LED大面積螢光貼片光學模擬與量測技術

摘要：美國能源局（DOE）已明訂2015年起LED燈具空間色偏＜±100 K，色差＜2色容差（standard deviation of color matching）的標準，然而目前傳統螢光粉點膠法因為空間色偏大、批量色差大、螢光粉沉降等問題未能符合要求。本研究模擬螢光貼片之物理參數，達成低空間色偏、低成本、低色差的新產品設計，優於美國DOE 2015年之需求，有助於台灣封裝技術的提升與燈具組裝進入歐美高階市場，先期成果聚焦於開發尺寸5 cm´5 cm，空間色偏<±250 K之螢光貼片以驗證未來應用之可行性。。

Abstract: The United States Department of Energy (DOE) has stipulated in the standard for luminaires that the spatial angular color deviation (SACD) should be less than ±100K, and the SDCM (standard deviation of color matching) needs to be smaller than 2 beginning in 2015. However, the traditional phosphor dispensing method suffered the problems of huge SACD, batch color shift, phosphor sedimentation and so on. Therefore, in this study, we simulated and measured the optical properties of large-area phosphor plate to conquer all the disadvantages of conventional approaches mentioned before and got better color performances than the DOE announced. This preliminary study is helpful in promoting local venders’ technologies to easily enter high-end markets in Europe and North America. Finally, we demonstrated the phosphor sheet with size up to 5 cm 5 cm with SACD smaller than 250 K to prove its future feasibility for mass production.

關鍵詞：色容差、螢光貼片、點膠法

Keywords：Standard Deviation of Color Matching (SDCM), Phosphor Plate, Dispensing Method

前言
2012年美國能源局宣示到2015年固態照明方面的具體目標包括每年增加2倍的LED產能，每2~3年減少50 %的裝配成本，並改善色差控制，從7 SDCM至2 SDCM，相當於色差由±800 K降至±100 K，而美國環保署2015年要求LED燈具須達到空間色偏低於±100 K才能符合能源之星之認證。由於LED垂直角度之藍光光程較短，通過螢光層之路徑不等長，以至於傳統的點膠式螢光粉塗佈方式會造成LED封裝後成品在空間上產生色偏（>±1000 K），而需要二次光學元件進行補償。這種色偏狀況就無法達成一平面上之均勻照度，並造成黃暈等問題。此外，螢光粉沉降問題而導致燈具產品色差偏差大，如圖1所示，造成封裝良率下降，而導致進入歐美市場之技術障礙[1-4]。

螢光貼片之光學模擬與塗佈測試
螢光貼片之光學模擬
螢光片本身的製程參數優化，牽涉到矽膠和螢光粉的最佳比例，還有螢光片厚度與LED藍光晶片的距離等。原本需要耗費大量工時進行試誤（try and error）的傳統製程，在本研究中透過多重尺度（multi-scale）的光學模擬方法，事先進行虛擬的實驗設計將不受人、事、時、地、物的限制，既省時又方便[5-9]。其中超低色偏之大面積螢光貼片對於光學特性要求如下：（1）受激之螢光粉之激發波長對激發光之頻譜具良好吸收率。（2）對所吸收之波長具高螢光粉轉換效率。（3）螢光粉材料之物性及化學性質穩定，不易與封裝材料及後續製程材料產生作用。（4）具較佳之濃度淬滅特性。（5）螢光粉體粒徑均勻度高。無機螢光粉體之吸收頻譜及發光波長等光學特性主要由其主體晶格及活化劑所組成，因此根據演色性要求，選用調配不同主體晶格之種類及活化劑添加量，再進行光學特性量測。所以在低色偏螢光貼片之光學模擬中，我們藉由模擬下列參數，希望釐清以下參數的趨勢，以作為螢光貼片塗佈測試的參考：（a）螢光粉與矽膠比例，（b）螢光片厚度，（c）距LED晶片高度。