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。這種功率型的LED一般是將發(fā)光芯片放在散熱熱沉上，上面裝配光學透鏡以達到一定光學空間分布，透鏡內(nèi)部填充低應力柔性硅膠。
功率型LED要真正進入照明領(lǐng)域，實現(xiàn)家庭日常照明，其要解決的問題還有很多，其中重要的便是發(fā)光效率。目前市場上功率型LED報道的高流 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(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)也需進一步提高，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)
對于由PN結(jié)組成的發(fā)光二極管，當正向電流從PN結(jié)流過時，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(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)溫的上升會使PN結(jié)發(fā)光復合的幾率下降，發(fā)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(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(fā)波長的失配，從而降低白光LED的整體發(fā)光效率，并導致白光色 溫的改變。
對于功率發(fā)光二極管來說，驅(qū)動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。對于封裝和應用來說，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，即要求導熱性能良好。其次結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，各材料間的導熱性能連續(xù)匹配，材料之 間的導熱連接良好，避免在導熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸，確保熱量從內(nèi)到外層層散發(fā)。同時，要從工藝上確保，熱量按照預先設(shè)計的散熱通道及時的散發(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，當入射角達到一定值，即大于等于臨界角時，會發(fā)生全發(fā)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(nèi)部射向空氣時，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(nèi)的光，據(jù)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(nèi)部吸收，能射出到晶體外 面光線的比例很少。據(jù)報導，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(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，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(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，二是封裝材料對光的反射，通過內(nèi)、外兩方面的反射處理，來提高從芯片內(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(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，這樣導致很多光線在射到反射區(qū)后被吸收，無法按 預期的目標反射至出光面，從而導致終封裝后的取光效率偏低。
我們經(jīng)過多方面的研究和試驗，研制成一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(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 40-50lm/W(在遠方PMS-50光譜分析測試儀器上測試結(jié)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(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)藍色芯片的效率，熒光粉的選擇要合適，包括 激發(fā)波長、顆粒度大小、激發(fā)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，好是相對發(fā)光芯片各個發(fā)光面的膠層厚度均勻，以免因厚度不均 造成局部光線無法射出，同時也可改善光斑的質(zhì)量。
二、結(jié)論
良好的散熱設(shè)計對提高功率型LED產(chǎn)品發(fā)光效率有著顯著的作用，同時也是確保產(chǎn)品壽命和可靠性的前提。而設(shè)計良好的出光通道，這里 著重指反射腔、填充膠等的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和工藝處理，可以有效提高功率型LED的取光效率。對功率型白光LED來說，熒光粉的選擇和工藝設(shè)計，對光斑 的改善和發(fā)光效率的提高也至關(guān)重要。
有機硅灌封膠優(yōu)勢：
1、絕緣性：灌封膠不僅能夠絕緣阻燃，還可以抗震防塵，也很適合在戶外使用。
2、導熱性：由于有機硅灌封膠使用了導熱性很好的材質(zhì)制作而成，導熱系數(shù)達到了0.8W以上，非常適用于很多高溫領(lǐng)域。比如在200℃以上的高溫環(huán)境中依然能夠正常工作，不會受到高溫影響而縮短產(chǎn)品使用壽命。
3、粘接性：有機硅灌封膠可以廣泛應用在很多材質(zhì)上，附著力很強。
4、膠層彈性：當有機硅灌封膠全固化之后，不會輕易產(chǎn)生收縮，并形成一層安全保護膜。如果被保護的電子元器件需要維修，也可以直接拆卸，方便又簡單。
5、耐老化耐候性：對于工作環(huán)境沒有太多太高的要求，適應能力好。被長年累月的風吹日曬雨淋后，還可以起到較好的保護密封作用。
QK-7901是單組份紅色膏狀室溫固化的有機硅粘接密封膠，本品是一種多用途,單組份的密封膠,與多種材料粘結(jié)時無需底涂,與空氣中的水分固化成為耐用,有彈性的硅橡膠.對絕大多數(shù)金屬無腐蝕.具有的抗冷熱交變性能、耐老化性能和電絕緣性能，的防潮、抗震、耐電暈、抗漏電性能。
本品大的特點是能將塑料制品與金屬,玻璃,塑料,木板,鋁板,電路板,紙板等牢固地粘接起來,且硅膠片表面不需處理.具有優(yōu)良的耐高低溫性能,可在-60℃—250℃的條件下長期工作一個小時固定,與空氣中水分固化時,24小時內(nèi)可達到使用要求；完全符合歐盟Reach ROHS指令要求。
典型用途
? 1、蒸氣熨斗、高溫空氣過濾器、高溫烘箱等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)蒸氣熨斗、高溫管道的密封。 ?
? 2、電子配件的絕緣及固定用膠。
G9灌封膠G9玉米膠微型電子LEDG9灌封膠
65元
產(chǎn)品名：G4G9燈透明封裝硅膠,G8透明LED膠,LED燈具封裝膠,G8電子封裝膠,G9灌封膠,電子材料
模具翻模膠砂輪制作膠橡膠粘金屬膠水廠家
45元
產(chǎn)品名：電子阻燃膠水晶封裝膠,水晶AB材料,千京水晶工藝,手工焗瓷膠,AB樹脂膠,環(huán)氧樹脂膠,磨輪AB膠,砂輪制作膠,工藝焗瓷,脫模劑膠,離型劑膠,模型膠,焗瓷膠
模具硅膠加成型液態(tài)硅膠液體模具硅膠
38元
產(chǎn)品名：手板硅膠,加成型液態(tài)硅膠,自消泡捏捏樂用硅膠,膚色0度以下超軟模膠,加成型用品液體硅膠,千京抗撕拉高透明模具膠,千京食品級高透明液體硅膠,千京高透明翻模硅橡膠,千京半透明翻模硅膠,刷模硅膠材料
PU聚氨酯膠環(huán)保千京保護IC膠聚氨酯膠
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產(chǎn)品名：電子軟膠,電子透明保護軟膠,透明樹脂材料,透明軟膠膠膜,聚氨酯膠,透明軟膠,PU膠,樹脂膠
環(huán)氧樹脂ab膠DIY模具白膠防震密封膠水
48元
產(chǎn)品名：阻燃密封膠線路粘接膠,電源防水導熱膠,有機硅電子防水膠,透明水晶滴膠AB膠,DIY模具,環(huán)氧樹脂膠快干硬膠標本制作膠,注射式環(huán)氧植筋膠,A級建筑結(jié)構(gòu)環(huán)氧膠,高強結(jié)構(gòu)膠,鋼筋混凝土膠
LED軟燈條有機硅灌封膠軟燈條膠
面議
產(chǎn)品名：LED電子封裝膠
G4模條膠（LEDg9膠）LED封裝G4G9膠水
68元
產(chǎn)品名：1508燈膠,0705模具,1505灌膠,G4膠（灌膠）
單組份氟硅型室溫硫化灌封膠（白色、半流淌狀）電子密封膠
99元
產(chǎn)品名：電子密封膠,密封灌封膠,氟硅橡膠,電子氟硅膠