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随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进,白光LED的发展迅速,它已经趋向取代传统的照明,白光LED的光效已经由以前的20lm/w上升到了45lm/w.由于白光LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性,未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源. 本文首先简单介绍LED的概念、特点、分类以及现阶段全球和国内LED技术研究的进展,提出了现阶段白光LED存在的问题. 接着根据白光LED所存在的问题,对白光LED的封装工艺和原材料的选择搭配进行改进,在本文中白光LED有两种封装方式,一种是支架式封装形式,一种是大功率LED的封装形式.整个封装设计过程从以下几个方面进行的: (1)荧光粉涂抹的方式.荧光粉的涂抹方式对白光LED的发光分布与色温的均匀度影响很大,荧光粉厚度较厚的位置黄光产生较多,色温会较低,因此在芯片上形成的涂抹层必须是均匀. (2)散热的研究.由于结温的上升会使发光复合的几率下降,发光二极管的亮度就会下降,寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降,如果PN结产生的热量能尽快的散发出去,不仅提高产品的发光效率,同时也提高了产品的可靠性和寿命. (3)封装原材料的选择.外封装材料的选择是建立在散热的基础上的,因此芯片、基板、支架、散热器和填充材料必须是低热阻,高导热率的材质. 最后是对封装好的两种白光LED的特性参数进行了测试和分析,并且通过改变封装条件进一步探讨和分析了两种封装方式. 关键词:固体照明 白光半导体发光二极管 封装工艺 荧光粉 散热 1 引言 LED(light emitting diode,发光二极管)已有近30年的发展历程.20世纪70年代,最早的GaP、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示.从此,LED开始进入多种应用领域,包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等,遍及国民经济各个部门和千家万户. 目前被认为能取代传统照明方式的白光LED的光效和寿命不高,还远远不能达到家庭日常照明的需求,为了提高白光LED的性能,一方面其发光芯片的效率有待提高;另一方面,白光LED的封装技术也需改善. 在LED产业链接中,上游是LED衬底晶片及衬底生产,中游的产业化为LED芯片设计及制造生产,下游归LED封装与测试.研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路,从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带,只有封装好的才能成为终端产品,才能投入实际应用,才能为顾客提供服务,使产业链环环相扣,无缝畅通. 本文主要从封装结构的设计、封装材料的选择和搭配及工艺技术等多方面入手,来实现白光LED,并且提高封装取光效率和LED的寿命. 1.2 LED简介 在半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能.PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光.这种利用注入式电致发光原理制作的二级管叫发光二级管.严格的说,LED这个术语应该仅应用于发射可见光的二极管,发射红外辐射的二极管叫做红外发光二极管,发射峰值波长在可见光短波界限附近,由部分紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管,但是习惯上把以上所说的三种半导体二极管统统叫做发光二极管[1-4]. 发光二极管是由Ⅲ-V族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结.因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性.此外,在一定条件下,它还具有发光特性.在正向下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区.进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1-1[5-7].假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光.除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光.发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高.由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生. 图1-1 LED的发光原理 1.3 LED的特点和分类 1.3.1 LED的特点 LED和普通的照明所用的灯管是不同的,它是一种固体照明的方式,而且LED的光效率高,和传统的照明用灯相比较,它的优点如下: (1)LED的外封装是用的环氧树脂,而且是在高温的情况下进行工作的,其硬度极好,因此它结构坚固而不容易破损. (2)LED是由电子和空穴复合而发光的,自由电子和空穴耦合不发热,因此寿命要比普通的寿命长. (3)LED的光效率高,操作的电流和电压都很小,消耗的功率也很小,因此省电,而且不容易出危险. (4)由于LED的外封装有的是用模条来完成的,因此形成极小表面及很薄很轻的产品,从而实现了LED相对普通的照明灯管体积极小的特点. (5)因为LED的外封装是坚固的环氧树脂,所以它不容易破碎并且可以回收对环境没有任何影响. (6) 根据LED特殊的封装特点,可以随意的通过调节作色剂来改变LED的颜色及外观. (7)LED是放电性发光的,因此它的反应速度相当的快,而且传导性能很好,容易配合高频的电路来驱动. 1.3.2 常见LED的分类 (1)按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等.另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片.根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型.散射型发光二极管不适合做指示灯用. (2)按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等.圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等.国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm的记作T-1(1/4)[6-8].由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况.从发光强度角分布图来分有三类: &&1)高指向性.一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂.半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统. &&2)标准型.通常作指示灯用,其半值角为20°~45°. ? 3)散射型.这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大. (3)按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构. (4)按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度小于10mcd);超高亮度的LED(发光强度大于100mcd);把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管.一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同). 1.4 LED的应用前景 据CIR预测,全球LED市场将从2004年的32亿美元,增长至2008年的56亿美元,其中,高亮度LED市场产值将由16亿美元增至26.4亿美元,超高亮度LED市场则将从2006年起快速成长,并于2008年占到全球市场22%的份额,因此从各个方面来衡量,可以看出LED是个势必带动全球经济发展的一个领域[16-22]. LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其他领域.而由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性,未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源.为此,美国、韩国、欧盟、中国台湾都制定了适合各国国情的半导体照明计划,大力推进LED灯进入普通照明灯具市场.室内照明将是LED最具市场规模和发展潜力的应用. 从数量上看,凭借着国内强大的制造能力,指示灯依旧是LED的使用大户,其用量占据LED市场消耗量的半壁江山.但由于指示灯多为普通亮度LED,经过多年的发展产量很大早已形成买方市场,供过于求的市场现状导致价格持续下跌,严重影响了指示灯领域的LED市场规模增长.LED指示灯市场规模只保持了一位数增长,但是随着价格的进一步滑落,LED指示灯市场规模很难在维持正增长,预计从2006年起,该市场将呈现出负增长. (1)显示屏市场是LED的主要应用市场,全彩显示屏增势强劲 LED显示屏按使用环境分为户内显示屏、户外显示屏;按颜色上又分为单色、双色和全彩显示屏.LED全彩显示屏由RGB三基色LED组成,每基色具有256级灰度,可显示种颜色,色彩鲜艳,图像逼真.LED全彩显示屏既能显示各种颜色的文字、图形,又能显示图像、2D/3D计算机动画,尤其是能显示高清晰度、色彩丰富的视频动态图像.凭借着上述优势LED全彩显示屏广泛应用在体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所. (2)以手机应用为主的小尺寸背光源市场放缓,中大尺寸特别是7寸背光源将成为新的关注点 LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场中,手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展.特别是2003年彩屏手机的出现更是推动白光LED市场的快速发展.但随着手机产量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源LED数量减少,使得LED在手机背光源中用量增速放缓.7寸液晶面板背光源使用LED数量约为30颗左右,远远少于液晶电视用几百颗甚至上千颗的用量,与CCFL间的差价可拉近到20%左右.同时LED的色彩饱和度较CCFL的75%可达到104%.在差价拉近、色彩饱和度高的双重利好因素下,7寸液晶背光源市场成为开拓中大尺寸背光源市场的首选切入点. (3)汽车车灯市场潜力大,但短期内国内市场很难启动 有统计显示,在汽车以100公里的时速行驶下,装有LED刹车灯的车辆较没有装LED刹车灯的车辆刹车距离将减少7英尺.目前,LED已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上.虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低、价格高以及相关政策的限制,在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间,但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升,最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移,最终占据整个汽车车灯市场.凭借着汽车的巨大产能,LED车灯市场面临着巨大的发展潜力. 除了上述问题之外,国内LED汽车车灯市场的发展还面临其他问题的困扰.由于国内汽车厂商主要以外资企业为主,生产的车型也主要是国外汽车车型的国内改进版.这就直接导致了原始整车设计构思、整车系统集成的核心技术都掌握在外资厂商手中.而汽车设计是一个连贯的整体,每一个环节的改变都会影响到整车电气设计的改变.目前国内汽车主要以低档车为主,车型也是国外比较成熟的车型,这些车型出现时间早在最初的设计时并没有考虑使用LED,而由于国内厂商缺少整体核心技术的支持,厂商很难直接改变汽车车灯的设计,影响国内汽车车灯市场的发展. (4)室内装饰灯市场逐步启动,交通灯置换高峰期即将过去市场进入平稳增长期. 经过多年的替换工作,全国主要城市由传统交通灯替换为LED交通灯的工作已经接近尾声.随着替换工作的完成,LED交通灯市场将不会再维持高速增长,预计2006年LED交通灯市场只实现5.8%的增长. (5)奥运会、世博会带动景观照明市场快速发展,2007年市场增速达到高峰. 景观照明市场主要以街道、广场等公共场所装饰照明为主,推动力量主要来自于政府.受到2008年北京奥运会和上海世博会的影响,北京、上海等举办地加快了景观照明的步伐,由于LED功耗低,在用电量巨大的景观照明市场中具有具有很强的市场竞争力. 此外,奥运会和世博会的主要作用远远不再于自身带动景观照明市场的成长,更重要的是其榜样作用.为了迎接奥运会和世博会的召开,北京、青岛、上海等地将建成一批LED景观照明工程,这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用.其他城市在看到LED在景观照明中的出色表现会减少对于LED景观照明的使用顾虑,加快使用LED在景观照明中的应用.LED将会从一级城市快速向二级、三级城市扩展. (6)通用照明市场路漫漫,任重而道远. 对于进入通用照明市场而言,功率白光LED除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外,还将面临到光学、机构与电控等的整合以及LED照明产品通用标准的制定. 由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低.同时这些高档场所更注重于彰显品味与尊贵的地位,对于新兴产品抱有更大的兴趣度.这些都降低了LED照明进入的门槛. 不过,也正是因为LED产业对资本、设备要求较低,进入该行业的,往往以民营小企业居多.虽然这在一定程度上使得该产业市场化程度较高,却也令新应用产品、技术的成熟可靠程度不够,造成一些负面影响.中低档产品居多,高档产品较少,新产品研制的能力亟待加强等现实问题,也使得开发具有自主知识产权的LED产品,愈加成为当务之急. 1.5 LED的研究进展 在芯片的研究方面,世界上第一个实用的LED于1962年开发出来,由GaAsP制成,当时这种GaAsP材料LED只能发出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,其流明效率大约只有一般的60至100瓦白炽灯的百分之一.稍后利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、橙光和黄色光.1971年业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED.80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的发光效率发出红光.这一技术进步使LED能够应用于户外信息发布以及汽车高位刹车灯.1990年,业界又开发出了红光四元AlInGaP材料LED,它的光通量比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍[8-12]. 在封装技术的研究方面,HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED,并于1994年推出改进型的“Snap LED”,有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W.接着OSRAM公司推出“Power TOP LED”.之后一些公司推出多种功率LED的封装结构.这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍,热阻降为几分之一.W级功率LED是未来照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,对W级功率LED的封装技术进行研究开发. 单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED.OSRAM公司于2003年推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED,其结构特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W[13-15]. 多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装形式较多.美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED,其结构是采用六角形铝板作为衬底.Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED阵列.松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED. 1.6 本文工作 本课题工作源于深圳市越宏电子有限公司的新产品开发项目“白光LED封装工艺的开发”.本文是单从白光LED的封装来实现白光LED的,在上节中讲到,全球白光LED的封装的发展情况,但是还存在着光效不高、色温不能达到人们所能接受的日常照明的范围,并且工艺复杂,成本相对比较高的缺点.本文就从封装工艺的设计,封装材料的合理选择和搭配等方面来实现白光LED的封装,达到深圳越宏在现有的白光LED性能上提出的参数要求: (1)显色指数大于80. (2)色温在5000K到8000K之间. (3)支架式白光LED的光效必须大于8lm/w;大功率白光LED的光效必须大于35lm/w. 本文各章节内容如下: 第一章绪论,主要介绍了LED的发光原理,LED的分类和特点,以及LED的发展历史和对未来的展望. 第二章介绍了白光的LED的合成方式和相关特性参数. 第三章讲述的是白光LED封装的设计过程,主要LED的制作工艺流程,和具体的工艺实现过程. 第四章是对封装好的支架式白光LED和大功率白光LED的特性参数进行测量,并对这些测试数据进行对比和分析. 第五章是全文总结. 2 白光LED的合成及特性参数 2.1 白光LED合成方式 根据黑体辐射原理制成的白炽灯,由于色温不能太高,大部分能量变成了红外辐射,这部分对照明没有贡献,使发光效率降低.不同色光合成白光有不同的合成,可以是两种,三种或者更多种色光合成白光,颜色种类用的多的话,它的像素就高,但是流明效率降低,这与对合成白光的质量要求有关.白光LED的合成途径大体上有2条路可以走,第一条是RGB,也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED,LED走RGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底,现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%,10%和25%,白光流明效率可以达到60lm/w.通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率,则白光流明效率可达到200lm/w.由于合成白光所要求的色温和显色指数不同,对合成白光的各色LED流明效率有不同的.第二条路是LED+不同色光荧光粉:第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED,这种工作原理和日光灯是类似的,但是比日光灯的性能要优越,其中紫光LED的转换系数可达80%,各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%,还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉,蓝光LED效率60%,荧光粉效率70%;还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光. 两种途径相比较之下,RGB三色LED合成白光综合性能好,在高显色指数下,流明效率有可能高到200lm/w,要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率,目前只有13%左右,同时成本高. 为了适应工厂化的生产,本文所采取的白光LED合成方式是蓝色LED+黄色荧光粉,因为它是一条综合性能适中,成本低,容易实现的途径.这种合成方式的工艺是将蓝光LED芯片安装在碗形反射腔中,上面覆盖约500-600nm 厚度的YAG的树脂薄层[23];合成原理是GaN芯片发蓝光(λp=465nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出峰值波长是550nm的黄色光.剩下的那部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光.现在,对于InGaN/YAG白光LED,通过改变 YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温K 的各色白光. 2.2 白光LED的特性参数 从目前的LED产品的机理和结构来看,以下几个方面是用来衡量LED优劣的特性参数[24-26]. (1)电流/电压参数(正、反向) LED的电性能具有典型的PN结伏安特性,不同的电流直接影响LED的发光亮度和PN结的结温.在照明应用中,为了获得大功率的LED灯,往往将许多个发光二极管通过一定的串并联方式组合在一起,相关的各个LED的特性必须匹配,在交流工作状态还必须考虑其反向电特性,因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降,以及反向漏电流和反向击穿电压等参数. (2)光通量和辐射通量 发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量,也就是光功率(W).对于照明用LED光源,我们更关心的是照明的视觉效果,即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分当量,称作为光通量ΦV(1m). 辐射通量与器件的电功率之比表示LED的辐射效率;光通量与器件的电功率之比表示LED的发光效率,单位lm/W.由于LED是定向出射光,如果从照明效果来评价,其照明性能更明显.LED的出射光到达工作面的有效光通量与总光通量之比表示为LED的光利用系数.显然照明用LED的光利用系数比普通各向发光的照明光源要高一些. (3)光强和发光角 无论是应用于显示或照明工程的LED,其光强及其空间分布都是十分重要的参数.LED灯的定向发光特性,对于某些局部或定向照明往往会达到非常好的照明效果.LED的发光强度指在给定方向上单位立体角内所发射的光通量: &&&&&&&&&&&&I= dΦ/dΩ(cd)&&&&&&&&&&&&&& (2-1) 光强分布曲线如图1所示,是表示LED发光在空间各方向的分布状态.在照明应用中计算工作面的照度均匀性和LED灯的空间布置,光强分布是最基本的数据.对于空间光束为旋转对称型分布的LED,用一个过光束轴平面上的曲线表示即可.对光束为椭圆形分布的LED,则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示.对于非对称的复杂图形,一般用过光束轴的六个以上截面的平面曲线来表示. 发光角(或光束角)通常用半强度角θ1/2表示,即在光强分布图中光强大于等于峰值光强1/2时所包含的光束角度. (4)光谱功率分布 LED的光谱功率分布表示辐射功率随波长的变化函数,它既确定了发光的颜色,也确定了它的光通量以及它的显色指数.通常用相对光谱功率分布S(λ)表示,光谱功率沿峰值两边下降到其值的50%时,所对应的两个波长之差Δλ＝λ2-λ1,即为光谱带. (5)色品坐标&&&& 选三原色红(R)、绿(G)、蓝(B). X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B)&&&&&&&& (2-2) 由于X+Y+Z=1,所以只用给出X和Y的值,就能唯一地确定一种颜色.这就是通常所说的色度图,为了使坐标值能直接表示亮度大小,国际照明协会规定采用另一种色度坐标X、Y、Z,与R、G、B间存在线性换算关系.若以x、y作为平面坐标系,将自然界中的各种彩色按比色实验法测出其x、y数值,并绘在该坐标平面内,便可得到图2-1所示的色度图.该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调,而曲 图2-1 CIE1931色度图 线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色.其中白光区域的特征点A、B、C、D65、E的坐标值和色温见表2-1. 表2-1 特征点对应的色坐标值和色温 光源点&&&&X坐标&&&&Y坐标&&&&色温(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)色温和显色指数 对于白光LED等发光颜色基本为“白光”的光源用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色.但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起.人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”,比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”,因此用色温来表示光源的光色会更加直观. 光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时,则称黑体的温度为该光源的色温(color temperature) T,单位为开(K).对于白光LED,其发光颜色往往与各种温度下的黑体(完全辐射体)的色品坐标都不可能完全相同,这时就不能用色温表示.为了便于比较,而采用相关色温(CCT)的概念.也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品图上的色品差最小时,则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温R1. 用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表现颜色外,更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射(如日光)下的颜色是否一致,即所谓的显色特性. 1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法,它是测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性,用一个显色指数值来表示.CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源,并将其显色指数定为100,还规定了若干测试用的标准色样. 根据在参照光源下和待测光源下,上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏.光源对某一种标准色样品的显色指数称为特殊显色指数R1. &&&&&&&&&&R1=100-4.6△Ei&&&&&&&&&&&&&&&& (2-3) 式中△Ei为第i号标准色样在参照光源下和待测光源下的色差. CIE推荐的标准色样共有14种.其1-8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品,第9至14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色.在一些特殊场合使用的LED光源,必须考核其特殊的显色指数.1985年国家制定了“光源显色性评价方法”标准,并增加了中国人女性肤色的色样,作为第十五种标准色样.这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要. 光源对前8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra. (7)热性能.照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一,与此同时,LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要,一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示. (8)辐射安全.目前,国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证.因LED是窄光束、高亮度的发光器件,考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害,因此,对于不同场合应用的LED,国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法.目前在欧盟和美国,照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行. (9)可靠性和寿命.可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要.寿命是评价LED产品可用周期的质量指标,通常用有效寿命或终了寿命表示.在照明应用中,有效寿命是指LED在额定功率条件下,光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间. 1)平均寿命 一批LED同时点亮,当经过一段时间后,LED不亮达到50%时所用的时间. 2)经济寿命 在同时考虑LED损坏以及光输出衰减的状况下,其综合输出减至一特定比例时的小时数.此比例用于室外光源为70%,用于室内光源为80%. 2.3 支架式白光LED和大功率白光LED的结构 2.3.1 支架式白光LED的结构 这种LED属于普通的小功率LED,在封装的时候将蓝色LED芯片固定在一反射杯上,以金线连接LED芯片的正负极,将荧光粉覆盖到芯片上,之后以环氧树脂封装,这种LED芯片的尺寸是0.25mm×0.25mm,5mm是指封装后元件的半径.结构图如图2-2. 图2-2 支架式白光LED的结构 2.3.2 大功率白光LED 将蓝色芯片固定在一反射杯上,以金线连接LED热沉和支架的正负极[27],将荧光粉均匀涂抹在芯片上,之后用树脂或者光学透镜封装.这种芯片的尺寸是1.0mm×1.0mm.结构如图2-3. 图2-3 大功率LED的结构 3 白光LED封装工艺的设计 在白光LED的设计中,研究分为两个主要方面:一个方面是荧光粉工艺,首先要荧光粉的选择要合适,包括激发波长、颗粒度的大小、激发效率等,需全面考核,兼顾各个性能.其次,荧光粉的涂敷要均匀,最好是相对发光芯片各个发光面的胶层厚度均匀,以免因厚度不均造成局部光线无法射出,同时也可改善光斑的质量.另一个方面是原材料的选择,材料的选择是建立在散热的基础上的. 3.1 白光LED对封装设备的性能要求 3.1.1 固晶机 必须选择高精度的固晶机,最好是拥有先进的预先图象识别系统,因为LED的晶粒放入封装位置的精确与否影响整件封装器件的发光效能,若晶粒在反射杯内的位置有所偏差,光线未能完全发射出来,影响成品的光亮度. 3.1.2 点胶机 和固晶机一样,精度要求高,这样才能有效的控制胶量,胶量如果是太多,芯片贴上去后就容易让多余的胶挤压出,阻挡和吸收的芯片周围的发光,而且对反射杯壁发射出的光吸收,影响了光亮度;如果胶量太少,特别是进入焊线的工序时,使得芯片从杯底脱落,就会引起死灯、漏电等等而造成次品. 3.1.3 焊线机 在用之前,要调好1焊和2焊的功率,温度,压力;以及超声波的温度,功率.让这些参数能够让金线承受5g的拉力.这样才不会让以后的烘烤工序因为物质的膨胀系数不同而导致金线断裂或者脱焊. 3.1.4 灌胶机 灌胶机的针头必须都是保持在同一水平的位置,而且漏胶的通道不能有渣滓,而且密封的很好,针头也必须隔段时间进行清理.由于封装后所形成的是由环氧树脂形成的一层光学“透镜”,倘若这层透镜中混有杂质就会使得出光效率不好,而且光斑中也会有黑点. 3.1.5 烤箱 烤箱必须是循环风,而且烤箱的隔层的托盘必须是保持水平的,在做白光LED的时候,点好的荧光粉必须要在烤箱内烤干,但是如果不是循环风和隔层的托盘,烤出的荧光粉分布不均匀,造成光斑的不均匀,还有可能造成荧光粉的溢出. 3.2 封装步骤介绍 3.2.1 预前准备: (1)芯片检验 用显微镜检查材料表面是否有机械损伤及麻点、 芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求以及电极图案是否完整. (2)扩片 由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm),不利于后工序的操我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,使LED芯片与芯片的间距拉伸到约0.6mm.也可以采用手工扩张. (3)清洗 采用超声波清洗LED支架,并烘干. 3.2.2 操作步骤 (1)点胶.将胶体点在支架杯体里,必须要点在杯体的正中间,而且胶量要适当, 胶量根据芯片的面积的大小来规定,其标准为芯片面积的2/3.胶体在这里是起个粘合剂的作用,也就是将芯片固定在支架内.因为蓝色的高亮度芯片是双电极的,我们就用绝缘胶来固定. (2)贴片.将扩张后的芯片安置在刺晶台上,在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在LED支架相应的焊盘上.芯片一定要很妥当的置于杯正中间,若芯片有偏置就会导致光斑的不均匀,从而影响LED的平均光强. (3)烘烤.将半成品放入烤箱内,烤箱温度为150℃,烘烤1小时. (4)焊线.用金丝焊机将电极连接到LED管芯上,以作电流注入的引线.在压第一点前先烧个球,再将金丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断金丝.工艺上主要需要监控的是压焊金丝拱丝形状,焊点形状,拉力.对压焊工艺的深入研究会涉及到更多方面的问题,如金丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀选用、劈刀运动轨迹等等. (5)点荧光粉.将荧光粉抽掉真空后,然后用注射器均匀的点在杯内. (6)烘烤.放入120度的烤箱,烘烤15—20分钟. (7)抽真空.将封装用的胶(AB胶)抽真空. (8)灌胶.灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让树脂固化后,将LED从模腔中脱出即成型. (9)烘烤.前固化是指密封树脂的固化,一般固化条件在135℃,1小时.后固化是为了让树脂充分固化,同时对LED进行热老化.后固化对于提高树脂与支架的粘接强度非常重要.一般条件为120℃,4小时. (10)脱模. (11)质检.用肉眼直接的检测,测出死灯. (12)裁切.由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),LED采用切筋切断LED支架的连筋.分为前切和后切. (13)分光.测试LED的光电参数、检验外形尺寸,同时根据客户要求对LED产品进行分选. (14)包装.将成品进行计数包装.超高亮LED需要防静电包装. 反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光. 在白光LED的设计中,最重要的步骤就是点荧光粉,点荧光粉是白光形成的关键.芯片的波长是460—465nm的,选取的荧光粉同样也在这个波段,点荧光粉是分为两个很重要的操作的,一个是调荧光粉,一个是涂抹荧光粉.普通用的荧光粉是粉状的,因此不能将粉状的物质覆盖在芯片上,必须是液态的,但是也不可能把荧光粉变成液态的,因为荧光粉的组分是重金属和稀有金属.只有将荧光粉溶解在一种溶剂中,然后再将这种荧光粉液体烤干,这样才能使其覆盖在蓝色的芯片上. 3.3 荧光粉溶液以及涂抹方式的设计 选择的溶剂必须是不能破坏荧光粉自身的组织的,因此这个溶剂需要是不能和荧光粉发生化学反应的一种物质,根据相似相溶的原理知道,荧光粉是不能溶解在有机溶剂里的,那么就只能是混合了,如果只是单纯的将这种混合溶液覆盖在芯片的表面再去进行外密封是行不通的,因为外密封是用的环氧树脂这种液态物质,也就是说必须要将其在封装前烤干,于是传统采用外密封的环氧树脂来做这种溶剂. 有了溶剂再来配置溶液.在这里选用的材料有,相对应波段的黄色荧光粉和环氧树脂.根据白光的发光原理可以知道,如果荧光粉加入的量太多就会造成发出的白光光偏黄,倘若荧光粉的量加入的太少就会使得发出的白光光偏蓝,因此应该根据荧光粉的发光效率来合理配制荧光粉.但是用荧光粉+环氧树脂封装出的成品光斑是一片蓝,一片白,一片黄.这种光斑形成的原因是因为荧光粉被蓝色的光激发的不均匀,也就是说荧光粉的细小颗粒没有被蓝色的光完全激发. 要解决完全激发的问题,就引入了扩散剂这样的一种物质,扩散剂可以增强蓝光激发荧光粉的效率,从而增强了荧光粉的发光效率.通过实验,发现扩散剂的确对光斑又了改善,使得发出的光斑不再是一块一块的,但是新的问题又出现了,光斑虽然整体呈现一种颜色但是外圈却有一层黄色出现. 要改善黄圈必须要知道原因,将LED成品解剖,可以看到荧光粉的沉淀情况,如图3-1.通过理论分析知道:这种现象是由黄光功率偏大所引起的.首先要改变荧光粉溶液的配比,找到合适的配比才能够改善黄圈;接着就是荧光粉沉淀的问题,从图中可以看到荧光粉覆盖在芯片和支架杯之间的空隙中的厚度要比芯片表面的厚度厚很多. 图3-1 荧光粉溶液烤干后的剖面图 这是因为在烘烤的过程中,环氧树脂会挥发一部分,而环氧树脂是双组分的,一部分是树脂,而另一个部分是固化剂属于酸酐类,固化剂的作用是减小分子之间的距离,使其固化.它与树脂的反应是个放热反应,而环氧树脂的的热传导性很差,黏度又很大,所以产生的热量不容易消散,这样很容易使得荧光粉沉淀.而且芯片的尺寸和支架杯底的尺寸有差异.这样很容易导致芯片四周的荧光粉比重大.荧光粉溶液的浓度分布不均匀会造成白光LED的色温分布不均,使得白光LED的亮度和光斑都不能达到预期效果.那如何改善荧光粉的因沉淀而引起的分布不均匀,这是新一步研究的问题.理论上可以从2个方面去改善: (1)通过生产的工艺.也就是在生产过程中,在时间很短的间隔里均匀搅拌,而且点荧光粉的速度加快,与下个环节的衔接时间也变紧,点好荧光粉的半成品很快进入烘烤的步骤中. (2)加入一种新的物质,使得荧光粉容易在高温下也能保持很好的均匀混合状态. 于是在荧光粉溶液中引入了表面活性剂,其作用是一部分可以吸附有机物,一部分可以吸附无机物的表面活性剂,而且,通过实验得到了如下的相对数据:在温度和湿度以及荧光粉溶液都相同的前提下,将其中一瓶加入表面活性剂,将2瓶溶液都搅拌相同的时间,使其能混合均匀.发现10分钟后加入表面活性剂的溶液比不加活性剂的溶液中荧光粉的沉淀率降低将近20%. 经过反复的实验,得到的荧光粉、表面活性剂、扩散剂和环氧树脂的最优质量配比为10:5:3:100. 对于支架式白光LED的外封装有成型模具,顶部密封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:保护管芯等不受外界侵蚀;采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂),起透镜或漫射透镜功能,控制光的发散角.因此由环氧树脂形成的“透镜”不可以调节.为了达到更好的光效,必须设计由涂抹的荧光粉而形成的“透镜”,荧光粉可以在支架的杯面上形成三种透镜形式:1.凹透镜2.平面透镜3.凸透镜.根据两层透镜的光辐射图样,选取的是凸透镜,凸透镜的角度与外封装胶形成的透镜角度是相同的.这样能使芯片发出的光线垂直出射,并且能提高光线的出射率. 但是这样荧光粉涂抹方式还是不够完美,芯片周围4个面的光强分布也是不同的,虽然对荧光粉溶液的组分和配比做了一些调整,但是荧光粉的沉淀只能得到很好的改善而不能完全解决的,这样的涂抹方式影响白光LED的色温和色品坐标.如果能将荧光粉完全单薄的覆盖在芯片上,就能解决这个问题.但是对于支架式白光LED的封装工艺上是很难办到的.而且要适合工厂的生产和销售,这种涂抹技术是不合适的.但是这种设想对于大功率这种封装方式是可以做到. 由于半导体和胶体的折射率相差比较大,致使内部的全发射临界角很小,光大部分在芯片内部经过多次反射而被吸收,成为支架式白光LED芯片取光效率很底的原因.在大功率白光LED中,芯片的发光效率要求高,因此使用面积比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片.虽然大型LED芯片可以获得大光束,不过加大芯片面积会有弊害:芯片内发光层的电流分布不均;发光部位受到局限芯片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减等等.因此采用倒装芯片方法(如图3-2的两种芯片的结构图),倒装芯片是把GaN LED晶粒倒装焊在散热板上,并在P电极上方制作反射率较高的反射层,籍以将原先从元件上方发出的光线从元件其他的发光角度导出,而由蓝宝石基板端缘取光.这样就降低了在电极侧面的光损耗,可有接近于正装方式2倍左右的光输出.因为没有了金线焊垫的阻碍,对提高亮度有一定的帮助.因为电流流通的距离缩短,电阻降低,所以热的产生也相对降低,同时这样的接合亦能有效地将热传至下一层的散热基板再传到器件外面. 图3-2 两种功率型芯片的结构示意图 对比两种芯片的优缺点,基于大于功率LED需要好的散热环境和发出高光效来考虑,在大功率白光LED的封装中,采用的是倒装芯片代替传统的正装大功率芯片.大功率白光LED的荧光粉涂抹技术则是只用将荧光粉均匀涂抹在表面就可以,而不用涂抹在芯片四周,根据前面介绍的倒装芯片的结构而得出涂抹工艺如图3-3所示: 图3-3 大功率LED的荧光粉涂抹方式图 这种方式是将荧光粉混合溶液直接涂抹在芯片上,因此所用到的溶液胶体不再是环氧树脂,因为环氧树脂的流动性较强,如果用传统的环氧树脂来混合荧光粉,荧光粉溶液就会从芯片表面溢出,所以必须选择可以自动成型的UV胶,将UV胶与普通荧光粉按照一定的重量比进行均匀混合调配,将调配好的原料加入点胶机对大功率发光二极管芯片进行点胶涂布,使涂层厚度控制在0.5~0.6mm,将涂布完成的芯片用紫外灯照射进行固化,完成固化工艺过程.改良后的荧光粉涂抹方式对白光LED特性的提高会在4.6节中作出分析. 3.4 封胶胶体的设计 根据折射定律,光线从光密介质入射到光疏介质时,当入射角达到一定值,即大于等于临界角时,会发生全发射.以GaN蓝色芯片来说,GaN材料的折射率是2.3,当光线从晶体内部射向空气时,根据折射定律,临界角θ0=argsin(n1/n2),其中n2等于1,即空气的折射率,n1是GaN的折射率,由此计算得到临界角θ0约为25.8度.在这种情况下,能射出的光只有入射角小于25.8度这个空间立体角内的光,因此其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失.为了提高LED产品封装的取光效率,必须提高n2的值,即提高封装材料的折射率,以提高产品的临界角,从而提高产品的封装发光效率.同时,封装材料对光线的吸收要小. 对白光LED进行封胶,传统选取的是双组分的环氧树脂,但封装用光学级的树脂容易受热变黄.除此之外,不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响,甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题,这是因为白光LED发光光谱中,也包含了短波长的光线,而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏,低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏,更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多,那么恶化自然也加速.因此,在这里采用的是硅胶封装.硅胶除了对短波长有较佳的抗热性、较不易老化外,它还能够分散蓝色和近紫外光.所以,与环氧树脂相比,硅树脂可以抑制材料因为短波长光线所带来的劣化现象,此外硅胶的光透率、折射率都很理想.这种封胶材料是一种稳定的柔性胶凝体,在-40度—120度的范围,不会应为温度的聚变而产生内应力,使金线与引线框架断开,并防止外封装的环氧树脂形成的“透镜”变黄.密封胶体的改进对白光LED特性参数的提高,会在本文的4.8节中做具体的对比. 3.5 散热的设计 对于由PN结组成的发光二极管,当正向电流从PN结流过时,PN结有发热损耗,这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等,辐射到空气中,在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗,也就是热阻,热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值.设发光二极管的热阻为Rth(℃/W),热耗散功率为PD(W),此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为: &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&△T=Rth×PD&&&&&&&&&&&&&&&&&& (3-1) PN结结温为: Tj=TA+ Rth×PD&&&&&&&&&&&&&&&& (3-2) 其中TA为环境温度.由于结温的上升会使PN结发光复合的几率下降,发光二极管的亮度就会下降.同时,由于热损耗引起的温升增高,发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高,即显示出热饱和现象.另外,随着结温的上升,发光的峰值波长也将向长波方向漂移,约0.2-0.3nm/℃,这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白光LED来说,蓝光波长的漂移,会引起与荧光粉激发波长的失配,从而降低白光LED的整体发光效率,并导致白光色温的改变. &&对于功率发光二极管来说,驱动电流一般都为几百毫安以上,PN结的电流密度非常大,所以PN结的温升非常明显.对于封装和应用来说,如何降低产品的热阻,使PN结产生的热量能尽快的散发出去,不仅可提高产品的饱和电流,提高产品的发光效率,同时也提高了产品的可靠性和寿命.为了降低产品的热阻,首先封装材料的选择显得尤为重要,包括支架、基板和填充材料等,各材料的热阻要低,即要求导热性能良好.其次结构设计要合理,各材料间的导热性能连续匹配,材料之间的导热连接良好,避免在导热通道中产生散热瓶颈,确保热量从内到外层层散发. LED对温度很敏感,理论上,结温要保持在125度以下以避免性能下降甚至失败.事实上,即使结温在125度以下,寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降.如何保持LED工作温度较低以获得更高的可靠性和光学指标就取决于封装材料的热传导性能;结温和光色也有关系,而结温的升高或者降低都会造成光色的漂移,不同波长的光对温度的敏感性不同,蓝光的是最不敏感的,光色的漂移使得色温难以稳定,影响白光LED的光学性能.因此要改变色温带来的影响,必须将PN结所产生的热量尽快的散发出去. 散热主要从3个方面着手.第一,从芯片到基板的连接材料的选取.第二,基板材料的选取.第三,基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取. 首先从芯片和基板的连接上来看,普通用来连接芯片和基板采用的是银胶.但是银胶的热阻很高,而且银胶固化后的内部结构是:环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构,这样的结构热阻极高,对器件的散热与物理特性稳定极为不利,因此选择的粘接的物质是锡膏. 接着就是基板的选择,表3-1是常见的基板和支架的材料导热系数 表3-1 常见基板材料导热系数 材质 铂&&&&银&&&&锡&&&&锌&&&&纯铜&&&&黄金&&&&纯铝&&&&铝合金(60Cu-40Ni)&&&&铝合金 (87Al-13Si) 导热系数(W/MK)&&&&71.4&&&&427&&&&67&&&&121&&&&398&&&&315&&&&236&&&&22.2&&&&162 由上表知,银、纯铜、黄金、纯铝的导热系数相对其他材料高,但是黄金和银的价格太高,为了取得很好的性价比,因此基板采用的是铜或铝质地. 就界面热阻而言,空气间隙是最大的敌人.尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小,但是由于材料表面的不平整,实际还是存在着细微的空隙.由于空气的界面热阻很大,不利于扩散,故大大增加了整体界面的热阻. 根据分析,减低界面热阻的方法为:增加材料表面的平整度,减小空气的容量;施加接触压力.因此在基板和外散热器的填充物质上,选择导热的硅树脂. 将选取好的封装材料做了个老化测试,发现将其连续点5000个小时后,有30%的大功率白光LED发光失效,经过解剖如图3-4,可知失效是因为芯片的外延和基板发生断裂而造成的,LED外延材料和封装材料的热膨胀系数差异太大. 图3-4 连接界面断裂图 表3-2&& 常见支架材料的热膨胀系数 材料&&&&热膨胀系数(W/m?K)&&&&备注 铝&&&&23&&&&基板 铜&&&&16.5&&&& Cu/Mo/Cu&&&&5.8&&&&低温烧结陶瓷基板 GaAs&&&&5.5&&&& 常见的外延材料 GaN&&&&5.6&&&& GaP&&&&4.65&&&& SiC&&&&3.7&&&& AlN&&&&4.4&&&& 蓝宝石&&&&7.9&&&& 从表3-2显示的各种材料的热膨胀系数中可以知道采用铜或者铝基板和芯片的基板材料的热膨胀系数的差别很大,但是低温烧结陶瓷的基板却解决了这个问题,而且其热传导系数高达170w/mk.因此采用陶瓷基板来代替金属基板,外面再加一个散热器.&&&& 任何器件在工作时都有一定的损耗,大部分的损耗变成热量.大功率器件损耗大,若不采取散热措施,则芯片的温度可达到或超过允许的节温,器件期间将受到损坏.因此必须加散热装置,最常用的是将功率器件安装在散热器上,利用散热器将热量散到周围空间,它的主要热流方向是由芯片传到器件的底下,经散热器将热量散到周围空间.散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比,对流的速度越快,则散热器本身的热阻也就越小. 散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成,表面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理,目的是提高散热效率和绝缘性能. 散热效果与散热器的几何形状和散热方向也有关系.从表3-3所示的散热器散热效果的比较可以得出第一种形式的散热器散热效果最好.散热材料选择和搭配增加白光LED的寿命会在4.8节中作出分析. 表3-3 散热效果的比较 由以上几个方面的的分析和研究,最后封装得到的支架式白光LED和大功率白光LED的成品如图3-5和图3-6. && 图3-5 封装好的支架式白光LED (左图为子弹头型,右图为正圆型) 图3-6 封装好的大功率白光LED 4 白光LED的性能测试 4.1 测试的条件 ⑴温度:25℃±1℃ ⑵相对湿度:48%---52% ⑶气压:86KPA---106KPA ⑷测试环境应无影响测试准确度的机械震动和电磁干扰. ⑸器件全部光电参数均应该在热平衡下进行. ⑹测试系统应该接地良好. 4.2 测量的标准和方向性 发光二极管的光辐射实际上是一种定向的成像光束,因此不能按照一般的光度测量规则测量和计算发光强度.也就是说,一般情况下发光强度不能简单地用探测面上的照度和距离平方反比定律来计算.CIE 127-1997“发光二极管测量”出版物[28-30]把LED的强度测试确定为平均强度的概念,并规定了统一的测试结构,包括探测器接收面的大小和测量距离的要求.这样就为LED的准确测试比对奠定了基础.虽然CIE的文件并非国际标准,但目前已得到国际上的普遍认同和采用.我国的LED行业标准与该CIE文件的方法完全一致. 从图2-2可知,色温在K之间的白光颜色偏蓝,它不太适合用做普通家庭照明光源的;色温为6400K的日光色,是目前照明光源使用的最广泛的色温之一.白光LED中的蓝光光谱和只有蓝色LED的蓝光光谱相比是有差异的,因为发生荧光体高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递.而白光中的蓝光吸收(激发)与荧光体的激发光谱密切相关.由于荧光体光转换过程致使白光LED中的蓝光光谱的能量分布、发射峰以及半高宽等性质发生变化.所涂覆的荧光粉越多,蓝色光谱变化越严重,在低色温的白光LED中更为明显. 目前,在LED测量仪器中所用的光度测量传感器是采用硅光电二极管和相应的视觉光谱响应校正滤光片组成.为了使探测器的光谱响应函数与CIE标准观察者光谱光视效率函数V(λ)一致,一般需由多片滤光片组成[31-37].由于受材料及工艺的限制,某些仪器的传感器在光谱匹配上存在一定的差异,当仪器出厂定标所用的标准源(通常采用2856K钨丝灯)与所测量的LED管的光谱存在较大差异时,测量的LED光度量值就会产生明显的偏差,而且对某些单色LED往往更加明显.因此应采用光谱响应曲线在各个波长符合度较好的高精度光度探测器,或者采用光谱辐射法测量[38-40],并由计算机加权积分,得到准确的测量结果.否则,必须采用LED标准样管对仪器进行定标或校正,才能得到比较一致的结果. 在LED的测试供电驱动中,LED本身结温的升高对电参数和发光的影响不容忽视.因此,测量时的环境温度及器件的温度平衡是非常重要的一项测量条件. 4.3 测试内容 白光LED的测试内容主要包括:光功率、光效、显色指数、色温、色坐标、光谱分布、光照度. 需要使用的测试仪器如表4-1 表4-1 测试仪器清单 编号&&&&名称&&&&型号/性能参数&&&&生产商 1&&&&紫外-可见-近红外光谱分析系统&&&&PMS-50&&&&杭州远方 2&&&&LED光强分布测试仪&&&&LED620&&&&杭州远方 3&&&&专业袖珍照度计&&&&YF2006&&&&远方 &&&&&&&&&&&&&& 4.4 光电特性的测试 测试对象:支架式白光LED和大功率白光LED. 测试装置:紫外-可见-近红外光谱分析系统 将LED光源放在积分球的中心,积分球又称光通球或球形光度计,它是一个内部空的完整球壳,内壁涂白光漫反射层,球内放待测光源,光源发射并经球面漫反射的一部分光线通过球壁上的窗口射到光探测器上,在光探测器前面装V (λ) 滤光器,保证光探测器的测量值准确并接近人眼视觉函数.由探测器将光信号转化为光电流信号, 经过取样、放大后, 经AD 转化为数字信号送入微处理器,再经过计算和定校即可得到光通量值,通过仪表面板上光通量部分的数码管显示出来.原理图如4-1所示: 图4-1 光电特性的测试原理图 测试的出两种LED的相关特性参数数据见表4-2: 表4-2 支架式白光LED和大功率白光LED的光电特性参数 测试对象&&&&测试电流(mA)&&&&色温(K)&&&&X/Y坐标值&&&&显色指数&&&&光效(lm/w) 支架式白光LED&&&&20&&&&5971&&&&0.6&&&&87.3&&&&14.221 大功率白光LED&&&&350&&&&5624&&&&0.8&&&&95&&&&38.3 按照深圳市越宏电子有限公司的指标要求,表4-2的测试结果表明,这两种封装产品均达到了上述的技术指标要求,即显色指数分别为5971K和5624K;支架式白光LED的光效为14.21lm/w, 大功率白光LED的光效为38.31lm/w. 4.5 外加电流对白光LED的性能影响 对于两种封装形式的白光LED,外加正向电流对其特性的影响都是一样的,在本文中,将支架式的白光LED拿出来分析.分别取外加正向电流IF值为:10mA、20mA、30mA、40mA,得到如图4-2、图4-3所示的曲线图. 图4-2 电流与色温的关系 图4-3 电流与光效的关系 从上述图中,可以得出如下的结论: (1)正向电流增加时,白光LED的发射光谱,特别是InGaN LED蓝光芯片的发射光谱向短波长一端移动.色坐标X和Y值也就发生变化,相关色温Tc(K)逐渐增加. (2)正向电流增加时,光效率会下降,其原因如下: 1)在相同的热阻下,电流的增加必然导致芯片温度升高,增加载流子非辐射复合几率,导致辐射复合几率下降,造成发光效率随着电流增加而下降; 2)随着IF增加, P-N结温快速升高,结温和环境温度上升,对半导体蓝光芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭; 3)由于在白光LED中发生蓝光→黄光的光转换过程,产生光吸收的辐射传递,不仅使白光光谱中的蓝芯片的发射光谱形状和发射峰发生变化,而且蓝光效率下降使得荧光粉的光效下降,从而白光光衰程度比单个InGaN蓝芯片更快.实际上是荧光粉的发光效率受蓝芯片下降的“诛连”和强烈的制约. 根据以上分析得到:当正向电流较小时,虽然芯片本身的发光效率较高,但是因为强度太弱,而芯片上涂敷的荧光粉又有一定的厚度,芯片发出的蓝光只能激发靠近芯片表面的一小部分荧光粉,而这一部分荧光粉受激发产生的黄光,大部分又被荧光粉外层所吸收,此时不仅发光效率很低, 而且发光的颜色也偏黄.随着IF增加,虽然芯片发光效率略有降低,但是发光强度大大增加,此时, 芯片发出的蓝光可以穿透荧光粉层,使得荧光粉层,特别是荧光粉外层被激发的几率大大增加,发光强度迅速增加. 4.6 荧光粉的涂抹方式对白光LED性能的影响 根据上一章的关于荧光粉涂抹方式的设计,知道荧光粉的涂抹方式对发光分布与色温的均匀度影响很大.如图4- 4可以看到,左图为传统封装形式的荧光粉涂抹方式,其涂抹方式只是将荧光粉分撒在芯片的上方和四周,这种分布会造成荧光粉厚度较厚的位置黄光产生较多,色温较低,并且光斑不均匀.右图为改良后运用在的大功率白光LED上的涂抹方式,看到基本上是均匀分布的. && 图4-4 两种荧光粉涂抹方式 将做好的两种白光LED进行色温测试,得到数据见表4-3. 表4-3 两种涂抹方式不同厚度的色温值 荧光粉的厚度(mm)&&&&色温(k)&&&&测试对象 0.6&&&&5541&&&&传统涂抹方式 0.5&&&&6241&&&& 0.6&&&&5821&&&&改良后的涂抹方式 0.5&&&&5900&&&& 由上表可以知道,传统的荧光粉涂抹方式,色温值相差700K,而改良后的涂抹方式只是相差80K左右.可见,改良后的涂抹方式对色温和光强的均匀分布都有所提高. 4.7 不同的封装形式对白光LED性能的影响 上节中,对IF的变化引起的LED性能参数的变化做了详细的分析,在这节中,则对封装方式的变化和封装材料的变化引起的LED性能参数的变化做详细的探讨. 支架式白光LED封装方式除了模条(如图4-5)的形状不相同以外,还有就是模条的卡点(所谓的卡点就是指支架插入模条内的深浅高度(如图4-6)不相同,因此为了详细说明不同封装形状对白光LED性能的影响,必须是相同卡点不同封装外形和不同卡点相同封装外形进行的比较. 图4-5 模条示意图 图4-6 卡点示意图 对比对象有两组,第一组是5mm×8.6mm子弹头支架式LED和5mm×6.0mm子弹头支架式LED;第二组是5mm×8.6mm圆头支架式LED和5mm×8.6mm子弹头支架式LED(相关的成品图见本文图3-7).因为这两组白光LED只是外封装方式不一样,前段(工艺流程中从点胶到点荧光粉烘烤的步骤都是所谓的前段)工艺都是相同的,通过测试得到的参数如表4-4和表4-5 . 表4-4 不同卡位的子弹头支架式白光LED的参数 测试对象&&&&光通量/lm&&&&半功率角/°&&&&光强峰值/mcd 5mm×8.6mm子弹头支架式白光LED&&&&0.9&&&&6&&&&25000 5mm×6.0mm子弹头支架式白光LED&&&&0.9&&&&15&&&&20000 &&&&&&&&&& 表4-5 不同封装外形的支架式白光LED参数 测试对象&&&&光通量/lm&&&&半功率角/°&&&&光强峰值/mcd 5mm×8.6mm子弹头支架式白光LED&&&&0.9&&&&6&&&&25000 5mm×8.6mm圆头支架式白光LED&&&&0.9&&&&15&&&&18000 由两表可以得出如下结论: (1) 两组白光LED的色温、色坐标以及光通量没有很明显的变化,只是光强峰值和半功率角发生变化.封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的,发光强度的角分布与封装透镜所用形状有关.若采用子弹头形树脂透镜,可使光集中到LED的轴线方向,相应的视角较小;如果顶部的树脂透镜为圆形,其相应视角将增大. (2) 子弹头和圆头封装的“外透镜”角度不同,导致子弹头和圆头的半功率角度不同,明显子弹头的半功率角要小于圆头,同时子弹头的最大光强也要大于圆头. (3)卡点越小的模条封装出的LED其半功率角就越大,同时最大光强也就越小. 4.8 不同的封装材料对LED寿命的影响 以大功率LED的封装材料的不同进行对比.为了形象的表示光通量随时间的衰减,在这里引进一个概念--相对光强输出,其定义为: y = exp ( - at)&&&&&&&&&&&&&&&& (4-1) y表示相对光强输出, a 表示衰减系数, t 为以小时为单位的点灯时间. 将不同封装材料封装出的大功率LED分为三类,第一类的封装材料是陶瓷基板+锡膏+硅胶;第二类的封装材料是铜基板+锡膏+硅胶;第三类的封装材料是铜基板+银胶+环氧树脂封胶.每类LED采用的是同一家厂家出的同一批芯片,荧光粉溶液的配比和涂抹方式都是完全相同的.经过长时间的老化测试,在350mA的正向电流下,将大功率白光LED点亮1万个小时后得到的寿命数据,如表4-6所示. 表4-6 3类大功率LED寿命参数 LED类别序号&&&&样品数&&&&驱动电流/mA&&&&平均寿命/h 陶瓷基板+锡膏+硅胶&&&&6&&&&350&&&&27721 铜基板+锡膏+硅胶&&&&6&&&&350&&&&19462 铜基板+银胶+环氧树脂&&&&6&&&&350&&&&9674 根据老化测试中所得到的数据画出如图4-7的相对光输出随时间变化的曲线.从图可知,第三类封装形式(即,铜基板+银胶+环氧树脂封胶)的大功率LED在9000小时后,只有55%的光输出;而第一类封装形式(即,陶瓷基板+锡膏+硅胶)的大功率LED在10000h后还能保持92%的光输出.因为所有的材料和工艺都是相同的,所有寿命的决定因素只和封装所选择的材料有关.由此可以知道,(陶瓷基板+锡膏+硅胶)这种封装材料的大功率LED相对寿命较好,这种封装材料的配合对散热处理也相对要强.这正好和上一章节里散热的设计结果相符合. 图4-7 不同封装材料的大功率LED的相对光强输出与时间的关系&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 5 全文总结 论文主要就支架式白光LED和大功率白光LED的封装工艺进行了研究,针对先阶段的白光LED的发展的缺点,做了原材料选择和搭配以及白光LED工艺的改进,顺利完成了白光LED的封装设计.对测试出的特性参数进行了分析,并且达到了这个项目所要求的特性参数指标. 本文开展的具体工作如下: (1)结合大量文献,对白光LED发光原理和合成方式做了理论分析,为后来封装原材料的选择提供了理论基础. (2)介绍了实验中所用的工艺设备以及设备必须具备的基本特性. (3)分析了荧光粉溶液配比和涂抹方式对白光LED的光斑和色温所产生的影响,并通过大量的荧光粉溶液实验,确定了荧光粉混合溶液的组分、配比的选取以及荧光粉溶液涂抹芯片的方式. (4)分析了填充材料对白光LED的特性参数的影响,并通过反复的实验,确定了适合衔接支架和基板、基板和散热器的材料. (5)分析了不同材料的基板、支架和散热器对白光LED的性能参数的影响,并找出了最佳的材料配置. (6)完成了封装设计,通过调节外界的参数(恒定电流和不同的外封装材料形式),分析了白光LED的光特性参数、电特性参数和寿命发生变化的原因. 近年来,LED的发光效率正在逐步提高,商品化的器件已达到白炽灯的水平,景观灯采用的白光LED发光效率接近荧光灯的水平,并在稳步增长中.但是,在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题: 一是光通量有待进一步提高.采用LED作为照明光源,必须具有更高的能量效率.特别是对于高亮度白光LED和大功率白光LED而言,散热的处理、外封装中的光学结构的建立是在现有的芯片技术下的一个最直接解决光效率的问题.
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