射率配粉膠，高折射率配粉膠光源的藍(lán)光中心的光強(qiáng)與邊緣的相差較大，而LED中的黃光是由藍(lán)光激發(fā)熒光粉獲得，熒光粉的激發(fā)機(jī)制決定了黃光的角度分布差異弱于藍(lán)光．在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)試要求，光源按照正對(duì)積分球擋板的位置放置，射向

擋板的光線在被探測(cè)器接收前經(jīng)歷了多次反射，由于積分球內(nèi)涂層反射率僅為95%，多次反射后會(huì)出現(xiàn)較大的光衰減，因此呈不均勻分布的藍(lán)光受擋板影響較大．相比小積分球測(cè)試，由于大積分球的擋板面積S與光源擋板間距d的比值較小，被擋板反射的藍(lán)光少，探頭接收到更多的藍(lán)光，從而提高了信號(hào)的藍(lán)黃比，因此采用大積分球測(cè)試樣品的色溫會(huì)偏高．由于高折射率配粉膠樣品的藍(lán)光更集中于中心部分，因此在采用大小積分球測(cè)試高折射率配粉膠樣品時(shí)，探頭接收的藍(lán)光相差更多，接收信號(hào)的藍(lán)黃比變化更大，樣品的測(cè)試色溫升高幅度也更大．

圖2 不同折射率配粉膠的芯片全反射角內(nèi)光強(qiáng)分布Fig.2 The chip light intensity distribution in alinternal reflection angle of different refractive index powder

2.2 測(cè)試方法對(duì)LED器件色溫的影響分析

表4為采用脈沖測(cè)試及點(diǎn)亮4 min后大積分球測(cè)試的LED器件色溫及光通量參數(shù)．由表4可知，折射率為1.54的6550配粉膠的2組樣品的測(cè)試色溫差分別達(dá)355 K和425 K，而折射率為1.41的6370配粉膠的3組樣品的測(cè)試色溫差僅為-160 K，-155 K和-100 K．相比低折射率的配粉膠，高折射率的配粉膠色溫變化較大，偏離了LED的同一檔位的色溫區(qū)間，而低折射率的配粉膠產(chǎn)品色溫變化較小，基本處于同一檔位．這是由于高折射率硅膠的苯基功能團(tuán)溫度穩(wěn)定性較差[6]，點(diǎn)亮后隨著LED芯片溫度的升高，硅膠的穩(wěn)定性變差，從而影響到色溫的變化．由表4還可知，當(dāng)采用不同的測(cè)試方法測(cè)試時(shí)，折射率為1.54的6550配粉膠的2組樣品的光通量差分別為-6.5 lm和-4.8 lm，而折射率為1.41的6370配粉膠的3組樣品的光通量差分別為-3.7 lm，-7.8 lm和-1.8 lm．這是由于在點(diǎn)亮過程中，LED芯片發(fā)熱引起LED芯片出光效率降低及熒光粉轉(zhuǎn)換效率變低，從而導(dǎo)致LED器件的光通量減少．

表4 脈沖測(cè)試及點(diǎn)亮4 min測(cè)試對(duì)比

綜合所述，采用高折射率配粉膠的LED器件，其色溫測(cè)試結(jié)果受測(cè)試設(shè)備的積分球大小影響較大，色溫會(huì)偏離出原始檔位區(qū)間；低折射率配粉膠的LED器件，其色溫測(cè)試結(jié)果受積分球大小影響較小，色溫仍處于同一檔位區(qū)間．同時(shí)，由于高折射率配粉膠的溫度穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致LED器件的色溫測(cè)試結(jié)果受點(diǎn)亮?xí)r間的影響也較為明顯，點(diǎn)亮4 min后色溫亦偏離出原始檔位區(qū)間；低折射率配粉膠的LED器件，其色溫測(cè)試結(jié)果受點(diǎn)亮?xí)r間影響較?。谝陨蠝y(cè)試條件下，填充膠的折射率基本不影響LED的色溫．同時(shí)，由于高折射率配粉膠可提高芯片的光提取效率，從而有效地提高了LED的光通量．可以認(rèn)為：在對(duì)色溫敏感的使用環(huán)境中，應(yīng)選用低折射率(折射率約1.4)的配粉膠，其可提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性；在對(duì)有高光通量要求的使用環(huán)境中，選用折射率較高(折射率在1.5以上)的配粉膠更優(yōu)．

3 結(jié) 論

選用高折射率配粉膠在不同設(shè)備、測(cè)試條件下，色溫測(cè)定結(jié)果偏差大，且點(diǎn)亮4 min后色溫漂移較大，而低折射率配粉膠的結(jié)果反之．填充膠的折射率對(duì)燈珠的色溫變化影響較小，燈珠的光通量受填充膠折射率的影響也小．高折射率配粉膠可有效地提高LED燈珠光通量，在對(duì)光通量要求不高但對(duì)色溫穩(wěn)定性有特殊要求的使用環(huán)境中，為減小白光LED燈珠的色溫漂移，宜采用折射率約為1.4的膠水做配粉膠．

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Color temperature properties of high power white light-emitting diodes

XIA Zhenghao1，ZHANG Kang2，LUO Minghao1，YU Liyun1

1.ZhongshanGreatshineSemiconductorTechnologyCo.，LTD.，Zhongshan528421，China；2.GuangdongGeneralResearchInstituteofIndustrialTechnology(GuangzhouResearchInstituteofNonferrousMetals)，Guangzhou510650，China

The color temperature variation of high power white light-emitting diodes (LED) with phosphors silicone, filling adhesive, photoelectric tester and measurements has been investigated. The results show that the phosphors silicone with high refractive index has been improvedtheluminousfluxwithpoorercolorstability.Onthecontrary,thephosphorssiliconewithlowrefractiveindexhasloweredluminousfluxandbettercolorstability.Ithasnothingofthefillingadhesiverefractiveindexoncolortemperatureandluminousfluxhasbeenfound.

light-emitting diodes (LED)； refractive index of silicone；color temperature

2014-12-25

廣東省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013B011201368)；中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B3FC0017)

夏正浩(1985-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，碩士.

1673-9981(2015)02-0097-05

TN364.2

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