解析白光LED光斑均勻性的改進方法

　　為了考察單個白光LED 出射光斑的光學(xué)一致性,在A1～A5樣品中,隨機抽取一個樣品,通過9點法測得每個LED的色坐標空間分布值, 并根據(jù)公式計算出其色坐標的標準差σ及主波長分布,結(jié)果如表1所示。將表1中每種樣品的單個白光LED的空間9點色度坐標值,即( x, y)值分別繪于折線圖3, 以考察其分散性, 圖中所示x= 0.33, y = 0.33 點為理想白光點。并將A1 ～A5樣品的9點色度坐標位置繪于C IE1931色度圖4,以便更直觀的反應(yīng)色度的空間分布性,并標注其主波長分布區(qū)域,并將其中A1～A4樣品的色度分布嵌入小圖中。

　　圖4　A1～A5樣品空間9點的CIE1931色度坐標圖及其主波長范圍分布

　　表1　A1～A5樣品9點色坐標標準差及主波長分布

　　為了分析的簡單和對問題主要矛盾的把握,我們在分析過程中忽略芯片本身發(fā)光不均勻的影響,和人工操作的誤差。只考慮工藝對發(fā)光均勻性的影響。由以上表和圖可見,A3工藝色坐標標準差相對較小,從折線圖、色度圖上體現(xiàn)出9點色坐標分布更集中,主波長范圍分布也更小,該工藝能更好的控制熒光粉的厚度均勻性,使出射光斑更均勻,同時發(fā)出的光也很接近標準白光。A4略次于A3。A1、A2 的均勻性不好, 離散性更大。A5能改善均勻性,但偏離理想白光太遠,對厚度的掌控性太差。

　　由于A3采用的工藝是在沿襯底邊緣在金屬基座上涂敷硅膠層,使其與陶瓷襯底填平,這會使熒光粉層在芯片發(fā)光層上分布更均勻。因為硅膠填平陶瓷襯底,使旁邊厚的熒光粉層變薄,同時使底面積增大,使熒光粉層分布的平面增大,這樣熒光粉層在芯片上形成的弧型更平一點,也使熒光粉層均勻些。A4的結(jié)構(gòu)是沿芯片發(fā)光層邊緣,使硅膠層填平芯片表面的發(fā)光層,這能使芯片上平的面積增大,提高均勻性。但由于發(fā)光面在芯片表面的旁邊也要發(fā)光,在旁邊先涂硅膠,這樣會造成旁邊露出藍色光線,且工藝操作性更差。A5結(jié)構(gòu)在芯片上先涂硅膠,這就先形成一個弧形,原理上能減小熒光粉層的弧形差異,使熒光粉層在芯片上厚度更一致,但是正是由于下面的硅膠層使熒光粉的量減少,造成A5的發(fā)光偏向藍光,同時由于芯片較小,操作更加困難,可控性也更差。樣品A1、A2的結(jié)構(gòu)基本類似,在LED 芯片發(fā)光層上先涂敷硅膠層,這基本不會改變熒光粉層在芯片上的形狀,當然也不能改善熒光粉層的均勻性。

　　4. 2　器件之間的一致性

　　為考察各種工藝制作時的可控性與一致性,考察器件之間的色度、色溫一致性,我們采用積分球法測量了樣品A1～A5的每批白光LED 的色坐標值(x,y)和色溫(Tc) ,計算出其色度標準差σ和色溫標準差σTc ,結(jié)果列于表2中。將表2中樣品A3一批器件的色度坐標值繪于CIE1931色度圖5上,以便更直觀的反應(yīng)器件之間色度的差異性。

　　表2　A1～A5樣品一批之間的色坐標及色溫標準差

　　圖5　A3樣品批內(nèi)的色度坐標圖及其主波長分布

　　由表和圖中可見,一批器件的一致性很不好。色度上0.01的差異就能很容易的被人眼感覺到并分辨出來.而以上A1～A5樣品的色度差異遠大于人眼所能感覺的限度,即一批產(chǎn)品的色度有的偏藍、有的偏黃,差異性很大。從另一個角度上,人眼能分辨的色溫差異為50～100 K,以上A1～A5樣品的色溫差異遠大于這一范疇,即采用這種工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品色溫一致性不好。這種器件之間的色度不均勻性是由于封裝工藝中,熒光粉層涂敷環(huán)節(jié)可控性差造成的,且采用人工操作,其一致性和可控性不好。在同一批產(chǎn)品的制作中,顏色的分布都是很大的。

　　人眼對于白光區(qū)域是非常敏感的, 色度上0. 01的差異就能很容易的被人眼感覺到并分辨出來,所以,要求色坐標的分布差異應(yīng)盡可能小。由上可見,雖然采用不同的粉層結(jié)構(gòu),單個LED的出射白光光斑的色度分布的差異有所不同,但總體上的色坐標差異還是很大的, 9點之間的色坐標差異基本都大于人眼能分辨的顏色差異值(0.01)。當器件點亮時,其投射的白光光斑色度不均勻,有的地方偏黃,有的地方偏藍,器件的光學(xué)性能不是很理想。光斑的不均勻性是由熒光粉層的涂敷形狀造成的。說明采用目前的點膠工藝制作熒光粉層時對于器件內(nèi)的熒光粉層形狀和厚度均勻性的控制較差,很難得到出射光斑光色的均勻性和一致性。

　　5　結(jié)論

　　由以上的測試分析我們得到,雖然采用不同的粉層結(jié)構(gòu),能夠一定程度上改善白光光斑的色度均勻性。但總體上,采用這種傳統(tǒng)的點膠工藝制作的器件的白光光斑性能不好,其出射光斑的空間色坐標差異基本都大于人眼能分辨的顏色差異值(0.01)。這種光斑的不均勻性是由熒光粉層的涂敷形狀造成的。由于是手工操作,所形成的熒光粉層形狀是凹凸不平的,且這種工藝形成的熒光粉層是拱形的,厚度是不均勻的,最后出射的白光光斑會有藍圈黃圈現(xiàn)象,極大地影響產(chǎn)品性能,即產(chǎn)生單個器件的出射白光不均勻性。

　　同時,采用目前的點膠工藝制作熒光粉層,一批器件的一致性也不好,色度、色溫分散性大。這種器件之間的色度不均勻性是由于熒光粉層涂敷環(huán)節(jié)可控性差造成的。