不同封裝白光LED衰減特性的研究

2009-11-30 劉菁菁華東師范大學(xué)納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程研究中心

　　本文對GaN基藍(lán)色發(fā)光芯片，激發(fā)YAG黃色熒光粉混光獲得白光的LED（W-LED）的衰減特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。以不同封裝及集成模式制作W-LED 模塊，對比了以傳統(tǒng)封裝的點(diǎn)光源W-LED光源結(jié)構(gòu)和平面封裝的W-LED光源結(jié)構(gòu)的衰減情況。結(jié)果表明LED的封裝結(jié)構(gòu)對其散熱性能有重要影響。與傳統(tǒng)顆粒封裝工藝相比，平面封裝工藝可以大大改善W-LED集成光源模塊的散熱性能，因此可以有效地延長LED光源的使用壽命。

一、引言

　　作為第四代照明光源，GaN基發(fā)光二極管（LED）一經(jīng)問世就受到了廣泛關(guān)注，對比前三代照明光源，即白熾燈、熒光燈和氣體放電燈，LED具有環(huán)保、節(jié)能、顯色指數(shù)高、體積小、壽命長、響應(yīng)速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于汽車、交通燈、電子產(chǎn)品背光源、顯
示屏、景觀照明燈等領(lǐng)域。

　　節(jié)能是LED最大的特點(diǎn)，在我國具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國照明用電約占總電量的12%, 保守估計(jì)2010年我國總發(fā)電量將達(dá)到30000億度，照明用電將達(dá)到約3600億度，如能節(jié)約一半的照明用電就是1800億度，相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站的年發(fā)電量。隨著技術(shù)的發(fā)展，白光LED比白熾燈節(jié)能90%，比熒光燈節(jié)能60%。照明節(jié)能產(chǎn)生了兩方面益處：能源消耗的節(jié)約和二氧化碳?xì)怏w排放的減少。

　　LED照明技術(shù)正處于一個(gè)迅速發(fā)展的階段，發(fā)光效率不斷改善，根據(jù)Haitz定律，每兩年單個(gè)LED封裝器件輸出的光通量將翻一倍。未來LED將成為全球照明的主要光源。利用LED作為光源制造出來的照明器具，在照明領(lǐng)域正吸引著世人的目光。LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，21世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。

　　LED的優(yōu)異性能使其快速地進(jìn)入了照明光源產(chǎn)業(yè)，但由于芯片發(fā)熱而引起的光衰使LED照明應(yīng)用的發(fā)展遇到了瓶頸。盡管很多實(shí)驗(yàn)研究表明LED的壽命可達(dá)十萬小時(shí)以上，但是傳統(tǒng)封裝的LED光衰嚴(yán)重，因此，改變封裝材料及改善封裝結(jié)構(gòu)就成為了解決散熱問題的主要途徑。本文通過長時(shí)間的老化測試，對封裝結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化能否解決LED散熱問題進(jìn)行了研究。

二、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中的白光LED光源模塊采用了兩種不同封裝工藝。一種是采用傳統(tǒng)工藝將YAG熒光粉涂敷在藍(lán)色芯片表面，用環(huán)氧樹脂常規(guī)封裝的W-LED顆粒直徑為5mm,光出射角為60°，W-LED顆粒的剖面如圖1-b所示。分別選擇32顆和52顆光電特性一致的W-LED顆粒，以串聯(lián)的形式集成于具有電路布置的PCB板上形成LED集成光源模塊，如圖1-a所示。通過驅(qū)動電路，使W-LED集成光源模塊發(fā)光工作。正常工作時(shí)，輸入電壓為220V,W-LED的工作電流為15mA，32顆和52顆集成光源實(shí)測功率分別為1W和2W，文中對其簡稱為1W模塊和2W模塊。對1W模塊和2W模塊分別進(jìn)行2000小時(shí)的老化，采用照度儀(TES 1330A)測試其不同階段的照度值，光源測試環(huán)境為37cm*25cm的暗箱。

傳統(tǒng)封裝的W-LED結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 傳統(tǒng)封裝的W-LED結(jié)構(gòu)示意圖：（a）多顆W-LED集成光源模塊示意圖（1.傳統(tǒng)W-LED顆粒 2.PCB板）（b）單顆W-LED結(jié)構(gòu)示意圖（1.芯片 2.熒光粉 3.環(huán)氧樹脂 4.金線5.支架）

　　另一種封裝形式是平面封裝結(jié)構(gòu)，是在鋁基板上制造凹槽結(jié)構(gòu)，將藍(lán)光芯片通過傳統(tǒng)固晶工藝，直接安裝在鋁基板的凹槽結(jié)構(gòu)中，將芯片電極與圖形化的鋁基板電極相連接，最后采用灌膠工藝將熒光粉膠灌覆于串聯(lián)芯片的表面。形成一光滑平面，實(shí)現(xiàn)混光型白光LED平面光源模塊如圖2-a所示，其單元結(jié)構(gòu)如圖2-b所示。采用該封裝工藝配合驅(qū)動電路，通過串并聯(lián)法制造出實(shí)測功率為對8W和17W的新型W-LED平面光源。正常工作時(shí)輸入電壓為220V，8W W-LED平面光源模塊的正常工作電流為120mA，17W W-LED的平面光源模塊的正常工作電流為240mA，單顆W-LED芯片上的工作電流為20mA。分別對8W和17W的W-LED平面光源進(jìn)行2000小時(shí)的老化測試，采用照度計(jì)(TES 1330A)測試其各時(shí)間段照度。測試環(huán)境為暗室，測試儀器與被測光源相距3m。