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廣東勤美照明科技有限公司

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大功率LED封裝取光效率分析

2017-09-01

常規(guī)LED一般是支架式,采用環(huán)氧樹脂封裝,功率較小,整體發(fā)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(shù)和封裝技術(shù)的發(fā)展,順應(yīng)照明領(lǐng)域?qū)Ω吖馔?LED產(chǎn)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(fā)光芯片放在散熱熱沉上,上面裝配光學(xué)透鏡以達到一定光學(xué)空間分布,透鏡內(nèi)部填充低應(yīng)力柔性硅膠。

  功率型LED要真正進入照明領(lǐng)域,實現(xiàn)家庭日常照明,其要解決的問題還有很多,其中Z重要的便是發(fā)光效率。目前市場上功率型LED報道的Z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(fā)光效率,一方面其發(fā)光芯片的效率有待提高;另一方面,功率型LED的封 裝技術(shù)也需進一步提高,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料技術(shù)及工藝技術(shù)等多方面入手,提高產(chǎn)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(shù)

  對于由PN結(jié)組成的發(fā)光二極管,當正向電流從PN結(jié)流過時,PN結(jié)有發(fā)熱損耗,這些熱量經(jīng)由粘結(jié)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(jié)構(gòu)及材料所決定的固定值。設(shè)發(fā)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(jié)溫度上升為:

  T(℃)=Rth×PD。

  PN結(jié)結(jié)溫為:

  TJ=TA+ Rth×PD

  其中TA為環(huán)境溫度。由于結(jié)溫的上升會使PN結(jié)發(fā)光復(fù)合的幾率下降,發(fā)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(fā)光二極管亮 度將不再繼續(xù)隨著電流成比例提高,即顯示出熱飽和現(xiàn)象。另外,隨著結(jié)溫的上升,發(fā)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(fā)波長的失配,從而降低白光LED的整體發(fā)光效率,并導(dǎo)致白光色 溫的改變。

  對于功率發(fā)光二極管來說,驅(qū)動電流一般都為幾百毫安以上,PN結(jié)的電流密度非常大,所以PN結(jié)的溫升非常明顯。對于封裝和應(yīng)用來說,如何降低產(chǎn) 品的熱阻,使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去,不僅可提高產(chǎn)品的飽和電流,提高產(chǎn)品的發(fā)光效率,同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。為了降低產(chǎn)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(jié)膠等,各材料的熱阻要低,即要求導(dǎo)熱性能良好。其次結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理,各材料間的導(dǎo)熱性能連續(xù)匹配,材料之 間的導(dǎo)熱連接良好,避免在導(dǎo)熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸,確保熱量從內(nèi)到外層層散發(fā)。同時,要從工藝上確保,熱量按照預(yù)先設(shè)計的散熱通道及時的散發(fā)出去。

  2.填充膠的選擇

  根據(jù)折射定律,光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時,當入射角達到一定值,即大于等于臨界角時,會發(fā)生全發(fā)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(nèi)部射向空氣時,根據(jù)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(nèi)的光,據(jù)報導(dǎo),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(nèi)部吸收,能射出到晶體外 面光線的比例很少。據(jù)報導(dǎo),目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右。同樣,芯片發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品的臨界角,從而提高產(chǎn)品的封裝發(fā)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Z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(chǎn) 生全反射。

  3.反射處理

  反射處理主要有兩方面,一是芯片內(nèi)部的反射處理,二是封裝材料對光的反射,通過內(nèi)、外兩方面的反射處理,來提高從芯片內(nèi)部射出的光通比例,減少 芯片內(nèi)部吸收,提高功率LED成品的發(fā)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(nèi)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(dǎo)致很多光線在射到反射區(qū)后被吸收,無法按 預(yù)期的目標反射至出光面,從而導(dǎo)致Z終封裝后的取光效率偏低。

  我們經(jīng)過多方面的研究和試驗,研制成一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(nèi)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(chǎn)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(jié)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(fā)光效率的提高還與熒光粉的選擇和工藝處理有關(guān)。為了提高熒光粉激發(fā)藍色芯片的效率,首先熒光粉的選擇要合適,包括 激發(fā)波長、顆粒度大小、激發(fā)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,Z好是相對發(fā)光芯片各個發(fā)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(zhì)量。

  二、結(jié)論

  良好的散熱設(shè)計對提高功率型LED產(chǎn)品發(fā)光效率有著顯著的作用,同時也是確保產(chǎn)品壽命和可靠性的前提。而設(shè)計良好的出光通道,這里 著重指反射腔、填充膠等的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計,對光斑 的改善和發(fā)光效率的提高也至關(guān)重要。


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