（材料物理与化学专业论文）大功率led特性研究.pdf

华南师范大学硕士学位论文摘要 详细分析了3 种不同电流条件下这两种因素对1 w 、3 w 白光l e d 发光效率 的影响，结果显示：在有限大热沉的散热条件下，输入功率越高，1 w 白光 l e d 和3 w 白光l e d 的发光效率相差越多，发光效率的主要影响因素也由 光视效能逐渐转变为受温度影响的白光l e d 的电光转换效率。 ( 4 ) 设计了一种采用金属支架直接导热的大功率红外发光二极管封装结构。 该封装结构通过增加芯片底部金属基座的厚度和尺寸，有效提高了散热效果， 降低了封装热阻。实验测量显示，大功率红外发光二极管峰值波长在8 5 0 n m 附近，发光束角1 0 度，典型输入功率为0 5 w ，最大输入功率可以达到2 w 以上，最大电光转换效率为3 7 8 2 ，最大辐射功率达到4 1 5 2 5 m w 。 关键词：白光l e d ；红外发光二极管；热阻；发光效率；光视效能；电光 转换效率； h 华南师范人学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp o w e r l e d m a j o r ：m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a m e ：z h e n g h a ox i a a bs t r a c t s u p e r v i s o r ：b i n g q i a nl i l i g h te m i t t i n gd i o d ei s ak i n dd e v i c e s ，b a s e do n p r i n c i p l e s o f s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sp r o d u c e de l e c t r o l u m i n e s c e n c e 、析t l lt h ea d v a n t a g eo f h i g he l e c t r o - o p t i c a l c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , l o n gl i f e ，s m a l l ，g r e e n ，e t c a r e i n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e db yp e o p l e ad e e pu n d e r t a n d i n go ft h ev a r i o u s p a r a m e t e r so fl e d ，a n dt h ev a r i o u sp a r a m e t e r si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，i sc o n d u c i v e t op e o p l e sr e a s o n a b l eu s eo fl e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h el e dl u m i n e s c e n c e m e c h a n i s m ，o p t i c a lp a r a m e t e r sa n ds p e c t r a lp a r a m e t e r so ft h ew h i t el e d t h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fd i f f e r e n tt y p el e d s ，r e v e a l st h et e m p e r a t u r e ， p a c k a g i n gm e t h o d ，c u r r e n ta n do t h e rf a c t o r so nt h el e dl u m i n e s c e n c e t h e s i s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ad e t a i l e da n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nt h el i g h te f f i c i e n c yo f w h i t el e d ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ea f f e c t w h i t el e dl u m i n o u se f f i c i e n c yb yt h ef o l l o w i n gt h r e e ：1 ) r e d u c et h er a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o ne f f i c i e n c yo fl e dc h i p s ；2 ) r e d u c et h ep h o s p h o rc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y ；3 ) l e dt ot h ec h i pp e a kw a v e l e n g t hs h i f tt ol o n g e rw a v e l e n g t h ，s ot h a t t h ec h i pe m i s s i o nw a v e l e n g t hd o e sn o tm a t c ht h ep h o s p h o re x c i t a t i o nw a v e l e n g t h ( 2 ) c o m p a r i s o no ft h e lw , 3 wb l u e l e d sp o w e r - e l e c t r o o p t i c a l c o n v e r s i o nc u r v e i nt h el o wc u r r e n tp h a s e ，r e c o m b i n a t i o ng e n e r a t e di n s i d et h e c h i p ，i sm a i n l yc a u s e db yd e f e c tl e v e l sa n ds o m ed e 印l e v e li m p u r i t i e s w h e nt h e c u r r e n t g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，t h er a d i a t i o np r o d u c e db yt h ed i f f u s i o nc u r r e n t c o m p o s i t ei n c r e a s e d ，s oc h i pe l e c t r o - o p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e d g r a d u a l l y w h e nt h ee l e c t r o o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e a c h e dt h em a x i m u m v a l u e ，t h ec u r v eh a sb e e nf a l l i n g ，t h er e s u l ts h o w e dt h et r e n di nt h ee a r l yf a l l b e c a u s et h ec u r r e n ti n j e c t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e d ，w i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s eo f 1 i i 华南师范丈学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e r , g r a d u a l l yr e f l e c tt h er o l eo ft e m p e r a t u r e t h ec o m p a r i s o no f1w b l u el e da n dt h en o r m a l i z e de l e c t r i cp o w e r3 wl e d se l e c t r o o p t i c a lc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yc u r v e s h o w e d3 wb l u el e dc h i p sa r r a n g e dh e l po u tl i g h t ( 3 ) s t u d yt h el u m i n o u se f f i c i e n c yo f w h i t el e df r o mt w oa s p e c t s ，l e d s e l e c t r o o p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dd i f f e r e n tc o l o rt e m p e r a t u r el i g h t c o r r e s p o n d e dl u m i n o u se f f i c a c y t h ee l e c t r o o p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f w h i t el e dc h a n g ed e p e n d sl a r g e l yo nt h eb l u ec h i pp r o p e r t i e s m i x i n gp h o s p h o r c a ni n c r e a s et h ew h i t el e d e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s o t h ed e v i c ei sm o r e s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e 1w , 3 ww h i t el e dl i g h tp o w e r - c o l o rt e m p e r a t u r e c u r v es h o w s ：a st h ed i f f e r e n te x c i t a t i o nl e v e l so fp h o s p h o rl a y e r , 、 ，i mt h eo p t i c a l p o w e ri n c r e a s e s ，t h ei n i t i a lc o l o rt e m p e r a t u r ec h a n g e sv i o l e n t l y , t oa c e r t a i np o i n t ， t h ec o l o rt e m p e r a t u r ec h a n g eg r a d u a l l yb e c o m es m o o t h ad e t a i l e da n a l y s i so f3 d i f f e r e nc u r r e n tc o n d i t i o n so flw , 3 ww h i t el e d sl u m i n o u se f f i c i e n c y , t h e r e s u l t ss h o w ：i nt h el i m i t e dh e a tc o n d i t i o n s ，t h eh i g h e ri n p u tp o w e r , t h em o r e d i f f e r e n tb e t w e e n1 wa n d3 ww h i t el e d sl u m i n o u se f f i c i e n c y , t h em a i nf a c t o r s t h a ta f f e c tt h el u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yf r o ml u m i n o u se f f i c a c yt oe l e c t r o o p t i c a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ( 4 ) u s i n gm e t a lf r a m e w o r kf o rh e a tc o n d u c t i o n ，an e wp a c k a g i n gs t r u c t u r e f o rp o w e ri n f r a r e dl i g h t e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) i si n t r o d u c e d t h i ss t r u c t u r e i m p r o v e st h eh e a td i s s i p a t i o ne f f e c t i v e l yb yi n c r e a s i n gt h es i z ea n d t h et h i c k n e s s o ft h em e t a lf r a m e w o r k e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a kw a v e l e n g t ho ft h e i n f r a r e dl e di s8 5 0 h m ，w i t ht h eb e a ma n 酉eo f10d e g r e e t h et y p i c a li n p u t p o w e ri s0 5 w , a n dt h em a x i m u mi n p u tp o w e rc a r lr e a c hh i g h e rt h a n2 w t h e l a r g e s te l e c t r o o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi su pt o3 7 8 2 ，a n d t h el a r g e s t r a d i a t i o np o w e rr e a c h e s4 15 2 5 m w k e yw o r d s ： w h i t el e d ；i n f r a r e dl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ；r e s i s t a n c e ；l u m i n o u s e f f i c i e n c y ；l u m i n o u se f f i c i e n c y ；e l e c t r o - o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y i v 华南师范大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论。1 1 1l e d 的发展与现状1 1 2l e d 的发光原理3 1 3l e d 主要的封装形式4 1 3 1 引脚式封装结构5 1 3 2 表贴式封装结构5 1 3 3 功率型封装结构6 1 3 4 瓦级大功率封装结构7 1 4l e d 的各项特性及重要参数1o 1 4 1 光谱特性11 1 4 2l e d 电学特性1 1 1 4 3 发光效率1 2 1 4 4 发光强度1 3 1 4 5 寿命14 1 5 本论文的主要研究内容1 4 第二章白光l e d 特性研究。1 7 2 1 白光l e d 的发展1 7 2 2 白光l e d 的制作方法18 2 3 白光l e d 的光谱参数2 0 2 3 1 色坐标2 0 2 3 2 色温2 1 华南师范大学硕士学位论文目录 2 3 3 显色指数21 2 4 温度对白光l e d 发光效率的影响2 2 2 4 1 温度对l e d 芯片的影响2 2 2 4 2 温度对荧光粉的影响2 2 2 5 本章小结2 6 第三章g a n 基蓝光l e d 发光效率研究2 8 3 1 引言2 8 3 2 样品制作及测试2 9 3 3 蓝光l e d 电功率电光转换效率曲线研究3 0 3 4 温度、封装方式对蓝光l e d 电光转换效率的影响3 2 3 5 总结3 3 第四章1 w 、3 w 白光l e d 发光效率研究3 5 4 1 引言3 5 4 2 样品制作及测量3 5 4 3 白光l e d 发光效率影响因素分析3 6 4 3 11 w 、3 w 白光l e d 电光转换效率研究3 7 4 3 21 w 、3 w 白光l e d 的光色参数3 9 4 41 w 、3 w 白光l e d 发光效率研究4 l 4 5 结论4 3 第五章金属支架0 5 w 红外发光二极管研究。4 4 5 1 引言4 4 5 2 封装结构及关键材料的选择4 4 华南帅范人学硕f 二学位论文目录 5 2 1 封装结构4 5 5 2 2 芯片结构4 6 5 3 特性测量结果及分析4 7 5 3 1 不同器件的电流辐射强度对比4 7 5 3 2 不同条件下大功率器件的电流。辐射强度对比一4 8 5 3 3 不同器件的电流电光转换效率对比4 9 5 4 总结5 0 第六章总结与展望。5 1 参考文献- 5 4 致谢。5 9 作者攻读学位期间发表的学术论文目录。6 0 华南师范人学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1l e d 的发展与现状 l e d 作为一种新型的照明技术，具有发光效率高、可靠性高、体积小、 绿色环保、，使用寿命长等优点，被业界认为是未来照明技术的主要发展方 向【l ，2 】。由于l e d 是将电功率直接转换为光功率的冷光源，与白炽灯、荧光 灯相比，输出同样的光通量，耗电量仅为普通白炽灯的1 1 0 ，荧光灯管的 1 2 ，其节能效益十分可观。 从上个世纪6 0 年代初l e d 的发明到今天逐步走入人们的生活，l e d 的发展经历了四个不同的阶段【3 】： 1 9 6 2 年，发明家n i c kh o l o n y a k 发明了第一粒红光二极管，是继爱迪 生发明电灯后，照明领域的又一次重大变革。2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代受 发光强度的限制，l e d 主要应用于状态指示领域。此时的l e d 多采用间接 带隙的g a a s p 、g a p 材料制作p n 结，主要采用液相外延法( l p e ) 生长芯片， 并在材料中掺入n 、z n 、o 等杂质元素形成等电子陷阱以提高发光效率。 经过近2 0 年的发展，流明效率从最初的0 1 l m w 提高到l l m w 左右。另外 通过调整g a a s p 材料中a s 和p 的比例，使g a a s pl e d 的发光颜色从红光 扩展到橙、黄光；通过在g a p 材料中掺入z n 和o 元素实现g a p l e d 发红 光，掺入n 元素实现g a p l e d 发黄绿光【4 】。 8 0 年代初到9 0 年代初，l e d 在材料和结构上都有很大的改进。首先 直接带隙的g a a l a s 三元系材料出现，使器件发光机制由杂质发光变为带间 直接跃迁，大大提高了器件的电光转换效率；结构上异质结、双异质结替 代了同质结，增加了复合几率。经过近十年的发展，l e d 的外量子效率达 到8 ，流明效率接近1 0 1 m w 。但由于g a a i a s 三元系材料的光衰严重， l e d 在户外的应用仍然受到局限。 9 0 年代到上世纪末，随着日本科学家中村修二教授发明的蓝光l e d 的 问世，l e d 实现了全彩化，超高亮度化。成功的将发光二极管的应用领域 从状态显示、户内显示扩展到交通信号灯、户外全彩大屏幕显示，并且开 始应用于装饰照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种照明领域。在发光材 华南师范大学硕上学位论文 第一章绪论 料上，人们采用了直接带隙的g a a i i n p 四元系材料发红光、黄光和g a n 材 料发绿光、蓝光。通过调节g a a i l n p 材料中a l 的组分，实现禁带宽度从 1 9 e v 到2 2 e v ，发光波长从5 6 0 n m 到6 5 0 n m 的变化，实现l e d 从红色到 绿色的发光，亮度也达到了超高亮度。通过调节g a a i l n n 材料中i n 、a l 的 组份，使l e d 的禁带宽度在2 0 e v 到6 3 e v 之问连续变化，理论上可以得 到从紫外到红色的所有波长的光。生长技术上，目前最先进的材料生长技 术m o c v d 和m b e 替代了原来的l p e 技术，m o c v d 技术能够用于大批 量生产，m b e 技术能够非常精确控制膜层厚度，实现完整晶体单原子层厚 度生长，这两种技术的引入使得生长各种复杂的芯片结构成为可能，如单 量子阱、多量子阱、布拉格发射层、透明电极、梯形切割等技术大大提高 了l e d 的量子效率和出光效率，g a a i l n p 材料制备的l e d 在红光、橙光区 的流明效率达到1 0 1 m w 。在蓝宝石衬底上生长的g a n 基蓝光l e d 芯片， 不仅实现了l e d 的全彩化，在此基础上制作出白光l e d ，使得l e d 进入 照明领域，替代传统照明灯具成为可能。 2 1 世纪初至今，逐步实现了全色彩、高亮度、全固态l e d 光源，已经 在人们的生活中得到广泛的应用。伴随着人们对更高功率、更高亮度l e d 需求的增长，以及半导体制作工艺和封装技术的不断发展，l e d 芯片尺寸 和封装方式朝着大功率方向发展，尤其是大功率白光l e d ，在照明领域有 极其广阔的应用前景，其发展势头更为迅猛【5 1 。到目前为止，白光l e d 流 明效率的世界最高水平已达2 0 8 1 m w 。在光效不断提高的情况下，白光l e d 的单价不断下降，极有可能取代白炽灯、荧光灯、卤素灯成为第四代照明 光源。 作为2 1 世纪最具有发展前景的高新技术产业，l e d 正在引发全球性的 照明光源和显示的革命。近年来，世界上主要国家均制定发展规划，围绕 l e d 的研制展开了激烈的技术竞赛【6 】。日本的“2 1 世纪光计划”推行白光 l e d 照明；欧盟的“彩虹计划”及固体照明项目则是通过欧盟的补助金来推 广白光l e d 的应用；中国政府主管部门高度重视l e d 照明产业的发展， 也给予极大的支持。自2 0 0 3 年6 月紧急启动“国家半导体照明工程”，国务 院2 0 0 6 年2 月9 日发布国家中长期科学和技术发展规划纲要将半导体 照明产品明确列为“重点领域及优先主题”，2 0 0 6 年1 0 月，科技部启动“十 2 华南师范人学硕：t ：学位论文第一章绪论 一五”半导体照明工程“8 6 3 ”计划，给予半导体照明产业以更大的支持【7 1 。近 年来，我国半导体照明产业发展向好，外延、芯片企业的发展尤其迅速， 封装企业规模继续保持较快增长，照明应用领域取得较大进展。在产业规 模迅速增长的同时，国内产业结构也有了较大提升，中高端产品份额逐步 增加，如小功率芯片、表贴器件、大功率封装产品、路灯等产品都有明显 进步。 1 2l e d 的发光原理 发光二极管是结型电致发光器件，它的核心结构是p n 结。( 图1 一l a ) 是热平衡状态下p n 结的能带示意图【8 】。图中e 、，n 、e v p 表示价带，e 饥、e c p 表示导带，e f 表示费米能级，e d 表示施主杂质能级，e a 表示受主杂质能级， e z 表示禁带宽度，在n 区导带上，实心点表示电子，在p 区价带上，空心 点表示空穴【9 1 。在热平衡状态时，n 区和p 区费米能级是一致的。( 图1 1 b ) 表示在( 图1 1 a ) 上加正向电压( 电源的负电电极连接在n 区，正电电极 连接在p 区) 时，p n 结势垒降低，出现n 区电子注入到p 区，p 区空穴注 入到n 区的非平衡状态。被注入的电子和空穴称为非平衡载流子( 又称为 少数载流子) 。在室温下，n 区导带底附近的浅施主能级e d 被电离，并向 导带提供大量电子，因此，在n 区中多数载流子是电子。同样，在p 区中， 浅受主能级e a 向价带提供大量的空穴。p 区的多数载流子是空穴。在p n 结附近，当非平衡载流子和多数载流子复合时，便把多余能量以光的形式 辐射出来，这就可以看到p n 结的电致发光。 咛d i s t a n c ei n t od e v i c 0 e l e c t r o n i n c b oh o l e i n v b 图1 1l e d 的发光原理示意图 华南师范大学硕：e 学位论文第一章绪论 一般而言，p n 结的扩散长度远远大于势垒宽度，电子和空穴通过势垒 区时因复合而消失的几率很小，绝大部分电子和空穴会越过势垒区继续向 扩散区扩散。在扩散区内，非平衡载流子和多数载流子发生复合。此刻的 复合也分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合是复合时把能量以光能的形 式辐射出来，就是p n 结的发光。辐射复合主要有三种不同的类型：( 1 ) 电 子和空穴由于碰撞而复合，它分为不通过声子的直接复合和必须通过声子 为媒介的间接复合。直接带隙材料如g a a s 的发光为直接跃迁型。注入的电 子和空穴直接复合而发光。而间接跃迁必须借助于一定的能量和动量的声 子，以保证跃迁时能量和动量守恒。间接跃迁时声子和光子的相互作用必 须同时发生，其跃迁几率比直接跃迁几率低得多。所以，一般发光二极管 采用直接带隙材料；( 2 ) 通过杂质能级发光，注入的少数载流子先被俘获到 发光中心，然后复合发光；( 3 ) 激子复合，如g a p 发红光和绿光就是这种类 型。此外，还有一部分少数载流子复合时复合的能量以热能形式，通过晶 格振动传递出去，这个过程称为非辐射复合。非辐射复合包括放出声子的 俄歇复合和表面复合。实际晶体中，由于有害的金属杂质及晶体缺陷存在， 电子会落到禁带中的许多能级上。俄歇过程是有晶格缺陷或自由载流子的 情况下发生的，对于实际器件的发光效率，表面复合和晶格缺陷的影响是 非常大的。发光效率( 内量子效率) 取决于辐射复合和非辐射复合的比例。 所以，为了提高发光效率，应尽量减少与非辐射复合中心有关的缺陷及杂 质的浓度。可见，制备高完整性的晶体是制造高效发光二极管的重要环节 之一。 1 3l e d 主要的封装形式 经过四十多年的发展，l e d 的封装形式经历了经过了引脚式( l e a d l e d ) 、表贴式( s m dl e d ) 、功率型( p o w e rl e d ) 、大功率( h i g hp o w e rl e d ) 等发展历程。图1 2 为l e d 发光器件封装结构的演变，从图中可以看出， l e d 封装器件的热阻越来越小【l o l 。 4 华南师范大学硕： 学位论文 第一章绪论 取 溜 噬i 越 * 稻 蜊 辆 1 9 9 8 1 9 9 9 年份 图1 2l e d 发光器件封装结构演变 1 3 1 引脚式封装结构 引脚式封装结构的l e d 使用金属支架的两条引脚作为导电、散热通道， 是目前最常见的封装结构，品种数量繁多，技术成熟。典型的小功率l e d 芯片安置在能承受o 1 w 输入功率的封装结构内，其9 0 的热量是由负极 的引脚架传递至p c b 板，再散发到空气中，如何降低工作时p n 结的温升 是封装与应用必须考虑的问题【1 1 1 。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其 透光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透 明的透镜形状，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径 分为0 3 m m 、0 4 8 m m 、0 5 m m 、o s m m 等数种。因为引脚式l e d 可承受的 最大功率较小，导致其使用范围较为有限，在一些需要较高发光亮度的场 合就不能满足使用要求，因此人们又不断开发出新的可以承受更高功率的 封装结构。 1 3 2 表贴式封装结构 在2 0 0 2 年，采用表贴式封装结构的l e d ( s m dl e d ) j 丕渐被市场所接受， 华南师范大学硕十学位论文 第一章绪论 并获得一定的市场份额，从引脚式封装结构转向表贴式封装结构符合整个 电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品【1 2 】。 常用s m dl e d 有5 0 5 0 、3 5 2 8 、0 6 0 3 等型号，主要根据器件的外形尺 寸定义。和引脚式l e d 相比，s m dl e d 有效缩短了传热路径，降低了封 装热阻，又很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题， 使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。随着这几年l e d 在显示器背光源领域的渗透率不断提升，s m dl e d 的市场需求进一步扩 张。 另一方面s m dl e d 的外形结构符合半导体器件小、薄、轻的发展趋势， 在生产、应用自动化方面有巨大的优势。在应用中，可将已封装产品组装 金属基p c b 板上，p c b 板作为器件电极连接的布线之用，金属芯夹层则可 作热沉使用，获得较高的流明效率和光电转换效率。此外，封装好的s m d l e d 体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反 射型等多姿多彩的照明光源。 1 3 3 功率型封装结构 惠普公司1 9 9 3 年推出食人鱼l e d ( s u p e rf l u xl e d ) ，并于1 9 9 4 年推 出改进型“s n a pl e d ”的输入功率可达0 3 w ，是典型的功率型封装方式，其 外形如图1 3 所示，因为封装后的形状很像食人鱼故称之为食人鱼l e d 。 由于食人鱼l e d 所用的支架是铜制的，且面积较大，有四个外露的引脚， 因此传热和散热性能有所提高，芯片产生的热量可以由支架的两个引脚导 出，故可以承受更高的输入功率。和之前的封装方式相比，食人鱼封装方 式，主要通过增加引脚的宽度和数目增大导热通道，以达到降低封装热阻 的目的。 6 华南师范大学硕十学位论文第一章绪论 图1 - 3 “s n a pl e d ”的外形图 1 3 4 瓦级大功率封装结构 大功率是l e d 封装技术发展的趋势【1 3 1 4 1 ，瓦级大功率封装方式已成为 各大公司的研发重点。随着输入功率的增加对封装技术提出更高的要求： 一方面必须采用耐高温封装材料解决高温下材料劣化问题；另一方面也须 采用更先进的封装结构，进一步降低封装热阻。因此，封装材料及封装结 构都是其关键技术，目前已有多种能承受数瓦功率的l e d 封装方式，作为 固体照明光源有很大发展空间。典型的功率封装方式主要有以下几种： p h i l i p sl u m i l e d s 公司于1 9 9 8 年开发的l u x e o n 系列大功率l e d 是第一 款单芯片瓦级功率l e d ，将大功率倒装芯片倒装焊接在具有焊料凸点的硅 载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装在热沉上，键合引线进行封装， 具体结构如图1 - 4 所示。这种封装方式有利于增加取光效率，提高散热性能。 其主要特点： 1 ) 采用共晶技术将芯片直接固定在高导热系数的金属热沉上，热沉底 部外露可与外部散热块直接接触，具有良好的导热性能，封装热阻很低， 一般仅为1 4 w ，因此可承受数瓦的输入功率； 2 ) 可靠性高，封装内部填充性能稳定的柔性硅胶，芯片固定在带静电 保护的硅基板上，既可以防止静电击穿，又缓解了半导体材料与金属热沉 热膨胀系数不匹配，在4 0 1 2 0 范围，不会因温度骤变产生的内应力， 使金丝断开； 3 ) 抗老化，硅胶有很好的耐高温性能，环氧树脂透镜透镜与芯片保持 7 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 有一定距离，引线框架也不会因氧化而玷污。 l u x e o n 系列大功率l e d 的出现将l e d 固体光源发展到一个新的水平， 随后人们又开发出了新的，性能更佳的l e d 封装方式。 图1 4l u x e o n 系列大功率l e d 结构示意图 陶瓷材料的热膨胀系数和半导体材料接近，具有较高的导热系数，还 具有耐高温，不易老化的特性1 1 6 】。使用陶瓷基板封装，既可以解决导热、 散热问题，也不存在膨胀系数不匹配造成的热应力问题，因此采用陶瓷封 装技术是功率型l e d 的发展趋势。瓦级功率型l e d 陶瓷封装技术主要可 区分成厚膜陶瓷技术与积层陶瓷技术，两者相比厚膜陶瓷技术在材料成本 和工艺难度上稍具优势【1 7 】。 美国c r e e 公司推出的x l a m p 系列产品是利用厚膜陶瓷技术的典型代 表，其结构如图1 5 所示，选用高导热系数的厚膜陶瓷基板，在陶瓷基板表 面制作所需电路，再用粘结剂将一金属圆环固定在陶瓷基板表面，其金属 环除了可作为反射杯增加出光效率，还可承载玻璃透镜，使整体结构更为 坚固。另外，该产品的透镜材质并非为一般的p c 透镜而是玻璃材料，所以 x l a m p 可在2 6 0 摄氏度下进行回流焊而不会受损。这种封装方式将芯片直 接固定在陶瓷基板上，使用硅胶填充材料保护芯片，既降低了封装热阻， 又解决了热应力问题。 华南师范人学硕士学位论文第一章绪论 图1 5x l a m p 的封装结构 积层陶瓷技术，顾名思义是将经已打孔、填孔、印制线路的陶瓷生胚 堆在一起，经迭压、预切与共烧等制程，即可完成具多层陶瓷与线路的基 板。依其材料与烧制温度，可将积层陶瓷技术区分成低温共烧陶瓷( l t c c l 与高温共烧陶瓷( n z c c ) 两大类。典型的代表分别有：京瓷于2 0 0 7 年成功地 开发出具c o p p e r h e a ts l u g 的高温共烧积层陶瓷封装，如图1 - 6 所示；鲲鑫 电光公司于2 0 0 7 年开发的具s i l v e rh e a ts l u g 的低温共烧积层陶瓷封装，如 图1 7 所示。 从l e d 封装技术的发展过程可知，封装结构的改进的一个主要方面就 是降低封装热阻，以达到降低芯片结温的目的。因为温度将直接影响到l e d 的发光效率、发光波长、使用寿命。因此，对大功率l e d 的热特性进行专 项研究显得尤为重要。 9 华南师范大学硕十学位论文 第一章绪论 ：翻。 貉缀鬻彩，垆，翳一：瓤缓& 翰l 溯嬲# 蕊 缓缓缓纩麓象彩 醚圈 缓缓黝。+ 黔 一 豳瞄 i峨濯 咋1 羲l 萎舞强基 一：l i i l 】i ，l ，j 1 再1 ，琏 曩 l e弘髑l，： 弼l 曩r 嚣瑶嚣虿z ：p 啊：蠢羽差鬻累气忑蕊a i 牛南师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 光谱特性 光谱特性直接决定发光二极管的发光颜色和流明效率，主要指发光二 极管发光的中心波长和光谱宽度。因为发光二极管的发光是带间跃迁或带 边发射的，所以它的发光中心波长九与禁带宽度e g ( e v ) 之间满足如下关系 式： 怂善警c 删， m 。， 式中h 为普朗克常数，c 为光速。在可见光( 九为4 0 0 n m - - 8 0 0 n m ) 范围内， 相对应的禁带宽度e g 为1 8 e v 一3 1 e v 。选取禁带宽度不同的材料，可以得 到不同波长的l e d 。二极管发光的中心波长还随着温度上升向长波侧移动， 光谱宽度也随之增加，这是带隙宽度、载流子能量分布和晶格振动等因素 在温度的影响下相互作用的结果。一般高亮度发光二极管发光光谱宽度小 于4 0 r i m 。 1 4 2l e d 电学特性 l e d 电学特性表征l e d 芯片p n 结制备性能。l e d 的i - v 特性具有非 线性、整流性质、单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高 接触电阻( 如图1 - 9 所示) 。根据理论分析，p n 结的伏安特性可用下式表示： 一y g 矿 i = i s ( e r r 一1 ) = i s ( e k r 1 ) ( 1 2 ) 式中，i 为流过p n 结的电流；i s 为p n 结的反向饱和电流，是一个与环境 温度和材料相关的参数，单位为a ；v 为外加电压；v t = k t q ，为温度的电 压当量，其中波尔兹曼常数k = 1 3 8 x 1 0 - 2 3 j k ，电子电量q = 1 6 x 1 0 母c ，则v t 在常温3 0 0 k 下，v t - 2 6 m v 。通常将p n 结的i v 曲线分为以下几个区间： 正向截止区：( 图1 - 9o a 或o a 7 段) a 点对于v o 为开启电压，当v 1 ，此时电流i f 与外加电压呈指数关系： i f = i s ( e q 讯t1 ) ( 1 3 ) 反向截止区：p n 结外加反向偏压v ，即v 为负值，且i v l l lv 。大几倍 旦 时，e r r 1 ，于是i m s 。这时p n 结只有很小的反向饱和电流，且数值上不 随外电压改变，一般来说g a nl e d 的反向漏电流i r ( v = 5 v 时) 为1 0 u a 。 反向击穿区：当反向偏压v 一直增加，使v 5 0 0 0 0 h 。 1 5 本论文的主要研究内容 随着技术的发展，大功率l e d 在人们生活中取得越来越广阔的应用， 1 4 华南师范大学f 辨卜学位论文第一章绪论 逐渐替代传统照明产品，成为一种新型的、高效的绿色照明产品。大功率 l e d 灯具和传统灯具相比，存在较大差异，且不同的使用条件、封装结构 对l e d 的性能有严重影响，深入研究大功率l e d 特性，有助进一步发挥 l e d 照明灯具的性能优势。本论文在深入研究大功率l e d 相关光电特性的 基础上，通过实验，对部分关键参数进行详细阐述，主要完成了以下几个 方面的研究内容： ( 1 ) 详细分析了温度对白光l e d 发光效率的影响，理论研究和实验 结果表明温度主要通过以下三个方面影响白光l e d 的发光效率：1 ) 降低 l e d 芯片的辐射复合效率；2 ) 降低荧光粉的转换效率；3 ) 导致芯片的峰 值波长向长波方向偏移，使芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配。 ( 2 ) 对比研究了1 w 、3 w 蓝光l e d 的电功率电光转换曲线，对于蓝 光l e d ，其电光转换效率随着电功率的增加经历一个先上升后下降的过程： 1 ) 在小电流阶段，复合电流成份占优势，此时的复合以缺陷能级和一些深 能级杂质引起的非辐射复合为主；当电流逐步增加时，扩散电流成份不断 增加，扩散电流产生的复合以辐射复合为主，故此时芯片的电光转换效率 逐步增加。2 ) 当达到电光转换效率最大值后，曲线呈单调下降的趋势， 在下降的初期阶段主要是因为加载在芯片上的电流增大，电流的注入效率 下降。随着电功率的进一步增加，温度的影响逐渐显现，输入功率越大， 芯片的结温越高，芯片的内量子效率越低。进一步对比1 w 蓝光l e d 和归 一化后3 w 蓝光l e d 的电功率电光转换效率曲线，在输入电功率较小的时 候，在相同的电流密度下，3 w 蓝光l e d 的电光转换效率高于1 w 蓝光l e d ， 分析认为是因为芯片的排布不同，3 w 蓝光l e d 的出光效率高于1 w 蓝光 l e d 。随着输入电功率的增加，受温度的影响，3 w 蓝光l e d 的电光转换 效率在输入电功率达到0 8 w 的时候变得和1 w 蓝光l e d 相当。当输入电 功率进一步增加时，1 w 蓝光l e d 的电光转换效率逐渐高于3 w 蓝光l e d 。 ( 3 ) 从两个方面着手研究白光l e d 发光效率，l e d 电光转换效率和 不同色