星空CSC调光、调色COB封装结构研究_杜元宝.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1星空 CSC 调光、调色 COB 封装结构研究杜元宝1，刘永福2，张日光1，赵丽霞3(1.宁波升谱光电股份有限公司，浙江 宁波315000;2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波315201;3.天津工业大学，天津300387)摘要:智能照明是指利用物联网技术、有线/无线通信技术、电力载波通信技术、嵌入式计算机智能化信息处理，以及节能控制等技术组成的分布式照明控制系统，实现对照明设备的智能化控制，其内部的核心发光器件是LED 光源。因此，如何实现 LED 光源的调光、调色是实现 LED 智能照明的关键。本文主要研究一种新型星空 CSC调光、调色 COB 封装结构的设计，该设计采用蜂窝式的排列方式，可以在同一个光源、同一个发光面内实现不同色温的自由变换，同时确保色温变化的同时光源出光角度维持不变。该封装结构的设计采用 CSC(Chip Scale Coat)封装设计，与传统 LED 光源器件相比具有耐高温、出光均匀、高可靠性等优势。关键词:COB;CSC;调光与调色;智能照明中图分类号:TN305.94文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.009Starry Sky CSC Dimming and Toning COB Packaging Structure DesignDU Yuanbao1，LIU Yongfu2，ZHANG iguang1，ZHAO Lixia3(1.Ningbo Sunpu-opto Semiconductor LTD，Ningbo315000，China;2.Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering，Chinese Academy of Science，Ningbo315201，China;3.Tiangong University，Tianjin300387，China)Abstract:Intelligent lighting refers to the distributed lighting control system composed of the Internet ofthings technology，wired/wireless communication technology，power carrier communication technology，embedded computer intelligent information processing，and energy saving control technologies to achieveintelligent control of lighting equipment The internal core light-emitting device is the LED light sourceTherefore，how to realize the dimming and toning of LED light source is the key to realize intelligent LEDlighting This paper mainly studies the design of a new starry sky CSC dimming and color toning COBpackaging structure，which adopts the honeycomb arrangement mode It can realize the free transformationof different color temperatures in the same light source and the same luminous surface，and at the same timeensure that the light angle of the light source remains unchanged while the color temperature changes Thedesign of the packaging structure adopts the CSC(Chip Scale Coat)package design，which has theadvantages of high temperature resistance，uniform light emission and high reliability compared with thetraditional LED light source deviceKey words:COB;CSC;dimming and toning;intelligent lighting引言在数字经济浪潮席卷全球之际，我国“十四五”规划及 2035 年远景目标也明确提出要“加快数字化发展”“建设数字中国”。诚然，数据正以前所未有的姿态赋能一切，促进万物互联，推动数字化、信息化、智能化生态体系的构建。在万物互联时代下，光对于人们的意义，早已超越了功能性照明，已上升至以人为本的智能照明。从这个层面上52照明工程学报2023 年 2 月看，光的价值正在不断延伸，推动万物互联迈向万物智联。智能照明一方面是光品质提升，主要表现在优化蓝光光谱成分，必要时引入部分紫光，使得光谱色域更宽，与太阳光谱匹配度更高，颜色品质逼近太阳光，提升舒适度;另一方面是实现智能照明，其关键靠灯具产品，核心还是灯具的 LED 光源。为了满足灯具智能化的需求，智能灯具一般采用可调光调色的 LED 光源，实际应用上，大多都选用可调色的 LED 光源。然而，智能照明的实际落地情况并未达到预期，目前渗透率仍不理想，其中缘由主要在于 LED 光源本身仍存在多方面的技术问题。性能方面，市面上多数光源产品存在显色指数不够高、光斑杂、混光均匀性差、双色温调光能力不足、光效不高、光斑大小难以恒定等问题。体积方面，产品集成化程度不高，往往受限于灯具结构和功率的要求，无法将一定数量的两种色温灯珠集成于有限的发光区域。品质方面，常规操作是将两种色温进行简单的叠加，且光斑均匀性需配合二次光学处理，这种方式难以实现理想的光品质。成本方面，智能照明光源目前成本偏高，仅能进入高端市场，不利于实现大范围的普及。作为一种集成化的封装结构，COB(Chip on Board)光源就是为智能照明量身定制的解决方案，在性能、体积、品质等方面的优势逐渐凸显。同时，集成化封装结构有利于 COB 实现小的发光面，且有利于双色温的集成，保持出光角度恒定，也便于二次光学设计，使得光斑更加均匀。成本方面，随着技术的不断升级，目前 COB 成本已有所下降，市场接受度正在逐渐提高。综上所述，高品质的双色温调光调色 COB 光源能够解决智能照明光源当下面临的诸多技术和结构设计问题，是智能照明灯具的不二之选。1星空 CSC 调光、调色 COB 封装结构的设计要在一个发光面内实现高低色温的切换，同时保证光源发光角度不变，是星空 CSC 调光、调色COB 封装结构设计的关键。本文采用星空式的排布设计结构思想，结合新型 3D 荧光粉喷涂技术，可以实现 LED 芯片级别的荧光粉涂覆，通过电路设计，可在同一个发光面内将蓝光芯片及芯片级荧光粉涂覆的白光芯片集成于一个发光面内，实现两种色温的变化，且保证光源出光角度不变，封装结构设计如图 1 所示。图 1星空设计思想Fig.1Starry sky design idea将两种色温的蓝光 LED 芯片固晶于同一个基板上，基板可以是铝基板或者陶瓷基板，再利用新型3D 荧光粉喷涂技术和定制钢片，放置于基板上面，钢片上预先开好孔，开孔下方是需要涂覆的低色温LED 蓝光芯片，高色温的 LED 蓝光芯片将被钢片挡住，继而在低色温的 LED 蓝光芯片上，进行 3D 荧光粉涂覆，将低色温的 LED 蓝光芯片四周及上表面进行荧光粉涂覆，通过涂覆的次数来调制需要的色温，达到目标色温后，进行围坝和另一个高色温的点胶工序，最后进行烘烤和固化，这就在同一个发光面内实现了两种色温，再通过外电路的控制可使色温自由切换，如图 2 和图 3 所示。图 2实物图(2 并 12 串 2 3014 芯片)Fig.2Physical picture(2 P 12 S 2 3014 chip)由于产品采用倒装芯片设计(图 4)，可以省去焊线工艺，提高了产品的抗压性;另一方面，采用荧光粉涂覆工艺，可以实现芯片级荧光粉的均匀涂覆(图 5)，产品的三阶麦克亚当椭圆的色坐标落点一致性相比于传统点胶工艺可以得到很大程度的提高(图 6 图 7)，并可实现不同色温的自由切换，第 34 卷第 1 期杜元宝等:星空 CSC 调光、调色 COB 封装结构研究53图 3荧光粉喷涂示意图Fig.3Schematic diagram of phosphor spraying出光角度保持恒定，可以广泛应用于智能照明产品中4-8。图 4星空 CSC 调光、调色 COB 工艺流程Fig.4Starry Sky CSC dimming and color mixing COB process图 5涂覆效果Fig.5Coating effect图 6常规点胶三阶落点Fig.6Conventional dispensing three step drop point图 7星空 COB 三阶落点Fig.7Starry sky COB three step drop point星空 CSC 调光、调色 COB 产品在光色一致性、光斑的形状、光斑均匀度、出光角度恒定上具有显著优势，如图 8 和图 9 所示。配合外电路，产品可以实现 2 700 6 500 K 范围内色温自由进行调节，调节轨迹如图 10 所示。该封装结构设计的优点是只需要通过控制两个色温的电流比例，就可以实现图 82 700 K 光斑Fig.82 700 K facula图 93 000 K 光斑Fig.93 000 K facula54照明工程学报2023 年 2 月2 700 6 500 K 之间任意色温的调节，但封装结构设计也有缺点，除了2 700 K 和6 500 K 两个端点色温外，中间色温不能沿着黑体曲线轨迹进行调节，需要红、绿色光进行补光或者引入中间过渡色温来提升 CIE 色坐标 y 值。图 10星空 CSC 调光、调色 COB 调光轨迹Fig.10Starry sky CSC dimming，color tuning COB dimming track2产品测试及可靠性验证星空 CSC 调光、调色 COB 产品采用三焊盘结构进行设计，共正极，两路色温、两负极输出，也可采用四焊盘结构设计，两路色温相互独立控制。产品两端色温实现相对容易，难点在于如何混光且均匀混光。本文设计一款共阳极三焊盘星空 CSC 调光、调色 COB 产品，基板采用 ALC 超导铝基板设计，电路结构是两路色温分别采用 2 并 12 串结构设计，芯片设计为30 mil 14 mil 大小，将产品低色温调至 2 700 K，高色温调至 6 500 K，显色指数 a大于 90，通过外电路调制占空比将光源调至 4 000 K，观察测试 COB 光源的情况。图 11 图 13 是星空 CSC 调光、调色 COB 产品的光谱图及色域图，可以看出，星空 CSC 调光、调色 COB 产品色域和参考光源色域重合度较好，这说明产品光色的均匀性及显色性均表现良好，具体体现为 TM-30 标准参数色彩的真实性 f和色彩的饱和度 g数值较高。最后，我们也对星空 CSC 调光、调色 COB 产品进行老化测试，按照 LM-80 标准，环境温度设置为 85，光源输入电流为 400