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首頁 > LED發光二極管的取光效率分析
發布時間：2021-10-20 文章出自：http://m.sdbc.cc/
常規LED燈珠一般是支架式，采用環氧樹脂封裝，功率較小，整體發光光通量不大，亮度高的也只能作為一些特殊照明使用。隨著LED芯片技術和封裝技術的發展，順應照明領域對高光通量 LED燈珠產品的需求，功率型LED逐步走入市場。這種功率型的LED一般是將發光芯片放在散熱熱沉上，上面裝配光學透鏡以達到一定光學空間分布，透鏡內部填充低應力柔性硅膠。
功率型LED要真正進入照明領域，實現家庭日常照明，其要解決的問題還有很多，其中最重要的便是發光效率。目前市場上功率型LED報道的最高流 明效率在50lm/W左右，還遠達不到家庭日常照明的要求。為了提高功率型LED發光效率，一方面其發光芯片的效率有待提高;另一方面，功率型LED的封 裝技術也需進一步提高，從結構設計、材料技術及工藝技術等多方面入手，提高產品的封裝取光效率。
一、影響取光效率的封裝要素
1.散熱技術
對于由PN結組成的發光二極管，當正向電流從PN結流過時，PN結有發熱損耗，這些熱量經由粘結膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空氣中，在這個過 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、結構及材料所決定的固定值。設發光二極管的熱阻為Rth(℃/W)，熱耗散功率 為PD(W)，此時由于電流的熱損耗而引起的PN結溫度上升為：T(℃)=Rth×PD。PN結結溫為：TJ=TA+ Rth×PD
其中TA為環境溫度。由于結溫的上升會使PN結發光復合的幾率下降，發光二極管的亮度就會下降。同時，由于熱損耗引起的溫升增高，發光二極管亮 度將不再繼續隨著電流成比例提高，即顯示出熱飽和現象。另外，隨著結溫的上升，發光的峰值波長也將向長波方向漂移，約0.2-0.3nm/℃，這對于通過 由藍光芯片涂覆YAG熒光粉混合得到的白色LED來說，藍光波長的漂移，會引起與熒光粉激發波長的失配，從而降低白光LED的整體發光效率，并導致白光色 溫的改變。
對于功率發光二極管來說，驅動電流一般都為幾百毫安以上，PN結的電流密度非常大，所以PN結的溫升非常明顯。對于封裝和應用來說，如何降低產 品的熱阻，使PN結產生的熱量能盡快的散發出去，不僅可提高產品的飽和電流，提高產品的發光效率，同時也提高了產品的可靠性和壽命。為了降低產品的熱阻， 首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括熱沉、粘結膠等，各材料的熱阻要低，即要求導熱性能良好。其次結構設計要合理，各材料間的導熱性能連續匹配，材料之 間的導熱連接良好，避免在導熱通道中產生散熱瓶頸，確保熱量從內到外層層散發。同時，要從工藝上確保，熱量按照預先設計的散熱通道及時的散發出去。
2.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，當入射角達到一定值，即大于等于臨界角時，會發生全發射。以GaN藍色芯片來說，GaN材料的折射率是2.3，當光線從晶體內部射向空氣時，根據折射定律，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度這個空間立體角內的光，據報導，目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右，因此，由于芯片晶體的內部吸收，能射出到晶體外 面光線的比例很少。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，傳送到空間，也要考慮材料對取光效率的 影響。
所以，為了提高LED產品封裝的取光效率，必須提高n2的值，即提高封裝材料的折射率，以提高產品的臨界角，從而提高產品的封裝發光效率。同 時，封裝材料對光線的吸收要小。為了提高出射光的比例，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氣時，幾乎是垂直射到界面，因而不再產 生全反射。
3.反射處理
反射處理主要有兩方面，一是芯片內部的反射處理，二是封裝材料對光的反射，通過內、外兩方面的反射處理，來提高從芯片內部射出的光通比例，減少 芯片內部吸收，提高功率LED成品的發光效率。從封裝來說，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，有條件的還會進行電鍍處理，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。目前國內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，這樣導致很多光線在射到反射區后被吸收，無法按 預期的目標反射至出光面，從而導致最終封裝后的取光效率偏低。
我們經過多方面的研究和試驗，研制成一種具有自主知識產權的使用有機材料涂層的反射處理工藝，通過這種工藝處理，使得反射到載片腔內的光線吸收 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 40-50lm/W(在遠方PMS-50光譜分析測試儀器上測試結果)，獲得了很好的封裝效果。
4.熒光粉選擇與涂覆
對于白色功率型LED來說，發光效率的提高還與熒光粉的選擇和工藝處理有關。為了提高熒光粉激發藍色芯片的效率，首先熒光粉的選擇要合適，包括 激發波長、顆粒度大小、激發效率等，需全面考核，兼顧各個性能。其次，熒光粉的涂覆要均勻，最好是相對發光芯片各個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，同時也可改善光斑的質量。
功率型LED要真正進入照明領域，實現家庭日常照明，其要解決的問題還有很多，其中最重要的便是發光效率。目前市場上功率型LED報道的最高流 明效率在50lm/W左右，還遠達不到家庭日常照明的要求。為了提高功率型LED發光效率，一方面其發光芯片的效率有待提高;另一方面，功率型LED的封 裝技術也需進一步提高，從結構設計、材料技術及工藝技術等多方面入手，提高產品的封裝取光效率。
一、影響取光效率的封裝要素
1.散熱技術
對于由PN結組成的發光二極管，當正向電流從PN結流過時，PN結有發熱損耗，這些熱量經由粘結膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空氣中，在這個過 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、結構及材料所決定的固定值。設發光二極管的熱阻為Rth(℃/W)，熱耗散功率 為PD(W)，此時由于電流的熱損耗而引起的PN結溫度上升為：T(℃)=Rth×PD。PN結結溫為：TJ=TA+ Rth×PD
其中TA為環境溫度。由于結溫的上升會使PN結發光復合的幾率下降，發光二極管的亮度就會下降。同時，由于熱損耗引起的溫升增高，發光二極管亮 度將不再繼續隨著電流成比例提高，即顯示出熱飽和現象。另外，隨著結溫的上升，發光的峰值波長也將向長波方向漂移，約0.2-0.3nm/℃，這對于通過 由藍光芯片涂覆YAG熒光粉混合得到的白色LED來說，藍光波長的漂移，會引起與熒光粉激發波長的失配，從而降低白光LED的整體發光效率，并導致白光色 溫的改變。
對于功率發光二極管來說，驅動電流一般都為幾百毫安以上，PN結的電流密度非常大，所以PN結的溫升非常明顯。對于封裝和應用來說，如何降低產 品的熱阻，使PN結產生的熱量能盡快的散發出去，不僅可提高產品的飽和電流，提高產品的發光效率，同時也提高了產品的可靠性和壽命。為了降低產品的熱阻， 首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括熱沉、粘結膠等，各材料的熱阻要低，即要求導熱性能良好。其次結構設計要合理，各材料間的導熱性能連續匹配，材料之 間的導熱連接良好，避免在導熱通道中產生散熱瓶頸，確保熱量從內到外層層散發。同時，要從工藝上確保，熱量按照預先設計的散熱通道及時的散發出去。
2.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，當入射角達到一定值，即大于等于臨界角時，會發生全發射。以GaN藍色芯片來說，GaN材料的折射率是2.3，當光線從晶體內部射向空氣時，根據折射定律，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度這個空間立體角內的光，據報導，目前GaN芯片的外量子效率在30%-40%左右，因此，由于芯片晶體的內部吸收，能射出到晶體外 面光線的比例很少。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，傳送到空間，也要考慮材料對取光效率的 影響。
所以，為了提高LED產品封裝的取光效率，必須提高n2的值，即提高封裝材料的折射率，以提高產品的臨界角，從而提高產品的封裝發光效率。同 時，封裝材料對光線的吸收要小。為了提高出射光的比例，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氣時，幾乎是垂直射到界面，因而不再產 生全反射。
3.反射處理
反射處理主要有兩方面，一是芯片內部的反射處理，二是封裝材料對光的反射，通過內、外兩方面的反射處理，來提高從芯片內部射出的光通比例，減少 芯片內部吸收，提高功率LED成品的發光效率。從封裝來說，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，有條件的還會進行電鍍處理，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。目前國內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，這樣導致很多光線在射到反射區后被吸收，無法按 預期的目標反射至出光面，從而導致最終封裝后的取光效率偏低。
我們經過多方面的研究和試驗，研制成一種具有自主知識產權的使用有機材料涂層的反射處理工藝，通過這種工藝處理，使得反射到載片腔內的光線吸收 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 40-50lm/W(在遠方PMS-50光譜分析測試儀器上測試結果)，獲得了很好的封裝效果。
4.熒光粉選擇與涂覆
對于白色功率型LED來說，發光效率的提高還與熒光粉的選擇和工藝處理有關。為了提高熒光粉激發藍色芯片的效率，首先熒光粉的選擇要合適，包括 激發波長、顆粒度大小、激發效率等，需全面考核，兼顧各個性能。其次，熒光粉的涂覆要均勻，最好是相對發光芯片各個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，同時也可改善光斑的質量。
