本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志2013年第8期 (總第42期) 轉(zhuǎn)載請標注：中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)
一、目前傳統(tǒng)灌封封裝工藝存在的問題
目前常用的白光照明LED器件采用的是灌封封裝工藝技術(shù)，即將熒光粉與膠的混合體注入已經(jīng)完成固晶和金線綁定的芯片支架上，完成LED芯片表面的熒光粉涂覆。這種方法得到的熒光粉涂層，從中心到邊緣的結(jié)構(gòu)都不均勻。灌封工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖 1 LED器件熒光粉傳統(tǒng)灌封封裝工藝得到的熒光粉涂層形貌結(jié)構(gòu)圖
以下從色溫、光通量、散熱三個方面分析這種灌封封裝工藝存在的問題。
1.色溫
LED器件出射白光的機理是芯片發(fā)出藍光，激發(fā)涂在芯片上面的YAG熒光粉，激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光，然后這些黃光與芯片的藍光混合形成白光，因此被激發(fā)的YAG熒光粉越多，黃光在整個組合形成的白光中所占比例就越大，則白光的顏色會偏黃及色溫偏暖，反之色溫偏冷。也就是說，器件出射的白光色溫與芯片上面所涂覆的熒光粉層厚度有關(guān)。對同一芯片而言，厚度厚，色溫偏暖;厚度薄，色溫偏冷。如果芯片上面熒光粉涂層厚度不均勻的話，則LED器件發(fā)出的白光光斑在色溫上將會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。
圖 2 傳統(tǒng)熒光粉灌封封裝結(jié)構(gòu)的 LED 器件發(fā)光示意圖
同時，芯片表面熒光粉涂層射出的白光是呈半球狀向任意方向發(fā)出的，因此與芯片一體的反射罩也會接收到一些白光，而傳統(tǒng)熒光粉灌封結(jié)構(gòu)反光罩上有熒光粉涂層(見圖2)，由于接收到的白光中含有藍光成分，那么這些反射罩上的熒光粉涂層也會被激發(fā)，發(fā)出黃光;而一些白光也會因不同入射角度而被熒光粉涂層反射，那么，一些白光和黃光會向上與芯片表面涂層出射的光混合，一些黃光會向下進入涂層內(nèi)部和反射罩，由于涂層擋在反射罩上面，所以這部分光則無法全部反射出，被涂層吸收轉(zhuǎn)化成熱能。由于被激發(fā)出來的白光色溫與熒光粉涂層的厚度密切相關(guān)，而反射罩上面的涂層厚度無法精確控制，故通過這些涂層發(fā)出的黃白光，其色溫就會與芯片表面熒光粉涂層發(fā)出的白光不一致，所以，更加劇了整個器件發(fā)射出的光斑內(nèi)色溫的不均勻現(xiàn)象。
從批量生產(chǎn)方面來看，灌封封裝工藝理論上是一次性向每一個管芯上灌入同樣熒光粉濃度和重量的粉膠混合物，但是在實際生產(chǎn)中，同一批次的LED管之間，每次灌入的粉膠混合物的熒光粉濃度無法精確控制，所以熒光粉層在形狀上都會有一定的差異，導(dǎo)致很難控制出射光斑的亮度均勻性和色溫一致性，從而帶來器件間較大的色度差異。
同時，由于涂層膠滴實際微觀表面凹凸不平，當(dāng)光線出射時還有可能會形成白光顏色不均勻，導(dǎo)致局部偏黃或偏藍不均勻性光斑出現(xiàn)。
2.光通量
傳統(tǒng)灌封封裝的LED器件，其熒光粉涂層覆蓋了芯片與反射罩，那么通過芯片藍光激發(fā)出來的白光，除了芯片表面直射出來的光之外，還有一部分光將射到反射罩上面(見圖2)。這部分白光先射到熒光粉涂層上面，而熒光粉涂層表面的反射能力很弱，所以部分光將被涂層表面反射，部分光將會被熒光粉涂層吸收，所以，芯片上熒光粉涂層被激發(fā)出來的所有白光，將有一部分被損失掉，不是全部被發(fā)射出來。
3.器件散熱
由于傳統(tǒng)灌封LED器件的反射罩上存在厚度不均勻的熒光粉涂層，芯片表面熒光粉發(fā)出來的照射到反射罩上熒光粉涂層的白光，有一部分將會被熒光粉涂層吸收，使熒光粉涂層發(fā)熱，從而導(dǎo)致LED芯片周邊溫度也升高，加大了LED芯片散熱負擔(dān);同時芯片溫升也將直接傳遞至其表面上的熒光粉涂層，使其溫度增加，故會使整個LED器件使用壽命受到影響。
二、將熒光粉涂層變?yōu)槠矫嫱繉幽芴岣咂骷珳匾恢滦院土炼染鶆蛐?/strong>
從以上分析可以看出，要改善功率白光LED的光斑空間分布均勻性以及管間色度、亮度的均勻一致性，熒光粉涂層形狀的控制至關(guān)重要，若使芯片表面的熒光粉層厚度均勻化，則能得到色溫一致性好的出射白光。
PhilipsLumileds公司2004年提出的平面涂層(Conformal Coating)概念已經(jīng)成為現(xiàn)在功率型白光LED封裝技術(shù)的一個重要方向。目前，國際上先進的白光LED生產(chǎn)廠家(Cree、Philips Lumileds、Osram)已經(jīng)有平面涂層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開始出售，說明國外先進生產(chǎn)廠家都已經(jīng)完成了各自的平面涂層技術(shù)開發(fā)并在其白光產(chǎn)品上得到成功運用。
目前所見國外報道的熒光粉平面涂層技術(shù)產(chǎn)品，許多是將熒光粉涂層在幾何厚度上達到均勻一致，盡管比傳統(tǒng)的灌封技術(shù)在白光性能上有很大提高，但仍然存在光斑均勻性達不到最佳的問題,見圖3。
圖 3 熒光粉涂層在幾何厚度上達到均勻一致的平面涂層封裝結(jié)構(gòu)圖
因為目前LED芯片的物理結(jié)構(gòu)及制備工藝,其表面發(fā)光強度(亮度分布)并非嚴格均勻一致，而是隨發(fā)射角度的變化有所改變，也就是說同一片芯片表面每一個發(fā)光點所發(fā)出的藍光光強有可能是不等的，有的強一些，有的弱一些。那么在熒光粉涂層在幾何厚度上達到均勻一致，且熒光粉在芯片表面分布密度一致的情況下，被激發(fā)出來的黃光就相同，那么光強強的部位出射的混合白光藍光占的比例就會比光強弱的部位多，即芯片上光強強的部位色溫會偏冷，光強弱的部位色溫會偏暖。
同時，從以上結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在反射罩上還有熒光粉涂層，那么，有可能有部分出射白光照射到這些位于反射罩上的熒光粉涂層上，從而激發(fā)出一些黃光與芯片表面方向出射出的白光混合，這將影響整個出射白光光斑的色溫。
因此這類將熒光粉涂層在幾何厚度上達到均勻一致的平面涂層封裝則不能完全適應(yīng)發(fā)光強度不一致的情況，所以光斑均勻性達不到很理想的狀態(tài)。
盡管熒光粉層平面結(jié)構(gòu)新工藝光斑均勻性還未達到最理想的狀態(tài)，但是，應(yīng)用市場對此技術(shù)的改進仍然給予了積極的響應(yīng)，許多以前因LED白光顏色不均勻而不使用LED照明的領(lǐng)域，也開始愿意應(yīng)用LED產(chǎn)品。由此說明，只要能得到理想的均勻出射白光光斑，LED產(chǎn)品將在更加廣闊的照明應(yīng)用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)照明光源，占據(jù)照明市場的更多份額。
若想得到更理想的均勻性出射光斑，不僅要實現(xiàn)熒光粉的平面涂層結(jié)構(gòu)，同時又能響應(yīng)芯片表面發(fā)光強度(亮度分布)并非嚴格均勻一致的情況，自動調(diào)節(jié)熒光粉涂層的幾何結(jié)構(gòu)，即涂層厚度并非嚴格的物理相等，而是讓芯片表面的熒光粉涂層厚度可以依據(jù)光強的強弱，具有不同的涂層厚度，
同時，在反射罩上不能存留熒光粉涂層，避免出現(xiàn)黃光,具體結(jié)構(gòu)見圖4。
圖 4 能適應(yīng)芯片發(fā)光強度不一致情況的熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)圖
以上結(jié)構(gòu)的平面涂層封裝器件已經(jīng)在電子科技大學(xué)研制成功，預(yù)計2014年可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，平面涂層概念已經(jīng)成為現(xiàn)在功率型白光LED封裝技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
三、熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對提高LED器件光通量方面也有作用
熒光粉平面涂層結(jié)構(gòu)的LED器件，熒光粉涂層只是在芯片上，而承載芯片的支架與反光罩上均無熒光粉。芯片藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，混合輸出的白光，除了從芯片頂面直射出來的以外，還有射到反光罩表面的光，而這些光將被反光罩幾乎全部反射出來，與直射出來的光疊加，基本上保證了熒光粉涂層被激發(fā)出來的所有白光都被發(fā)射出來,見圖5。
圖 5 熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的 LED 器件發(fā)光示意圖
傳統(tǒng)灌封封裝的LED器件如前所述，其芯片藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，混合輸出的白光，將有一部分被損失掉，不能全部被發(fā)射出來。
當(dāng)然，影響光通量的因素還有其它方面，平面涂層封裝只是一個方面，但從理論上來講，對于同一個LED芯片而言，采用平面涂層封裝結(jié)構(gòu)，其光通量應(yīng)該比灌封結(jié)構(gòu)的要高，即平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對提高光通量是有幫助的。
四、熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)對降低LED器件發(fā)熱有作用
熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)LED器件基本上保證了熒光粉涂層被激發(fā)出來的所有白光都被發(fā)射出來。
而傳統(tǒng)灌封LED器件，熒光粉涂層覆蓋了芯片與反射罩，其器件發(fā)出的白光，有一部分將會被熒光粉涂層吸收，使熒光粉涂層發(fā)熱，同時使LED芯片周邊溫度也升高，加大了LED芯片散熱負擔(dān)，芯片溫升也將直接傳遞至其表面上的熒光粉涂層，使其溫度增加，從而增加整個LED器件散熱的負擔(dān)。
當(dāng)然，LED器件發(fā)熱的因素很多，封裝結(jié)構(gòu)影響發(fā)熱只是一個方面，且不是影響散熱效果的決定因素。
五、小結(jié)
熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的LED照明器件在性能指標上均優(yōu)于傳統(tǒng)灌封封裝結(jié)構(gòu)的器件，將在許多對照明色溫一致性、光斑顏色和亮度均勻性要求高的應(yīng)用場合獲得好評，比如高端產(chǎn)品專賣店、展覽館、博物館、服裝專賣、彩色印刷、精密加工等。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，器件的應(yīng)用量增加，其成本將逐步下降，熒光粉平面涂層封裝結(jié)構(gòu)的LED照明光源將逐步會成為LED照明應(yīng)用的主流。
