大功率白光LED封装技术可靠性研究

摘 要:首先介绍了大功率白光LED封装的前景和其主要功能,然后对大功率白光LED封装的关键技术,包括荧光胶封装工艺､外封胶选取､大尺寸晶片封装､可靠性测试与评估方面做了阐述｡并对光斑改善和光通量提高做了一些具体的研究｡

关键词:大功率白光LED;封装工艺可靠性;光斑;光通量

中图分类号:TN312+.8文献标识码:C

Reasearch on Encapsulation Technology Reliability of

High Power White-Light LED

(Ledman Optoelectronic Co., Shenzhen 518108, China)

Abstract: The package prospects and the main function of high power white-light LED are introduced firstly in this paper. And then, the key technology of high power white-light LED package is explained, which including fluorescent coating packaging technology, selecting the sealed silicone, packaging of large-size chip, reliability testing and evaluation. also some detailed researches on meliorating the light spot and improving luminous have been done.

Keywords: High Power White-Light LED; Encapsulation Reliability Technology; light spot; luminous

前 言

全世界已越来越重视节能省电的问题,而LED照明又被视为是下个10年颇受关注的应用,LED要走入普通照明仍有许多问题要克服,主要是由于发光效率太低､成本太高等两大限制,然而此两大限制却皆与大功率白光LED封装技术的发展息息相关｡LED封装的功能主要包括:(1)机械保护,以提高可靠性;(2)加强散热,以降低晶片结温,提高LED性能;(3)光学控制,提高出光效率,优化光束分布;(4)供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等｡为提高大功率LED封装技术的可靠性,究竟可以从哪些方面去努力呢?

1 大功率白光LED封装关键技术

剖析LED封装所需的每一道制程可知,大功率白光LED封装技术可细分成:(1)支架的设计(包括取光与散热);(2)晶片的选择与排列方式;(3)固晶方式;(4)金线线形与粗细;(5)荧光粉种类与涂布结构;(6)Silicone Lens的曲率与折射率｡此六项制程皆对LED的散热性能(热阻值)､光通量(流明)､发光效率､相对色温(CCT)､光色的均匀性､寿命等特性深具影响,因此每一环节皆不可轻忽｡下面将针对荧光粉涂层结构､封装胶体､大尺寸晶片封装作一些研究,并逐一说明其对LED特性影响的关系｡

具体从大功率白光LED封装以下几个关键技术做如下研究和说明:

1.1 荧光胶封装工艺

荧光粉的作用在于光色复合,形成白光｡研究表明随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化从而引起白光LED色温､色度的变化｡较高的温度还会加速荧光粉的老化,原因在于荧光粉涂层是由硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度碎灭和老化,使发光效率降低｡此外,高温下荧光胶的热稳定性也存在问题｡

1.1.1 光斑改善问题

传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与硅胶混合然后点涂在晶片上｡根据白光的发光原理可以知道,如果荧光粉加入的量太多就会造成发出的光偏黄,加入的量太少就会使得发出的光偏蓝｡现选用相对应波段的黄色荧光粉和硅胶,根据荧光粉的发光效率合理配制荧光胶,做出的白光其色坐标是在x=0.333,y=0.333附近,但是封装出的成品光斑是一片蓝,一片白,四周黄｡这是因为荧光粉被蓝光激发的不均匀,也就是说荧光粉的细小颗粒没有被蓝色的光完全激发｡分析具体的原因可能是荧光粉的涂敷厚度和形状未控制好,晶片各个发光面的荧光粉敷盖厚度不均或荧光粉沉淀导致出射光色彩不一致,出现局部光偏蓝或者偏黄｡

为了解决光斑不均匀问题,根据两层透镜的光辐射图样,凸透镜的角度与外封胶形成的透镜角度是相近的,于是我们选取荧光粉在支架面上形成的凸透镜,即荧光胶点凸杯,这样光斑有一定的改善,但效果仍然不是很理想｡

于是引入了扩散剂用以增强蓝光激发荧光粉的效率,增强荧光粉的发光效率｡通过实验,发现扩散剂的确对光斑有了改善,使得发出的光斑均匀一致,但是对LED进行测试的时候,发现其亮度不能达到预期的效果｡

1.1.2光通量提高问题

在烘烤的过程中,不同温度和时间对荧光胶的沉淀有不同的影响,使得荧光粉溶液的浓度分布均匀度有偏差,最后造成白光LED的色温分布不均,使得白光LED的亮度和光斑都不能达到预期效果｡那如何改善荧光粉的沉淀,这是新一步研究的问题｡从三个方面去改善:

(1) 通过生产工艺改善｡即生产过程中,在很短时间里将荧光胶均匀搅拌并脱泡,加快点荧光粉的速度,点好荧光粉的半成品很快进入烘烤,同时依据硅胶特性选定最合适的烘烤温度和时间｡

(2) 加入一种新的物质,使得荧光粉在高温下也能保持很好的均匀混合状态｡于是导入了化工里面的一种可以同时吸附有机物和无机物的表面活性剂,在温度和湿度以及荧光粉溶液都相同的条件下,将其中一瓶加入表面活性剂,并做好标号,将两瓶溶液都搅拌相同的时间至均匀｡将其分别排入晶片上,分时间间隔进行色温测试,通过实验我们得到了如图1所示色温变化图:

70min后加入表面活性剂的溶液比不加活性剂的溶液中荧光粉的沉淀率降低将近14%｡

(3)采用倒装晶片,将荧光粉混合溶液直接涂抹在晶片上｡所用到的溶液胶体不再是硅胶,因为硅胶的流动性较强,如果用传统的硅胶来混合荧光粉,荧光粉溶液就会从晶片表面溢出,所以这里选择可以自动成型的UV胶,将UV胶与普通荧光粉按照一定的比例进行均匀混合调配,将调配好的原料加入点胶机针筒对大功率发光二极管晶片进行点胶涂布,将涂布完成的晶片用紫外灯照射进行固化,完成固化工艺过程｡UV胶固化后对光线无遮挡,透光性极强,紫外光固胶,固化速度快,产能高,同时流明值提高近10%｡

1.2 封胶胶体的研究

在LED使用过程中,电子和空穴复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失｡

根据折射定律,光线从光密介质入射到光疏介质时,当入射角达到一定值,即大于等于临界角时,会发生全发射｡能射出的光只有入射角小于临界角所围成空间立体角内的光,因此其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失｡为了提高LED产品封装的取光效率,必须提高外封胶的折射率,以提高产品的临界角,从而提高产品的封装发光效率｡同时,封装材料对光线的吸收要小｡为了提高出射光的比例,封装的外形采取模塑(molding)半球形,这样,减少了出射界面由于折射率差引起的反射损失,而且光线从封装材料射向空气时,几乎是垂直射到界面,因而不再产生全反射｡

对大功率白光LED 模塑进行灌胶,选取透光率､折射率､耐热性较好的双组份有机硅胶,这种封胶材料不会因为温度的剧变所产生的内应力使金线与引线框架断开,并且全硅胶形成的"透镜"不会黄变｡

1.3 大尺寸晶片封装

目前,在大功率白光LED中,要在照明领域中普及,取代白炽灯,必须提高总的光通量或者说可以利用的光通量｡光通量的增加可以通过提高集成度,加大电流密度､使用大尺寸晶片等措施来实现｡虽然大型LED晶片可以获得大光束,不过加大晶片面积会导致晶片内发光层的电界不均等,发光部位受到局限､晶片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减｡同厂商60mil和45mil晶片,其它封装物料相同,初始光通量60mil晶片比45mil晶片高了5个流明,但1,000h老化衰减大了10%,其成品老化光通量衰减对比如图2所示:

目前大尺寸晶片封装的散热,抗衰减等技术问题仍有待进一步研究｡

1.4 封装可靠性测试与评估

LED器件的失效模式主要包括电失效,如短路或断路､光失效,如高温导致的灌封胶黄化､光学性能劣化等;机械失效,如引线断裂,脱焊等｡而这些因素都与封装结构和工艺有关｡对于主要用于照明用途的大功率LED,其使用寿命一般指LED输出光通量衰减为初始的70%的使用时间,寿命测试通常采取加速环境实验的方法进行可靠性测试与评估,对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题｡

2 结束语

环保议题日益突出,各国政府持续推动节能政策,LED照明市场前景很是乐观｡大功率白光LED封装是一个涉及到光学､热学､机械､电学､力学､材料､半导体等多学科的研究课题｡为了提升LED封装技术的可靠性,须着重LED封装技术的每一环节,从某种角度而言,LED封装不仅是一门制造技术,而且也是一门基础科学｡良好的封装需要对热学､光学､材料和工艺力学等物理本质的理解和应用｡在封装过程中,虽然散热基板,荧光粉,灌封胶等材料选择很重要,但封装结构,如热学界面,光学界面及封装方式对LED光效和可靠性影响也很大｡大功率白光LED封装需要不断的引入新材料,新工艺,新思路来提高其可靠性及在照明领域中的地位｡

雷曼光电愿与各界同仁一起致力于大功率LED的研发,为LED光电事业做出贡献｡

参考文献

[1] 彭万华.国内超高亮与白光LED产业解析[N].中国电子报,2004-03-19.

[2] 王耀明,王德苗,苏达.大功率LED的散热封装[J].江南大学学报,2009.

[3] 陈明详,罗小兵,马泽涛.大功率白光LED封装设计与研究进展[J].液晶与显示,2006,27(6):653-658.

[4] 余心梅.功率型发光二极管涂层技术的研究[D].成都:电子科技大学硕士论文,2007.

[5] Narendran N.Improved performance of white LED [J].Proc. SPIE,2005,5941:1-6.

[6] 刘丽,吴庆,黄先,等.白光LED荧光粉涂敷工艺及发光性质[J].发光学报,2007.

[7] 吴中林,徐华斌,刘传先.大功率白光LED的封装技术研究[J].上海第二工业大学学报,2008.

[8] 高功率LED封装技术的发展现况[N].中国照明网,2009.