白光LED数码显示器实封偏蓝原因分析

2021-05-07

科教导刊·电子版 2021年4期

（厦门华联电子股份有限公司福建·厦门 361006）

0 引言

二次实封的白光数码显示器出光效果比白光 Chip LED明显偏蓝，为什么会出现这样的现象是本文主要研究内容。

1 结构说明

应用在LED数码显示器上的白光LED一般是已经封装荧光粉胶的Chip LED或Top LED形式的封装光源。常规的单色LED数码显示器为实封封装形式，即单色LED芯片装架在印制板上，再将反射罩填充环氧保护LED封装，如图1。对使用Chip LED或TopLED封装光源的数码显示器，再填充环氧封装相当于增加一个封装环节，一般将这一环节取消以简化制造工艺、节省物料成本，即而变为空封的封装形式，如图2。但是，为了进一步提高整体的防潮效果、机械强度、散热效果、减缓光衰，一些应用条件较严苛的白光数码显示器仍会填充环氧实现LED芯片的二次实封封装，如图3。

图1：实封结构

图2：空封结构

图3：二次实封结构

2 颜色因素

偏蓝首先体现为视觉因素，结合图1及图3，颜色因素主要为填充物，即环氧及环氧中散射剂，以下从这两方面进行对比分析。

2.1 环氧颜色

常规使用的环氧为双组分混合使用，即分为A部、B部；A部主要成分为环氧树脂，B部主要成分为酸酐固化剂；A部为蓝紫色粘稠体，图4为保存A部的白色塑料包装桶外观，透过包装可见其呈现蓝紫色；B部为近无色透明液体，A部与B部混合后接近无色透明（重量混合比例1：1），封装后见图5，封装后笔划为无色透明。

图4：环氧树脂A部外观

图5：环氧树脂封装的白光数码显示器

A部的蓝紫色与发光偏蓝的颜色相关性较大，是否白光透过环氧后颜色受到影响；将A部和B部按照配比混合后对白光LED数码显示器进行封装，最终得到的结果如表1所示，色坐标、主波长测试值均变小，参照图6，波长越短，越靠近蓝色，因此说明增加环氧后使发光颜色变蓝，但是不是环氧的颜色影响的还需再进一步对比。

表1：Chip LED环氧封装前后发光对比

图6：自然光（白天）光谱分布

2.2 扩散剂

数码显示器的封装环氧添加扩散剂提高发光面均匀性，扩散剂（图7）对LED的出光颜色是否会造成影响。因此对添加扩散剂前后进行比较，在透明的环氧中加入A部质量10%比例的扩散剂进行封装，测试得到表2的结果，色坐标、主波长测试值均变大。

图7：扩散剂

图8：含10%扩散剂的环氧树脂封装白光数码显示器

表2：Chip LED扩散剂环氧封装前后发光对比

添加扩散剂后环氧体呈乳白色，从色坐标变化可知颜色偏蓝，并非偏蓝，因此不是造成白光数码显示器实封偏蓝的因素。

3 光学因素

参考LED封装材料，除环氧外还有硅胶，为验证其他颜色的封装胶对出光颜色是否有影响，采用单组份的无色透明的硅胶进行了验证，得到结果如表3。

表3：Chip LED硅胶封装前后发光对比

从表3可以看出，即使是无色透明的单组份的硅胶，也会使白光LED的争坐标、主波长等颜色参数数值明显下降，下降程度与透明环氧相当。说明环氧颜色并不是影响出光颜色的重要因素。环氧树脂或硅胶封装的共同点是取代了原来结构中的空气这一光学传导介质，产生了折射率的变化，Chip LED的出光就不一样。可是为什么会有这么大的变化呢？

首先来研究下环氧封装的全反射角，折射率公式：

假设空气为介质1，Chip LED的封装环氧为介质2，空气的折射率n1=1，将环氧的折射率约为n2=1.5，当从Chip LED发出的光在界面刚好发生全反射时（1=90°），可求出Chip LED中的全反射角为42°。由此可判断，Chip LED有很大一部分光线未直接从Chip LED封装体传播导出，见图9。

图9：空气与环氧介质面的全反射角示意图

LED发射的光经封装体表面全反射回环氧中再激发荧光粉转换为白光，提高了荧光粉转换效率，使Chip LED发出的光偏白。说明介质1为空气时（无填充环氧），数码显示器的色坐标、波长等参数数据会较大，颜色比较白。而当介质1变成与介质2折射率一样的环氧时（实封），反射罩腔体内的Chip LED封装环氧体中的蓝光没有全反射角影响，提高了光线的传播角度，降低了蓝光芯片激发荧光粉转换为白光的转换效率，也就使得最终的出光效果变蓝。

4 光学模拟

由第三点对光学因素的分析，基本上可以确认为光线传播变化使白光 LED数码显示器实封偏蓝。对光学因素的分析还可以借助光学模拟软件进行分析，为了更直观的观察不同介质面的出光情况，采用Trace-pro对出光进行了模拟。

如表4，对空封及实封两种封装结构进行模拟，设定出射光线100条，对比光线的传播情况。

表4：Chip LED封装前后光线传播路径分析

表中a与b出射光线为100条，其中a的Chip LED的周围为空气，光线全反射后在Chip LED内部的进行复杂的传播，环氧体充满密密麻麻的光线，这些光线对荧光粉再次激发，提高了蓝光的利用率，转换为白光，降低了蓝光的射出，出射的光线形成了不同的颜色线条。而b的Chip LED周围为环氧，视为同介质传播，光线的出射路径相对简单，也只形成一种颜色线条，蓝光的利用率则相对较低，出射光也较蓝。