白光LED衰减与其材料分析.doc

重点一：摘要：白光LED应用在照明领域已越来越广泛，特别是LED的节能环保已被世人所公认，如何提升白灯LED的寿命降低白灯LED的衰减成为封装的研发课题，本文就改善白 光LED衰减针对物料方面进行探讨。关键词：白光LED;光衰；晶片；固晶底胶；荧光粉；荧光胶；支架。前言：蓝光LED的问世，利用荧光体与蓝光LED的组合，就可轻易获得白光LED，这是行业中最成熟的一种白光封装方式。目前白光LED已成为照明光源，一般家用照明已成为现实。但在使用过程中较多白光产品衰减大，不能适合照明市场，雷曼光电针对照明高端市场的需求，加大对白光的研发，通过改变封装工艺及物料搭配开发出低衰减白光产品，为LED照明行业略尽微薄之力。下面是我司在封装过程中总结出来的五点经验，与诸位行业同仁交流，以期对白光LED封装技术的提升添砖加瓦。一、 晶片对白光LED光衰的影响从目前实验的结果来看，晶片对光衰的影响分为两大类：第一是晶片的材质不同导致衰减不同，目前常用的蓝光晶片衬底材质为碳化硅和蓝宝石，碳化硅一般结构设计为单电极，其导热效果比较好，蓝宝石一般设计为双电极，热量较难导出，导热效果较差；第二是晶片的尺寸大小，在晶片材质相同时，尺寸大小不同衰减差距也不同。二、 固晶底胶对白光LED光衰的影响在白光LED封装行业中通常用到的固晶胶有环氧树脂绝缘胶、硅树脂绝缘胶、银胶。三者各有利弊，在选用时要综合考虑。环氧树脂绝缘胶导热性差，但亮度高；硅树脂绝缘胶导热效果比环氧树脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片时旁边残留的硅树脂与荧光胶里的环氧树脂相结合时会产生隔层现象，经过冷热冲击后将产生剥离导致死灯；银胶的导热性比前两者都好，可以延长LED芯片的寿命，但银胶对光的吸收比较大，导致亮度低。对于双电极蓝光晶片在用银胶固晶时，对胶量的控制也很严格，否则容易产生短路，直接影响到产品的良品率。三、荧光粉对白光LED光衰的影响 实现白光LED的途径有多种，目前使用最为普遍最成熟的一种是通过在蓝光晶片上涂抹一层黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉，与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同厂商的荧光粉对光衰的影响程度也不相同，这与荧光粉的原材料成分关系密切。雷曼光电选用最好材质的白光荧光粉，使做出的白光LED相比同行在衰减控制方面有了很大的提高。四、 荧光胶水对白光LED光衰的影响 传统封装的白光LED，荧光胶一般采用环氧树脂或硅胶，经过光衰实验的结果得出，用硅胶配粉的白光LED寿命明显比环氧树脂的长。原因之一是用以上两种方法封装成成品LED，硅胶比环氧树脂抗UV能力强且硅胶散热效果比环氧树脂好；但在相同条件下，用硅胶配粉的初始亮度要比环氧树脂配粉的要低，最主要是由于硅胶的折射率（1.3-1.4）比环氧树脂（1.5以上）低，所以初始光效不及环氧树脂高。五、 支架对白光LED光衰的影响 LED支架主要有铜支架和铁支架。铜支架导热、导电性能好，价格高。而铁支架的导热、导电性能相对较差，更容易生锈，但价格便宜。市场上的LED大部分使用铁支架。不同材料的支架对LED的性能影响也不同，特别是对光衰的影响尤为突出。这主要是由于铜的导热性能比铁的好很多，铜的导热系数398W（m.k）,而铁的导热系数只有50W（m.k）左右，仅为前者的1/8，还有支架的电镀层厚度也密切相关。在选用支架时，还要注意支架的碗杯大小是否与发光芯片以及模粒匹配，其匹配质量的优劣，直接影响白光LED的光学效果，否则容易造成光斑形状不对称、有黄圈，以及黑斑等，直接影响到产品的质量。 随着白光LED在照明上的应用，客户需求也不断提高，我们必须不断创新，提升我们的产品性能改善我们的工艺，尽可能满足客户需求。要做出高性能的白光LED产品，物料的挑选和搭配是否最佳直接影响着白光LED衰减和品质，因此，好的物料加上最佳的搭配，再加上雷曼特有的制造工艺的配合是做好白光的技术关键所在。对雷曼人来说我们必须充分发挥自身优势，不断努力，加大研发，开发出更加适合客户要求的产品，为国家的半导体照明节能产业做出贡献。重点二：本文是将我以前的有关热阻问题的文章重新梳理，按更严密的逻辑来讲解。严格来讲晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja下图是等效热路图：公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温， P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。Rja表示结与环境间的热阻。当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。此时 Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。一般Pcm是指在Tc=25或Ta=25时的最大允许功耗。当使用温度大于25时，会有一个降额指标。以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：2N5551规格书中给出壳温Tc=25时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。一般芯片最大允许结温是确定的。所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子Tc =25时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25,功率就要降额使用。规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论。假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25)*83.3，公式成立。一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。公式变为：Tj=Tc+P*Rjc同样以2N5551为例。假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60，那么，Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！按照降额0.012W/的原则，60时的降额为(60-25)*0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是说，壳温60时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150。同样以2N5551为例。知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式：Rjc=(150-25)/1.5=83.3/W，恰好等于规格书给出的实际热阻。如果厂家没有给出25时的功率。那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时（比如民品级的器件为70），再把数据代入：Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150。我还要作一下补充说明。一、可以把半导体器件分为功率器件和小功率器件。1、(大)功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其外壳到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175。但是为了保险起见，一律可以按150来计算。适用公式：Ta=Tc=Tj-P*Rjc。设计时，Tj最大值为150，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。2、小功率半导体器件，比如小功率晶体管，小功率IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。（Rja=Rjc+Rca)。同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温Tc =25时取得的。假设此时环境温度恰好是25，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像 2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以，不带散热器的小功率半导体器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出Rja这个参数。2N5551的Rja厂家给的值是200/W。已知其最高结温是150，环境温度为25时，求允许的功耗，可以把上述数据代入 Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,从而得到，P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W。因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。3、大功率晶体管的额定功率一般是指带散热器散热器足够大时且散热良好时的功率。有时应用中大功率晶体管不带散热器来使用，那么此时其最大功率如何求呢？ 就以知名网站我爱方案网的投资者ON公司的BU406为例。BU406的额定功率为60W(Tc=25)。BU406的Rja为70/W，最大结温为150。由Ta= Tj-P*Rja变形为P=(Tj-Ta)/Rja，把上述数据代人此公式可得，P=(150-Ta)/70。比如环境温度为25时，其最大允许功耗为 P=(150-25)/70=1.786W。如果机器的最高使用温度为70，此时最大允许功耗为P=(150-70)/70=1.14W。可见，尽管BU406的额定功率为60W，但是如果不加散热片使用，其在常温下时的功率不过才1.786W！4、由于半导体的额定功率都是在Tc=25或Ta=25的条件下得到的，超过25时，必须降额使用。而降额系数其实就是对应热阻的倒数。比如说，BU406额定功率60W是在Tc=25条件下的，Rjc=2.08/W，那么其壳温降额系数Kc=1/Rjc=1/2.08=0.48W/。这个结果与厂家规格书中给出的数据正好相同。又比如，2N5551在Tc=25时的额定功率为0.625W，Rjc=83.3/W，其壳温降额系数Kc=1/83.3=0.012W/。2N5551另外一个条件是在Ta=25时的额定功率为1.5W，Rja=200/W，则其环境温度降额系数Ka=1/Rja=1/200=0.005W/。这些数据都和厂家资料符合。也就是说，设计考虑半导体的功耗和温度间的关系时，即使厂家没给出降额系数，也可以根据热阻来得出其降额系数。即 Kc=1/Rjc或Ka=1/Rja。要特别说明，这里说的环境温度降额系数指的是最大额定功耗本身的降额，为了保证晶体管的可靠性，设计降额还需在环境温度降额系数的基础上再降额0.5至0.75左右！5、另外分享一个从电子元件技术网上学来的窍门，其实一般规格书中的最大允许储存温度其实也是最大允许结温。最大允许操作温度其实也就是最大允许壳温。最大允许储存温度时，功率P当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax-0*Rjc，即Tcmax=Tjmax。是不是很神奇！最大允许操作温度，一般民用级（商业级）为70度，工业级的为85度。普通产品用的都是民用级的器件，工业级的一般贵很多。热路的计算，只要抓住这个原则就可以了：从芯片内部开始算起，任何两点间的温差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻。这有点像欧姆定律。任何两点之间的压降，都等于电流，乘以这两点间的电阻。不过要注意，热量在传导过程中，任何介质，以及任何介质之间，都有热阻的存在，当然热阻小时可以忽略。比如散热器面积足够大时，其与环境温