中心議題:
- 色溫可調(diào)LED的封裝技術(shù)
- 色溫可調(diào)LED的性能測試
LED 以其優(yōu)良的性能結(jié)合智能控制系統(tǒng),被越來越多地應(yīng)用于室內(nèi)外照明場合,但同時也對其色溫、顯色指數(shù)等色度指標(biāo)提出了新的要求。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn),設(shè)計了一種新型的色溫可調(diào)LED,利用大功率LED芯片結(jié)合金屬基板封裝出了色溫可調(diào)的暖白光高顯色指數(shù)LED樣品,對其發(fā)光光譜、色溫和顯色指數(shù)隨電流的變化進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)LED 的光譜有三個峰值,色溫可從5000K 變化到3300K,涵蓋了冷色光到暖色光的范圍,顯色指數(shù)可從68 增加到90 以上,能夠滿足室內(nèi)照明的要求。將這種色溫可調(diào)的LED 應(yīng)用于筒燈,測試了其發(fā)光效果和散熱性能,表明LED具有發(fā)光面均勻、無眩光,熱阻小等特點,特別適合用于筒燈等室內(nèi)照明場合。
1 引言
自從藍(lán)光LED 被發(fā)明以來,人們開始研發(fā)各種大功率白光LED封裝技術(shù),希望白光LED能夠取代傳統(tǒng)的照明光源。目前市場上白光LED 生產(chǎn)技術(shù)主要分為兩大主流,第一為利用熒光粉將藍(lán)光LED或紫外LED 所產(chǎn)生的藍(lán)光或紫外光分別轉(zhuǎn)換為雙波長或三波長白光,此項技術(shù)稱之為熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED;第二類則為多芯片型白光LED,經(jīng)由組合兩種(或以上)不同色光的LED 組合以形成白光。第一種方法可得到中高色溫的白光,對于暖色溫顯色性較差。為了解決這一問題,通常加入紅色熒光粉,但紅色熒光粉的激發(fā)效率較低,導(dǎo)致整體光效偏低。第二種方法需要分別給三種芯片供電,驅(qū)動電路復(fù)雜,且三種芯片的老化衰減不一致,長期工作會導(dǎo)致色溫偏移。
2 色溫可調(diào)LED的封裝
LED 的封裝技術(shù)實際上是借鑒了傳統(tǒng)的微電子封裝技術(shù),但LED 有其獨特之處,又不能完全按照微電子封裝去做。整個LED 封裝工藝主要包括封裝原料的選取、封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計、封裝工藝的控制以及光學(xué)設(shè)計與散熱設(shè)計,概括來講就是熱- 電- 機(jī)-光(T.E.M.O.),如圖1 所示,這是LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)。
圖1 LED 封裝關(guān)鍵技術(shù)傳統(tǒng)的多芯片集成封裝多是將LED 芯片按照一定的規(guī)則固定在電路板上,如鋁基覆銅板、陶瓷電路板等,由于鋁基覆銅板、銅基覆銅板價格低廉而被廣泛應(yīng)用,但它們也有固有的缺點。它們通常由電路層(銅箔層)、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層壓合而成,但導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)極低,成為電路板的導(dǎo)熱瓶頸,導(dǎo)致電路板整體的導(dǎo)熱系數(shù)只有1.5W/m.K 左右。陶瓷電路板導(dǎo)熱性能好,但存在成本高、不宜加工、脆性較大等缺點,并且在LED器件整體成本中占的比重較高,其應(yīng)用也受到了限制。為了解決上述問題,開發(fā)了一種LED封裝結(jié)構(gòu),在鋁基覆銅板的固晶位置開設(shè)窗口,需要焊線的位置放置焊盤,將一塊與鋁基覆銅板形狀一樣的鋁板貼于鋁基覆銅板之下,將LED芯片置于穿過窗口的區(qū)域上,這樣可大大提高LED的散熱性能。
LED 的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)系封裝出的產(chǎn)品是否能夠滿足使用要求的基礎(chǔ),本文設(shè)計的LED 主要包括:封裝基板、藍(lán)光LED 芯片、紅光LED 芯片和黃綠色熒光粉,封裝基板由鋁基覆銅板和鋁板組成,如圖2 所示。
良好的封裝工藝是決定器件性能、可靠性和壽命的關(guān)鍵。本文采用的方法為:封裝基板采用具有高導(dǎo)熱率的鋁基覆銅板和鋁板,芯片粘接在鋁板上,LED 芯片采用功率型W級正裝芯片,芯片與封裝基板采用高導(dǎo)熱的銀膠粘接(導(dǎo)熱系數(shù)大于25W/m.K),通過引線鍵合、涂熒光粉、固化等工藝完成整體封裝。
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3 色溫可調(diào)LED的性能測試
圖3為采用遠(yuǎn)方HASS-2000高精度快速光譜輻射計測量得到的色溫可調(diào)LED 的光譜圖,從圖中可以看出,隨著紅光LED 電流的變化(從0 到450mA),LED 的相對光譜也會隨之變化,LED 的光譜有三個峰值,分別在450nm、550nm和628nm,暖色溫的發(fā)光效率大于68lm/W,冷色溫的發(fā)光效率達(dá)到87lm/W。
圖4 列出了色溫可調(diào)LED 的色區(qū)分布隨紅光LED 電流的變化,表1 列出了色溫可調(diào)LED 的光學(xué)性能參數(shù)隨紅光LED 電流的變化,可以看出,紅光LED 不加電流的情況下,LED 的色溫為5 000K,在冷色溫BIN區(qū),隨著紅光LED電流的逐漸增加,LED模塊的色溫會呈現(xiàn)一個連續(xù)的變化,從冷光5 000K到暖光3 375K,同時LED 的顯色指數(shù)會逐漸升高,最高可達(dá)90 以上,完全能夠滿足照明場所對顯色指數(shù)的要求。
集成封裝的LED,由于工作電流較大,工作時產(chǎn)生大量的熱量,積聚在pn 結(jié)內(nèi)部的熱如不及時傳導(dǎo)出去,將導(dǎo)致器件溫度升高,溫度對LED的性能產(chǎn)生重要的影響,如色溫變化、波長紅移、正向壓降等。圖5 所示為色溫可調(diào)LED的應(yīng)用效果,將封裝好的色溫可調(diào)LED模塊安裝到100mm筒燈上,紅光LED加上不同的電流,得到筒燈的發(fā)光效果。筒燈連續(xù)點亮30min 后,測試筒燈上散熱器溫度為38℃,鋁基覆銅板上的溫度為38.5℃(室溫25.2℃),說明色溫可調(diào)LED 具有良好的散熱性能。
4 結(jié)論
本文介紹了一種新型的色溫可調(diào)LED,利用大功率LED 芯片結(jié)合金屬基板封裝出了色溫可調(diào)的暖白光高顯色指數(shù)LED樣品,測試了LED的光譜性能、色溫、顯色指數(shù)隨驅(qū)動電流的變化,結(jié)果顯示,LED色溫可在3300K到5000K連續(xù)變化,顯色指數(shù)可達(dá)90以上,同時具有優(yōu)良的散熱性能,完全能夠滿足照明場所對色溫以及顯色指數(shù)的要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。