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现代显示A d v a n c e dD i s p l a yMa r 2 0 0 8 总第8 5期现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y收稿日期 2 0 0 8 0 1 1 4 白光 L E D封装工艺对其性能的影响 摘要 通过理论分析与实验数据说明了白光L E D封装工艺对其性能的影响 特别针对模粒卡 位 胶体外形等进行较为详细的分析 关键词 封装工艺 白光L E D 封装材料 中图分类号 T N 3 1文献标识码 B A n a l y s i so nWh i t eL i g h t L E DP a c k a g i n gP r o c e s s a n di t sP e r f o r ma n c e Z H E N GY i f u X i a me nO v e r s e a sC h i n e s eE l e c t r o n i cC o L t d X i a me n 3 6 1 0 0 6 C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c e so fwh i t el i g h tL E D p a c k a g i n gp r o c e s so ni t sp e r f o r ma n c ea r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r Wea l s oa n a l y s et h ef a c t o r si n c l u d i n gc o l l o i do u t l i n e sa n ds t i c k i n g p o i n t s i nd e t a i l K e y w o r d s p a c k a g i n gp r o c e s s wh i t el i g h t L E D p a c k a g i n gma t e r i a l s 郑毅夫 厦门华侨电子企业有限公司 福建 厦门3 6 1 0 0 6 文章编号 1 0 0 6 6 2 6 8 2 0 0 8 0 3 0 0 6 0 0 4 引言 近几年来 发光二极管 L E D 芯片发光效率不 断提升 使得白光L E D作为固态照明光源逐步被人 们接受 随着光伏技术的发展 白光L E D将有可能 与太阳能电池等节能电源集成而成为未来绿色的全 固态节能照明光源 由于白光L E D具有广阔的照明 市场 各个国家和地区均投入巨资研发白光L E D照 明光源 以推动光电子产业的进一步发展 目前 L E D封装公司都在寻找最佳的封装工艺 其中封装材料的选择 散热结构的设计 生产工艺与 质量的严格控制已经成为生产厂家关注的焦点 只 有解决好这些密切相关的问题 白光L E D的性能 效率 寿命等 才有广阔的提升空间 本文将探讨L E D封装材料的选择 并论述封装 工艺对白光L E D性能的影响 着重分析了卡位 胶 体外形和灌封胶等对白光L E D发光效率的影响 1白光L E D封装材料对其性能的影响 白光L E D封装材料包括支架 银胶或绝缘胶 芯片 荧光粉 环氧树脂或硅胶等 其质量好坏直接 影响到L E D的性能 L E D支架可分为铜支架和铁支架 导热系数分 别为3 9 8 W m K 和5 0 W m K 选择导热性能较 为优越的铜支架 可以降低L E D芯片的结温 进而 提高L E D的光通量和整体性能 2 L E D固晶胶可分为银胶和绝缘胶 其中银胶的 L E D 技 术 郑毅夫 白光L E D封装工艺对其性能的影响 6 0 现代显示A d v a n c e dD i s p l a y Ma r 2 0 0 8 总第8 5期 现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y 散热性能更佳 但银胶对光的吸收要比绝缘胶大 而 且对胶量的控制更为严格 银胶的高度不能高于芯 片高度的1 3 也不能低于1 4 此外 点银胶的过程 中 不能出现胶量过多 芯片沾胶或爬丝的现象 以 避免造成短路 白光L E D实现的方式多种多样 可分为R G B 三基色芯片 蓝光琥珀色黄光芯片等多芯片型以及 蓝光芯片加黄色Y A G荧光粉 U V芯片加R G B荧光 粉等单芯片型 其中蓝光芯片加Y A G钇铝石榴石荧 光粉的组合方式为目前市场的主流 荧光粉的激发 波长需要和芯片发射波长有良好的匹配 一些荧光 粉质量不好 则直接影响白光L E D的光谱效果 同 理 如果芯片采用非正规片 而使波长出现跨段现 象 那么白光L E D的色温将很难控制 在实验过程中 处理荧光粉时 如果采用的器具 是铁制品 荧光粉的质量将受到影响 研究表明 当 铁离子的浓度达到一定值时 荧光粉将发生浓度猝 灭 1 此外 由于铁离子 F e 3 是三价的 有可能替代 Y A G荧光粉中的C e 3 改变晶格结构 导致荧光粉 产生杂质猝灭 白光L E D所采用的灌封胶可分为环氧树脂和 硅胶 前者透光性要比后者好 且价格更便宜 但后 者导热系数要比前者高 热涨系数也比前者低 即固 化过程的内应力较小 且硅胶更粘稠 抗沉淀能力更 好 与荧光粉混合更均匀 也可以作为配粉胶使用 2卡位对L E D性能的影响 2 1理论分析 L E D的胶体 环氧树脂或硅胶 与空气界面可视 为折射球面 且L E D芯片发出的光的传播亦近似在 傍轴条件下 如图1所示 其中 n是胶体的折射率 n 是空气的折射率 n 1 根据球面折射原理 在傍轴条件下 可得物 像 方焦距的公式 3 f n r n n f n r n n 1 物像距公式可用焦距表示为 f s f s 1 2 其中 r为胶体的曲率半径 f f 分别为物方焦 距和像方焦距 s和s 分别为物距和像距 2 2实验部分 白光L E D要实现在空间各个方向上光强均匀 分布 主要取决于支架 模粒头 环氧树脂中添加散 射剂与否等封装的工艺 这里主要探讨模粒的卡位 对L E D出光效果的影响 L E D模粒示意图如图2所示 在钢片上分布着 卡位 这些卡位具有以下作用 一是固定支架 防止 倒插支架时出现偏插 二是固定卡位 即支架插入模 条的深浅 不同的模粒有着不同的卡位参数 每条模 粒上不同的卡点分别对应不同的高度 我们可以根 据实际情况选择卡槽的位置 实验采用了具有代表性的 5圆头蓝光L E D 进行测量 实验过程中只改变卡位 样品所用芯片和 测试的环境等因素一样 我们选择卡位为2 2 mm和 3 4 mm的两种情况 即深插和浅插 如图3所示 制作的L E D样品灯光电参数均采用远方L E D 光强分布测试仪进行测量 得到光强分布如图4所 示 其主要光电参数如表1所示 从实验测试的结果可以看出 卡位不同时 光通 量和光效均没有很大变化 但是光强分布差别较大 2 2 mm卡 位 的L E D光 强 分 布 较3 4 mm卡 位 的 L E D光强分布角度范围大 且中心光强较小 图1 L E D胶体与空气界面处的折射球面 图2 L E D模粒的示意图 图3卡位为2 2 m m 深插 和3 4 m m 浅插 的示意图 L E D 技 术 郑毅夫 白光L E D封装工艺对其性能的影响 6 1 现代显示A d v a n c e dD i s p l a yMa r 2 0 0 8 总第8 5期现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y 图4 b 3 4 m m卡位时光强分布图 卡位2 2 m m 3 4 m m 光通量 m l m 6 5 1 66 4 9 4 光效 l m W 1 0 0 7 1 1 0 0 4 1 最大光强I m a x m c d 4 8 5 75 8 4 4 表1两种卡位的样品灯光电参数 图4 a 2 2 m m卡位时光强分布图 根据式 1 和式 2 当深封装时 s f 发光二极管的前方可得到一个 实像 当s稍大于f时 s f很小 s 较远 放大率 v s s较大 如s加大 s 变近 则放大率减小 综上所述 不同的卡位对L E D光强分布有着重 要的影响 在生产过程中 工程人员可以根据客户需 要适当地改变卡位 以生产相应光强分布的L E D灯 3胶体外形对L E D性能的影响 实验选择具有代表性的 5圆头 5草帽和 5子弹头三种外型的白光L E D进行测量 实验过 程中只改变胶体外形 样品所用芯片 模粒和测试的 环境等因素均一样 采用杭州远方L E D 6 2 0光强分 布测试仪测得样品灯的光强分布如图5所示 从图5中可以看出三种外型的L E D光通量和 光效相近 如表2所示 但是 光强分布和中心光强 差别很大 草帽的光强分布范围最大 但是最大光强 最小 只有9 9 9 2 mc d 如图5 a 所示 5圆头的 光强范围较小 而最大光强较大 为1 5 9 0 3 mc d 如 图5 b 所示 子弹头的光强范围最小 而最大光强最 大 为5 2 2 6 1 mc d 如图5 c 所示 图5 a 5草帽光强分布及光学参数 图5 b 5圆头光强分布及光学参数 图5 c 5子弹头光强分布及光学参数 L E D 技 术 郑毅夫 白光L E D封装工艺对其性能的影响 6 2 现代显示A d v a n c e dD i s p l a y Ma r 2 0 0 8 总第8 5期 现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y现代显示A d v a n c e dD i s p l a y 外型 5草帽 5圆头 5子弹头 光通量 m l m 2 8 0 42 9 0 42 8 4 7 光效 l m W 4 2 7 6 1 4 6 0 4 04 5 3 3 1 最大光强I m a x m c d 9 9 9 21 5 9 0 35 2 2 6 1 表2三种胶体外形样品灯的测量参数 综上所述并结合式 1 可知 当采用较大曲率半 径的胶体外形封装时 随着r减小 f增大 使得在同 样卡位的条件下 聚光发生变化 所以 结合上一节 所述 选用不同的模粒和卡位可以灵活地实现不同 的聚光效果 4全反射效应对大功率L E D光效的影响 蓝光L E D芯片发射的光经过胶体 再射向空 气 即光由光密媒质向光疏媒质传输 已知n 1为胶 体折射率 n 2为空气折射率 且n2 n1 当入射角增 至某一数值i c s i n 1 n 2 n1 时 折射角i 2 9 0 当入射 角i 1大于临界角ic时 折射线消失 光线全部反射 即出现全反射现象 3 在L E D胶体和空气的界面发生全反射的条件 是 1 光从光密介质进入光疏介质 2 入射角等于 或大于临界角 这里近似胶体折射率n 1 n 空气折 射率n 2 1 则根据折射定律可得 s i n 9 0 s i ni c 1 s i ni c n即s i ni c 1 n 4 1 实验采用1 W大功率L E D芯片进行封装 其 他条件均一样 样品1没有在塑料透镜与芯片之间 注入硅胶 样品2则注入硅胶 采用远方L E D 3 0 0 光色电综合测量系统对两个样品进行测试 测得数 据表3所示 从表3中可以看出 加了硅胶后 白光L E D光 效 由2 2 4 2 l m W增加到2 8 5 8 l m W 光通量 也由2 8 0 1 l m增加到4 0 4 0 l m 经过多次的测量发 现 在加入硅胶后 光效将增加5 8 l m W 此外 荧光胶中配粉胶如果采用硅胶 则荧光胶 的折射率可近似为硅胶的折射率为1 5 3 因为空气 折射率为1 0 0 0 3 硅胶折射率为1 5 3 如果未注入 硅胶 则芯片产生的光在荧光胶与空气的界面将较 大范围地发生全反射 有可能影响荧光胶的发光性 能 如果注入了硅胶 那么荧光胶 硅胶 塑料透镜的 折射率会保持较好的连续性 而不发生折射损耗 且 塑料透镜近似于球面透镜 也不易发生全发射 所以 要减少白光L E D的折射损耗 进而提高 其发光效率 就需要在塑料透镜与芯片之间加入硅 胶 但是 在客户对亮度要求不高的情况下 许多封 装厂往往考虑成本因素 而不注入硅胶 5结论 本文从封装材料选择 封装工艺方面分析了影 响白光L E D性能的封装因素 选择散热性能好的支 架和固晶胶 性能稳定的荧光粉 以及透明性好的灌 封胶是提高白光L E D产品质量的关键 采用恰当的 卡位和胶体外型 并改进白光L E D的封装工艺 可 以提升白光L E D的发光效率 实现色度稳定性和均 匀性 参考文献 1 葛大勇 徐景智 F e 3 离子激活的荧光粉的研制 J 河北大学学报 自然科学版 2 0 0 4 2 4 4 3 6 2 3 6 5 2 吴海彬 王昌铃 白光L E D封装材料对其光衰影 响 的 实 验 研 究 J 光 学 学 报 2 0 0 5 2 5 8 1 0 9 1 1 0 9 4 3 赵凯华 钟锡华 光学 M 北京 北京大学出版社
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