大功率LED封裝及其光電性能的研究

福州大學(xué)至誠學(xué)院　吳運(yùn)銓

大功率LED封裝及其光電性能的研究

福州大學(xué)至誠學(xué)院吳運(yùn)銓

本文介紹了大功率LED封裝工藝流程，大功率LED在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩(wěn)定性、成品的尺寸等因素。本文介紹了采用ZWL-600光色電綜合測試系統(tǒng)對所封裝的LED進(jìn)行光電性能測試，包含所封裝LED的光譜分析和光電性能參數(shù)測試。測試結(jié)果表明：藍(lán)光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫??；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。紫光的光功率最大，光通量也最大。

大功率LED；光電特性；光譜分析；性能特性；發(fā)光效率

隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，LED在很多方面得到廣泛的應(yīng)用［1］。LED是一種可以直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的固態(tài)半導(dǎo)體器件。用于制備LED半導(dǎo)體芯片的材料很多，例如發(fā)藍(lán)光的GaN芯片、高溫?zé)Y(jié)制成含Ce3+的YAG熒光粉受發(fā)藍(lán)光的GaN芯片激發(fā)后會發(fā)黃光等［2］。經(jīng)過近30年的發(fā)展，現(xiàn)在的大功率LED，能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等顏色的光［3-5］。因此，LED的核心是該固態(tài)半導(dǎo)體器件［6］。本文中介紹的大功率LED均是采用半導(dǎo)體芯片制成的PN結(jié)發(fā)光器件。因此它不僅具有PN結(jié)的所有特性，還具有光強(qiáng)指向特性、發(fā)光峰值波長光譜分布、半波寬度、光通量、發(fā)光效率等特性。本文還介紹了采用光電綜合系統(tǒng)對封裝的LED進(jìn)行光譜分析以及光電性能的測試。

1　大功率LED的封裝流程

大功率LED的封裝看似簡單，但實施起來存在一定的困難。在封裝過程中，不僅要考慮到LED芯片所采取的封裝的形式，還要考慮到其散熱、光衰等問題。這些因素在整個LED制備過程中均得考慮。LED封裝流程如圖1所示。

圖1　大功率LED封裝工藝流程

LED的核心是該固態(tài)半導(dǎo)體器件，根據(jù)發(fā)光波長的不一致，選擇用不同材料制備成的LED晶片。在測試過程需要對比不同波長LED的光電性能特性，因此選取發(fā)光波長為330-630nm材料作為LED封裝的晶片。這些晶片形態(tài)各異，因此得采用不同的支架對其進(jìn)行封裝。在架選擇過程中需要考慮到LED晶片的規(guī)格以及成品LED的外形尺寸。

固晶過程決定了成品LED的熱阻。在選擇過程中要考慮到固晶膠的顆粒以及粘滯力。LED熱阻決定了LED的出光效率。選取了選取了熱阻相對較低的銀膠作為固晶膠。不僅如此，銀膠的導(dǎo)熱性比絕緣膠好。

焊線可以采取機(jī)械焊線的方式，機(jī)械焊線相對于人工焊線具有效率高，準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點。

光驅(qū)透鏡的選擇影響了LED的發(fā)射角。散熱基板的選擇影響了LED的散熱。壓邊的程度影響了LED的使用壽命，驅(qū)動電路的設(shè)計得考慮到每一種材料LED的晶片最大恒流電流以及最大驅(qū)動電壓、影響LED的色穩(wěn)定性。

綜上所述，大功率LED在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩(wěn)定性、成品的尺寸等因素。熱阻影響了LED的出光效率，散熱條件和色穩(wěn)定性影響了LED的使用壽命。不僅如此，大功率LED的封裝還要考慮到集模塊、驅(qū)動電源及LED的使用領(lǐng)域等等。

2　大功率LED的光譜分析

圖2　LED光源光譜圖

采用ZML-600光電綜合測試系統(tǒng)對不同顏色大功率LED進(jìn)行光譜分析。如圖2所示。根據(jù)光譜，可以得出計算出半波寬度、發(fā)光峰值峰值等參數(shù)。

由圖2可知，藍(lán)光LED覆蓋的波長范圍為443.5nm-472.2nm。結(jié)果表明，LED的發(fā)光波長（主波長）范圍比較密集，相互間的峰值波長的間隔小于5nm，LED的光譜相對能量分布比較集中，半波寬度在17nm-25nm之間，光源的單色性好。綠光LED覆蓋的波長范圍為504.2nm-526.4nm。結(jié)果表明，LED的發(fā)光波長（主波長）范圍比較密集，相互間的峰值波長的間隔小于5nm，LED的光譜相對能量分布比較集中半波寬度在35nm-49nm之間。光源的單色性較好。紅橙光LED的光譜相對能量分布比較集中，半波寬度在12nm-18nm之間，光源的單色性最好。

根據(jù)ZWL-600光色電綜合測試系統(tǒng)對所封裝的LED所得到的光譜圖可知，光譜圖包含LED的發(fā)光峰值波長、光譜分布、半波寬度、光通量、發(fā)光效率等特性。測試結(jié)果表明：藍(lán)光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫小；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。綜上所述，由光譜圖可得，半波寬度決定了LED的色純度。半波寬度越小，色純度越高，反之越低。

3　大功率LED的光電參數(shù)的測試

該系統(tǒng)不僅可以描繪出每一路單色LED的光譜，而且還可以得出其中心波長、半波寬度、峰值波長、色溫、光效率、色純度、光通量等重要參數(shù)。表1為采用ZML-600光電綜合測試系統(tǒng)與ZML-600積分球分析系統(tǒng)配套使用測試得出的特征光譜實驗儀的光源電光特性參數(shù)。

表1為采用ZML-600光電綜合測試系統(tǒng)與ZML-600積分球分析系統(tǒng)配套使用測試得出大功率LED的光電特性參數(shù)。

從表格1可以得出，光輻射強(qiáng)度與光通量存在一定的差異性，由于測試系統(tǒng)是根據(jù)人眼的光譜光效率曲線設(shè)計的。人眼的結(jié)構(gòu)與昆蟲結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致二者的光效率曲線也存在一定的差異。上述LED均有其各自的輻射功率，這與LED的波長存在密切的關(guān)系。表中可以得出，藍(lán)光與紅橙光的半波寬度小，在15nm-23nm之間色純度高，綠光的半波寬度在38nm-42nm之間，色純度低。單色綠光的光通量比藍(lán)光和紅橙光較高。

4　結(jié)論

本文選取了不同材料半導(dǎo)體作為LED晶片，并對其進(jìn)行封裝，在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩(wěn)定性、成品的尺寸集模塊、驅(qū)動電源及LED的使用領(lǐng)域等。采用ZWL-600光色電綜合測試系統(tǒng)對大功率LED的光譜進(jìn)行測試大功率LED的發(fā)光峰值波長、光譜分布、半波寬度、光通量、發(fā)光效率等特性。測試結(jié)果表明：藍(lán)光與紅橙光的半波寬度小，在15nm-23nm之間色純度高，綠光的半波寬度在38nm-42nm之間，色純度低。藍(lán)光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫??；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。綠光LED的光通量比藍(lán)光和紅橙光較高。綠光LED的色溫比藍(lán)光和紅橙光較高。

［1］楊國棟，沈培宏.二十一世紀(jì)的光明—白光LED發(fā)展簡析［J］.國際光電產(chǎn)業(yè)資訊，2002（1）.

［2］錢可元，胡飛，吳慧穎 等.大功率白光LED封裝技術(shù)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：118-120.

［3］陳明祥，羅小兵，馬澤濤，劉勝.大功率白光LED封裝設(shè)計與研究進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體光電，2006，27（6）：114-116.

［4］周志敏，紀(jì)愛華.LED照明與工程設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］陳元燈，陳宇編;李元密審校.LED制造技術(shù)與應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2009：107-110.

［6］周志敏，紀(jì)愛華.大功率LED照明技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

吳運(yùn)銓（1987—），男，福建平潭人，碩士，助教，現(xiàn)工作于福州大學(xué)至誠學(xué)院，研究方向：光伏發(fā)電及半導(dǎo)體照明技術(shù)。