【正文】 均小于1，紅外光和紫外光的視見率為零。107米的黃綠光視見率的比稱為該波長的相對(duì)視見率。光通量：人眼所能感覺到的輻射能量，反映了一個(gè)光源所發(fā)出的光輻射能所引起的人眼光亮感覺的能力。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，單位為流明(lm)：光通量(lm)=683視見率輻射能量(W)。大功率LED作為半導(dǎo)體照明光源的代表，其技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用受到人們注。隨著發(fā)光效率的提高和輸入功率的增加，高亮度LED已進(jìn)入景觀照明明領(lǐng)域，并逐漸向通用照明市場(chǎng)發(fā)展。本課題主要圍繞高亮度LED照明光和電、光度特性參數(shù)的測(cè)試進(jìn)行研究，并對(duì)其封裝熱阻的計(jì)算作了探討，為源在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用作了必要的初步探索。本課題的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面：1)論述LED封裝發(fā)展趨勢(shì)；2)組裝幾種LED光源樣品并測(cè)試、評(píng)價(jià)其性能；3)關(guān)注LED發(fā)熱問題，探討改善其散熱能力的方法并實(shí)際制作出幾種不同的散熱器。4)對(duì)大功率LED的聚光問題進(jìn)行初步研究。2 LED2 LED的封裝與組裝2 LED的封裝與組裝LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但是作為發(fā)光器件，LED的封裝又有自己的特點(diǎn)：LED封裝不但要完成電信號(hào)的輸入輸出，保護(hù)芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過允許的范圍，這對(duì)于功率型LED的封裝來說顯得尤為重要；另外封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)電性能和發(fā)光效率的最優(yōu)化。 LED封裝方法的分類LED的封裝形式很多，主要包括支架式封裝、普通片式封裝、雙列直插式封裝、功率型封裝（芯片工作電流If≥200mA）和多芯片封裝等：，這種封裝不僅可以保護(hù)發(fā)光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子彈頭型的環(huán)氧樹脂可以起到透鏡的作用。這種封裝形式的LED是典型的點(diǎn)狀光源，最適合作指示燈用，而且生產(chǎn)插件時(shí)極其方便，但是其封裝熱阻比較高。，主要型號(hào)有0400600801201210等，封裝厚度一般在1mm以下，,因此在手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品中廣泛作為按鍵和屏幕的背光照明。，并在焊接電極陰線后用透明環(huán)氧材料包封，如“食人魚”式封裝。這種封裝芯片熱散失較支架式好，熱阻低。因?yàn)閷?duì)于普通照明，要求其光通量足夠大，一般在幾百流明以上。比如40W的白熾燈能發(fā)出約600流明的光通量，而一個(gè)40W的普通熒光燈發(fā)出的光通量超過3000流明。功率型封裝采用的是大尺寸LED芯片（如邊長40mil），其工作電流一般在200mA以上，可輸出幾十流明的光通量。輸入功率的不斷增加使得散熱問題變得非常突出，因此功率型封裝中LED芯片多為倒裝式互連以提高散熱性能。倒裝型LED由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴(kuò)展層，因而與傳統(tǒng)的正裝型LED相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時(shí)，封裝到硅基板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導(dǎo)電金屬層通過焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。，近來出現(xiàn)了多芯片封裝技術(shù)并獲得了很大的發(fā)展。2003年，Lamina Ceramics公司推出了自己的專利封裝技術(shù)—多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCCM)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED陣列。通過倒裝封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2以上，流明效率超過40lm/W，而使用壽命長達(dá)10年，并且能在較高的溫度環(huán)境下正常工作。美國UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，它采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，發(fā)光區(qū)位于中心，可在金屬線路板上排列多達(dá)40個(gè)超高亮度倒裝型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或藍(lán)色黃色二元色合成)。2006年2月，美國OPTEK公司推出了最新型的3D封裝的高亮度LED光源[16]，它的輸入功率為10W，輸出光通量為330流明，而視角則達(dá)到了120度。這些多芯片組合封裝的功率型LED不僅集成度高，散熱性能良好，而且可在大電流下工作，具有很高的光輸出量，是一種很有發(fā)展前途的LED光源封裝模式。作為新型照明光源，LED的發(fā)展?jié)摿κ俏鹩怪靡傻摹Ｈ藗兘诘哪繕?biāo)是將其發(fā)光效率和光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平，這期望于功率型LED和多芯片封裝技術(shù)。但目前功率型LED封裝還存在一些問題有待解決，比如散熱效率低和成本過高，另外靜電防護(hù)和新出現(xiàn)的無鉛化互連等問題也需注意。散熱一直是制約功率型LED發(fā)展的首要問題。根據(jù)美國OIDA發(fā)展規(guī)劃，到2012年，每個(gè)LED單元的發(fā)光量將達(dá)1000流明，發(fā)光效率為150lm/W，因此需要的輸入功率為7瓦，這其中由于產(chǎn)生熱量而浪費(fèi)的功率將達(dá)4瓦（(1klm)/(400lm/W－150lm/W)），這還不考慮其它的能量損失，假如驅(qū)動(dòng)電路與發(fā)光單元是集成的，那么還得算上30％以上的能量損失。雖然這個(gè)數(shù)值不大，但是由于必須在很小的芯片面積（(1klm/(400W/cm2150lm/W))上散失到周圍環(huán)境中，因此它的熱流量將達(dá)到235W/cm2，這是常規(guī)微處理芯片所產(chǎn)生熱流量的4～5倍！如此大的熱通量必須及時(shí)的散失掉，因?yàn)長ED的發(fā)光效率嚴(yán)重依賴于溫度，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度升高到一定水平后，會(huì)發(fā)生明顯的顏色漂移以及發(fā)光效率下降等現(xiàn)象。成本過高是LED光源面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。目前單顆1W LED元件的價(jià)格在15元左右，3W的價(jià)格在20元以上，標(biāo)稱發(fā)出的光通量分別為35lm和80lm。而一個(gè)出光量為3000多流明的40W熒光燈的價(jià)格卻不到10元。因此還需不斷提高LED元件的光通量，同時(shí)快速降低其價(jià)格。上述的多芯片封裝技術(shù)有望加速LED照明光源進(jìn)入通用照明市場(chǎng)。靜電防護(hù)在功率型LED封裝中是十分重要的。由于芯片的正負(fù)電極均位于芯片的同一個(gè)面上，間距很?。粚?duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化層的厚度僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，需要從電路設(shè)計(jì)、工藝操作以及附加保護(hù)器件上來保護(hù)功率型LED免遭靜電的損害。芯片輸入功率的提高還帶來一個(gè)新的問題——熱遷移。因?yàn)長ED芯片的功率密度非常大，而目前LED的發(fā)光效率較低，因此大量的電能轉(zhuǎn)化為了熱量。這些熱量在微小的芯片上產(chǎn)生很大的熱流密度，使得芯片與基板間形成一個(gè)較高的溫度梯度。由于原子在高低溫下的遷移速度不同，從而導(dǎo)致原子形成定向移動(dòng)，引起器件互連失效。隨著大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封裝技術(shù)不斷改進(jìn)以適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，如圖25所示：從開始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的3D陣列式封裝，其輸入功率不斷提高，而封裝熱阻顯著降低。根據(jù)美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)制定的目標(biāo)，到2012年，LED的發(fā)光效率將提高到150 lm/W，輸入功率密度達(dá)到400W/cm2，而成本則降到熒光燈的水平。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，進(jìn)一步改善LED封裝的熱管理將是關(guān)鍵之一，另外芯片設(shè)計(jì)制造與封裝工藝的有機(jī)融合也非常有利于產(chǎn)品性價(jià)比的提升，如美國Cree公司與Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)出了光通量超過1000 lm，發(fā)光效率達(dá)57 lm/W的LED燈泡，并已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用；隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，采用透明型封裝材料和功率型MOSFET封裝平臺(tái)將是LED封裝發(fā)展的一個(gè)方向，功能集成(比如驅(qū)動(dòng)電路)也將進(jìn)一步的推動(dòng)LED封裝技術(shù)的發(fā)展。以前應(yīng)用于其它學(xué)科中的技術(shù)也可能在未來LED照明光源的封裝中找到舞臺(tái)，如新興的流體自組裝（Fluidic SelfAssembly，F(xiàn)SA）技術(shù)等?！黧w自組裝功率型LED封裝采用的是大尺寸、高輸入電流的芯片。芯片尺寸的增大使得比表面積下降，出光效率降低，同時(shí)大的輸入電流會(huì)產(chǎn)生更多的集中熱量，這加劇了封裝散熱的負(fù)擔(dān)，影響了芯片性能的正常發(fā)揮。因此，人們?cè)O(shè)想能否采用發(fā)光效率高、散熱性能好的小尺寸LED芯片()進(jìn)行陣列式封裝，這不但能提高元件的發(fā)光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的降低。但是，芯片陣列封裝技術(shù)的要求很高，目前一種以流體作為工作介質(zhì)的流體自組裝技術(shù)（FSA）受到了人們的關(guān)注。FSA具有并行地、大批量地、高精度地將LED芯片組裝到基板上的能力，而且操作簡單靈活、散熱性能良好，有望實(shí)現(xiàn)多LED芯片的陣列式封裝。 FSA的基本特征FSA是指在無人工干預(yù)的情況下，微元件（比如LED芯片）在載體溶液中依靠溶液的流動(dòng)，自行完成與基板相應(yīng)組裝位置的對(duì)位組裝方式。組裝系統(tǒng)一般包括四個(gè)組成部分：微元件、組裝基板、載體溶液和粘結(jié)材料。其中選用的粘結(jié)材料只與互連的微元件/基板表面形成良好的潤濕，而不能潤濕其它表面。FSA源于分子生物學(xué)中的電泳技術(shù)，其工藝過程為：首先批量制造出一定外形的微元件，同時(shí)在基板上刻蝕出相應(yīng)外形的組裝點(diǎn)，并在互連位置涂上焊料；然后將過量的微元件分散懸浮在特定的載體溶液中，溶液的溫度使焊料處于熔融狀態(tài)；在外力攪拌的作用下，微元件就在基板組裝點(diǎn)周圍移動(dòng)，并隨機(jī)地接近某個(gè)對(duì)應(yīng)的組裝點(diǎn)；微元件在自身重力、液態(tài)粘結(jié)材料的毛細(xì)管力和表面張力等的作用下，經(jīng)過定位、定向而非常精確地連接到組裝點(diǎn)上；最后將沒有組裝的剩余微元件沖出基板表面，清除掉基板上的溶液。隨著組裝系統(tǒng)溫度的降低，粘結(jié)材料固化，從而完成機(jī)械與電互連。 LED芯片在FSA工藝中的對(duì)位方式在FSA工藝中，LED芯片在基板相應(yīng)組裝點(diǎn)上的定向和定位是組裝成功的關(guān)鍵步驟之一，它直接影響LED芯片組裝的質(zhì)量和效率。芯片與基板組裝點(diǎn)對(duì)位的方式大致可分為以下三種：外形匹配、粘結(jié)劑導(dǎo)向和混合對(duì)位模式。外形匹配式對(duì)位是主要通過微元件與基板上凹坑的外形對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微元件的定向和定位。其工藝一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同時(shí)在硅、玻璃等基板上刻蝕出相應(yīng)形狀的凹坑；然后將過量的LED芯片分散懸浮在選定的載體溶液中，在液體流動(dòng)或震動(dòng)的條件下，不同外形的元件將隨機(jī)落入與之相匹配的凹坑內(nèi)，如同拼裝積木一樣。沒有進(jìn)入組裝點(diǎn)的元件將被沖出基板表面，經(jīng)過清洗，進(jìn)入下一次的組裝。芯片在基板組裝點(diǎn)上對(duì)位后，將溶液清除干凈，經(jīng)過引線互連完成產(chǎn)品的組裝。外形匹配式自組裝原理簡單，具有在三維空間內(nèi)高密度組裝、可靠性高和組裝面平整等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景很好。HsiJen J等采用外形匹配方法成功地將GaAs LED自組裝到Si基板上，實(shí)現(xiàn)了光電子元件與硅基板的大規(guī)模集成，如圖21所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，組裝后留下一個(gè)較平整的表面。然后將載體溶液去除，在范德華力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面連接在一起了。最后采用半導(dǎo)體工藝中的金屬化和引線刻蝕等方法完成表面的電互連。圖21外形匹配式FSA示意圖粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位是在載體溶液的振蕩激發(fā)作用下，利用粘接劑產(chǎn)生的毛細(xì)管力先粘接住LED芯片，然后在系統(tǒng)界面自由能最小化的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)芯片在組裝點(diǎn)上精確地定位和定向。對(duì)于不同特性的微元件，通常需要進(jìn)行多匹次并行裝配，即在單匹次中只并行裝配同一類芯片。在單匹次FSA工藝中，首先在基板和/或待裝配微元件的綁定位置涂上自組裝單層（selfassembled monolayer，SAM），形成相互匹配的綁定點(diǎn)；然后在基板綁定點(diǎn)上涂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑可以是導(dǎo)電焊料或不導(dǎo)電的粘結(jié)材料，它與SAM間有很好的潤濕性，與其它的材料表面和載體溶液則難以潤濕；接著將懸浮有芯片的載體溶液倒入裝有基板的裝配槽內(nèi)進(jìn)行對(duì)位組裝；最后去除載體溶液，通過加熱或紫外線照射等固化粘結(jié)材料，完成微系統(tǒng)的自組裝。混合對(duì)位模式自組裝是使用具有特定導(dǎo)向性外形的LED芯片，在基板或芯片相應(yīng)的焊盤上涂覆粘結(jié)劑，然后將微元件懸浮在載體溶液中，在液體流動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自行對(duì)位組裝。它結(jié)合了外形匹配和粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位這兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的識(shí)別不同類型微元件和高可靠性地并行組裝能力，因此能夠更加高效準(zhǔn)確地完成芯片的自組裝。Wei Zheng等研究了這種混合對(duì)位模式的自組裝方法，成功地將幾百個(gè)微小的AlGaInP/GaAs發(fā)光二極管在4分鐘內(nèi)組裝到載體基板上，組裝成功率超過97％。該實(shí)驗(yàn)性微系統(tǒng)包括三個(gè)組件：一個(gè)LED芯片，一個(gè)硅載體和一個(gè)耐熱的玻璃包封單元。硅載體和玻璃包封單元均刻蝕有200微米深的菱臺(tái)形開口，這與LED芯片的厚度一致。三個(gè)組件具有明顯互補(bǔ)的外形、銅引線電路和銦焊料圖案，圖21（a）顯示了硅載體和玻璃包封單元的制作過程。完成微組件的制備后，然后在100℃的乙烯乙二醇（沸點(diǎn)197℃）溶液中，在活塞泵產(chǎn)生的脈沖流體的強(qiáng)力攪拌下，經(jīng)兩步完成微系統(tǒng)的自組裝：第一步是硅載體和LED芯片依靠外形識(shí)別自行對(duì)位，鍍金的芯片背面與硅載體凹坑內(nèi)涂覆有銦焊料的底面連接，液態(tài)焊料表面能最小化驅(qū)使LED芯片自行地調(diào)整到對(duì)準(zhǔn)的位置，對(duì)準(zhǔn)精度一般可達(dá)亞微米級(jí)，如圖21（b）。第二步是互連后的芯片與玻璃包封單元的組裝，玻璃包封單元的中心有一200微米深的菱臺(tái)形開口，可以在組裝過程中識(shí)別第一步完成的LED芯片。每個(gè)開口有5個(gè)涂覆焊料的表面，它們可潤濕并連接到LED相應(yīng)鍍金的外形面和硅基板上。玻璃包封單元可以保護(hù)組裝的LED元件和完善電互連。經(jīng)過對(duì)混合模式對(duì)位自組裝工藝過程的分析，人們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的缺陷不是自組裝方法本身導(dǎo)致的，它主要與可能構(gòu)造的空間局部能量最小化分布和脈沖泵的攪拌水平有關(guān)，通過優(yōu)化元件設(shè)計(jì)以及合適的攪拌，混合對(duì)位模式自組裝工藝的成功率將進(jìn)一步提高。 1 3 LED光源的光電參數(shù) 3 LED光源的光電參數(shù)對(duì)于照明光源，人們一般傾向于近似太陽光的白光照明。目前LED發(fā)白光的方式比較多，每種方法得到的白光的質(zhì)量也不盡相同。為了評(píng)價(jià)LED光源的性能，需要對(duì)其電與光等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，比如發(fā)光效率、光通量、顯色指數(shù)等。但由于LED特殊的結(jié)構(gòu)，其光源性能參數(shù)的測(cè)試有特別的要求，這樣才能保證測(cè)量的一致性和準(zhǔn)確性。 LED發(fā)白光的原理目前使用的白光LED生產(chǎn)技術(shù)，主要可分為單晶型和多晶型兩種：