沈亞鋒

（廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 361006）

采用玻璃基板提升COB LED取光率的研究*

沈亞鋒

（廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 361006）

采用Lighttools仿真軟件對熒光粉散射特性進行理論分析，提出透光率≥95%的平面高硼硅玻璃作為COB基板。結(jié)果顯示，在常見的熒光粉粒徑大小與濃度下，熒光粉反向散射可達29%。采用高透光玻璃作為基材，增加了熒光粉反向散射光線的利用率，并制作了雙面發(fā)光的高取光率長條形COB LED并表征其性能參數(shù)與可靠性試驗。該暖白光3000 K COB LED具有180 lm/W高光效，發(fā)光角度大于250°，色容差小于5 SCDM，可靠性好。與陶瓷基板、鋁基板的COB LED結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)可提高取光率約15%，有潛力用于大功率LED封裝應用。

高取光率；玻璃基板；熒光粉；散射仿真；COB LED

1　引言

眾所周知，由于LED所具有的低能耗、快速響應、長壽命、環(huán)境保護等方面的優(yōu)點［1～3］，已經(jīng)使其成為新一代固態(tài)照明光源。

近年來，單芯片大功率LED已經(jīng)不能滿足通用照明、背光源、汽車照明燈方面［4］的應用。因單芯片LED的總體尺寸限制了更大功率密度的集成，過多的導熱膠、基板、焊盤等影響了可靠性和穩(wěn)定性。因此，大功率多芯片COB LED孕育而生，并已經(jīng)成為工業(yè)設計生產(chǎn)的趨勢［5～7］。COB封裝技術(shù)是將LED芯片直接貼裝于金屬基板PCB或陶瓷基板等［8］，這些基板可滿足更高的封裝密度、更好的熱穩(wěn)定性和更大的發(fā)光角度，但基板均不透明，如鋁基板，芯片裝架區(qū)制作了一層鏡面鋁或者銀反射層用于增大取光率，COB LED取光效率還比較低［9］。

2　熒光粉散射特性仿真分析

熒光粉為光致發(fā)光材料，對特定波段的光進行吸收，經(jīng)下轉(zhuǎn)換過程發(fā)射出更長波段的各種顏色光，是重要的LED封裝材料，其品質(zhì)的好壞直接影響整個LED 器件的光學性能。無論是陶瓷基板、鋁基板和玻璃基板，均需藍光LED激發(fā)熒光粉混合白光。因此提高COB的取光率，首先要對熒光粉的散射特性進行評估。目前許多研究已經(jīng)采用了光學仿真手段研究了LED取光率的提高［9～10］。但是藍光芯片激發(fā)熒光粉的混合白光LED仿真還需要引入散射理論進行。Mie散射是當前用于熒光粉光學仿真的主要理論。Mie理論主要針對的是球形粒子，盡管實際粒子形狀不規(guī)則，但研究發(fā)現(xiàn)，利用Mie散射理論來對球形近似的實際不規(guī)則粒子進行求解可得到較為精確的結(jié)果。米氏散射的輻射強度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。利用米氏散射理論為基礎，研究熒光粉這種粒徑遠大于波長的粒子，比較有實際應用價值。目前許多研究都通過Mie散射對熒光粉的散射特性進行了研究［11～12］。

本研究中由于考察的是熒光粉散射特性，所以模型只設置了一顆芯片，芯片尺寸為1 mm×1 mm×0.1 mm。一層熒光粉膠層（20 mm×20 mm×0.5 mm，尺寸大于芯片，保證光線基本從上下表面射出，避免側(cè)面出光干擾散射特性研究），忽略基板、芯片對光線吸收，光線僅為單一波長550 nm，芯片也與熒光粉膠層設置為同一種材料。熒光粉膠中的硅膠折射率為1.41，透光率98.5% /2 mm厚，熒光粉設置為折射率1.8，無虛部折射率。其余表面均設置為Baresurface。上表面朗伯型發(fā)光，光線數(shù)量設置為1百萬條。設置一個無限遠場接收器接收光線。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

考察比較典型的情況，即熒光粉粒徑為11 μm，濃度3×104個/mm3。由光分布仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，除了正面出光外，許多光線仍然反向出光。這表明熒光粉的散射作用是必須在仿真模型中考慮的。將總能量歸一化，通過計算正、反面的光分布曲線積分值，可知二者的相對能量值。在這個典型案例里，正面相對能量為71%，反面能量比為29%，反面出的光線占總光線29%。

圖1　用于熒光粉散射特性研究模型示意圖

圖2　熒光粉粒徑11μm、濃度3×104個/mm3的熒光粉散射光分布曲線

3　暖白光長條形玻璃基板COB的工藝流程、性能測試、可靠性評估

基于熒光粉散射仿真分析的結(jié)果顯示，熒光粉的反向散射是很突出的，反向散射相對能量為0.29，因此如果采用透明材料作為基板，可以很有效地利用這些反向散射光線。而玻璃基板具有透光率高、平整度高、輻射系數(shù)高、與芯片熱匹配等優(yōu)點。因此本研究采用透明平板玻璃作為基板，并創(chuàng)新地采用玻璃作為基材制作了雙面發(fā)光高取光率新結(jié)構(gòu)的COB LED，并制作了高光效、可產(chǎn)業(yè)化推廣的暖白光長條形玻璃基板COB，測試其光色參數(shù)，并進行了可靠性試驗。

3.1工藝流程

實驗材料：8 mm×37.5 mm×0.5 mm的長條形平板高硼硅玻璃（透光率≥95%）、鎵酸鹽綠粉、（SrCa）AlSiN3：Eu紅粉、硅膠、藍光芯片（0.35 mm× 0.7 mm， λp=455 nm～457 nm， Po＞35 mW）。導電銀漿，Ag重量百分比＞75%，西安宏星電子漿料。

儀器：透光率測試采用AvaSpec-ULS2048x64光譜儀（Avantes Co.， 美國），光色參數(shù)測試采用HAAS-2000（遠方光電，中國），光強分布測試采用LED620（遠方光電，中國）。

玻璃基板COB LED制作方法如下：

將24顆藍光芯片按串聯(lián)的陣列形式裝于玻璃基板表面，芯片和基板之間通過絕緣膠加熱固化后固定。采用金絲鍵合各個芯片與銀電極形成電路。在基板正面點圍壩膠并固化，然后在基板背面制作圍壩并固化。將一定比例配置的熒光粉硅膠（W綠：W紅：W硅膠=1.15：0.22：5.5）點入基板背面內(nèi)，加熱固化。然后在基板正面點入熒光粉膠，調(diào)節(jié)色溫至3045 K檔，并固化。

按此方法，制作113只樣品。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。LED器件的實物照片如圖3（b）所示。制作流程如圖4所示。

圖3　暖白光長條形玻璃基板COB結(jié)構(gòu)示意圖（a）和實物照片（b）

圖4　暖白光長條形玻璃基板COB流程圖

3.2光色參數(shù)測試

由表1可知，玻璃基板COB LED的平均光效為187.27 lm/W，色容差＜6 SDCM，平均色溫2969 K，顯色指數(shù)Ra＞80。由表1與表2的數(shù)據(jù)可見，玻璃基板COB LED光通量是陶瓷基板與鋁基板COB LED 光通量的約1.15倍，玻璃基板可有效提高取光率。目前國際COB LED一線廠商，如西鐵城COB LED的光效水平在130～150 lm/W［13］。本文的玻璃基板COB LED光電參數(shù)達到國際先進水平。此外，玻璃基板COB LED的合格率達到92%以上，主要的不良是由于將玻璃拼板掰開成單板過程中操作不當導致破碎，當工藝熟練后，合格率還可進一步提高。因此，將陶瓷基板與鋁基板COB LED的點膠工藝直接用于玻璃基板COB的工藝流程方案是切實可行的。

3.3可靠性測試

隨著近年來LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性［14］越來越受到業(yè)界的重視，它是LED產(chǎn)品最重要的性能之一。LED可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

本研究對高低溫循環(huán)［15］、常溫電耐久［16］、高溫貯存［17］、低溫貯存［18］等開展實驗以評估LED的可靠性，見表3。由表3可知，長條形玻璃基板的可靠性基本符合應用要求，具有進一步推廣的價值。

表1　20 mA直流下104條暖白光玻璃基板COB LED的光色參數(shù)

表2　20 mA直流下同樣方案2只陶瓷基板、鋁基板COB LED 的光色參數(shù)

表3　長條玻璃基板COB可靠性測試（測試條件： IF=20 mA，VF≈69 V）

4　結(jié)論

通過Mie散射仿真研究表明在常見的熒光粉粒徑大小與濃度下，雙面發(fā)光的玻璃基板COB LED具有180 lm/W高光效，發(fā)光角度大于250°，色容差小于6 SCDM，與陶瓷COB LED結(jié)構(gòu)相比可提高取光率約15%，具有用于大功率LED封裝應用的潛力，為LED照明產(chǎn)業(yè)提供一條新的技術(shù)途徑。

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Study of Light Extraction Improvement of COB LED with Glass Board

SHEN Yafeng
（Xiamen Hualian Electronics Co. Ltd.， Xiamen 361006， China）

Lighttools stimulation tools were utilized for the study of phosphors scatter properties. Transparent flat borosilicate glasses with≥95% light transmittance were applied as board materials. The reserve scattering energy of phosphors was 29% under the typical size and particle size distribution of phosphors. Using high transparent glass as substrates could improve the utilizing of the reverse light. Then double-sides light emitting structure of white strip-type LEDs with high light extraction efficiency was fabricated and their performance and reliability were characterized. The resulting warm white LEDs with correlated color temperature （CCT）of 3000 K exhibited a high luminous efficiency of 180 lm/W. The irritation angle was about 250 degree. Color tolerance is less than 6 SCDM. The reliability was good. The light extraction increased by about 15%，compared with ceramic board and aluminum board COB LED. The results are valuable and may be used for the application of the high power LED package.

high light extraction； flat glass board； phosphors； mie scatter stimulation； COB LED

TN312+.8

A

1681-1070（2015）12-0003-05

沈亞鋒（1964—），男，福建莆田人，工學學士，高級工程師，1986年畢業(yè)于江蘇工學院（現(xiàn)江蘇大學），現(xiàn)任廈門華聯(lián)電子有限公司副總經(jīng)理。

2015-8-24

國家“863”計劃項目（2013AA03A107） 電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金招標項目