led技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)(超好)

1、 本文由tiger132010貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 功率型白光 LED 技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì) 張明芳，張培新，任祥忠，彭海林 深圳大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東深圳 (518060) E-mail: 摘 要：LED 由于壽命長、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)越來越被廣泛應(yīng)用，目前正進(jìn)入功率型白 光 LED 設(shè)計(jì)封裝階段，以期望能夠取代白熾燈和日光燈，普遍用于家庭照明中。本文主要 綜述了國內(nèi)外大功率白光 LED 的幾種獲得途徑，芯片及封裝的設(shè)計(jì)面臨的困難及解決方案 的進(jìn)展，包括所用材料及封裝設(shè)計(jì)模型的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)的相互比較，以及現(xiàn)代計(jì)

2、算機(jī)模擬技術(shù)在 LED 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等，并對(duì)功率型白光 LED 在未來的應(yīng)用進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：功率型白光 LED；封裝；應(yīng)用 中圖分類號(hào)：R776 0. 引言 LED 是一種可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體發(fā)光器件，屬于固態(tài)光源。LED 在 20 世紀(jì) 60 年代初期問世，當(dāng)時(shí)的 LED 以紅色為主，發(fā)光效率很低，光通量很小，只能做指示燈和 儀表顯示器使用。隨著管芯材料、結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED 顏色品種增多，光效 大幅度提高。 目前紅光 LED 的光效已達(dá)到 100lm/w,綠光 LED 也達(dá)到 50lm/w,單只 LED 的光 通量可達(dá)幾十流明。尤其是近年來高光效、高亮度的白光 LE

3、D 的開發(fā)成功，使得 LED 在照 明領(lǐng)域中的應(yīng)用成為可能。 LED 作為新型光源，具有壽命長、啟動(dòng)時(shí)間短、無紫外線、色彩豐富飽滿、可做全彩 變化、 低壓安全等特點(diǎn)。 除了在傳統(tǒng)的信號(hào)顯示領(lǐng)域長期應(yīng)用外， 近年來高功率 （HI-POWER） 超高亮度的問世極大的拓展了 LED 的應(yīng)用領(lǐng)域，如今 LED 在娛樂、城市建筑物美化、景觀 照明等方面有非常廣泛的應(yīng)用，并朝日常照明應(yīng)用的方向發(fā)展1-4。 1. 白光 LED 的獲得途徑 20 世紀(jì)末白光 LED 的出現(xiàn)吸引了各國政府級(jí)企業(yè)的熱情關(guān)注，成為光電子、照明工程 科技領(lǐng)域中的一個(gè)熱門。短短的五六年時(shí)間，白光 LED 的研發(fā)和應(yīng)用取得了舉世矚目的成

4、 績。人們期望白光 LED 成為第四代照明光源，達(dá)到節(jié)能的綠色照明目的。白光 LED 的光效 達(dá)到 50lm/w 以上時(shí)，可開始部分取代白熾燈，進(jìn)入商業(yè)照明；光效達(dá)到 100lm/w 以上時(shí)， 開始進(jìn)入家庭照明。 目前的水平還有較大差距， 某些材料、 器件和工藝還存在一些關(guān)鍵問題。 目前正在研究的白光的獲得方法主要有三類5-7:光轉(zhuǎn)換型、多色組合型、多量子阱型。 1.1 光轉(zhuǎn)化型 光轉(zhuǎn)化型又分兩種，一種是藍(lán)色 LED 芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)黃綠熒光粉發(fā)光，使藍(lán)光與 黃、綠光混合發(fā)出白光，二是紫外光或紫光 LED 激發(fā)三原色熒光粉，發(fā)出白光。目前這種 方法的外量子效率已高達(dá) 43%,工作波長 382

5、 nm,有望在 2010 年光效達(dá)到 120 lm/W。但另一 面,這種方法會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性,并且這種轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致能量的損失。同時(shí),由于是采用了紫外光 源,有可能會(huì)產(chǎn)生紫外光污染2,8-10。 前者已商品化的有采用單顆發(fā)藍(lán)光(Al)InGaN 芯片與受藍(lán) 光激發(fā)發(fā)黃光的 YAG:Ce3+熒光粉轉(zhuǎn)換成的較效率高,操作上較易實(shí)現(xiàn)的白光 LED（圖 1 所 示），而且沒有紫外光成分,不會(huì)造成紫外光污染,是目前使用最廣泛的方法 11-13 。但現(xiàn)有 YAG:Ce3+熒光粉顆粒已經(jīng)不能滿足功率型 LED 的演色性、色溫、熱穩(wěn)定、出光效率和封裝 等發(fā)展要求。LI PanLai14等研究了用 Sr3SiO5:

6、Eu2+代替 YAG:Ce3+獲得白光 LED，經(jīng) CIE 色 -1- 坐標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明其演色性良好。Ma liang15等制備了 Ba3MgSi2O8 : Eu2+, Mn2+熒光粉，量 子效率較高。 圖 1 一種白色光 LED 的結(jié)構(gòu)示意圖 1.2 多色組合型 多色組合型是將 R、 B 三色 LED 芯片按一定方式排布集合成一個(gè)發(fā)白光的標(biāo)準(zhǔn)模組, G、 這種方法具有效率高和使用靈活的優(yōu)點(diǎn),由于發(fā)光全部來自三種 LED,不需要進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換, 因此,其能量損失最小,效率最高。 同時(shí),由于 RGB 三色 LED 可以單獨(dú)發(fā)光,其發(fā)光強(qiáng)度可以單 獨(dú)調(diào)節(jié),故具有相對(duì)較高的靈活性，且演色性高，但封裝比

7、較復(fù)雜。 1.3 多量子阱型 多量子阱型是在芯片發(fā)光層的生長過程中,摻雜不同的雜質(zhì)生長出能產(chǎn)生互補(bǔ)色的多量 子阱,通過不同量子阱發(fā)出的多種光子復(fù)合發(fā)射白光。這種方法對(duì)半導(dǎo)體的加工技術(shù)要求很 高,目前難以達(dá)到。上述只種技術(shù)途徑均可獲得白光，但都有共同的技術(shù)關(guān)鍵有待突破,包括 芯片技術(shù)、封裝工藝技術(shù)、熒光體技術(shù)。 當(dāng)前在上述三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已有了迅速的進(jìn)展， 但還有許多技術(shù)及工藝過程須要進(jìn)一 步研究提高，才能實(shí)現(xiàn)商品化進(jìn)人市場(chǎng)，成為讓普通消費(fèi)者可接受的消費(fèi)品，由于技術(shù)、工 藝、生產(chǎn)成本等因素的影響,應(yīng)用最多的是光轉(zhuǎn)換型,其次是多色組合型。以發(fā)展的眼光來看, 多量子阱型應(yīng)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。但由于技術(shù)

8、的限制,生長不同結(jié)構(gòu)的量子阱相對(duì)困難得多, 在短時(shí)間內(nèi)還不能產(chǎn)業(yè)化。 2. 功率型芯片的設(shè)計(jì) LED 芯片是決定其發(fā)光質(zhì)量的內(nèi)因，所以首要探討芯片的研究歷史與現(xiàn)狀。芯片材料 的選取歷經(jīng)了 Si、Ge、GaAs、GaN 等材料,目前使用的是 InGaN/AlInGaN 異質(zhì)體材料，發(fā) 展已基本成熟，并進(jìn)行了雙異質(zhì)體，大面積芯片，組織粗糙面，采用光子晶體等設(shè)計(jì)2,16-18。 2.1 大面積芯片 要得到功率型 LED，則要增加電流，但當(dāng)電流增加的時(shí)，因?yàn)闊岬年P(guān)系，亮度不增反 減，所以要得到高電流或高功率，則必須用大面積（Al）InGaN 芯片以減小電阻。但由于大 面積（Al）InGaN 的光在內(nèi)部

9、反射被吸收以致光取出效率較低，其外部量子效率也低，所以 這種方法也是有限制的。 2.2 表面微結(jié)構(gòu)粗化 由于在芯片與封裝用膠之間存在全內(nèi)反射，由 LED 芯片產(chǎn)生的光子并不能完全射出器 件，這也是獲得高取出效率的最大之一。另外還有內(nèi)部（重復(fù)）吸收，電連接的熱阻等。表 面微結(jié)構(gòu)粗化一定程度上可增加光子射出率， 可用 ICP 干法刻蝕工藝和自然光刻技術(shù)在芯片 -2- 表面形成納米級(jí)粗糙層， 提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)， 該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片 表面刻蝕大量尺寸為光波長量級(jí)的小結(jié)構(gòu)， 每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀， 如此不但擴(kuò)展了出光 面積，而且改變了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提

10、高。采用表面粗化處 理的器件系統(tǒng)的電阻可降低， 這是因?yàn)楸砻娲只笤黾恿私佑|面積和經(jīng)過激光輻照后， 具有 了更高的空穴濃度。如 Lung-Chien Chen19研究了在 GaN 上沉積氧化鋅納米粗糙層，結(jié)果顯 示出光能比現(xiàn)有的 20mA 增加了 27.5%。H. Fang20等直接利用化學(xué)腐蝕方法蝕刻 GaN 芯片 表面，結(jié)果光取出效率有所增加， 2.3 異質(zhì)體結(jié)構(gòu) 異質(zhì)體結(jié)構(gòu)是由兩種不同半導(dǎo)體材料組成的 PN 結(jié)，由于兩種材料帶隙能量不同，就稱 為異質(zhì)體結(jié)構(gòu)，通常兩種材料的晶格結(jié)構(gòu)差異不能太大。如圖 2 所示，為單異質(zhì)體結(jié)構(gòu)。這 種結(jié)構(gòu)由兩種材料組成 PN 結(jié)，N 型半導(dǎo)體間隙能為 Eg1

11、，P 型半導(dǎo)體的間隙能為 Eg2，Eg1 大于 Eg2， 型半導(dǎo)體較大的間隙能更適宜于空穴的注入和 P 型半導(dǎo)體中產(chǎn)生的光子的穿越， N 于是減小了對(duì)光子的內(nèi)部吸收，增加光射出效率。已經(jīng)應(yīng)用的單異質(zhì)分別是 AlInGaN 和 InGaN 組成的 PN 結(jié)。 目前正在研究的有雙異質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更適合大功率白光 LED 的應(yīng)用。如 Y. Deshayes21 等研究了 GaAsAlGaAsGaAs 雙異質(zhì)體芯片， 由于缺陷能進(jìn)一步降低， 使得光量子效率增大。 圖 2 異質(zhì)體結(jié)構(gòu)示意圖 2.4 量子點(diǎn)材料 量子點(diǎn)，又可稱為納米晶，是一種由 IIVI 族或 IIIV 族元素組成的納米顆粒。量子 點(diǎn)的粒徑一

12、般介于 110nm 之間，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有 分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)， 其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限， 所以量子局限效應(yīng)特 別顯著。 由于量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)， 具有分離的量子化的能 譜。所對(duì)應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點(diǎn)中，但延伸于數(shù)個(gè)晶格周期中。受激后可以發(fā)射熒 光。量子點(diǎn)材料與一般材料相和量子肼相比有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如在熱沖擊下更加穩(wěn)定，發(fā) 光強(qiáng)度可增加等。 L. Rigutti22研究制備了 InGaNGaN 量子點(diǎn)芯片，并研究了使得光度增強(qiáng)的內(nèi)因，即聲 子傳遞能量降低。 3. 封裝材料及方法 在完成功率型芯片制作后，面臨著

13、如何將芯片進(jìn)行封裝的挑戰(zhàn)。對(duì)于大功率型 LED 器 件的封裝方法，并不能簡單的套用傳統(tǒng)的小功率 LED 器件封裝方法及材料。研究表明，高 功率 LED 只能將 20%的電能成光能，其余都會(huì)以熱能的形式散失。如果高達(dá) 80%的熱能無 法及時(shí)散失，那么 LED 的壽命將會(huì)因此大打折扣。LED 散熱能力通常受到封裝模式以及封 裝材質(zhì)的導(dǎo)熱性影響，散熱途徑也不外乎傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這三種。由于 LED 封裝材料中 -3- 積聚的熱能大部分是以傳導(dǎo)方式散失，因此對(duì)封裝材質(zhì)，封裝方法的要求非常重要，另外大 功率封裝對(duì)光取出效率的進(jìn)一步提高也有要求23-25。 3.1 表面封裝材料 長久以來，在對(duì) LED 散

14、熱要求不是很高的情況下，多利用傳統(tǒng)樹脂基板進(jìn)行封裝。然 而，隨著市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求層次不斷提高，傳統(tǒng)的樹脂基板在高功率 LED 世代 到來后，已漸漸不敷使用。因此，探討和展望功率 LED 的封裝材料，便成為業(yè)界關(guān)注的熱 點(diǎn)話題。 傳統(tǒng)材質(zhì)已無法滿足高功率 LED 散熱需求隨著市場(chǎng)上越來越多的高功率 LED 應(yīng)用 出現(xiàn)，在考慮如何散失熱能的同時(shí)，還要兼顧 LED 發(fā)光的穩(wěn)定性與持續(xù)性。如果 LED 的熱 能無法盡快散失，那么其亮度和壽命都將下降得很快，并且很可能出現(xiàn) LED 芯片本身壽命 還未達(dá)到之前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)無以為繼的情況。此外，不僅散熱現(xiàn)象會(huì)使環(huán)氧樹脂產(chǎn)生變 化，甚至連短波長也

15、會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂造成困擾。這是因?yàn)樵诎坠?LED 發(fā)光光譜中也包含短波 長光線， 而環(huán)氧樹脂很容易受到白光 LED 中的短波長光線破壞。 即使是低功率的白光 LED， 已能使環(huán)氧樹脂破壞情況加劇，更何況高功率的白光 LED 所發(fā)出的短波長光線更多，惡化 現(xiàn)象自然更加快速和嚴(yán)重。因此，找到全新材質(zhì)來替代環(huán)氧樹脂封裝高功率 LED 已經(jīng)迫在 眉睫26-28。 采用硅樹脂封裝材料來延長長時(shí)間工作后的光輸出性能表現(xiàn)， 帶來高可靠度封裝 和更長使用壽命兼容回流焊程序；低熱阻； 更高的散熱效率，可以帶來更好的溫度管理和 較穩(wěn)定的光度輸出。但其在長時(shí)間高溫條件下，仍存在有機(jī)材料的變黃老化問題。并且上述 類型都是

16、將熒光粉涂于環(huán)氧樹脂或硅樹脂封裝膜上，存在著樹脂易老化變黃的問題的同時(shí)， 熒光粉也存在涂抹不均勻且易老化問題，不適用大功率 LED 的封裝29-30。作者正在研究一 種用溶膠凝膠法制備的摻稀土離子的熒光玻璃陶瓷， 用于封裝， 一方面可使發(fā)光中心高度均 勻分布，另一方面無機(jī)玻璃陶瓷可極大減小老化問題，適用于大功率 LED 的封裝31-36。 3.2 散熱基板材料 在 LED 系統(tǒng)散熱方面,尤其是大功率 LED，選擇合適的基板，對(duì)其散熱性和可靠性都具 有重要影響,而目前基板主要有陶瓷基板、金屬基板和復(fù)合基板37-38。 3.2.1 陶瓷基板 陶瓷基板主要是低溫共燒陶瓷(LTCC）基板和 AlN 基

17、板。LTCC 基板具有諸多優(yōu)點(diǎn):易 于成型、工藝簡單、成本低而且容易制成多種形狀?，F(xiàn)在常用的 Al2O3 基板, 由于熱導(dǎo)率低, 已不能滿足這種要求。BeO 基板雖然熱導(dǎo)率高, 但其線膨脹系數(shù)與 Si 相差很大,且制造時(shí)有 毒,限制了自身的應(yīng)用。 AlN 基板由于具有高熱導(dǎo)率、 而 電性能優(yōu)良、 機(jī)械性能高且無毒, 硬 度 Al 基板相近。而 AlN 陶瓷基板的高導(dǎo)熱率、高硬度、線膨脹系數(shù)與 Si 接近以及絕緣性 使 AlN 陶瓷基板在大功率 LED 封裝應(yīng)用上具有廣闊的前景。 3.2.2 金屬基板 Al 或 Al 合金密度小、價(jià)格低、加工性好, 是 LED 封裝基板的優(yōu)良材料, 由于金屬材料

18、 的導(dǎo)電性, 為使其表面絕緣, 往往需通過陽極氧化處理,使其表面形成薄的絕緣層。利用 Al 基板可以降低封裝成本, 而且 Al 基板制造工藝過程簡單,導(dǎo)熱性能優(yōu)越，但這種表面經(jīng)陽極 氧化并制作了相關(guān)電路的 Al 合金基板與 LED 芯片間存在熱膨脹系數(shù)匹配問題。 由于 Cu 具 有更優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能, 所以 Cu 基板也被廣泛地應(yīng)用。 -4- 3.2.3 復(fù)合材料 單一材料很多場(chǎng)合下無法滿足封裝的需求, 此時(shí)需要把幾種材料結(jié)合起來以獲得高熱 導(dǎo)率低膨脹的金屬基復(fù)合材料, 從而使得基板的性能得到加強(qiáng), 滿足封裝需求。金屬基復(fù)合 材料(如 AlSiC)將金屬材料(Al) 的高導(dǎo)熱性和增強(qiáng)體材料(

19、SiC)的低熱脹系數(shù)結(jié)合起來, CuPMo 板和 CuPW 板等合金作為散熱材料，具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)(CTE) 可調(diào)、比重、 強(qiáng)度和硬度高等優(yōu)點(diǎn)。但這些合金生產(chǎn)成本過高, 不利于大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。 在封裝材料有限的情況下，改進(jìn)封裝方法是一種相對(duì)快速有效的方法。LED 歷經(jīng)了倒 裝芯片，表面貼裝，基板幾何變形結(jié)構(gòu)，二次光源設(shè)計(jì)，封裝由傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂改為有機(jī)硅 膠材料， 粘貼材料從導(dǎo)熱膠到導(dǎo)電銀漿和現(xiàn)在的錫漿三種材料等， 這些內(nèi)容也已多見文獻(xiàn)具 體報(bào)導(dǎo)。本文主要介紹幾種近幾年和目前正在研究的改進(jìn)的封裝方法，如微泵浦結(jié)構(gòu)，薄膜 LED，光子晶體，二次光源設(shè)計(jì)，無機(jī)玻璃陶瓷封裝材料等。 3.3

20、 微泵浦結(jié)構(gòu) 圖 3 微泵浦結(jié)構(gòu) 微泵浦結(jié)構(gòu)即是在散熱器上安裝一個(gè)微泵浦系統(tǒng)來解決 LED 的散熱問題, 在封閉系統(tǒng) 中,水在微泵浦的作用下進(jìn)入 LED 的底板小槽吸熱, 然后又回到小的水容器中, 通過風(fēng)扇吸 熱。 這微泵浦結(jié)構(gòu)(如圖 3 所示) 可以將外部熱阻降為 0.192K/W,制冷性較好, 但如果內(nèi)部接 口熱阻很大, 則其熱傳導(dǎo)就會(huì)大打折扣, 此外, 其結(jié)構(gòu)也嫌復(fù)雜。 3.4 直接生長 LED 芯片 直接生長芯片是在薄膜 LED 的基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法。薄膜 LED 即將 GaN 直接生長在藍(lán) 寶石襯底上，然后用激光將藍(lán)寶石除去，從而得到高性能的薄膜 LED，再將其移植至適合 的襯底上，如

21、硅襯底等。其優(yōu)點(diǎn)是高效率、面積可以增大、接近 Lambetian 光源、襯底成本 低、電阻低可以很容易做成 LED 封裝等。Baoshun Zhang38等成功的研制了將 GaN 直接生 長到硅基板上，而不需要再將減薄和使用粘貼材料，簡化了封裝并增加了熱導(dǎo)率。 3.5 光子晶體 光子晶體是由兩種不同介電材料在空間周期排列而組成的新概念意義下的光子學(xué)材料。 光子晶體使光的色散關(guān)系發(fā)生變化， 并在一定頻率范圍內(nèi)形成光子帶隙， 為人們控制光的傳 輸和光與物質(zhì)相互作用提供了有效的途徑。張振生等39針對(duì) LED 普遍存在的出光效率低下 的問題，首次采用聚焦離子束技術(shù)成功地在 GaN 基發(fā)光器件上制備了二

22、維八重準(zhǔn)晶光子晶 體結(jié)構(gòu)。并將二維八重準(zhǔn)晶光子晶體應(yīng)用于電注入器件，得到了表面出光效率高達(dá) 2.5 倍的 增強(qiáng)。為二維準(zhǔn)晶光子晶體在 GaN 基發(fā)光器件中的應(yīng)用提供了一種可能的途徑。 3.6 無機(jī)玻璃陶瓷封裝 傳統(tǒng)的 LED 都采用環(huán)氧樹脂封裝，存在著熱導(dǎo)率低，化學(xué)穩(wěn)定性差，不防潮，尤其是 -5- 乃溫差，容易老化變黃等問題，后來又發(fā)展了硅樹脂，一定程度上改善了耐溫性，但仍存在 著老化問題。隨著功率型 LED 的研究，有機(jī)樹脂的缺陷已不能滿足封裝要求了。目前大量 研究的是陶瓷封裝材料，具有高熱導(dǎo)率，良好的穩(wěn)定性，高防潮能力，而且可以將熒光物質(zhì) 直接摻入玻璃原材料中進(jìn)行熔制，避免了以往熒光粉涂抹

23、不均勻及熒光粉自身易老化的問 題，是大功率 LED 的最有前景的封裝材料31-32。 4. 現(xiàn)代模擬技術(shù)在 LED 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 化學(xué)材料等學(xué)科發(fā)展到今天，已不僅僅是一門純實(shí)驗(yàn)學(xué)科，計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)的發(fā)展， 也給材料設(shè)計(jì)帶來了福音，大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，減小材料損耗。目前應(yīng)用于 LED 設(shè)計(jì)的軟 件主要是對(duì)溫度場(chǎng)模擬及材料優(yōu)化，光學(xué)結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)分布的模擬。 4.1 溫度場(chǎng)模擬及材料優(yōu)化 隨著功率的大幅升高， 節(jié)的產(chǎn)熱也大大的提高， PN 而這部分熱量會(huì)直接影響到 LED 的 工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光光譜、使用壽命等性能，對(duì)大功率芯片的封裝設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化更 顯得尤為重要。 溫度分布是電子封裝結(jié)構(gòu)最重要

24、的參數(shù)之一， 然而對(duì)封裝結(jié)構(gòu)溫度的實(shí)際測(cè) 準(zhǔn)比較困難，而且工作量非常大，為此，實(shí)際分析 LED 封裝結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)時(shí)通常采用數(shù)值 模擬的方法。Lianqiao Yang 40 等用有限元原理模擬了陶瓷封裝的 LED 熱分布。王春青41 等用 ANSYS 軟件模擬并優(yōu)化了 LED 整體的溫度分布和采用不同熱沉材料散熱情況，有助 于選擇合適的封裝基板材料。圖 4 是模擬 Cu-Mo-Cu 基板和鋁熱沉的溫度場(chǎng)分布結(jié)果。 圖 4 同時(shí)采用 Cu-Mo-Cu 基板和鋁熱沉的優(yōu)化結(jié)果 4.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)分布的模擬 圖 5 LED 光學(xué)模型 芯片是 LED 光學(xué)系統(tǒng)的光源,一般包括限制層、有源層、基底、

25、電極等幾個(gè)部分。光子 在有源層中產(chǎn)生,先經(jīng)芯片各層界面的折射,再經(jīng)芯片和環(huán)氧樹脂或其它材料界面的折射以及 反光碗的反射,最后經(jīng)透鏡表面折射進(jìn)入空氣。W.K. Wang42等用 Trace-Pro 模擬軟件研究了 藍(lán)寶石基板表面粗化對(duì)取光效率的影響，結(jié)果表明有利于取光效率的增加。陳建新43利用 -6- TracePro 軟件進(jìn)行 LED 芯片封裝的模擬,主要從反光杯的材料選擇,結(jié)構(gòu)造型和光學(xué)參數(shù)等方 面進(jìn)行優(yōu)化,以期設(shè)計(jì)出出光效率更高的芯片封裝形式。 5. LED 的應(yīng)用展望 LED 由于具有低能耗、壽命長、無頻閃、發(fā)熱量低、環(huán)保沒有汞污染,廢物可以回收和 可以平面封裝、易開發(fā)成輕薄小巧產(chǎn)品等優(yōu)

26、點(diǎn),已廣泛的應(yīng)用于指示燈，信息平面顯示， 景觀照明領(lǐng)域，性能優(yōu)越。目前正在改進(jìn)其作為顯示屏背景光源、汽車車燈和礦業(yè)生產(chǎn)中礦 燈，軍事上作為野戰(zhàn)、潛水、航天航空所需的特種固體光源特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用等。最有潛力 的是在家庭照明中的應(yīng)用，目前因?yàn)榘坠獾难萆暂^差，發(fā)光亮度不夠，成本較高等原因還 不能廣泛應(yīng)用 。但是我們有理由相信，科技的發(fā)展與市場(chǎng)的需求和在各國政府和企業(yè)的大 力支持,會(huì)共同促成 LED 時(shí)代的到來，LED 的技術(shù)會(huì)不斷成熟，成本也會(huì)繼續(xù)降低，白光 LED 作為第四代照明光源則 LED 固體照明在未來 5-10 年內(nèi)將會(huì)取得重大的市場(chǎng)突破。 參考文獻(xiàn) 1 周志敏，周紀(jì). LED 驅(qū)動(dòng)電路

27、設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:人民郵電出版社，2006.12 2 史光國.半導(dǎo)體發(fā)光二極管及固體照明M.北京:科學(xué)出版社，2007 3 R.M. de Zwart, R.A. Tacken,et al. Development of a MID LED housingN. Available online 8 October 2007. 4 Bright LED slows development. Review the advance.Semionductor MagazineJ. 2001,14(8):22 5 F.K. Yam, Z. Hassan. Innovative advances in

28、LED technologyJ.Microelectronics Journal. 2005 ， 36(2):129137 6 謝平.功率型白光 LED 的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用J.燈與照明. 2008, 32(1):8-10 7 L. Bechou, O. Rehioui，et.al.Measurement of the thermal characteristics of packaged double-heterostructure light emitting diodes for space applications using spontaneous optical spectrum prop

29、ertiesJ. Optics & Laser Technology. 2008,40(4): 589-601 8 Hiroki Iwanaga, Akio Amano,et.al.Development of ultraviolet LED devices containing europium (III) complexes in fluorescence layerJ. Journal of Alloys and Compounds 2006 ,408412 :921925 9 P. Thiyagarajan, M. Kottaisamy,et al. White light e

30、mitting diode synthesis using near ultraviolet light excitation on zinc oxideSilicon dioxide nanocompositeJ. Scripta Materialia . 2008,59 (7):722725 10 李長敏, 李中華,等. LED 暖白光照明用(Y 2.95 - x Gd x Ce 0.05 )Al5 O 12 系列熒光粉的晶相與三維熒光光譜 J. 大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào). 2007, 26(2):144-146 11 Arturas Katelnikovas, Pranci?kus Vitta

31、,et.al. Photoluminescence in solgel-derived YAG:Ce phosphorsJ .Journal of Crystal Growth, 2007, 304( 2):361-368 12 S. Mukherjee, V. Sudarsan,et.al.Luminescence studies on lanthanide ions (Eu3+, Dy3+ and Tb3+) doped YAG:Ce nano-phosphorsJ. Journal of Luminescence, 2009,129(1):69-72 13 H.M.H. Fadlalla

32、 , C.C. Tang,et.al. Synthesis and characterization of photoluminescent cerium-doped yttrium aluminum garnetJ.Materials Research Bulletin. 2008 (43): 34573462 14 LI PanLai, YANG ZhiPing. Preparation and luminescence characteristics of Sr3SiO5:Eu2+ phosphor for white LEDJ.Chinese Science Bulletin. 200

33、8,53(7):974-977 15 Ma, L.; Wang, D. J. et al. The origin of 505 nm-peaked photoluminescence from Ba3MgSi2O8 : Eu2+, Mn2+ phosphor for white-light-emitting diodesJ.Electrochem.and Solid State Lett.2008, 11 E1-E4 16 Hung-Wen Huang，Chih-Chiang Kao, et al. Investigation of InGaN/GaN light emitting diode

34、s with nano-roughened surface by excimer laser etching methodJ. Materials Science and Engineering . 2007 (136) :182186 17 茹考斯卡斯，舒爾,等著，黃世華譯.固體照明導(dǎo)論M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，8：37-38 18 F.K. Yam , Z. Hassan. Innovative advances in LED technologyJ.Microelectronics Journal, 2005(36):129137 19 Lung-Chien Chen , Ch

35、eng-Ban Chung ,et.al. GaN-based light-emitting diode with ZnO nanotexture layer prepared using hydrogen gasJ.Applied Surface Science 2008,254 (20) :65866589 20 H. Fang, X.N. Kang,et.al.Studies of improving light extraction efficiency of high power blue light-emitting diode by photo-enhanced chemical

36、 etchingJ. Journal of Crystal Growth. 2007,298: 703705 21 Y. Deshayes, I. Bord, et al.Selective activation of failure mechanisms in packaged double-heterostructure light emitting diodes using controlled neutron energy irradiationJ. Microelectronics Reliability. 2008, 48(8-9):13541360 22 L. Rigutti,

37、et al. Effects of internal fields on deep-level emission in InGaN/GaN quantum-well light-emitting diodes. Microelectron. J (2008), doi:10.1016/j.mejo.2008.07.030 -7- 23 Alan Mills.Advances in LED packagingJ. Review the advance semiconductor magazine. 2004/2005, 17 ( 9):16 24 Chen-Ming Chen, Ming-Hua

38、 Chung,et.al. Electroluminescent properties of color/luminance tunable organic light emitting diodes and their lifetime enhancement with encapsulationJ. Materials Science and Engineering: B,. Uncorrected Proof, Available online 5 November 2008 25 Adam Christensen, Samuel Graham.et.al. Thermal effect

39、s in packaging high power light emitting diode arraysJ.Applied Thermal Engineering. 2009,29( 2-3): 364-371 26 殷錄橋, 李清華.提高大功率 LED 散熱和出光封裝材料的研究J. 半導(dǎo)體技術(shù).2008 ,33 (4):281-285 27 蘇達(dá),王德苗.大功率 LED 散熱封裝技術(shù)研究J.照明工程學(xué)報(bào). 2007,18(2):69-71 28 Yi He, Brian E.Moreira.et.al. Thermal characterization of an epoxy-based

40、underfill material for flip chip packagingJ. Thermochimica Acta. 2000, 357-358(14) : 1-8. 29 S. K. Bhattacharya, R. R. Tummala.et.al. Integral passives for next generation of electronic packaging: application of epoxy/ceramic nanocomposites as integral capacitorsJ. Microelectronics Journal.2001,32(1

41、)： 11-19 30 Xiaoli Da, Xia Guo,et.al.The silicon oxynitride layer deposited at low temperature for high-brightness GaN-based light-emitting diodesJ.Solid-State Electronics. 2006, 50( 3):508-510 31 S. Liu et al., Opt. Mater. (2008), doi:10.1016/j.optmat.2008.01.007 32 陳宇彬,李炳乾.白光 LED 中的熒光粉老化研究J.佛山科學(xué)技術(shù)

42、學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2007,25(4) :6-8 33 吳海彬,王昌鈴.白光 LED 封裝材料對(duì)其光衰影響的實(shí)驗(yàn)研究J.光學(xué)學(xué)報(bào).2005,25(8):1091-1094 34 蒙 延 雙 , 王 達(dá) 健 . 復(fù) 合 膠 體 噴 霧 自 組 裝 Sr2Al2SiO7Eu2+ 熒 光 體 及 其 發(fā) 光 特 性 . 光 學(xué) 學(xué) 報(bào).2007,27(12):2235-2238 35 D. de Graafa, H.T. Hintzena.Long wavelength Eu2+ emission in Eu-doped YSiAlON glassesJ. Journal of the Eu

43、ropean Ceramic Society . 2003 (23): 10931097 36 Chun Feng Song, Ping Yang. Enhanced blue emission from Eu, Dy co-doped solgel Al2O3SiO2 glassesJ. Journal of Physics and Chemistry of Solids 2003 (64) :491494 37 T. Detchprohm, Y. Xia, et al.Dislocation analysis in homoepitaxial GaInN/GaN light emittin

44、g diode growthJ. Journal of Crystal Growth . 2007, (298) :272275 38 Baoshun Zhang,Hu Liang et al.High-performance III-nitride blue LEDs grown and fabricated on patterned Si substratesJ.Journal of Crystal Growth.2007,(298):725730 39 張振生,章蓓,等.GaN 基二維八重準(zhǔn)晶光子晶體制備與應(yīng)用J.北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,42(1):51 54. 40 Lianqiao Yang, Sunho Jang， al. Thermal analysis of high power GaN-based LEDs with ceramic packageJ. et Thermochimica Acta. 2007