【正文】 167。 散熱設(shè)計 四、散熱機(jī)制 2. 對流情況 由（ 3）式得到對流熱交換的熱阻公式： （ 4） （ 4）中 h為熱傳導(dǎo)系數(shù)， A*為參與熱對流熱對流面積。 散熱設(shè)計 四、散熱機(jī)制 2. 對流情況 熱交換發(fā)生在固體和流體之間的界面，由流體的流動而帶走表面的熱量，由 Newton冷卻定律得到對流的熱交換公式： （ 3） A為材料的橫截面積。 同一加熱功率與環(huán)境溫度下，熱阻越大，即代表有更多的熱量不能從封裝中散出，而積聚在芯片的內(nèi)部，使芯片的結(jié)區(qū)溫度 T，升高越快，可靠性也越差。 167。 但是高熱導(dǎo)率材料如銅等材料，同時也會引入比較大的殘余應(yīng)力，并且粘片時，需要比較厚的粘結(jié)層。 散熱設(shè)計 四、散熱機(jī)制 1. 熱傳導(dǎo) 以下圖兩層材料的熱傳導(dǎo)為例 : （ 2） 167。 散熱設(shè)計 四、散熱機(jī)制 1. 熱傳導(dǎo) 其中 k為熱導(dǎo)率， A為面積， Δx為導(dǎo)熱材料的厚度， q為熱流密度，表示單位面積的耗散的功率。 167。 散熱設(shè)計 四、散熱機(jī)制 從熱能分析，假設(shè) Q=發(fā)散功率 (Pd) = Vf X If， 而且Vf和 If相對變化比較小。傳導(dǎo)和對流對 LED散熱比較重要。 與其他固體半導(dǎo)體器件相比， LED器件對溫度的敏感性更強。 167。 散熱設(shè)計 三、 LED的散熱考慮 4. 基板與外部冷卻設(shè)備連接材料的選取 根據(jù)分析，減低界面熱阻的方法為 : ? 增加材料表面的平整度， ? 減小空氣的容量； ? 施加接觸壓力。 由于空氣的界面熱阻很大，不利于擴(kuò)散，故大大增加了整體界面的熱阻。 散熱設(shè)計 三、 LED的散熱考慮 4. 基板與外部冷卻設(shè)備連接材料的選取 就界面熱阻而言，空氣間隙是最大的敵人。 散熱器散發(fā)的熱能與環(huán)境溫度的溫差大致成正比，對流的速度越快，則散熱器本身的熱阻也就越小。 167。 散熱設(shè)計 三、 LED的散熱考慮 3. 基板外部冷卻裝置的選取 大功率 LED器件在工作時大部分的損耗變成熱量，若不采取散熱措施，則芯片的溫度可達(dá)到或超過允許的節(jié)溫，器件期間將受到損壞，因此必須 加散熱裝置 。 散熱設(shè)計 三、 LED的散熱考慮 2. 接著就是基板的選擇 上表是常見的基板和支架的材料導(dǎo)熱系數(shù)，由表知，銀、純銅、黃金的導(dǎo)熱系數(shù)相對其他較高 但銀、純銅、黃金價格高，為了取得很好的性價比純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)，因此基板采用的是銅或鋁質(zhì)地。但是銀膠的熱阻很高， 而且銀膠固化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是：環(huán)氧樹脂骨架和銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高，對器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利，因此選擇的粘接的物質(zhì)是 錫膏 。 167。 167。 散熱設(shè)計 三、 LED的散熱考慮 為了降低產(chǎn)品的熱阻： 首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括支架、基板和填充材料等，各材料的熱阻要低，即要求導(dǎo)熱性能良好。 對于封裝和應(yīng)用來說，如何降低產(chǎn)品的熱阻，使 PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去，不僅可提高產(chǎn)品的飽和電流，提高產(chǎn)品的發(fā)光效率，同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。 167。 散熱設(shè)計 二、熱量對 LED的影響 2. 發(fā)光主波長偏移 隨著結(jié)溫的上升，發(fā)光的峰值波長也將向長波方向漂移，約 ，這對于通過由藍(lán)光芯片涂覆 YAG熒光粉混合得到的白光 LED來說，藍(lán)光波長的漂移，會引起與熒光粉激發(fā)波長的失配，從而降低白光 LED的整體發(fā)光效率，并導(dǎo)致白光色溫的改變。同時，由于熱損耗引起的溫升增高，發(fā)光二極管亮度將不再繼續(xù)隨著電流成比例提高，即顯示出熱飽和現(xiàn)象。 167。 167。 散熱設(shè)計 一、熱量來源 對 于由 PN結(jié)組成的發(fā)光二極管，當(dāng)正向電流從 PN結(jié)流過時， PN結(jié)有發(fā)熱損耗，這些熱量經(jīng)由粘結(jié)膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空氣中 。如何讓 LED保持長時間的持續(xù)可靠工作是目前大功率 LED器件封裝和系統(tǒng)封裝的關(guān)鍵技術(shù)。但 LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高，大約只有 15%至 20%左右電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余均轉(zhuǎn)換成為熱能。 167。 167。硅膠除了對短波長有較佳的抗熱性、較不易老化外，它還能夠分散藍(lán)色和近紫外光。 167。 封膠膠體設(shè)計 二 . 傳統(tǒng)的封裝膠 這是因為白光 LED發(fā)光光譜中，也包含了短波長的光線， 而環(huán)氧樹脂卻相當(dāng)容易被白光 LED中的短波長光線破壞 。 封膠膠體設(shè)計 二 . 傳統(tǒng)的封裝膠及其缺點 對白光 LED進(jìn)行封膠，傳統(tǒng)選取的是雙組分的環(huán)氧樹脂， 這種封裝膠存在下面兩個問題： ? 封裝用光學(xué)級的樹脂容易受熱變黃 ； ? 除此之外，不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影響，甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題 。 （ 2）同時，封裝材料對光線的吸收要小。 167。 封膠膠體設(shè)計 一 . 對封裝膠的要求 1. 理論分析 θ o=sin1(n1/n2) 其中 n2等 于 1，即空氣的折射率， n1是 GaN的折射率，由此計算得到臨界角 θ o約為 。 封膠膠體設(shè)計 一 . 對封裝膠的要求 1. 理論分析 根據(jù)折射定律，光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，當(dāng)入射角達(dá)到一定值，即大 于等于臨界角時，會發(fā)生全發(fā)射。 將涂布完成的芯片用紫外燈照射進(jìn)行固化，完成固化工藝過程。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 所以必須選擇可以 自動成型的 UV膠 ，將 UV膠與普通熒光粉按照一定的重量比進(jìn)行均勻混合調(diào)配 。 如果用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂來混合熒光粉，熒光粉溶液就會從芯片表面溢出 。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 根據(jù)前面介紹的倒裝芯片的結(jié)構(gòu) 而 得出涂抹工藝如 下圖所示 : 167。 大功率白光 LED的熒光粉涂抹技術(shù)則是只用將熒光粉均勻涂抹在表面就可以 ， 而 不用涂抹在芯片四周 。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 這樣就降低了在電極側(cè)面的光損耗，可有接近 于 正裝方式 2倍左右的光輸出。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 倒裝芯片是把 GaN LED晶粒倒裝焊在散熱板上，并在 P電極上方制作反射率較高的反射層， 即 將原先從 元 件上方發(fā)出的光線從 元 件其他的發(fā)光角度導(dǎo)出， 而 由藍(lán)寶石基板端 沿 取光。 在大功率白光 LED中，芯片的發(fā)光效率要求高，因此使用面積比小型芯片 (1mm2左右 )大 10倍的大型 LED芯片。 167。 但是對于支架式白光 LED的封裝工藝上是很難辦到的。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 但是這樣熒光粉涂抹方式還是不夠完美，芯片周圍 4個面的光強分布也是不同的。這樣能使芯片發(fā)出的光線垂直出射，并且能提高光線的出射率。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 根據(jù)兩層透鏡的光輻射圖樣， 選取的是凸透鏡 。 熒光粉可以在支架的杯面上形成三種透鏡形式： ? 凹透鏡； ? 平面透鏡； ? 凸透鏡。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 二 . 熒光粉涂覆 對于支架式白光 LED的外封裝有成型模具，頂部密封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用 : ? 保護(hù)管芯等不受外界侵蝕； ? 采用不同的形狀和材料性質(zhì) (摻或不摻散色劑 )，起透鏡 或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 2. 配制溶液 經(jīng)過反復(fù)的實驗，得到的熒光粉、表面活性劑、擴(kuò)散劑和環(huán)氧樹脂的最優(yōu)質(zhì)量配比為 10: 5: 3: 100。 于是在熒光粉溶液中引入了 表面活性劑 ，其作用是： ? 一部分可以吸附有機(jī)物； ? 一部分可以吸附無機(jī)物的表面活性劑。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 2. 配制溶液 如何改善熒光粉的因沉淀而引起的分布不均勻，這是新一步研究的問題。 熒光粉溶液的濃度分布不均勻會造成白光 LED的色溫分布不均，使得白光 LED的亮度和光斑都不能達(dá)到預(yù)期效果。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 2. 配制溶液 另外，芯片的尺寸和支架杯底的尺寸有差異。 所以產(chǎn)生的熱量不容易消散，這樣很容易使得熒光粉沉淀。 167。環(huán)氧樹脂是雙組分的： ? 一部分是樹脂； ? 另一個部分是固化劑屬于酸酐類。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 2. 配制溶液 通過理論分析知道：這種現(xiàn)象是由黃光功率偏大所引起的。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 2. 配制溶液 要解決完全激發(fā)的問題，就引入了擴(kuò)散劑這樣的一種物質(zhì)， 擴(kuò)散劑 可以增強藍(lán)光激發(fā)熒光粉的效率，從而增強了熒光粉的發(fā)光效率。 這種光斑形成的原因是因為熒光粉被藍(lán)色的光激發(fā)的不均勻，也就是說熒光粉的細(xì)小顆粒沒有被藍(lán)色的光完全激發(fā)。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 2. 配制溶液 因此應(yīng)該根據(jù)熒光粉的發(fā)光效率來合理配制熒光粉。根據(jù)白光的發(fā)光原理可以知道： ? 熒光粉加入的量太多就會造成發(fā)出的白光光偏黃， ? 熒光粉的量加入的太少就會使得發(fā)出的白光光偏藍(lán)。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 2. 配制溶液 有了溶劑再來配置溶液。 也就是說必須要將其在封裝前烤干，于是傳統(tǒng)采用外密封的環(huán)氧樹脂來做這種溶劑。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 一 . 調(diào)熒光粉 1. 溶劑選擇 選擇的溶劑必須是不能破壞熒光粉自身的組織，因此這個溶劑需要是不能和熒光粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種物質(zhì)。 只有將熒光粉溶解在一種溶劑中，然后再將這種熒光粉液體烤干，這樣才能使其覆蓋在藍(lán)色的芯片上。 167。 熒光粉溶液涂抹 技術(shù) 在白光 LED的設(shè)計中，最重要的步驟就是點熒光粉，點熒光粉是白光形成的關(guān)鍵。 六 、改善 LED的可靠性 在實際應(yīng)用中，人們普遍關(guān)注的 LED可靠性問題主要有：死燈、光衰、色移、閃爍和壽命等等 。就封裝技術(shù)而言， LED要降低成本，必須解決以下五個問題： ①成熟可行的技術(shù)路線； ②簡單可靠、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的工藝方法； ③通用化的產(chǎn)品設(shè)計； 167。 167。 在以上 3種 途徑中，散熱技術(shù)是關(guān)鍵。 功率型 LED封裝 關(guān)鍵技術(shù) 四、 提高 LED的單燈光通量和輸入功率 提高 LED的單燈光通量和輸入功率 的途徑有： 1. 在輸入功率一定的前提下，提高 LED的發(fā)光效率是獲取更大單燈光通量的最直接的途徑 ； 2. 采用大面積芯片封裝 LED，加大工作電流，可以獲得較高的單燈光通量和輸入功率； 167。 LED要進(jìn)入照明領(lǐng)域 ， 必須提高 LED的單燈光通量和輸入功率 。 167。 目前改善白光 LED在低色溫區(qū)的顯色性的主要方法有4種： 167。 167。 功率型 LED封裝 關(guān)鍵技術(shù) 3. 改善色溫與顯色性 在照明應(yīng)用通常要求的低色溫區(qū)域（ 2700K～ 5500K），