白光led具体图文剖析
白光led具体图文剖析,怎样改进白光LED的封装办法等
为了取得充沛的白光LED光束，从前开发大尺度LED芯片，企图以此办法到达预期方针。实际上在白光LED上施加的电功率继续超越1W以上时光束反而会下降，发光功率则相对下降20%~30%，进步白光LED的输入功率和发光功率有必要战胜的问题有：按捺温升；保证运用寿数；改进发光功率；发光特性平等化。
添加功率会运用白光LED封装的热阻抗下降至10K/W以下，因而国外从前开发耐高温白光LED，企图以此改进温升问题。因大功率白光LED的发热量比小功率白光LED高数十倍以上，即便白光LED的封装答应高热量，但白光LED芯片的答应温度是必定的。按捺温升的具体办法是下降封装的热阻抗。
进步白光LED运用寿数的具体办法是改进芯片外形，选用小型芯片。因白光LED的发光频谱中含有波长低于450nm的短波长光线，传统环氧树脂密封资料极易被短波长光线损坏，高功率白光LED的大光量更加快了密封资料的劣化。改用硅质密封资料与陶瓷封装资料，能使白光LED的运用寿数进步一位数。
改进白光LED的发光功率的具体办法是改进芯片结构与封装结构，到达与低功率白光LED相同的水准，首要原因是电流密度进步2倍以上时，不光不容易从大型芯片取出光线，成果反而会构成发光功率不如低功率白光LED，假如改进芯片的电极结构，理论上就可以处理上述取光问题。
完成发光特性均匀化的具体办法是改进白光LED的封装办法，一般以为只需改进白光LED的荧光体资料浓度均匀性与荧光体的制作技能就可以战胜上述困扰。
削减热阻抗、改进散热问题的具体内容别离是：
① 下降芯片到封装的热阻抗。
② 按捺封装至印制电路基板的热阻抗。
③ 进步芯片的散热顺利性。
为了下降热阻抗，国外许多LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷资料制成的散热鳍片外表，如图1所示，用焊接办法将印制电路板上散热用导线衔接到运用冷却电扇强制空冷的散热鳍片上。德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb 试验成果证明，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以下降9K/W，大约是传统LED的1/6左右。封装后的LED施加2W的电功率时，LED芯片的温度比焊接点高18℃，即便印制电路板的温度上升到500℃，LED芯片的温度也只要700℃左右。热阻抗一旦下降，LED芯片的温度就会遭到印制电路板温度的影响，为此有必要下降LED芯片到焊接点的热阻抗。反过来说，即便白光LED具有按捺热阻抗的结构，假如热量无法从LED封装传导到印制电路板的话，LED温度的上升将使其发光功率下降，因而松下公司开宣布了印制电路板与封装一体化技能，该公司将边长为1mm的正方形蓝光LED以覆芯片化办法封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印制电路板外表，包括印制电路板在内模块全体的热阻抗大约是15K/W。
(a) OSRAM LED的封装办法
(b) CITIZEN LED的封装办法
图1 LED散热结构
针对白光LED的长命化问题，现在LED厂商采纳的对策是改动密封资料，一起将荧光资料涣散在密封资料内，可以更有用地按捺原料劣化与光线穿透率下降的速度。
由于环氧树脂吸收波长为400~450nm 的光线的百分比高达45%，硅质密封资料则低于1%，环氧树脂亮度折半的时刻不到1万小时，硅质密封资料可以延伸到4万小时左右（如图2所示），简直与照明设备的规划寿数相同，这意味着照明设备在运用期间不需替换白光LED。不过硅质密封资料归于高弹性柔软资料，加工上有必要运用不会刮伤硅质密封资料外表的制作技能，此外制程上硅质密封资料极易附着粉屑，因而未来有必要开发可以改进外表特性的技能。
图2 硅质密封资料与环氧树脂对LED光学特性的影响
尽管硅质密封资料可以保证白光LED有4万小时的运用寿数，可是照明设备业界有不同的观念，首要争辩是传统白炽灯与荧光灯的运用寿数被界说成“亮度降至30%以下”，亮度折半时刻为4万小时的白光LED，若换算成亮度降至30%以下的话，大约只剩2万小时。现在有两种延伸组件运用寿数的对策，别离是：
① 按捺白光LED全体的温升。
② 停止运用树脂封装办法。
以上两项对策可以到达亮度降至30%时运用寿数达4万小时的要求。按捺白光LED温升可以选用冷却白光LED封装印制电路板的办法，首要原因是封装树脂在高温状态下，加上强光照耀会快速劣化，按照阿雷纽斯规律，温度下降100℃时寿数会延伸2倍。
停止运用树脂封装可以完全消除劣化要素，由于白光LED发作的光线在封装树脂内反射，假如运用可以改动芯片旁边面光线跋涉方向的树脂原料反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会锐减，这也是选用陶瓷系与金属系封装资料的首要原因。LED封装基板无树脂化结构如图3所示。
图3 LED封装基板无树脂化结构
有两种办法可以改进白光LED芯片的发光功率：一种是运用面积比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；别的一种是运用多个小型高发光功率LED芯片组合成一个单体模块。尽管大型LED芯片可以取得大光束，不过加大芯片面积会有负面影响，例如芯片内发光层不均匀、发光部位遭到限制、芯片内部发作的光线放射到外部时会严峻衰减等。针对以上问题，通过对白光LED的电极结构的改进，选用覆芯片化封装办法，一起整合芯片外表加上技能，现在现已到达50lm/W的发光功率。大型白光LED的封装办法如图4所示。有关芯片全体的发光层平等性，自从呈现梳子状与网格状P型电极这后，使电极也朝最佳化方向开展。
图4 大型LED的封装办法
有关覆芯片化封装办法，由于发光层靠近封装端极易排放热量，加上发光层的光线发射到外部时无电极遮盖的困扰，所以美国Lumileds公司与日本丰田协作现已正式选用覆芯片化封装办法，芯片外表加工可以避免光线从芯片内部朝芯片外部发射时在界面处发作反射，若在光线取出部位的蓝宝石基板上设置凹凸状结构，芯片外部的取光率可以进步30%左右。通过改进的大型LED芯片封装实体可以使芯片旁边面射出的光线朝封装上方的反射板跋涉，高功率取出芯片内部光线的封装巨细是7mm×7mm左右。大型LED的最终封装办法如图5所示。
图5 大型LED的最终封装办法
小型LED芯片的发光功率的进步好像比大型LED芯片模块更有用。例如日本CITIZEN公司组合8个小型LED芯片，到达60lm/W的高发光功率。若运用日亚公司制作的0.3mm×0.3mm 小型LED芯片，一个封装模块最多运用12个这样的芯片，各LED芯片选用传统金线粘合封装办法，施加功率是2W左右。
关于白光LED辉度与色温不均匀问题，在运用上有必要挑选光学特性相似的白光LED。事实上削减白光LED发光特性的不均匀性、使LED芯片发光特性共同化以及施行荧光体资料浓度散布均匀化办理是十分重要的。
有关LED芯片的发光特性，各厂商都在十分积极地进行芯片挑选、发光特性的平等化处理等以削减LED发光特性不均匀问题，如松下电器公司现已过芯片的挑选到达特性共同化的方针。该公司运用覆芯片化办法，将64个LED芯片封装在一片基板上，最终再别离掩盖荧光体。在加工时LED芯片先封装在次基板测验发光特性，接着将发光特性共同的芯片移植封装在主基板上。8个LED芯片封装在一片基板上，即便LED芯片的发光特性不均匀，8个LED芯片算计的发光特性在封装之间的不均匀性会变得十分小。运用多个小型LED芯片的组合进步发光波长均匀性的作用如图6所示。
图6 运用多个小型LED芯片的组合进步发光波长均匀性
白光LED通常是用内含荧光体资料的密封树脂直接包覆LED芯片，此刻密封树脂中荧光体资料的浓度或许呈现误差，最终构成白光LED的色温散布不均匀。因而，可将含荧光体资料的树脂薄片与LED芯片结合，由于薄片厚度与荧光体资料的浓度通过严厉的办理，所以白光LED的色温散布不均程度比传统办法削减了4/5。业界以为运用荧光体薄片办法，合作LED芯片的发光特性，改动荧光体的浓度与薄片的厚度，就可以使白光LED的色温改变控制在预期范围内。
尽管说跟着白光LED发光功率的逐步进步，将白光LED使用在照明范畴的或许性也越来越大，可是很显着地，单只白光LED的光通量均偏低，因而以现在的封装方式是不太或许以单只白光LED来到达照明所需求的流明数。针对这人问题，现在首要的处理办法大致上可分为两类：一类是较传统地将多只LED组成光源模块来运用，而其间每只白光LED所需求的驱动电源与一般运用的相同（为20~30mA）；另一类办法是运用较大面积的芯片，此刻不再运用传统的0.3mm2巨细的芯片，而选用0.6~1mm2巨细的芯片，并运用高驱动电流来驱动这样的发光组件（一般为150~350mA，现在最高到达500mA以上）。但无论是运用何种办法，都会由于有必要在极小的LED封装中处理极高的热量，若组件无法散去这些热量，除了各种封装资料会由于彼此间膨胀系数的不同而有产品牢靠性的问题，芯片的发光功率更会跟着温度的上升而有显着地下降，并构成运用寿数显着地缩短。因而，怎么散去组件中的热量，成为现在白光LED封装技能的重要课题。
关于白光LED而言，最重要的是输出的光通量及光色，所以白光LED的一端必定不能遮光，而需运用高通明作用的环氧树脂资料包覆。可是现在的环氧树脂简直都是不导热资料，因而关于现在的白光LED封装技能而言，首要是运用其白光LED芯片下方的金属脚座散去组件所宣布的热量。就现在的趋势看来，金属脚座资料首要是以高热传导系数的资料为主而组成的，如铝、铜乃至陶瓷资料等，但这些资料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接触摸，很或许由于在温度升高时资料间发作应力而构成牢靠性问题，所以一般都会在资料间加上具有恰当传导系数及膨胀系数的中心资料作为距离。松下电器将公司多只白光LED制成在金属资料与金属系复合资料所制成的多层基板模块上以构成光源模块，运用光源基板的高导热作用，使光源的输出在长时刻运用时仍能保持安稳。Lumileds出产的白光LED基板所运用的资料为具有高传导系数的铜材，再将其衔接至特制的金属电路板，就可以统筹电路导通及添加热传导作用。
大功率白光LED产品的芯片制作技能、封装技能好像现已成为高亮度白光LED的干流技能，可是与大芯片相关的制作技能及封装技能不只是将芯片面积做大，若期望将白光LED使用于高亮度照明范畴，相关技能仍有待进一步研讨。
白光LED使用于一般照明范畴还有许多问题需求处理，首先是白光LED的功率进步，例如GaInN系的绿光、蓝光以及近紫外光LED的功率仍有很大的开发裕度。此外，归纳动力功率的内部量子功率的进步是最重要的项目，内部量子功率由活性层的非发光再结合百分比与发光再结合百分比所决议，因而可以把焦点锁定在非发光再结合这部分，并设法下降结晶缺点。而削减紫外光LED的转位密度的确可以显着进步内部量子功率，未来有必要针对紫外光LED进一步下降它的转位密度。不过这项对策对绿光、蓝光LED并没有显着的影响。
绿光与蓝光LED在低电流密度（约1A/cm2）时具有最大的量子功率，在高电流密度时量子功率反而会下降，如图7所示。从本钱观念考虑时则期望LED可以以高电流密度来驱动，一起尽或许添加组件的输出功率，因而提前解开绿光与蓝光LED高电流密度时量子功率下降的机理与原因，不单是资料物理特性探究上的需求，这项研讨关于未来使用也是具有要害性的人物。现在的研讨显现紫光LED（波长为382nm）即便施加高电流密度（50A/cm2），量子功率也不会下降。
图7 GaInN 系 LED的量子功率与电流密度的联系
传统的白光LED都是将边长为200~350μm的正方形芯片封装成圆头柱外形，之后为了取得照明所需求的光束，再将已封装的多个白光LED组件排列成矩阵状。单纯以高输出功率为意图而特别开宣布的面积比以往芯片大6~10倍，外形尺度高达500μm~1mm的白光LED，尽管封装后可取得数百毫瓦（数十流明）的输出功率，可是加大芯片的外形尺度，反而使白光LED内部的光吸收比率添加、外部取光率下降。就以AlGaInP LED为例，芯片的外形尺度从0.22mm×0.22mm加大为0.50mm×0.50mm后，外部取光率反而下降20%左右。假如改用TIP结构，内部多重反射的成果使得内部光吸收率下降，外部取光率则显着进步。GaInN LED 也有相同的作用。怎么进步LED芯片的外部取光率是LED使用于一般照明范畴的要害。此外，高的热阻抗（150~200K/W）对高亮度输出适当晦气。LED内部量子功率对活性层温度的依存度极大，因而除了低热阻抗封装技能之外，运用散热片扫除活性层的暖流成为往后研制的热门.
