影(yǐng)響LED封裝中取光效率的原因

    LED被稱為(wèi)第四代照明(míng)光源或綠色光源，具有(yǒu)節能、環保、壽命長、體(tǐ)積小(xiǎo)等特點，廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通(tōng)照明(míng)和(hé)城市夜景等領域。根據使用功能的不同，可(kě)以将其劃分為(wèi)信息顯示、信号燈、車(chē)用燈具、液晶屏背光源、通(tōng)用照明(míng)五大(dà)類。 

 

    常規LED燈存在着亮度不足等缺憾，而導緻普及率不夠。功率型LED燈卻有(yǒu)着亮度足使用壽命長等優勢，但(dàn)是功率型LED卻有(yǒu)着封裝等技(jì)術(shù)困難，下面就簡單分析一下影(yǐng)響功率型LED封裝取光效率的因素。 

 

    影(yǐng)響取光效率的封裝要素 

 

    01、散熱技(jì)術(shù) 

 

    對于由PN結組成的發光二極管，當正向電(diàn)流從PN結流過時(shí)，PN結有(yǒu)發熱損耗，這些(xiē)熱量經由粘結膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空(kōng)氣中，在這個(gè)過程中每一部分材料都有(yǒu)阻止熱流的熱阻抗，也就是熱阻，熱阻是由器(qì)件的尺寸、結構及材料所決定的固定值。 

 

    設發光二極管的熱阻為(wèi)Rth（℃／W），熱耗散功率為(wèi)PD（W），此時(shí)由于電(diàn)流的熱損耗而引起的PN結溫度上(shàng)升為(wèi)： 

 

    T（℃）＝Rth＆TImes；PD 

 

    PN結結溫為(wèi)： 

 

    TJ＝TA＋Rth＆TImes；PD 

 

    其中TA為(wèi)環境溫度。由于結溫的上(shàng)升會(huì)使PN結發光複合的幾率下降，發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(gāo)，發光二極管亮度将不再繼續随着電(diàn)流成比例提高(gāo)，即顯示出熱飽和(hé)現象。另外，随着結溫的上(shàng)升，發光的峰值波長也将向長波方向漂移，約0．2－0．3nm／℃，這對于通(tōng)過由藍(lán)光芯片塗覆YAG熒光粉混合得(de)到的白色LED來(lái)說，藍(lán)光波長的漂移，會(huì)引起與熒光粉激發波長的失配，從而降低(dī)白光LED的整體(tǐ)發光效率，并導緻白光色溫的改變。 

 

    對于功率發光二極管來(lái)說，驅動電(diàn)流一般都為(wèi)幾百毫安以上(shàng)，PN結的電(diàn)流密度非常大(dà)，所以PN結的溫升非常明(míng)顯。對于封裝和(hé)應用來(lái)說，如何降低(dī)産品的熱阻，使PN結産生(shēng)的熱量能盡快的散發出去，不僅可(kě)提高(gāo)産品的飽和(hé)電(diàn)流，提高(gāo)産品的發光效率，同時(shí)也提高(gāo)了産品的可(kě)靠性和(hé)壽命。為(wèi)了降低(dī)産品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得(de)尤為(wèi)重要，包括熱沉、粘結膠等，各材料的熱阻要低(dī)，即要求導熱性能良好。其次結構設計(jì)要合理(lǐ)，各材料間(jiān)的導熱性能連續匹配，材料之間(jiān)的導熱連接良好，避免在導熱通(tōng)道(dào)中産生(shēng)散熱瓶頸，确保熱量從內(nèi)到外層層散發。同時(shí)，要從工藝上(shàng)确保，熱量按照預先設計(jì)的散熱通(tōng)道(dào)及時(shí)的散發出去。 

 

    02、填充膠的選擇 

 

    根據折射定律，光線從光密介質入射到光疏介質時(shí)，當入射角達到一定值，即大(dà)于等于臨界角時(shí)，會(huì)發生(shēng)全發射。以GaN藍(lán)色芯片來(lái)說，GaN材料的折射率是2．3，當光線從晶體(tǐ)內(nèi)部射向空(kōng)氣時(shí)，根據折射定律，臨界角θ0＝sin－1（n2／n1）。 

 

    其中n2等于1，即空(kōng)氣的折射率，n1是GaN的折射率，由此計(jì)算(suàn)得(de)到臨界角θ0約為(wèi)25．8度。在這種情況下，能射出的光隻有(yǒu)入射角≤25．8度這個(gè)空(kōng)間(jiān)立體(tǐ)角內(nèi)的光。據報導，目前GaN芯片的外量子效率在30％－40％左右，因此，由于芯片晶體(tǐ)的內(nèi)部吸收，能射出到晶體(tǐ)外面光線的比例很(hěn)少(shǎo)。據報導，目前GaN芯片的外量子效率在30％－40％左右。同樣，芯片發出的光要透過封裝材料，傳送到空(kōng)間(jiān)，也要考慮材料對取光效率的影(yǐng)響。 

 

    所以，為(wèi)了提高(gāo)LED産品封裝的取光效率，必須提高(gāo)n2的值，即提高(gāo)封裝材料的折射率，以提高(gāo)産品的臨界角，從而提高(gāo)産品的封裝發光效率。同時(shí)，封裝材料對光線的吸收要小(xiǎo)。為(wèi)了提高(gāo)出射光的比例，封裝的外形最好是拱形或半球形，這樣，光線從封裝材料射向空(kōng)氣時(shí)，幾乎是垂直射到界面，因而不再産生(shēng)全反射。 

 

    03、反射處理(lǐ) 

 

    反射處理(lǐ)主要有(yǒu)兩方面，一是芯片內(nèi)部的反射處理(lǐ)，二是封裝材料對光的反射，通(tōng)過內(nèi)、外兩方面的反射處理(lǐ)，來(lái)提高(gāo)從芯片內(nèi)部射出的光通(tōng)比例，減少(shǎo)芯片內(nèi)部吸收，提高(gāo)功率LED成品的發光效率。從封裝來(lái)說，功率型LED通(tōng)常是将功率型芯片裝配在帶反射腔的金屬支架或基闆上(shàng)，支架式的反射腔一般是采取電(diàn)鍍方式提高(gāo)反射效果，而基闆式的反射腔一般是采用抛光方式，有(yǒu)條件的還(hái)會(huì)進行(xíng)電(diàn)鍍處理(lǐ)，但(dàn)以上(shàng)兩種處理(lǐ)方式受模具精度及工藝影(yǐng)響，處理(lǐ)後的反射腔有(yǒu)一定的反射效果，但(dàn)并不理(lǐ)想。目前國內(nèi)制(zhì)作(zuò)基闆式的反射腔，由于抛光精度不足或金屬鍍層的氧化，反射效果較差，這樣導緻很(hěn)多(duō)光線在射到反射區(qū)後被吸收，無法按預期的目标反射至出光面，從而導緻最終封裝後的取光效率偏低(dī)。 

 

    04、熒光粉選擇與塗覆 

 

    對于白色功率型LED來(lái)說，發光效率的提高(gāo)還(hái)與熒光粉的選擇和(hé)工藝處理(lǐ)有(yǒu)關。為(wèi)了提高(gāo)熒光粉激發藍(lán)色芯片的效率，首先熒光粉的選擇要合适，包括激發波長、顆粒度大(dà)小(xiǎo)、激發效率等，需全面考核，兼顧各個(gè)性能。其次，熒光粉的塗覆要均勻，最好是相對發光芯片各個(gè)發光面的膠層厚度均勻，以免因厚度不均造成局部光線無法射出，同時(shí)也可(kě)改善光斑的質量。 

 

    良好的散熱設計(jì)對提高(gāo)功率型LED産品發光效率有(yǒu)着顯着的作(zuò)用，同時(shí)也是确保産品壽命和(hé)可(kě)靠性的前提。而設計(jì)良好的出光通(tōng)道(dào)，這裏着重指反射腔、填充膠等的結構設計(jì)、材料選擇和(hé)工藝處理(lǐ)，可(kě)以有(yǒu)效提高(gāo)功率型LED的取光效率。對功率型白光LED來(lái)說，熒光粉的選擇和(hé)工藝設計(jì)，對光斑的改善和(hé)發光效率的提高(gāo)也至關重要。 

    來(lái)源：慧聰LED屏網

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