双层荧光粉涂覆对COB封装LED出光的影响

傅志红，武宁杰，田有锵，郭鹏程，王 洪

（1.中南大学 机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.华南理工大学 现代产业技术研究院，广东 中山 528437）

引言

LED效率高且体积小，因此在固体照明、显示器、背光源等领域有巨大的应用前景[1-5]。随着LED 应用市场的扩大，工艺不断成熟，COB封装技术应运而生。COB（chips on board）封装，就是将多颗芯片之间以串并联的方式直接与基板相连接[6]。COB封装能够提高电子组件的组装密度、降低成本、缩小和减轻电子组件的体积和质量[7]，这样的封装结构，不仅提高了光功率、亮度等光学性能[8]，还减少了器件的热阻，增加了散热。近年来，COB封装逐渐成为LED 封装工艺的主流[9]。

发光二极管（LED）是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命[10]。荧光转换型白光LED的发光原理是在LED芯片表面涂覆一层荧光粉混合物，荧光粉在芯片所发出的光的激发下产生其他颜色的光，与芯片发出的光混合而产生白光[11]。荧光粉涂覆工艺是影响LED出光质量的一个关键工艺。国内外针对荧光粉的涂覆已经做了大量的研究。曹小兵等人[12]重点研究如何将远程荧光技术与大功率LED 集成封装技术结合制备，提升封装整体发光效率，使LED 封装设计的自由度更大。Ching-Cherng Sun 等人[13]提出了一种新的空间编码涂层荧光粉结构，有效地提高了白光LED的效率。Qinghao Meng 等人[14]提出了结合传统荧光粉涂覆对自适应荧光粉涂层结构进行优化的方法。

LED制造行业生产厂家一般只生产其中一种或几种元部件，各个厂商都在为同一个目标而努力——提高发光效率[15]。普通的COB封装结构表面的硅胶呈平面状或略微凸起状，较大角度的光线易在平面上发生全反射，难以取出[16]。本文设计了一种双层荧光粉涂覆结构，通过改变上下层荧光粉的浓度以及上层荧光粉胶涂覆量，探究其对提高出光量的影响，最后通过调整荧光粉的配合使用，提高综合光学性能。

1 仿真

1.1 仿真模型

在仿真软件Lighttools 中建立3D模型如图1所示，所用COB 光源由48颗蓝光倒装LED芯片组成，连接方式为4并12。为了简化仿真，仿真中设置为发光半径为8.5 mm的面光源，总光通量设为270 lm，光强分布为朗伯型。蓝光芯片和黄色荧光粉的发射波长分别如图2、3所示。模型中围坝高度为1 mm，单层荧光粉层厚度为1 mm，荧光粉颗粒折射率实部为1.8，不含虚部，仿真追迹光线总数为50 万条。仿真中首先用峰值波长为558 nm的单一黄色荧光粉探究上下层浓度及上层涂覆量对COB封装结构出光量的影响，然后在最优结构中调整荧光粉的配合使用，保持高出光量的同时提高其显色性。

图1 仿真3D模型Fig.1 3D model of simulation

图2 蓝光芯片发射光谱Fig.2 Emission spectrum of blue light chip

图3 黄色荧光粉发射光谱Fig.3 Emission spectrum of yellow phosphor

1.2 光通量

仿真浓度设定如表1所示，为了便于数据处理和对比，将Lighttools 中荧光粉的质量百分比换算成胶粉比。浓度设定为：上层胶粉比为14～32；下层胶粉比为14～32，梯度为2。上下层涂覆量相等为227 ul，记为v。在Lighttools 建立好模型，设定参数后进行模拟仿真。

表1 浓度设定Table1 Concentration setting

如图4所示，在上涂覆层胶粉较大时，随着下涂覆层胶粉比的增大，COB封装结构的出光量逐渐减小，上涂覆层胶粉比为14和18的出光量呈增大再逐渐减小的趋势，COB封装结构出光量达到最大时的浓度组合为下层胶粉比28，上层胶粉比18，光通量最大为2 145.8 lm，单层涂覆胶粉比为28的模型出光量为1 810.1 lm，光通量提升了18.55%。这是因为：1） 上涂覆层的荧光粉胶形成的自由曲面更容易提高封装结构的光萃取；2） 下层低浓度的荧光粉与上层高浓度的荧光粉折射率差值变大，上层荧光粉胶对光的向后散射性减小。但下层荧光粉胶浓度过低时，荧光粉激发产生的黄光减少；上层浓度过高时，胶体-空气界面更容易发生全反射。因此存在一个合适的上下层浓度的组合。

图4 仿真中不同上下层胶粉比组合的COB封装结构的出光量Fig.4 Light output of COB encapsulation structure of different upper-lower layers rubber powder ratios in simulation

为了进一步证实双层涂覆具有提高光通量的作用，分别设计了涂覆量为v和2 v的2组单层涂覆对比模型，所对应胶粉比为10.5和22，即保持荧光粉总颗粒数与胶粉比为18～28的双层涂覆一致。结果如表2所示，涂覆量为v模型，由于涂覆层呈平整结构，在胶体-空气界面容易发生全反射，不利于出光；涂覆量为2 v模型，粉胶量增多，增加了光的吸收且荧光粉颗粒对光向后散射严重。相对于涂覆量为v和2 v的单层涂覆，双层涂覆出光量分别提升了5.90%、4.66%。

表2 仿真中单层涂覆和双层涂覆出光量对比Table2 Comparison of light output between monolayer coating and double-layer coating in simulation

为了进一步研究上层荧光粉涂覆量对出光量的影响，仿真中控制上层荧光粉总颗粒数不变，初始涂覆量为227 ul，数值记为v。如图5所示，在上层涂覆量由0.5 v到v 逐渐增大时，出光量呈先增大后减小的趋势。这是由于控制荧光粉总颗粒数一定时，高浓度、少涂覆量的涂覆层单位体积的荧光粉颗粒数更多且涂覆结构曲率小，荧光粉颗粒对光的吸收、向后散射增强，光在胶体-空气界面的全反射更容易发生；涂覆量逐渐增加时，涂覆层的曲率逐渐增大、浓度逐渐减小，上涂覆层对光的萃取逐渐增加，在涂覆量为0.8 v时出光量达到最大。当涂覆量继续增加时，出光量反而降低，这是由于胶体对光的吸收占据主导，光萃取效率降低。因此对于本COB封装结构在上层荧光粉胶涂覆量为下层的0.8倍时，COB封装结构出光率最大，光通量为2 197.6 lm，相对于涂覆量为v和2 v的单层涂覆，出光量分别提升了8.46%、7.18%。

图5 仿真中上层涂覆量对COB封装出光的影响Fig.5 Effect of upper coating volume on light output of COB encapsulation in simulation

1.3 显色指数

上述研究中，COB封装结构出光量得以提高，但显色指数低于70。为了改善显色性，仿真中在最佳出光量的结构中将上下层黄色荧光粉置换为同等比重的黄绿粉，峰值波长为537 nm，并在上涂覆层中添加少量红色荧光粉，其中红色荧光粉峰值波长有620 nm、630 nm 两种。设黄绿粉为1 g，红粉加入质量分别为0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g。仿真模拟结果如表3、表4所示，由表3和表4数据对比可知，在提高显色性方面630 nm的红粉效果更佳，在较高光通量的同时突破80 显指。

表3 仿真中加入峰值波长620 nm的红粉Table3 Adding red phosphor with peak wavelength of 620 nm in simulation

表4 仿真中加入峰值波长630 nm的红粉Table4 Adding red phosphor with peak wavelength of 630 nm in simulation

红粉的加入弥补了发射光谱中红色光谱的不足，得以提高显色指数。而红色荧光粉转换效率低，红色荧光粉的加入会在一定程度上降低LED的出光量，因此要控制红色荧光粉的掺入量。对于本文中15 W的COB封装结构，在加入630 nm红粉0.1 g时，光通量达到1 965.1 lm，显指为81.6，色温为4 914.7 K，综合光色指标最佳。

2 实验与测试结果

2.1 实验简化流程

图6所示为实验所制得的不同浓度的双涂覆层COB 光源。

图6 某3种不同浓度的双层涂覆COB封装结构Fig.6 Three double-layer coating COB encapsulation structures with different concentrations

2.2 测试结果

2.2.1 光通量

实验中所用黄色荧光粉为博睿光电的BM304A，实验结果如图7所示，不同上下层胶粉比组合的COB封装结构的出光量趋势和仿真近似一致，实验检测结果显示：在下层胶粉比为28，上层涂覆胶粉比为14和18时，封装结构的光通量非常接近，与仿真有些区别，可能是由于配荧光粉时存在误差。由图表中单层涂覆和双层涂覆出光量对比可知，双层涂覆对LED的出光量具有显著提高的作用，一方面是由于双层涂覆中更多的荧光粉被激发产生黄光；另一方面是上层荧光粉层呈曲面形状，提高了光的萃取率。实验中在上层胶粉比18和下层胶粉比28时光通量最大为2 136 lm，单层涂覆胶粉比28时的COB封装结构的光通量为1 769 lm，出光量提升了20.75%。

图7 实验中不同上下层胶粉比组合的COB封装结构的出光量Fig.7 Light output of COB encapsulation structure of different upper-lower layers rubber powder ratios in experiment

为了验证双层涂覆工艺优于单层涂覆，设计了相应的对比实验组，配粉浓度及自动点胶机设定的涂覆量与仿真参数对应一致。实验结果如表6所示，相对于涂覆量为v和2 v的单层涂覆，双层涂覆出光量分别提升了5.69%、4.71%，与仿真近似一致。因此，双层涂覆具有提高出光量的作用，验证了仿真的正确性。

表6 实验中单层涂覆与双层涂覆出光量对比Table6 Comparison of light output between monolayer coating and double-layer coating in experiment

为了研究上层荧光粉涂覆量对出光量的影响，在实验中设置了4组对比涂覆量，分别为0.5 v、0.6 v、0.8 v、v（227 ul），保持总粒子数不变则所对应的胶粉比分别为8.5、10.4、14.2、18。如图8所示，上层涂覆量由0.5 v 增加到v时，COB封装结构的出光量呈现增大再减小的趋势。随着涂覆量的增加，涂覆层的曲率逐渐增大，在涂覆量为0.8 v时达到最优，出光量达到最大，证实了存在一个最佳曲率的上层涂覆层来达到最大的光萃取，验证了仿真的正确性。光通量最大为2 179 lm，即光效为145.3 lm/W，与涂覆量为v和2 v的单层涂覆相比，出光量分别提升了7.82%、6.81%，与仿真相对误差分别为7.57%、5.15%。

图8 实验中上层涂覆量对COB封装出光的影响Fig.8 Effect of upper coating volume on light output of COB encapsulation in experiment

2.2.2 显色指数

为了提高显色性，实验中将黄色荧光粉置换为同等质量的黄绿粉，并在上涂覆层中加入少量红粉，黄绿粉和红粉分别选用选用博睿光电的GM537 L、RH620 X、RH630 KM。设黄绿粉为1 g，红粉加入质量分别为0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g，实验中通入直流电流为440 mA，检测结果如表7、表8所示。

表7 实验中加入峰值波长620 nm的红粉Table7 Adding red phosphor with peak wavelength of 620 nm in experiment

表8 实验中加入峰值波长630 nm的红粉Table8 Adding red phosphor with peak wavelength of 630 nm in experiment

实验数据显示当加入峰值波长为620 nm的红粉时，虽提高了显色性，但显色指数不易突破80，相对而言加入峰值波长为630 nm的红粉时，在较高光通量的同时突破80 显指。在加入630 nm 红粉0.1 g时，光通量达到1 945 lm，即光效129.7 lm/W，显指为81.2，色温为4 854 K，综合光色指标最佳，与仿真结果近似一致。

将黄色荧光粉换为黄绿粉与红粉的组合，使COB封装结构的发射光的光谱更加均衡，弥补了单一黄色荧光粉发射光谱中绿光和红光的缺失，提高了显色性。加入红粉的COB封装结构LED发光光谱图如图9、10所示，由两图可知随着红粉质量的增加，光谱图逐渐向右偏移，红光波段能量值逐渐升高。但红色荧光粉转化效率低，随着红粉质量增加，在提高显色性的同时会导致出光量下降。而双层荧光粉涂覆结构提高出光量，因此可以通过加入适当的红粉，在保持高光通量的同时达到高显指的目的。本次实验中加入峰值波长630 nm的红粉且质量为0.1 g时，发射光谱更为均衡，实现高光效、高显指的目标。

图9 加入峰值波长620 nm的红粉的光谱Fig.9 Adding spectrum of red phosphor with peak wavelength of 620 nm

图10 加入峰值波长630 nm的红粉的光谱Fig.10 Adding spectrum of red phosphor with peak wavelength of 630 nm

3 结论

仿真和实验表明，在一定范围内，在COB封装结构低浓度单层荧光粉上涂覆一层高浓度荧光粉，可以达到高出光率的目的。对于本COB封装结构，当涂覆单一黄色荧光粉，上层—下层胶粉比为14.2～28，且上层涂覆量为下层的0.8倍时，其出光量达到最大。但对于涂覆单一黄色荧光粉的COB封装结构，其显色性较差，通过调整荧光粉的配合使用，在控制上下层胶粉比不变的情况下，黄粉改用为峰值波长为537 nm的黄绿粉，并在上层荧光粉中加入红粉，弥补了单一黄色荧光粉发射光谱中绿光和红光的缺失，使发光光谱更加均衡。加入峰值波长630 nm的红粉且与黄绿粉比例为0.1时，在通电流为440 mA 情况下，可以实现15 W的COB封装结构的光通量、色温、光效及显指分别为1 945 lm、4 854 K、129.7 lm/W和81.2。如何将本文中荧光粉涂覆结构应用于远程涂覆中成为下一步研究的问题。