荧光粉平面涂层结构LED器件优越性分析

本文选自《半导体照明》杂志2013年第8期 (总第42期) 转载请标注：中国半导体照明网

　　一、目前传统灌封封装工艺存在的问题

目前常用的白光照明LED器件采用的是灌封封装工艺技术，即将荧光粉与胶的混合体注入已经完成固晶和金线绑定的芯片支架上，完成LED芯片表面的荧光粉涂覆。这种方法得到的荧光粉涂层，从中心到边缘的结构都不均匀。灌封工艺结构如图1所示：

图 1 LED器件荧光粉传统灌封封装工艺得到的荧光粉涂层形貌结构图

以下从色温、光通量、散热三个方面分析这种灌封封装工艺存在的问题。

1.色温

LED器件出射白光的机理是芯片发出蓝光，激发涂在芯片上面的YAG荧光粉，激发YAG荧光粉发出黄光，然后这些黄光与芯片的蓝光混合形成白光，因此被激发的YAG荧光粉越多，黄光在整个组合形成的白光中所占比例就越大，则白光的颜色会偏黄及色温偏暖，反之色温偏冷。也就是说，器件出射的白光色温与芯片上面所涂覆的荧光粉层厚度有关。对同一芯片而言，厚度厚，色温偏暖;厚度薄，色温偏冷。如果芯片上面荧光粉涂层厚度不均匀的话，则LED器件发出的白光光斑在色温上将会出现不均匀的现象。

图 2 传统荧光粉灌封封装结构的 LED 器件发光示意图

同时，芯片表面荧光粉涂层射出的白光是呈半球状向任意方向发出的，因此与芯片一体的反射罩也会接收到一些白光，而传统荧光粉灌封结构反光罩上有荧光粉涂层(见图2)，由于接收到的白光中含有蓝光成分，那么这些反射罩上的荧光粉涂层也会被激发，发出黄光;而一些白光也会因不同入射角度而被荧光粉涂层反射，那么，一些白光和黄光会向上与芯片表面涂层出射的光混合，一些黄光会向下进入涂层内部和反射罩，由于涂层挡在反射罩上面，所以这部分光则无法全部反射出，被涂层吸收转化成热能。由于被激发出来的白光色温与荧光粉涂层的厚度密切相关，而反射罩上面的涂层厚度无法精确控制，故通过这些涂层发出的黄白光，其色温就会与芯片表面荧光粉涂层发出的白光不一致，所以，更加剧了整个器件发射出的光斑内色温的不均匀现象。

从批量生产方面来看，灌封封装工艺理论上是一次性向每一个管芯上灌入同样荧光粉浓度和重量的粉胶混合物，但是在实际生产中，同一批次的LED管之间，每次灌入的粉胶混合物的荧光粉浓度无法精确控制，所以荧光粉层在形状上都会有一定的差异，导致很难控制出射光斑的亮度均匀性和色温一致性，从而带来器件间较大的色度差异。

同时，由于涂层胶滴实际微观表面凹凸不平，当光线出射时还有可能会形成白光颜色不均匀，导致局部偏黄或偏蓝不均匀性光斑出现。

2.光通量

传统灌封封装的LED器件，其荧光粉涂层覆盖了芯片与反射罩，那么通过芯片蓝光激发出来的白光，除了芯片表面直射出来的光之外，还有一部分光将射到反射罩上面(见图2)。这部分白光先射到荧光粉涂层上面，而荧光粉涂层表面的反射能力很弱，所以部分光将被涂层表面反射，部分光将会被荧光粉涂层吸收，所以，芯片上荧光粉涂层被激发出来的所有白光，将有一部分被损失掉，不是全部被发射出来。

3.器件散热

由于传统灌封LED器件的反射罩上存在厚度不均匀的荧光粉涂层，芯片表面荧光粉发出来的照射到反射罩上荧光粉涂层的白光，有一部分将会被荧光粉涂层吸收，使荧光粉涂层发热，从而导致LED芯片周边温度也升高，加大了LED芯片散热负担;同时芯片温升也将直接传递至其表面上的荧光粉涂层，使其温度增加，故会使整个LED器件使用寿命受到影响。

二、将荧光粉涂层变为平面涂层能提高器件色温一致性和亮度均匀性

从以上分析可以看出，要改善功率白光LED的光斑空间分布均匀性以及管间色度、亮度的均匀一致性，荧光粉涂层形状的控制至关重要，若使芯片表面的荧光粉层厚度均匀化，则能得到色温一致性好的出射白光。

PhilipsLumileds公司2004年提出的平面涂层(Conformal Coating)概念已经成为现在功率型白光LED封装技术的一个重要方向。目前，国际上先进的白光LED生产厂家(Cree、Philips Lumileds、Osram)已经有平面涂层结构的产品开始出售，说明国外先进生产厂家都已经完成了各自的平面涂层技术开发并在其白光产品上得到成功运用。

目前所见国外报道的荧光粉平面涂层技术产品，许多是将荧光粉涂层在几何厚度上达到均匀一致，尽管比传统的灌封技术在白光性能上有很大提高，但仍然存在光斑均匀性达不到最佳的问题,见图3。

图 3 荧光粉涂层在几何厚度上达到均匀一致的平面涂层封装结构图

因为目前LED芯片的物理结构及制备工艺,其表面发光强度(亮度分布)并非严格均匀一致，而是随发射角度的变化有所改变，也就是说同一片芯片表面每一个发光点所发出的蓝光光强有可能是不等的，有的强一些，有的弱一些。那么在荧光粉涂层在几何厚度上达到均匀一致，且荧光粉在芯片表面分布密度一致的情况下，被激发出来的黄光就相同，那么光强强的部位出射的混合白光蓝光占的比例就会比光强弱的部位多，即芯片上光强强的部位色温会偏冷，光强弱的部位色温会偏暖。

同时，从以上结构可以发现，在反射罩上还有荧光粉涂层，那么，有可能有部分出射白光照射到这些位于反射罩上的荧光粉涂层上，从而激发出一些黄光与芯片表面方向出射出的白光混合，这将影响整个出射白光光斑的色温。

因此这类将荧光粉涂层在几何厚度上达到均匀一致的平面涂层封装则不能完全适应发光强度不一致的情况，所以光斑均匀性达不到很理想的状态。

尽管荧光粉层平面结构新工艺光斑均匀性还未达到最理想的状态，但是，应用市场对此技术的改进仍然给予了积极的响应，许多以前因LED白光颜色不均匀而不使用LED照明的领域，也开始愿意应用LED产品。由此说明，只要能得到理想的均匀出射白光光斑，LED产品将在更加广阔的照明应用领域替代传统照明光源，占据照明市场的更多份额。

若想得到更理想的均匀性出射光斑，不仅要实现荧光粉的平面涂层结构，同时又能响应芯片表面发光强度(亮度分布)并非严格均匀一致的情况，自动调节荧光粉涂层的几何结构，即涂层厚度并非严格的物理相等，而是让芯片表面的荧光粉涂层厚度可以依据光强的强弱，具有不同的涂层厚度，

同时，在反射罩上不能存留荧光粉涂层，避免出现黄光,具体结构见图4。

图 4 能适应芯片发光强度不一致情况的荧光粉平面涂层封装结构图

以上结构的平面涂层封装器件已经在电子科技大学研制成功，预计2014年可以实现产业化。目前，平面涂层概念已经成为现在功率型白光LED封装技术发展的一个重要方向。

三、荧光粉平面涂层封装结构对提高LED器件光通量方面也有作用

荧光粉平面涂层结构的LED器件，荧光粉涂层只是在芯片上，而承载芯片的支架与反光罩上均无荧光粉。芯片蓝光激发荧光粉发出黄光，混合输出的白光，除了从芯片顶面直射出来的以外，还有射到反光罩表面的光，而这些光将被反光罩几乎全部反射出来，与直射出来的光叠加，基本上保证了荧光粉涂层被激发出来的所有白光都被发射出来,见图5。

图 5 荧光粉平面涂层封装结构的 LED 器件发光示意图

传统灌封封装的LED器件如前所述，其芯片蓝光激发荧光粉发出黄光，混合输出的白光，将有一部分被损失掉，不能全部被发射出来。

当然，影响光通量的因素还有其它方面，平面涂层封装只是一个方面，但从理论上来讲，对于同一个LED芯片而言，采用平面涂层封装结构，其光通量应该比灌封结构的要高，即平面涂层封装结构对提高光通量是有帮助的。

四、荧光粉平面涂层封装结构对降低LED器件发热有作用

荧光粉平面涂层封装结构LED器件基本上保证了荧光粉涂层被激发出来的所有白光都被发射出来。

而传统灌封LED器件，荧光粉涂层覆盖了芯片与反射罩，其器件发出的白光，有一部分将会被荧光粉涂层吸收，使荧光粉涂层发热，同时使LED芯片周边温度也升高，加大了LED芯片散热负担，芯片温升也将直接传递至其表面上的荧光粉涂层，使其温度增加，从而增加整个LED器件散热的负担。

当然，LED器件发热的因素很多，封装结构影响发热只是一个方面，且不是影响散热效果的决定因素。

五、小结

荧光粉平面涂层封装结构的LED照明器件在性能指标上均优于传统灌封封装结构的器件，将在许多对照明色温一致性、光斑颜色和亮度均匀性要求高的应用场合获得好评，比如高端产品专卖店、展览馆、博物馆、服装专卖、彩色印刷、精密加工等。随着应用领域的拓展，器件的应用量增加，其成本将逐步下降，荧光粉平面涂层封装结构的LED照明光源将逐步会成为LED照明应用的主流。