COB LED光源封裝密度對發光效率的影響

李炳乾 ，羅明浩 ，俞理云 ，夏正浩，陳葉青 ，陳 巖

(1.五邑大學 應用物理與材料學院，廣東 江門 529020；2.中山市光圣半導體科技有限責任公司, 廣東 中山 528421)

引言

根據不同照明領域的應用特點，白光LED具有多種封裝形式，在很多領域取代傳統照明光源[1-3]。COB(Chip on Board)是將LED芯片直接固定在高導熱的金屬或者陶瓷基板上，通過基板直接散熱，減少熱阻可以實現高密度的集成封裝[4，5]。采用COB封裝的LED光源由于光通量/面積比很高，在很小的發光面積上可以實現很高的光通量輸出，因此發光面積較小，有利于燈具的光學設計，在商業照明、博物館照明等對照明質量要求苛刻的領域得到廣泛的應用。

為了解決COB封裝高光通量密度時的發光效率下降問題，和光通維持率，人們在熒光粉的涂覆方式上開展了大量理論和實驗研究[6-9]。近年來，由于熒光粉制備工藝的改進，熒光粉的高溫淬滅現象得到有效緩解，在產業界的推動下，在COB白光LED封裝技術方面出現了“沉粉工藝”，即利用低粘度硅膠混合熒光粉，讓熒光粉在固化過程中充分沉淀，在芯片表面附近出現一個濃度很高的熒光粉薄層。沉粉技術從原理上講有其合理之處，一是高密度的熒光粉薄層可以提高光致激發的效率，二是高密度的熒光粉薄層的導熱率較高，為芯片向基板散熱提供了一個并聯的導熱通道，可以降低芯片到基板的熱阻。本文采用鏡面率基板，用傳統熒光粉涂覆工藝制作了18，24 W和36 W的COB LED光源，實驗測量了脈沖驅動時不同封裝密度COB LED光源發光效率的電流依賴關系，實驗證明了隨著封裝密度的增加，光源的發光效率呈現下降趨勢，并對發光效率的下降原因進行了定性分析。在此基礎上，采用沉粉技術制作了36 W的COB LED光源，實驗結果表明：沉粉工藝制作的36 W光源恒流驅動時發光效率和光效維持率均明顯優于傳統的熒光粉涂覆技術。

1 實驗材料和樣品制作

實驗選用邊長為13 mm的正方形鏡面鋁基板，發光面和固晶區的尺寸為直徑10 mm的圓形。鏡面鋁基板兼有光反射率高和導熱性能好兩方面的優點，是高端COB LED光源的首選基板。芯片采用德豪潤達的商品化芯片，型號為DH1428，芯片尺寸為0.35 mm×0.70 mm，發光的峰值波長452.5 nm, 熒光粉采用博睿的537H7黃綠粉和R630P6紅粉。為了分析光源熱量產生的來源和大小，首先采用半球形的封裝結構，制作了藍光LED，采用半球形封裝可以有效增加藍光的提取效率，實驗測量芯片在150 mA典型工作電流下，單顆藍光芯片出射功率為243.8 mW，相應的電光轉換效率為52.5%。

18 W、24 W和36 W樣品分別使用36顆、48顆和72顆芯片，采用先串聯，然后2串并聯的連接方式，對應的典型工作電流為300 mA，電壓分別為54 V、72 V和108 V、電路連接如圖1所示。

圖1 COB LED電路連接示意圖Fig.1 COB LED circuit diagram

為了保證對比實驗的真實性和可信性，所有樣品制作均采用同一生產批號的芯片、熒光粉、硅膠(沉粉工藝除外)和鏡面鋁基板，通過微調熒光膠的涂覆量，使得制作的各種樣品色坐標基本一致。沉粉工藝使用的硅膠在固化溫度下，可以較長時間保持低的粘度，以利于熒光粉的沉淀，沉粉工藝制作的樣品表面清澈透明，說明固化過程中，熒光粉沉淀充分，大部分熒光粉沉淀在芯片表面附近的薄層。

2 實驗結果分析

2.1 脈沖驅動時發光效率隨電流的變化

測量時隨機選擇不同種類的樣品各3顆，工作電流從20 mA開始增加，每隔20 mA測量一組數據，直到光通量出現飽和效應，測量的參數值取3顆樣品測量數據的算術平均值，可以有效避免樣品個體差異對實驗結果帶來的影響。表1是幾種樣品色坐標的測量結果，從表中可以看出，幾種樣品的色坐標非常接近，表中沒有列出的色溫、顯色指數也幾乎相同，實驗中也發現兩種樣品色坐標隨電流的變化規律相同，而且差別不大，在這樣的情況下比較它們發光效率的差異具有了實際意義。

表1 300 mA時四種不同樣品的色坐標Table 1 CIE(x,y) of different samples@300 mA

圖2是三種不同功率COB LED光源發光效率(η)隨電流的變化關系，實驗時，電流由20 mA開始，每隔40 mA測量一次光電參數，直到出現飽和效應(光通量不隨電流增加而增加)。從圖中可以看出，三種樣品的發光效率都隨著電流的變化呈現出相同的規律，即隨著驅動電流增加，發光效率呈現單調下降的現象。因為這時候采用的是脈沖驅動時，驅動電脈沖的持續時間在毫秒量級(50 ms)，芯片電光轉換和熒光粉光致發光時產生的熱效應可以忽略不計，實驗中各種樣品發光效率隨電流增加的下降主要是藍光芯片電光轉換效率下降的結果，這里面既有高電流密度時電流擴散不均帶來的，又有所謂的“光效下降”效應起的作用。

圖2 不同封裝密度發光效率隨電流的變化Fig.2 The change of the luminous efficiency of different packaging density with the current

圖2數據反映出的更重要的一點是隨著光源功率(封裝密度)的增加，發光效率呈現出下降的趨勢，與18 W光源相比，在典型工作狀態下(300 mA)，24 W、36 W光源發光效率分別下降了1.14%和7.96%。為了解釋這一現象，文中計算得到了18 W、24 W、36 W三種COB光源引入芯片面積/鏡面鋁反光面積比分別為11.24%、14.98%和22.47%。相比于鏡面鋁的高反射率，LED芯片對光的反射率要低很多，芯片面積占比的增加導致了基板表面整體反射率的降低是導致COB LED光源的整體發光效率下降的原因之一，這個原因也是提高光源封裝密度必然會帶來的副作用。

除此之外，出現隨著封裝密度提高發光效率下降的還有另外一個因素，LED芯片側面發出的光也占有相當比例，隨著封裝密度提高，芯片之間的距離縮短，芯片側面發光照射到周圍芯片側面的幾率有所增加，一般情況下認為照射到其他芯片上的藍光會被芯片完全吸收，這個因素一方面可以通過采用圖形襯底技術改變芯片發光的空間分布部分消除，也可以在封裝層面進行通過沉粉技術適當彌補。

針對發光效率下降最為明顯，也是封裝密度最高的36 W光源，利用沉粉工藝替代傳統的熒光粉涂覆工藝，制作了相應的樣品。圖3是兩種工藝制作的36 W LED光源發光效率隨驅動電流的變化曲線，從圖中可以看出，采用沉粉工藝的樣品在整個測試區間，發光效率比傳統工藝制作的樣品略有增加，但是增加幅度不大，僅為1%左右。這種沉粉工藝發光效率略高于傳統工藝的現象，主要是因為沉粉工藝中，光源底部熒光粉濃度較高，藍光芯片側面發出的光較大比例轉換成了黃光和紅光，這些波長較長的光，既照射在周圍的藍光芯片上，也不會被藍光芯片吸收。

圖3 沉粉和傳統工藝發光效率隨電流的變化Fig.3 The change of the luminous efficiency with the current in the deposited and traditional process

2.2 恒流驅動時發光效率隨時間的變化

從定性的角度分析，沉粉工藝中熒光粉沉到底部，硅膠中熒光粉混個比例提高，硅膠的導熱率提高[8]，提供了一個更高效的并聯散熱通道，LED芯片的結溫有可能降低，提高光源的光效和使用壽命。脈沖測量時，光源的熱效應不需要考慮，因此我們有進行了恒流點亮，測量了典型工作電流下(300 mA)，不同點亮時間沉粉工藝和傳統工藝光效的變化情況，實驗結果如圖4所示。

圖4 點亮時間與光效的變化關系Fig.4 The relationship between light time and luminous efficiency

從圖4中可以看出，在通電0～30 min時間里，沉粉工藝和傳統工藝制作的樣品的發光效率都隨著隨著時間延長而下降，但是沉粉工藝發光效率的下降明顯低于傳統工藝制作的樣品。為了進一步分析二者的關系，繪制了兩種樣品發光效率維持率(等效于常說的光通維持率)隨恒流點亮時間變化的關系曲線，如圖5所示，對比圖中數據可以看出，傳統熒光粉涂覆工藝制作的樣品其發光效率在0～30 min的范圍里一直呈現下降趨勢，在大約15 min，下降趨勢變得略微平緩，30 min時發光效率下降到初始值的96.49%；沉粉工藝樣品在點亮開始的兩分鐘，發光效率下降很快，隨后發光效率下降開始變慢，到大約16 min之后，發光效率基本保持在一個不變的數值，30 min時發光效率下降到初始值的97.60%。兩種工藝制作的樣品發光效率在6～8 min時有一個交叉點(圖5中A點)。

圖5 點亮時間與發光效率維持率的變化關系Fig.5 Relationship between light time and lumen efficiency maintenance factor

在COB光源中，熱量產生主要包括兩部分：一是藍光芯片電致發光和等效串聯電阻的能量損失轉換為熱量，本文采用的藍光芯片這部分熱量約占輸入電功率的47.5%，集中在LED芯片上；二是熒光粉光致發光將藍光轉換為黃、綠、紅等顏色時的能量損失，熱量約占輸入電功率的15.3%，這部分熱量產生的區域與熒光粉分布有關。在沉粉工藝中，光致發光和電致發光產生的熱量都集中在芯片附近，在恒流點亮的初始階段，芯片的初始溫度較低，熒光粉沉淀帶來的并聯散熱通道導出的熱量較少，芯片溫度迅速升高，造成初始階段沉粉工藝的發光效率下降很快，但是隨著溫度的升高，并聯散熱導熱效率迅速提升，發光效率下降的速度變慢，并很快達到穩定狀態。反觀傳統工藝，則因為在初始階段，光致發光產生的熱量分布在熒光膠中更廣泛的區域，芯片溫度升高的比較慢，但是隨著點亮時間的增加，在熒光膠中光致發光產生熱量缺乏有效的散熱通道，熱量逐漸堆積，造成整個熒光膠區域溫度上升，熒光粉轉換效率下降。

3 結論

隨著封裝密度的增加，光源的發光效率呈現下降趨勢，這一點是高密度COB LED光源封裝不可避免的問題。本文采用鏡面率基板，制作了18 W、24 W和36 W等不同封裝密度的COB LED光源，并對其發光效率和發光效率維持率進行了研究。與18 W光源相比，脈沖(300 mA)驅動時，24 W、36 W光源發光效率分別下降了1.14%和7.96%；恒流(300 mA)驅動時，24 W、36 W光源發光效率分別下降了1.31%和10.87%。相比于傳統熒光粉涂覆工藝，沉粉工藝制作的36 W光源脈沖驅動時發光效率變化不大，恒流驅動時，發光效率初始值提高了1.00%，同時表現出更好的光效維持率，在持續點亮30 min時，發光效率維持率達到97.60%，高于傳統熒光粉涂覆工藝2.16%。本文的研究結果表明：沉粉工藝在高密度封裝領域可以有效提高COB LED光源的發光效率和發光效率(光通量)維持率，降低光源的工作溫度。