【研究報(bào)告 | LED照明行業(yè)研究報(bào)告】

　　摘要：功率型LED的封裝作為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，是促進(jìn)LED照明走向?qū)嵱没暮诵募夹g(shù)之一。只有通過(guò)優(yōu)良的封裝來(lái)減少外部因素對(duì)芯片性能的影響，才能為L(zhǎng)ED芯片的穩(wěn)定工作提供保障，從而提高LED照明的效果，促進(jìn)LED照明行業(yè)的良好發(fā)展。

　　傳統(tǒng)的LED照明通量較白熾燈、熒光燈等光源存在差距，LED照明的發(fā)展，需要把發(fā)光效率、光通量等指數(shù)提升到現(xiàn)有照明光源的水平，這就對(duì)于LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求，功率型LED封裝應(yīng)運(yùn)而生。

　　照明領(lǐng)域?qū)ED光源的要求

　　功率型LED照明要替代傳統(tǒng)照明，存在諸多要求。其中在發(fā)光效率、輸入功率、單燈光通量、可靠性(包括失效率更低、壽命更長(zhǎng)等)以及光學(xué)特性(包括色溫、光指向性、顯色性等)等方面要求更高，在光通量方面需要更低的成本。目前美國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖(表1)對(duì)LED照明的各項(xiàng)指標(biāo)提出了明確要求。目前在LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行改善來(lái)促進(jìn)各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　表1 美國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖

　　(美國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(2002—2020))

　　封裝技術(shù)的改進(jìn)

　　1、提高發(fā)光效率

　　封裝結(jié)構(gòu)的出光效率以及芯片的發(fā)光效率共同決定了LED的發(fā)光效率。目前可以通過(guò)提高芯片發(fā)光效率、提高萃光效率、提高將萃取出的光導(dǎo)出LED管體外的效率、降低LED的熱阻以及提高熒光粉的激發(fā)效率等途徑來(lái)提高LED發(fā)光效率。

　　目前芯片的發(fā)光效率隨著芯片制造技術(shù)的提高而不斷提高，可以按照應(yīng)用的不同以及LED封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)選擇合適高效的芯片進(jìn)行封裝。目前可以選擇的芯片包括HP公司的TS類(lèi)芯片、CREE公司的WB類(lèi)芯片、倒裝焊類(lèi)芯片、表面粗化芯片、ITO類(lèi)芯片等等。

　　選擇芯片后，將芯片發(fā)出的光更加高效地萃取和導(dǎo)出可以進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率。光的萃取方面，若出現(xiàn)出光通道和芯片表面接合物質(zhì)的折射率與芯片發(fā)光層的折射率相差較大的情況，會(huì)導(dǎo)致芯片表面的全反射臨界角偏小，芯片發(fā)出的光只有部分能夠被有效利用，部分光因全反射的原因而被困在芯片內(nèi)部，從而導(dǎo)致萃光效率較低，進(jìn)而影響到LED的發(fā)光效率。

　　為了有效提升萃光效率，需要考慮與芯片表面接合物質(zhì)的折射率和芯片表面材料的折射率盡量匹配。若能夠用高折射率的柔性硅膠材料作與芯片表面接合，則能夠提升萃光效率，并且讓鍵合引線以及芯片都得到良好的應(yīng)力保護(hù)。此外，倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率匹配程度要優(yōu)于正裝芯片，因此出光效率更高。

　　圖1 光線在不同介質(zhì)界面的折射和反射

　　(五度易鏈行研中心)

　　光的導(dǎo)出方面，需要設(shè)計(jì)良好的出光通道，使光能夠高效地導(dǎo)出到LED管體外。其中涉及到反射腔體和透鏡的設(shè)計(jì)、出光通道中各種不同材料的接合界面設(shè)計(jì)和折射率的匹配以及盡可能減少出光通道中不必要的光吸收和泄漏現(xiàn)象。此外，還需要選擇高透光率、折射率匹配良好、抗UV、防黃變、溫度耐受能力高以及應(yīng)力特性良好的出光通道材料。

　　熒光粉的使用方面，熒光粉的使用是否合理對(duì)LED照明影響較大。傳統(tǒng)方法是把熒光膠全部注滿反射杯，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法保障涂布的均勻性，而且會(huì)形成熒光粉的漫射分布，引起光泄漏，影響光色品質(zhì)并造成LED光效降低，因而可以采用熒光粉薄膜式涂布的方法解決該問(wèn)題。首先高受激轉(zhuǎn)換效率的熒光粉要與芯片波長(zhǎng)相匹配，其次要選擇合適的載體膠調(diào)配熒光粉并采取良好的涂布方式均勻、有效地覆蓋在芯片的表面及四周，以達(dá)到良好的效果。

　　圖2 傳統(tǒng)涂布和薄膜式涂布區(qū)別

　　(五度易鏈行研中心)

　　熱阻的降低方面，LED自身的發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致芯片的結(jié)溫升高，從而讓芯片的發(fā)光效率出現(xiàn)下降。功率型LED封裝可以采取優(yōu)良的散熱技術(shù)，降低封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，使LED內(nèi)部的熱量可以被盡快的導(dǎo)出和消散，從而降低芯片的結(jié)溫，提高其發(fā)光效率，保障LED照明的發(fā)光效率。

　　2、改善LED的光學(xué)特性

　　改善LED的光學(xué)特性，可以從調(diào)控光強(qiáng)的空間分布以及改善色溫與顯色性兩方面來(lái)進(jìn)行。

　　相比傳統(tǒng)光源，LED照明的光的指向性更強(qiáng)，可以通過(guò)控制指向性來(lái)提升照明的效率，達(dá)到更好地照明效果。首先要根據(jù)芯片發(fā)光的分布特點(diǎn)以及LED最終光強(qiáng)分布的要求設(shè)計(jì)出光通道。其次是要改善光色均勻性，其工藝是把載體膠和熒光粉混合后涂布到芯片上，目前生成LED白光最常用的技術(shù)路線是“藍(lán)色芯片+黃色熒光粉”。在實(shí)際操作中，要把握熒光粉的涂布量、均勻性存在一定難度，困難會(huì)因?yàn)椴僮鲉?wèn)題致使白光顏色不均勻，需要通過(guò)設(shè)計(jì)出光通道、對(duì)調(diào)配熒光膠的工藝進(jìn)行改進(jìn)、合理選擇熒光粉粒度大小、把握載體膠粘度特性以及改良熒光膠涂布的方法與形式等途徑來(lái)改善光色均勻性。

　　此外由于傳統(tǒng)白光LED的色溫調(diào)控較難，顯色性不佳(Ra<80)，與照明光源的要求存在差距，因此還要改善色溫與顯色性。傳統(tǒng)白光LED即使可以生成低色溫(2700K-500K)的白光，也會(huì)出現(xiàn)光色不正、顯色性差的現(xiàn)象。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于熒光粉的技術(shù)，可以通過(guò)添加紅色熒光粉改善白光的光色和顯色性;還可以通過(guò)盡量選擇短波長(zhǎng)的藍(lán)色芯片(λD<460nm)、選擇含有可以彌補(bǔ)白光LED發(fā)光譜線缺陷的熒光粉以及改善熒光粉的涂布技術(shù)等方法改善白光LED在低色溫區(qū)的顯色性。

　　3、提高LED的單燈光通量和輸入功率

　　LED照明的單燈光通量偏小使得其在應(yīng)用及推廣存在一定的局限;其輸入功率也偏小，需要較多的外圍應(yīng)用電路配合。因此LED照明要得到推廣，必須提高LED的單燈光通量以及輸入功率。

　　最直接的途徑是在輸入功率一定的情況下提高LED的發(fā)光效率，從而獲取更大單燈光通量，而最常用的方法是多芯片高密度集成化封裝功率型LED。此外，采用大面積芯片封裝LED以及加大工作電流也可以達(dá)到該目的。在以上技術(shù)路徑中，散熱技術(shù)十分重要。提高LED的散熱能力，進(jìn)而降低熱阻才是根本保障。

　　除了上述因素外，價(jià)格高也是LED照明推廣過(guò)程中的瓶頸。就封裝技術(shù)而言，LED要降低成本，必須解決成熟可行的技術(shù)路線;簡(jiǎn)單可靠、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的工藝方法;通用化的產(chǎn)品設(shè)計(jì);高的產(chǎn)品性能和可靠性;高的成品率等問(wèn)題。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在LED眾多的封裝技術(shù)中，功率型LED封裝技術(shù)有著良好的應(yīng)用前景。功率型LED封裝技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率、單燈光通量以及輸入功率，改善LED的光學(xué)特性，對(duì)LED照明行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。