远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术

贺 军，张 景，葛 鹏，王 洪

(华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心，物理与光电学院，广州 510640)

远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术

贺 军，张 景，葛 鹏，王 洪

(华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心，物理与光电学院，广州 510640)

提出了一种远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术。从荧光粉散射理论分析了LED远程荧光粉涂覆角色温不均匀的原因,利用边缘光线理论设计了一符合从荧光粉激发出的黄光光强分布的自由曲面反射器结构。模拟和实验结果表示这种反射器结构相比普通反射器增加了光效且改善了角色温均匀性,此外我们基于此反射器做了色温6 000 K的一体化光源，其光效能达到110 lm/W。

远程荧光粉涂覆；自由曲面反射器；角色温均匀；一体化光源

引言

作为新一代固体光源，LED相比传统的光源有更高效率，高可靠性，高稳定性而且更环保。通常采用蓝光芯片激发黄红荧光粉使其混合从而产生白光。目前LED已用于各种场合，如背光源、路灯、汽车灯、室内照明、交通显示灯等。然而还面临着一些技术挑战，比如如何提高光效，提高显指，提高角色温均匀性等。荧光粉涂覆被认为是影响光质量的主要因素。目前有三种不同的涂覆方法：传统的点胶涂覆法，保形涂覆法，远程涂覆法。远程荧光粉涂覆由于荧光粉远离LED芯片，相比前两种涂覆方法使其温度没有那么高，提高了荧光粉的效率，而且降低了芯片对背向散射光的吸收。但是远程荧光涂覆存在许多不足之处，如很多光线被困反射杯、芯片和荧光粉之间，另外还有荧光粉层的折射率与空气折射率相差太大，很多光线被全反射，导致光效低。此外远程荧光粉带来空间颜色不均匀现象较明显。许多学者都在致力于改进远程荧光粉涂覆的光效和空间颜色均匀性。通过改变荧光粉形状来来提高角色温均匀性[1-10]，利用带微结构来改善角色温均匀性[11-19]，利用硅胶的形状来改善光的角色温均匀性[20]，利用微小颗粒添加到荧光粉层中来改善角色温均匀性[21]，等等。大部分文献都是针对单个大功率芯片封装的研究[3,14]，直到最近才出现针对多芯片COB封装的研究[7,10]，但大部分都是小功率的。本文提出自由曲面反射器和远程荧光涂覆技术来改善大功率LED COB封装光源角色温均匀性，且在荧光粉片上方加扩散板，进一步改善大功率LED光源角色温均匀性。

1 仿真

荧光粉层的发光机制包括蓝光散射、蓝光吸收、蓝光被荧光粉吸收后的黄光辐射以及黄光的散射四个方面。图1是1 mm厚的荧光粉层激发出来的黄光光强分布图。由于荧光粉激发出来的黄光是各向同性的，所以处于0°到50°范围内的光强大体上一致，对于50°到90°范围，由于存在荧光粉粒子的阻碍，再加上大角度折射时菲涅尔损耗比较严重，故光强迅速减小。由于将近有50%的光背向散射，所以反射器的结构会对背向散射的黄光分布和LED芯片发出的大角度蓝光产生影响。由于蓝光经过反射器、荧光粉后与荧光粉激发出的黄光光强不匹配，蓝光朗伯光形经过普通反射杯后变成中间光强增加，边缘光强降低，而荧光粉激发出的黄光是各向同性的，虽然在大于50°左右受荧光粉的阻碍和菲涅尔损耗，但是其相对于0°左右的黄蓝比还是很大的，所以导致中间蓝，边缘黄的现象。

从图1可以看出黄光在50°时的光强迅速减小，为了匹配黄光的光强分布，我们利用边缘光线理论[22]设计出自由曲面反射器，具体设计步骤如下：

1)定义初始点P0(x0,y0)和顶面出光直径D,然后把反射器分为N个部分，各个部分横向均等分。

2)根据能量守恒和边缘光线理论求出每一入射光线对应反射光线的出射角度[22-23]。

图1 荧光粉激发出黄光的光强分布Fig.1 Intensity Distribution of the yellow light from the phosphor

3)利用初始点P0得到一系列点Pi(i=1…N)。如对于已知的Pi点，由于入射光线和出射光线都已知，根据反射定律就可求出此点的法向量Ni和切向量Γi，由于已知Pi+1的横坐标，故Pi+1点也可求出，以此类推直到PN，如图2(a)所示。

4)把这些点导入机械设计软件得到一自由曲线再绕z轴旋转得到一自由曲面。

为了配合下面的底座和上面的荧光粉片扩散板，我们做了结构优化,模型如图2(b)所示。蓝光经过该自由曲面反射器的光强分布如图3(a)所示。

图2 (a)计算自由曲面上的点Pi+1， (b) 自由曲面发射器Fig.2 (a)calculate the point Pi+1 of the free-form surface， (b) free-form surface reflector

对自由曲面反射器和普通反射器进行了模拟对比[24]，来验证基于自由曲面反射器的远程荧光粉涂覆相比普通反射器角色温均匀性有所改善。光源为直径19 mm的朗伯分布的面光源，波长分布如图4所示。荧光粉层设置厚度1 mm,直径为58 mm和直径为50 mm的圆柱，其吸收光谱，激发光谱，发射光谱如图5所示，自由曲面反射器模型如图2(b)所示，普通反射器底部直径为21 mm，顶部直径为50 mm，高25 mm。模拟时假设荧光粉颗粒均匀分散在硅胶中,调整荧光粉浓度使各自光源色温达到5 000 K左右，仿真结果的部分光学参数如表1所示，角色温分布如图6所示。我们可以看到基于自由曲面反射器的角色温均匀性明显比普通反射器的要好。

图4 蓝光芯片的波长分布Fig.4 The wavelength distribution of the blue LED chip

图5 荧光粉的参数Fig.5 phosphor’s parameters

图6 COB光源经过反射器的角色温曲线Fig.6 Angular correlated color temperature distribution

2 实验

为了验证上述模拟结果，我们分别对两种反射器做了对比实验。陶瓷基板的COB光源尺寸和单个蓝光芯片的尺寸分别为直径19 mm和0.508 mm×0.889 mm，蓝光芯片为三安的正装芯片，其主波长大约为447 nm。在120 mA的电流下，光辐射能量约为190 mW。45颗蓝光芯片3并15串用银胶固定在基板上，上面涂一层硅胶来保护电极与焊线。制作荧光粉片过程中把荧光粉与硅胶混合，使用搅拌机脱泡搅匀，在玻璃板上围一个圆形坝，喷上脱模剂，再把配好的荧光粉胶均匀的涂在圆坝内，旋转使其厚度一致，放进温度为150 ℃的烤箱烘烤3 h，揭下荧光粉片。调整荧光粉浓度使相同体积的荧光粉片能使色温达到5 000 K左右。其模型如图7所示，试验结果如图8所示。

图7 自由曲面发射器和普通反射器对比试验 Fig.7 comparative trial between free-form and general reflector

图8 自由曲面反射器和普通反射器的对比Fig.8 comparison between free-form and general reflector

3 结果与讨论

从图8可以看出，自由曲面发射器的角色温明显比普通反射器的角色温均匀，验证了仿真结果。这是因为蓝光被普通反射器汇聚形成中间光强很大，边缘光强很小，而黄光的发射在荧光层中是各向同性的，在50°左右才急速下降。蓝光经过荧光粉后部分被吸收，而没被吸收的部分蓝光大体上遵从Mie散射，对于直径平均为13 μm的粒子来说，Mie散射造成蓝光的偏转角不会太大,故造成了中间蓝边缘黄的现象。而对于自由曲面发射器来说，蓝光在0°到50°左右几乎保持不变，在50°开始才急速下降，这刚好与黄光的光强分布基本相吻合。故而角色温均匀性比普通反射器要好。对于光效，从表1可以看出无论是仿真还是实验都证明了对于同一色温基于自由曲面反射器的光源比普通反射器的光效要好。一方面由于自由曲面反射器张开的角要比普通反射器的要大，而普通反射器对于蓝光吸收比较大，故而光效比普通反射器高，另一方面由于黄光各向同性背向散射的黄光也被普通反射器吸收了一部分。对于显指，我们对模拟和实验进行了比较，发现这两者存在一定差异，仿真结果表明两种反射器对于显指并无太大差异，而实验结果表明基于自由曲面发射器的显指略高一点，这可能是由于实验采用的荧光粉不止一种的缘故。我们比较仿真结果和实验结果，发现虽然得到的具体数值不太一样，但是都能发现自由曲面反射器的优越性。这一方面是归因于实际光源并非亮度均匀且服从朗伯分布，另一方面是由于荧光粉并非以真正的球形均匀的分布在硅胶中，因此并不完全服从理论上的Mie散射分布。我们分别在两种灯具的荧光粉片上加了扩散板，基于自由曲面反射器的远程涂覆灯具光颜色在0°到80°左右无明显变化，而普通反射器的远程涂覆灯具角颜色均匀明显改善。利用自由曲面反射器远程荧光涂覆技术，并在荧光粉片上方加扩散板，实现了一体化光源如图9所示，其色温为6 000 K，光效达到110 lm/W，显色指数达到73。

表1 自由曲面反射器和普通反射器的出光光学参数(实验/仿真)

图9 远程荧光粉涂覆的一体化光源Fig.9 Light source integration based on remote phosphor

4 结论

本文提出了基于自由曲面反射器的远程荧光粉涂覆的一体化光源技术。仿真和实验表明在5 000 K时自由曲面反射器的一体化光源相比普通反射器角颜色更加均匀，光效也相对比较高。此外我们还做了6 000 K色温的一体化光源，光效能达110 lm/W,显色指数能达到73。

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Packaging Technique of the Integrated Light Source Based on Remote Phosphor

HE Jun, ZHANG Jing, GE Peng, WANG Hong

(EngineeringResearchCenterforOptoelectronicsofGuangdongProvince,SchoolofPhysicsandOpto-electronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640，China)

A packaging technique of the integrated light source based on remote phosphor is proposed. We design a freeform reflector for the yellow light emitted from the phosphor based on the edge rays’ theory through analyzing the cause of the color angular non-uniformity of LED’s remote phosphor technology. Simulation and the experimental measurements show that the LED samples with free form reflector can improve the lumen efficiency and achieves smaller correlated color temperature deviation than the ordinary ones. Besides, we made an integrated light source whose color temperature is 6 000 K based on the remote phosphor and the freeform reflector. It can achieve as high light efficiency as 110 lm/W.

remote phosphor; freeform reflectors; angular color uniformity; integrated light source

广东省科技厅重大产学研 (2016B090918057), 广州市科创委重大产学研(Nos.201504291502518,201504291057005),广东省科技厅战略性新兴产业专项资金 (No.2012A080304015) 通信作者：王洪，E-mail:phhwang@scut.edu.cn

TM923. 01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.020