图案化基板LED中荧光粉对光学性能的影响

张清梅， 朱大庆， 邹怀远

(1. 华侨大学 信息科学与工程学院， 福建 厦门 361021；2. 福建省光传输与变换重点实验室， 福建 厦门 361021)

图案化基板LED中荧光粉对光学性能的影响

张清梅1,2， 朱大庆1,2， 邹怀远1,2

(1. 华侨大学 信息科学与工程学院， 福建 厦门 361021；2. 福建省光传输与变换重点实验室， 福建 厦门 361021)

采用基板上加倒锥形图案化的新型封装方式，用蒙特卡洛光线追迹法仿真保形涂覆荧光粉体积比和厚度变化时，发光二极管(LED)光源光色品质的变化.仿真结果表明：LED光源的出光效率在图案化倾斜角α为30°,45°时，出光效率的提升量最大；α为45°时，传统平面封装光源的空间颜色均匀性最大优化幅度分别为9.1%,8.4%；荧光粉厚度、体积比不变时，颜色均匀性相对于传统平面封装光源的优化幅度最大为11.1%,10.4%，光源的色温差值最大减小1 006,1 319 K；在厚度、体积比参数中任选一个进行优化，均可改善LED产品的颜色均匀性，而优化图案化结构可使空间颜色均匀性更明显地提高.

荧光粉层； 图案化基板； 出光效率； 空间颜色分布

Abstract： Effects of variations of conformal coating phosphors thickness and volume ratio on optical consistency of the new packaging light emitting diodes (LED) including the luminous and chromatic performance were simulated studied by Monte Carlo ray tracing method. The new packaging LED had a patterned board with regular invert cone structures. Simulation results revealed that a maximum light extraction efficiency improvement of the LED would achieve when the inclination angles of the invert cone structures were 30° and 45°. Whenα=45°, the largest improvement of angular color uniformity (ACU) compared to traditional planar packaging was 9.1% and 8.4% respectively. When the phosphor volume ratio and thickness were not changed, the largest improvement of ACU was 11.1% and 10.4%. When the thickness and the volume ratio of the phosphor layer changed, the correlated color temperature difference value of patterned structure LED was 1 006, 1 319 K lower than the LED with planar board. At this point, the patterned board has an obvious impact on the ACU of the LED. Optimization of phosphor layer thickness or volume ratio parameters can improve the light quality of LED packages. In the meantime, optimize the patterned structure can make the space color uniformity increase more obviously.

Keywords： phosphor coating layer; patterned board; light extraction efficiency; angular color uniformity

集成高功率发光二极管(LED)逐渐成为固体照明的发展趋势，白光LED的出光效率和空间颜色均匀性是业界关心的重要问题，而荧光粉涂覆工艺是影响LED光色品质的最重要因素[1-2].为了提高LED光源的出光效率，Li等[3]在平面基板上做图案化结构，破坏出光界面的全反射,使出光效率提高42%.Wu等[4]在封装硅胶平面加微结构，出光效率理论上可以提高47%.为了有效提高封装光源的光色一致性，国内外研究人员做了许多工作.Sommer等[5-6]建立保形涂覆荧光粉层的模型，讨论荧光粉层厚度、体积比等参数对空间色分布均匀性的影响.Liu等[7-8]建立几种不同的封装模型，仿真计算不同结构封装的荧光粉层厚度和体积比、距离等参数对白光LED光色品质的影响，得出荧光粉和芯片的发光形式相近时出光均匀性最佳.本文采用基板上加倒锥形图案的新型封装结构，进行光学仿真(Lightools 8.0)，研究图案化结构的LED中，荧光粉层参数对光源出光效率及空间颜色分布均匀性的影响.

1 仿真模型的建立

对图案化结构的COB封装的白光LED光色品质进行研究.封装光源芯片排列为3×3阵列，中心间距6 mm，芯片模型为1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm的GaN蓝光芯片.有图案的基板尺寸为22 mm×22 mm×2 mm，表面反射率为0.90.基板表面添加的倒锥形结构半径为0.5 mm，锥形开口朝上，顶点间距为0.75 mm.保形涂覆荧光粉层的材料为YAG:Ge和硅胶的混合物.由Mie散射理论，设荧光粉颗粒直径为15 μm的球体，荧光粉层折射率为1.63.在距发光面316 mm处，设置片状接收器，每相邻的片状接收器角度间隔5°，分析各个角度接收面上的光线信息.

光线追迹过程中，仿真得出LED的出光效率和黄蓝光比(YBR).采用空间±65°范围内的最小YBR(RYB,min)和最大YBR(RYB,max)的比值UC评价LED的空间颜色均匀性[9-11]，即

用相同荧光粉厚度、体积比变化范围内，色温最大值与最小值的差值ΔTCC描述图案化结构LED中荧光粉参数变化的影响，即

2 结果与讨论

美国能源之星的固态照明灯具标准将白光LED分为8种色型[12]，讨论不同结构光源的荧光粉体积比及厚度变化对光色品质的影响.

2.1出光效率的影响因数分析

分析倾斜角度为0°,15°,30°,45°,55°时，倒圆锥形结构光源的出光效率随体积比和厚度的变化情况.其中，0°表示无图案封装.试验采用2种方法：方法1为平面基板加图案化结构；方法2为带反光杯阵列基板图案化.当α为0°,15°,30°,45°,55°时，荧光粉的厚度(h)、体积比变化对出光效率(η)的影响，如图1,2所示.以色温在3 000～9 700 K范围内的封装做进一步分析.图1中：体积比为1.59%；厚度为0.07～0.25 mm.图2中：厚度为0.1 mm；体积比为1.06%～2.30%.

(a) 方法1 (b) 方法2图1 荧光粉厚度变化对出光效率的影响Fig.1 Influence of phosphor thickness on luminous efficiency

(a) 方法1 (b) 方法2图2 荧光粉体积比变化对出光效率的影响Fig.2 Influence of phosphor volume ratio on luminous efficiency

由图1,2可知：对不同的图案参数，LED的出光效率随厚度和体积比的变化是一致的，均高于不加图案化的结构；当α为30°时，方法1与方法2的出光效率均达到最高[10]；方法2的出光效率受体积比和厚度的影响较小.

当厚度和体积比增加时，由于荧光粉层的散射作用增强，所有结构的出光效率呈下降趋势，且荧光粉厚度和体积比较大时，荧光粉对蓝光的吸收转换作用加强，转换过程有较高的能量损失.因此，厚度和体积比较大时，出光效率变化趋势逐渐变缓.对于不加图案化结构封装光源，出光效率随厚度或体积比变化的提升量均最小，当角度取30°,45°时，其出光效率提升量最大，最高可达16.5%，光线出射的概率最高.

对比仿真结果可知：对于无图案结构封装，在荧光粉体积比和厚度变化范围内，均会导致较大的色温差值，且对于方法1，荧光粉参数变化对色温差值的影响较明显.当倾斜角α为30°，45°时，在0.07～0.25 mm厚度变化范围内，色温差值可分别减少1 006，405 K；在1.06%～2.30%体积比变化范围内，色温差值分别减少1 319，424 K；此倾斜角封装结构下的LED光源色温波动范围最小.由此可知：图案化结构可以减弱荧光粉涂层体积比和厚度变化对色温波动的影响.

2.2空间颜色分布的影响因数分析

LED产品性能包括光效和空间颜色分布.在仿真过程中，荧光粉层厚度取70,100,150 μm，体积比取1.15%,1.59%,2.30%，通过控制荧光粉的厚度及体积比，使其色温保持在6 500(冷白)，5 000(正白)，3 500(暖白)等3个色品区域，讨论不同图案化结构参数下的LED空间颜色分布均匀性.

2.2.1 荧光粉厚度 荧光粉厚度变化对不同图案化结构光源空间颜色均匀性的影响，如图3,4所示.图3,4中：θ为基板上倒锥形图案结构的倾斜角度.当荧光粉厚度增加，所有封装结构的YBR值都会增大，相应的LED的颜色也将偏向暖白光，空间颜色均匀度随荧光粉厚度的增加而变低.

当荧光粉厚度为0.07,0.10 mm时,颜色分布曲线基本上是以平移的方式变化.此时,荧光粉的厚度改变，对空间颜色的均匀度影响较小.当荧光粉厚度增大时，荧光粉的吸收和散射作用增强，导致整个空间的YBR指数升高.

由图3可知：对于方法1，由于芯片的蓝光呈朗伯分布，中心角度处的YBR低于边缘角度的YBR，空间颜色分布曲线出现波谷；图案化结构破坏出光界面全反射后，黄光受全反射的影响较蓝光大，出射概率的提高量大于蓝光，中心角度的YBR形成的波谷逐渐平缓；当α为45°时，厚度的增加使中心角度的YBR逐渐逼近边缘角度的YBR, 此时，当荧光粉厚度为0.07 mm，空间颜色均匀性为85.3%，相对于传统平面封装LED光源有所提高.

由图4可知：对于方法2，当荧光粉厚度为0.07，0.10 mm时,颜色分布曲线表现出类似于平面封装的变好趋势.当荧光粉厚度为0.15 mm时，颜色分布曲线出现明显的波峰波谷，加上图案化结构以后，波峰和波谷均在逐渐的削弱；当厚度为0.07 mm，α为45°时，颜色均匀性为83.1%，比无图案化结构优化7.62%.

由此可知：加图案化结构的空间均匀性均高于无图案化结构，带反光杯阵列结构的空间均匀性高于平面封装结构.对于传统平面封装光源，颜色均匀性最大优化幅度为9.1%；而平面封装结构中，当荧光粉层厚度为0.15 mm，α为45°时，颜色均匀性相对于传统平面封装光源优化幅度最大为11.1%.对于带反光杯阵列光源结构，颜色均匀性变化幅度为7.1%；加图案化结构后，荧光粉层厚度为0.15 mm，α为45°的情况下，最大变化幅度为7.62%.因此，相对于改变荧光粉层厚度参数，使用图案化结构封装能更大程度地优化LED光源的空间颜色分布.

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°图3 荧光粉厚度变化对光源颜色分布的影响(方法1)Fig.3 Influence of phosphor thickness on distribution of light source color (method 1)

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°图4 荧光粉厚度变化对光源颜色分布的影响(方法2)Fig.4 Influence of phosphor thickness on distribution of light source color (method 2)

2.2.2 荧光粉体积比 荧光粉体积比变化对不同图案化结构光源空间颜色均匀性的影响，如图5，6所示.荧光粉体积比增加对空间颜色均匀性的改善作用与荧光粉的厚度增加的影响基本一致.

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°图5 荧光粉体积比变化对光源颜色分布的影响(方法1)Fig.5 Influence of phosphor volume ratio on distribution of light source color (method 1)

(a) α=0° (b) α=15°

(c) α=30° (d) α=45°图6 荧光粉体积比变化对光源颜色分布的影响(方法2) Fig.6 Influence of phosphor volume ratio on distribution of light source color (method 2)

由图5可知：当荧光粉的厚度为0.15 mm，α为45°时，不同体积比荧光粉封装的颜色均匀性分别为82.6%，76.4%，74.8%；对于带反光杯基板加图案化结构光源，当α为45°时，不同体积比下的颜色均匀性分别为82.1%，79.8%，74.6%，此时的空间颜色均匀性均高于其他角度的封装结构.在上述荧光粉体积比变化范围内，平面图案化封装结构情况下，颜色均匀性可提高8.4%；当体积比为2.30%，α为45°时，图案化结构可使空间颜色分布最大提高10.4%.

由图6可知：上述体积比变化范围内的空间颜色均匀性提高7.8%；当体积比为2.30%，α为45°时，颜色均匀性提高5.3%.因此，优化荧光粉的参数也可以提高LED光源的空间颜色均匀性.

总之，在厚度或者体积比参数中任选一个进行优化，均可在一定程度上改善LED产品的颜色均匀性.采用优化的图案化结构参数，空间颜色均匀性可以得到更大地提高.

3 结束语

通过仿真分析，分别讨论在平面基板和带反光杯阵列封装基板上加倒锥形图案化结构的新型封装结构，保形涂覆荧光粉层体积比和厚度发生变化，对出光效率和空间颜色分布的影响.由仿真结果可知，基板加图案化结构光源出光效率均高于不加图案化的结构.在厚度或者体积比参数中任选一个进行优化，而优化图案化结构使空间颜色均匀性更明显提高.荧光粉体积比和厚度较大时，图案化结构对光源的空间颜色分布的作用更明显.图案化结构基板封装将有利于提高光源出光效率和空间颜色一致性，弱化荧光粉涂层生产工艺的误差对颜色分布的影响，提高LED封装产品的光色性能，从而降低生产过程中的成本.

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(责任编辑： 钱筠英文审校： 吴逢铁)

InfluenceofPhosphorCoatingLayertoOpticalPerformanceofLEDWithPatternedBoard

ZHANG Qingmei1,2, ZHU Daqing1,2, ZOU Huaiyuan1,2

(1. College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. Fujian Provincial Key Laboratory of Light Propagation and Transformation, Xiamen 361021, China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201503026

2015-03-24

朱大庆(1966-)，男，副教授，主要从事光学设计、LED照明技术的研究.E-mail:zhudaqing@hqu.edu.cn.

华侨大学高层次人才科研启动项目(09BS103); 福建省光传输与变换重点实验室开放课题资助项目(2014202)

TN 312.8

A

1000-5013(2017)05-0687-06