LED白光芯片的光色一致性及光谱优化设计方法研究

罗亮亮，樊嘉杰，，经 周，钱 诚，3，4，樊学军，5，张国旗，3，6

(1.常州市武进区半导体照明应用技术研究院，江苏 常州 213161；2. 河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022；3.中科院半导体研究所半导体照明联合创新国家重点实验室，北京 100083； 4.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100191；5. 拉玛尔大学机械工程系，美国博蒙特；6. 代尔夫特理工大学EEMCS学院，荷兰代尔夫特)

引言

随着生活水平的日益提高，人们对照明的要求已从单纯的环保节能逐渐转向对健康舒适的追求。因此，发光二极管(LED)光源面临的挑战不仅仅需要低成本和高光效，更须满足健康、舒适、高光色品质、低频闪、高可靠性等需求[1-2]。传统大功率白光LED封装结构复杂、尺寸大、散热性能差、荧光粉沉降造成光色不一致性[3]等问题已经凸显。面向高效、高品质、低热阻、小尺寸应用需求，LED晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP，简称LED白光芯片)技术近期被提出。它采用倒装LED芯片结合荧光薄膜预成型技术，通过芯片切割和倒装固晶工艺完成LED的封装流程。这大大简化了封装工艺，缩短了工艺流程时间，并且可以精确控制薄膜厚度和色度一致性，有效地解决了传统点胶技术中荧光粉下沉导致色度不均匀问题[4-5]。

近年来，晶圆级芯片尺寸封装经过业界不断的努力研发，逐渐由概念走向成熟产品。特别是基于倒装技术开发的LED白光芯片以其优异的出光效率、良好的散热结构、灵活的外形尺寸，已开始应用于背光灯、闪光灯等领域，同时在特殊商用照明等高端应用领域也可得到认可和发展，例如，灯丝球泡灯、多色温调光灯具以及与柔性基板结合形成可随意弯折的创意照明结构等等[6]。目前，各厂家开发的LED白光芯片结构各不相同，主要有以下几种主流结构(如图1所示)。其中，结构b[图1(b)]由于光效高，光色均匀性好的特点，在市场上较为普遍，也是各个LED厂竞相开发的方向。基于结构b，目前的封装技术方案是先将LED晶圆金属化后，经划片制作倒装LED芯片，然后把倒装LED芯片的正上方和四个侧面使用荧光层材料包覆而达到封装的目的[7-9]。另外，也有在LED外延片经金属化电极完成后，直接在晶圆级进行荧光粉涂覆，再经过切割、裂片实现芯片级封装，但是该工艺路线技术难度较大，目前尚处在产业化初期阶段。

图1 几种白光芯片的主流封装结构Fig.1 Mainstream packaging structures of white LED chip

本文针对自主研发的具有五面出光角度特点的LED白光芯片，基于光谱功率分布分析研究封装材料和尺寸对白光芯片光色一致性的影响。并建立了一套高效实用的配粉设计流程，针对配粉实验提出了一种快速优化光谱设计方法来制定最佳荧光粉配比，为LED白光芯片工艺设计提供参考。

1 实验方法

本实验制备了一种五面出光的LED白光芯片，主要采用半固化混合荧光粉硅胶膜，利用真空热压合于排布阵列LED倒装芯片的载板上完成封装，然后使荧光粉硅胶膜在高温下完全固化，最后通过机械切割方式获得单颗的LED白光芯片器件。具体工艺流程如图2所示。

图2 LED白光芯片制备工艺流程图Fig.2 Process flow diagram of white LED chip

通过以上排片、压膜、固化、切割四个工序获得五面发光的LED白光芯片，再从LED白光芯片的封装材料和工艺角度考虑，研究其对光-色(光效和颜色)一致性的影响，主要因素包括：材料一致性和结构尺寸一致性。本文通过上述工艺流程制备三种相对色温(3 000 K，4 000 K和5 000 K)的LED白光芯片，分析封装材料和结构尺寸参数对其光-色参数的影响。

2 实验结果分析与讨论

2.1 LED白光芯片颜色一致性的影响因素

本文考虑影响LED白光芯片颜色一致性的因素主要包括尺寸一致性和材料一致性两个方面[10-13]：①尺寸一致性主要取决于压膜和切割两个工艺精度，压膜精度决定LED白光芯片的厚度偏差，切割精度主要决定LED白光芯片长、宽尺寸的一致性；②材料一致性包括LED蓝光芯片的光参数集中度和荧光膜的颜色均匀度。

图3 LED白光芯片厚度与颜色一致性的关系Fig.3 Relationship between color consistency and thickness of LED white chip

另外，从图3中3 000 K/5 000 K 0.5 W中功率与4 000 K 1 W大功率两款LED白光芯片颜色一致性和厚度一致性的拟合直线斜率可知，0.5 W中功率白光芯片的斜率要比1 W大功率的斜率要小，这表明：采用大功率LED芯片时，LED白光芯片的厚度一致性对颜色一致性的影响要比中小功率的更为显著。由图3可以计算出，要确保颜色一致性在3个颜色匹配标准偏差(3 SDCM，即Δu′v′<0.003)，0.5 W中功率白光芯片的厚度差要控制在δ<20 μm；而1 W大功率白光芯片厚度差要保证在10 μm以内。

2)材料因素的影响。图4表示为LED蓝光芯片输出功率(PO)对LED白光芯片颜色一致性的影响，横坐标为芯片输出功率标准方差与均值的比值(σ/μ)，纵坐标为当Δu′v′<0.003时LED白光芯片的最大允许厚度差。由图4可以看出，芯片PO的σ/μ越大，LED白光芯片最大允许的厚度差越小。由于LED白光芯片的颜色一致性与厚度差成正相关，这说明芯片PO的一致性对白光芯片的颜色一致性影响显著。当厚度差一定时，芯片PO的一致性越好，白光芯片的颜色一致性越好。当LED白光芯片颜色一致性要求Δu′v′ <0.003时，最大允许厚度差=20 μm时，芯片PO的标准方差/均值<0.72%。对于大功率芯片(PO=800 mW)，PO的标准方差要控制<5.6 mW；对于中小功率芯片(PO=170 mW)，PO的标准方差要控制<1.2 mW。

图4 当Δu′v′<0.003时，LED白光芯片的最大允许厚度差与芯片PO标准方差/均值的关系Fig.4 Relationship between maximum allowable thickness of white LED chip and PO consistency of blue LED chip when Δu′v′ < 0.003

2.2 LED白光芯片的光效模型

1)光效模型建立。由图5所示的LED白光芯片结构示意图可知，影响LED白光芯片光效的主要因素可分为LED蓝光芯片、荧光层和基板三部分。

图5 LED白光芯片的结构示意图Fig.5 Schematic diagram of LED white chip structure

由此，我们定义LED白光芯片的光效ΦW模型为

ΦW=(LER·ΦB)C+ζ

(1)

其中，LER(Luminous Efficacy of Radiation)为理论光效，指电功率全部转换为光功率时光源的光效(lm/W)，可由LED白光芯片的发光光谱计算获得；ΦB为蓝光芯片转换效率；C为线性相关系数，可定义为C1C2Cx，其中C1为荧光层的影响因子(由荧光粉效率、荧光胶配比及荧光膜的结构尺寸等决定[15-17])，C2为基板的影响因子(由基板白油的吸光率和反射率决定)，Cx为其他影响因素(比如，芯片的功率、封装工艺等[18-20])。由公式(1)LED白光芯片的光效与LER·ΦB的关系模型可知，如果我们确定线性相关系数C，根据理论光效LER和蓝光芯片转换效率可以估算出LED白光芯片的光效的光效，在对LED白光芯片设计时择优蓝光芯片和荧光粉类型有一定的参考价值。

2)模型的参数提取。图6(a)(b)(c)所示分别为CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三种色温情况下，LED白光芯片的光效与LER·ΦB的关系。由图6可知，光效与LER·ΦB基本呈现正线性相关，直线斜率表示为线性相关系数C。由线性拟合结构可得CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三种LED白光芯片的线性相关系数分别为0.668 4、0.725 3、0.778 6。基于此模型，在进行配粉设计时可根据LED白光芯片理论光效LER和蓝光芯片转换效率，大致估算出LED白光芯片的光效是否可达到设计要求，据此对芯片和荧光粉类型进行选择调整。

图6 光效与LER·ΦB的关系Fig.6 Relationship between luminous efficacy and LER·ΦB

对比三种LED白光芯片的线性相关系数C可以发现：色温越低，线性相关系数C越小。根据线性相关系数C的定义分析主要原因是LED白光芯片色温越低，表明荧光粉配比中红粉占比较高。但是由于红粉的效率相对较低，同时红粉会吸收其他波长的光，导致混合荧光粉的发光效率相对变低，因此其荧光层影响因子C1会更小。这种情况下在基板影响因子C2和其他影响因子Cx一定时，线性相关系数越小。由此也可知，在使用蓝光芯片相同时，采用相同型号的荧光粉得到暖白色白光芯片的光效比冷白色的要低，低约14%左右。

2.3 基于光谱优化的LED白光芯片配粉设计

针对LED白光芯片的设计和制备工艺，本文建立了一套高效实用的配粉方法，可以根据不同的光-色参数要求和光谱功率分布要求，对LED白光芯片进行快速有效的配粉设计。图7所示为配粉设计流程示意图，其主要基于光谱功率分布合成方法将蓝光芯片光谱和荧光粉光谱合成白光(如图8所示)。具体流程可分为以下几个步骤：第一步，选择荧光粉和蓝光芯片，测试得到荧光粉的发射光谱以及蓝光芯片的发光光谱和电光转化效率ΦB；第二步，把荧光粉和蓝光芯片光谱导入光谱合成软件，计算达到目标色温后的显色指数Ra和理论光效LER，并由公式(1)估算白光芯片的光效ΦW；第三步，以光效和Ra参数为优化目标选择合适的荧光粉和蓝光芯片型号，最终获得满足光-色要求的最优化荧光粉及蓝光芯片型号；第四步，选定好芯片和荧光粉后进行白光芯片的配粉实验，使色坐标最终达到目标色温区，验证光效和Ra是否达到光色要求。

图7 LED白光芯片配粉设计流程图Fig.7 Phosphor design flow diagram of LED white chip

图8 LED白光芯片的光谱功率分布设计方法示意图Fig.8 Schematic diagram of design for spectral power distribution of LED white chip

以下利用实验中的案例对所提基于光谱优化确定最佳配粉工艺方法进行验证。如图9所示，虚线为目标光谱，即为选定最佳荧光粉和蓝光芯片后采用光谱合成软件计算达到目标色温的合成光谱；实线为配粉过程中积分球测试的实际光谱。配粉过程中，对比实际光谱和目标光谱，如果荧光粉光谱部分只是上下幅度的平移，可以采用调高或降低荧光粉浓度的手段来达到目标；同样的，如果荧光粉光谱部分有左右方向移动或不一致，那就需要通过调整荧光粉的配比来达到目标。

图9 基于光谱优化确定最佳配粉工艺方法的实例Fig.9 The examples of phosphor preparing process based on the SPD optimization method

3 结论

本文基于光谱功率分布分析研究封装材料和尺寸对LED白光芯片光色一致性的影响，并针对LED白光芯片封装工艺过程中配粉实验，提出了一种采用优化光谱快速找到最佳配方的配粉设计流程。研究结果表明：

①LED白光芯片的颜色一致性主要由尺寸和材料因素的决定，其中荧光层厚度和蓝光芯片输出功率对其影响显著，因此在白光芯片封装过程中，需要严格把控压膜工艺精度和来料LED芯片输出功率；

②LED白光芯片的光效与理论光效和蓝光芯片转化效率的乘积呈线性相关，色温越低，线性相关系数越小。

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