不同封装白光LED衰减特性的研究

2009-11-30 刘菁菁 华东师范大学纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心

  本文对GaN基蓝色发光芯片,激发YAG黄色荧光粉混光获得白光的LED(W-LED)的衰减特性进行了系统研究。以不同封装及集成模式制作W-LED 模块,对比了以传统封装的点光源W-LED光源结构和平面封装的W-LED光源结构的衰减情况。结果表明LED的封装结构对其散热性能有重要影响。与传统颗粒封装工艺相比,平面封装工艺可以大大改善W-LED集成光源模块的散热性能,因此可以有效地延长LED光源的使用寿命。

一、引言

  作为第四代照明光源,GaN基发光二极管(LED)一经问世就受到了广泛关注,对比前三代照明光源,即白炽灯、荧光灯和气体放电灯,LED具有环保、节能、显色指数高、体积小、寿命长、响应速度快等突出优点,并被广泛应用于汽车、交通灯、电子产品背光源、显
示屏、景观照明灯等领域。

  节能是LED最大的特点,在我国具有非常重要的现实意义。中国照明用电约占总电量的12%, 保守估计2010年我国总发电量将达到30000亿度,照明用电将达到约3600亿度,如能节约一半的照明用电就是1800亿度,相当于两个三峡电站的年发电量。随着技术的发展,白光LED比白炽灯节能90%,比荧光灯节能60%。照明节能产生了两方面益处:能源消耗的节约和二氧化碳气体排放的减少。

  LED照明技术正处于一个迅速发展的阶段,发光效率不断改善,根据Haitz定律,每两年单个LED封装器件输出的光通量将翻一倍。未来LED将成为全球照明的主要光源。 利用LED作为光源制造出来的照明器具,在照明领域正吸引着世人的目光。LED作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势,21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

  LED的优异性能使其快速地进入了照明光源产业,但由于芯片发热而引起的光衰使LED照明应用的发展遇到了瓶颈。尽管很多实验研究表明LED的寿命可达十万小时以上,但是传统封装的LED光衰严重,因此,改变封装材料及改善封装结构就成为了解决散热问题的主要途径。本文通过长时间的老化测试,对封装结构和工艺的优化能否解决LED散热问题进行了研究。

二、实验

  实验中的白光LED光源模块采用了两种不同封装工艺。一种是采用传统工艺将YAG荧光粉涂敷在蓝色芯片表面,用环氧树脂常规封装的W-LED颗粒直径为5mm,光出射角为60°,W-LED颗粒的剖面如图1-b所示。分别选择32颗和52颗光电特性一致的W-LED颗粒,以串联的形式集成于具有电路布置的PCB板上形成LED集成光源模块,如图1-a所示。通过驱动电路,使W-LED集成光源模块发光工作。正常工作时,输入电压为220V,W-LED的工作电流为15mA,32颗和52颗集成光源实测功率分别为1W和2W,文中对其简称为1W模块和2W模块。对1W模块和2W模块分别进行2000小时的老化,采用照度仪(TES 1330A)测试其不同阶段的照度值,光源测试环境为37cm*25cm的暗箱。


传统封装的W-LED结构示意图

图1 传统封装的W-LED结构示意图:(a)多颗W-LED集成光源模块示意图(1.传统W-LED颗粒 2.PCB板) (b)单颗W-LED结构示意图(1.芯片 2.荧光粉 3.环氧树脂 4.金线5.支架)

  另一种封装形式是平面封装结构,是在铝基板上制造凹槽结构,将蓝光芯片通过传统固晶工艺,直接安装在铝基板的凹槽结构中,将芯片电极与图形化的铝基板电极相连接,最后采用灌胶工艺将荧光粉胶灌覆于串联芯片的表面。形成一光滑平面,实现混光型白光LED平面光源模块如图2-a所示,其单元结构如图2-b所示。采用该封装工艺配合驱动电路,通过串并联法制造出实测功率为对8W和17W的新型W-LED平面光源。正常工作时输入电压为220V,8W W-LED平面光源模块的正常工作电流为120mA,17W W-LED的平面光源模块的正常工作电流为240mA,单颗W-LED芯片上的工作电流为20mA。分别对8W和17W的W-LED平面光源进行2000小时的老化测试,采用照度计(TES 1330A)测试其各时间段照度。测试环境为暗室,测试仪器与被测光源相距3m。

图2 平面封装W-LED单元结构示意图::(a). W-LED平面光源模块结构示意图(1.荧光粉 2.铝基板) (b)W-LED平面光源单元结构示意图(1.芯片 2.电极 3.荧光粉 4.绝缘层 4.铝基板 6.金线)