基于全蓝光芯片和荧光粉分区涂覆的高显色指数色域可调COB LED 光源

刘建平，李炳乾*，温作杰，张荣荣，蒋新国，夏正浩，冯振聪

（1. 五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020；2. 中山市光圣半导体科技有限公司，广东 中山 528421；3. 中山市木林森电子有限公司，广东 中山 528421）

1 引 言

近年来，发光二极管（LED）因其节能、高效、寿命长、稳定性好以及绿色环保等优势，在照明与显 示 领 域 得 到 了 广 泛 应 用［1］。COB（Chip on board）封装是直接将LED 芯片固定到金属基或陶瓷基等具有高导热性能的电路板上，实现高密度集成封装［2-4］。这种封装方式可以将大量芯片封装在电路板上，从而缩小了LED 光源的体积，提高了光通量，增加了LED 的可靠性以及光源光色的一致性［5-9］，非常适合小尺寸且对光源有着较高要求的照明环境。

COB 光源的发展到目前为止经历了几个阶段的更新迭代。在提高发光效率阶段，一方面是提升芯片自身的出光率，另一方面是改善封装工艺。李炳乾等人在金属基板表面直接制作反光杯并安装光学透镜，芯片发出的光通过反光杯反射，热量直接导到基板，有效提高了器件的出光效率［10］。李蕾等人通过优化芯片排布，提高了器件的电热转换效率，进而提升了COB 光源的出光效率和光色均匀性［11］。在提高光质阶段，李博超等人采用远程荧光封装方式，选择了色坐标、显色指数等重要参数对灯具进行了测试与分析，为优质LED 照明提供了更客观的综合评价［12］。在色温可调阶段，谌江波等人提出用暖白、红、青、蓝光4种LED 光源混光，采用PWM 调光技术得到了超高显色指数和色温可调的LED 白光光源［13］。殷录桥等人通过计算出RGB 三基色光源不同亮度、不同色温下的光通量配比数据，控制电路根据不同亮度、不同色温对应的数据控制每路光源的电流，实现不同的色温［14-16］。在色域可调阶段，马瑞青通过调整RGB-LED 光源红、绿、蓝三色芯片的发光强度来合成任意色度的光源，但显色指数相对较低［17-18］。高卫东等人在传统三基色混合光源的基础上通过增加青色和黄色光源合成了五基色LED 光源，光色域范围广且提升了人眼的观看舒适度［19］。传统的三基色光源由红绿蓝芯片构成，三者所采用的的材料成分不同，这就造成了各自光衰、温度特性不同，使用久了性能方面会出现问题，同时还存在三色的发射峰较窄、光谱不够连续、显色指数较低的缺点。而五基色光源也存在芯片光衰不同且5 路电路驱动3 种芯片导致工艺结构较为复杂的缺点。

本文以智能调光、智能照明为出发点，在传统COB 光源的制作工艺中采用前沿的荧光粉涂覆技术并提出创新性的思维方式，基于倒装COB封装对蓝光芯片表面采用分区涂覆混合荧光粉的方式，设计并制作了一款在3 000～6 000 K 连续色温下，显色指数高于72，光通量可以达到5 17l m以上色域可调的LED 光源，满足了光谱较为连续且显色指数较高的要求，在三基色可调色域光源的商业照明领域具有创新性的意义。

2 设计思路及样品制作

2.1 设计背景

现有的多色COB 光源装置在基板上设置有多个红绿蓝LED 芯片，再用透光罩对各个芯片封装，通过调节三基色芯片的发光配比得到不同的混光颜色。但是，3 种基色芯片所用到的是两个材料体系，蓝、绿基色芯片用的是氮化镓体系（里边的材料组分不一样），红基色芯片用的是砷化镓体系，这就造成了芯片各自的光衰和温度特性不同，使用久了性能容易出现问题，并且各自的发射光谱较窄，混合之后白光光谱不够连续，且显色指数不高。采用全蓝光芯片激发荧光粉的方式不仅解决了光衰问题，而且还拥有光谱连续、显色指数较高的优点。此外，蓝光芯片相较于其余两种芯片，成本低且荧光粉的价格不贵，是一个比较好的组合，关键的技术问题是如何实现在微小尺寸的LED 芯片表面涂覆均匀的荧光粉。中山市光圣半导体科技有限公司拥有这种涂覆设备，相比于点粉、丝网印刷等涂覆荧光粉工艺，喷粉技术能够解决荧光粉沉淀产生的斯托克斯效应，极大程度上避免了色坐标偏移，从而解决了技术难点，使技术创新点得到实践认证。

2.2 设计思路

首先将蓝光芯片平均分为3 组并做好标记，对第一组的芯片表面均喷涂混合的红色荧光胶，第三组均喷涂混合的绿色荧光胶，第二组蓝光芯片不喷涂，蓝光夹在红、绿光中间能够减少芯片激发不同种类荧光粉所带来的影响。然后，填充封装硅胶保护所有芯片。最后，采用驱动电源对每一条电路上的芯片分别提供驱动电流，三基色LED 光源每条独立电路发出的蓝光、绿光以及红光的强度会随着驱动电流的改变而发生变化，这样光源就能够实现色域可调、任意变色。电路结构示意图如图1 所示。

图1 COB LED 电路连接示意图Fig.1 COB LED circuit connection diagram

该设计的优势体现在以下几方面：选材方面，由于荧光粉的发射光谱较宽，所以通过调节荧光粉的配比，即在高显色指数、高光效白光的配比基础上加入红、绿粉的成分，分别配制成红、绿色荧光胶，则光源发光时任何颜色都包含了相当多的其他光谱成分，光谱足够连续且显色指数较高。封装方面，由于倒装工艺不需要金线，直接将倒装芯片固装在基板上，热量不必经过芯片的蓝宝石衬底，导热更快，同时避免了因金线虚焊或接触不良等因素引起的光源失效问题，提高了良率。制作工艺方面，用喷粉工艺替代传统的点胶工艺，实现了在微小尺寸芯片表面完成荧光粉定域、定量的涂覆，能够精确控制光源的色度。

2.3 样品制作

LED 光源采用倒装COB 封装方式，封装结构示意图如图2 所示。中间部分由下向上依次为基板、芯片、荧光粉涂层和封装胶，左右两边则包含有绝缘层、铜箔。

图2 COB 封装结构示意图Fig.2 Schematic diagram of COB package structure

采用边长为19 mm 的高导热率正方形超导铝基板，发光面是直径为17 mm 的圆形。芯片采用尺寸大小为0.35 mm×0.76 mm、发光的峰值波长为447 nm、单颗功率为0.5 W 的倒装GaN 蓝光芯片并采用12 串3 并的电路结构方式将其连接起来。制作实验样品时，依次经过固晶、喷粉、围坝和填胶等工艺将芯片固定在基板上完成电气互连。具体工艺流程为：首先将蓝光芯片固定在超导铝基板上（底部带有设置好的线路），使用喷粉机在芯片表面喷涂不同颜色的混合荧光粉，再用围坝机进行点圈围坝，然后将封装胶点涂在围坝圈内控制胶面呈平面装或微向内凹，最后进行固化。

使用江苏博睿光电有限公司型号为GM525M 3的YAG 黄绿色荧光粉、BG547D 硅酸盐绿色荧光粉以及RH639 氟化物红色荧光粉，在525 nm 中添加547 nm 绿粉，补充了绿色波段的光谱。因为光谱中红光波段缺陷较大，所以使用发光效率较高的峰值波长为639 nm 的红色荧光粉，补充LED中的红光，使光谱的红光波段更为平滑，有效提高了显色指数，3 种荧光粉的光谱曲线如图3 所示。封装胶使用高透光性和热稳定性的有机硅胶：A 胶和B 胶。使用深圳市金迪电子材料有限公司的稀释剂M-001，其作用是稀释有机硅胶，把黏度降到最低从而使荧光胶在喷涂时能够更好地雾化，而在一定温度烘烤后稀释剂会完全挥发。

图3 荧光粉光谱曲线Fig.3 Spectral curves of phosphor

通过调节荧光粉的配比及喷涂时所使用的胶量来决定LED 光源分别发出红绿蓝光时的靶点。混合红色荧光胶的配比为稀释剂∶封装A 胶∶封装B 胶∶525 黄绿粉∶639 红粉=6∶1∶1∶0.27∶5，混合绿色荧光胶的配比为稀释剂：封装A 胶∶封装B 胶∶525 黄绿粉∶639 红粉∶547 绿粉=6∶1∶1∶0.27∶0.008∶5.5。在喷涂荧光胶的过程中，通过在光谱测试仪上观察点亮单色光时的靶点位置，并以此为依据控制单次喷粉量和喷涂次数。该过程只需要喷红绿两种颜色的荧光胶，因为芯片自身发出的是蓝光，激发两种颜色的荧光胶产生红绿光，三者自然而然组合成了三基色。喷粉完成后，放入150 ℃烘烤箱内烘烤2 h 使荧光胶固化，完成实验样品制作。

3 结果分析

3.1 测量原理及方法

采用杭州星谱公司的SSP3112 型LED 光色电参数综合测试仪测量COB 光源光电参数。该测试仪是一个内部空的完整球壳，内壁涂白色漫反射层，球内放待测光源。光源发射并经球面漫反射的一部分光线通过球壁上的窗口射到光探测器上，在光探测器前面装滤光器，保证光探测器的测量值准确并接近人眼视觉函数。由探测器将光信号转化为光电流信号，经过取样、放大后，AD 转换器将光电流信号转化为数字信号送入微处理器，再经过计算和定校即可得到光通量值［20-21］。它的测试原理是光纤将收集到的光传递到光谱仪的衍射光栅上，衍射光栅将入射的白光按照波长分解，在光电转换器上将能量按照波长的分布转换成相应的电信号。测试仪直接测量到的参数仅是光能量随波长的分布，然后在计算机中根据光度学和色度学基本原理，由光谱分布计算得到色品坐标、色温、显色指数等LED 光源的主要参数。

测试系统的计算机除了可以完成数据的计算和处理之外，还可以控制LED 驱动电源的电流和供电电流脉冲的宽度。实验中样品采用脉冲电流测试，电流值取COB 光源的典型工作电流100 mA，脉冲（曝光时间）持续30 ms。

3.2 数据分析

3.2.1 光色参数分析

在光谱仪上对样品进行点亮测试，测量参数包括色温、色坐标、光通量、显色指数等。光源的电路结构为12 串3 并，点亮每并芯片需要150 mA额定电流，设置总驱动电流为300 mA，改变各独立支路的电流大小得到对应的色温。表1 为不同驱动电流下光源的各个光色参数。

表1 不同驱动电流下的光色参数Tab.1 Color parameters of different driving current

由表1 可知，c 组（蓝光）电路电流为0 mA 时，光源的色温最低为3 000 K，显色指数为72.9；电流为30 mA 时，色温为5 500 K，显色指数为83.4。随着a 组电流减小，b 组、c 组电路电流增加，红光强度逐渐减小，绿、蓝光强度逐渐增大，蓝光光谱所占的比例增加，导致光源的色温升高。

随着c 组（蓝光）电路的电流逐渐变大，光源的光通量随之变大。造成这种现象的原因是蓝光强度越来越高，荧光粉的光致激发效率变大，导致波长变短，辐射能量增强。

3.2.2 显色指数分析

采用控制变量法，测试RGB 芯片光源在3 000～6 000 K 连续色温下的显色指数并与样品光源的显色指数进行对比，各项数值如表2 所示。

表2 两种RGB 在不同色温下的显色指数Tab.2 Color rendering index of the two RGB colors at different color temperatures

在3 000～6 000 K 连续范围内，任何一个色温下样品光源的显色指数均高于RGB 芯片光源。其中5 000 K 时，样品光源的显色指数为83.4，而RGB 芯片光源显色指数只有43.3。在均值方面，RGB 样品光源显色指数的均值为78.5，而RGB 芯片光源只有41.0。由于红、绿荧光胶是在高显色指数、高光效冷白光的配比基础上添加639 nm 红粉和547 nm 青绿粉，故光源在任何颜色、任何色温下的显色指数都较高。

选取样品光源在连续色温3 000～6 000 K 下的平均显色指数Ra 和特殊显色指数R9、R12，绘制了如图4 所示的柱状图。其中平均显色指数Ra 在任一色温下均达到了72 以上；而特殊显色指数R9 在任一色温下都较小，在色温4 000 K 时的值最低为2.4，而3 000 K 时也只有15.9；特殊显色指 数R12 在3 000 K 时最低为75.5，在3 500 K 时最高为86.4。综上所述，样品光源的R9 较小，对物体红色的还原能力较弱，但根据平均显指Ra和特殊显指R12，样品光源还是能够适应较多的场景需求。

图4 不同色温下光源的显色指数柱状图Fig.4 Histogram of color rendering index of light source at different color temperatures

为了进一步佐证样品光源相比于传统三基色光源在照明领域的优势，对比分析了其他重要的光色参数。对样品光源、RGB 芯片光源分别使用150 mA 电流点亮单色光时，在色度图上红、绿、蓝光对应的靶点以及围成的色域图如图5所示。其中R1G1B1组成的三角形区域为样品光源的色域图，R2G2B2组成的三角形区域为RGB 芯片光源的色域图。理论上三角形面积越大则表示色域范围越大，但在实际使用中，需要保证其兼容性和良好的色彩管理，色域值并不是越大越好，还应该兼顾色彩的控制，这样才能够发挥真正的效果。本文样品光源的色域范围没有RGB芯片光源的色域范围大，但在考虑了产品的兼容性的条件下达到了较好的色彩，在照明领域中足以满足要求。此外，在样品色域图（R1G1B1组成的三角形区域）中可以看到，选取的表2 中7 个特定色温下的色坐标有6 组位于普朗克曲线上，其余一个也非常靠近曲线，进一步证明样品光源的显色性较好、色彩保真度较高。

图5 两种RGB 光源的色域对比图Fig.5 Color gamut of two RGB light sources

色温都为5 000 K 时，两种RGB 光源的光谱图如图6 所示。从整体来看，RGB芯片光源的光谱只有3个突兀的峰，而样品光源的光谱较为连续。在480 nm 附近，三基色芯片光谱强度最低只有0.05 左右，而样品光源光谱强度最低为0.25，比前者高出了0.2；三基色光源光谱强度在680 nm后趋于0，而样品光源光谱强度在760 nm 后才逐渐趋于0。也就是说，样品光源光谱整体的连续性优于RGB 芯片光源。

图6 色温为5 000 K 时两种RGB 光谱对比图Fig.6 Comparison of two RGB spectra at 5 000 K color temperature

4 结 论

色域可调阶段是LED 光源发展至今一个重要的阶段，传统的RGB 芯片光源已满足不了高品质生活的需求，使用COB 封装的LED 光源实现色域可调目前还未有过报道。本文以智能照明、智能调光为出发点，设计并制作了一款基于全蓝光芯片和荧光粉分区涂覆的高显色指数、色域可调的COB LED 光源，通过改变3 条支路的电流，实现了色域可调。在3 000～6 000 K 连续色温下，样品光源的显色指数最低是72.9，最高为83.4，同时色彩保真度较好，光谱足够连续，非常适用于对光源尺寸有着严格要求的商业照明领域。相比于传统的RGB 光源，样品光源具备低成本、应用广等优势，能够与商业化相结合，有着良好的应用前景。