大功率led封裝模組的性能研究

大功率led封裝模組的性能研究

1led照明技術(shù)的應(yīng)用采用注射電致發(fā)光原理制備的照明矩陣（light），其核心部分由pn和n組成的晶層組成。20世紀(jì)60年代末,世界上首個(gè)可見紅光LED誕生。到20世紀(jì)70年代中期,磷化稼被作為發(fā)光光源使用,隨后就發(fā)明了發(fā)出灰白綠光的LED,緊接著采用雙層磷化嫁芯片(一個(gè)是紅色,另一個(gè)是綠色)能夠發(fā)出黃色光。在同一時(shí)期,俄國(guó)科學(xué)家利用金剛砂也制造出發(fā)黃光的LED,盡管它不如歐洲的LED高效。20世紀(jì)70年代末,能發(fā)出純綠色光的LED誕生。20世紀(jì)80年代早期到中期,對(duì)砷化缽磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生,先是紅色,接著就是黃色,最后為綠色。20世紀(jì)90年代早期,采用錮鋁磷化嫁生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。1998年白光LED的開發(fā)成功,使得LED的應(yīng)用從單純的顯示功能向照明功能邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。與傳統(tǒng)光源白熾燈及熒光燈相比,LED具有體積小、耗電量小、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),克服了白熾燈高耗電、易碎及日光燈廢棄物有汞污染等缺點(diǎn),被業(yè)界看作是替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品,又被稱為是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電(HID)燈(如高壓鈉燈和金鹵燈)之后的第4代新光源。隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,特別是大功率白光LED的發(fā)展,LED固體照明無疑將應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。傳統(tǒng)的小芯片LED在輸出功率與發(fā)光強(qiáng)度方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到照明級(jí)別的要求,為此,用大功率LED照明成為實(shí)現(xiàn)普通照明的關(guān)鍵器件。但大功率LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高,大約只有20%～35%的電能轉(zhuǎn)為光能,其余均轉(zhuǎn)換成為熱能。例如,1W的LED芯片,面積為lmm2,那么,其熱流密度可達(dá)到100W/cm2左右,如果將芯片的驅(qū)動(dòng)電流增加到700mA,輸入電功率將近3W,熱流密度可增加到300W/cm2左右。巨大的熱流密度使LED產(chǎn)生嚴(yán)重的溫升效應(yīng)。結(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加,繼而使得結(jié)溫繼續(xù)升高,造成惡性循環(huán),因此,有必要對(duì)LED的結(jié)溫變化進(jìn)行研究。Arik等提出運(yùn)用有限元方法開展數(shù)值模擬來求解LED芯片的溫度分布,并分析了局部高溫對(duì)芯片有源層的影響。吳惠穎等利用有限元方法對(duì)功率型倒裝結(jié)構(gòu)白光LED的空間溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,實(shí)際測(cè)量結(jié)果和模擬的溫度場(chǎng)分布相吻合,在上述數(shù)值模擬的基礎(chǔ)之上,他們還分析了芯片尺寸與結(jié)溫的關(guān)系。在結(jié)溫的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面,馬春雷等用動(dòng)態(tài)電學(xué)來測(cè)量高功率LED熱阻和結(jié)溫的可行性,并分析了實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)量步驟等影響測(cè)量結(jié)果的因素。梅毅等也對(duì)LED的溫度特性測(cè)試方面進(jìn)行了研究。本研究對(duì)2種不同大功率LED封裝模組的性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,如光通量、發(fā)光效率、正向電壓、色溫和顯色指數(shù)等,分析結(jié)溫變化對(duì)這些參數(shù)的影響,為大功率LED封裝模組的生產(chǎn)制造和在普通照明中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。2led光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置包括0.5m光學(xué)積分球系統(tǒng)(包括CCD成像亮度計(jì)和輻射亮度計(jì))、多功能萬用表、專用溫度恒溫加熱器和數(shù)據(jù)采集器等,其中,部分實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。普通照明用的大功率LED典型封裝結(jié)構(gòu)見圖2。與早期的小功率LED相比,其主要差別在于:大功率LED封裝模組加大了芯片尺寸和散熱基片;光學(xué)透鏡部分改環(huán)氧樹脂封裝材料為硅樹脂材料,從而提高了耐熱溫度;以共晶焊取代了銀膠,降低了熱阻。藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性能較差,因此,目前大多大功率LED采用倒裝芯片技術(shù)。根據(jù)封裝目的的需要,對(duì)大功率LED多芯片模組中芯片的數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。圖3為L(zhǎng)ED光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中,大功率LED封裝模組被放入積分球內(nèi),由恒流源提供測(cè)試電流,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。加熱器設(shè)置的溫度點(diǎn)溫度可等效為相應(yīng)的模組結(jié)溫。測(cè)試電流為瞬態(tài)25ms脈沖直流,電流大小為典型工作電流值,保持不變,以保證測(cè)試結(jié)果的精確性在實(shí)驗(yàn)中,帶有PCB基板的2種大功率LED封裝模組被用來進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。封裝模組包括LED芯片、涂覆熒光粉的硅膠透鏡、散熱基板等。2種封裝模組被標(biāo)號(hào)為模組A和模組B,以便于進(jìn)行區(qū)分。這2種封裝模組的結(jié)構(gòu)基本相似,但由2家不同的LED封測(cè)公司加工而成,模組中芯片數(shù)量和熒光粉材料也有所不同。此外,模組B中除了模組A中的藍(lán)光LED芯片外,還添加了紅光LED芯片。模組A和模組B均被用高性能導(dǎo)熱膠貼附于專用的恒溫加熱器的熱沉塊上。為了減少模組和加熱器之間的熱阻,在模組周圍添加了導(dǎo)熱墊。加熱器的變化范圍被設(shè)置為25～120℃。熱電偶導(dǎo)線被貼附于PCB板上,用來監(jiān)控整個(gè)加熱過程中的溫度。此外,實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度被控制在25°C左右,以減少外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。本實(shí)驗(yàn)選取25、50、65、75、85、95、100、110℃等8個(gè)溫度點(diǎn),用加熱器進(jìn)行電加熱,使得相應(yīng)的LED模組溫度達(dá)到指定溫度點(diǎn),穩(wěn)定10min后,利用積分球光電測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)量光電性能參數(shù)。3結(jié)構(gòu)溫度對(duì)led轉(zhuǎn)色對(duì)顯色指數(shù)的影響圖4展示了大功率LED模組A、B的正向電壓隨芯片結(jié)溫的變化情況。從圖4可以看出,LED結(jié)溫和正向電壓有較為明顯的線性關(guān)系。模組A的線性K絕對(duì)值為0.0502,而模組B為0.0156。隨著結(jié)溫的升高,2個(gè)LED模組的正向電壓值均呈下降趨勢(shì);因此,在LED工作電流不變的情況下,模組A、B的有效工作電功率將減小。光通量指人眼所能感覺到的輻射功率,它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積。光通量的單位為lm,通常用Υ來表示,在理論上其功率可用瓦特來度量這里取在室溫情況下測(cè)得的模組光通量值為基準(zhǔn)值,其他溫度點(diǎn)測(cè)得的光通量和基準(zhǔn)值的比值作為光通量相對(duì)值,從而可以得出光通量相對(duì)值和LED模組結(jié)溫的變化關(guān)系(見圖5)。隨著結(jié)溫的升高,光通量呈減少趨勢(shì),光通量相對(duì)值不斷變小。當(dāng)前,LED業(yè)界定義熱/冷因數(shù)為光輸出在25℃和100℃時(shí)的比例;因此,在本實(shí)驗(yàn)中,模組A的熱冷因數(shù)為0.824,模組B的熱冷因數(shù)為0.725。從節(jié)能的角度看,發(fā)光效率是一個(gè)衡量電光源質(zhì)量高低的最重要的參量,表征從光源中射出的光通量與光源所消耗的電功率之比,單位為lm/W。本實(shí)驗(yàn)采用積分球光電測(cè)試系統(tǒng)直接測(cè)得各個(gè)溫度點(diǎn)的LED模組光源的發(fā)光效率。大功率LED封裝模組A和B的發(fā)光效率和LED結(jié)溫的變化關(guān)系見圖6。隨著結(jié)溫升高,2種模組的發(fā)光效率均呈下降趨勢(shì)。模組A的光效從101lm/W下降到84.3lm/W,模組B則從99.7lm/W下降到74.2lm/W。色溫是表示光源光色的尺度,單位為K(開爾文)。光源的色溫是通過對(duì)比其色彩和理論上的熱黑體輻射體來確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時(shí)的開爾文溫度就是該光源的色溫,它直接和普朗克黑體定律相聯(lián)系。色溫在3300K以下的光稱為暖色光(又稱低色溫),與白熾燈發(fā)出的光相近,紅光成分較多;色溫在3300～5300K的光稱為冷白色光(又稱中等色溫);色溫在5300K以上的光成為冷色光(又稱高色溫)。由圖7可知,LED封裝模組A為冷色光光源模組,模組B為暖色光低色溫光源。隨著LED結(jié)溫的升高,兩模組的相關(guān)色溫(CCT)均有所變化。模組光源A的相關(guān)色溫從25℃的6249K降低到110℃的6112K,模組B的相關(guān)色溫變化則呈相反趨勢(shì),是從25℃的2627K上升至110℃的3330K。顯色性指光源反映物體真實(shí)顏色的能力。光所發(fā)射的光譜內(nèi)容決定光源的光色,光譜組成較廣的光源有可能提供較佳的顯色品質(zhì)。當(dāng)光源光譜中很少或缺乏物體在基準(zhǔn)光源下所反射的主波時(shí),會(huì)使顏色產(chǎn)生明顯的色差。色差愈大,光源對(duì)該色的顯色性愈差。顯色指數(shù)仍為目前定義光源顯色性評(píng)價(jià)的普遍方法。白熾燈的顯色指數(shù)定義為100,視為理想的基準(zhǔn)光源。一般來講,顯色指數(shù)越高的光源,顯色性越好,越能正確表現(xiàn)物質(zhì)本來的顏色。由圖8可知,模組B發(fā)出的光具有較高的顯色指數(shù),并且從25℃的90.5降低到110℃的83.5,模組A的顯色指數(shù)從25℃的73.9升高到110℃的76.7。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果可知,大功率LED封裝模組的光通量、發(fā)光效率和正向電壓均隨LED芯片結(jié)溫的升高而降低,而且正向電壓隨結(jié)溫的變化有很好的線性關(guān)系。在恒定直流電源驅(qū)動(dòng)下,隨著結(jié)溫溫度的升高,LED相應(yīng)的正向電壓值呈現(xiàn)單調(diào)遞減。由此,LED的正向結(jié)電壓與結(jié)溫的關(guān)系可表示為式中,T0指的是結(jié)溫為25℃,也就是一般室溫,T1指的是某情況下該LED的芯片結(jié)溫。U0是LED結(jié)溫為25℃時(shí)LED兩端的正向結(jié)電壓,U1指的是芯片結(jié)溫為T1時(shí)LED兩端的正向結(jié)電壓,K是電壓隨溫度的變化系數(shù)。由此可以計(jì)算LED在不同結(jié)溫時(shí)的正向電壓的數(shù)值大小。封裝模組的正向電壓和芯片結(jié)溫的這種線性關(guān)系可用于測(cè)量大功率LED封裝器件的熱阻。對(duì)于大功率LED封裝模組的光通量和發(fā)光效率隨芯片結(jié)溫的升高而降低,這是因?yàn)橐欢l率的光子輻射躍遷幾率是芯片結(jié)溫的減函數(shù),即芯片溫度的升高降低了輻射復(fù)合率,因此發(fā)光效率也會(huì)降低。進(jìn)一步的解釋為,隨著芯片結(jié)溫的升高,電子占據(jù)量子態(tài)的范圍大,滿足選擇定律的幾率相對(duì)小,發(fā)生輻射復(fù)合的幾率也小,導(dǎo)致發(fā)光效率降低。對(duì)相關(guān)色溫和顯色指數(shù)而言,2種模組具有不同的變化:模組A的相關(guān)色溫和顯色指數(shù)均隨結(jié)溫的升高而降低;模組B的相關(guān)色溫和顯色指數(shù)隨結(jié)溫的升高而增加。這些差異是由模組A和B中不同的芯片封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)造成的,如LED芯片的主波長(zhǎng)、封裝熒光粉的材料和涂覆厚度等。模組B中由于在藍(lán)光LED芯片的基礎(chǔ)上添加了紅色LED芯片進(jìn)行芯片排布,增加和豐富了光譜范圍,使得其發(fā)出的光具有較高的顯色指數(shù)和較低的相關(guān)色溫結(jié)溫升高時(shí),封裝模組中藍(lán)光芯片激發(fā)YAG熒光粉的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移,導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降從而使得色溫發(fā)生變化。對(duì)于大功率LED封裝模組A而言,當(dāng)其結(jié)溫控制在合理范圍內(nèi),如80℃時(shí)色溫為6150K左右,顯色指數(shù)為75左右,可應(yīng)用于生產(chǎn)車間或室內(nèi)體育場(chǎng)館照明。一些場(chǎng)所如臥室和某些商品零售店的照明,需要暖色光并且要求色彩顯現(xiàn)效果優(yōu)異。當(dāng)大功率LED封裝模組B的芯片結(jié)溫控制在70℃左右時(shí),色溫為3000K左右,顯色指數(shù)大于85,可充分滿足這類低色溫高顯色性場(chǎng)所的照明需要。4降低led芯片結(jié)溫技術(shù)當(dāng)前,大功率白光LED具有很多優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用面不斷擴(kuò)大,正在逐步進(jìn)入普通照明領(lǐng)域,具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。本實(shí)驗(yàn)利用加熱器模塊來控制2種大功率LED封裝模組的熱平衡溫度,測(cè)試分析了結(jié)溫變化對(duì)其光電參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大功率LED封裝模組的芯片正向電壓、光通量、發(fā)光效率、相關(guān)色溫以及顯色指數(shù)都會(huì)隨LED芯片結(jié)溫的升高或降低而發(fā)生變化。特別地,過高的LED芯片結(jié)溫會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加,使得結(jié)溫繼續(xù)升高,從而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等問題,嚴(yán)重影響著影響大功率LED封裝模組的可靠性。同時(shí),因?yàn)槠胀ㄕ彰鲬?yīng)用中某些場(chǎng)所對(duì)色溫和顯色指數(shù)的要求所以不同種大功率LED封裝模組的結(jié)溫要在工作中處于某個(gè)允許范圍內(nèi),即在實(shí)際運(yùn)行中控制LED芯片的結(jié)溫,從而得到最佳的應(yīng)用效果。從低碳節(jié)能的角度出發(fā),為了在普通照明應(yīng)用中能有更高的發(fā)光效率,應(yīng)盡可能降低大功率LED封裝模組實(shí)際工作時(shí)的芯片結(jié)溫,即采取相關(guān)措施和方法將