LED封裝的取光效率分析

一、引 言

　　常規(guī)LED一般是支架式，采用環(huán)氧樹(shù)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(chǎng)。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(dá)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(jìn)入照明領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)家庭日常照明，其要解決的問(wèn)題還有很多，其中最重要的便是發(fā)光效率。目前市場(chǎng)上功率型LED報(bào)道的最高流 明效率在50lm/W左右，還遠(yuǎn)達(dá)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(jìn)一步提高，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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。

　　二、影響取光效率的封裝要素

　　1.散熱技術(shù)

　　對(duì)于由PN結(jié)組成的發(fā)光二極管，當(dāng)正向電流從PN結(jié)流過(guò)時(shí)，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(gè)過(guò) 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(shí)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(huì)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(huì)下降。同時(shí)，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(zhǎng)也將向長(zhǎng)波方向漂移，約0.2-0.3nm/℃，這對(duì)于通過(guò) 由藍(lán)光芯片涂覆YAG熒光粉混合得到的白色LED來(lái)說(shuō)，藍(lán)光波長(zhǎng)的漂移，會(huì)引起與熒光粉激發(fā)波長(zhǎng)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(duì)于功率發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)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(duì)于封裝和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(shí)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(jì)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(shí)，要從工藝上確保，熱量按照預(yù)先設(shè)計(jì)的散熱通道及時(shí)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(shí)，當(dāng)入射角達(dá)到一定值，即大于等于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全發(fā)射。以GaN藍(lán)色芯片來(lái)說(shuō)，GaN材料的折射率是2.3，當(dāng)光線從晶體內(nèi)部射向空氣時(shí)，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(jì)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(gè)空間立體角內(nèi)的光，據(jù)報(bào)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(bào)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(guò)封裝材料，傳送到空間，也要考慮材料對(duì)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(shí)，封裝材料對(duì)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(shí)，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(duì)光的反射，通過(guò)內(nèi)、外兩方面的反射處理，來(lái)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(lái)說(shuō)，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(huì)進(jìn)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(guó)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(wú)法按 預(yù)期的目標(biāo)反射至出光面，從而導(dǎo)致最終封裝后的取光效率偏低。

　　我們經(jīng)過(guò)多方面的研究和試驗(yàn)，研制成一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的使用有機(jī)材料涂層的反射處理工藝，通過(guò)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(dá) 40-50lm/W(在遠(yuǎn)方PMS-50光譜分析測(cè)試儀器上測(cè)試結(jié)果)，獲得了很好的封裝效果。

　　4.熒光粉選擇與涂覆

　　對(duì)于白色功率型LED來(lái)說(shuō)，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(lán)色芯片的效率，首先熒光粉的選擇要合適，包括 激發(fā)波長(zhǎng)、顆粒度大小、激發(fā)效率等，需全面考核，兼顧各個(gè)性能。其次，熒光粉的涂覆要均勻，最好是相對(duì)發(fā)光芯片各個(gè)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(wú)法射出，同時(shí)也可改善光斑的質(zhì)量。

　　三、結(jié)論

　　良好的散熱設(shè)計(jì)對(duì)提高功率型LED產(chǎn)品發(fā)光效率有著顯著的作用，同時(shí)也是確保產(chǎn)品壽命和可靠性的前提。而設(shè)計(jì)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(jì)、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(duì)功率型白光LED來(lái)說(shuō)，熒光粉的選擇和工藝設(shè)計(jì)，對(duì)光斑 的改善和發(fā)光效率的提高也至關(guān)重要。