LED封裝技術(shù)及熒光粉在封裝中的應(yīng)用

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-07-26

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封裝還可以提高LED芯片的出光效率,，并為下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用安裝和運輸提供方便,。因此，封裝技術(shù)對LED的性能和可靠性發(fā)揮著重要的作用,。下面對LED封裝技術(shù),、熒光粉及其在LED封裝中的應(yīng)用進行介紹。

1.  LED封裝技術(shù)

根據(jù)不同的應(yīng)用需要,，LED的芯片可通過多種封裝方式做成不同結(jié)構(gòu)和外觀的器件,，生產(chǎn)出各種色溫、顯色指數(shù),、品種和規(guī)格的LED產(chǎn)品,。按封裝是否帶有引腳，LED可分為引腳式封裝和表面貼裝封裝兩種類型,。常規(guī)小功率LED的封裝形式主要有：直插式DIP LED,、表面貼裝式SMD LED、食人魚Piranha LED和PCB集成化封裝,。功率型LED是未來半導(dǎo)體照明的核心,，其封裝是人們目前研究的熱點。下面就幾種主要的封裝形式進行說明：

（1）引腳式封裝  采用引線架作為各種封裝外型的引腳,。圓頭插腳式LED是常用的封裝形式,。這種封裝常用環(huán)氧樹脂或硅樹脂作為包封材料，芯片約90%的熱量由引線架傳遞到印刷電路板（PCB）上,，再散發(fā)到周圍空氣中,。環(huán)氧樹脂的直徑有7mm、5mm,、4mm,、3mm和2mm等規(guī)格。發(fā)光角（2θ1/2）的范圍可達18~120°,。

（2）表面貼裝封裝  它是繼引腳式封裝之后出現(xiàn)的一種重要封裝形式,。它通常采用塑料帶引線片式載體（Plastic Leaded Chip Carrier，LED射燈，PLCC）,，將LED芯片放在頂部凹槽處,，底部封以金屬片狀引腳。LED采用表面貼裝封裝,，較好地解決了亮度,，視角，平整度,，一致性和可靠性等問題,，是目前LED封裝技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

（3）功率型LED封裝  功率型LED分普通功率LED（小于1W）和瓦級功率LED（1W及以上）兩種,。其中,，瓦級功率LED是未來照明的核心。單芯片瓦級功率LED最早是由Lumileds公司在1998年推出的LUXEON LED,，照明資質(zhì),，該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片（Flip Chip）用硅載體直接焊在熱沉上,，家用照明,，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,。

2.  熒光粉

目前白光LED主要通過三種型式實現(xiàn)：1) 采用紅,、綠、藍三色LED組合發(fā)光,，醫(yī)院led照明，即多芯片白光LED,；2) 采用藍光LED芯片和黃色熒光粉,，LED照明品牌，由藍光和黃光兩色互補得到白光,，或用藍光LED芯片配合紅色和綠色熒光粉,，室外照明，由芯片發(fā)出的藍光,、熒光粉發(fā)出的紅光和綠光三色混合獲得白光,；3) 利用紫外LED芯片發(fā)出的近紫外光激發(fā)三基色熒光粉得到白光。后兩種方式獲得的白光LED都需要用到熒光粉,，稱為熒光粉轉(zhuǎn)換LED（phosphor converted Light Emitting Diode,，pc-LED），它與多芯片白光LED相比在控制電路,、生產(chǎn)成本,、散熱等方面具有優(yōu)勢，在目前的LED產(chǎn)品市場上占主導(dǎo)地位。

熒光粉已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明技術(shù)中的關(guān)鍵材料之一,，它的特性直接決定了熒光粉轉(zhuǎn)換LED的亮度,、顯色指數(shù)、色溫及流明效率等性能,。目前的黃色熒光粉主要有鈰激活釔鋁石榴石（Y3Al5O12:Ce3+,，YAG:Ce）和銪激活堿土金屬硅酸鹽；紅色熒光粉主要有：Ca1-xSrxS:Eu2+,、YVO4:Bi3+,Eu3+和M2Si5N8:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等,；綠色熒光粉主要有：SrGa2S4:Eu2+、M2SiO4:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)和MSi2N2O2:Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)等,；藍色熒光粉主要有：BaMg2Al16O27:Eu2+,、Sr5(PO4)Cl:Eu2+、Ba5SiO4Cl6:Eu2+和LiSrPO4:Eu2+等,。

3.  熒光粉在封裝中的應(yīng)用

封裝之前除了需確定封裝結(jié)構(gòu)外,，還需選擇好芯片和熒光粉。對于高色溫的冷白光LED通常選用InGaN芯片配合YAG:Ce黃色熒光粉,，獲得低色溫的暖白光LED需要在此基礎(chǔ)上添加紅色熒光粉或采用紫外芯片配合三基色熒光粉,。LED芯片和熒光粉之間存在一個匹配的問題，只有當LED芯片的發(fā)射峰與熒光粉的激發(fā)峰最大程度地重疊時,，才能最大限度地發(fā)揮LED芯片和熒光粉的效率,。

圖1為InGaN芯片和YAG:Ce熒光粉的熒光光譜，其中左邊帶斜線陰影部分為InGaN芯片的發(fā)射光譜,，左邊淡灰色陰影為YAG:Ce的激發(fā)光譜,；右邊為在460nm激發(fā)下的發(fā)射光譜。從圖中可以看出,，InGaN芯片的發(fā)射光譜和YAG:Ce的激發(fā)光譜重合的非常好,，醫(yī)院led照明，照明方案,，這樣就使YAG:Ce處于最有效的激發(fā)條件下,，從而使YAG:Ce的發(fā)光效率最高。當YAG:Ce的激發(fā)主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發(fā)射峰時,，都大幅降低兩者的重疊程度,，從而導(dǎo)致封裝后LED 的光效顯著降低。

圖1 InGaN芯片和YAG:Ce熒光光譜          圖2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐標

圖2是不同YAG:Ce熒光粉添加量的LED色坐標,，其中1點為InGaN藍光芯片的色坐標,，7點為YAG:Ce熒光粉的色坐標，2點到6點是將YAG:Ce熒光粉薄層置于玻璃上用LED芯片激發(fā)所測得的色坐標,，2點為添加一層YAG:Ce熒光粉,，3點為添加2層YAG:Ce熒光粉,，依次類推。由圖可看出,，適當調(diào)節(jié)YAG:Ce熒光粉的厚度即可使白光LED的色坐標在芯片色坐標與熒光粉色坐標連線上移動,。另外，家用照明,，從圖2中有一個三角形,，其三個頂點坐標分別為美國國家電視標準委員會（NTSC）規(guī)定的紅、綠,、藍三基色熒光粉的色坐標,。在圖2中還可以看到有一條黑色的弧線，這是根據(jù)黑體輻射公式計算出的在不同溫度下黑體的色坐標曲線,，LED-T5一體化燈管,，稱為黑體軌跡，它是衡量白光LED色溫的重要依據(jù),。

圖3 用熒光粉調(diào)制白光LED的色溫

圖3為用熒光粉調(diào)制白光LED 的色溫,，圖3左邊標出了InGaN芯片色坐標和一系列不同YAG:Ce色坐標之間的連線和4500K~10000K等相關(guān)色溫線，恒光,，圖3右邊為左圖在白光區(qū)域的局部放大圖,。從圖3中可知，恒光,，當YAG:Ce的色坐標靠近綠光區(qū)域時,，LED燈管，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標連線與各等相關(guān)色溫線的交點,，隨著色溫的降低而偏離黑體軌跡逐漸增大,。這表明偏綠光的YAG:Ce不適合于封裝中低色溫的白光LED，因為如果封裝中低色溫的白光LED將會使白光LED的色坐標在黑體軌跡上方偏離較大,，這樣顯色性差,，會從而超出國際電工委員會（IEC）規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)。同理,，當YAG:Ce的色坐標靠近橙光區(qū)域時，它不適合用于封裝高色溫的白光LED,，這樣封裝出的白光LED的色坐標同樣會在黑體軌跡下方偏離較大,。因此，需要根據(jù)所需封裝的白光LED色溫相應(yīng)地選取適當色坐標的熒光粉,，通過調(diào)節(jié)熒光粉的使用量來使封裝后白光LED的色坐標盡量靠近黑體軌跡,， led戶外照明，使其符合國際電工委員會規(guī)定的標準,。