LED封裝技術(shù)及熒光粉在封裝中的應(yīng)用(組圖)

1、LED封裝技術(shù)及熒光粉在封裝中的應(yīng)用(組圖)7/16/2010 作者：魯雪光(四川新力光源) 來(lái)源：阿拉丁照明網(wǎng) 瀏覽量： 511 網(wǎng)友評(píng)論： 0 條 摘要：封裝技術(shù)對(duì)LED的性能和可靠性發(fā)揮著重要的作用。下面對(duì)LED封裝技術(shù)、熒光粉及其在LED封裝中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。LED封裝是將外引線(xiàn)連接到LED芯片的電極上，以便于與其它器件連接。它不僅將用導(dǎo)線(xiàn)將芯片上的電極連接到封裝外殼上實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的連接，而且將芯片固定和密封起來(lái)，以保護(hù)芯片電路不受水、空氣等物質(zhì)的侵蝕而造成電氣性能降低。另外，封裝還可以提高LED芯片的出光效率，并為下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用安裝和運(yùn)輸提供方便。因此，封裝技術(shù)對(duì)LED的性能和

2、可靠性發(fā)揮著重要的作用。下面對(duì)LED封裝技術(shù)、熒光粉及其在LED封裝中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。1. LED封裝技術(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用需要，LED的芯片可通過(guò)多種封裝方式做成不同結(jié)構(gòu)和外觀的器件，生產(chǎn)出各種色溫、顯色指數(shù)、品種和規(guī)格的LED產(chǎn)品。按封裝是否帶有引腳，LED可分為引腳式封裝和表面貼裝封裝兩種類(lèi)型。常規(guī)小功率LED的封裝形式主要有：直插式DIP LED、表面貼裝式SMD LED、食人魚(yú)Piranha LED和PCB集成化封裝1。功率型LED是未來(lái)半導(dǎo)體照明的核心，其封裝是人們目前研究的熱點(diǎn)。下面就幾種主要的封裝形式進(jìn)行說(shuō)明：(1)引腳式封裝 采用引線(xiàn)架作為各種封裝外型的引腳。圓頭插腳式LED是常

3、用的封裝形式。這種封裝常用環(huán)氧樹(shù)脂或硅樹(shù)脂作為包封材料，芯片約90%的熱量由引線(xiàn)架傳遞到印刷電路板(PCB)上，再散發(fā)到周?chē)諝庵?。環(huán)氧樹(shù)脂的直徑有7mm、5mm、4mm、3mm和2mm等規(guī)格。發(fā)光角(21/2)的范圍可達(dá)18120°。(2)表面貼裝封裝 它是繼引腳式封裝之后出現(xiàn)的一種重要封裝形式。它通常采用塑料帶引線(xiàn)片式載體(Plastic Leaded Chip Carrier，PLCC)，將LED芯片放在頂部凹槽處，底部封以金屬片狀引腳。LED采用表面貼裝封裝，較好地解決了亮度，視角，平整度，一致性和可靠性等問(wèn)題，是目前LED封裝技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。(3)功率型LED封裝

4、 功率型LED分普通功率LED(小于1W)和瓦級(jí)功率LED(1W及以上)兩種。其中，瓦級(jí)功率LED是未來(lái)照明的核心。單芯片瓦級(jí)功率LED最先是由美國(guó)Lumileds公司于1998年生產(chǎn)的LUXEON LED，這種封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片(Flip Chip)用硅載體焊在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料3。2. 熒光粉目前白光LED主要通過(guò)三種型式實(shí)現(xiàn)：1) 采用紅、綠、藍(lán)三色LED組合發(fā)光，即多芯片白光LED;2) 采用藍(lán)光LED芯片和黃色熒光粉，由藍(lán)光和黃光兩色互補(bǔ)得到白光，或用藍(lán)光LED芯片配合紅色和綠色熒光粉，由芯片發(fā)出的藍(lán)光、熒光粉發(fā)出的

5、紅光和綠光三色混合獲得白光;3) 利用紫外LED芯片發(fā)出的近紫外光激發(fā)三基色熒光粉得到白光。后兩種方式獲得的白光LED都需要用到熒光粉，稱(chēng)為熒光粉轉(zhuǎn)換LED(phosphor converted Light Emitting Diode，pc-LED)，它與多芯片白光LED相比在控制電路、生產(chǎn)成本、散熱等方面具有優(yōu)勢(shì)，在目前的LED產(chǎn)品市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。熒光粉已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明技術(shù)中的關(guān)鍵材料之一，它的特性直接決定了熒光粉轉(zhuǎn)換LED的亮度、 顯色指數(shù)、色溫及流明效率等性能。目前的黃色熒光粉主要有鈰激活釔鋁石榴石(Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce)和銪激活堿土金屬硅酸鹽;紅色熒光粉主要有

6、：Ca1-xSrxS:Eu2+、YVO4:Bi3+,Eu3+和M2Si5N8:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等;綠色熒光粉主要有：SrGa2S4:Eu2+、Ba2SiO4:Eu2+和SrSi2N2O2:Eu2+等;藍(lán)色熒光粉主要有：BaMg2Al16O27:Eu2+、Sr5(PO4)Cl:Eu2+、Ba5SiO4Cl6:Eu2+和LiSrPO4:Eu2+ 4等。3. 熒光粉在封裝中的應(yīng)用封裝之前除了需確定封裝結(jié)構(gòu)外，還需選擇好芯片和熒光粉。對(duì)于高色溫的冷白光LED通常選用InGaN芯片配合YAG:Ce黃色熒光粉，獲得低色溫的暖白光LED需要在此基礎(chǔ)上添加紅色熒光粉或采用紫外芯片配合三基色熒光

7、粉。LED芯片和熒光粉之間存在一個(gè)匹配的問(wèn)題，只有當(dāng)LED芯片的發(fā)射峰與熒光粉的激發(fā)峰最大程度地重疊時(shí)，才能最大限度地發(fā)揮LED芯片和熒光粉的效率。圖1為InGaN芯片和YAG:Ce熒光粉的熒光光譜5，其中左邊帶斜線(xiàn)陰影部分為InGaN芯片的發(fā)射光譜，左邊淡灰色陰影為YAG:Ce的激發(fā)光譜;右邊為在460nm激發(fā)下的發(fā)射光譜。從圖中可以看出，InGaN芯片的發(fā)射光譜和YAG:Ce的激發(fā)光譜重合的非常好，這樣就使YAG:Ce處于最有效的激發(fā)條件下，從而使YAG:Ce的發(fā)光效率最高。當(dāng)YAG:Ce的激發(fā)主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發(fā)射峰時(shí)，都大幅降低兩者的重疊程度，從而導(dǎo)致封裝后LED 的光

8、效顯著降低。圖1 InGaN芯片和YAG:Ce熒光光譜5圖2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐標(biāo)5圖2是不同YAG:Ce熒光粉添加量的LED色坐標(biāo)5，其中1點(diǎn)為InGaN藍(lán)光芯片的色坐標(biāo)，7點(diǎn)為YAG:Ce熒光粉的色坐標(biāo)，2點(diǎn)到6點(diǎn)是將YAG:Ce熒光粉薄層置于玻璃上用LED芯片激發(fā)所測(cè)得的色坐標(biāo)，2點(diǎn)為添加一層YAG:Ce熒光粉，3點(diǎn)為添加2層YAG:Ce熒光粉，依次類(lèi)推。由圖可看出，適當(dāng)調(diào)節(jié)YAG:Ce熒光粉的厚度即可使白光LED的色坐標(biāo)在芯片色坐標(biāo)與熒光粉色坐標(biāo)連線(xiàn)上移動(dòng)。另外，從圖2中有一個(gè)三角形，其三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NTSC)規(guī)定的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的色

9、坐標(biāo)。在圖2中還可以看到有一條黑色的弧線(xiàn)，這是根據(jù)黑體輻射公式計(jì)算出的在不同溫度下黑體的色坐標(biāo)曲線(xiàn)，稱(chēng)為黑體軌跡，它是衡量白光LED色溫的重要依據(jù)。圖3 用熒光粉調(diào)制白光LED的色溫圖3為用熒光粉調(diào)制白光LED 的色溫，圖3中標(biāo)出了InGaN芯片色坐標(biāo)和一系列不同YAG:Ce色坐標(biāo)之間的連線(xiàn)和3000K10000K等相關(guān)色溫線(xiàn)。從圖3中可知，當(dāng)YAG:Ce的色坐標(biāo)靠近綠光區(qū)域時(shí)，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標(biāo)連線(xiàn)與各等相關(guān)色溫線(xiàn)的交點(diǎn)，隨著色溫的降低而偏離黑體軌跡逐漸增大。這表明偏綠光的YAG:Ce不適合于封裝中低色溫的白光LED，因?yàn)槿绻庋b中低色溫的白光LED將會(huì)使白光LED的色坐標(biāo)

10、在黑體軌跡上方偏離較大，這樣顯色性差，會(huì)從而超出國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)。同理，當(dāng)YAG:Ce的色坐標(biāo)靠近橙光區(qū)域時(shí)，它不適合用于封裝高色溫的白光LED，這樣封裝出的白光LED的色坐標(biāo)同樣會(huì)在黑體軌跡下方偏離較大。因此，需要根據(jù)所需封裝的白光LED色溫相應(yīng)地選取適當(dāng)色坐標(biāo)的熒光粉，通過(guò)調(diào)節(jié)熒光粉的使用量來(lái)使封裝后白光LED的色坐標(biāo)盡量靠近黑體軌跡，使其符合國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。上面只給出了YAG:Ce匹配460nm的藍(lán)光LED芯片的情況，實(shí)際使用的藍(lán)光LED芯片還有很多，發(fā)射波長(zhǎng)一般在450nm470nm之間。因此，我們需要針對(duì)每個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)的LED芯片研發(fā)一系列色坐標(biāo)不

11、同的YAG:Ce熒光粉，用于封裝一系列不同色溫的白光LED。對(duì)于低色溫白光LED(3300K以下)，YAG:Ce由于缺乏紅光成分不能滿(mǎn)足要求，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。比如通過(guò)Ce和Pr共摻雜YAG，可使封裝后的白光LED顯色指數(shù)(Ra)達(dá)到83左右。要獲得顯色指數(shù)Ra大于90的白光LED，則需添加紅色熒光粉(如Sr2Si5N8:Eu2+)配合YAG:Ce使用。因此，對(duì)于高顯色性低色溫的暖白光LED來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的紅色熒光粉是至關(guān)重要的。參考文獻(xiàn)1 LED封裝J,中國(guó)照明,2009,1:1002 毛興武,張艷雯,周建軍,等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)M.北京:人民郵電出版社,2008:1413 L