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提高COB出光效率显色指数色温

发布时间:2015-11-20 11:50 来源:修大屏 浏览次数:

近年来,板上芯片(COB)封装结构的LED应用快速增长,这是由于COB封装结构将多个发光二极管(LED)封装在一个小面积的平面内,使装配的灯具外壳更轻便简洁,易于实现二次配光,实现特定的光学分布,且具有尺寸小、成本低、利于散热、出光率高且易实现自动化生产等优点。

 

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目前市场上COB的结构种类众多,主要结构如图1所示,在固定完芯片和焊接金线之后,在基板上灌封荧光胶(有的还在荧光胶上点涂硅胶),以保护芯片不受外界环境影响和提高导热散热能力。普通的COB封装结构表面的硅胶呈平面状或略微凸起状,但该结构下,光线在胶体和空气界面存在严重的全反射问题。事实上,COB封装结构表面的硅胶更重要的作用是提高出光效率,实现特定的光学分布。相对于常用的平面结构,自由曲面结构可以明显提高模块的光萃取,提高出光效率。

 

实验

 

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本实验在传统COB封装结构的基础上计量增加硅胶量,其结构如图2,随着硅胶量的增加,硅胶自然凸起,形成自由曲面结构。实验采用边加热边点胶的方式,提高硅胶固化速度,让硅胶在重力作用下自然形成自由曲面,硅胶无溢出现象。为提高实验重复性及数据可靠性,采用同种工艺及材料制作了3个相同样品,分别为样品 1、样品2和样品3。

 

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实验采用的基板,其发光面为圆形,直径为2 cm。采用12颗大功率蓝光LED芯片和2颗大功率红光LED芯片,其电气连接如图3所示。样品制作时,先采用银浆将芯片固定在基板上,然后焊接金线,点涂黄色荧光粉胶,最后涂覆硅胶。

 

结果与讨论

 

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图4为700 mA驱动电流下,3个样品的光通量随硅胶量改变时的变化情况。从图4可以看出,随着硅胶量的增加,3个LED样品的平均光通量呈增长趋势,硅胶从0g增加至1.2g时,样品1光通量增加了8.68%,样品2光通量增加了15.28%,样品3光通量增加了15.65%,这是由于随着硅胶量的增加,提高了 COB出光面的曲度,减少了全反射,从而提高了出光效率。从图中我们还可以看到,当硅胶量从1.2g继续增加时,样品的光通量增速变缓,平均光通量出现减少的现象。这是因为随着COB出光曲面的提高,已基本将原全反射的光线提取出来,当硅胶量继续增大时,光提取效率降低,且硅胶对光线的吸收越来越大,因此光通量增速减缓甚至下降。

 

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图5为样品1改变硅胶量时的光谱情况,可以看到样品的光谱含有蓝光、黄光及红光三部分,随着硅胶量的增加,红光和黄光部分光谱有一定的增加,但增加不明显,而蓝光部分的光谱增加非常明显。同样,从图6也可以看出,随着硅胶量的增加,3个样品光谱中的蓝色比值持续增加。

 

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这是因为所封装的COB白光LED 是由蓝色LED激发黄色荧光后产生的黄光和混合部分没激发的蓝光而得。由于荧光胶的折射率比空气大,因此,光线在两者界面处会发生全反射,当没激发荧光粉的蓝光经全反射后回到荧光粉层后,可能激发荧光粉而变成黄光,如图7中的a光程所示。随着硅胶量的增加,LED出光面的曲度增加,全反射减少,更多蓝光被直接提取出来,如图7中的b光程所示。因此,随着硅胶量的增加,样品光谱中的蓝光部分增加最多。从图7还可以看出,随着硅胶量的增加,光萃取时的平均光程减少了,降低了硅胶对光线的吸收,有利于提高样品的光效率。

 

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图8为700 mA的驱动电流下,3个样品改变硅胶量时的色温变化情况。从图中可以看出,随着硅胶量增加,3个样品的平均色温持续增加,表明其越趋于冷光源,图5和图6也证实了这一点。

 

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图9为700 mA的驱动电流下,3个样品改变硅胶量时的显色指数变化情况。从图8可以看出,随着硅胶量增加,3个样品的平均显色指数持续上升。当硅胶量增加到1.4g时,样品1显色指数增加了6.1,样品2增加了4.6,样品3增加了5.8。

 

显色指数(CRI)是一个光源与标准光源(例如日光)相比较在颜色辨认方面的一种测量方式。CRI值是通过将测得的LED光谱与指定色样的光谱相比较,然后通过数学分析的方法推导计算出来的。通过对显色指数的计算表明,调整白光LED的发光光谱,使之在可见光连续、均衡,可以改善LED光源的显色性。如图7 所示的光谱,随着硅胶量增加,一定范围内增加蓝光组分的比例,使得光谱较为均衡,有利于提高白光LED的显色性,因此COB白光LED的显色指数提高了。

 

结论

 

实验表明,通过在COB封装结构的白光LED表面适当增加硅胶,使其形成自然曲面结构,可以提高COB白光LED的出光效率和显色指数,但同时也增加了色温。本文通过在补加了红光LED芯片的COB白光LED 表面增加硅胶量,最终实现了14W COB封装结构下的白光LED,在电流密度为30 A/cm²下,色温、显色指数及光效分别为4900K、82和125 lm/W。

来源:广东LED