大功率LED封装及其光电性能的研究

福州大学至诚学院　吴运铨

大功率LED封装及其光电性能的研究

福州大学至诚学院吴运铨

本文介绍了大功率LED封装工艺流程，大功率LED在封装过程中得考虑到LED的热阻、散热条件、色稳定性、成品的尺寸等因素。本文介绍了采用ZWL-600光色电综合测试系统对所封装的LED进行光电性能测试，包含所封装LED的光谱分析和光电性能参数测试。测试结果表明：蓝光LED的半波宽度小，在17nm-26nm之间，色纯度高，色温小；绿光的半波宽度大，在38nm-42nm之间，色纯度低；红橙光的半波宽度在15nm-18nm，色纯度高。紫光的光功率最大，光通量也最大。

大功率LED；光电特性；光谱分析；性能特性；发光效率

随着LED技术的不断发展与完善，LED在很多方面得到广泛的应用［1］。LED是一种可以直接将电能转换为光能的固态半导体器件。用于制备LED半导体芯片的材料很多，例如发蓝光的GaN芯片、高温烧结制成含Ce3+的YAG荧光粉受发蓝光的GaN芯片激发后会发黄光等［2］。经过近30年的发展，现在的大功率LED，能发出红、橙、黄、绿、蓝等颜色的光［3-5］。因此，LED的核心是该固态半导体器件［6］。本文中介绍的大功率LED均是采用半导体芯片制成的PN结发光器件。因此它不仅具有PN结的所有特性，还具有光强指向特性、发光峰值波长光谱分布、半波宽度、光通量、发光效率等特性。本文还介绍了采用光电综合系统对封装的LED进行光谱分析以及光电性能的测试。

1　大功率LED的封装流程

大功率LED的封装看似简单，但实施起来存在一定的困难。在封装过程中，不仅要考虑到LED芯片所采取的封装的形式，还要考虑到其散热、光衰等问题。这些因素在整个LED制备过程中均得考虑。LED封装流程如图1所示。

图1　大功率LED封装工艺流程

LED的核心是该固态半导体器件，根据发光波长的不一致，选择用不同材料制备成的LED晶片。在测试过程需要对比不同波长LED的光电性能特性，因此选取发光波长为330-630nm材料作为LED封装的晶片。这些晶片形态各异，因此得采用不同的支架对其进行封装。在架选择过程中需要考虑到LED晶片的规格以及成品LED的外形尺寸。

固晶过程决定了成品LED的热阻。在选择过程中要考虑到固晶胶的颗粒以及粘滞力。LED热阻决定了LED的出光效率。选取了选取了热阻相对较低的银胶作为固晶胶。不仅如此，银胶的导热性比绝缘胶好。

焊线可以采取机械焊线的方式，机械焊线相对于人工焊线具有效率高，准确性强等优点。

光驱透镜的选择影响了LED的发射角。散热基板的选择影响了LED的散热。压边的程度影响了LED的使用寿命，驱动电路的设计得考虑到每一种材料LED的晶片最大恒流电流以及最大驱动电压、影响LED的色稳定性。

综上所述，大功率LED在封装过程中得考虑到LED的热阻、散热条件、色稳定性、成品的尺寸等因素。热阻影响了LED的出光效率，散热条件和色稳定性影响了LED的使用寿命。不仅如此，大功率LED的封装还要考虑到集模块、驱动电源及LED的使用领域等等。

2　大功率LED的光谱分析

图2　LED光源光谱图

采用ZML-600光电综合测试系统对不同颜色大功率LED进行光谱分析。如图2所示。根据光谱，可以得出计算出半波宽度、发光峰值峰值等参数。

由图2可知，蓝光LED覆盖的波长范围为443.5nm-472.2nm。结果表明，LED的发光波长（主波长）范围比较密集，相互间的峰值波长的间隔小于5nm，LED的光谱相对能量分布比较集中，半波宽度在17nm-25nm之间，光源的单色性好。绿光LED覆盖的波长范围为504.2nm-526.4nm。结果表明，LED的发光波长（主波长）范围比较密集，相互间的峰值波长的间隔小于5nm，LED的光谱相对能量分布比较集中半波宽度在35nm-49nm之间。光源的单色性较好。红橙光LED的光谱相对能量分布比较集中，半波宽度在12nm-18nm之间，光源的单色性最好。

根据ZWL-600光色电综合测试系统对所封装的LED所得到的光谱图可知，光谱图包含LED的发光峰值波长、光谱分布、半波宽度、光通量、发光效率等特性。测试结果表明：蓝光LED的半波宽度小，在17nm-26nm之间，色纯度高，色温小；绿光的半波宽度大，在38nm-42nm之间，色纯度低；红橙光的半波宽度在15nm-18nm，色纯度高。综上所述，由光谱图可得，半波宽度决定了LED的色纯度。半波宽度越小，色纯度越高，反之越低。

3　大功率LED的光电参数的测试

该系统不仅可以描绘出每一路单色LED的光谱，而且还可以得出其中心波长、半波宽度、峰值波长、色温、光效率、色纯度、光通量等重要参数。表1为采用ZML-600光电综合测试系统与ZML-600积分球分析系统配套使用测试得出的特征光谱实验仪的光源电光特性参数。

表1为采用ZML-600光电综合测试系统与ZML-600积分球分析系统配套使用测试得出大功率LED的光电特性参数。

从表格1可以得出，光辐射强度与光通量存在一定的差异性，由于测试系统是根据人眼的光谱光效率曲线设计的。人眼的结构与昆虫结构的差异性导致二者的光效率曲线也存在一定的差异。上述LED均有其各自的辐射功率，这与LED的波长存在密切的关系。表中可以得出，蓝光与红橙光的半波宽度小，在15nm-23nm之间色纯度高，绿光的半波宽度在38nm-42nm之间，色纯度低。单色绿光的光通量比蓝光和红橙光较高。

4　结论

本文选取了不同材料半导体作为LED晶片，并对其进行封装，在封装过程中得考虑到LED的热阻、散热条件、色稳定性、成品的尺寸集模块、驱动电源及LED的使用领域等。采用ZWL-600光色电综合测试系统对大功率LED的光谱进行测试大功率LED的发光峰值波长、光谱分布、半波宽度、光通量、发光效率等特性。测试结果表明：蓝光与红橙光的半波宽度小，在15nm-23nm之间色纯度高，绿光的半波宽度在38nm-42nm之间，色纯度低。蓝光LED的半波宽度小，在17nm-26nm之间，色纯度高，色温小；绿光的半波宽度大，在38nm-42nm之间，色纯度低；红橙光的半波宽度在15nm-18nm，色纯度高。绿光LED的光通量比蓝光和红橙光较高。绿光LED的色温比蓝光和红橙光较高。

［1］杨国栋，沈培宏.二十一世纪的光明—白光LED发展简析［J］.国际光电产业资讯，2002（1）.

［2］钱可元，胡飞，吴慧颖 等.大功率白光LED封装技术研究［J］.半导体光电，2005，26（2）：118-120.

［3］陈明祥，罗小兵，马泽涛，刘胜.大功率白光LED封装设计与研究进展［J］.半导体光电，2006，27（6）：114-116.

［4］周志敏，纪爱华.LED照明与工程设计［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［5］陈元灯，陈宇编;李元密审校.LED制造技术与应用［M］.电子工业出版社，2009：107-110.

［6］周志敏，纪爱华.大功率LED照明技术设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

吴运铨（1987—），男，福建平潭人，硕士，助教，现工作于福州大学至诚学院，研究方向：光伏发电及半导体照明技术。