LED封裝技術及熒光粉在封裝中的應用

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-07-26

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

1.  LED封裝技術

根據不同的應用需要，LED的芯片可通過多種封裝方式做成不同結構和外觀的器件，生產出各種色溫、顯色指數、品種和規格的LED產品。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，再散發到周圍空氣中。環氧樹脂的直徑有7mm、5mm、4mm、3mm和2mm等規格。發光角（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封裝技術的一個重要發展方向。

（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，該封裝結構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、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料。

2.  熒光粉

目前白光LED主要通過三種型式實現：1) 采用紅、綠、藍三色LED組合發光，醫院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，由芯片發出的藍光、熒光粉發出的紅光和綠光三色混合獲得白光；3) 利用紫外LED芯片發出的近紫外光激發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、生產成本、散熱等方面具有優勢，在目前的LED產品市場上占主導地位。

熒光粉已經成為半導體照明技術中的關鍵材料之一，它的特性直接決定了熒光粉轉換LED的亮度、顯色指數、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用

封裝之前除了需確定封裝結構外，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芯片的發射峰與熒光粉的激發峰最大程度地重疊時，才能最大限度地發揮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芯片的發射光譜，左邊淡灰色陰影為YAG:Ce的激發光譜；右邊為在460nm激發下的發射光譜。從圖中可以看出，InGaN芯片的發射光譜和YAG:Ce的激發光譜重合的非常好，醫院led照明，照明方案，這樣就使YAG:Ce處于最有效的激發條件下，從而使YAG:Ce的發光效率最高。當YAG:Ce的激發主峰向左或向右偏移InGaN芯片的發射峰時，都大幅降低兩者的重疊程度，從而導致封裝后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，適當調節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。

圖3 用熒光粉調制白光LED的色溫

圖3為用熒光粉調制白光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等相關色溫線，恒光，圖3右邊為左圖在白光區域的局部放大圖。從圖3中可知，恒光，當YAG:Ce的色坐標靠近綠光區域時，LED燈管，InGaN芯片和YAG:Ce的色坐標連線與各等相關色溫線的交點，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）規定的允許誤差范圍內。同理，當YAG:Ce的色坐標靠近橙光區域時，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，需要根據所需封裝的白光LED色溫相應地選取適當色坐標的熒光粉，通過調節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定的標準。