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LED封裝的取光效率分析

常規LED一般是支架式,采用環氧樹脂封裝,功率較小,整體發光光通量不大,亮度高的也只能作為一些特殊照明使用。隨著LED芯片技術和封裝技術的發展,順應照明領域對高光通量 LED產品的需求,功率型LED逐步走入市場。這種功率型的LED一般是將發光芯片放在散熱熱沉上,上面裝配光學透鏡以達到一定光學空間分布,透鏡內部填充低應力柔性硅膠。

      功率型LED要真正進入照明領域,實現家庭日常照明,其要解決的問題還有很多,其中最重要的便是發光效率。目前市場上功率型LED報道的最高流 明效率在50lm/W左右,還遠達不到家庭日常照明的要求。為了提高功率型LED發光效率,一方面其發光芯片的效率有待提高;另一方面,功率型LED的封 裝技術也需進一步提高,從結構設計、材料技術及工藝技術等多方面入手,提高產品的封裝取光效率。

  一、影響取光效率的封裝要素

  1.散熱技術

  對于由PN結組成的發光二極管,當正向電流從PN結流過時,PN結有發熱損耗,這些熱量經由粘結膠、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、結構及材料所決定的固定值。設發光二極管的熱阻為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結溫度上升為:

  T(℃)=Rth×PD。

  PN結結溫為:

  TJ=TA+ Rth×PD

  其中TA為環境溫度。由于結溫的上升會使PN結發光復合的幾率下降,發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,發光二極管亮 度將不再繼續隨著電流成比例提高,即顯示出熱飽和現象。另外,隨著結溫的上升,發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色LED來說,藍光波長的漂移,會引起與熒光粉激發波長的失配,從而降低白光LED的整體發光效率,并導致白光色 溫的改變。

  對于功率發光二極管來說,驅動電流一般都為幾百毫安以上,PN結的電流密度非常大,所以PN結的溫升非常明顯。對于封裝和應用來說,如何降低產 品的熱阻,使PN結產生的熱量能盡快的散發出去,不僅可提高產品的飽和電流,提高產品的發光效率,同時也提高了產品的可靠性和壽命。為了降低產品的熱阻, 首先封裝材料的選擇顯得尤為重要,包括熱沉、粘結膠等,各材料的熱阻要低,即要求導熱性能良好。其次結構設計要合理,各材料間的導熱性能連續匹配,材料之 間的導熱連接良好,避免在導熱通道中產生散熱瓶頸,確保熱量從內到外層層散發。同時,要從工藝上確保,熱量按照預先設計的散熱通道及時的散發出去。

  2.填充膠的選擇

  根據折射定律,光線從光密介質入射到光疏介質時,當入射角達到一定值,即大于等于臨界角時,會發生全發射。以GaN藍色芯片來說,GaN材料的折射率是2.3,當光線從晶體內部射向空氣時,根據折射定律,臨界角θ0=sin-1(n2/n1)。

  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≤25.8度這個空間立體角內的光,據報導,目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右,因此,由于芯片晶體的內部吸收,能射出到晶體外 面光線的比例很少。據報導,目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右。同樣,芯片發出的光要透過封裝材料,傳送到空間,也要考慮材料對取光效率的 影響。

  所以,為了提高LED產品封裝的取光效率,必須提高n2的值,即提高封裝材料的折射率,以提高產品的臨界角,從而提高產品的封裝發光效率。同 時,封裝材料對光線的吸收要小。為了提高出射光的比例,封裝的外形最好是拱形或半球形,這樣,光線從封裝材料射向空氣時,幾乎是垂直射到界面,因而不再產 生全反射。

  3.反射處理

  反射處理主要有兩方面,一是芯片內部的反射處理,二是封裝材料對光的反射,通過內、外兩方面的反射處理,來提高從芯片內部射出的光通比例,減少 芯片內部吸收,提高功率LED成品的發光效率。從封裝來說,功率型LED通常是將功率型芯片裝配在帶反射腔的金屬支架或基板上,支架式的反射腔一般是采取 電鍍方式提高反射效果,而基板式的反射腔一般是采用拋光方式,有條件的還會進行電鍍處理,但以上兩種處理方式受模具精度及工藝影響,處理后的反射腔有一定 的反射效果,但并不理想。目前國內制作基板式的反射腔,由于拋光精度不足或金屬鍍層的氧化,反射效果較差,這樣導致很多光線在射到反射區后被吸收,無法按 預期的目標反射至出光面,從而導致最終封裝后的取光效率偏低。

  我們經過多方面的研究和試驗,研制成一種具有自主知識產權的使用有機材料涂層的反射處理工藝,通過這種工藝處理,使得反射到載片腔內的光線吸收 很少,能將大部分射到其上面的光線反射至出光面。這樣處理后的產品取光效率與處理之前相比可提高30%-50%。我們目前1W白光功率LED的光效可達 40-50lm/W(在遠方PMS-50光譜分析測試儀器上測試結果),獲得了很好的封裝效果。

  4.熒光粉選擇與涂覆

  對于白色功率型LED來說,發光效率的提高還與熒光粉的選擇和工藝處理有關。為了提高熒光粉激發藍色芯片的效率,首先熒光粉的選擇要合適,包括 激發波長、顆粒度大小、激發效率等,需全面考核,兼顧各個性能。其次,熒光粉的涂覆要均勻,最好是相對發光芯片各個發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量。

  二、結論

  良好的散熱設計對提高功率型LED產品發光效率有著顯著的作用,同時也是確保產品壽命和可靠性的前提。而設計良好的出光通道,這里 著重指反射腔、填充膠等的結構設計、材料選擇和工藝處理,可以有效提高功率型LED的取光效率。對功率型白光LED來說,熒光粉的選擇和工藝設計,對光斑 的改善和發光效率的提高也至關重要。

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