LED封裝的取光效率分析
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，其中重要的便是發(fā)光效率。目前市場(chǎng)上功率型LED報(bào)道的高流 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。

　　一、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， 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，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，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，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。

　　二、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。

二．產(chǎn)品特點(diǎn)　　　　　　　　　　　　　

1.雙組分，半流動(dòng)　　　　　　　　　　　　

2.高溫快速固化　　　　　　　　　　　　　

3.耐高低溫性能好　　　　　　　　　

4.導(dǎo)熱且與基材有良好的自粘接性　　　
　　 ?

三．產(chǎn)品典型用途

1.電子元器件的導(dǎo)熱粘接

2.電源模塊的導(dǎo)熱粘接

3.PTC電子元器件的內(nèi)層粘接

4.金屬基材與非金屬基材粘接
四．產(chǎn)品使用方法

將粘接基材的表面清洗干凈，然后直接將產(chǎn)品按比例，混合后，真空脫泡處理10-20min。取出膠料灌注或涂敷于需粘接處，然后加熱固化即可。

?

五．注意事項(xiàng)

1.實(shí)際的固化時(shí)間與固化溫度、加熱的類型和效率，以及器件的大小、形狀和熱傳導(dǎo)率有較大的關(guān)系。因此，實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行試驗(yàn)，確定適合的固化溫度和固化時(shí)間；

2.本產(chǎn)品硫化前，應(yīng)避免接觸不飽和的碳?xì)湓鏊軇?、助焊劑殘余物，以及含胺、磷、硫、砜、砷、有機(jī)錫等的有機(jī)化合物，否則會(huì)造成硅橡膠硫化不完全或甚至不硫化。因此，使用本產(chǎn)品前，建議首行硅橡膠與基材的相容性試驗(yàn)；

3.本產(chǎn)品未被測(cè)試或陳述適用于醫(yī)用或藥用；

4.本資料數(shù)據(jù)僅供參考．

?

六．清洗

未固化的硅橡膠，可以使用碳?xì)浠衔?，如甲苯?20＃汽油進(jìn)行洗凈，而極性溶劑如酮和醇的化合物是不合適的選擇。

?

七．產(chǎn)品包裝

本產(chǎn)品提供兩種包裝桶規(guī)格：1KG桶裝和5KG桶裝．

?

八．產(chǎn)品貯存及運(yùn)輸

單組分液體硅橡膠屬于非危險(xiǎn)品，可以按照非危險(xiǎn)品運(yùn)輸。

密封保存在陰涼干燥環(huán)境中，有效期為6個(gè)月。



九．安全須知

液體硅橡膠的主要成份，經(jīng)國(guó)內(nèi)外多年的應(yīng)用，證實(shí)屬于基本無(wú)害的產(chǎn)品，毋須特別的安全措施，使用中僅要求采用一般的工業(yè)安全衛(wèi)生保健條例．

本資料不包括所需的產(chǎn)品安全使用信息，使用前應(yīng)先閱讀產(chǎn)品說(shuō)明。如需材料的相關(guān)安全數(shù)據(jù)表可以與我們聯(lián)系并索取。

一種是以特種硅油作基礎(chǔ)油，以新型高導(dǎo)熱陶瓷粉體為填充物，配以多種功能添加劑，經(jīng)特殊的工藝加工而成的白色或灰色的膏狀物。
本產(chǎn)品具備的導(dǎo)熱性、電絕緣性、使用穩(wěn)定性和耐高低溫性能。對(duì)接觸的金屬材料（銅、鋁、鋼等）無(wú)腐蝕，易清理；特的原料和配方了產(chǎn)品中硅油低數(shù)量的溢出和揮發(fā)，無(wú)味，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，是耐熱配件理想的介質(zhì)材料。
典型用途
1. 標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC整流器和DC/AC逆變器
2. 的CPU
3. 任何發(fā)熱半導(dǎo)體和散熱器之間