大功率LED封装关键技术讨论
来源:用户上传
作者:
摘要： 大功率LED作为新一代绿色光源和照明技术，在固态照明和显示领域有着广泛的应用前景，得到世界各国的重视。本文主要讨论LED封装方面的关键技术，从而为解决大功率LED散热问题提供一定的指导。
关键词： 大功率LED 封装技术
1 引言
近年来LED各种优点日渐突出，其将成为新一代照明光源的发展方向。但LED要进入照明领域，首要任务是将其发光效率、光通量提高到现有照明光源的等级。由于LED芯片输入功率不断提高，对功率型LED封装技术提出了更高的要求。针对照明领域对光源的要求，照明用功率型LED的封装面临着以下挑战：更高的发光效率；更好的光学特性；更大的输入功率；更高的可靠性；更低的成本。下面将讨论大功率LED封装的关键技术，来解决功率型LED面临的问题和挑战。
2 大功率LED封装关键技术
2.1 提高发光效率
LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。提高LED发光效率的主要途径有：提高芯片的发光效率；将芯片发出的光有效地萃取出来；将萃取出来的光高效地导出LED管体外；提高荧光粉的激发效率；降低LED的热阻。
LED的发光效率主要决定于芯片的发光效率。随着芯片制造技术的不断进步，芯片的发光效率在迅速提高。可以根据不同的应用需求和LED封装结构特点，选择合适的高发光效率的芯片进行封装。目前发光效率高的芯片主要有HP公司的TS类芯片、CREE公司的XB类芯片等等。
芯片选定之后，要提高LED的发光效率，能否将芯片发出的光高效地萃取和导出，就是关键所在。由于芯片发光层的折射率较高，如果出光通道与芯片表面接合的物质折射率与之相差较大，则会导致芯片表面的全反射临界角较小，芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用，相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部，造成萃光效率偏低，直接影响LED的发光效率。为了提高萃光效率，在选择与芯片表面接合的物质时，必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。采用高折射率的柔性硅胶作与芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。
同时，就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉；其次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。
LED自身发热使芯片结温升高，可导致芯片发光效率下降。功率型 LED必须要有良好的散热结构，使LED内部的热量能尽快地被导出和消散，以降低芯片的结温，提高其发光效率。芯片结温（TJ）与环境温度（TA）、热阻（Rth）和输入功率（PD）的关系是：TJ=TA+RthPD。
在输入功率PD一定的情况下，热阻Rth的大小对结温的高低有很大的影响，也就是说，热阻的高低是LED散热结构好坏的标志。 采用优良的散热技术降低封装结构的热阻，将使LED发光效率的提高得到有效的保障。
2.2 改善LED的光学特性
与传统光源相比，LED光源有较强的指向性，如果控制得当，可以提高整体的照明效率，使照明效果更佳。可根据照明应用需要，调控LED的光强空间分布。具体步骤是：①掌握芯片发光的分布特点； ②根据芯片发光的分布特点和LED最终光强分布的要求设计出光通道： ③ 选择合适的出光通道材料和加工工艺。
白光LED色温的调控主要是通过蓝色芯片波长的选定；荧光粉受激波长的匹配；荧光粉涂布量、均匀性的控制来实现的。基于蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）LED白光生成技术路线的机理和荧光粉的特性，早期传统的白光LED在高色温区域（>5500K）里，色温的调控比较容易实现，显色性较好（Ra>80）。在照明应用通常要求的低色温区域（2700K～5500K），传统白光LED的色温调控较难，显色性也不佳（Ra<80），与照明光源的要求有一定的差距。即使可以生成低色温的白光，其色坐标也偏离黑体辐射轨迹较远（通常是在轨迹上方），使其光色不正，显色性差。要解决这一问题，关键是荧光粉的改良，可以通过添加红色荧光粉，使LED发出的白光的色坐标尽量靠近黑体辐射轨迹，从而改善其光色和显色性。
2.3 提高LED的单灯光通量和输入功率
目前LED的单灯光通量偏小，独立应用于照明有较大的局限；其输入功率也偏小，需要较多的外围应用电路配合。LED要进入照明领域，必须提高LED的单灯光通量和输入功率。 提高LED的单灯光通量和输入功率的途径有：在输入功率一定的前提下，提高LED的发光效率是获取更大单灯光通量的最直接的途径；采用大面积芯片封装LED，加大工作电流，可以获得较高的单灯光通量和输入功率；采用多芯片高密度集成化封装功率型LED，是目前获得高单灯光通量和高输入功率的最常用方法。
从以上途径可知，散热技术是关键。提高LED的散热能力，降低热阻，是提高LED的单灯光通量和输入功率得以实现的根本保障。
2.4 降低LED的成本
价格高是半导体LED进入照明领域的最终瓶颈。就封装技术而言，LED要降低成本，可从以下几方面努力：设计成熟可行的技术路线；研究简单可靠、易于产业化生产的工艺方法；进行通用化的产品设计；提高产品性能和可靠性；提高成品率。
3 结论
大功率LED要实现产业化和普及化受到诸多因素的制约，其中散热不良和可靠性不高是关键。本文通过改善大功率LED封装关键技术，从而使大功率LED的发光效率、光学特性、输入功率、可靠性得以提高，最终对解决功率型LED散热问题提供一定的指导。
参考文献
[1] 陈治明. 半导体概论[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] 王晓明等.LED新一代照明光源[J].现代显示，2005（7）：15-19.
[3] 李秋红.LED光源在道路照明中应用的功效分析[J]，城市照明，2009（2）：29-30.
[4] 李华平等.大功率LED的封装及其散热基板研究[J]，半导体光电，2007（1）：47-50.
[5] 殷录桥，李清华等.提高大功率LED散热和出光封装材料的研究[J]，趋势与展望，2008：281-285.
作者简介
严其艳，女，1981出生，讲师，主要研究方向为LED技术、电子技术。
基金项目：2012年度广东科技学院院级科研项目（GKY-2012KYYB-12）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-4966002.htm
