LED白光芯片的光色一致性及光譜優化設計方法研究

羅亮亮，樊嘉杰，，經 周，錢 誠，3，4，樊學軍，5，張國旗，3，6

(1.常州市武進區半導體照明應用技術研究院，江蘇 常州 213161；2. 河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；3.中科院半導體研究所半導體照明聯合創新國家重點實驗室，北京 100083； 4.北京航空航天大學可靠性與系統工程學院，北京 100191；5. 拉瑪爾大學機械工程系，美國博蒙特；6. 代爾夫特理工大學EEMCS學院，荷蘭代爾夫特)

引言

隨著生活水平的日益提高，人們對照明的要求已從單純的環保節能逐漸轉向對健康舒適的追求。因此，發光二極管(LED)光源面臨的挑戰不僅僅需要低成本和高光效，更須滿足健康、舒適、高光色品質、低頻閃、高可靠性等需求[1-2]。傳統大功率白光LED封裝結構復雜、尺寸大、散熱性能差、熒光粉沉降造成光色不一致性[3]等問題已經凸顯。面向高效、高品質、低熱阻、小尺寸應用需求，LED晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP，簡稱LED白光芯片)技術近期被提出。它采用倒裝LED芯片結合熒光薄膜預成型技術，通過芯片切割和倒裝固晶工藝完成LED的封裝流程。這大大簡化了封裝工藝，縮短了工藝流程時間，并且可以精確控制薄膜厚度和色度一致性，有效地解決了傳統點膠技術中熒光粉下沉導致色度不均勻問題[4-5]。

近年來，晶圓級芯片尺寸封裝經過業界不斷的努力研發，逐漸由概念走向成熟產品。特別是基于倒裝技術開發的LED白光芯片以其優異的出光效率、良好的散熱結構、靈活的外形尺寸，已開始應用于背光燈、閃光燈等領域，同時在特殊商用照明等高端應用領域也可得到認可和發展，例如，燈絲球泡燈、多色溫調光燈具以及與柔性基板結合形成可隨意彎折的創意照明結構等等[6]。目前，各廠家開發的LED白光芯片結構各不相同，主要有以下幾種主流結構(如圖1所示)。其中，結構b[圖1(b)]由于光效高，光色均勻性好的特點，在市場上較為普遍，也是各個LED廠競相開發的方向?；诮Y構b，目前的封裝技術方案是先將LED晶圓金屬化后，經劃片制作倒裝LED芯片，然后把倒裝LED芯片的正上方和四個側面使用熒光層材料包覆而達到封裝的目的[7-9]。另外，也有在LED外延片經金屬化電極完成后，直接在晶圓級進行熒光粉涂覆，再經過切割、裂片實現芯片級封裝，但是該工藝路線技術難度較大，目前尚處在產業化初期階段。

圖1 幾種白光芯片的主流封裝結構Fig.1 Mainstream packaging structures of white LED chip

本文針對自主研發的具有五面出光角度特點的LED白光芯片，基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對白光芯片光色一致性的影響。并建立了一套高效實用的配粉設計流程，針對配粉實驗提出了一種快速優化光譜設計方法來制定最佳熒光粉配比，為LED白光芯片工藝設計提供參考。

1 實驗方法

本實驗制備了一種五面出光的LED白光芯片，主要采用半固化混合熒光粉硅膠膜，利用真空熱壓合于排布陣列LED倒裝芯片的載板上完成封裝，然后使熒光粉硅膠膜在高溫下完全固化，最后通過機械切割方式獲得單顆的LED白光芯片器件。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 LED白光芯片制備工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of white LED chip

通過以上排片、壓膜、固化、切割四個工序獲得五面發光的LED白光芯片，再從LED白光芯片的封裝材料和工藝角度考慮，研究其對光-色(光效和顏色)一致性的影響，主要因素包括：材料一致性和結構尺寸一致性。本文通過上述工藝流程制備三種相對色溫(3 000 K，4 000 K和5 000 K)的LED白光芯片，分析封裝材料和結構尺寸參數對其光-色參數的影響。

2 實驗結果分析與討論

2.1 LED白光芯片顏色一致性的影響因素

本文考慮影響LED白光芯片顏色一致性的因素主要包括尺寸一致性和材料一致性兩個方面[10-13]：①尺寸一致性主要取決于壓膜和切割兩個工藝精度，壓膜精度決定LED白光芯片的厚度偏差，切割精度主要決定LED白光芯片長、寬尺寸的一致性；②材料一致性包括LED藍光芯片的光參數集中度和熒光膜的顏色均勻度。

圖3 LED白光芯片厚度與顏色一致性的關系Fig.3 Relationship between color consistency and thickness of LED white chip

另外，從圖3中3 000 K/5 000 K 0.5 W中功率與4 000 K 1 W大功率兩款LED白光芯片顏色一致性和厚度一致性的擬合直線斜率可知，0.5 W中功率白光芯片的斜率要比1 W大功率的斜率要小，這表明：采用大功率LED芯片時，LED白光芯片的厚度一致性對顏色一致性的影響要比中小功率的更為顯著。由圖3可以計算出，要確保顏色一致性在3個顏色匹配標準偏差(3 SDCM，即Δu′v′<0.003)，0.5 W中功率白光芯片的厚度差要控制在δ<20 μm；而1 W大功率白光芯片厚度差要保證在10 μm以內。

2)材料因素的影響。圖4表示為LED藍光芯片輸出功率(PO)對LED白光芯片顏色一致性的影響，橫坐標為芯片輸出功率標準方差與均值的比值(σ/μ)，縱坐標為當Δu′v′<0.003時LED白光芯片的最大允許厚度差。由圖4可以看出，芯片PO的σ/μ越大，LED白光芯片最大允許的厚度差越小。由于LED白光芯片的顏色一致性與厚度差成正相關，這說明芯片PO的一致性對白光芯片的顏色一致性影響顯著。當厚度差一定時，芯片PO的一致性越好，白光芯片的顏色一致性越好。當LED白光芯片顏色一致性要求Δu′v′ <0.003時，最大允許厚度差=20 μm時，芯片PO的標準方差/均值<0.72%。對于大功率芯片(PO=800 mW)，PO的標準方差要控制<5.6 mW；對于中小功率芯片(PO=170 mW)，PO的標準方差要控制<1.2 mW。

圖4 當Δu′v′<0.003時，LED白光芯片的最大允許厚度差與芯片PO標準方差/均值的關系Fig.4 Relationship between maximum allowable thickness of white LED chip and PO consistency of blue LED chip when Δu′v′ < 0.003

2.2 LED白光芯片的光效模型

1)光效模型建立。由圖5所示的LED白光芯片結構示意圖可知，影響LED白光芯片光效的主要因素可分為LED藍光芯片、熒光層和基板三部分。

圖5 LED白光芯片的結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of LED white chip structure

由此，我們定義LED白光芯片的光效ΦW模型為

ΦW=(LER·ΦB)C+ζ

(1)

其中，LER(Luminous Efficacy of Radiation)為理論光效，指電功率全部轉換為光功率時光源的光效(lm/W)，可由LED白光芯片的發光光譜計算獲得；ΦB為藍光芯片轉換效率；C為線性相關系數，可定義為C1C2Cx，其中C1為熒光層的影響因子(由熒光粉效率、熒光膠配比及熒光膜的結構尺寸等決定[15-17])，C2為基板的影響因子(由基板白油的吸光率和反射率決定)，Cx為其他影響因素(比如，芯片的功率、封裝工藝等[18-20])。由公式(1)LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關系模型可知，如果我們確定線性相關系數C，根據理論光效LER和藍光芯片轉換效率可以估算出LED白光芯片的光效的光效，在對LED白光芯片設計時擇優藍光芯片和熒光粉類型有一定的參考價值。

2)模型的參數提取。圖6(a)(b)(c)所示分別為CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種色溫情況下，LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關系。由圖6可知，光效與LER·ΦB基本呈現正線性相關，直線斜率表示為線性相關系數C。由線性擬合結構可得CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種LED白光芯片的線性相關系數分別為0.668 4、0.725 3、0.778 6?；诖四Ｐ?，在進行配粉設計時可根據LED白光芯片理論光效LER和藍光芯片轉換效率，大致估算出LED白光芯片的光效是否可達到設計要求，據此對芯片和熒光粉類型進行選擇調整。

圖6 光效與LER·ΦB的關系Fig.6 Relationship between luminous efficacy and LER·ΦB

對比三種LED白光芯片的線性相關系數C可以發現：色溫越低，線性相關系數C越小。根據線性相關系數C的定義分析主要原因是LED白光芯片色溫越低，表明熒光粉配比中紅粉占比較高。但是由于紅粉的效率相對較低，同時紅粉會吸收其他波長的光，導致混合熒光粉的發光效率相對變低，因此其熒光層影響因子C1會更小。這種情況下在基板影響因子C2和其他影響因子Cx一定時，線性相關系數越小。由此也可知，在使用藍光芯片相同時，采用相同型號的熒光粉得到暖白色白光芯片的光效比冷白色的要低，低約14%左右。

2.3 基于光譜優化的LED白光芯片配粉設計

針對LED白光芯片的設計和制備工藝，本文建立了一套高效實用的配粉方法，可以根據不同的光-色參數要求和光譜功率分布要求，對LED白光芯片進行快速有效的配粉設計。圖7所示為配粉設計流程示意圖，其主要基于光譜功率分布合成方法將藍光芯片光譜和熒光粉光譜合成白光(如圖8所示)。具體流程可分為以下幾個步驟：第一步，選擇熒光粉和藍光芯片，測試得到熒光粉的發射光譜以及藍光芯片的發光光譜和電光轉化效率ΦB；第二步，把熒光粉和藍光芯片光譜導入光譜合成軟件，計算達到目標色溫后的顯色指數Ra和理論光效LER，并由公式(1)估算白光芯片的光效ΦW；第三步，以光效和Ra參數為優化目標選擇合適的熒光粉和藍光芯片型號，最終獲得滿足光-色要求的最優化熒光粉及藍光芯片型號；第四步，選定好芯片和熒光粉后進行白光芯片的配粉實驗，使色坐標最終達到目標色溫區，驗證光效和Ra是否達到光色要求。

圖7 LED白光芯片配粉設計流程圖Fig.7 Phosphor design flow diagram of LED white chip

圖8 LED白光芯片的光譜功率分布設計方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of design for spectral power distribution of LED white chip

以下利用實驗中的案例對所提基于光譜優化確定最佳配粉工藝方法進行驗證。如圖9所示，虛線為目標光譜，即為選定最佳熒光粉和藍光芯片后采用光譜合成軟件計算達到目標色溫的合成光譜；實線為配粉過程中積分球測試的實際光譜。配粉過程中，對比實際光譜和目標光譜，如果熒光粉光譜部分只是上下幅度的平移，可以采用調高或降低熒光粉濃度的手段來達到目標；同樣的，如果熒光粉光譜部分有左右方向移動或不一致，那就需要通過調整熒光粉的配比來達到目標。

圖9 基于光譜優化確定最佳配粉工藝方法的實例Fig.9 The examples of phosphor preparing process based on the SPD optimization method

3 結論

本文基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對LED白光芯片光色一致性的影響，并針對LED白光芯片封裝工藝過程中配粉實驗，提出了一種采用優化光譜快速找到最佳配方的配粉設計流程。研究結果表明：

①LED白光芯片的顏色一致性主要由尺寸和材料因素的決定，其中熒光層厚度和藍光芯片輸出功率對其影響顯著，因此在白光芯片封裝過程中，需要嚴格把控壓膜工藝精度和來料LED芯片輸出功率；

②LED白光芯片的光效與理論光效和藍光芯片轉化效率的乘積呈線性相關，色溫越低，線性相關系數越小。

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