LED荧光粉的散射特性研究及透明蓝宝石基板COB LED中的应用

叶立康

摘 要：本研究主要对LED封装中的荧光粉散射特性研究，结果表明随着荧光粉粒径的增加，反向的散射光能量逐渐增大，即反向散射效果随着粒径的增大而加强；随着散射剂/荧光粉浓度的增大反向的散射光能量逐渐增大，即荧光粉反向散射效果随着粉浓度的增大而加强。因此，通过透明蓝宝石基板将反向光线取出，可有效提高产品的光通量。与陶瓷基板COB LED相比，实际透明蓝宝石基板COB LED产品的光通量可提高出光率约11.2%。

关键词：荧光粉；散射特性；光学仿真；COB LED；蓝宝石基板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.009

1 荧光粉散射特性仿真分析

荧光粉为光致发光材料是重要的LED封装材料，其品质的好坏直接影响整个LED 器件的光电色参数。因此提高COB的取光率，必须首先要对荧光粉的散射特性进行分析。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。但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。米氏散射理论在荧光粉中的应用，则是通过仿真软件进行。本文采用的是Lighttools7.0软件进行仿真，考察不同粒径的荧光粉、不同浓度的荧光粉颗粒的散射特点。

本研究中由于考察的是荧光粉散射特性，模型设置了一颗芯片、一层荧光粉胶层（30mm×30mm×0.6mm，如图1所示。荧光粉胶尺寸远大于芯片，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555nm，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% /2mm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。芯片尺寸为0.8mm×0.8mm×0.15mm。上表面朗伯型发光，光线数量设置为1×106条。

首先考察比较典型的情况，即荧光粉粒径为11μm，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0.71，反面能量比为0.29，反面出的光线占总光线29%。

考察不同粒径下荧光粉前后向散射光能量的变化，颗粒浓度设置为3×104个/mm3。由图3可知，随着荧光粉粒径的增加，向后的散射光能量逐渐增大，即荧光粉反向散射效果随着粉直径的增大而加强。荧光粉通常的粒径一般在5-20μm左右，在这个粒径范围荧光粉的反向散射效果变化较小，反向相对能量由0.27上升到0.30。

不同的荧光粉浓度下的前后散射光能量也是必须要关注的变量。由图4可以看出随着荧光粉浓度的增大反向的散射光能量逐渐增大，即荧光粉反向散射效果随着粉浓度的增大而加强。当浓度大约达到6×105/mm-3时，荧光粉反向散射与正向散射能量相当，当浓度进一步增大后，荧光粉反向散射大于正向散射。但一般情况下，点胶法所用的荧光粉浓度在0.1～1×105/mm-3（经验配方的计算值），反向相对能量0.27-0.33，其变化较大，散射影响很大。而保形涂覆一般低于3×105/mm-3，这个范围内反向散射相对能量最高可达0.42，对于保形涂覆的仿真，散射因素尤为重要。

2 透明蓝宝石基板COB LED产品的实际光通量的提高

从上述研究表明，荧光粉的反向散射是很大的。因此采用透明材料作为基板，可以利用这些反向散射光线。因此本研究采用透明蓝宝石平面基板，制作了大角度发光高取光率新结构的COB LED。具体方案：将24颗12mil×31mil蓝光芯片按串联的阵列形式固晶于透明蓝宝石基板表面。采用金丝键合各个芯片与电极形成电路。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点入基板背面内，加热固化。与此同时制作同样条件的陶瓷基板COB LED进行对比。

由表1可见，在封装材料、芯片及布局类似的情况下，透明蓝宝石基板COB LED产品的光通量提高了11.2%，透明基板对光线的取出率有显著效果。

3 小结

本研究对荧光粉的散射特性研究，以Mie散射为理论基础进行光学仿真，结果表明随着荧光粉粒径的增加，反向的散射光能量逐渐增大；随着散射剂/荧光粉浓度的增大后向的散射光能量逐渐增大。在典型案例里反面出的光线占总光线29%。为了利用反向光线，开发了透明蓝宝石基板COB LED产品，可有效提高产品的光通量，实际制作的透明蓝宝石基板COB LED产品的光通量可提高出光率约11.2%。以上结果具有一定理论价值并可应用于大功率COB LED封装，为LED灯丝灯光源类照明产品提供了一条新的技术方案。

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