【正文】 采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法, 降低結(jié)溫, 多數(shù)LED 的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA 左右,主要適合小功率LED 產(chǎn)品。這就需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu), 引入全新的LED 封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù),改善LED 的熱特性。其中,如何消除LED 工作中產(chǎn)生的熱,提高LED 的性能和壽命是各個(gè)廠家著力解決也很難完善解決的難題。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)、發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等特征, LED 產(chǎn)品有多種分類方法,從LED 產(chǎn)品的封裝結(jié)構(gòu)來(lái)看, 主要有引腳式封裝、表面貼裝封裝、功率型封裝三種類型。例如,發(fā)光顯示器產(chǎn)品也是用多個(gè)管芯, 通過(guò)管芯的適當(dāng)連接(包括串聯(lián)和并聯(lián)) 與合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)組合而成的,構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點(diǎn)。3. 1 引腳式封裝LED 引腳式封裝采用引線架作為各種封裝外型的引腳,是最先研發(fā)成功投放市場(chǎng)的封裝結(jié)構(gòu), 技術(shù)成熟度較高, 品種繁多, 配套材料和設(shè)備齊全, 價(jià)格低廉, 使用簡(jiǎn)單,并且封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn), 目前被廣泛應(yīng)用。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹(shù)脂, 其光性能優(yōu)良, 工藝適應(yīng)性好, 產(chǎn)品可靠性高,可做成有色透明或無(wú)色透明和有色散射或無(wú)色散射的透鏡封裝,不同的透鏡形狀構(gòu)成多種外形及尺寸, 環(huán)氧樹(shù)脂的不同組份可產(chǎn)生不同的發(fā)光效果。點(diǎn)、面光源現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出數(shù)百種封裝外形及尺寸, 供市場(chǎng)及客戶選用,實(shí)際應(yīng)用中, 用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要采用點(diǎn)光源或面光源進(jìn)行組合。但是這種封裝形式存在致命缺陷, 首先, 體積較大,不適合器件的微型化發(fā)展。這種封裝形式的光輸出很難得到大幅度提升, 無(wú)法成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。3. 2 表面貼裝封裝為了增加光輸出, 進(jìn)一步將產(chǎn)品微型化, 科技人員成功開(kāi)發(fā)了表面貼裝封裝技術(shù)( SMD ) 。表面貼裝封裝的LED ( SMD LED ) 額定電流一般大于5 0mA (目前, LED 額定電流達(dá)到100 0mA 以上) , 功率較大,可以單只使用。SMD LED 替代引腳式LED , 應(yīng)用設(shè)計(jì)更靈活, 從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD 是整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。目前, SMD LED 封裝技術(shù)的焦點(diǎn)是研發(fā)在3. 5V、大于1A 驅(qū)動(dòng)條件下工作的功率型SMD LED 封裝。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率提高了幾倍,熱阻降為原來(lái)的幾分之一。LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展,在大電流下產(chǎn)生比φ5mm LED大10~20倍的光通量,必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問(wèn)題,因此,管殼及封裝是其關(guān)鍵技術(shù),目前能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。目前正開(kāi)發(fā)出可承受10W功率的LED,采用大面積管芯,可在5A電流下工作,光輸出達(dá)200lm。這種封裝的取光效率、散熱性能以及加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。此外,封裝好的SMDLED體積很小,可靈活地組合起來(lái),構(gòu)成模塊型、導(dǎo)光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。2000年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作6000h后,其光強(qiáng)已降至原來(lái)的一半。不同顏色的LED的光衰減速度不同,其中紅色最慢,藍(lán)、綠色居中,白色最快。此外,環(huán)氧樹(shù)脂變黃也將使光輸出降低。全新的LED功率型封裝設(shè)計(jì)理念主要?dú)w為兩類,一類為單芯片功率型封裝,另一類為多芯片功率型封裝。這種封裝對(duì)于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的,其主要特點(diǎn)有：① 熱阻低。② 可靠性高。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料,不會(huì)出現(xiàn)普通光學(xué)環(huán)氧樹(shù)脂那樣的變黃現(xiàn)象,金屬引線框架也不會(huì)因氧化而臟污。在應(yīng)用中可將它們組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的電路板(鋁芯PCB板)上,電路板作為器件電極連接的布線用,鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。單芯片瓦級(jí)功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED,該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式,將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上,并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料,現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。(2)功率型LED的多芯片組合封裝(),發(fā)光區(qū)位于其中央部位,(),可容納40個(gè)LED芯片。根據(jù)所需輸出光功率的大小來(lái)確定襯底上排列管芯的數(shù)目,組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP,它們的發(fā)射光可為單色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由藍(lán)色和黃色二元合成)。由40個(gè)AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。由此可見(jiàn),這種采用常規(guī)芯片進(jìn)行高密度組合封裝的功率型LED可以達(dá)到較高的亮度水平,具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點(diǎn)。美國(guó)UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED,其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。我國(guó)臺(tái)灣UEC(國(guó)聯(lián))公司采用金屬鍵合(Metal Bonding)技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點(diǎn)是,用Si代替GaAs襯底,散熱效果好,并以金屬粘結(jié)層作為光反射層,提高了光輸出。大功率LED封裝中主要需考慮的問(wèn)題有：① 散熱。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散出,保持PN結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi),將無(wú)法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。銅的導(dǎo)熱率比較接近銀,且其成本較銀低。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)較為合適的做法是：連接芯片部分采用銅基或銀基熱襯,再將該熱襯連接在鋁基散熱器上,采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu),利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器,再通過(guò)鋁基散熱器將熱量散出(通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出)。應(yīng)注意的是：連接銅基熱襯與芯片的材料的選擇是十分重要的,LED行業(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。另外,銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為環(huán)氧樹(shù)脂骨架+銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的熱阻極高且TG點(diǎn)較低,對(duì)器件的散熱與物理特性的穩(wěn)定極為不利。錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。傳統(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能,由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧樹(shù)脂的折射率相差較大,致使內(nèi)部的全反射臨界角很小,有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出,大部分光在芯片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收,這是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。通過(guò)芯片的倒裝技術(shù)(Flip Chip)可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。芯片側(cè)面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法加以反射出,增加器件的出光率。經(jīng)過(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)的改善,可以大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)。常用的透鏡形狀有：凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡材料應(yīng)選擇高透光率的玻璃或亞克力等合成材料,也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂模組式封裝,加上二次散熱設(shè)計(jì)也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。為管簇最大流速時(shí)的雷諾數(shù)。為壁面普朗特?cái)?shù)。k可為介質(zhì)傳熱系數(shù)。為冷卻水最大流速。和分別為管簇的橫排和縱排間距。ρ 為介質(zhì)密度。K)?為了增加散熱效果,熱沉選用具有高熱導(dǎo)率的金剛石(其熱導(dǎo)率κ≥1kW/(mK),在不同的封裝間距下,利用ANSYS有限元模擬,整個(gè)LD 陣列的熱阻與封裝間距的關(guān)系如圖4所示?圖4 表明, 以后,熱阻隨封裝間距的變化比較小?因此,對(duì)于單個(gè)輸出功率100 W 的LD 芯片,占空比為15% 時(shí), 如果芯片的工作結(jié)溫小于50℃,根據(jù)熱阻與結(jié)溫的關(guān)系(5)式中: ,為最高工作結(jié)溫和冷卻水溫度。K)?金剛石以其良好的導(dǎo)熱性成為了高密度?高占空比LD 疊陣封裝的首選熱沉材料?但是,金剛石的熱膨脹系數(shù)與芯片(GaAs)和銅的差別都很大,因此選用軟焊料銦(In)作為界面焊接材料? 目前,背冷式疊陣傳統(tǒng)封裝工藝中,熱沉與冷卻器之間的電絕緣主要選用陶瓷片?但該工藝對(duì)焊接夾具的精度要求很高,而且隨著芯片數(shù)量的增加,精度要求也不斷增加,同時(shí),該結(jié)構(gòu)也增加了界面熱阻,難以達(dá)到高功率密度疊陣LD 散熱要求?因此,本文采用熱沉和絕緣層一體化的設(shè)計(jì)理念,利用金剛石的絕緣特性,在金剛石熱沉金屬化過(guò)程中,通過(guò)制作精密掩模板保護(hù),直接在金剛石熱沉上制作絕緣帶,絕緣帶的寬度控制在150~200μm 之間?金剛石作為芯片之間電極,使LD 單元之間形成良好電連接。 表1 高功率密度LD疊陣性能測(cè)試參數(shù)對(duì)照Duty cycle/%Frequency/HZPulse width/μmOperating current/ACenter wavelength/nmPeak power/W1005010010544002501001022600250100986其輸出的峰值功率有所降低,這是由于二極管激光器本身隨結(jié)溫升高,波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)造成的。 為pn結(jié)溫度的變化量? ℃,當(dāng)水溫為25 ℃時(shí), ℃,LD 芯片pn結(jié)相對(duì)于冷卻水的熱阻為即整體封裝電阻為(7)式中: 為熱功率?封裝的準(zhǔn)連續(xù)二極管激光器電光效率為46%,在占空比為15%,電流為100A 時(shí),輸出的平均光功率為148 W, W?代入公式(7)可得, ℃/W,達(dá)到了較好的散熱能力? 圖7為不同占空比下LD 陣列的光譜曲線,由圖可以看出,封裝的二極管激光器陣列隨著工作占空比的提高,光譜曲線寬度小于3nm?圖8為不同占空比條件下LD 疊陣的輸出功率和電流關(guān)系曲線,由圖可知,工作占空比對(duì)輸出功率影響不大,在電流為100A 時(shí),輸出功率均為1kW 左右,激光器閾值電流約為20 A?根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,激光器可以在占空比為15%情況下正常運(yùn)行,因此散熱冷卻滿足設(shè)計(jì)要求?根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果,利用金剛石制作的帶絕緣帶熱沉,可實(shí)現(xiàn)高占空比?高功率密度的LD 封裝?圖7 不同占空比條件下LD 光譜分布 圖8 不同占空比下LD 疊陣的PI曲線5 功率型的前景 功率型LED的研制起始于20世紀(jì)60年代中期的GaAs紅外光源,由于其可靠性高、體積孝重量