发光二极管的封装

发光二极管的封装

一般最简单的LED具有如图1（a）所示的5 mm LED结构，而Lumileds 公司的封装称其为Luxeon，其构造如图1(b)所示，采用改良的散热方法可以用大电流得到1~5W的操作，图1（c）及(d)是比较5mm LED与Luxeon 高功率LED的外部量子效率及光强度与电流的关系，可见高功率LED的性能比5mm LED要高很多。

图1 （引自F.Wall等人的论文）

图2是Nichia公司的高功率LED封装图，可以得到1.3W，同时Nichia公司有用氮气充满的金属封装，热电阻为15℃/W，如用环氧树脂封装热电阻可以达到8℃/W。

图2 Nichia公司高功率LED封装图

F.Wall等人将5mm LED、Luxeon LED 及白炽灯泡、HID灯的光特性E’tendue作比较，

E’tendue=πAn²sin²θ

式中，A是面积；n是LED附近材料的折射率，例如空气n=1，环氧树脂n=1.5等；θ是辐射角，E’tendue 是有关光的大小（Optical Size），将面积、辐射角都考虑在内，其应用有关投影（Projection）时，可以计算其限制，尤其是用在车灯或其他直接辐射光。由表1可知，LED加上环氧树脂封装增加光强度，但因此而面积增加减少光的亮度（Brightness）。如果做成列阵（Array）增加LED的数目，如表2中所列，虽然光强度增加，但是亮度仍然一样无法增加。不过，如果增加LED的驱动功率，则可以增加亮度，如表3所示，所以LED需要适当封装以增加亮度。

当驱动功率增加时，光输出功率、发光效率及色温均增加，图3是F.Wall等人预测白光的性能与时间的关系，图中并有红光进展的趋势。

图3 白光LED的性能推测，图中并有红光的趋势

（引自F.Wall等人的论文）

表4列举目前不同LED的光输出功率及热电阻特性，表中Luxeon LED用同样的封装加大电流得到三倍的光强度，其未来计划是将热电阻减至小于3℃/W。

G.E.公司的M.Arik等人将散热叶片用在散热器（Heat Sink）上来增加热的传散，图4（a）是散热器最高温度、热电阻与散热叶片高度的关系，当叶片高度超过3英寸（1英寸=2.54cm）时温度与热传导系数的关系，当热传导系数大于200W/（m·K）时，效能减低。

图4 （引自M.Arik等人的论文）

E.Hong等人研究一批AlGaInP LED的结温度与波长的关系，其结果如图5(a)所示，图5（b）是波峰改变与结温度的关系，都是直线关系，由此可知，测量波长的变化就可知道pn结温度。图6(a)是Y.Gu等人研究的蓝光GaN LED在不同周围温度（25℃、40℃及70℃）时波峰与结温度的关系。当温度上升，波长开始减少然后随温度的上升而增加，但是改变不多，图6(b)是YAG：Ge荧光粉产生白光及450nm蓝色相对光输出与温度的关系，由图中白光及蓝光（W/B）的光输出相对比就可以知道结温度。由此可见AlGaInP LED比较简单，因为其波长改变与结温度是一直线关系，而GaN LED则因为波长改变与结温度非直线关系，所以要研究白光与蓝光（W/B）之比才可以知道结温度。

图5 （引自E.Hong等人的论文）

图6 （引自Y.Gu等人的论文）

Y.Gu等人研究蓝光LED在不同温度（25℃、45℃及55℃）时结温度W/B的关系，其关系呈直线如图7所示，但是一般商品的波长不同，所以又用波长466nm、461nm及460nm研究其结温度与W/B的关系，其结果绘在图8都是直线关系。

图7 结温度与W/B的关系

（引自Y.Gu等人的论文）

图8 三个LED样品的结温度与W/B的关系

（引自Y.Gu等人的论文）

C.Zweben为了要得到好的封装，先将一般半导体、陶瓷衬底及光纤特性列在表5中，并将常用的封装材料特性列在表6中，然后将先进的低热膨胀系数及中等热传导材料的特性列在表7中，表8则是低热膨胀系数、高热传导的先进材料的特性，这些数据中将有益于设计封装者。

N.Narendran等人测量不同颜色LED的生命期，其结果如图9(a)所示，其中红光LED的寿命最长，白光LED最差，因为环氧树脂表面可能逐渐变黄而减少白光的输出，但是最近用的高功率LED封装可以增加10~20倍的光输出，比5mm的封装要高很多，图9(b)中的高功率白光LED的生命期增加很多，图中并有钨丝灯、日光灯及MH灯以及5mm白光LED的寿命曲线。由图可知，高功率白光比5mm白光LED的生命高很多，又比其他灯类高。F.M.Steranke等人也比较高功率蓝光LED、5mm白光LED及钨丝灯的生命期如图10所示，同样高功率蓝光LED的寿命最长。

图 9 （引自N.Narendran等人的论文）

图10 荧光灯、5mm白光LED及高功率蓝光InGaN LED的相对光输出与时间的关系（引自F.M.Steranka等人的论文）