白光led的光谱分布特征及原因 led灯光不均匀

1开始

白光LED由于其效率高、耗电小、寿命长、固体节能、绿色环境保护等显著优点，被认为是绿色照明光源，成为继白炽灯泡、荧光灯之后的第三代照明光源，预计具有较大的发展潜力。使用荧光粉转换法白光的实现是目前研究的最热的方法。目前，功率型白光LED封装工艺尚不成熟，散热和荧光体涂层是两个封装过程的突破重点。用于照明领域白光功率LED，其色温和色度的空间分布的均匀性是产品性能的重要指标。人眼能分解的色温差为50？作为100K，当前一般LED装置的色度的均匀性仍然不理想，单个粒子LED的角色温度差有时会增大到800K。这是因为，当荧光体浓度一定时，蓝色光被变换为黄光的概率与蓝色光的出射中遭遇的荧光体厚度成比例，荧光体厚度的不均匀是白光LED引起角方向的色温差的主要原因。对于白光LED，发现了出射白光点均匀性的研究和改善是重要的课题。

2样本制作过程

我们现在利用主流填充点橡胶工艺，采用不同荧光层的形状和结构，制作5种样品，A1～A5，荧光体层的制作过程主要有两个步骤，首先在芯片上涂抹一层透明的硅胶，使其干燥形成透明的硅胶层；此外，在硅胶层上涂布荧光粉和透明硅胶的混合物。（a-63；e）是五种不同形状结构白光LED的示意图。在芯片的正面，荧光体层的厚度约为25mu。m。

如（a）所示，样品A1的结构首先在LED芯片发光层上涂抹厚度约为荧光粉层两倍的硅胶层，该硅胶层覆盖金属的整个基板，然后在干燥的硅胶层上涂抹荧光体层。如（b）所示，样品A2的结构与A1大致相同，LED在芯片发光层上涂布硅层，其厚度约为荧光粉层的1/2，该硅层覆盖金属的整个基板，即使在其上涂布荧光粉层，此时硅层的厚度也明显变薄由于人工操作，误差可能很大。如（c）所示，样品A3的结构沿着基板边缘在金属基板上涂布硅层，该硅层的高度不超过轻拂芯片的陶瓷基板，正好与陶瓷基板平坦地填充，但是芯片上的发光层没有硅层，干燥后在整个芯片上涂抹荧光体层。如（d）所示，样品A4的结构沿着芯片发光层的边缘在金属基板和陶瓷基板上涂布不超过触发器芯片的芯片中心发光区域的高度的硅层，与芯片的发光层正好变平，发光层的上面露出，干燥后在芯片整体上涂布荧光体层。如（e）所示，样品A5的结构在芯片的发光面的正面涂上硅胶，其厚度与荧光体层相同，然后在干燥的硅胶层上涂抹荧光体层。

用五种白光LEDs制作的工艺示意图

3实验测试平台的构建

通过9点法测试各LED的9点色坐标和色温，判断单一LED出射点的各方向上发光的空间均匀性。使用积分球方法测试元件的色温和色度，并考虑相同样品的元件之间的差异。

为了测试单个白光LED出射点的空间均匀性，建立了在暗室进行测试的实验平台，以降低环境光线的影响。首先将LED固定在墙壁上，在其正前方配置白色屏幕，屏幕的中心位置的高度与LED一致（图示），屏幕和墙壁保持平行。为了便于测试和统计，选择了构成正方形的9个代表性测量点。

测试画面和LED位置的示意图

实验条件：本文制作的是1W白光LED，用350mA的恒定电流电源驱动，电压为3.5V左右。LED与屏幕的距离相同且为60cm，测试中使用的工具是CHROMAMETER CS2100M INOLTA色差计。单个设备光通量、颜色温和色坐标等的测量；所使用的ssp3112LED光谱波长分析系统使用积分球法测试LED整体的色度坐标和色温。色度坐标的离散性将9个测试点的色坐标设为（xi，yi）（i＝1，2，9），将9个测试点的色坐标的平均值设为sigma。

主波长分布也可以体现9点的色坐标离散性。主波长范围越小，9点色坐标越集中，LED的空间色度分布越均匀。另外，从主波长的大小可以看出LED发光的颜色偏向。主波长主要用作图方法来体现。

设备之间的色度均匀性可以由色度坐标的标准差和色温标准差表示，CIE1931可以在色度图上的分布中直接反应。将测试得到的设备的色坐标设为（xi，yi）（i为设备个数），将一系列设备的色坐标平均值设为（x，y），色度坐标点的标准差设为以下。

相同色温的标准差如下。

采样空间9点色坐标分布

4测试数据及讨论

4.1单一LED白光点均匀性

单一白光LED为了考察出射点的光学一致性，A1？A5在样品中随机抽取一个样品，通过9点法测定各LED的色坐标空间分布值，并根据公式计算该色坐标的标准差sigma。以及主波长分布如表1所示。将表1中各样品的单个白光LED空间9点的色度坐标值，即（x，y）值分别绘制在折线上，考虑其分散性，将x＝0.33，y＝0.33点作为理想白光点。进而，A1？A5将样品的9个点的色度坐标位置绘制为C IE1931的色度，谋求更直观的反应色度的空间分布性，显示其主波长分布区域，其中的A1一口气63？A4将样本的色度分布嵌入小图中。

A 1A5样品空间9点的CIE1931色度坐标图及其主波长范围分布

表1A～A5样品9点色坐标标准差及主波长分布

为了掌握分析的简单性和问题的主要矛盾，在分析过程中忽略了芯片本身发光不均匀的影响和人工操作的误差。只考虑了过程对发光均匀性的影响。如从以上表和图可知，A3处理的色坐标的标准差相对较小，折线图，色度图9点的色坐标分布更集中，主波长范围分布也较小，该处理能够更好地控制荧光体的厚度的均匀性，使出射点更均匀同时发光的光也接近标准白光。A4稍逊于A3。A1、A2不均匀，离散性更大。A5虽然可以改善均匀性，但是离理想白光太远，厚度的控制性太差。

A3采用沿着基板的边缘在金属基板上涂布硅胶层，使其与陶瓷基板平坦的过程，因此荧光体层在芯片发光层上均匀分布。由于硅胶将陶瓷基板填平，使相邻厚荧光粉层变薄的底面积同时增大，使荧光层分布的平面变大，所以在芯片上形成的电弧型使荧光体层更加平坦，荧光体层也变得均匀。A4的结构是沿着芯片发光层的边缘用硅胶层覆盖芯片表面的发光层，从而增加芯片上的平坦面积，从而提高均匀性。但是，由于发光面在芯片表面的旁边也会发光，所以如果在侧面先涂上硅胶，则旁边会露出蓝色的光，工艺操作性会变差。A5结构在芯片上先涂上硅胶，由此形成电弧，原理上降低了荧光体层的电弧差，能够使荧光体层的芯片上的厚度更一致，但由于下面的硅胶层减少了荧光体的量，A5的发光偏向于蓝色光，同时芯片小操作更加困难，控制性也更差。样品A1、A2的结构基本上相似，LED通过在芯片发光层上先涂上硅胶层，芯片上的荧光体层的形状几乎不会改变，当然也不能改善荧光体层的均匀性。

4.2设备之间的一致性

考虑每个工程的制造过程中的控制性和一致性，并使用积分球方法对器件之间的色度和色温的一致性进行考虑，样品A1？测定A5每批次白光LED的色坐标值（x，y）和色温度（Tc），计算出该色度标准差sigma。和色温标准差sigma；Tc，结果见表二。将表2的样本A3的一系列装置的色度坐标值绘制为CIE1931色度，从而更直观地反应装置之间的色度差异。

表2A1？A5样品批次间的色坐标和色温标准差

A3样品批次内的色度坐标图及其主波长分布

从表和图可以看出一系列设备的一致性不好。色度0.01的差别在人眼里很容易分辨。以上A1？A5样品的色度差异远大于人眼所能感受到的界限，即一些产品的色度为蓝色、黄色，差异很大。从另一种观点来看，人的眼睛可以分辨出色温差为50？100K，以上A1？A5样品的色温差远大于该范围，即，使用这样的过程制造的产品的色温一致性差。这种元件之间的色度不均匀性是因为在封装过程中，荧光体层的涂敷阶段的控制性较差，采用人工操作，其一致性和可控性较差。在同一批产品的制作中，颜色的分布很大。

人的眼睛对白光领域非常敏感，色度为0，因为01的区别让人的眼睛容易理解，所以颜色坐标分布的差异被要求尽量缩小。综上所述，使用不同的粉层结构，虽然单个LED的出射白光点的色度分布的差不同，但是整体上色坐标的差较大，9点之间的色坐标的差几乎大于人眼能分辨的色差值（0.01）。当设备被点亮时，所投影的白光点的色度变得不均匀，变成黄色，变成蓝色，设备的光学性能不理想。斑点的不均匀性是由于荧光体层的涂敷形状。在使用传统的点凝胶工艺制备荧光体层时，器件中的荧光体层的形状和厚度的均匀性的控制较差，并且难以获得与出射点光颜色的均匀性一致性。

5结论

根据以上的测试分析，发现白光斑点的色度均匀性即使使用不同的粉层结构也能有所改善。但是，总体上，使用这样的传统的点凝胶过程制作的元件的白光点性能不好，该出射点的空间色坐标的差异基本上大于能够用人眼分解的颜色的差异值（0.01）。该点的不均匀性是由于荧光体层的涂敷形状。由于是手工作业，所形成的荧光体层的形状有凹凸，在该过程中形成的荧光体层呈拱形，厚度不均匀，最后射出的白光点有蓝环环环环环环现象，对产品性能有很大影响即，单个设备的出射白光产生不均匀性。

同时，使用当前的点凝胶工艺制作荧光体层，一系列元件的一致性也不好，色度、色温分散性大。这样的元件间的色度不均匀性是由于荧光体层的涂敷阶段的控制性差而引起的。

因此，传统的荧光层填充点凝胶工艺尚不成熟，有很大的弊端。荧光层的可控性是影响色度不均匀性（即，点均匀性）的主要因素，包括单个设备内的点与设备之间的颜色匹配性不期望。

为了弥补密封点橡胶工艺的出光均匀性不足，重视新的平面涂覆技术，利用粉浆法，在LED芯片的表面上能够得到厚度均匀的荧光粉粉层层，在保证均匀的荧光粉粉层单一白光LED出光的空间的均匀性的同时通过控制感光胶中的各分量的比例及相关过程参数，能够改善装置间的色度均匀性。