采用玻璃基板提升COB LED取光率的研究*

2015-10-29沈亚锋

电子与封装 2015年12期

关键词：荧光粉透光率白光

沈亚锋

（厦门华联电子有限公司，福建厦门 361006）

采用玻璃基板提升COB LED取光率的研究*

沈亚锋

（厦门华联电子有限公司，福建厦门 361006）

采用Lighttools仿真软件对荧光粉散射特性进行理论分析，提出透光率≥95%的平面高硼硅玻璃作为COB基板。结果显示，在常见的荧光粉粒径大小与浓度下，荧光粉反向散射可达29%。采用高透光玻璃作为基材，增加了荧光粉反向散射光线的利用率，并制作了双面发光的高取光率长条形COB LED并表征其性能参数与可靠性试验。该暖白光3000 K COB LED具有180 lm/W高光效，发光角度大于250°，色容差小于5 SCDM，可靠性好。与陶瓷基板、铝基板的COB LED结构相比，该结构可提高取光率约15%，有潜力用于大功率LED封装应用。

高取光率；玻璃基板；荧光粉；散射仿真；COB LED

1　引言

众所周知，由于LED所具有的低能耗、快速响应、长寿命、环境保护等方面的优点［1～3］，已经使其成为新一代固态照明光源。

近年来，单芯片大功率LED已经不能满足通用照明、背光源、汽车照明灯方面［4］的应用。因单芯片LED的总体尺寸限制了更大功率密度的集成，过多的导热胶、基板、焊盘等影响了可靠性和稳定性。因此，大功率多芯片COB LED孕育而生，并已经成为工业设计生产的趋势［5～7］。COB封装技术是将LED芯片直接贴装于金属基板PCB或陶瓷基板等［8］，这些基板可满足更高的封装密度、更好的热稳定性和更大的发光角度，但基板均不透明，如铝基板，芯片装架区制作了一层镜面铝或者银反射层用于增大取光率，COB LED取光效率还比较低［9］。

2　荧光粉散射特性仿真分析

荧光粉为光致发光材料，对特定波段的光进行吸收，经下转换过程发射出更长波段的各种颜色光，是重要的LED封装材料，其品质的好坏直接影响整个LED 器件的光学性能。无论是陶瓷基板、铝基板和玻璃基板，均需蓝光LED激发荧光粉混合白光。因此提高COB的取光率，首先要对荧光粉的散射特性进行评估。目前许多研究已经采用了光学仿真手段研究了LED取光率的提高［9～10］。但是蓝光芯片激发荧光粉的混合白光LED仿真还需要引入散射理论进行。Mie散射是当前用于荧光粉光学仿真的主要理论。Mie理论主要针对的是球形粒子，尽管实际粒子形状不规则，但研究发现，利用Mie散射理论来对球形近似的实际不规则粒子进行求解可得到较为精确的结果。米氏散射的辐射强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。利用米氏散射理论为基础，研究荧光粉这种粒径远大于波长的粒子，比较有实际应用价值。目前许多研究都通过Mie散射对荧光粉的散射特性进行了研究［11～12］。

本研究中由于考察的是荧光粉散射特性，所以模型只设置了一颗芯片，芯片尺寸为1 mm×1 mm×0.1 mm。一层荧光粉胶层（20 mm×20 mm×0.5 mm，尺寸大于芯片，保证光线基本从上下表面射出，避免侧面出光干扰散射特性研究），忽略基板、芯片对光线吸收，光线仅为单一波长550 nm，芯片也与荧光粉胶层设置为同一种材料。荧光粉胶中的硅胶折射率为1.41，透光率98.5% /2 mm厚，荧光粉设置为折射率1.8，无虚部折射率。其余表面均设置为Baresurface。上表面朗伯型发光，光线数量设置为1百万条。设置一个无限远场接收器接收光线。具体的结构示意图如图1所示。

考察比较典型的情况，即荧光粉粒径为11 μm，浓度3×104个/mm3。由光分布仿真图可以发现，除了正面出光外，许多光线仍然反向出光。这表明荧光粉的散射作用是必须在仿真模型中考虑的。将总能量归一化，通过计算正、反面的光分布曲线积分值，可知二者的相对能量值。在这个典型案例里，正面相对能量为71%，反面能量比为29%，反面出的光线占总光线29%。

图1　用于荧光粉散射特性研究模型示意图

图2　荧光粉粒径11μm、浓度3×104个/mm3的荧光粉散射光分布曲线

3　暖白光长条形玻璃基板COB的工艺流程、性能测试、可靠性评估

基于荧光粉散射仿真分析的结果显示，荧光粉的反向散射是很突出的，反向散射相对能量为0.29，因此如果采用透明材料作为基板，可以很有效地利用这些反向散射光线。而玻璃基板具有透光率高、平整度高、辐射系数高、与芯片热匹配等优点。因此本研究采用透明平板玻璃作为基板，并创新地采用玻璃作为基材制作了双面发光高取光率新结构的COB LED，并制作了高光效、可产业化推广的暖白光长条形玻璃基板COB，测试其光色参数，并进行了可靠性试验。

3.1工艺流程

实验材料：8 mm×37.5 mm×0.5 mm的长条形平板高硼硅玻璃（透光率≥95%）、镓酸盐绿粉、（SrCa）AlSiN3：Eu红粉、硅胶、蓝光芯片（0.35 mm× 0.7 mm， λp=455 nm～457 nm， Po＞35 mW）。导电银浆，Ag重量百分比＞75%，西安宏星电子浆料。

仪器：透光率测试采用AvaSpec-ULS2048x64光谱仪（Avantes Co.，美国），光色参数测试采用HAAS-2000（远方光电，中国），光强分布测试采用LED620（远方光电，中国）。

玻璃基板COB LED制作方法如下：

将24颗蓝光芯片按串联的阵列形式装于玻璃基板表面，芯片和基板之间通过绝缘胶加热固化后固定。采用金丝键合各个芯片与银电极形成电路。在基板正面点围坝胶并固化，然后在基板背面制作围坝并固化。将一定比例配置的荧光粉硅胶（W绿：W红：W硅胶=1.15：0.22：5.5）点入基板背面内，加热固化。然后在基板正面点入荧光粉胶，调节色温至3045 K档，并固化。

按此方法，制作113只样品。具体的结构示意图如图3（a）所示。LED器件的实物照片如图3（b）所示。制作流程如图4所示。

图3　暖白光长条形玻璃基板COB结构示意图（a）和实物照片（b）

图4　暖白光长条形玻璃基板COB流程图

3.2光色参数测试

由表1可知，玻璃基板COB LED的平均光效为187.27 lm/W，色容差＜6 SDCM，平均色温2969 K，显色指数Ra＞80。由表1与表2的数据可见，玻璃基板COB LED光通量是陶瓷基板与铝基板COB LED 光通量的约1.15倍，玻璃基板可有效提高取光率。目前国际COB LED一线厂商，如西铁城COB LED的光效水平在130～150 lm/W［13］。本文的玻璃基板COB LED光电参数达到国际先进水平。此外，玻璃基板COB LED的合格率达到92%以上，主要的不良是由于将玻璃拼板掰开成单板过程中操作不当导致破碎，当工艺熟练后，合格率还可进一步提高。因此，将陶瓷基板与铝基板COB LED的点胶工艺直接用于玻璃基板COB的工艺流程方案是切实可行的。

3.3可靠性测试

随着近年来LED光效的不断提升，LED的寿命和可靠性［14］越来越受到业界的重视，它是LED产品最重要的性能之一。LED可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

本研究对高低温循环［15］、常温电耐久［16］、高温贮存［17］、低温贮存［18］等开展实验以评估LED的可靠性，见表3。由表3可知，长条形玻璃基板的可靠性基本符合应用要求，具有进一步推广的价值。

表1　20 mA直流下104条暖白光玻璃基板COB LED的光色参数

表2　20 mA直流下同样方案2只陶瓷基板、铝基板COB LED 的光色参数

表3　长条玻璃基板COB可靠性测试（测试条件： IF=20 mA，VF≈69 V）

4　结论

通过Mie散射仿真研究表明在常见的荧光粉粒径大小与浓度下，双面发光的玻璃基板COB LED具有180 lm/W高光效，发光角度大于250°，色容差小于6 SCDM，与陶瓷COB LED结构相比可提高取光率约15%，具有用于大功率LED封装应用的潜力，为LED照明产业提供一条新的技术途径。

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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