一種色溫可調(diào)LED的封裝與性能研究

田大壘

（河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

1 引言

自從藍(lán)光LED被發(fā)明以來，人們開始研發(fā)各種大功率白光LED封裝技術(shù)[1,2]，希望白光LED能夠取代傳統(tǒng)的照明光源。目前市場上白光LED生產(chǎn)技術(shù)主要分為兩大主流，第一為利用熒光粉將藍(lán)光LED或紫外LED所產(chǎn)生的藍(lán)光或紫外光分別轉(zhuǎn)換為雙波長或三波長白光，此項(xiàng)技術(shù)稱之為熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED；第二類則為多芯片型白光LED，經(jīng)由組合兩種（或以上）不同色光的LED組合以形成白光。第一種方法可得到中高色溫的白光，對(duì)于暖色溫顯色性較差。為了解決這一問題，通常加入紅色熒光粉，但紅色熒光粉的激發(fā)效率較低，導(dǎo)致整體光效偏低。第二種方法需要分別給三種芯片供電，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，且三種芯片的老化衰減不一致，長期工作會(huì)導(dǎo)致色溫偏移。

2 色溫可調(diào)LED的封裝

LED的封裝技術(shù)實(shí)際上是借鑒了傳統(tǒng)的微電子封裝技術(shù)，但LED有其獨(dú)特之處，又不能完全按照微電子封裝去做。整個(gè)LED封裝工藝主要包括封裝原料的選取、封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、封裝工藝的控制以及光學(xué)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)，概括來講就是熱-電-機(jī)-光（T.E.M.O.）[3]，如圖1所示，這是LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

傳統(tǒng)的多芯片集成封裝多是將LED芯片按照一定的規(guī)則固定在電路板上，如鋁基覆銅板、陶瓷電路板等，由于鋁基覆銅板、銅基覆銅板價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用，但它們也有固有的缺點(diǎn)。它們通常由電路層（銅箔層）、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層壓合而成，但導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)極低，成為電路板的導(dǎo)熱瓶頸，導(dǎo)致電路板整體的導(dǎo)熱系數(shù)只有1.5W/m.K左右。陶瓷電路板導(dǎo)熱性能好，但存在成本高、不宜加工、脆性較大等缺點(diǎn)，并且在LED器件整體成本中占的比重較高，其應(yīng)用也受到了限制[4]。為了解決上述問題，開發(fā)了一種LED封裝結(jié)構(gòu)，在鋁基覆銅板的固晶位置開設(shè)窗口，需要焊線的位置放置焊盤，將一塊與鋁基覆銅板形狀一樣的鋁板貼于鋁基覆銅板之下，將LED芯片置于穿過窗口的區(qū)域上，這樣可大大提高LED的散熱性能。

LED的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)系封裝出的產(chǎn)品是否能夠滿足使用要求的基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)的LED主要包括：封裝基板、藍(lán)光LED芯片、紅光LED芯片和黃綠色熒光粉，封裝基板由鋁基覆銅板和鋁板組成，如圖2所示。

良好的封裝工藝是決定器件性能、可靠性和壽命的關(guān)鍵。本文采用的方法為：封裝基板采用具有高導(dǎo)熱率的鋁基覆銅板和鋁板，芯片粘接在鋁板上，LED芯片采用功率型W級(jí)正裝芯片，芯片與封裝基板采用高導(dǎo)熱的銀膠粘接（導(dǎo)熱系數(shù)大于25W/m.K），通過引線鍵合、涂熒光粉、固化等工藝完成整體封裝。

3 色溫可調(diào)LED的性能測試

圖3為采用遠(yuǎn)方HASS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)測量得到的色溫可調(diào)LED的光譜圖，從圖中可以看出，隨著紅光LED電流的變化（從0到450mA），LED的相對(duì)光譜也會(huì)隨之變化，LED的光譜有三個(gè)峰值，分別在450nm、550nm和628nm，暖色溫的發(fā)光效率大于68lm/W，冷色溫的發(fā)光效率達(dá)到87lm/W。

圖4列出了色溫可調(diào)LED的色區(qū)分布隨紅光LED電流的變化，表1列出了色溫可調(diào)LED的光學(xué)性能參數(shù)隨紅光LED電流的變化，可以看出，紅光LED不加電流的情況下，LED的色溫為5 000K，在冷色溫BIN區(qū)，隨著紅光LED電流的逐漸增加，LED模塊的色溫會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)連續(xù)的變化，從冷光5 000K到暖光3 375K，同時(shí)LED的顯色指數(shù)會(huì)逐漸升高，最高可達(dá)90以上，完全能夠滿足照明場所對(duì)顯色指數(shù)的要求。

集成封裝的LED，由于工作電流較大，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，積聚在pn結(jié)內(nèi)部的熱如不及時(shí)傳導(dǎo)出去，將導(dǎo)致器件溫度升高，溫度對(duì)LED的性能產(chǎn)生重要的影響[5～7]，如色溫變化、波長紅移、正向壓降等。圖5所示為色溫可調(diào)LED的應(yīng)用效果，將封裝好的色溫可調(diào)LED模塊安裝到100mm筒燈上，紅光LED加上不同的電流，得到筒燈的發(fā)光效果。筒燈連續(xù)點(diǎn)亮30min后，測試筒燈上散熱器溫度為38℃，鋁基覆銅板上的溫度為38.5℃（室溫25.2℃），說明色溫可調(diào)LED具有良好的散熱性能。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型的色溫可調(diào)LED，利用大功率LED芯片結(jié)合金屬基板封裝出了色溫可調(diào)的暖白光高顯色指數(shù)LED樣品，測試了LED的光譜性能、色溫、顯色指數(shù)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化，結(jié)果顯示，LED色溫可在3300K到5000K連續(xù)變化，顯色指數(shù)可達(dá)90以上，同時(shí)具有優(yōu)良的散熱性能，完全能夠滿足照明場所對(duì)色溫以及顯色指數(shù)的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］N Holonyak Jr, S F Bevaqua. Coherent（visible）light emission from Ga（As1-xPx）junctions[J]. Appl. Phys.Lett., 1962, 1（4）：82-83.

［2］F M Steranka, et al. High power LEDs：Technology status and market applications[J]. Phys. Stat. Sol., 2002, 194（2）：380-388.

［3］Edison.核心技術(shù) [EB/OL]. http：//www.edison-opto.com.tw/00_led_txt. asp ?sn=4.

［4］田大壘， 關(guān)榮鋒， 王杏.新型封裝材料與大功率LED封裝熱管理[J].電子組件與材料，2007，26（8）：5-7.

［5］Narendran N, Gu Y. Life of LED-based white light sources[J]. IEEE/OSA Journal of Display Technology, 2005, 1（1）：167-171.

［6］田大壘，關(guān)榮鋒，王杏，等. 大功率白光LED的結(jié)溫測量 [J]. 電子與封裝，2008，8（12）：10-12.

［7］Narendran N, Gu Y, J.P. Freyssinier, et al. Solid-state lighting：Failure analysis of white LEDs [J]. Journal of Crystal Growth, 2004, 268（3-4）：449-456.