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照明技術的應用采用注射電致發(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60年代末,世界上首個可見紅光LED誕生。到20世紀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(一個是紅色,另一個是綠色)能夠發(fā)出黃色光。在同一時期,俄國科學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70年代末,能發(fā)出純綠色光的LED誕生。20世紀80年代早期到中期,對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90年代早期,采用錮鋁磷化嫁生產出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。1998年白光LED的開發(fā)成功,使得LED的應用從單純的顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。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、反應速度快、環(huán)保等優(yōu)點,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,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固體照明無疑將應用于更廣泛的領域。傳統(tǒng)的小芯片LED在輸出功率與發(fā)光強度方面還遠遠達不到照明級別的要求,為此,用大功率LED照明成為實現(xiàn)普通照明的關鍵器件。但大功率LED的光電轉換效率不高,大約只有20%～35%的電能轉為光能,其余均轉換成為熱能。例如,1W的LED芯片,面積為lmm2,那么,其熱流密度可達到100W/cm2左右,如果將芯片的驅動電流增加到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產生嚴重的溫升效應。結溫升高會導致非輻射復合增加,繼而使得結溫繼續(xù)升高,造成惡性循環(huán),因此,有必要對LED的結溫變化進行研究。Arik等提出運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芯片有源層的影響。吳惠穎等利用有限元方法對功率型倒裝結構白光LED的空間溫度場進行模擬計算,實際測量結果和模擬的溫度場分布相吻合,在上述數(shù)值模擬的基礎之上,他們還分析了芯片尺寸與結溫的關系。在結溫的實驗測量方面,馬春雷等用動態(tài)電學來測量高功率LED熱阻和結溫的可行性,并分析了實驗裝置、測量步驟等影響測量結果的因素。梅毅等也對LED的溫度特性測試方面進行了研究。本研究對2種不同大功率LED封裝模組的性能參數(shù)進行了測試,如光通量、發(fā)光效率、正向電壓、色溫和顯色指數(shù)等,分析結溫變化對這些參數(shù)的影響,為大功率LED封裝模組的生產制造和在普通照明中的實際應用提供參考。2led光電參數(shù)測試系統(tǒng)本實驗的測試裝置包括0.5m光學積分球系統(tǒng)(包括CCD成像亮度計和輻射亮度計)、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,部分實驗裝置如圖1所示。普通照明用的大功率LED典型封裝結構見圖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。藍寶石襯底導熱性能較差,因此,目前大多大功率LED采用倒裝芯片技術。根據(jù)封裝目的的需要,對大功率LED多芯片模組中芯片的數(shù)量進行合理設計。圖3為LED光電參數(shù)測試系統(tǒng)結構示意圖。其中,大功率LED封裝模組被放入積分球內,由恒流源提供測試電流,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行處理。加熱器設置的溫度點溫度可等效為相應的模組結溫。測試電流為瞬態(tài)25ms脈沖直流,電流大小為典型工作電流值,保持不變,以保證測試結果的精確性在實驗中,帶有PCB基板的2種大功率LED封裝模組被用來進行相應的測試。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種封裝模組被標號為模組A和模組B,以便于進行區(qū)分。這2種封裝模組的結構基本相似,但由2家不同的LED封測公司加工而成,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熱墊。加熱器的變化范圍被設置為25～120℃。熱電偶導線被貼附于PCB板上,用來監(jiān)控整個加熱過程中的溫度。此外,實驗室的環(huán)境溫度被控制在25°C左右,以減少外界環(huán)境對實驗的影響。本實驗選取25、50、65、75、85、95、100、110℃等8個溫度點,用加熱器進行電加熱,使得相應的LED模組溫度達到指定溫度點,穩(wěn)定10min后,利用積分球光電測試系統(tǒng)來測量光電性能參數(shù)。3結構溫度對led轉色對顯色指數(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溫的變化情況。從圖4可以看出,LED結溫和正向電壓有較為明顯的線性關系。模組A的線性K絕對值為0.0502,而模組B為0.0156。隨著結溫的升高,2個LED模組的正向電壓值均呈下降趨勢;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,它等于單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。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得的模組光通量值為基準值,其他溫度點測得的光通量和基準值的比值作為光通量相對值,從而可以得出光通量相對值和LED模組結溫的變化關系(見圖5)。隨著結溫的升高,光通量呈減少趨勢,光通量相對值不斷變小。當前,LED業(yè)界定義熱/冷因數(shù)為光輸出在25℃和100℃時的比例;因此,在本實驗中,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)光效率是一個衡量電光源質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。本實驗采用積分球光電測試系統(tǒng)直接測得各個溫度點的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結溫的變化關系見圖6。隨著結溫升高,2種模組的發(fā)光效率均呈下降趨勢。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結溫的升高,兩模組的相關色溫(CCT)均有所變化。模組光源A的相關色溫從25℃的6249K降低到110℃的6112K,模組B的相關色溫變化則呈相反趨勢,是從25℃的2627K上升至110℃的3330K。顯色性指光源反映物體真實顏色的能力。光所發(fā)射的光譜內容決定光源的光色,光譜組成較廣的光源有可能提供較佳的顯色品質。當光源光譜中很少或缺乏物體在基準光源下所反射的主波時,會使顏色產生明顯的色差。色差愈大,光源對該色的顯色性愈差。顯色指數(shù)仍為目前定義光源顯色性評價的普遍方法。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。從實驗數(shù)據(jù)和結果可知,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芯片結溫的升高而降低,而且正向電壓隨結溫的變化有很好的線性關系。在恒定直流電源驅動下,隨著結溫溫度的升高,LED相應的正向電壓值呈現(xiàn)單調遞減。由此,LED的正向結電壓與結溫的關系可表示為式中,T0指的是結溫為25℃,也就是一般室溫,T1指的是某情況下該LED的芯片結溫。U0是LED結溫為25℃時LED兩端的正向結電壓,U1指的是芯片結溫為T1時LED兩端的正向結電壓,K是電壓隨溫度的變化系數(shù)。由此可以計算LED在不同結溫時的正向電壓的數(shù)值大小。封裝模組的正向電壓和芯片結溫的這種線性關系可用于測量大功率LED封裝器件的熱阻。對于大功率LED封裝模組的光通量和發(fā)光效率隨芯片結溫的升高而降低,這是因為一定頻率的光子輻射躍遷幾率是芯片結溫的減函數(shù),即芯片溫度的升高降低了輻射復合率,因此發(fā)光效率也會降低。進一步的解釋為,隨著芯片結溫的升高,電子占據(jù)量子態(tài)的范圍大,滿足選擇定律的幾率相對小,發(fā)生輻射復合的幾率也小,導致發(fā)光效率降低。對相關色溫和顯色指數(shù)而言,2種模組具有不同的變化:模組A的相關色溫和顯色指數(shù)均隨結溫的升高而降低;模組B的相關色溫和顯色指數(shù)隨結溫的升高而增加。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構造成的,如LED芯片的主波長、封裝熒光粉的材料和涂覆厚度等。模組B中由于在藍光LED芯片的基礎上添加了紅色LED芯片進行芯片排布,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)和較低的相關色溫結溫升高時,封裝模組中藍光芯片激發(fā)YAG熒光粉的發(fā)光波長將發(fā)生紅移,導致YAG熒光粉吸收率下降從而使得色溫發(fā)生變化。對于大功率LED封裝模組A而言,當其結溫控制在合理范圍內,如80℃時色溫為6150K左右,顯色指數(shù)為75左右,可應用于生產車間或室內體育場館照明。一些場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。當大功率LED封裝模組B的芯片結溫控制在70℃左右時,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所的照明需要。4降低led芯片結溫技術當前,大功率白光LED具有很多優(yōu)點,其應用面不斷擴大,正在逐步進入普通照明領域,具有強大的市場潛力。本實驗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,測試分析了結溫變化對其光電參數(shù)的影響。實驗結果表明,大功率LED封裝模組的芯片正向電壓、光通量、發(fā)光效率、相關色溫以及顯色指數(shù)都會隨LED芯片結溫的升高或降低而發(fā)生變化。特別地,過高的LED芯片結溫會導致非輻射復合增加,使得結溫繼續(xù)升高,從而導致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等問題,嚴重影響著影響大功率LED封裝模組的可靠性。同時,因為普通照明應用中某些場所對色溫和顯色指數(shù)的要求所以不同種大功率LED封裝模組的結溫要在工作中處于某個允許范圍內,即在實際運行中控制LED芯片的結溫,從而得到最佳的應用效果。從低碳節(jié)能的角度出發(fā),為了在普通照明應用中能有更高的發(fā)光效率,應盡可能降低大功率LED封裝模組實際工作時的芯片結溫,即采取相關措施和方法將