沈亞鋒

（廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門(mén) 361006）

采用玻璃基板提升COB LED取光率的研究*

沈亞鋒

（廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門(mén) 361006）

采用Lighttools仿真軟件對(duì)熒光粉散射特性進(jìn)行理論分析，提出透光率≥95%的平面高硼硅玻璃作為COB基板。結(jié)果顯示，在常見(jiàn)的熒光粉粒徑大小與濃度下，熒光粉反向散射可達(dá)29%。采用高透光玻璃作為基材，增加了熒光粉反向散射光線(xiàn)的利用率，并制作了雙面發(fā)光的高取光率長(zhǎng)條形COB LED并表征其性能參數(shù)與可靠性試驗(yàn)。該暖白光3000 K COB LED具有180 lm/W高光效，發(fā)光角度大于250°，色容差小于5 SCDM，可靠性好。與陶瓷基板、鋁基板的COB LED結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)可提高取光率約15%，有潛力用于大功率LED封裝應(yīng)用。

高取光率；玻璃基板；熒光粉；散射仿真；COB LED

1　引言

眾所周知，由于LED所具有的低能耗、快速響應(yīng)、長(zhǎng)壽命、環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)點(diǎn)［1～3］，已經(jīng)使其成為新一代固態(tài)照明光源。

近年來(lái)，單芯片大功率LED已經(jīng)不能滿(mǎn)足通用照明、背光源、汽車(chē)照明燈方面［4］的應(yīng)用。因單芯片LED的總體尺寸限制了更大功率密度的集成，過(guò)多的導(dǎo)熱膠、基板、焊盤(pán)等影響了可靠性和穩(wěn)定性。因此，大功率多芯片COB LED孕育而生，并已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的趨勢(shì)［5～7］。COB封裝技術(shù)是將LED芯片直接貼裝于金屬基板PCB或陶瓷基板等［8］，這些基板可滿(mǎn)足更高的封裝密度、更好的熱穩(wěn)定性和更大的發(fā)光角度，但基板均不透明，如鋁基板，芯片裝架區(qū)制作了一層鏡面鋁或者銀反射層用于增大取光率，COB LED取光效率還比較低［9］。

2　熒光粉散射特性仿真分析

熒光粉為光致發(fā)光材料，對(duì)特定波段的光進(jìn)行吸收，經(jīng)下轉(zhuǎn)換過(guò)程發(fā)射出更長(zhǎng)波段的各種顏色光，是重要的LED封裝材料，其品質(zhì)的好壞直接影響整個(gè)LED 器件的光學(xué)性能。無(wú)論是陶瓷基板、鋁基板和玻璃基板，均需藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉混合白光。因此提高COB的取光率，首先要對(duì)熒光粉的散射特性進(jìn)行評(píng)估。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［9～10］。但是藍(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［11～12］。

本研究中由于考察的是熒光粉散射特性，所以模型只設(shè)置了一顆芯片，芯片尺寸為1 mm×1 mm×0.1 mm。一層熒光粉膠層（20 mm×20 mm×0.5 mm，尺寸大于芯片，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)550 nm，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% /2 mm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。上表面朗伯型發(fā)光，光線(xiàn)數(shù)量設(shè)置為1百萬(wàn)條。設(shè)置一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)接收器接收光線(xiàn)。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

考察比較典型的情況，即熒光粉粒徑為11 μm，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71%，反面能量比為29%，反面出的光線(xiàn)占總光線(xiàn)29%。

圖1　用于熒光粉散射特性研究模型示意圖

圖2　熒光粉粒徑11μm、濃度3×104個(gè)/mm3的熒光粉散射光分布曲線(xiàn)

3　暖白光長(zhǎng)條形玻璃基板COB的工藝流程、性能測(cè)試、可靠性評(píng)估

基于熒光粉散射仿真分析的結(jié)果顯示，熒光粉的反向散射是很突出的，反向散射相對(duì)能量為0.29，因此如果采用透明材料作為基板，可以很有效地利用這些反向散射光線(xiàn)。而玻璃基板具有透光率高、平整度高、輻射系數(shù)高、與芯片熱匹配等優(yōu)點(diǎn)。因此本研究采用透明平板玻璃作為基板，并創(chuàng)新地采用玻璃作為基材制作了雙面發(fā)光高取光率新結(jié)構(gòu)的COB LED，并制作了高光效、可產(chǎn)業(yè)化推廣的暖白光長(zhǎng)條形玻璃基板COB，測(cè)試其光色參數(shù)，并進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)。

3.1工藝流程

實(shí)驗(yàn)材料：8 mm×37.5 mm×0.5 mm的長(zhǎng)條形平板高硼硅玻璃（透光率≥95%）、鎵酸鹽綠粉、（SrCa）AlSiN3：Eu紅粉、硅膠、藍(lán)光芯片（0.35 mm× 0.7 mm， λp=455 nm～457 nm， Po＞35 mW）。導(dǎo)電銀漿，Ag重量百分比＞75%，西安宏星電子漿料。

儀器：透光率測(cè)試采用AvaSpec-ULS2048x64光譜儀（Avantes Co.， 美國(guó)），光色參數(shù)測(cè)試采用HAAS-2000（遠(yuǎn)方光電，中國(guó)），光強(qiáng)分布測(cè)試采用LED620（遠(yuǎn)方光電，中國(guó)）。

玻璃基板COB LED制作方法如下：

將24顆藍(lán)光芯片按串聯(lián)的陣列形式裝于玻璃基板表面，芯片和基板之間通過(guò)絕緣膠加熱固化后固定。采用金絲鍵合各個(gè)芯片與銀電極形成電路。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（W綠：W紅：W硅膠=1.15：0.22：5.5）點(diǎn)入基板背面內(nèi)，加熱固化。然后在基板正面點(diǎn)入熒光粉膠，調(diào)節(jié)色溫至3045 K檔，并固化。

按此方法，制作113只樣品。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。LED器件的實(shí)物照片如圖3（b）所示。制作流程如圖4所示。

圖3　暖白光長(zhǎng)條形玻璃基板COB結(jié)構(gòu)示意圖（a）和實(shí)物照片（b）

圖4　暖白光長(zhǎng)條形玻璃基板COB流程圖

3.2光色參數(shù)測(cè)試

由表1可知，玻璃基板COB LED的平均光效為187.27 lm/W，色容差＜6 SDCM，平均色溫2969 K，顯色指數(shù)Ra＞80。由表1與表2的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，玻璃基板COB LED光通量是陶瓷基板與鋁基板COB LED 光通量的約1.15倍，玻璃基板可有效提高取光率。目前國(guó)際COB LED一線(xiàn)廠商，如西鐵城COB LED的光效水平在130～150 lm/W［13］。本文的玻璃基板COB LED光電參數(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此外，玻璃基板COB LED的合格率達(dá)到92%以上，主要的不良是由于將玻璃拼板掰開(kāi)成單板過(guò)程中操作不當(dāng)導(dǎo)致破碎，當(dāng)工藝熟練后，合格率還可進(jìn)一步提高。因此，將陶瓷基板與鋁基板COB LED的點(diǎn)膠工藝直接用于玻璃基板COB的工藝流程方案是切實(shí)可行的。

3.3可靠性測(cè)試

隨著近年來(lái)LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性［14］越來(lái)越受到業(yè)界的重視，它是LED產(chǎn)品最重要的性能之一。LED可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

本研究對(duì)高低溫循環(huán)［15］、常溫電耐久［16］、高溫貯存［17］、低溫貯存［18］等開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以評(píng)估LED的可靠性，見(jiàn)表3。由表3可知，長(zhǎng)條形玻璃基板的可靠性基本符合應(yīng)用要求，具有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。

表1　20 mA直流下104條暖白光玻璃基板COB LED的光色參數(shù)

表2　20 mA直流下同樣方案2只陶瓷基板、鋁基板COB LED 的光色參數(shù)

表3　長(zhǎng)條玻璃基板COB可靠性測(cè)試（測(cè)試條件： IF=20 mA，VF≈69 V）

4　結(jié)論

通過(guò)Mie散射仿真研究表明在常見(jiàn)的熒光粉粒徑大小與濃度下，雙面發(fā)光的玻璃基板COB LED具有180 lm/W高光效，發(fā)光角度大于250°，色容差小于6 SCDM，與陶瓷COB LED結(jié)構(gòu)相比可提高取光率約15%，具有用于大功率LED封裝應(yīng)用的潛力，為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)業(yè)提供一條新的技術(shù)途徑。

［1］ Sun C， Moreno I， Chung S， et al. Brightness management in a direct LED backlight for LCD TVs［J］. Journal of the Society for Information Display， 2008， 16（4）：519-526.

［2］ Lai Y， Cordero N， Barthel F， et al. Liquid Cooling of Bright LEDs for Automotive Applications［J］. Applied Thermal Engineering， 2007， 29：1239-1244.

［3］ Lei Z， Xia G， Ting L， et al. Color rendering and luminous efficacy of trichromatic and tetrachromatic LED-based white LEDs［J］. Microelectronics Journal， 2007， 38（1）：1-6.

［4］ Weng C J. Advanced thermal enhancement and management of LED packages［J］. International Communications in Heat & Mass Transfer， 2009， 36（3）：245-248.

［5］ Dieker H， Miesner C， Püttjer D， et al. Comparison of different LED Packages［C］. Manufacturing LEDs for Lighting and Display. International Society for Optics and Photonics， 2007：67970I-1-12.

［6］ Cho H M， Joon Kim H. Metal-Core Printed Circuit Board With Alumina Layer by Aerosol Deposition Process［J］. IEEE Electron Device Letters， 2008， 29（9）：991-993.

［7］ Hartmann P， Wenzl F P， Sommer C， et al. White LEDs and modules in chip-on-board technology for general lighting［C］. SPIE Optics + Photonics. International Society for Optics and Photonics， 2006：63370I-1-7.

［8］ 方軍，花剛，傅仁利，等. 大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)和封裝基板［J］. 半導(dǎo)體技術(shù)，2013，38（2）： 140-147.

［9］ 林丞. 陣列式微型透鏡封裝多芯片COB LED的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］. 應(yīng)用光學(xué)，2014，（6）：1063-1068.

［10］ 錢(qián)可元，馬駿，付偉，等. 基于Mie散射理論的白光發(fā)光二極管熒光粉散射特性研究［J］. 物理學(xué)報(bào)，2012，61（20）： 252-259.

［11］ 張錦華，王加賢，朱大慶，等. 熒光粉涂層對(duì)大功率PC-LED光提取效率的影響［J］. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（6）： 630-634.

［12］ 林丞，劉寶林，李小紅，等. 基于5630 TOP LED亞毫米級(jí)陣列式微型透鏡的光學(xué)仿真［J］. 半導(dǎo)體光電，2013，34（5）：762-764，769.

［13］ Citiezen Electronics CO.， LTD. Lighting LED series list［EB/OL］. http：//ce.citizen.co.jp/productse/led_category. php， /2015-01

［14］ 方志烈，等. 半導(dǎo)體照明技術(shù)［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［15］ GB/T 4937.3-2012. 半導(dǎo)體器件·機(jī)械和氣候試驗(yàn) 第三部分［S］.

［16］ GB/T 4589.1-2006. 半導(dǎo)體器件·第10部分：分立器件和集成電路總規(guī)范［S］.

［17］ GB/T 2423.1-2008. 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)·第2部分：試驗(yàn)方法（試驗(yàn)A）：低溫［S］.

［18］ GB/T 2423.2-2008. 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)·第2部分：試驗(yàn)方法（試驗(yàn)B）：高溫［S］.

Study of Light Extraction Improvement of COB LED with Glass Board

SHEN Yafeng
（Xiamen Hualian Electronics Co. Ltd.， Xiamen 361006， China）

Lighttools stimulation tools were utilized for the study of phosphors scatter properties. Transparent flat borosilicate glasses with≥95% light transmittance were applied as board materials. The reserve scattering energy of phosphors was 29% under the typical size and particle size distribution of phosphors. Using high transparent glass as substrates could improve the utilizing of the reverse light. Then double-sides light emitting structure of white strip-type LEDs with high light extraction efficiency was fabricated and their performance and reliability were characterized. The resulting warm white LEDs with correlated color temperature （CCT）of 3000 K exhibited a high luminous efficiency of 180 lm/W. The irritation angle was about 250 degree. Color tolerance is less than 6 SCDM. The reliability was good. The light extraction increased by about 15%，compared with ceramic board and aluminum board COB LED. The results are valuable and may be used for the application of the high power LED package.

high light extraction； flat glass board； phosphors； mie scatter stimulation； COB LED

TN312+.8

A

1681-1070（2015）12-0003-05

沈亞鋒（1964—），男，福建莆田人，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，1986年畢業(yè)于江蘇工學(xué)院（現(xiàn)江蘇大學(xué)），現(xiàn)任廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司副總經(jīng)理。

2015-8-24

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA03A107） 電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金招標(biāo)項(xiàng)目