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關(guān)于兩種白光LED的做法
摘 要 隨著發(fā)光材料的開發(fā)和半導體制作工藝的改進,白光LED的發(fā)展迅速,它已經(jīng)趨向取代傳統(tǒng)的照明,白光LED的光效已經(jīng)由以前的20lm/w上升到了45lm/w.由于白光LED具有的長壽命、無污染、低功耗的特性,未來LED還將逐步替代熒光燈、白熾燈成為下一代綠色照明光源. 本文首先簡單介紹LED的概念、特點、分類以及現(xiàn)階段全球和國內(nèi)LED技術(shù)研究的進展,提出了現(xiàn)階段白光LED存在的問題. 接著根據(jù)白光LED所存在的問題,對白光LED的封裝工藝和原材料的選擇搭配進行改進,在本文中白光LED有兩種封裝方式,一種是支架式封裝形式,一種是大功率LED的封裝形式.整個封裝設(shè)計過程從以下幾個方面進行的: (1)熒光粉涂抹的方式.熒光粉的涂抹方式對白光LED的發(fā)光分布與色溫的均勻度影響很大,熒光粉厚度較厚的位置黃光產(chǎn)生較多,色溫會較低,因此在芯片上形成的涂抹層必須是均勻. (2)散熱的研究.由于結(jié)溫的上升會使發(fā)光復(fù)合的幾率下降,發(fā)光二極管的亮度就會下降,壽命和輸出光通也會隨著溫度的升高而下降,如果PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去,不僅提高產(chǎn)品的發(fā)光效率,同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命. (3)封裝原材料的選擇.外封裝材料的選擇是建立在散熱的基礎(chǔ)上的,因此芯片、基板、支架、散熱器和填充材料必須是低熱阻,高導熱率的材質(zhì). 最后是對封裝好的兩種白光LED的特性參數(shù)進行了測試和分析,并且通過改變封裝條件進一步探討和分析了兩種封裝方式. 關(guān)鍵詞:固體照明 白光半導體發(fā)光二極管 封裝工藝 熒光粉 散熱 Abstract With the development of material and the innovation of semiconductor manufacture technology, the efficiency of White LED is increasing from 20 to 45 lumens/watt, and has already begun to exceed that of incandescent lamps. Their life characteristics are important factors. When LEDs replace filter white light sources or colored neon lamps in signage, decorative and signaling applications, they will often be viable and efficient alternative. So LEDs will take a new era in “green lighting”. First, The thesis introduces the concept and characteristics of LED and the development of LED technology research in the world and in china. Secondly, It states the package process of White LED in detail and discusses the following aspects: One aspect is the coating method of phosphor, which influences the LED’s color temperature and range of available color properties, so,phosphor coating in manufacturing process must be uniform in thickness. Another aspect is the heat dissipated. In general, the cooler the environment, the higher an LED’s light output will be. Higher temperatures generally reduce light output. and LED’s life. If the heat within the junction is dissipated by convection and conduction, their useful life and the efficiency of LED would be increase. The last aspect is the selection of material which include phosphors, chip, heat sinking and substrate. All material must be excellent conductors of heat. Thirdly, we obtain the data from measuring two kinds of White LED with different packaging process and draw a conclusion. Key words: solid-state lighting White semiconductor light emitting diode Packaging process phosphor heat dissipated. 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1.1 引言 (1) 1.2 LED簡介 (1) 1.3 LED的特點和分類 (2) 1.4 LED的應(yīng)用前景 (4) 1.5 LED的研究進展 (6) 1.6 本文工作 (7) 2 白光LED的合成及特性參數(shù) 2.1 白光LED合成方式 (9) 2.2 白光LED的特性參數(shù) (9) 2.3 支架式白光LED和大功率白光LED的結(jié)構(gòu) (14) 3 白光LED封裝工藝的設(shè)計 3.1 白光LED對封裝設(shè)備的性能要求 (15) 3.2 封裝步驟介紹 (16) 3.3 熒光粉溶液以及涂抹方式的設(shè)計 (17) 3.4 封膠膠體的設(shè)計 (21) 3.5 散熱的設(shè)計 (22) 4 白光LED的性能測試 4.1 測試的條件 (27) 4.2 測量的標準和方向性 (27) 4.3 測試內(nèi)容 (28) 4.4 光電特性的測試 (28) 4.5 外加電流對白光LED的性能影響 (29) 4.6 熒光粉的涂抹方式對白光LED性能的影響 (31) 4.7 不同的封裝形式對白光LED性能的影響 (32) 4.8 不同的封裝材料對LED壽命的影響 (33) 5 全文總結(jié) (35) 致 謝 (37) 參考文獻 (38) 1 緒論 1.1 引言 LED(light emitting diode,發(fā)光二極管)已有近30年的發(fā)展歷程.20世紀70年代,最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開始應(yīng)用于指示燈、數(shù)字和文字顯示.從此,LED開始進入多種應(yīng)用領(lǐng)域,包括宇航、飛機、汽車、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費類產(chǎn)品等,遍及國民經(jīng)濟各個部門和千家萬戶. 目前被認為能取代傳統(tǒng)照明方式的白光LED的光效和壽命不高,還遠遠不能達到家庭日常照明的需求,為了提高白光LED的性能,一方面其發(fā)光芯片的效率有待提高;另一方面,白光LED的封裝技術(shù)也需改善. 在LED產(chǎn)業(yè)鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產(chǎn),中游的產(chǎn)業(yè)化為LED芯片設(shè)計及制造生產(chǎn),下游歸LED封裝與測試.研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學特性、高可靠的封裝技術(shù)是新型LED走向?qū)嵱?、走向市場的產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路,從某種意義上講是鏈接產(chǎn)業(yè)與市場的紐帶,只有封裝好的才能成為終端產(chǎn)品,才能投入實際應(yīng)用,才能為顧客提供服務(wù),使產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣,無縫暢通. 本文主要從封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計、封裝材料的選擇和搭配及工藝技術(shù)等多方面入手,來實現(xiàn)白光LED,并且提高封裝取光效率和LED的壽命. 1.2 LED簡介 在半導體材料的PN結(jié)中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能.PN結(jié)加反向電壓,少數(shù)載流子難以注入,故不發(fā)光.這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二級管叫發(fā)光二級管.嚴格的說,LED這個術(shù)語應(yīng)該僅應(yīng)用于發(fā)射可見光的二極管,發(fā)射紅外輻射的二極管叫做紅外發(fā)光二極管,發(fā)射峰值波長在可見光短波界限附近,由部分紫外輻射的二極管稱為紫外發(fā)光二極管,但是習慣上把以上所說的三種半導體二極管統(tǒng)統(tǒng)叫做發(fā)光二極管[1-4]. 發(fā)光二極管是由Ⅲ-V族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結(jié).因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性,即正向?qū)?反向截止、擊穿特性.此外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性.在正向下,電子由N區(qū)注入P區(qū),空穴由P區(qū)注入N區(qū).進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光,如圖1-1[5-7].假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光,或者先被發(fā)光中心捕獲后,再與空穴復(fù)合發(fā)光.除了這種發(fā)光復(fù)合外,還有些電子被非發(fā)光中心(這個中心介于導帶、價帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復(fù)合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光.發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大,光量子效率越高.由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的,所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生. 圖1-1 LED的發(fā)光原理 1.3 LED的特點和分類 1.3.1 LED的特點 LED和普通的照明所用的燈管是不同的,它是一種固體照明的方式,而且LED的光效率高,和傳統(tǒng)的照明用燈相比較,它的優(yōu)點如下: (1)LED的外封裝是用的環(huán)氧樹脂,而且是在高溫的情況下進行工作的,其硬度極好,因此它結(jié)構(gòu)堅固而不容易破損. (2)LED是由電子和空穴復(fù)合而發(fā)光的,自由電子和空穴耦合不發(fā)熱,因此壽命要比普通的壽命長. (3)LED的光效率高,操作的電流和電壓都很小,消耗的功率也很小,因此省電,而且不容易出危險. (4)由于LED的外封裝有的是用模條來完成的,因此形成極小表面及很薄很輕的產(chǎn)品,從而實現(xiàn)了LED相對普通的照明燈管體積極小的特點. (5)因為LED的外封裝是堅固的環(huán)氧樹脂,所以它不容易破碎并且可以回收對環(huán)境沒有任何影響. (6) 根據(jù)LED特殊的封裝特點,可以隨意的通過調(diào)節(jié)作色劑來改變LED的顏色及外觀. (7)LED是放電性發(fā)光的,因此它的反應(yīng)速度相當?shù)目?而且傳導性能很好,容易配合高頻的電路來驅(qū)動. 1.3.2 常見LED的分類 (1)按發(fā)光管發(fā)光顏色分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等.另外,有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片.根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色,上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型.散射型發(fā)光二極管不適合做指示燈用. (2)按發(fā)光管出光面特征分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等.圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等.國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1;把φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)[6-8].由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況.從發(fā)光強度角分布圖來分有三類: 1)高指向性.一般為尖頭環(huán)氧封裝,或是帶金屬反射腔封裝,且不加散射劑.半值角為5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng). 2)標準型.通常作指示燈用,其半值角為20°~45°. 3)散射型.這是視角較大的指示燈,半值角為45°~90°或更大,散射劑的量較大. (3)按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu). (4)按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發(fā)光強度小于10mcd);超高亮度的LED(發(fā)光強度大于100mcd);把發(fā)光強度在10~100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管.一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同). 1.4 LED的應(yīng)用前景 據(jù)CIR預(yù)測,全球LED市場將從2004年的32億美元,增長至2008年的56億美元,其中,高亮度LED市場產(chǎn)值將由16億美元增至26.4億美元,超高亮度LED市場則將從2006年起快速成長,并于2008年占到全球市場22%的份額,因此從各個方面來衡量,可以看出LED是個勢必帶動全球經(jīng)濟發(fā)展的一個領(lǐng)域[16-22]. LED的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏發(fā)展到LCD背光源、景觀照明、室內(nèi)裝飾燈等其他領(lǐng)域.而由于LED具有的長壽命、無污染、低功耗的特性,未來LED還將逐步替代熒光燈、白熾燈成為下一代綠色照明光源.為此,美國、韓國、歐盟、中國臺灣都制定了適合各國國情的半導體照明計劃,大力推進LED燈進入普通照明燈具市場.室內(nèi)照明將是LED最具市場規(guī)模和發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用. 從數(shù)量上看,憑借著國內(nèi)強大的制造能力,指示燈依舊是LED的使用大戶,其用量占據(jù)LED市場消耗量的半壁江山.但由于指示燈多為普通亮度LED,經(jīng)過多年的發(fā)展產(chǎn)量很大早已形成買方市場,供過于求的市場現(xiàn)狀導致價格持續(xù)下跌,嚴重影響了指示燈領(lǐng)域的LED市場規(guī)模增長.LED指示燈市場規(guī)模只保持了一位數(shù)增長,但是隨著價格的進一步滑落,LED指示燈市場規(guī)模很難在維持正增長,預(yù)計從2006年起,該市場將呈現(xiàn)出負增長. (1)顯示屏市場是LED的主要應(yīng)用市場,全彩顯示屏增勢強勁 LED顯示屏按使用環(huán)境分為戶內(nèi)顯示屏、戶外顯示屏;按顏色上又分為單色、雙色和全彩顯示屏.LED全彩顯示屏由RGB三基色LED組成,每基色具有256級灰度,可顯示16777216種顏色,色彩鮮艷,圖像逼真.LED全彩顯示屏既能顯示各種顏色的文字、圖形,又能顯示圖像、2D/3D計算機動畫,尤其是能顯示高清晰度、色彩豐富的視頻動態(tài)圖像.憑借著上述優(yōu)勢LED全彩顯示屏廣泛應(yīng)用在體育場館、市政廣場、演唱會、車站、機場等場所. (2)以手機應(yīng)用為主的小尺寸背光源市場放緩,中大尺寸特別是7寸背光源將成為新的關(guān)注點 LED早已應(yīng)用在以手機為主的小尺寸液晶面板背光市場中,手機產(chǎn)量的持續(xù)增長帶動了背光源市場的快速發(fā)展.特別是2003年彩屏手機的出現(xiàn)更是推動白光LED市場的快速發(fā)展.但隨著手機產(chǎn)量進入平穩(wěn)增長階段以及技術(shù)提升導致用于手機液晶面板背光源LED數(shù)量減少,使得LED在手機背光源中用量增速放緩.7寸液晶面板背光源使用LED數(shù)量約為30顆左右,遠遠少于液晶電視用幾百顆甚至上千顆的用量,與CCFL間的差價可拉近到20%左右.同時LED的色彩飽和度較CCFL的75%可達到104%.在差價拉近、色彩飽和度高的雙重利好因素下,7寸液晶背光源市場成為開拓中大尺寸背光源市場的首選切入點. (3)汽車車燈市場潛力大,但短期內(nèi)國內(nèi)市場很難啟動 有統(tǒng)計顯示,在汽車以100公里的時速行駛下,裝有LED剎車燈的車輛較沒有裝LED剎車燈的車輛剎車距離將減少7英尺.目前,LED已經(jīng)逐步應(yīng)用在汽車的第三剎車燈上.雖然LED目前還面臨著單位瓦數(shù)流明低、價格高以及相關(guān)政策的限制,在進入汽車尾燈及前燈市場還需要一定的時間,但是隨著成本性能比的下降以及發(fā)光效率的提升,最終LED將逐步實現(xiàn)從汽車內(nèi)部、后部到前部的轉(zhuǎn)移,最終占據(jù)整個汽車車燈市場.憑借著汽車的巨大產(chǎn)能,LED車燈市場面臨著巨大的發(fā)展?jié)摿? 除了上述問題之外,國內(nèi)LED汽車車燈市場的發(fā)展還面臨其他問題的困擾.由于國內(nèi)汽車廠商主要以外資企業(yè)為主,生產(chǎn)的車型也主要是國外汽車車型的國內(nèi)改進版.這就直接導致了原始整車設(shè)計構(gòu)思、整車系統(tǒng)集成的核心技術(shù)都掌握在外資廠商手中.而汽車設(shè)計是一個連貫的整體,每一個環(huán)節(jié)的改變都會影響到整車電氣設(shè)計的改變.目前國內(nèi)汽車主要以低檔車為主,車型也是國外比較成熟的車型,這些車型出現(xiàn)時間早在最初的設(shè)計時并沒有考慮使用LED,而由于國內(nèi)廠商缺少整體核心技術(shù)的支持,廠商很難直接改變汽車車燈的設(shè)計,影響國內(nèi)汽車車燈市場的發(fā)展. (4)室內(nèi)裝飾燈市場逐步啟動,交通燈置換高峰期即將過去市場進入平穩(wěn)增長期. 經(jīng)過多年的替換工作,全國主要城市由傳統(tǒng)交通燈替換為LED交通燈的工作已經(jīng)接近尾聲.隨著替換工作的完成,LED交通燈市場將不會再維持高速增長,預(yù)計2006年LED交通燈市場只實現(xiàn)5.8%的增長. (5)奧運會、世博會帶動景觀照明市場快速發(fā)展,2007年市場增速達到高峰. 景觀照明市場主要以街道、廣場等公共場所裝飾照明為主,推動力量主要來自于政府.受到2008年北京奧運會和上海世博會的影響,北京、上海等舉辦地加快了景觀照明的步伐,由于LED功耗低,在用電量巨大的景觀照明市場中具有具有很強的市場競爭力. 此外,奧運會和世博會的主要作用遠遠不再于自身帶動景觀照明市場的成長,更重要的是其榜樣作用.為了迎接奧運會和世博會的召開,北京、青島、上海等地將建成一批LED景觀照明工程,這些工程在裝飾街道的同時還將起到示范作用.其他城市在看到LED在景觀照明中的出色表現(xiàn)會減少對于LED景觀照明的使用顧慮,加快使用LED在景觀照明中的應(yīng)用.LED將會從一級城市快速向二級、三級城市擴展. (6)通用照明市場路漫漫,任重而道遠. 對于進入通用照明市場而言,功率白光LED除面臨著諸如發(fā)光效率低、散熱不好、成本過高等問題外,還將面臨到光學、機構(gòu)與電控等的整合以及LED照明產(chǎn)品通用標準的制定. 由于酒店、商務(wù)會館、高檔商用寫字樓等商用場所相對于價格的敏感度低.同時這些高檔場所更注重于彰顯品味與尊貴的地位,對于新興產(chǎn)品抱有更大的興趣度.這些都降低了LED照明進入的門檻. 不過,也正是因為LED產(chǎn)業(yè)對資本、設(shè)備要求較低,進入該行業(yè)的,往往以民營小企業(yè)居多.雖然這在一定程度上使得該產(chǎn)業(yè)市場化程度較高,卻也令新應(yīng)用產(chǎn)品、技術(shù)的成熟可靠程度不夠,造成一些負面影響.中低檔產(chǎn)品居多,高檔產(chǎn)品較少,新產(chǎn)品研制的能力亟待加強等現(xiàn)實問題,也使得開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LED產(chǎn)品,愈加成為當務(wù)之急. 1.5 LED的研究進展 在芯片的研究方面,世界上第一個實用的LED于1962年開發(fā)出來,由GaAsP制成,當時這種GaAsP材料LED只能發(fā)出0.001lm的光通量.1968年Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商品化LED,其流明效率大約只有一般的60至100瓦白熾燈的百分之一.稍后利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光.1971年業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED.80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光.這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于戶外信息發(fā)布以及汽車高位剎車燈.1990年,業(yè)界又開發(fā)出了紅光四元AlInGaP材料LED,它的光通量比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍[8-12]. 在封裝技術(shù)的研究方面,HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED,并于1994年推出改進型的“Snap LED”,有兩種工作電流,分別為70mA和150mA,輸入功率可達0.3W.接著OSRAM公司推出“Power TOP LED”.之后一些公司推出多種功率LED的封裝結(jié)構(gòu).這些結(jié)構(gòu)的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍,熱阻降為幾分之一.W級功率LED是未來照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,對W級功率LED的封裝技術(shù)進行研究開發(fā). 單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED,該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式,現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED.OSRAM公司于2003年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED,其結(jié)構(gòu)特點是熱沉與金屬線路板直接接觸,具有很好的散熱性能,而輸入功率可達1W[13-15]. 多芯片組合封裝的大功率LED,其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多.美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED,其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底.Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結(jié)陶瓷(LTCC-M)技術(shù)封裝的大功率LED陣列.松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED. 1.6 本文工作 本課題工作源于深圳市越宏電子有限公司的新產(chǎn)品開發(fā)項目“白光LED封裝工藝的開發(fā)”.本文是單從白光LED的封裝來實現(xiàn)白光LED的,在上節(jié)中講到,全球白光LED的封裝的發(fā)展情況,但是還存在著光效不高、色溫不能達到人們所能接受的日常照明的范圍,并且工藝復(fù)雜,成本相對比較高的缺點.本文就從封裝工藝的設(shè)計,封裝材料的合理選擇和搭配等方面來實現(xiàn)白光LED的封裝,達到深圳越宏在現(xiàn)有的白光LED性能上提出的參數(shù)要求: (1)顯色指數(shù)大于80. (2)色溫在5000K到8000K之間. (3)支架式白光LED的光效必須大于8lm/w;大功率白光LED的光效必須大于35lm/w. 本文各章節(jié)內(nèi)容如下: 第一章緒論,主要介紹了LED的發(fā)光原理,LED的分類和特點,以及LED的發(fā)展歷史和對未來的展望. 第二章介紹了白光的LED的合成方式和相關(guān)特性參數(shù). 第三章講述的是白光LED封裝的設(shè)計過程,主要LED的制作工藝流程,和具體的工藝實現(xiàn)過程. 第四章是對封裝好的支架式白光LED和大功率白光LED的特性參數(shù)進行測量,并對這些測試數(shù)據(jù)進行對比和分析. 第五章是全文總結(jié). 2 白光LED的合成及特性參數(shù) 2.1 白光LED合成方式 根據(jù)黑體輻射原理制成的白熾燈,由于色溫不能太高,大部分能量變成了紅外輻射,這部分對照明沒有貢獻,使發(fā)光效率降低.不同色光合成白光有不同的合成,可以是兩種,三種或者更多種色光合成白光,顏色種類用的多的話,它的像素就高,但是流明效率降低,這與對合成白光的質(zhì)量要求有關(guān).白光LED的合成途徑大體上有2條路可以走,第一條是RGB,也就是紅光LED+綠光LED+藍光LED,LED走RGB合成白光的這種辦法主要的問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率底,現(xiàn)在紅綠藍LED轉(zhuǎn)換效率分別達到30%,10%和25%,白光流明效率可以達到60lm/w.通過進一步提高藍綠光LED的流明效率,則白光流明效率可達到200lm/w.由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同,對合成白光的各色LED流明效率有不同的.第二條路是LED+不同色光熒光粉:第一個方法是用紫外或紫光LED+RGB熒光粉來合成LED,這種工作原理和日光燈是類似的,但是比日光燈的性能要優(yōu)越,其中紫光LED的轉(zhuǎn)換系數(shù)可達80%,各色熒光粉的量子轉(zhuǎn)換效率可以達到90%,還有一個辦法是用藍光LED+紅綠熒光粉,藍光LED效率60%,熒光粉效率70%;還有是藍光LED+黃色熒光粉來構(gòu)成白光. 兩種途徑相比較之下,RGB三色LED合成白光綜合性能好,在高顯色指數(shù)下,流明效率有可能高到200lm/w,要解決的主要技術(shù)難題是提高綠光LED的電光轉(zhuǎn)換效率,目前只有13%左右,同時成本高. 為了適應(yīng)工廠化的生產(chǎn),本文所采取的白光LED合成方式是藍色LED+黃色熒光粉,因為它是一條綜合性能適中,成本低,容易實現(xiàn)的途徑.這種合成方式的工藝是將藍光LED芯片安裝在碗形反射腔中,上面覆蓋約500-600nm 厚度的YAG的樹脂薄層[23];合成原理是GaN芯片發(fā)藍光(λp=465nm),高溫燒結(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出峰值波長是550nm的黃色光.剩下的那部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合,可以得到得白光.現(xiàn)在,對于InGaN/YAG白光LED,通過改變 YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度,可以獲得色溫3500-10000K 的各色白光. 2.2 白光LED的特性參數(shù) 從目前的LED產(chǎn)品的機理和結(jié)構(gòu)來看,以下幾個方面是用來衡量LED優(yōu)劣的特性參數(shù)[24-26]. (1)電流/電壓參數(shù)(正、反向) LED的電性能具有典型的PN結(jié)伏安特性,不同的電流直接影響LED的發(fā)光亮度和PN結(jié)的結(jié)溫.在照明應(yīng)用中,為了獲得大功率的LED燈,往往將許多個發(fā)光二極管通過一定的串并聯(lián)方式組合在一起,相關(guān)的各個LED的特性必須匹配,在交流工作狀態(tài)還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數(shù). (2)光通量和輻射通量 發(fā)光二極管單位時間內(nèi)發(fā)射的總電磁能量稱為輻射通量,也就是光功率(W).對于照明用LED光源,我們更關(guān)心的是照明的視覺效果,即光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當量,稱作為光通量ΦV(1m). 輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電功率之比表示LED的發(fā)光效率,單位lm/W.由于LED是定向出射光,如果從照明效果來評價,其照明性能更明顯.LED的出射光到達工作面的有效光通量與總光通量之比表示為LED的光利用系數(shù).顯然照明用LED的光利用系數(shù)比普通各向發(fā)光的照明光源要高一些. (3)光強和發(fā)光角 無論是應(yīng)用于顯示或照明工程的LED,其光強及其空間分布都是十分重要的參數(shù).LED燈的定向發(fā)光特性,對于某些局部或定向照明往往會達到非常好的照明效果.LED的發(fā)光強度指在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量: I= dΦ/dΩ(cd) (2-1) 光強分布曲線如圖1所示,是表示LED發(fā)光在空間各方向的分布狀態(tài).在照明應(yīng)用中計算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強分布是最基本的數(shù)據(jù).對于空間光束為旋轉(zhuǎn)對稱型分布的LED,用一個過光束軸平面上的曲線表示即可.對光束為橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個垂直平面上的曲線來表示.對于非對稱的復(fù)雜圖形,一般用過光束軸的六個以上截面的平面曲線來表示. 發(fā)光角(或光束角)通常用半強度角θ1/2表示,即在光強分布圖中光強大于等于峰值光強1/2時所包含的光束角度. (4)光譜功率分布 LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數(shù),它既確定了發(fā)光的顏色,也確定了它的光通量以及它的顯色指數(shù).通常用相對光譜功率分布S(λ)表示,光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時,所對應(yīng)的兩個波長之差Δλ＝λ2-λ1,即為光譜帶. (5)色品坐標 選三原色紅(R)、綠(G)、藍(B). X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B) (2-2) 由于X+Y+Z=1,所以只用給出X和Y的值,就能唯一地確定一種顏色.這就是通常所說的色度圖,為了使坐標值能直接表示亮度大小,國際照明協(xié)會規(guī)定采用另一種色度坐標X、Y、Z,與R、G、B間存在線性換算關(guān)系.若以x、y作為平面坐標系,將自然界中的各種彩色按比色實驗法測出其x、y數(shù)值,并繪在該坐標平面內(nèi),便可得到圖2-1所示的色度圖.該色度圖邊沿舌形曲線上的任一點都代表某一波長光的色調(diào),而曲 圖2-1 CIE1931色度圖 線內(nèi)的任一點均表示人眼能看到的某一種混合光的顏色.其中白光區(qū)域的特征點A、B、C、D65、E的坐標值和色溫見表2-1. 表2-1 特征點對應(yīng)的色坐標值和色溫 光源點 X坐標 Y坐標 色溫(K) A 0.4476 0.4074 2854 B 0.3484 0.3516 4800 C 0.3101 0.3162 6800 D65 0.313 0.329 6500 E 0.3333 0.3333 5500 (6)色溫和顯色指數(shù) 對于白光LED等發(fā)光顏色基本為“白光”的光源用色品坐標可以準確地表達該光源的表觀顏色.但具體的數(shù)值很難與習慣的光色感覺聯(lián)系在一起.人們經(jīng)常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀. 光源的發(fā)光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時,則稱黑體的溫度為該光源的色溫(color temperature) T,單位為開(K).對于白光LED,其發(fā)光顏色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐標都不可能完全相同,這時就不能用色溫表示.為了便于比較,而采用相關(guān)色溫(CCT)的概念.也就是當光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時,則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫R1. 用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現(xiàn)顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現(xiàn)出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性. 1974年CIE推薦了用“試驗色”法來定量評價光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標準樣品的總色位移量為基礎(chǔ)來規(guī)定待測光源的顯色性,用一個顯色指數(shù)值來表示.CIE規(guī)定用完全輻射體或標準照明體D作為參照光源,并將其顯色指數(shù)定為100,還規(guī)定了若干測試用的標準色樣. 根據(jù)在參照光源下和待測光源下,上述標準色樣形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞.光源對某一種標準色樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)R1. R1=100-4.6△Ei (2-3) 式中△Ei為第i號標準色樣在參照光源下和待測光源下的色差. CIE推薦的標準色樣共有14種.其1-8號為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調(diào)樣品,第9至14號樣品包括紅、黃、綠、藍等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色.在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數(shù).1985年國家制定了“光源顯色性評價方法”標準,并增加了中國人女性膚色的色樣,作為第十五種標準色樣.這對于評價在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤為重要. 光源對前8個顏色樣品的平均顯色指數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra. (7)熱性能.照明用LED發(fā)光效率和功率的提高是當前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,與此同時,LED的PN結(jié)溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要,一般用熱阻、殼體溫度、結(jié)溫等參數(shù)表示. (8)輻射安全.目前,國際電工委員會IEC將LED產(chǎn)品等同于半導體激光器的要求進行輻射的安全測試和論證.因LED是窄光束、高亮度的發(fā)光器件,考慮到其輻射可能對人眼視網(wǎng)膜的危害,因此,對于不同場合應(yīng)用的LED,國際標準規(guī)定了其有效輻射的限值要求和測試方法.目前在歐盟和美國,照明LED產(chǎn)品的輻射安全作為一項強制性的安全要求執(zhí)行. (9)可靠性和壽命.可靠性指標是衡量LED在各種環(huán)境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕顯示中特別重要.壽命是評價LED產(chǎn)品可用周期的質(zhì)量指標,通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應(yīng)用中,有效壽命是指LED在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間. 1)平均壽命 一批LED同時點亮,當經(jīng)過一段時間后,LED不亮達到50%時所用的時間. 2)經(jīng)濟壽命 在同時考慮LED損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數(shù).此比例用于室外光源為70%,用于室內(nèi)光源為80%. 2.3 支架式白光LED和大功率白光LED的結(jié)構(gòu) 2.3.1 支架式白光LED的結(jié)構(gòu) 這種LED屬于普通的小功率LED,在封裝的時候?qū)⑺{色LED芯片固定在一反射杯上,以金線連接LED芯片的正負極,將熒光粉覆蓋到芯片上,之后以環(huán)氧樹脂封裝,這種LED芯片的尺寸是0.25mm×0.25mm,5mm是指封裝后元件的半徑.結(jié)構(gòu)圖如圖2-2. 圖2-2 支架式白光LED的結(jié)構(gòu) 2.3.2 大功率白光LED 將藍色芯片固定在一反射杯上,以金線連接LED熱沉和支架的正負極[27],將熒光粉均勻涂抹在芯片上,之后用樹脂或者光學透鏡封裝.這種芯片的尺寸是1.0mm×1.0mm.結(jié)構(gòu)如圖2-3. 圖2-3 大功率LED的結(jié)構(gòu) 3 白光LED封裝工藝的設(shè)計 在白光LED的設(shè)計中,研究分為兩個主要方面:一個方面是熒光粉工藝,首先要熒光粉的選擇要合適,包括激發(fā)波長、顆粒度的大小、激發(fā)效率等,需全面考核,兼顧各個性能.其次,熒光粉的涂敷要均勻,最好是相對發(fā)光芯片各個發(fā)光面的膠層厚度均勻,以免因厚度不均造成局部光線無法射出,同時也可改善光斑的質(zhì)量.另一個方面是原材料的選擇,材料的選擇是建立在散熱的基礎(chǔ)上的. 3.1 白光LED對封裝設(shè)備的性能要求 3.1.1 固晶機 必須選擇高精度的固晶機,最好是擁有先進的預(yù)先圖象識別系統(tǒng),因為LED的晶粒放入封裝位置的精確與否影響整件封裝器件的發(fā)光效能,若晶粒在反射杯內(nèi)的位置有所偏差,光線未能完全發(fā)射出來,影響成品的光亮度. 3.1.2 點膠機 和固晶機一樣,精度要求高,這樣才能有效的控制膠量,膠量如果是太多,芯片貼上去后就容易讓多余的膠擠壓出,阻擋和吸收的芯片周圍的發(fā)光,而且對反射杯壁發(fā)射出的光吸收,影響了光亮度;如果膠量太少,特別是進入焊線的工序時,使得芯片從杯底脫落,就會引起死燈、漏電等等而造成次品. 3.1.3 焊線機 在用之前,要調(diào)好1焊和2焊的功率,溫度,壓力;以及超聲波的溫度,功率.讓這些參數(shù)能夠讓金線承受5g的拉力.這樣才不會讓以后的烘烤工序因為物質(zhì)的膨脹系數(shù)不同而導致金線斷裂或者脫焊. 3.1.4 灌膠機 灌膠機的針頭必須都是保持在同一水平的位置,而且漏膠的通道不能有渣滓,而且密封的很好,針頭也必須隔段時間進行清理.由于封裝后所形成的是由環(huán)氧樹脂形成的一層光學“透鏡”,倘若這層透鏡中混有雜質(zhì)就會使得出光效率不好,而且光斑中也會有黑點. 3.1.5 烤箱 烤箱必須是循環(huán)風,而且烤箱的隔層的托盤必須是保持水平的,在做白光LED的時候,點好的熒光粉必須要在烤箱內(nèi)烤干,但是如果不是循環(huán)風和隔層的托盤,烤出的熒光粉分布不均勻,造成光斑的不均勻,還有可能造成熒光粉的溢出. 3.2 封裝步驟介紹 3.2.1 預(yù)前準備: (1)芯片檢驗 用顯微鏡檢查材料表面是否有機械損傷及麻點、 芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求以及電極圖案是否完整. (2)擴片 由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利于后工序的操我們采用擴片機對黏結(jié)芯片的膜進行擴張,使LED芯片與芯片的間距拉伸到約0.6mm.也可以采用手工擴張. (3)清洗 采用超聲波清洗LED支架,并烘干. 3.2.2 操作步驟 (1)點膠.將膠體點在支架杯體里,必須要點在杯體的正中間,而且膠量要適當, 膠量根據(jù)芯片的面積的大小來規(guī)定,其標準為芯片面積的2/3.膠體在這里是起個粘合劑的作用,也就是將芯片固定在支架內(nèi).因為藍色的高亮度芯片是雙電極的,我們就用絕緣膠來固定. (2)貼片.將擴張后的芯片安置在刺晶臺上,在顯微鏡下用刺晶筆將管芯一個一個安裝在LED支架相應(yīng)的焊盤上.芯片一定要很妥當?shù)闹糜诒虚g,若芯片有偏置就會導致光斑的不均勻,從而影響LED的平均光強. (3)烘烤.將半成品放入烤箱內(nèi),烤箱溫度為150℃,烘烤1小時. (4)焊線.用金絲焊機將電極連接到LED管芯上,以作電流注入的引線.在壓第一點前先燒個球,再將金絲拉到相應(yīng)的支架上方,壓上第二點后扯斷金絲.工藝上主要需要監(jiān)控的是壓焊金絲拱絲形狀,焊點形狀,拉力.對壓焊工藝的深入研究會涉及到更多方面的問題,如金絲材料、超聲功率、壓焊壓力、劈刀選用、劈刀運動軌跡等等. (5)點熒光粉.將熒光粉抽掉真空后,然后用注射器均勻的點在杯內(nèi). (6)烘烤.放入120度的烤箱,烘烤15—20分鐘. (7)抽真空.將封裝用的膠(AB膠)抽真空. (8)灌膠.灌封的過程是先在LED成型模腔內(nèi)注入液態(tài)樹脂,然后插入壓焊好的LED支架,放入烘箱讓樹脂固化后,將LED從模腔中脫出即成型. (9)烘烤.前固化是指密封樹脂的固化,一般固化條件在135℃,1小時.后固化是為了讓樹脂充分固化,同時對LED進行熱老化.后固化對于提高樹脂與支架的粘接強度非常重要.一般條件為120℃,4小時. (10)脫模. (11)質(zhì)檢.用肉眼直接的檢測,測出死燈. (12)裁切.由于LED在生產(chǎn)中是連在一起的(不是單個),LED采用切筋切斷LED支架的連筋.分為前切和后切. (13)分光.測試LED的光電參數(shù)、檢驗外形尺寸,同時根據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進行分選. (14)包裝.將成品進行計數(shù)包裝.超高亮LED需要防靜電包裝. 反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光. 在白光LED的設(shè)計中,最重要的步驟就是點熒光粉,點熒光粉是白光形成的關(guān)鍵.芯片的波長是460—465nm的,選取的熒光粉同樣也在這個波段,點熒光粉是分為兩個很重要的操作的,一個是調(diào)熒光粉,一個是涂抹熒光粉.普通用的熒光粉是粉狀的,因此不能將粉狀的物質(zhì)覆蓋在芯片上,必須是液態(tài)的,但是也不可能把熒光粉變成液態(tài)的,因為熒光粉的組分是重金屬和稀有金屬.只有將熒光粉溶解在一種溶劑中,然后再將這種熒光粉液體烤干,這樣才能使其覆蓋在藍色的芯片上. 3.3 熒光粉溶液以及涂抹方式的設(shè)計 選擇的溶劑必須是不能破壞熒光粉自身的組織的,因此這個溶劑需要是不能和熒光粉發(fā)生化學反應(yīng)的一種物質(zhì),根據(jù)相似相溶的原理知道,熒光粉是不能溶解在有機溶劑里的,那么就只能是混合了,如果只是單純的將這種混合溶液覆蓋在芯片的表面再去進行外密封是行不通的,因為外密封是用的環(huán)氧樹脂這種液態(tài)物質(zhì),也就是說必須要將其在封裝前烤干,于是傳統(tǒng)采用外密封的環(huán)氧樹脂來做這種溶劑. 有了溶劑再來配置溶液.在這里選用的材料有,相對應(yīng)波段的黃色熒光粉和環(huán)氧樹脂.根據(jù)白光的發(fā)光原理可以知道,如果熒光粉加入的量太多就會造成發(fā)出的白光光偏黃,倘若熒光粉的量加入的太少就會使得發(fā)出的白光光偏藍,因此應(yīng)該根據(jù)熒光粉的發(fā)光效率來合理配制熒光粉.但是用熒光粉+環(huán)氧樹脂封裝出的成品光斑是一片藍,一片白,一片黃.這種光斑形成的原因是因為熒光粉被藍色的光激發(fā)的不均勻,也就是說熒光粉的細小顆粒沒有被藍色的光完全激發(fā). 要解決完全激發(fā)的問題,就引入了擴散劑這樣的一種物質(zhì),擴散劑可以增強藍光激發(fā)熒光粉的效率,從而增強了熒光粉的發(fā)光效率.通過實驗,發(fā)現(xiàn)擴散劑的確對光斑又了改善,使得發(fā)出的光斑不再是一塊一塊的,但是新的問題又出現(xiàn)了,光斑雖然整體呈現(xiàn)一種顏色但是外圈卻有一層黃色出現(xiàn). 要改善黃圈必須要知道原因,將LED成品解剖,可以看到熒光粉的沉淀情況,如圖3-1.通過理論分析知道:這種現(xiàn)象是由黃光功率偏大所引起的.首先要改變熒光粉溶液的配比,找到合適的配比才能夠改善黃圈;接著就是熒光粉沉淀的問題,從圖中可以看到熒光粉覆蓋在芯片和支架杯之間的空隙中的厚度要比芯片表面的厚度厚很多. 圖3-1 熒光粉溶液烤干后的剖面圖 這是因為在烘烤的過程中,環(huán)氧樹脂會揮發(fā)一部分,而環(huán)氧樹脂是雙組分的,一部分是樹脂,而另一個部分是固化劑屬于酸酐類,固化劑的作用是減小分子之間的距離,使其固化.它與樹脂的反應(yīng)是個放熱反應(yīng),而環(huán)氧樹脂的的熱傳導性很差,黏度又很大,所以產(chǎn)生的熱量不容易消散,這樣很容易使得熒光粉沉淀.而且芯片的尺寸和支架杯底的尺寸有差異.這樣很容易導致芯片四周的熒光粉比重大.熒光粉溶液的濃度分布不均勻會造成白光LED的色溫分布不均,使得白光LED的亮度和光斑都不能達到預(yù)期效果.那如何改善熒光粉的因沉淀而引起的分布不均勻,這是新一步研究的問題.理論上可以從2個方面去改善: (1)通過生產(chǎn)的工藝.也就是在生產(chǎn)過程中,在時間很短的間隔里均勻攪拌,而且點熒光粉的速度加快,與下個環(huán)節(jié)的銜接時間也變緊,點好熒光粉的半成品很快進入烘烤的步驟中. (2)加入一種新的物質(zhì),使得熒光粉容易在高溫下也能保持很好的均勻混合狀態(tài). 于是在熒光粉溶液中引入了表面活性劑,其作用是一部分可以吸附有機物,一部分可以吸附無機物的表面活性劑,而且,通過實驗得到了如下的相對數(shù)據(jù):在溫度和濕度以及熒光粉溶液都相同的前提下,將其中一瓶加入表面活性劑,將2瓶溶液都攪拌相同的時間,使其能混合均勻.發(fā)現(xiàn)10分鐘后加入表面活性劑的溶液比不加活性劑的溶液中熒光粉的沉淀率降低將近20%. 經(jīng)過反復(fù)的實驗,得到的熒光粉、表面活性劑、擴散劑和環(huán)氧樹脂的最優(yōu)質(zhì)量配比為10:5:3:100. 對于支架式白光LED的外封裝有成型模具,頂部密封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀,有這樣幾種作用:保護管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(zhì)(摻或不摻散色劑),起透鏡或漫射透鏡功能,控制光的發(fā)散角.因此由環(huán)氧樹脂形成的“透鏡”不可以調(diào)節(jié).為了達到更好的光效,必須設(shè)計由涂抹的熒光粉而形成的“透鏡”,熒光粉可以在支架的杯面上形成三種透鏡形式:1.凹透鏡2.平面透鏡3.凸透鏡.根據(jù)兩層透鏡的光輻射圖樣,選取的是凸透鏡,凸透鏡的角度與外封裝膠形成的透鏡角度是相同的.這樣能使芯片發(fā)出的光線垂直出射,并且能提高光線的出射率. 但是這樣熒光粉涂抹方式還是不夠完美,芯片周圍4個面的光強分布也是不同的,雖然對熒光粉溶液的組分和配比做了一些調(diào)整,但是熒光粉的沉淀只能得到很好的改善而不能完全解決的,這樣的涂抹方式影響白光LED的色溫和色品坐標.如果能將熒光粉完全單薄的覆蓋在芯片上,就能解決這個問題.但是對于支架式白光LED的封裝工藝上是很難辦到的.而且要適合工廠的生產(chǎn)和銷售,這種涂抹技術(shù)是不合適的.但是這種設(shè)想對于大功率這種封裝方式是可以做到. 由于半導體和膠體的折射率相差比較大,致使內(nèi)部的全發(fā)射臨界角很小,光大部分在芯片內(nèi)部經(jīng)過多次反射而被吸收,成為支架式白光LED芯片取光效率很底的原因.在大功率白光LED中,芯片的發(fā)光效率要求高,因此使用面積比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片.雖然大型LED芯片可以獲得大光束,不過加大芯片面積會有弊害:芯片內(nèi)發(fā)光層的電流分布不均;發(fā)光部位受到局限芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部過程會嚴重衰減等等.因此采用倒裝芯片方法(如圖3-2的兩種芯片的結(jié)構(gòu)圖),倒裝芯片是把GaN LED晶粒倒裝焊在散熱板上,并在P電極上方制作反射率較高的反射層,籍以將原先從元件上方發(fā)出的光線從元件其他的發(fā)光角度導出,而由藍寶石基板端緣取光.這樣就降低了在電極側(cè)面的光損耗,可有接近于正裝方式2倍左右的光輸出.因為沒有了金線焊墊的阻礙,對提高亮度有一定的幫助.因為電流流通的距離縮短,電阻降低,所以熱的產(chǎn)生也相對降低,同時這樣的接合亦能有效地將熱傳至下一層的散熱基板再傳到器件外面. 圖3-2 兩種功率型芯片的結(jié)構(gòu)示意圖 對比兩種芯片的優(yōu)缺點,基于大于功率LED需要好的散熱環(huán)境和發(fā)出高光效來考慮,在大功率白光LED的封裝中,采用的是倒裝芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正裝大功率芯片.大功率白光LED的熒光粉涂抹技術(shù)則是只用將熒光粉均勻涂抹在表面就可以,而不用涂抹在芯片四周,根據(jù)前面介紹的倒裝芯片的結(jié)構(gòu)而得出涂抹工藝如圖3-3所示: 圖3-3 大功率LED的熒光粉涂抹方式圖 這種方式是將熒光粉混合溶液直接涂抹在芯片上,因此所用到的溶液膠體不再是環(huán)氧樹脂,因為環(huán)氧樹脂的流動性較強,如果用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂來混合熒光粉,熒光粉溶液就會從芯片表面溢出,所以必須選擇可以自動成型的UV膠,將UV膠與普通熒光粉按照一定的重量比進行均勻混合調(diào)配,將調(diào)配好的原料加入點膠機對大功率發(fā)光二極管芯片進行點膠涂布,使涂層厚度控制在0.5~0.6mm,將涂布完成的芯片用紫外燈照射進行固化,完成固化工藝過程.改良后的熒光粉涂抹方式對白光LED特性的提高會在4.6節(jié)中作出分析. 3.4 封膠膠體的設(shè)計 根據(jù)折射定律,光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時,當入射角達到一定值,即大于等于臨界角時,會發(fā)生全發(fā)射.以GaN藍色芯片來說,GaN材料的折射率是2.3,當光線從晶體內(nèi)部射向空氣時,根據(jù)折射定律,臨界角θ0=argsin(n1/n2),其中n2等于1,即空氣的折射率,n1是GaN的折射率,由此計算得到臨界角θ0約為25.8度.在這種情況下,能射出的光只有入射角小于25.8度這個空間立體角內(nèi)的光,因此其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出,大部分易在內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收,易發(fā)生全反射導致過多光損失.為了提高LED產(chǎn)品封裝的取光效率,必須提高n2的值,即提高封裝材料的折射率,以提高產(chǎn)品的臨界角,從而提高產(chǎn)品的封裝發(fā)光效率.同時,封裝材料對光線的吸收要小. 對白光LED進行封膠,傳統(tǒng)選取的是雙組分的環(huán)氧樹脂,但封裝用光學級的樹脂容易受熱變黃.除此之外,不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影響,甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題,這是因為白光LED發(fā)光光譜中,也包含了短波長的光線,而環(huán)氧樹脂卻相當容易被白光LED中的短波長光線破壞,低功率的白光LED就已經(jīng)會造成環(huán)氧樹脂的破壞,更何況高功率的白光LED所含的短波長的光線更多,那么惡化自然也加速.因此,在這里采用的是硅膠封裝.硅膠除了對短波長有較佳的抗熱性、較不易老化外,它還能夠分散藍色和近紫外光.所以,與環(huán)氧樹脂相比,硅樹脂可以抑制材料因為短波長光線所帶來的劣化現(xiàn)象,此外硅膠的光透率、折射率都很理想.這種封膠材料是一種穩(wěn)定的柔性膠凝體,在-40度—120度的范圍,不會應(yīng)為溫度的聚變而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,使金線與引線框架斷開,并防止外封裝的環(huán)氧樹脂形成的“透鏡”變黃.密封膠體的改進對白光LED特性參數(shù)的提高,會在本文的4.8節(jié)中做具體的對比. 3.5 散熱的設(shè)計 對于由PN結(jié)組成的發(fā)光二極管,當正向電流從PN結(jié)流過時,PN結(jié)有發(fā)熱損耗,這些熱量經(jīng)由粘結(jié)膠、灌封材料、熱沉等,輻射到空氣中,在這個過程中每一部分材料都有阻止熱流的熱阻抗,也就是熱阻,熱阻是由器件的尺寸、結(jié)構(gòu)及材料所決定的固定值.設(shè)發(fā)光二極管的熱阻為Rth(℃/W),熱耗散功率為PD(W),此時由于電流的熱損耗而引起的PN結(jié)溫度上升為: △T=Rth×PD (3-1) PN結(jié)結(jié)溫為: Tj=TA+ Rth×PD (3-2) 其中TA為環(huán)境溫度.由于結(jié)溫的上升會使PN結(jié)發(fā)光復(fù)合的幾率下降,發(fā)光二極管的亮度就會下降.同時,由于熱損耗引起的溫升增高,發(fā)光二極管亮度將不再繼續(xù)隨著電流成比例提高,即顯示出熱飽和現(xiàn)象.另外,隨著結(jié)溫的上升,發(fā)光的峰值波長也將向長波方向漂移,約0.2-0.3nm/℃,這對于通過由藍光芯片涂覆YAG熒光粉混合得到的白光LED來說,藍光波長的漂移,會引起與熒光粉激發(fā)波長的失配,從而降低白光LED的整體發(fā)光效率,并導致白光色溫的改變. 對于功率發(fā)光二極管來說,驅(qū)動電流一般都為幾百毫安以上,PN結(jié)的電流密度非常大,所以PN結(jié)的溫升非常明顯.對于封裝和應(yīng)用來說,如何降低產(chǎn)品的熱阻,使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去,不僅可提高產(chǎn)品的飽和電流,提高產(chǎn)品的發(fā)光效率,同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命.為了降低產(chǎn)品的熱阻,首先封裝材料的選擇顯得尤為重要,包括支架、基板和填充材料等,各材料的熱阻要低,即要求導熱性能良好.其次結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理,各材料間的導熱性能連續(xù)匹配,材料之間的導熱連接良好,避免在導熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸,確保熱量從內(nèi)到外層層散發(fā). LED對溫度很敏感,理論上,結(jié)溫要保持在125度以下以避免性能下降甚至失敗.事實上,即使結(jié)溫在125度以下,壽命和輸出光通也會隨著溫度的升高而下降.如何保持LED工作溫度較低以獲得更高的可靠性和光學指標就取決于封裝材料的熱傳導性能;結(jié)溫和光色也有關(guān)系,而結(jié)溫的升高或者降低都會造成光色的漂移,不同波長的光對溫度的敏感性不同,藍光的是最不敏感的,光色的漂移使得色溫難以穩(wěn)定,影響白光LED的光學性能.因此要改變色溫帶來的影響,必須將PN結(jié)所產(chǎn)生的熱量盡快的散發(fā)出去. 散熱主要從3個方面著手.第一,從芯片到基板的連接材料的選取.第二,基板材料的選取.第三,基板外部冷卻裝置的選取和基板與外部冷卻設(shè)備連接材料的選取. 首先從芯片和基板的連接上來看,普通用來連接芯片和基板采用的是銀膠.但是銀膠的熱阻很高,而且銀膠固化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是:環(huán)氧樹脂骨架和銀粉填充式導熱導電結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高,對器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利,因此選擇的粘接的物質(zhì)是錫膏. 接著就是基板的選擇,表3-1是常見的基板和支架的材料導熱系數(shù) 表3-1 常見基板材料導熱系數(shù) 材質(zhì) 鉑 銀 錫 鋅 純銅 黃金 純鋁 鋁合金(60Cu-40Ni) 鋁合金 (87Al-13Si) 導熱系數(shù)(W/MK) 71.4 427 67 121 398 315 236 22.2 162 由上表知,銀、純銅、黃金、純鋁的導熱系數(shù)相對其他材料高,但是黃金和銀的價格太高,為了取得很好的性價比,因此基板采用的是銅或鋁質(zhì)地. 就界面熱阻而言,空氣間隙是最大的敵人.盡管基板與散熱器之間肉眼能觀察到的間隙很小,但是由于材料表面的不平整,實際還是存在著細微的空隙.由于空氣的界面熱阻很大,不利于擴散,故大大增加了整體界面的熱阻. 根據(jù)分析,減低界面熱阻的方法為:增加材料表面的平整度,減小空氣的容量;施加接觸壓力.因此在基板和外散熱器的填充物質(zhì)上,選擇導熱的硅樹脂. 將選取好的封裝材料做了個老化測試,發(fā)現(xiàn)將其連續(xù)點5000個小時后,有30%的大功率白光LED發(fā)光失效,經(jīng)過解剖如圖3-4,可知失效是因為芯片的外延和基板發(fā)生斷裂而造成的,LED外延材料和封裝材料的熱膨脹系數(shù)差異太大. 圖3-4 連接界面斷裂圖 表3-2 常見支架材料的熱膨脹系數(shù) 材料 熱膨脹系數(shù)(W/m?K) 備注 鋁 23 基板 銅 16.5 Cu/Mo/Cu 5.8 低溫燒結(jié)陶瓷基板 GaAs 5.5 常見的外延材料 GaN 5.6 GaP 4.65 SiC 3.7 AlN 4.4 藍寶石 7.9 從表3-2顯示的各種材料的熱膨脹系數(shù)中可以知道采用銅或者鋁基板和芯片的基板材料的熱膨脹系數(shù)的差別很大,但是低溫燒結(jié)陶瓷的基板卻解決了這個問題,而且其熱傳導系數(shù)高達170w/mk.因此采用陶瓷基板來代替金屬基板,外面再加一個散熱器. 任何器件在工作時都有一定的損耗,大部分的損耗變成熱量.大功率器件損耗大,若不采取散熱措施,則芯片的溫度可達到或超過允許的節(jié)溫,器件期間將受到損壞.因此必須加散熱裝置,最常用的是將功率器件安裝在散熱器上,利用散熱器將熱量散到周圍空間,它的主要熱流方向是由芯片傳到器件的底下,經(jīng)散熱器將熱量散到周圍空間.散熱器散發(fā)的熱能與環(huán)境溫度的溫差大致成正比,對流的速度越快,則散熱器本身的熱阻也就越小. 散熱器由鋁合金板料經(jīng)沖壓工藝和表面處理制成,表面處理有電泳涂漆或黑色氧化處理,目的是提高散熱效率和絕緣性能. 散熱效果與散熱器的幾何形狀和散熱方向也有關(guān)系.從表3-3所示的散熱器散熱效果的比較可以得出第一種形式的散熱器散熱效果最好.散熱材料選擇和搭配增加白光LED的壽命會在4.8節(jié)中作出分析. 表3-3 散熱效果的比較 由以上幾個方面的的分析和研究,最后封裝得到的支架式白光LED和大功率白光LED的成品如圖3-5和圖3-6. 圖3-5 封裝好的支架式白光LED (左圖為子彈頭型,右圖為正圓型) 圖3-6 封裝好的大功率白光LED 4 白光LED的性能測試 4.1 測試的條件 ⑴溫度:25℃±1℃ ⑵相對濕度:48%---52% ⑶氣壓:86KPA---106KPA ⑷測試環(huán)境應(yīng)無影響測試準確度的機械震動和電磁干擾. ⑸器件全部光電參數(shù)均應(yīng)該在熱平衡下進行. ⑹測試系統(tǒng)應(yīng)該接地良好. 4.2 測量的標準和方向性 發(fā)光二極管的光輻射實際上是一種定向的成像光束,因此不能按照一般的光度測量規(guī)則測量和計算發(fā)光強度.也就是說,一般情況下發(fā)光強度不能簡單地用探測面上的照度和距離平方反比定律來計算.CIE 127-1997“發(fā)光二極管測量”出版物[28-30]把LED的強度測試確定為平均強度的概念,并規(guī)定了統(tǒng)一的測試結(jié)構(gòu),包括探測器接收面的大小和測量距離的要求.這樣就為LED的準確測試比對奠定了基礎(chǔ).雖然CIE的文件并非國際標準,但目前已得到國際上的普遍認同和采用.我國的LED行業(yè)標準與該CIE文件的方法完全一致. 從圖2-2可知,色溫在7000-10000K之間的白光顏色偏藍,它不太適合用做普通家庭照明光源的;色溫為6400K的日光色,是目前照明光源使用的最廣泛的色溫之一.白光LED中的藍光光譜和只有藍色LED的藍光光譜相比是有差異的,因為發(fā)生熒光體高效的吸收藍光和光轉(zhuǎn)換的輻射傳遞.而白光中的藍光吸收(激發(fā))與熒光體的激發(fā)光譜密切相關(guān).由于熒光體光轉(zhuǎn)換過程致使白光LED中的藍光光譜的能量分布、發(fā)射峰以及半高寬等性質(zhì)發(fā)生變化.所涂覆的熒光粉越多,藍色光譜變化越嚴重,在低色溫的白光LED中更為明顯. 目前,在LED測量儀器中所用的光度測量傳感器是采用硅光電二極管和相應(yīng)的視覺光譜響應(yīng)校正濾光片組成.為了使探測器的光譜響應(yīng)函數(shù)與CIE標準觀察者光譜光視效率函數(shù)V(λ)一致,一般需由多片濾光片組成[31-37].由于受材料及工藝的限制,某些儀器的傳感器在光譜匹配上存在一定的差異,當儀器出廠定標所用的標準源(通常采用2856K鎢絲燈)與所測量的LED管的光譜存在較大差異時,測量的LED光度量值就會產(chǎn)生明顯的偏差,而且對某些單色LED往往更加明顯.因此應(yīng)采用光譜響應(yīng)曲線在各個波長符合度較好的高精度光度探測器,或者采用光譜輻射法測量[38-40],并由計算機加權(quán)積分,得到準確的測量結(jié)果.否則,必須采用LED標準樣管對儀器進行定標或校正,才能得到比較一致的結(jié)果. 在LED的測試供電驅(qū)動中,LED本身結(jié)溫的升高對電參數(shù)和發(fā)光的影響不容忽視.因此,測量時的環(huán)境溫度及器件的溫度平衡是非常重要的一項測量條件. 4.3 測試內(nèi)容 白光LED的測試內(nèi)容主要包括:光功率、光效、顯色指數(shù)、色溫、色坐標、光譜分布、光照度. 需要使用的測試儀器如表4-1 表4-1 測試儀器清單 編號 名稱 型號/性能參數(shù) 生產(chǎn)商 1 紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng) PMS-50 杭州遠方 2 LED光強分布測試儀 LED620 杭州遠方 3 專業(yè)袖珍照度計 YF2006 遠方 4.4 光電特性的測試 測試對象:支架式白光LED和大功率白光LED. 測試裝置:紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng) 將LED光源放在積分球的中心,積分球又稱光通球或球形光度計,它是一個內(nèi)部空的完整球殼,內(nèi)壁涂白光漫反射層,球內(nèi)放待測光源,光源發(fā)射并經(jīng)球面漫反射的一部分光線通過球壁上的窗口射到光探測器上,在光探測器前面裝V (λ) 濾光器,保證光探測器的測量值準確并接近人眼視覺函數(shù).由探測器將光信號轉(zhuǎn)化為光電流信號, 經(jīng)過取樣、放大后, 經(jīng)AD 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入微處理器,再經(jīng)過計算和定校即可得到光通量值,通過儀表面板上光通量部分的數(shù)碼管顯示出來.原理圖如4-1所示: 圖4-1 光電特性的測試原理圖 測試的出兩種LED的相關(guān)特性參數(shù)數(shù)據(jù)見表4-2: 表4-2 支架式白光LED和大功率白光LED的光電特性參數(shù) 測試對象 測試電流(mA) 色溫(K) X/Y坐標值 顯色指數(shù) 光效(lm/w) 支架式白光LED 20 5971 0.3219/0.3416 87.3 14.221 大功率白光LED 350 5624 0.3301/0.3298 95 38.3 按照深圳市越宏電子有限公司的指標要求,表4-2的測試結(jié)果表明,這兩種封裝產(chǎn)品均達到了上述的技術(shù)指標要求,即顯色指數(shù)分別為5971K和5624K;支架式白光LED的光效為14.21lm/w, 大功率白光LED的光效為38.31lm/w. 4.5 外加電流對白光LED的性能影響 對于兩種封裝形式的白光LED,外加正向電流對其特性的影響都是一樣的,在本文中,將支架式的白光LED拿出來分析.分別取外加正向電流IF值為:10mA、20mA、30mA、40mA,得到如圖4-2、圖4-3所示的曲線圖. 圖4-2 電流與色溫的關(guān)系 圖4-3 電流與光效的關(guān)系 從上述圖中,可以得出如下的結(jié)論: (1)正向電流增加時,白光LED的發(fā)射光譜,特別是InGaN LED藍光芯片的發(fā)射光譜向短波長一端移動.色坐標X和Y值也就發(fā)生變化,相關(guān)色溫Tc(K)逐漸增加. (2)正向電流增加時,光效率會下降,其原因如下: 1)在相同的熱阻下,電流的增加必然導致芯片溫度升高,增加載流子非輻射復(fù)合幾率,導致輻射復(fù)合幾率下降,造成發(fā)光效率隨著電流增加而下降; 2)隨著IF增加, P-N結(jié)溫快速升高,結(jié)溫和環(huán)境溫度上升,對半導體藍光芯片和熒光粉的發(fā)光將產(chǎn)生嚴重的溫度猝滅; 3)由于在白光LED中發(fā)生藍光→黃光的光轉(zhuǎn)換過程,產(chǎn)生光吸收的輻射傳遞,不僅使白光光譜中的藍芯片的發(fā)射光譜形狀和發(fā)射峰發(fā)生變化,而且藍光效率下降使得熒光粉的光效下降,從而白光光衰程度比單個InGaN藍芯片更快.實際上是熒光粉的發(fā)光效率受藍芯片下降的“誅連”和強烈的制約. 根據(jù)以上分析得到:當正向電流較小時,雖然芯片本身的發(fā)光效率較高,但是因為強度太弱,而芯片上涂敷的熒光粉又有一定的厚度,芯片發(fā)出的藍光只能激發(fā)靠近芯片表面的一小部分熒光粉,而這一部分熒光粉受激發(fā)產(chǎn)生的黃光,大部分又被熒光粉外層所吸收,此時不僅發(fā)光效率很低, 而且發(fā)光的顏色也偏黃.隨著IF增加,雖然芯片發(fā)光效率略有降低,但是發(fā)光強度大大增加,此時, 芯片發(fā)出的藍光可以穿透熒光粉層,使得熒光粉層,特別是熒光粉外層被激發(fā)的幾率大大增加,發(fā)光強度迅速增加. 4.6 熒光粉的涂抹方式對白光LED性能的影響 根據(jù)上一章的關(guān)于熒光粉涂抹方式的設(shè)計,知道熒光粉的涂抹方式對發(fā)光分布與色溫的均勻度影響很大.如圖4- 4可以看到,左圖為傳統(tǒng)封裝形式的熒光粉涂抹方式,其涂抹方式只是將熒光粉分撒在芯片的上方和四周,這種分布會造成熒光粉厚度較厚的位置黃光產(chǎn)生較多,色溫較低,并且光斑不均勻.右圖為改良后運用在的大功率白光LED上的涂抹方式,看到基本上是均勻分布的. 圖4-4 兩種熒光粉涂抹方式 將做好的兩種白光LED進行色溫測試,得到數(shù)據(jù)見表4-3. 表4-3 兩種涂抹方式不同厚度的色溫值 熒光粉的厚度(mm) 色溫(k) 測試對象 0.6 5541 傳統(tǒng)涂抹方式 0.5 6241 0.6 5821 改良后的涂抹方式 0.5 5900 由上表可以知道,傳統(tǒng)的熒光粉涂抹方式,色溫值相差700K,而改良后的涂抹方式只是相差80K左右.可見,改良后的涂抹方式對色溫和光強的均勻分布都有所提高. 4.7 不同的封裝形式對白光LED性能的影響 上節(jié)中,對IF的變化引起的LED性能參數(shù)的變化做了詳細的分析,在這節(jié)中,則對封裝方式的變化和封裝材料的變化引起的LED性能參數(shù)的變化做詳細的探討. 支架式白光LED封裝方式除了模條(如圖4-5)的形狀不相同以外,還有就是模條的卡點(所謂的卡點就是指支架插入模條內(nèi)的深淺高度(如圖4-6)不相同,因此為了詳細說明不同封裝形狀對白光LED性能的影響,必須是相同卡點不同封裝外形和不同卡點相同封裝外形進行的比較. 圖4-5 模條示意圖 圖4-6 卡點示意圖 對比對象有兩組,第一組是5mm×8.6mm子彈頭支架式LED和5mm×6.0mm子彈頭支架式LED;第二組是5mm×8.6mm圓頭支架式LED和5mm×8.6mm子彈頭支架式LED(相關(guān)的成品圖見本文圖3-7).因為這兩組白光LED只是外封裝方式不一樣,前段(工藝流程中從點膠到點熒光粉烘烤的步驟都是所謂的前段)工藝都是相同的,通過測試得到的參數(shù)如表4-4和表4-5 . 表4-4 不同卡位的子彈頭支架式白光LED的參數(shù) 測試對象 光通量/lm 半功率角/° 光強峰值/mcd 5mm×8.6mm子彈頭支架式白光LED 0.9 6 25000 5mm×6.0mm子彈頭支架式白光LED 0.9 15 20000 表4-5 不同封裝外形的支架式白光LED參數(shù) 測試對象 光通量/lm 半功率角/° 光強峰值/mcd 5mm×8.6mm子彈頭支架式白光LED 0.9 6 25000 5mm×8.6mm圓頭支架式白光LED 0.9 15 18000 由兩表可以得出如下結(jié)論: (1) 兩組白光LED的色溫、色坐標以及光通量沒有很明顯的變化,只是光強峰值和半功率角發(fā)生變化.封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的,發(fā)光強度的角分布與封裝透鏡所用形狀有關(guān).若采用子彈頭形樹脂透鏡,可使光集中到LED的軸線方向,相應(yīng)的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形,其相應(yīng)視角將增大. (2) 子彈頭和圓頭封裝的“外透鏡”角度不同,導致子彈頭和圓頭的半功率角度不同,明顯子彈頭的半功率角要小于圓頭,同時子彈頭的最大光強也要大于圓頭. (3)卡點越小的模條封裝出的LED其半功率角就越大,同時最大光強也就越小. 4.8 不同的封裝材料對LED壽命的影響 以大功率LED的封裝材料的不同進行對比.為了形象的表示光通量隨時間的衰減,在這里引進一個概念--相對光強輸出,其定義為: y = exp ( - at) (4-1) y表示相對光強輸出, a 表示衰減系數(shù), t 為以小時為單位的點燈時間. 將不同封裝材料封裝出的大功率LED分為三類,第一類的封裝材料是陶瓷基板+錫膏+硅膠;第二類的封裝材料是銅基板+錫膏+硅膠;第三類的封裝材料是銅基板+銀膠+環(huán)氧樹脂封膠.每類LED采用的是同一家廠家出的同一批芯片,熒光粉溶液的配比和涂抹方式都是完全相同的.經(jīng)過長時間的老化測試,在350mA的正向電流下,將大功率白光LED點亮1萬個小時后得到的壽命數(shù)據(jù),如表4-6所示. 表4-6 3類大功率LED壽命參數(shù) LED類別序號 樣品數(shù) 驅(qū)動電流/mA 平均壽命/h 陶瓷基板+錫膏+硅膠 6 350 27721 銅基板+錫膏+硅膠 6 350 19462 銅基板+銀膠+環(huán)氧樹脂 6 350 9674 根據(jù)老化測試中所得到的數(shù)據(jù)畫出如圖4-7的相對光輸出隨時間變化的曲線.從圖可知,第三類封裝形式(即,銅基板+銀膠+環(huán)氧樹脂封膠)的大功率LED在9000小時后,只有55%的光輸出;而第一類封裝形式(即,陶瓷基板+錫膏+硅膠)的大功率LED在10000h后還能保持92%的光輸出.因為所有的材料和工藝都是相同的,所有壽命的決定因素只和封裝所選擇的材料有關(guān).由此可以知道,(陶瓷基板+錫膏+硅膠)這種封裝材料的大功率LED相對壽命較好,這種封裝材料的配合對散熱處理也相對要強.這正好和上一章節(jié)里散熱的設(shè)計結(jié)果相符合. 圖4-7 不同封裝材料的大功率LED的相對光強輸出與時間的關(guān)系 5 全文總結(jié) 論文主要就支架式白光LED和大功率白光LED的封裝工藝進行了研究,針對先階段的白光LED的發(fā)展的缺點,做了原材料選擇和搭配以及白光LED工藝的改進,順利完成了白光LED的封裝設(shè)計.對測試出的特性參數(shù)進行了分析,并且達到了這個項目所要求的特性參數(shù)指標. 本文開展的具體工作如下: (1)結(jié)合大量文獻,對白光LED發(fā)光原理和合成方式做了理論分析,為后來封裝原材料的選擇提供了理論基礎(chǔ). (2)介紹了實驗中所用的工藝設(shè)備以及設(shè)備必須具備的基本特性. (3)分析了熒光粉溶液配比和涂抹方式對白光LED的光斑和色溫所產(chǎn)生的影響,并通過大量的熒光粉溶液實驗,確定了熒光粉混合溶液的組分、配比的選取以及熒光粉溶液涂抹芯片的方式. (4)分析了填充材料對白光LED的特性參數(shù)的影響,并通過反復(fù)的實驗,確定了適合銜接支架和基板、基板和散熱器的材料. (5)分析了不同材料的基板、支架和散熱器對白光LED的性能參數(shù)的影響,并找出了最佳的材料配置. (6)完成了封裝設(shè)計,通過調(diào)節(jié)外界的參數(shù)(恒定電流和不同的外封裝材料形式),分析了白光LED的光特性參數(shù)、電特性參數(shù)和壽命發(fā)生變化的原因. 近年來,LED的發(fā)光效率正在逐步提高,商品化的器件已達到白熾燈的水平,景觀燈采用的白光LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平,并在穩(wěn)步增長中.但是,在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題: 一是光通量有待進一步提高.采用LED作為照明光源,必須具有更高的能量效率.特別是對于高亮度白光LED和大功率白光LED而言,散熱的處理、外封裝中的光學結(jié)構(gòu)的建立是在現(xiàn)有的芯片技術(shù)下的一個最直接解決光效率的問題. |
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