以改进的迈克尔逊干涉仪测量LED封装材料的热膨胀系数

李相剑，李华祯，郑改革，陈玉林，张成义

(南京信息工程大学，江苏南京 210044)

发光二极管(简称LED)是一类电致发光的固体器件，它可直接将电能转化为光能，其结构主要由芯片、导线、支架、导电胶、封装材料和光学系统构成。其具有节能、环保、体积小、轻便、寿命长等优点，被誉为21世纪新光源［1-2］。随着功率型LED在照明领域应用的不断发展，对LED小型化、高功率化的要求越来越迫切，低热阻、散热良好及低应力的封装结构是功率型LED器件的技术关键。LED封装的主要任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并起到提高取光效率的作用。现有研究结果表明，封装材料是影响LED性能和使用寿命的关键因素之一。

功率型LED器件使用的封装材料要求折射率高于1.5，透光率不低于98%(波长为400～800 nm，样品厚度为1 mm)。目前，封装材料主要有环氧树脂、有机硅、聚碳酸酯、玻璃、聚甲基丙烯酸酯等高透明度材料。作为LED封装材料，关注的材料特性主要集中在两个方面:一是材料的热膨胀系数，二是材料的导热率。从热膨胀系数来看，最合适的LED封装材料应该是陶瓷材料;从导热率来看，铜应该是最合适的封装材料。但任何产品的制造都有成本的要求，从材料的价格和制造成本而言，铝无疑是最便宜的，铜次之，陶瓷材料最高。所以，现在应用最广泛的封装材料是铝和铜［3］。LED封装材料在封装的过程中由于热膨胀的缘故会产生应力，将对LED的发光效能产生影响，因此封装材料对使LED发挥最大的效能影响很大。本实验通过自行设计的膨胀系数测量系统，利用迈克尔逊干涉仪测量温度变化所产生的位移以决定膨胀系数，进而研究封装材料制备条件与其热膨胀系数间的关系，以提高LED效率与寿命。

1 样品制备

(1)在800 r/min的搅拌速率条件下，将质量比为1∶1的钛酸丁酯和无水乙醇的混合液缓慢加入到盐酸水溶液中，在50℃条件下水解、聚合并陈化10小时，获得溶胶经高速离心(离心速率为5 000 r/min)后，解胶分散于无水乙醇中，制备得到富含羟基的二氧化钛功能溶胶;

(2)将有机硅单体混合物加入到步骤:得到的富含羟基的二氧化钛功能溶胶中，添加酸催化剂调节pH值到5，在500 r/min的搅拌速率以及50℃条件下反应6 h，将溶剂蒸发去除，获得最终样品，即二氧化钛/有机硅复合的LED封装材料。

2 迈克尔逊干涉仪测量微小位移的原理

迈克尔逊干涉仪是一种典型的用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学仪器［4-7］。它可用来观察相当薄膜干涉的许多干涉现象，研究光源的时间相干性，进行各种精密的测量。迈克耳逊光路原理见图1。

图1 迈克尔逊干涉仪原理图

实验采用氦氖激光器为光源。M1、M2是两块互相垂直的平面反射镜，放置在相互垂直的两臂上。M1是固定的，M2在精密螺纹杆控制下可沿滑道移动，移动的距离可以由刻度盘读出。G1、G2为相互平行的平面玻璃板，G1称为分光板，在其一个表面镀有半反射半透射的金属膜L，使照在G1上的光，一半反射，一半透射，反射光和透射光的光强近于相等;G2称为补偿板，用于补偿光束②在G1板中往返两次所多走的光程。由光源S发出一束光，在L处分成透射光束①和反射光束②，这两束光的光强近似相等。光束①经G2到M1后，反射回来经G2射到半透膜L上，再反射到观察屏P;光束②经半透膜L反射后，到M2后又反射到半透膜L上，再经透射到观察屏P，由于满足光的相干条件，这两束光在屏上相遇就形成干涉条纹。M'1是在G1中看到的M1的虚像，在光学上，认为干涉就发生在M'1与M2之间厚度为d的空气膜上。

若用扩束光源(提供不同入射角的光源，即在S与G1之间加上一扩束镜)照射，当M1//M'2(即M1⊥M2)时，对于与M2的法线和M'1的法线夹角皆为θ的入射角，经M'1与M2反射后成为平行的两束光(1)和(2)，它们的光程差为Δ=2dcosθ。其中d为M'1与M2间空气膜的厚度，在屏P上可以观察到明暗相间的同心圆环，每一个圆环对应一恒定的倾角，称这种干涉为等倾干涉。观察这些同心圆环的圆心处，此处Δ=2d，θ=0，由干涉条纹的明暗条件

可知，干涉条纹圆心处的级数最高，并且移动M2(即d发生变化)时，中心处条纹级数随之变化，可观察到条纹由中心“冒出”或“缩入”，而每当中心处“冒出”或“缩入”一个条纹，光程差就增加或减少一个波长λ，d就增加或减少λ/2，即M2就移动了λ/2。

3 热膨胀系数的测量

实验时把封装材料加工成直径约为5 mm，长为2 cm的圆柱体放进圆柱形陶瓷管中。陶瓷管的外表面均匀绕上加热电阻丝，将迈克尔逊干涉仪的反射镜M2粘在圆柱形封装材料的垂直面上，封装材料的另一个垂直切面粘在一金属圆片中心位置处，用螺丝把该金属圆片固定在支架上，再将支架紧固在迈克尔逊干涉仪的滑道上，并确保激光束始终与反射镜M2的表面垂直。靠封装材料的热胀冷缩来控制迈克尔逊干涉仪上全反镜M2的位置，把温度传感器粘在封装材料上控制加热电阻丝的电流以改变材料的温度［8］。

给电阻丝通上电流圆柱形封装材料圆柱体因被加热而膨胀，光屏上的干涉条纹不断冒出或缩进。从干涉条纹变化的数量可以算出材料的膨胀量，用数显温度计记录温度的变化，根据公式(2)即可计算出热膨胀系数。

式中:L0为待测材料原长，可由游标卡尺测得。N为当合金温度变化ΔT时干涉条纹变化的个数，λ为氦氖激光的波长632.8 nm。

采用改装后的迈克尔逊干涉仪测量了不同温度范围内的线膨胀系数。相关数据记录见表1。

表1 相关数据

4 结 论

材料的热膨胀系数是材料的热学物理性质之一，是表征材料性质的重要特征量。在精密仪器产业及高精度实验领域是一个非常重要的物理量，尤其对常温以上LED封装材料热膨胀系数的测量在实际工程中更具有重要意义。本文结果表明利用改装后的迈克耳孙干涉仪可准确并快速地测量固体长度微小变化量，是测量材料热膨胀系数的有效方法。这为探索封装材料制备条件与其热膨胀系数间的关系，以提高LED效率与寿命提供了重要的实验方法。

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