大功率白光led在半導體照明中的應用

0led行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎。隨著科學技術的發(fā)展和世界人口的增加，能源需求不斷增加。能源效率和可持續(xù)發(fā)展必須得到國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展、科學技術等政策的高度重視和體現(xiàn)。世界各國紛紛擬定自己的能源科技計劃,發(fā)展能源的方式一為尋找新能源,二是開發(fā)節(jié)能技術。就電能而言,據(jù)統(tǒng)計,我國照明耗電約占全國總發(fā)電量的12%。發(fā)展節(jié)能照明技術是當前節(jié)能的重點之一,白光LED技術是符合當前世界各國倡導節(jié)能照明的先進技術,各企業(yè)院所將自己的研究成果申請專利進行保護,能在半導體照明行業(yè)中有一席之地,從專利的申請數(shù)量來看,2005年以來LED技術發(fā)展很快,每年以約25%的速度增加。從上游、中游到下游,專利申請涉及LED的整個產(chǎn)業(yè)鏈,具體涉及到外延、襯底、封裝方式、路燈、燈具等,截至2009年7月,已受理或授權的上游專利約1206件,中游約1036件專利,大約95%為國外專利,下游的封裝和應用分別約為4437件和11004件,其中大部分為國內專利。在LED產(chǎn)業(yè)鏈上,下游的封裝和應用的技術要求不高,較易切入,我國專利在這個領域內數(shù)量較多,筆者主要就大功率LED封裝專利的現(xiàn)狀進行闡述,以期能拋磚引玉,對行業(yè)的發(fā)展起到一定的借鑒作用。1led晶光粉層和液壓粉技術目前大功率白光LED的產(chǎn)業(yè)化技術是將熒光粉直接涂在晶片表面上,LED晶片在正常工作時,產(chǎn)生的大量熱量被熒光粉吸收,熒光粉的溫度升高,加速了熒光粉的老化,使熒光粉的發(fā)光效率降低,光衰增加,為了避免此現(xiàn)象,通常是將熒光粉層與晶片分離以達到目的。專利CN200710077170.X設計了一種大功率白光LED,包括基座、載臺以及固定在載臺上的LED芯片,其中所述基座上設有將載臺和LED芯片包裹的透鏡,該透鏡是由熒光粉和硅膠樹脂混合壓模而成,避免了LED與熒光粉直接接觸。專利CN200810120217.0公開了一種低光衰白發(fā)光二極管,通過透光片和隔熱透光層將LED晶片分隔開來,極大地減少了LED晶片工作時熱量向熒光封裝體傳遞,解決了熒光封裝體因過熱而出現(xiàn)老化和黃化問題,使得產(chǎn)品的光衰大為降低。專利CN200720056530.3用一透鏡罩罩住藍光晶片,藍光晶片的外表面設置有隔熱、透光、抗紫外線的介質,在介質的外表面或透鏡罩上設置有一層熒光粉,使得熒光粉與晶片隔離開,熒光粉不宜受熱老化及碳化發(fā)黑,色溫及發(fā)光強度穩(wěn)定,提高光效16%~36%,產(chǎn)品經(jīng)5000h老化試驗,光通量仍為初始光通量的90%以上。專利CN200710075026.2將金屬基板裝載的LED發(fā)光晶片設于一個透明罩內,在透明罩內裝滿液體,使液體能淹蓋整個LED發(fā)光晶片表面,并在液體中添加熒光粉,使熒光粉均勻分散在LED發(fā)光晶片表面的液體中,有效避免了熒光粉在LED發(fā)光晶片表面高溫加熱現(xiàn)象,降低了熒光粉的老化。大功率白光LED是通過點膠系統(tǒng)將配制好的熒光膠涂覆在支架的碗杯內,然后固化成型,熒光膠在碗杯內呈外凸狀,LED晶片發(fā)出的藍光出射時,在熒光粉粉層中經(jīng)歷的路徑不一樣,導致器件出光的白光一致性較差,通常四周偏黃,中間偏藍,即所謂的“黃圈”。人們從工藝技術和結構設計這兩方面著手解決。電子科技大學申請的專利200710049612.X提出了一種熒光粉保形涂覆(Conformally-coating)技術,即只在晶片表面上得到一層熒光粉的平面結構,一種基于水溶性感光膠的功率型白光LED平面涂層技術,通過粉漿法,即將聚乙烯醇(PVA)和重鉻酸銨(ADC)再加適量的熒光粉配制成感光膠,采用光刻工藝,在LED晶片表面上得到了熒光粉的平面結構,該法利用自曝光方式,可以有效控制批量生產(chǎn)時的色溫,得到的器件出光均勻性好。也有用其他方法制備熒光粉層的,專利CN200810072010.0通過輔助模具,將粉膠混合物填滿模具方孔并壓實,再固化成形。專利CN200810138791.9在LED芯片的出光路徑上涂敷或者封裝YAG透明陶瓷層,YAG透明陶瓷層所用YAG透明陶瓷為摻雜有Nd3+,Er3+,Yb3+,Tm3+或Cr4+離子的釔鋁石榴石或者釔鈧鋁石榴石,陶瓷顆粒的大小為1nm~300nm,通過調整陶瓷層厚度和顆粒密度來改變所發(fā)出光的色坐標。這些專利技術克服了碗杯四周的熒光粉降低器件整體性能、增加生產(chǎn)成本的缺點。同時,也有采用在晶片外圍涂覆熒光粉層的方法出現(xiàn),專利CN200810092894.6在反射杯上部設置均勻涂敷熒光粉,擴大了熒光粉的涂覆面積,可以實現(xiàn)對熒光粉的涂覆厚度和形狀進行精確控制。專利CN200810071799.8涉及到的一種玻璃透鏡LED是在預選的半球型玻璃透鏡的底面上涂布的熒光粉膜層,再疊置在透明膠封接體頂面上,得到光斑有明顯改善的器件。2透明膠混合微型球粒出光面的制備方法白光LED的一個重要指標是光通量的高低,影響光通量的因素除了與LED晶片有關外,器件的封裝技術也對提高LED的出光效率有舉足輕重的作用。專利CN200810068447.7用透明膠混合微型球粒在已完成固化的熒光膠體出光面上形成若干微型結構,可以減少膠體出光面的平面全反射作用,提高LED出光效率。專利CN200810067022.4在封裝時采用多層硅膠,其折射系數(shù)相對LED芯片從內到外逐層降低,避免封裝材料折射系數(shù)單一,增大LED透鏡的全反射角,提高光能利用率。3強化紫外光led的續(xù)性和強度目前,半導體照明行業(yè)內制造白光LED的方法是通過藍光晶片與黃色熒光粉的組合方式實現(xiàn)的,與太陽光或白熾燈光譜相比,這種白光LED的光譜只有在藍光區(qū)域和黃光區(qū)域有光譜,而在紅色區(qū)域無光譜,不具有連續(xù)性,使得白光LED的顯色性較差。為了增加白光LED光譜的連續(xù)性,提高其顯色指數(shù),專利CN200810217679.4提供了一種發(fā)光二極管,采用了藍光芯片和藍光芯片串聯(lián)的第一芯片,結合綠色熒光粉以及黃色熒光粉,組成四個連續(xù)的峰值波長,提高了LED的顯色指數(shù)。專利CN200820093895.8采用藍色LED芯片和紅色LED芯片結合黃色熒光粉和綠色熒光粉,使其發(fā)光光譜在可見光范圍內更接近白熾燈的發(fā)光光譜。專利CN200720189977.8將紅色熒光粉和綠色熒光粉與透明樹脂均勻混合得到混合膠體,涂在藍光LED晶片表面上,實現(xiàn)了在同一波長激發(fā)下,由紅、綠、藍三基色光混合成的白光。4熱沉和固晶膠大功率LED是邁向下一代照明光源的主力軍,但目前大功率LED除了價格偏高不能廣泛推廣外,還存在一些技術問題亟待解決,在電光轉換時,大約有80%~90%的電能變成熱量,散熱問題嚴重影響了LED的可靠性,針對這一情況,產(chǎn)生了很多專利技術。通常采用的是COB(chiponboard)封裝方式,專利CN200720196374.0采用金屬熱沉,發(fā)光芯片產(chǎn)生的熱量通過熱沉很快傳遞到空氣中以及散熱器件中,有利于二次散熱傳遞,同時金屬電極引腳和熱沉相連也可以起到傳遞熱量的作用,有效地降低了發(fā)光芯片的溫度,增強了發(fā)光芯片的發(fā)光效率。專利CN200720059121.9將熱沉嵌于線路板沉孔結構內部,發(fā)光二極管芯片安放于熱沉上,熱沉底部與外部直接接觸,減少散熱路徑,提高了散熱效果。專利CN200720052875.1采用金屬基板作為雙色片式發(fā)光二極管基板,提高雙色片式發(fā)光二極管的散熱能力,提供了一種發(fā)光效率高、生產(chǎn)成本低、光電特性穩(wěn)定的雙色片式發(fā)光二極管。在考慮散熱問題時,固晶膠的熱導率也是影響散熱效果的一個重要方面,現(xiàn)有的用銀漿或絕緣膠作固晶膠,其導熱性還有待提高,下一階段的固晶方式將采用共晶焊接技術,降低器件封裝熱阻。專利CN200710107516.6在封裝結構的金屬基座的上表面首先涂布一層適當范圍的共晶接著材料;接著,將發(fā)光二極管晶粒設置于基座的共晶接著材料上,在適當溫度條件下完成共晶接合,該專利可以解決現(xiàn)有的接著材料在散熱與制造過程上的不盡理想之處。5功率led封裝目前大功率LED單晶片器件產(chǎn)品主要為1W和3W,這種產(chǎn)品的發(fā)光效率相對較高,但光通量相對較低,在產(chǎn)品應用時,需要多顆單晶器件集成應用,在相應的驅動電路作用下,發(fā)出較高的光通量。也有人提出了多晶片的集成封裝,將若干個晶片封裝在一個基板上,組成發(fā)光模組,不同的功率模組滿足不同的應用需求。專利CN200810099758.X設計了一種散熱效果好、發(fā)光強度大、結構緊湊、工藝簡單、使用方便的大功率LED封裝結構,選用功率相同的LED芯片呈多行多列均勻分布,同一行LED芯片串聯(lián)為一組,若干行LED芯片平行排列并聯(lián)為整體光源,該技術得到的產(chǎn)品可以代替路燈。專利CN200710046995.5設計了一種高散熱多芯片集成大功率白光發(fā)光二極管模塊及其制備方法,采用多顆大功率發(fā)光二極管LED芯片通過共晶工藝集成在氮化鋁AlN和低溫共燒陶瓷LTCC疊層基板上,該模塊散熱性能好,可以提高多芯片集成大功率發(fā)光二極管的光效及可靠性。6陶瓷支架材料LED封裝所用的支架目前主要是以PPA為主的各種形狀,以滿足不同的應用需要,在市場上占有絕對的優(yōu)勢,但PPA材質易黃化,影響器件的使用壽命,不能承受300℃高溫,故不適合共晶焊接技術,為了克服現(xiàn)有支架不利因素,行業(yè)選用了陶瓷(低溫共燒陶瓷,LTCC)為基材的各種支架。專利CN200720172014.7采用陶瓷基板和發(fā)光芯片、金屬反射腔匹配封接,膨脹系數(shù)基本一致,不會遭到熱應力的破壞,整個器件都是非常好的散熱體,從而保證了信賴性;采用金屬焊料連接,有非?？煽康臋C械性能。專利CN200720176769.4提供了一種以陶瓷為基板的發(fā)光二極管芯片封裝結構,其包括:陶瓷基板、導電單元、中空陶瓷殼體、多個發(fā)光二極管芯片及封裝膠體。7led器件與人體地層連接由于GaN是寬禁帶材料,電阻率較高,該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失,累積到相當?shù)某潭?可以產(chǎn)生很高的靜電電壓,靜電導致的失效問題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。專利CN200720059853.8提供了一種保護LED器件的方法,將靜電保護電路與LED晶體構成并聯(lián)電路,抗靜電能力可達8500V以上(人體模式),有效地降低了產(chǎn)品不良率。專利CN200720048015.0采用逆向電壓保護元件與發(fā)光二極管并聯(lián)接入,抑制了在測量、封裝以及使用等過程中產(chǎn)生的靜電或浪涌電壓對發(fā)光二極管的影響,保證了發(fā)光二極管不被瞬間產(chǎn)生的突波損壞和強大的反向電壓擊穿,延長了產(chǎn)品的使用壽命。8麻黃國內合成調度技術隨著半導體技術和封裝技術的發(fā)展,LED的發(fā)光效率得到極大的提高,產(chǎn)品性能也不斷改善,大功率白光LED正向通用照明領域進軍,極大地推進了滿足不同應用需求的大功率白光LED封裝技術。從目前大功率白光LED申請的專利可以看出,大功率白光