白光LED數(shù)碼顯示器實封偏藍原因分析

（廈門華聯(lián)電子股份有限公司 福建·廈門 361006）

0 引言

二次實封的白光數(shù)碼顯示器出光效果比白光 Chip LED明顯偏藍，為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是本文主要研究內(nèi)容。

1 結(jié)構(gòu)說明

應(yīng)用在LED數(shù)碼顯示器上的白光LED一般是已經(jīng)封裝熒光粉膠的Chip LED或Top LED形式的封裝光源。常規(guī)的單色LED數(shù)碼顯示器為實封封裝形式，即單色LED芯片裝架在印制板上，再將反射罩填充環(huán)氧保護LED封裝，如圖1。對使用Chip LED或TopLED封裝光源的數(shù)碼顯示器，再填充環(huán)氧封裝相當于增加一個封裝環(huán)節(jié)，一般將這一環(huán)節(jié)取消以簡化制造工藝、節(jié)省物料成本，即而變?yōu)榭辗獾姆庋b形式，如圖2。但是，為了進一步提高整體的防潮效果、機械強度、散熱效果、減緩光衰，一些應(yīng)用條件較嚴苛的白光數(shù)碼顯示器仍會填充環(huán)氧實現(xiàn)LED芯片的二次實封封裝，如圖3。

圖1：實封結(jié)構(gòu)

圖2：空封結(jié)構(gòu)

圖3：二次實封結(jié)構(gòu)

2 顏色因素

偏藍首先體現(xiàn)為視覺因素，結(jié)合圖1及圖3，顏色因素主要為填充物，即環(huán)氧及環(huán)氧中散射劑，以下從這兩方面進行對比分析。

2.1 環(huán)氧顏色

常規(guī)使用的環(huán)氧為雙組分混合使用，即分為A部、B部；A部主要成分為環(huán)氧樹脂，B部主要成分為酸酐固化劑；A部為藍紫色粘稠體，圖4為保存A部的白色塑料包裝桶外觀，透過包裝可見其呈現(xiàn)藍紫色；B部為近無色透明液體，A部與B部混合后接近無色透明（重量混合比例1：1），封裝后見圖5，封裝后筆劃為無色透明。

圖4：環(huán)氧樹脂A部外觀

圖5：環(huán)氧樹脂封裝的白光數(shù)碼顯示器

A部的藍紫色與發(fā)光偏藍的顏色相關(guān)性較大，是否白光透過環(huán)氧后顏色受到影響；將A部和B部按照配比混合后對白光LED數(shù)碼顯示器進行封裝，最終得到的結(jié)果如表1所示，色坐標、主波長測試值均變小，參照圖6，波長越短，越靠近藍色，因此說明增加環(huán)氧后使發(fā)光顏色變藍，但是不是環(huán)氧的顏色影響的還需再進一步對比。

表1：Chip LED環(huán)氧封裝前后發(fā)光對比

圖6：自然光（白天）光譜分布

2.2 擴散劑

數(shù)碼顯示器的封裝環(huán)氧添加擴散劑提高發(fā)光面均勻性，擴散劑（圖7）對LED的出光顏色是否會造成影響。因此對添加擴散劑前后進行比較，在透明的環(huán)氧中加入A部質(zhì)量10%比例的擴散劑進行封裝，測試得到表2的結(jié)果，色坐標、主波長測試值均變大。

圖7：擴散劑

圖8：含10%擴散劑的環(huán)氧樹脂封裝白光數(shù)碼顯示器

表2：Chip LED擴散劑環(huán)氧封裝前后發(fā)光對比

添加擴散劑后環(huán)氧體呈乳白色，從色坐標變化可知顏色偏藍，并非偏藍，因此不是造成白光數(shù)碼顯示器實封偏藍的因素。

3 光學(xué)因素

參考LED封裝材料，除環(huán)氧外還有硅膠，為驗證其他顏色的封裝膠對出光顏色是否有影響，采用單組份的無色透明的硅膠進行了驗證，得到結(jié)果如表3。

表3：Chip LED硅膠封裝前后發(fā)光對比

從表3可以看出，即使是無色透明的單組份的硅膠，也會使白光LED的爭坐標、主波長等顏色參數(shù)數(shù)值明顯下降，下降程度與透明環(huán)氧相當。說明環(huán)氧顏色并不是影響出光顏色的重要因素。環(huán)氧樹脂或硅膠封裝的共同點是取代了原來結(jié)構(gòu)中的空氣這一光學(xué)傳導(dǎo)介質(zhì)，產(chǎn)生了折射率的變化，Chip LED的出光就不一樣。可是為什么會有這么大的變化呢？

首先來研究下環(huán)氧封裝的全反射角，折射率公式：

假設(shè)空氣為介質(zhì)1，Chip LED的封裝環(huán)氧為介質(zhì)2，空氣的折射率n1=1，將環(huán)氧的折射率約為n2=1.5，當從Chip LED發(fā)出的光在界面剛好發(fā)生全反射時（1=90°），可求出Chip LED中的全反射角為42°。由此可判斷，Chip LED有很大一部分光線未直接從Chip LED封裝體傳播導(dǎo)出，見圖9。

圖9：空氣與環(huán)氧介質(zhì)面的全反射角示意圖

LED發(fā)射的光經(jīng)封裝體表面全反射回環(huán)氧中再激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換為白光，提高了熒光粉轉(zhuǎn)換效率，使Chip LED發(fā)出的光偏白。說明介質(zhì)1為空氣時（無填充環(huán)氧），數(shù)碼顯示器的色坐標、波長等參數(shù)數(shù)據(jù)會較大，顏色比較白。而當介質(zhì)1變成與介質(zhì)2折射率一樣的環(huán)氧時（實封），反射罩腔體內(nèi)的Chip LED封裝環(huán)氧體中的藍光沒有全反射角影響，提高了光線的傳播角度，降低了藍光芯片激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換為白光的轉(zhuǎn)換效率，也就使得最終的出光效果變藍。

4 光學(xué)模擬

由第三點對光學(xué)因素的分析，基本上可以確認為光線傳播變化使白光 LED數(shù)碼顯示器實封偏藍。對光學(xué)因素的分析還可以借助光學(xué)模擬軟件進行分析，為了更直觀的觀察不同介質(zhì)面的出光情況，采用Trace-pro對出光進行了模擬。

如表4，對空封及實封兩種封裝結(jié)構(gòu)進行模擬，設(shè)定出射光線100條，對比光線的傳播情況。

表4：Chip LED封裝前后光線傳播路徑分析

表中a與b出射光線為100條，其中a的Chip LED的周圍為空氣，光線全反射后在Chip LED內(nèi)部的進行復(fù)雜的傳播，環(huán)氧體充滿密密麻麻的光線，這些光線對熒光粉再次激發(fā)，提高了藍光的利用率，轉(zhuǎn)換為白光，降低了藍光的射出，出射的光線形成了不同的顏色線條。而b的Chip LED周圍為環(huán)氧，視為同介質(zhì)傳播，光線的出射路徑相對簡單，也只形成一種顏色線條，藍光的利用率則相對較低，出射光也較藍。

5 結(jié)論

文中分析了白光LED數(shù)碼顯示器實封偏藍的原因，第一部分對結(jié)構(gòu)的剖析，再對結(jié)構(gòu)中涉及的封裝材料環(huán)氧、擴散劑、硅膠進行測試比對，排除環(huán)氧、擴散劑的顏色因素，最終分析出實封結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧封裝改變光線傳播介質(zhì)的折射率為決定因素，并利用光學(xué)模擬仿真驗證了結(jié)論。

本文結(jié)論為類似的封裝結(jié)構(gòu)提供參考，在產(chǎn)品設(shè)計中利用或防止不同介質(zhì)層全反射造成的出光顏色差異，依據(jù)光學(xué)測試參數(shù)預(yù)測顏色差異，避免重復(fù)的分析改善工作。