大功率LED封裝技術了解嗎?這也是大功率LED封裝技術之一?
在這篇文章中,小編將對LED的相關內容和情況加以介紹以幫助大家增進對它的了解程度,和小編一起來閱讀以下內容吧。
一、LED引言
LED是一類可直接將電能轉化為可見光和輻射能的發(fā)光器件,具有工作電壓低,耗電量小,發(fā)光效率高,發(fā)光響應時間極短,光色純,結構牢固,抗沖擊,耐振動,性能穩(wěn)定可靠,重量輕,體積小,成本低等一系列特性,發(fā)展突飛猛進,現(xiàn)已能批量生產整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產品。
在LED產業(yè)鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產,中游的產業(yè)化為LED芯片設計及制造生產,下游歸LED封裝與測試,研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的產業(yè)化必經之路,從某種意義上講是鏈接產業(yè)與市場的紐帶,只有封裝好的才能成為終端產品,才能投入實際應用,才能為顧客提供服務,使產業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣,無縫暢通。 LED封裝的特殊性 LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展與演變而來的,但卻有很大的特殊性。
一般情況下,分立器件的管芯被密封在封裝體內,封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號,保護管芯正常工作,輸出:可見光的功能,既有電參數(shù),又有光參數(shù)的設計及技術要求,無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。 LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯,當注入pn結的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時,就會發(fā)出可見光,紫外光或近紅外光。但pn結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的,即向各個方向發(fā)射有相同的幾率,因此,并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來,這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料,應用要求提高LED的內、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上,管芯的正極通過球形接觸點與金絲,鍵合為內引線與一條管腳相連,負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連,然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。
二、大功率LED封裝技術之高取光率封裝結構與工藝
在LED使用過程中,輻射復合產生的光子在向外發(fā)射時產生的損失,主要包括三個方面:芯片內部結構缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此,很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠),由于該膠層處于芯片和空氣之間,從而有效減少了光子在界面的損失,提高了取光效率。此外,灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護,應力釋放,并作為一種光導結構。因此,要求其透光率高,折射率高,熱穩(wěn)定性好,流動性好,易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性,還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高,折射率大,熱穩(wěn)定性好,應力小,吸濕性低等特點,明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂,在大功率LED封裝中得到廣泛應用,但成本較高。研究表明,提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失,提高外量子效率,但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高,硅膠內部的熱應力加大,導致硅膠的折射率降低,從而影響LED光效和光強分布。
熒光粉的作用在于光色復合,形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉換效率、穩(wěn)定性(熱和化學)等,其中,發(fā)光效率和轉換效率是關鍵。研究表明,隨著溫度上升,熒光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發(fā)生變化,從而引起白光LED色溫、色度的變化,較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調配而成,散熱性能較差,當受到紫光或紫外光的輻射時,易發(fā)生溫度猝滅和老化,使發(fā)光效率降低。此外,高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上,折射率大于或等于1、85,而硅膠折射率一般在1、5左右。由于兩者間折射率的不匹配,以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm),因而在熒光粉顆粒表面存在光散射,降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉,可使折射率提高到1、8以上,降低光散射,提高LED出光效率(10%-20%),并能有效改善光色質量。
傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合,然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制,導致出射光色彩不一致,出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformal coating)技術可實現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆,保障了光色的均勻性。但研究表明,當熒光粉直接涂覆在芯片表面時,由于光散射的存在,出光效率較低。有鑒于此,美國Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method,SPE),通過在芯片表面布置一個聚焦透鏡,并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置,不僅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%)。
總體而言,為提高LED的出光效率和可靠性,封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢,通過將熒光粉內摻或外涂于玻璃表面,不僅提高了熒光粉的均勻度,而且提高了封裝效率。此外,減少LED出光方向的光學界面數(shù),也是提高出光效率的有效措施。
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