白光led大功率led的研究

0led芯片封裝技術(shù)現(xiàn)狀半主導(dǎo)技術(shù)改變了世界，半源照明技術(shù)改變了我們的世界。隨著光電技術(shù)及材料科學(xué)的不斷發(fā)展,在全球石油、煤炭等能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下,半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)因其在節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢,倍受人們的關(guān)注。目前,小功率LED由于其單棵芯片的工作電流為幾十毫安,本身消耗的電功率較小,對封裝材料的光學(xué)性能以及導(dǎo)熱性能的要求不高,其封裝技術(shù)比較成熟,已在亮度要求不高的城市景觀照明、大屏幕顯示、交通信號燈以及LCD背光照明等特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。瓦級大功率LED芯片的工作電流一般在350mA、700mA乃至1A,消耗的電功率在1W以上,這種大功率芯片的封裝對支架、幫定材料及封裝材料的熱學(xué)、力學(xué)以及光學(xué)性能等方面都提出了較高的要求,封裝技術(shù)的好壞也直接影響到LED的流明效率、顯色指數(shù)、色溫、光衰的性能指標(biāo)。目前,LED產(chǎn)業(yè)鏈的上游芯片生產(chǎn)技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步,芯片的熱性能和出光效率等日益提高,產(chǎn)業(yè)鏈中下游的封裝廠因其封裝技術(shù)的不同,生產(chǎn)出的大功率白光LED的產(chǎn)品性能差異較大。本文將對大功率白光LED在芯片的散熱、出光效率的提高、防止光衰、克服熒光粉的沉淀引起的色圈等封裝技術(shù)方面進(jìn)行研究。1芯片封裝熱阻傳統(tǒng)的照明光源因其輻射光譜中含有一定數(shù)量的紅外譜線,電流流過燈絲所產(chǎn)生的熱可以通過紅外輻射的方法散發(fā)出去。LED的發(fā)光機(jī)理卻與普通光源不同,它是靠電子在能帶之間的躍遷而發(fā)光,所發(fā)射的光譜中不含紅外譜線,因此不能輻射芯片內(nèi)部有源層中電子與空穴復(fù)合而產(chǎn)生的熱,被人們稱之為冷光源。然而,目前瓦級大功率LED的發(fā)光效率一般在10%~20%,芯片所消耗電能的80%~90%都要轉(zhuǎn)化為熱量,為了讓大功率LED能夠正常使用并保持較長的使用壽命,芯片的結(jié)溫一般不可超過110oC。因此,解決大功率LED封裝中的散熱問題的尤為重要。本文中研究的大功率白光LED采用了正裝藍(lán)光芯片激發(fā)YAG熒光粉的技術(shù)路線進(jìn)行封裝。該芯片的尺寸為40mil×40mil,用減薄機(jī)磨掉生長GaN的襯底藍(lán)寶石,并在上面共晶了一層銅,在GaN的出光表面上制備了正負(fù)電極,芯片的背面采用美國LORD公司的高導(dǎo)熱銀漿固晶,出光面上采用硅膠封裝,固晶后的LED芯片散熱結(jié)構(gòu)如圖1所示。這樣結(jié)構(gòu)的芯片無法通過對流和輻射的方式進(jìn)行散熱,只能靠傳導(dǎo)的方式來解決散熱問題。散熱主要從芯片的有源發(fā)光層向下通過一定厚度的GaN、銅和固晶用的銀漿再傳導(dǎo)到管座的路徑來進(jìn)行。芯片封裝的總熱阻可表示為:上式中L1,L2,L3,L4分別表示GaN、銅、銀漿和管座的厚度;k1,k2,k3和k4分別表示它們的導(dǎo)熱系數(shù);A為芯片的表面面積。由(1)式可見,對于一定面積的封裝材料,其熱阻隨著材料厚度的增加而增大,隨導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小。表1為幾種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。與其他幾種材料相比,銀漿的導(dǎo)熱系數(shù)比他們小一個數(shù)量級,因此,在涂敷固晶銀漿時應(yīng)盡量涂得薄一些,這樣可有效地減小器件封裝的熱阻。2光效性能研究2.1封裝管座的設(shè)計大功率LED裸芯片所發(fā)出來的光呈余弦發(fā)布。如圖2所示,從芯片側(cè)面發(fā)出的光約占總發(fā)光通量的7%左右。因此,實驗中我們采用了如圖3所示的鋁基板作為封裝管座。鋁基板封裝槽的側(cè)面被加工成與水平方向成45o的反射面,把側(cè)面發(fā)出的這部分光收集起來,可適當(dāng)提高LED發(fā)光效率。2.2吸光度和分光光衰特性與環(huán)氧樹脂相比,有機(jī)硅(聚二甲基硅酮)材料具有優(yōu)異的抗熱性和抗紫外線的性能,而且熒光粉加入其中不會發(fā)生沉淀。本文中采用了GE-東芝公司生產(chǎn)的IVS5332這種高折射率(1.53)有機(jī)硅材料進(jìn)行了封裝實驗,并把采用這兩種封裝材料制成的大功率白光LED進(jìn)行長達(dá)200小時連續(xù)工作的對比試驗,結(jié)果如圖4所示。曲線A,B分別表示采用環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅材料封裝的白光LED的光衰特性。從圖中可以看出,采用環(huán)氧樹脂封裝的LED在連續(xù)200小時工作的情況下,固化了的環(huán)氧樹脂發(fā)生黃變,其光通量衰減30%,由此可見有機(jī)硅材料是一種用于功率型LED的良好封裝材料。3d驅(qū)動集成芯片ocp8120本文中封裝的單管大功率LED的工作電壓要求為直流3.7V,工作電流為350mA,須恒流工作。我們采用美國藍(lán)銳半導(dǎo)體公司的恒流LED驅(qū)動集成芯片OCP8120組成如圖5所示的驅(qū)動電路圖中的CIN為輸入旁路電容器,起到保持輸入電壓和濾除OCP8120的開關(guān)雜散噪聲的作用。DF為續(xù)流快恢復(fù)二極管,當(dāng)開關(guān)斷開時電感L上儲存的電能可以通過DF對LED進(jìn)行放電驅(qū)動。L應(yīng)盡可能大以保證驅(qū)動電流的恒定。選擇適當(dāng)?shù)腞sense值可獲得350mA的恒定驅(qū)動電流。該電路為開關(guān)型驅(qū)動電路,輸入直流電壓為4~40V,可驅(qū)動1~10顆大功率LED。4功率、波長及封裝材料的選擇本文對瓦級大功率白光LED的封裝技術(shù)進(jìn)行了研究,采用1W的藍(lán)光芯片加YAG熒光粉封裝的白光LED,經(jīng)國家電光源檢測中心(上海)測試,在350mA的恒定電流驅(qū)動下,獲得了130.3lm的發(fā)光通量,發(fā)光效率達(dá)108.6lm/W,顯色指數(shù)Ra為91.5,且采用有機(jī)硅材料封裝的大功率LED具有良好的發(fā)光性能。本文中采用的芯片是臺灣晶圓電有限公司的40mil×40mil的大功率LED藍(lán)光芯片,其輸出中心波長為461.09nm,波長范圍為460.1nm~462.2nm,因此采用了激發(fā)波長范圍在460nm~465nm的熒光粉,同