本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志2013年第8期 (總第42期) 轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)
一、目前傳統(tǒng)灌封封裝工藝存在的問(wèn)題
目前常用的白光照明LED器件采用的是灌封封裝工藝技術(shù)，即將熒光粉與膠的混合體注入已經(jīng)完成固晶和金線綁定的芯片支架上，完成LED芯片表面的熒光粉涂覆。這種方法得到的熒光粉涂層，從中心到邊緣的結(jié)構(gòu)都不均勻。灌封工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖 1 LED器件熒光粉傳統(tǒng)灌封封裝工藝得到的熒光粉涂層形貌結(jié)構(gòu)圖
以下從色溫、光通量、散熱三個(gè)方面分析這種灌封封裝工藝存在的問(wèn)題。
1.色溫
LED器件出射白光的機(jī)理是芯片發(fā)出藍(lán)光，激發(fā)涂在芯片上面的YAG熒光粉，激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光，然后這些黃光與芯片的藍(lán)光混合形成白光，因此被激發(fā)的YAG熒光粉越多，黃光在整個(gè)組合形成的白光中所占比例就越大，則白光的顏色會(huì)偏黃及色溫偏暖，反之色溫偏冷。也就是說(shuō)，器件出射的白光色溫與芯片上面所涂覆的熒光粉層厚度有關(guān)。對(duì)同一芯片而言，厚度厚，色溫偏暖;厚度薄，色溫偏冷。如果芯片上面熒光粉涂層厚度不均勻的話，則LED器件發(fā)出的白光光斑在色溫上將會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。
圖 2 傳統(tǒng)熒光粉灌封封裝結(jié)構(gòu)的 LED 器件發(fā)光示意圖
同時(shí)，芯片表面熒光粉涂層射出的白光是呈半球狀向任意方向發(fā)出的，因此與芯片一體的反射罩也會(huì)接收到一些白光，而傳統(tǒng)熒光粉灌封結(jié)構(gòu)反光罩上有熒光粉涂層(見(jiàn)圖2)，由于接收到的白光中含有藍(lán)光成分，那么這些反射罩上的熒光粉涂層也會(huì)被激發(fā)，發(fā)出黃光;而一些白光也會(huì)因不同入射角度而被熒光粉涂層反射，那么，一些白光和黃光會(huì)向上與芯片表面涂層出射的光混合，一些黃光會(huì)向下進(jìn)入涂層內(nèi)部和反射罩，由于涂層擋在反射罩上面，所以這部分光則無(wú)法全部反射出，被涂層吸收轉(zhuǎn)化成熱能。由于被激發(fā)出來(lái)的白光色溫與熒光粉涂層的厚度密切相關(guān)，而反射罩上面的涂層厚度無(wú)法精確控制，故通過(guò)這些涂層發(fā)出的黃白光，其色溫就會(huì)與芯片表面熒光粉涂層發(fā)出的白光不一致，所以，更加劇了整個(gè)器件發(fā)射出的光斑內(nèi)色溫的不均勻現(xiàn)象。
從批量生產(chǎn)方面來(lái)看，灌封封裝工藝?yán)碚撋鲜且淮涡韵蛎恳粋€(gè)管芯上灌入同樣熒光粉濃度和重量的粉膠混合物，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，同一批次的LED管之間，每次灌入的粉膠混合物的熒光粉濃度無(wú)法精確控制，所以熒光粉層在形狀上都會(huì)有一定的差異，導(dǎo)致很難控制出射光斑的亮度均勻性和色溫一致性，從而帶來(lái)器件間較大的色度差異。
同時(shí)，由于涂層膠滴實(shí)際微觀表面凹凸不平，當(dāng)光線出射時(shí)還有可能會(huì)形成白光顏色不均勻，導(dǎo)致局部偏黃或偏藍(lán)不均勻性光斑出現(xiàn)。
2.光通量
傳統(tǒng)灌封封裝的LED器件，其熒光粉涂層覆蓋了芯片與反射罩，那么通過(guò)芯片藍(lán)光激發(fā)出來(lái)的白光，除了芯片表面直射出來(lái)的光之外，還有一部分光將射到反射罩上面(見(jiàn)圖2)。這部分白光先射到熒光粉涂層上面，而熒光粉涂層表面的反射能力很弱，所以部分光將被涂層表面反射，部分光將會(huì)被熒光粉涂層吸收，所以，芯片上熒光粉涂層被激發(fā)出來(lái)的所有白光，將有一部分被損失掉，不是全部被發(fā)射出來(lái)。
3.器件散熱
由于傳統(tǒng)灌封LED器件的反射罩上存在厚度不均勻的熒光粉涂層，芯片表面熒光粉發(fā)出來(lái)的照射到反射罩上熒光粉涂層的白光，有一部分將會(huì)被熒光粉涂層吸收，使熒光粉涂層發(fā)熱，從而導(dǎo)致LED芯片周邊溫度也升高，加大了LED芯片散熱負(fù)擔(dān);同時(shí)芯片溫升也將直接傳遞至其表面上的熒光粉涂層，使其溫度增加，故會(huì)使整個(gè)LED器件使用壽命受到影響。
二、將熒光粉涂層變?yōu)槠矫嫱繉幽芴岣咂骷珳匾恢滦院土炼染鶆蛐?/strong>
從以上分析可以看出，要改善功率白光LED的光斑空間分布均勻性以及管間色度、亮度的均勻一致性，熒光粉涂層形狀的控制至關(guān)重要，若使芯片表面的熒光粉層厚度均勻化，則能得到色溫一致性好的出射白光。
PhilipsLumileds公司2004年提出的平面涂層(Conformal Coating)概念已經(jīng)成為現(xiàn)在功率型白光LED封裝技術(shù)的一個(gè)重要方向。目前，國(guó)際上先進(jìn)的白光LED生產(chǎn)廠家(Cree、Philips Lumileds、Osram)已經(jīng)有平面涂層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開(kāi)始出售，說(shuō)明國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)廠家都已經(jīng)完成了各自的平面涂層技術(shù)開(kāi)發(fā)并在其白光產(chǎn)品上得到成功運(yùn)用。
目前所見(jiàn)國(guó)外報(bào)道的熒光粉平面涂層技術(shù)產(chǎn)品，許多是將熒光粉涂層在幾何厚度上達(dá)到均勻一致，盡管比傳統(tǒng)的灌封技術(shù)在白光性能上有很大提高，但仍然存在光斑均勻性達(dá)不到最佳的問(wèn)題,見(jiàn)圖3。
圖 3 熒光粉涂層在幾何厚度上達(dá)到均勻一致的平面涂層封裝結(jié)構(gòu)圖
因?yàn)槟壳癓ED芯片的物理結(jié)構(gòu)及制備工藝,其表面發(fā)光強(qiáng)度(亮度分布)并非嚴(yán)格均勻一致，而是隨發(fā)射角度的變化有所改變，也就是說(shuō)同一片芯片表面每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)所發(fā)出的藍(lán)光光強(qiáng)有可能是不等的，有的強(qiáng)一些，有的弱一些。那么在熒光粉涂層在幾何厚度上達(dá)到均勻一致，且熒光粉在芯片表面分布密度一致的情況下，被激發(fā)出來(lái)的黃光就相同，那么光強(qiáng)強(qiáng)的部位出射的混合白光藍(lán)光占的比例就會(huì)比光強(qiáng)弱的部位多，即芯片上光強(qiáng)強(qiáng)的部位色溫會(huì)偏冷，光強(qiáng)弱的部位色溫會(huì)偏暖。
同時(shí)，從以上結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在反射罩上還有熒光粉涂層，那么，有可能有部分出射白光照射到這些位于反射罩上的熒光粉涂層上，從而激發(fā)出一些黃光與芯片表面方向出射出的白光混合，這將影響整個(gè)出射白光光斑的色溫。
因此這類將熒光粉涂層在幾何厚度上達(dá)到均勻一致的平面涂層封裝則不能完全適應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度不一致的情況，所以光斑均勻性達(dá)不到很理想的狀態(tài)。
盡管熒光粉層平面結(jié)構(gòu)新工藝光斑均勻性還未達(dá)到最理想的狀態(tài)，但是，應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)此技術(shù)的改進(jìn)仍然給予了積極的響應(yīng)，許多以前因LED白光顏色不均勻而不使用LED照明的領(lǐng)域，也開(kāi)始愿意應(yīng)用LED產(chǎn)品。由此說(shuō)明，只要能得到理想的均勻出射白光光斑，LED產(chǎn)品將在更加廣闊的照明應(yīng)用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)照明光源，占據(jù)照明市場(chǎng)的更多份額。
若想得到更理想的均勻性出射光斑，不僅要實(shí)現(xiàn)熒光粉的平面涂層結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能響應(yīng)芯片表面發(fā)光強(qiáng)度(亮度分布)并非嚴(yán)格均勻一致的情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)熒光粉涂層的幾何結(jié)構(gòu)，即涂層厚度并非嚴(yán)格的物理相等，而是讓芯片表面的熒光粉涂層厚度可以依據(jù)光強(qiáng)的強(qiáng)弱，具有不同的涂層厚度，
同時(shí)，在反射罩上不能存留熒光粉涂層，避免出現(xiàn)黃光,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。
圖 4 能適應(yīng)芯片發(fā)光強(qiáng)度不一致情況的熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)圖
以上結(jié)構(gòu)的平面涂層封裝器件已經(jīng)在電子科技大學(xué)研制成功，預(yù)計(jì)2014年可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，平面涂層概念已經(jīng)成為現(xiàn)在功率型白光LED封裝技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
三、熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對(duì)提高LED器件光通量方面也有作用
熒光粉平面涂層結(jié)構(gòu)的LED器件，熒光粉涂層只是在芯片上，而承載芯片的支架與反光罩上均無(wú)熒光粉。芯片藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，混合輸出的白光，除了從芯片頂面直射出來(lái)的以外，還有射到反光罩表面的光，而這些光將被反光罩幾乎全部反射出來(lái)，與直射出來(lái)的光疊加，基本上保證了熒光粉涂層被激發(fā)出來(lái)的所有白光都被發(fā)射出來(lái),見(jiàn)圖5。
圖 5 熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的 LED 器件發(fā)光示意圖
傳統(tǒng)灌封封裝的LED器件如前所述，其芯片藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，混合輸出的白光，將有一部分被損失掉，不能全部被發(fā)射出來(lái)。
當(dāng)然，影響光通量的因素還有其它方面，平面涂層封裝只是一個(gè)方面，但從理論上來(lái)講，對(duì)于同一個(gè)LED芯片而言，采用平面涂層封裝結(jié)構(gòu)，其光通量應(yīng)該比灌封結(jié)構(gòu)的要高，即平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對(duì)提高光通量是有幫助的。
四、熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對(duì)降低LED器件發(fā)熱有作用
熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)LED器件基本上保證了熒光粉涂層被激發(fā)出來(lái)的所有白光都被發(fā)射出來(lái)。
而傳統(tǒng)灌封LED器件，熒光粉涂層覆蓋了芯片與反射罩，其器件發(fā)出的白光，有一部分將會(huì)被熒光粉涂層吸收，使熒光粉涂層發(fā)熱，同時(shí)使LED芯片周邊溫度也升高，加大了LED芯片散熱負(fù)擔(dān)，芯片溫升也將直接傳遞至其表面上的熒光粉涂層，使其溫度增加，從而增加整個(gè)LED器件散熱的負(fù)擔(dān)。
當(dāng)然，LED器件發(fā)熱的因素很多，封裝結(jié)構(gòu)影響發(fā)熱只是一個(gè)方面，且不是影響散熱效果的決定因素。
五、小結(jié)
熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的LED照明器件在性能指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)灌封封裝結(jié)構(gòu)的器件，將在許多對(duì)照明色溫一致性、光斑顏色和亮度均勻性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合獲得好評(píng)，比如高端產(chǎn)品專賣店、展覽館、博物館、服裝專賣、彩色印刷、精密加工等。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，器件的應(yīng)用量增加，其成本將逐步下降，熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的LED照明光源將逐步會(huì)成為L(zhǎng)ED照明應(yīng)用的主流。
