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大功率LED封装技术及发展趋势(三)

大功率LED封装的关键技术——雅格 

(二)高取光率封装结构与工艺

  在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶),由于该胶层处于芯片和空气之间,从而有效减少了光子在界面的损失,提高了取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛应用,但成本较高。研究表明,提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低,从而影响LED光效和光强分布。

  荧光粉的作用在于光色复合,形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光LED色温、色度的变化,较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上,折射率大于或等于1.85,而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配,以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm),因而在荧光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高LED出光效率(10-20%),并能有效改善光色质量。

  传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现荧光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图3b)。但研究表明,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国RenssELaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction methodSPE),通过在芯片表面布置一个聚焦透镜,并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置,不仅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%),如图3c)。

  

  总体而言,为提高LED的出光效率和可靠性,封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势,通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面,不仅提高了荧光粉的均匀度,而且提高了封装效率。此外,减少LED出光方向的光学界面数,也是提高出光效率的有效措施。

 

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