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大功率LED封装中光学表面形貌调控技术及其应用研究

张泽峰  
【摘要】:随着技术的进步和发展,大功率LED已经广泛地应用于背光显示、室内照明、汽车前照灯等众多领域。但是在现有封装工艺中,表面形貌严重影响了大功率LED的取光效率、空间颜色均匀性等光学性能。当前高质量的大功率LED产品严重依赖昂贵的先进封装设备,大大增加了制造成本。针对提升产品光学性能的研究依然局限于改变封装模块结构设计。这些方法工艺流程繁琐,封装结构复杂,生产效率低下并且降低了产品可靠性。因此本文创新性地从调控光学表面形貌出发,研究了调控表面形貌的不同理论方法并开展实验掌握了相关控制规律。将调控光学表面形貌技术独特地应用于大功率LED封装工艺中,分别从微透镜制造、荧光粉涂覆和实现光色调节三个方面开展研究。在保证低成本封装工艺的同时提升了模块相关光学性能。具体研究内容和创新点包括:(1)针对提高大功率LED COB封装模块的取光效率,提出了一种模具法调控模块硅胶表面形貌,利用聚苯乙烯多孔薄膜作为模具制造微透镜结构降低全反射效应的新技术。首先利用呼吸图案法调控聚苯乙烯表面形貌,通过控制聚苯乙烯-氯仿溶液成膜体积制备了平均直径分别为6.72μm、12.64μm和20.38μm的聚苯乙烯多孔薄膜。然后将多孔薄膜作为模具在COB模块硅胶表面制造了相应尺寸大小的微透镜结构。研究了三种微透镜结构对模块取光效率的影响。实验结果表明:微透镜结构平均直径越大,模块取光效率提升效果越明显。当微透镜结构平均直径为20.38μm时,样品的取光效率达到最大的0.92,相比传统封装工艺样品提高了 19.48%。(2)针对提高LED垂直芯片封装模块的空间颜色均匀性,提出了一种压印法调控荧光粉胶表面形貌制造不同荧光粉薄层的新工艺,实现了模块优异空间颜色均匀性。理论分析了不同表面形貌对模块色温一致性的影响。实验中通过改变凸台大小和荧光粉胶体积,制造了截头锥形、方形、倒截头锥形和不同悬链线形等各种形貌的荧光粉层。光学测试结果表明侧面内向宽度为0.07mm的悬链线形荧光粉层样品具有最理想的空间颜色均匀性,在平均相关色温为6300K时最大相关色温偏差仅为151K。(3)针对提高LED水平芯片封装模块的空间颜色均匀性,提出了一种利用电场作用调控荧光粉胶表面形貌,制造悬链线柱形结构的荧光粉涂覆工艺,实现了模块理想的空间颜色均匀性。根据电流体动力学理论,确定了电极间电压、电极间距和硅胶初始高度是影响电场作用调控表面形貌的重要参数。根据实验要求搭建操作平台,观察和分析硅胶形貌变化过程,发现电压值越大、平板电极间距越小、初始高度越高时硅胶表面形貌变化越明显。最后通过改变上平板电极与LED芯片的间距制备了高度分别为1.53mm和1.98mm的悬链线柱形荧光粉胶形貌。光学测试结果表明:高度为1.53mm的形貌具有最理想的空间颜色均匀性。在平均相关色温分别为4901K、6911K和9358K时最大相关色温偏差仅为388K、711K和1802K,相比于传统球帽形结构最大相关色温偏差值分别减小了 76.19%、68.09%和46.13%。通过使用不同荧光粉浓度的荧光粉胶,证明了该工艺可以实现不同平均色温下模块的高光色品质。(4)针对智能化照明中对LED封装模块出光色温调节的要求,提出了一种结合圆环形图案荧光粉导电玻璃与连续调控透镜形貌,实现模块光色调节的新方法。首先分析了改变平板电极间距时硅油流动和表面形貌变化的过程,并通过实验研究了硅油初始高度对调控表面形貌的影响。然后根据电场作用调控表面形貌的研究基础,通过预涂覆硅油开展了电极间距变化和电场作用连续调控透镜形貌的实验,并介绍了圆环形荧光粉导电玻璃的制备流程。依据调控的透镜形貌与制备的荧光粉导电玻璃,理论分析了实现模块光色调节的机理。最后分别改变电极与芯片间距和电极间电压,调控得到了倒圆台形、悬链线柱形和上下半球形等不同形貌透镜并测试了模块相关光学性能。测试结果表明:通过改变电极与芯片间距可以实现LED模块相关色温从1928K到6460K的连续调节;通过改变电极间电压可以实现模块相关色温从4360K到6452K的阶跃调节。


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