大功率白光LED燈珠色溫變化特性研究*

夏正浩，張 康，羅明浩，俞理云

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

研究了配粉膠、填充膠、光參數測試設備及測試方法，對大功率仿流明式LED燈珠的色溫參數變化的影響．研究結果表明：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，產品色度穩(wěn)定性高；填充膠的折射率對燈珠的色溫變化影響較小，同時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品，具有節(jié)能、壽命長、無污染等優(yōu)勢，被公認為21世紀最具發(fā)展前景的照明光源[1]．隨著技術水平的提升，產業(yè)化大功率LED的最大光視效能已達200 lm/W，產品的性價比大幅提高，大功率LED即將取代白熾燈和熒光燈而成為市場主流的光源產品．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1 W大功率LED燈珠市場較高的份額，其結構如圖1所示．

圖1 大功率LED封裝結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of high power LED packaging

仿流明式封裝是在反光杯內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)射藍光，藍光激發(fā)熒光粉生成黃光與芯片發(fā)射的部分藍光混合生成白光，光由芯片發(fā)射經熒光粉膠、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)射時會有一定損失，主要包括芯片內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之間的硅膠材料進行填充，不僅可以保護芯片釋放應力，同時作為一種良好的光提取材料，其還能提高出光效率[3-4]、加強散熱、降低芯片結溫、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，相比低折射率的甲基功能團性能穩(wěn)定性略差[6]．目前大部分的文獻報道的是如何提高硅膠折射率從而提高器件出光效率，而在硅膠折射率對出光效率穩(wěn)定性方面影響的研究較少．

本文主要對配粉膠、填充膠、光參數測試設備及點亮時間，對大功率仿流明式LED燈珠的色溫參數變化的影響進行了研究．詳細分析了配粉膠的折射率、填充膠的折射率、光參數測試儀積分球的大小及脈沖通電和連續(xù)點亮兩種方式，對燈珠的色溫漂移及光通量的影響．同時，提出對有色溫穩(wěn)定性要求的產品可采用的膠水優(yōu)化方案．

1 實驗部分

1.1 原 料

大功率LED藍光芯片為臺灣新世紀光電生產的XSJ30，芯片主要參數列于表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參數列于表2．

表1 藍光LED芯片主要參數

表2 硅膠折射率

1.2 方 法

實驗選取5組樣品進行對比，每組選取10個試樣，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燈珠光電測試設備分別為積分球直徑0.2 m的LED光色電參數綜合測試儀(簡稱小球)和積分球直徑1.5 m的LED光色電參數綜合測試儀(簡稱大球)．使用積分球直徑為0.2 m和1.5 m的LED光色電參數綜合測試儀測試樣品的光電參數時，每組測試結果采用去掉最高值及最低值后所剩8組數值取平均數的方法，得到該組實驗樣品的數據．其中，在使用積分球直徑為1.5 m的LED光色電參數綜合測試儀進行測試時，燈珠焊接在鋁基板上進行點亮測試，通過鋁基板為測試器件進行有效散熱．實驗采用統(tǒng)一的封裝工藝進行固晶、焊線，采用同種工藝進行不同配粉膠點膠和填充膠灌封，后續(xù)烘烤等封裝工藝采用硅膠廠推薦的工藝．

2 結果與分析

2.1 測試設備對LED器件色溫的影響分析

表3為用大小積分球測試的LED器件色溫及光通量參數．

表3 大小積分球測試結果對比

由表3可知：采用折射率為1.54的6550配粉膠的二組樣品，其大小球測試色溫差分別達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產品的同一檔位的色溫區(qū)間，而低折射率的配粉膠產品色溫變化小，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，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，其大小球測試光通量差為-5.6 lm，3.4 lm和-2.3 lm．結果顯示，五組樣品大小球測試的光通量變化均較小，說明積分球尺寸對樣品光通量測試結果影響?。诠馔繙y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．

上述實驗數據顯示，采用高折射率配粉膠在不同積分球內測量的色溫參數存在較大的差異，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積分球內測量時，雖然色溫一致但其在不同光束角的光譜分布并不相同，當換成不同體積積分球再次進行測量時，其色溫值就會產生差別．

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

擋板的光線在被探測器接收前經歷了多次反射，由于積分球內涂層反射率僅為95%，多次反射后會出現較大的光衰減，因此呈不均勻分布的藍光受擋板影響較大．相比小積分球測試，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，被擋板反射的藍光少，探頭接收到更多的藍光，從而提高了信號的藍黃比，因此采用大積分球測試樣品的色溫會偏高．由于高折射率配粉膠樣品的藍光更集中于中心部分，因此在采用大小積分球測試高折射率配粉膠樣品時，探頭接收的藍光相差更多，接收信號的藍黃比變化更大，樣品的測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光強分布Fig.2 The chip light intensity distribution in alinternal reflection angle of different refractive index powder

2.2 測試方法對LED器件色溫的影響分析

表4為采用脈沖測試及點亮4 min后大積分球測試的LED器件色溫及光通量參數．由表4可知，折射率為1.54的6550配粉膠的2組樣品的測試色溫差分別達355 K和425 K，而折射率為1.41的6370配粉膠的3組樣品的測試色溫差僅為-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溫度穩(wěn)定性較差[6]，點亮后隨著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，當采用不同的測試方法測試時，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換效率變低，從而導致LED器件的光通量減少．

表4 脈沖測試及點亮4 min測試對比

綜合所述，采用高折射率配粉膠的LED器件，其色溫測試結果受測試設備的積分球大小影響較大，色溫會偏離出原始檔位區(qū)間；低折射率配粉膠的LED器件，其色溫測試結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，由于高折射率配粉膠的溫度穩(wěn)定性較差，導致LED器件的色溫測試結果受點亮時間的影響也較為明顯，點亮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，其色溫測試結果受點亮時間影響較小．而在以上測試條件下，填充膠的折射率基本不影響LED的色溫．同時，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．可以認為：在對色溫敏感的使用環(huán)境中，應選用低折射率(折射率約1.4)的配粉膠，其可提高產品的穩(wěn)定性；在對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 論

選用高折射率配粉膠在不同設備、測試條件下，色溫測定結果偏差大，且點亮4 min后色溫漂移較大，而低折射率配粉膠的結果反之．填充膠的折射率對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，在對光通量要求不高但對色溫穩(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)技術創(chuàng)新基金項目(2013B011201368)；中山市科技計劃項目(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

A