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发光二极管的封装

LED之家  于2009-01-18 00:06:26  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=706

文章摘要:发光二极管的封装2007年9月6日一般最简单的LED具有如图1(a)所示的5mmLED结构,而Lumileds公司的封装称其为Luxeon,其构造如图1b所示,采用改良的散热方法可以用大电流得到15W的操作,图1(c)及d

发光二极管的封装

2007年9月6日

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)


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