芯片尺度荧光粉涂覆结构对白光LED光色性能影响的研究

王新昌，陈 琢，杨中泰，李顺平，杨成双，洪泽楷，范冰丰，陈国杰＊

（1.佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000；2.佛山科学技术学院 粤港澳智能微纳光电技术联合实验室，广东 佛山 528000）

第四代照明白光LED 由于其高光效、低功耗、高可靠性、环保、寿命长等优点，在照明领域如道路照明、背光液晶显示和住宅照明等［1-3］得到了广泛的应用。在LED 封装中，随着芯片的尺寸越小，人们对光色品质的追求提高，空间角色温均匀性是影响光色品质的一个重要影响因素，它与荧光粉涂层参数有关，如荧光粉粒子数密度、组成、分布和荧光粉层的几何形状［4］。通过大量的研究工作，定量地阐明了不同参数对ACU 性能的影响，研究表明：蓝光LED 芯片尺度上的荧光粉层几何结构是影响相关色温和ACU 的最重要因素之一［5-7］。而荧光粉保形涂覆法一直被认为是获得高ACU 的有效方法，保形涂覆法能实现将荧光粉以均匀厚度涂覆在LED 芯片表面，可控制荧光粉几何形状和厚度等参数，是一种具有较高角色温均匀分布的荧光粉涂层方法。然而，目前的保形涂覆往往只能实现一种均匀的荧光粉层或者特定的封装结构，缺少不同形貌的荧光粉层加工的自由度。因此，许多理论研究都致力于探索最优荧光粉的几何形状。此外，最近的研究表明，荧光粉保形涂层白光LED 的角色温均匀性不够高，无法与传统光源竞争。有科研人员提出几种改进方法。SOMMER［8-9］等人设计了荧光粉层的几何形状，并优化了荧光粉浓度分布，以在模拟中获得理想的角色温均匀分布。LIU［10］等人的光学模拟证明，浓度分布相反的金字塔状荧光粉体排列比传统的单层荧光粉具有更高的色温均匀性。LEI［11］等人提出一种锥形荧光粉层几何结构，与传统的荧光粉层结构相比，锥形结构的角色温均匀分布增加了19 %，更好地提高了白光LED 的色温均匀性。RAO［12］等人提出一种钹形结构，与传统的点胶型荧光粉结构相比，钹形荧光粉结构可以改善角色温均匀性，并提高发光强度。

本文在保形涂覆芯片尺度上引入双环形几何结构，采用蒙特卡洛射线追踪法进行了光学模拟，研究双环形几何结构厚度、浓度对空间角色温均匀性的影响，在保形涂覆芯片尺度上实现最佳的双环形结构厚度，白光LED 的空间色温均匀性以及其他光色性能得到提高。

1 模型建立

在保形涂覆中，同一荧光粉层中的浓度是均匀的，因此蓝光的光程将决定色温，保形涂覆荧光粉的结构如图1a 所示。有研究工作通过改变荧光粉层的宽度a 和高度b［13-14］，可以得到不同厚度下的空间角色温分布。由于荧光粉层的高度b 一般小于宽度a，所以蓝光在垂直方向的光程长度L1小于在侧面传播的光程长度L2和L3。因此，L1垂直方向上传播的色温值大于L2、L3上两个色温值。在L3方向的光程比L2方向的光程长，所以L3方向的色温低于L2方向的色温，导致白光LED 出现“黄蓝圈”现象，空间角色温均匀性较差。因此，保形涂覆并不能使空间颜色温度分布均匀，并有必要改变荧光粉层的几何形状，通过引入双环形结构再裁剪L1垂直方向上厚度或增厚L2和L3方向上的厚度来调控白光LED 的空间角色温分布。

在本文研究中，采用蒙特卡洛射线追踪法对荧光粉层建立光学模型，该模型是由倒装蓝光芯片模型、荧光粉层、基板和半球形接收器组成，保形涂敷荧光粉层的几何结构为长方体，如图1a 所示。本文提出的荧光粉层是一个双环形结构，如图1b 所示。在文献［13］已经报告保形最佳的荧光粉涂覆厚度为50～70 μm。所以在模型中，将厚度b 固定为50 μm，R 代表长半径，r 代表短半径，a 代表其宽度，a 是随着R 与r 变化而变化，L 代表大圆环与小圆环两者差值，如下式表示

图1

按照文献［13］所给出资料建立蓝光LED 倒装芯片的光学模型，如图2 所示。图中给出了芯片各层材料，芯片尺寸为1×1×0.1 mm。MQW 的上表面与下表面设置成朗伯光源，下表面发光，p-GaN、多量子阱层MQW、n-GaN 的吸收系数分别为5、8、5 mm-1，折射率分别为2.45、2.54、2.42。将基板设置为镜面反射镜，其反射率为95%，透射率为5%，辐射功率为1W，角度呈现朗伯分布。蓝光LED 芯片的发光光谱的波段为450 nm，最大半值宽度为20 nm，荧光粉折射率为1.80，荧光粉层中树脂的折射率1.5，荧光粉粒径大小为10 μm，并设置荧光粉的发射光谱、吸收光谱、激发光谱［15］。

图2 倒装蓝光LED 芯片结构图

为了直接呈现白光LED 空间角色温均匀性的特性，则空间角色温偏差角用标准差表示

其中平均相关色温CCTαvg 和计算公式如下

其中α 为从-90°到90°的视角，间距为5°，CCTα 为α 处的CCT 值，n 为视角数。观察的视距从j=-90°到K=+90°范围内。根据（3～5）式可知，越小的标准差有更均匀的颜色分布。因此，较小的CCT 偏差意味着有更均匀空间颜色分布。

为了保证结果的准确性，将光线追踪的条数设置为3 000 万，误差估计控制在1 %以内。光线追踪后，用半球形接收器监测逃逸的射线，如图3 所示。在光学模拟中，假设荧光粉颗粒均匀分布在荧光粉层中，通过调整荧光粉层的浓度，使其平均色温5 000 K，分别改变双环形荧光粉层长半径R 和短半径r，用半球形接收器观测每个视角上的相关色温。

图3 CCT 测量原理图

2 模拟结果及讨论

分析平均相关色温5 000 K，在长半径R=0.2～0.4 mm 不变的条件下，依次通过增加短半径r=0.2～0.5 mm 的厚度，在R=0.26 mm，r=0.42 mm 厚度附近，此时空间角色温偏差为239 K，如图4 所示。随着裁剪长半径R 的增大，蓝光的光程增大，导致蓝光LED 芯片发出蓝光遇到垂直方向上的荧光粉会增多，因此一部分会转换为黄光，另一部分光会直接逃逸到两侧，而减少的蓝光会使得垂直方向上的色温降低，这表明通过裁剪长半径R 的厚度，可以有效地改善垂直方向上的CCT。当增加短半径的厚度时，蓝光经过垂直方向会使得部分光线逃逸到两侧，由于双环形荧光粉层比较厚，导致逃逸到两侧的光线并不能完全激发荧光粉而形成白光。

图4 长半径R 与短半径r 之间最优解

在最优解R=0.26 mm，r=0.42 mm 下，在图4 相关色温偏差最小的附近进行参数优化，通过改变荧光粉的浓度，分别得到3 500～6 000 K 的平均相关色温。图5 显示了在不同平均相关色温下的空间角色温分布，可以看出在不同色温下两侧方向色温偏高，由于设计的双环形结构比较厚而且中间蓝光强度比较强，当蓝光经过垂直方向上的光程变大，光线发生折射和散射，遇见的荧光粉颗粒会增多，导致转换的黄光比较多，色温会相对偏低。而在双环形两侧方向上蓝光LED 光线并不能完全激发到荧光粉，导致蓝光经过的光程较小，蓝光在该传播方向上经过的荧光粉颗粒较少，即转换的黄光比较少，因此该方向上的黄光较少色温偏高。当平均色温分别为4 100、4 500、5 300、6 000 K，双环形结构在-90°到90°的空间角色温偏差值与保形结构相比从885 K 减少到92 K，1 232 K 到196 K，2 209 K 到309 K，3 348 K到457 K，如图6 所示。

图5 双环形结构在不同平均相关色温的空间角色温分布

图6 两种结构色温偏差值对比

在远场接收器中，比较了两种结构在不同色温下-90°至90°的空间光强分布，可以很清楚看到辐射角度均发生增大，由于保形涂覆中蓝光LED 芯片是朗伯光源，垂直方向的光强会高于两侧光强。通过引入双环形荧光粉层结构，裁剪垂直方向上的厚度，当蓝光遇到垂直方向上的荧光粉颗粒时，使得垂直方向的蓝光逃逸到两侧，降低了垂直方向上的光强，从而增大了两侧的发光角度，使得在不同色温下辐射角度均发生增大，如图7 所示。对于在不同色温下的色度图如图8 所示

图7 不同色温空间光强分布曲线

图8 不同色温的色度图

在图8 中，3 500 K 色度图中对应的颜色坐标x=0.410 7，y=0.417 56；4 100 K 颜色坐标x=0.376 52，y=0.376 82；4 500 K 颜色坐标x=0.358 22，y=0.353 11；5 300 K 对应的颜色坐标x=0.336 4，y=0.322 02；6 000 K 所对应的颜色坐标x=0.326 56，y=0.307 52。3 500 K 和4 100 K 的色度坐标位于黄色区域部分，荧光粉的浓度偏高，黄光的强度变得更强，由于蓝光LED 芯片激发出更多的黄光，导致CCT 偏差值降低。随着色温的增大，色度坐标逐渐偏蓝色区域部分，荧光粉的浓度减少，蓝光LED 芯片激发一部分激发出黄光，另外一部分直接发射出蓝光，导致CCT 偏差值偏高。图9 表示不同色温下蓝光450 nm 波段所激发出的光谱图。

图9 不同色温下的光谱图

3 结论

为了提高白光LED 的空间角色温均匀性并研究其光学性能，本文在保形涂覆芯片尺度上提出了一种双环形荧光粉层的几何结构，并用蒙特卡洛射线追踪法对其进行了光学模拟。通过裁剪垂直方向上长半径R 和增加两侧短半径r 的荧光粉层厚度，在r=0.42 mm 和R=0.26 mm 得到最小的色温偏差值239 K。与保形涂层结构相比，当平均相关色温分别为4 100、4 500、5 300 和6 000 K 时，在优化后最优解下角色温偏差值从885 K 减少到92 K，1 232 K 到196 K，2 209 K 到309 K，3 348 K 到457 K。因此，这证实了双环形荧光粉层的几何结构的厚度及浓度是影响空间角色温均匀分布的重要参数，上述方法可以应用于白光LED 的光色性能的调控。