ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЮМИНОФОРА БЕСКОРПУСНЫХ СВЕТОДИОДОВ

 

Авторы статьи: Мелентьева Ольга Павловна, Хотненок Юрий Анатольевич (АО «НИИПП»)

Статья размещена в журнале «Современная Светотехника» №2-2026г

Ключевые слова: светоизлучающий диод, бескорпусной светодиод, WICOP, люминофор, люминофорная композиция, концентрация люминофора, мощность излучения, координаты цветности

Востребованность светодиодов объясняется их долговечностью и экономичностью. Высокая стоимость традиционных корпусов и монтажа привела к созданию светодиодов WICOP, где размер корпуса соответствует размеру кристалла [1], а монтаж сводится к заливке компаундом [2]. Однако обеспечение нужной мощности излучения в бескорпусной конструкции требует точного подбора толщины [3]
и концентрации люминофора. В связи с этим целью работы является исследование зависимости световых характеристик от люминофорной композиции бескорпусного светодиода.

В исследовании использовалось три люминофорных композиции (белого, красного, желтого и зеленого цветов) и зарубежные «flip-chip» кристаллы синего цвета свечения (450 нм) с размерами: длина
890 мкм; ширина 890 мкм; толщина 300 мкм. На рисунке 1 приведен внешний вид «flip-chip» кристалла синего цвета свечения, на основе которых были изготовлены бескорпусные светодиоды белого, красного, желтого
и зеленого цветов свечений.

Главное преимущество технологии «flip-chip» — отсутствие этапа разварки, так как есть возможность перевернуть кристалл активной зоной вниз в связи с тем, что подложка кристалла изготовлена из прозрачного материала – сапфира через которую выводится сгенерированное излучение. При таком расположении кристалла также значительно снижается температура активной зоны и температура люминофорной композиции, которая в данном случае находится дальше от разогретой активной области [4].

Рисунок 1 – Внешний вид «flip-chip» кристалла синего цвета свечения

 

В таблице 1 приведены основные параметры «flip-chip» кристалла синего цвета свечения. Рабочий ток исследуемого кристалла равен 150 мА, максимально допустимый ток равен 700 мА.

Таблица 1 – Электрические и оптические параметры «flip-chip» кристалла синего цвета свечения

В основе изготовления бескорпусного светодиода лежит использование универсальных технологических оснасток, которые представляют собой прямоугольные формы, изготовленные
из фторопласта и/или дюралюминия. Каждая из форм имеет определенную структуру поверхности, соответствующую своей задаче: 1) изготовление технологической оснастки; 2) посадка кристаллов на клейкую пленку на одинаковом расстоянии друг от друга; 3) перенос клейкой пленки на ровную поверхность с последующей заливкой люминофорной композицией (состоящей из люминофора и компаунда);
4) равномерное распределение компаунда по поверхности требуемой толщины [5].

В данном исследовании использовались отечественные люминофоры и компаунд. Определение максимальной мощности проводилось путем многократной заливки кристаллов люминофорной композицией с различной концентрацией люминофора. Оценка построенных графиков на основе измерений осуществлялась посредством соотношения с эталоном координат диаграммы цветности согласно координатам цветности угловых точек допустимых полей цветности оптического излучения внутриобъектового светотехнического оборудования ГОСТ РВ 5855-002-2010 [6].

На рисунке 2 представлена диаграмма цветности, на которой изображены необходимые бины желтого, красного и зеленого цветов.

 

1 – бин зеленого цвета; 2 – линия чистого цвета; 3 – бин желтого цвета;
4 – линия абсолютно черного тела (АЧТ); 5 – бин красного цвета

Рисунок 2 – Цветовая диаграмма с выделенными областями, соответствующими определенному цвету

 

На рисунке 3 представлен график зависимости координат цветности CIE(x,y) бескорпусного светодиода красного цвета свечения при различных концентрациях люминофора

Рисунок 3 – График зависимости CIE(x,y) бескорпусного светодиода красного цвета свечения

при разной концентрации люминофора

 

Выделенная область, соответствующая красному цвету, пересекает график зависимости CIE(x,y) бескорпусного светодиода красного цвета свечения в точке А (0,635). Из этого следует, что при значении координаты CIEx больше 0,635 цвет свечения бескорпусного светодиода входит в требуемый диапазон красного цвета.

На рисунке 4 представлен график зависимости CIEx от концентрации люминофора бескорпусного светодиода красного цвета свечения.

Рисунок 4 – График зависимости CIE(x,y) бескорпусного светодиода красного цвета свечения от концентрации люминофора

 

На рисунке 5 представлен график зависимости мощности излучения от концентрации люминофора бескорпусного светодиода красного цвета свечения.

Рисунок 5 – График зависимости мощности излучения бескорпусного светодиода красного цвета свечения от концентрации люминофора

 

Из графиков видно, что точка А (0,635) лежит на кривой зависимости при концентрации люминофора равной 20% (точка А1). Таким образом, оптимальная концентрация красного люминофора для получения требуемых координат цветности составляет 20%, при которой обеспечивается вхождение в заданный бин красного цвета и достигается максимально возможная мощность излучения 245 мВт (52 Лм/Вт) в пределах допустимого диапазона цветности. Дальнейшее увеличение концентрации люминофора приводит к монотонному снижению мощности излучения, что обусловлено возрастающим поглощением и рассеянием излучения в слое люминофорной композиции.

На рисунке 6 представлена спектральная характеристика бескорпусного светодиода красного цвета свечения при концентрации люминофора равной 20%.

Рисунок 6 – Спектральная характеристика бескорпусного светодиода красного цвета свечения при концентрации люминофора равной 20%

 

Спектральная характеристика демонстрирует равномерное пространственное распределение излучения бескорпусного светодиода красного цвета свечения. Паразитный пик в области 440–460 нм обусловлен остаточным излучением синего «flip-chip» кристалла, не полностью поглощённым слоем красного люминофора, при этом его амплитуда достаточно мала, чтобы попасть в бин красного цвета.

На рисунке 7 представлен график зависимости координат цветности CIE(x,y) бескорпусного светодиода желтого цвета свечения при различных концентрациях люминофора.

Рисунок 7 – График зависимости CIE(x,y) бескорпусного светодиода желтого цвета свечения при разной концентрации люминофора

 

Анализ графика зависимости CIE(x,y) показывает, что при увеличении концентрации жёлтого люминофора координаты цветности бескорпусного светодиода попадают в бины 4500К и 5000К белого цвета мощностью излучения 250-320 мВт (85-100 Лм/Вт) с высоким индекса цветопередачи (CRI), однако не достигают области, соответствующей жёлтому бину согласно стандарту. Следовательно, данная люминофорная композиция не может использоваться самостоятельно для получения жёлтых бескорпусных светодиодов. Для достижения бина жёлтого цвета необходимо использовать смесь жёлтого люминофора с красным, что позволит сместить координаты цветности в нужную область диаграммы, однако в таком случае стоит ожидать уменьшение мощности излучения бескорпусного светодиода.

На рисунке 8 представлен график зависимости координат цветности CIE(x,y) бескорпусного светодиода зелёного цвета свечения при различных концентрациях люминофора. Выбор данного люминофора обусловлен его высокой светоотдачей среди отечественных люминофоров, что является важным критерием при разработке энергоэффективных светодиодных источников света.

Рисунок 8 – График зависимости CIE(x,y) бескорпусного светодиода зеленого цвета свечения

при разной концентрации люминофора

 

На рисунке 9 представлена спектральная характеристика бескорпусного светодиода зелёного цвета свечения, позволяющая оценить пространственное распределение мощности излучения излучения.

Рисунок 9 – Спектральная характеристика бескорпусного светодиода зеленого цвета свечения

 

Анализ графика на рисунке 8 показывает, что используемый зелёный люминофор не подходит в качестве самостоятельного компонента для получения бескорпусных светодиодов зелёного цвета свечения, поскольку координаты цветности не достигают требуемого бина зелёного цвета даже при максимально возможной концентрации люминофора. На данный момент на российском рынке нет люминофора, который бы соответствовал данным условиям. Рекомендуется использовать зарубежный люминофор или люминофор с меньшей светоотдачей.

Тем не менее данный люминофор может быть эффективно использован в составе многокомпонентных люминофорных смесей для достижения высокого CRI, так как его спектр излучения перекрывает провал в области длин волн после синего пика (рисунок 9). Это свойство делает данный люминофор ценным компонентом при создании светодиодов белого цвета свечения с улучшенными характеристиками цветопередачи.

 

Вывод

 

В результате проведённого исследования зависимости световых характеристик от концентрации люминофора бескорпусных светодиодов установлено, что на данном этапе с максимальной мощностью излучения могут быть изготовлены только бескорпусные светодиоды красного цвета свечения. Концентрация красного люминофора, при которой достигается мощность излучения 245 мВт (52 Лм/Вт) с вхождением координат цветности в требуемый бин красного цвета, составляет 20%. Изготовление бескорпусных светодиодов жёлтого цвета свечения с использованием только жёлтого люминофора невозможно, поскольку координаты цветности не попадают в область жёлтого бина. Для получения жёлтого цвета необходимо применение смеси жёлтого и красного люминофоров, однако в этом случае следует ожидать снижение мощности излучения по сравнению с использованием одного люминофора. При этом жёлтый люминофор позволяет получить бескорпусные светодиоды белого цвета свечения с цветовой температурой 4500–5000 К и мощностью излучения 250–320 мВт (85–100 Лм/Вт) с высоким индексом цветопередачи. Изготовление бескорпусных светодиодов зелёного цвета свечения с высокой мощностью излучения на данный момент не представляется возможным ввиду отсутствия на отечественном рынке люминофора, обеспечивающего попадание координат цветности в требуемый бин зелёного цвета. Использование зарубежного люминофора или отечественного люминофора с меньшей светоотдачей позволит достичь зелёного бина, однако с ожидаемым снижением мощности излучения.

Реклама в журнале Современная Светотехника

Литература

 

1. Новая технология WICOP Seoul Semiconductor. [Электронный ресурс]: сайт Элекс URL: https://led-displays.ru/story_93.html (дата обращения 15.03.2024).
2. Воробьев С. Технология флип-чип монтажа кристаллов // LionTech. 2019. С. 52-54.
3. Санько с, Воротников М, Мелентьева О. Разработка отечественных бескорпусных светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2024. №3-4. С. 14-19.
4. Хохлун А., Чигиринский С. Классификация основных технологий «флип-чип» для использования в современных системах в корпусе // Электроника. 2019. №3. С. 174-179.
5. Санько С., Воротников М, Мелентьева О. Снова – в лидерах // Полупроводниковая светотехника. 2024. №5. С. 34-36.
6. ГОСТ Р МЭК 62707-1-2014. Библиографическая ссылка. Общие требования к бинированию и сетка координат цветности для белых светодиодов. М. Стандартинформ,2014. 24 с.