不同封裝白光LED衰減特性的研究

2009-11-30 劉菁菁華東師范大學納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心

　　本文對GaN基藍色發光芯片，激發YAG黃色熒光粉混光獲得白光的LED（W-LED）的衰減特性進行了系統研究。以不同封裝及集成模式制作W-LED 模塊，對比了以傳統封裝的點光源W-LED光源結構和平面封裝的W-LED光源結構的衰減情況。結果表明LED的封裝結構對其散熱性能有重要影響。與傳統顆粒封裝工藝相比，平面封裝工藝可以大大改善W-LED集成光源模塊的散熱性能，因此可以有效地延長LED光源的使用壽命。

一、引言

　　作為第四代照明光源，GaN基發光二極管（LED）一經問世就受到了廣泛關注，對比前三代照明光源，即白熾燈、熒光燈和氣體放電燈，LED具有環保、節能、顯色指數高、體積小、壽命長、響應速度快等突出優點，并被廣泛應用于汽車、交通燈、電子產品背光源、顯
示屏、景觀照明燈等領域。

　　節能是LED最大的特點，在我國具有非常重要的現實意義。中國照明用電約占總電量的12%, 保守估計2010年我國總發電量將達到30000億度，照明用電將達到約3600億度，如能節約一半的照明用電就是1800億度，相當于兩個三峽電站的年發電量。隨著技術的發展，白光LED比白熾燈節能90%，比熒光燈節能60%。照明節能產生了兩方面益處：能源消耗的節約和二氧化碳氣體排放的減少。

　　LED照明技術正處于一個迅速發展的階段，發光效率不斷改善，根據Haitz定律，每兩年單個LED封裝器件輸出的光通量將翻一倍。未來LED將成為全球照明的主要光源。利用LED作為光源制造出來的照明器具，在照明領域正吸引著世人的目光。LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，21世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代。

　　LED的優異性能使其快速地進入了照明光源產業，但由于芯片發熱而引起的光衰使LED照明應用的發展遇到了瓶頸。盡管很多實驗研究表明LED的壽命可達十萬小時以上，但是傳統封裝的LED光衰嚴重，因此，改變封裝材料及改善封裝結構就成為了解決散熱問題的主要途徑。本文通過長時間的老化測試，對封裝結構和工藝的優化能否解決LED散熱問題進行了研究。

二、實驗

　　實驗中的白光LED光源模塊采用了兩種不同封裝工藝。一種是采用傳統工藝將YAG熒光粉涂敷在藍色芯片表面，用環氧樹脂常規封裝的W-LED顆粒直徑為5mm,光出射角為60°，W-LED顆粒的剖面如圖1-b所示。分別選擇32顆和52顆光電特性一致的W-LED顆粒，以串聯的形式集成于具有電路布置的PCB板上形成LED集成光源模塊，如圖1-a所示。通過驅動電路，使W-LED集成光源模塊發光工作。正常工作時，輸入電壓為220V,W-LED的工作電流為15mA，32顆和52顆集成光源實測功率分別為1W和2W，文中對其簡稱為1W模塊和2W模塊。對1W模塊和2W模塊分別進行2000小時的老化，采用照度儀(TES 1330A)測試其不同階段的照度值，光源測試環境為37cm*25cm的暗箱。

傳統封裝的W-LED結構示意圖

圖1 傳統封裝的W-LED結構示意圖：（a）多顆W-LED集成光源模塊示意圖（1.傳統W-LED顆粒 2.PCB板）（b）單顆W-LED結構示意圖（1.芯片 2.熒光粉 3.環氧樹脂 4.金線5.支架）

　　另一種封裝形式是平面封裝結構，是在鋁基板上制造凹槽結構，將藍光芯片通過傳統固晶工藝，直接安裝在鋁基板的凹槽結構中，將芯片電極與圖形化的鋁基板電極相連接，最后采用灌膠工藝將熒光粉膠灌覆于串聯芯片的表面。形成一光滑平面，實現混光型白光LED平面光源模塊如圖2-a所示，其單元結構如圖2-b所示。采用該封裝工藝配合驅動電路，通過串并聯法制造出實測功率為對8W和17W的新型W-LED平面光源。正常工作時輸入電壓為220V，8W W-LED平面光源模塊的正常工作電流為120mA，17W W-LED的平面光源模塊的正常工作電流為240mA，單顆W-LED芯片上的工作電流為20mA。分別對8W和17W的W-LED平面光源進行2000小時的老化測試，采用照度計(TES 1330A)測試其各時間段照度。測試環境為暗室，測試儀器與被測光源相距3m。