LED封装的取光效率分析

2015-03-28编辑:探路者 关键字:LED封装  取光效率
  常规LED一般是支架式,采用环氧树脂封装,功率较小,整体发光光通量不大,亮度高的也只能作为一些特殊照明使用。随着LED芯片技术和封装技术的发展,顺应照明领域对高光通量 LED产品的需求,功率型LED逐步走入市场。这种功率型的LED一般是将发光芯片放在散热热沉上,上面装配光学透镜以达到一定光学空间分布,透镜内部填充低应力柔性硅胶。

  功率型LED要真正进入照明领域,实现家庭日常照明,其要解决的问题还有很多,其中最重要的便是发光效率。目前市场上功率型LED报道的最高流 明效率在50lm/W左右,还远达不到家庭日常照明的要求。为了提高功率型LED发光效率,一方面其发光芯片的效率有待提高;另一方面,功率型LED的封 装技术也需进一步提高,从结构设计、材料技术及工艺技术等多方面入手,提高产品的封装取光效率

  一、影响取光效率的封装要素

  1.散热技术

  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。

  PN结结温为:

  TJ=TA+ Rth×PD

  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色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,包括热沉、粘结胶等,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。同时,要从工艺上确保,热量按照预先设计的散热通道及时的散发出去。

  2.填充胶的选择

  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=sin-1(n2/n1)。

  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≤25.8度这个空间立体角内的光,据报导,目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右,因此,由于芯片晶体的内部吸收,能射出到晶体外 面光线的比例很少。据报导,目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右。同样,芯片发出的光要透过封装材料,传送到空间,也要考虑材料对取光效率的 影响。

  所以,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。为了提高出射光的比例,封装的外形最好是拱形或半球形,这样,光线从封装材料射向空气时,几乎是垂直射到界面,因而不再产 生全反射。

  3.反射处理

  反射处理主要有两方面,一是芯片内部的反射处理,二是封装材料对光的反射,通过内、外两方面的反射处理,来提高从芯片内部射出的光通比例,减少 芯片内部吸收,提高功率LED成品的发光效率。从封装来说,功率型LED通常是将功率型芯片装配在带反射腔的金属支架或基板上,支架式的反射腔一般是采取 电镀方式提高反射效果,而基板式的反射腔一般是采用抛光方式,有条件的还会进行电镀处理,但以上两种处理方式受模具精度及工艺影响,处理后的反射腔有一定 的反射效果,但并不理想。目前国内制作基板式的反射腔,由于抛光精度不足或金属镀层的氧化,反射效果较差,这样导致很多光线在射到反射区后被吸收,无法按 预期的目标反射至出光面,从而导致最终封装后的取光效率偏低。

  我们经过多方面的研究和试验,研制成一种具有自主知识产权的使用有机材料涂层的反射处理工艺,通过这种工艺处理,使得反射到载片腔内的光线吸收 很少,能将大部分射到其上面的光线反射至出光面。这样处理后的产品取光效率与处理之前相比可提高30%-50%。我们目前1W白光功率LED的光效可达 40-50lm/W(在远方PMS-50光谱分析测试仪器上测试结果),获得了很好的封装效果。

  4.荧光粉选择与涂覆

  对于白色功率型LED来说,发光效率的提高还与荧光粉的选择和工艺处理有关。为了提高荧光粉激发蓝色芯片的效率,首先荧光粉的选择要合适,包括 激发波长、颗粒度大小、激发效率等,需全面考核,兼顾各个性能。其次,荧光粉的涂覆要均匀,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。

  二、结论

  良好的散热设计对提高功率型LED产品发光效率有着显着的作用,同时也是确保产品寿命和可靠性的前提。而设计良好的出光通道,这里 着重指反射腔、填充胶等的结构设计、材料选择和工艺处理,可以有效提高功率型LED的取光效率。对功率型白光LED来说,荧光粉的选择和工艺设计,对光斑 的改善和发光效率的提高也至关重要。

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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