大功率LED封裝及其光電性能的研究

福州大學至誠學院　吳運銓

大功率LED封裝及其光電性能的研究

福州大學至誠學院吳運銓

本文介紹了大功率LED封裝工藝流程，大功率LED在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩定性、成品的尺寸等因素。本文介紹了采用ZWL-600光色電綜合測試系統對所封裝的LED進行光電性能測試，包含所封裝LED的光譜分析和光電性能參數測試。測試結果表明：藍光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫小；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。紫光的光功率最大，光通量也最大。

大功率LED；光電特性；光譜分析；性能特性；發光效率

隨著LED技術的不斷發展與完善，LED在很多方面得到廣泛的應用［1］。LED是一種可以直接將電能轉換為光能的固態半導體器件。用于制備LED半導體芯片的材料很多，例如發藍光的GaN芯片、高溫燒結制成含Ce3+的YAG熒光粉受發藍光的GaN芯片激發后會發黃光等［2］。經過近30年的發展，現在的大功率LED，能發出紅、橙、黃、綠、藍等顏色的光［3-5］。因此，LED的核心是該固態半導體器件［6］。本文中介紹的大功率LED均是采用半導體芯片制成的PN結發光器件。因此它不僅具有PN結的所有特性，還具有光強指向特性、發光峰值波長光譜分布、半波寬度、光通量、發光效率等特性。本文還介紹了采用光電綜合系統對封裝的LED進行光譜分析以及光電性能的測試。

1　大功率LED的封裝流程

大功率LED的封裝看似簡單，但實施起來存在一定的困難。在封裝過程中，不僅要考慮到LED芯片所采取的封裝的形式，還要考慮到其散熱、光衰等問題。這些因素在整個LED制備過程中均得考慮。LED封裝流程如圖1所示。

圖1　大功率LED封裝工藝流程

LED的核心是該固態半導體器件，根據發光波長的不一致，選擇用不同材料制備成的LED晶片。在測試過程需要對比不同波長LED的光電性能特性，因此選取發光波長為330-630nm材料作為LED封裝的晶片。這些晶片形態各異，因此得采用不同的支架對其進行封裝。在架選擇過程中需要考慮到LED晶片的規格以及成品LED的外形尺寸。

固晶過程決定了成品LED的熱阻。在選擇過程中要考慮到固晶膠的顆粒以及粘滯力。LED熱阻決定了LED的出光效率。選取了選取了熱阻相對較低的銀膠作為固晶膠。不僅如此，銀膠的導熱性比絕緣膠好。

焊線可以采取機械焊線的方式，機械焊線相對于人工焊線具有效率高，準確性強等優點。

光驅透鏡的選擇影響了LED的發射角。散熱基板的選擇影響了LED的散熱。壓邊的程度影響了LED的使用壽命，驅動電路的設計得考慮到每一種材料LED的晶片最大恒流電流以及最大驅動電壓、影響LED的色穩定性。

綜上所述，大功率LED在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩定性、成品的尺寸等因素。熱阻影響了LED的出光效率，散熱條件和色穩定性影響了LED的使用壽命。不僅如此，大功率LED的封裝還要考慮到集模塊、驅動電源及LED的使用領域等等。

2　大功率LED的光譜分析

圖2　LED光源光譜圖

采用ZML-600光電綜合測試系統對不同顏色大功率LED進行光譜分析。如圖2所示。根據光譜，可以得出計算出半波寬度、發光峰值峰值等參數。

由圖2可知，藍光LED覆蓋的波長范圍為443.5nm-472.2nm。結果表明，LED的發光波長（主波長）范圍比較密集，相互間的峰值波長的間隔小于5nm，LED的光譜相對能量分布比較集中，半波寬度在17nm-25nm之間，光源的單色性好。綠光LED覆蓋的波長范圍為504.2nm-526.4nm。結果表明，LED的發光波長（主波長）范圍比較密集，相互間的峰值波長的間隔小于5nm，LED的光譜相對能量分布比較集中半波寬度在35nm-49nm之間。光源的單色性較好。紅橙光LED的光譜相對能量分布比較集中，半波寬度在12nm-18nm之間，光源的單色性最好。

根據ZWL-600光色電綜合測試系統對所封裝的LED所得到的光譜圖可知，光譜圖包含LED的發光峰值波長、光譜分布、半波寬度、光通量、發光效率等特性。測試結果表明：藍光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫小；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。綜上所述，由光譜圖可得，半波寬度決定了LED的色純度。半波寬度越小，色純度越高，反之越低。

3　大功率LED的光電參數的測試

該系統不僅可以描繪出每一路單色LED的光譜，而且還可以得出其中心波長、半波寬度、峰值波長、色溫、光效率、色純度、光通量等重要參數。表1為采用ZML-600光電綜合測試系統與ZML-600積分球分析系統配套使用測試得出的特征光譜實驗儀的光源電光特性參數。

表1為采用ZML-600光電綜合測試系統與ZML-600積分球分析系統配套使用測試得出大功率LED的光電特性參數。

從表格1可以得出，光輻射強度與光通量存在一定的差異性，由于測試系統是根據人眼的光譜光效率曲線設計的。人眼的結構與昆蟲結構的差異性導致二者的光效率曲線也存在一定的差異。上述LED均有其各自的輻射功率，這與LED的波長存在密切的關系。表中可以得出，藍光與紅橙光的半波寬度小，在15nm-23nm之間色純度高，綠光的半波寬度在38nm-42nm之間，色純度低。單色綠光的光通量比藍光和紅橙光較高。

4　結論

本文選取了不同材料半導體作為LED晶片，并對其進行封裝，在封裝過程中得考慮到LED的熱阻、散熱條件、色穩定性、成品的尺寸集模塊、驅動電源及LED的使用領域等。采用ZWL-600光色電綜合測試系統對大功率LED的光譜進行測試大功率LED的發光峰值波長、光譜分布、半波寬度、光通量、發光效率等特性。測試結果表明：藍光與紅橙光的半波寬度小，在15nm-23nm之間色純度高，綠光的半波寬度在38nm-42nm之間，色純度低。藍光LED的半波寬度小，在17nm-26nm之間，色純度高，色溫小；綠光的半波寬度大，在38nm-42nm之間，色純度低；紅橙光的半波寬度在15nm-18nm，色純度高。綠光LED的光通量比藍光和紅橙光較高。綠光LED的色溫比藍光和紅橙光較高。

［1］楊國棟，沈培宏.二十一世紀的光明—白光LED發展簡析［J］.國際光電產業資訊，2002（1）.

［2］錢可元，胡飛，吳慧穎 等.大功率白光LED封裝技術研究［J］.半導體光電，2005，26（2）：118-120.

［3］陳明祥，羅小兵，馬澤濤，劉勝.大功率白光LED封裝設計與研究進展［J］.半導體光電，2006，27（6）：114-116.

［4］周志敏，紀愛華.LED照明與工程設計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］陳元燈，陳宇編;李元密審校.LED制造技術與應用［M］.電子工業出版社，2009：107-110.

［6］周志敏，紀愛華.大功率LED照明技術設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.

吳運銓（1987—），男，福建平潭人，碩士，助教，現工作于福州大學至誠學院，研究方向：光伏發電及半導體照明技術。