LED器件點膠和噴涂工藝膠面溫度研究

杜元寶,張耀華,蔡曉寧,劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315000；2.中國科學院大學， 北京 100049)

引言

白光LED目前主流的封裝方式是由LED藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉和紅色熒光粉來實現(xiàn)，借助封裝硅膠最終通過點膠的方式覆蓋在LED藍光芯片上，激發(fā)而混合成為白光LED器件，這種點膠工藝最大的技術(shù)問題是在LED芯片激發(fā)熒光粉的時候，熒光粉輻射出的巨大熱量被牢牢束縛在硅膠層中，致使發(fā)光區(qū)域膠體表面溫度非常高。由于硅膠導(dǎo)熱性差，而且一般的封裝硅膠材料難以承受這么高的溫度，另外由于照明應(yīng)用端燈具散熱結(jié)構(gòu)不合理等原因可能導(dǎo)致器件發(fā)光區(qū)域膠體表面存在持續(xù)高溫，因此在照明的應(yīng)用端經(jīng)常會出現(xiàn)硅膠開裂、死燈等問題。

本文采用熒光粉噴涂工藝應(yīng)用于白光LED器件，將熒光粉和硅膠相分離，熒光粉均勻涂覆在LED芯片上，厚度在100μm左右，研究是否可以降低LED器件膠體表面的溫度，改善LED器件內(nèi)部溫度分布，降低LED芯片的結(jié)溫，提升器件的耐溫性能，避免照明應(yīng)用端出現(xiàn)硅膠開裂、死燈等問題，提升LED器件的可靠性[1-3]。

1 實驗材料和實驗方法

實驗選用采用28 mm×28 mm大小，德國安鋁1700AG-HPSP材質(zhì)鋁材和BT壓合而成的鏡面鋁基板，發(fā)光面直徑為22 mm，25 mil×36 mil LED藍光芯片，芯片電壓3～3.1V,芯片波長455～457.5 nm，Po>240 mW，器件內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)為18并18串，色溫為2 700 K，顯色指數(shù)Ra>80。采用熱電偶進行膠體表面溫度的測試，熱電偶的探頭位于發(fā)光區(qū)域膠面的中心，由于COB集成光源器件發(fā)光區(qū)域中心點溫度最高，以中心點為中心向外溫度逐步降低，因此實驗僅僅測試發(fā)光區(qū)域中心點即可，不用對324顆芯片逐一進行溫度測試。整個實驗在一個大小為30 cm×30 cm×10 cm的散熱器上進行，散熱器上面的兩個探針可以為LED器件供電，同時可以測量LED器件兩端的電壓值并反饋相連的電腦上。膠面溫度測試裝置見圖1、圖2。

圖1 膠面溫度測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of glue surface temperature testing device

圖2 膠面溫度測試裝置實物圖Fig.2 Physical drawing of rubber surface temperature testing device

由于LED器件發(fā)光時候，膠體表面的溫度是由兩部分組成，一部分是LED芯片激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的熱量，另一部分是光輻射產(chǎn)生的熱量，本實現(xiàn)目的是研究點膠工藝和熒光粉噴涂工藝兩種封裝工藝膠體表面的溫度變化，兩種工藝都存在光輻射的熱量，因此條件相同，不影響本文的研究，不做具體的區(qū)分。實驗在室溫環(huán)境Ta=25 ℃環(huán)境下進行，將LED器件的樣品放置在散熱器上，器件背部均勻涂抹一層導(dǎo)熱硅脂以便更好的將LED器件產(chǎn)生的熱量傳到下面的散熱器上，輸入器件的電流從100～1 000 mA。接下來準備好用于實驗的LED樣品，兩種工藝的樣品結(jié)構(gòu)如圖3～圖6所示。最后將兩種封裝的樣品在不同的輸入電流100～1 000 mA下進行測試，每個輸入電流測試時要熱平衡以后，確保膠面溫度已經(jīng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的溫度值[4-7]。圖7是熒光粉噴涂工藝裝置示意圖，圖8為熒光粉噴涂后芯片表面熒光粉的噴涂效果。

圖3 目前主流的點膠工藝產(chǎn)品Fig.3 The current mainstream dispensing process products

圖4 點膠工藝實物產(chǎn)品Fig.4 Physical product of dispensing process

圖5 熒光粉沉降工藝產(chǎn)品Fig.5 Phosphor settling process products

圖6 熒光粉沉降工藝實物產(chǎn)品Fig.6 Phosphor deposition process physical products

圖7 熒光粉噴涂工藝Fig.7 Phosphor powder spraying process

圖8 熒光粉噴涂效果Fig.8 Phosphor powder spraying effect

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電流下兩種工藝電壓變化分析

從圖9中可以看出，隨著輸入電流的增大，LED器件兩端的電壓線性增大，功率也線性增加，如圖10所示，這說明LED器件兩端的電壓和封膠的工藝無關(guān)[8-10]。

圖9 電壓和電流關(guān)系Fig.9 The relationship between between voltage and current

圖10 電流和功率關(guān)系Fig.10 The relationship between current and power

2.2 不同電流下兩種工藝膠面溫度變化分析

由于電流和電壓都是線性增加，為此我們就把問題轉(zhuǎn)化成不同功率下，兩種封裝工藝膠面溫度的對比分析。從圖11、圖12中可以看出，噴涂工藝的LED器件產(chǎn)品在30 W內(nèi)比點膠工藝發(fā)光區(qū)域膠面溫度低30 ℃左右，同時隨著LED器件功率的不斷增大，兩種工藝膠面溫度的差值會越來越大，噴涂工藝的優(yōu)勢會更加明顯。

圖11 功率和發(fā)光表面溫度Fig.11 Power and luminous surface temperature

圖12 電流和發(fā)光表面溫度Fig.12 Current and luminescent surface temperature

為了使實驗的結(jié)果更具有參考意義，適用于任何尺寸的發(fā)光面和基板上設(shè)計，我們可以計算出兩種封膠工藝的溫差隨功率密度的變化情況，這樣更具有針對性和參考價值。如圖13所示，產(chǎn)品在一定的功率密度范圍內(nèi)，溫差值基本穩(wěn)定在30 ℃左右，功率密度繼續(xù)升高時，溫差值會迅速升高，但是當功率密度達到一定的數(shù)值時，溫差值基本趨勢飽和，功率密度繼續(xù)升高，此時溫度已經(jīng)超過硅膠承受極限，硅膠會碳化發(fā)黑[11-14]。

圖13 功率密度與發(fā)光表面溫度Fig.13 Power density and luminescent surface temperature

3 結(jié)論

本文采用熒光粉噴涂工藝將熒光粉和硅膠相分離，研究了采用熒光粉噴涂工藝和點膠工藝的白光LED器件，在不同的輸入電流下發(fā)光面膠體表面溫度的變化情況，得到如下結(jié)果。

1)隨著輸入電流的增加，點膠工藝和噴涂工藝對LED器件的電壓也隨著增加，不受封裝工藝的影響。

2)LED器件30 W內(nèi)噴涂工藝的膠面溫度比點膠工藝的膠面溫度低30 ℃左右，同時隨著功率的增加，溫度差異會進一步的增大，熒光粉噴涂工藝更適合30 W以上高功率密度的LED器件產(chǎn)品使用。

3)噴涂工藝的LED器件產(chǎn)品，可以有效地降低器件膠面溫度，降低LED結(jié)溫，降低器件的熱阻，提高產(chǎn)品的可靠性。