华中理工大学硕士研究生论文（LED的封装）

4 白光LED的性能测试
4.1 测试的条件
⑴温度：25℃±1℃
⑵相对湿度：48%---52%
⑶气压：86KPA---106KPA
⑷测试环境应无影响测试准确度的机械震动和电磁干扰。
⑸器件全部光电参数均应该在热平衡下进行。
⑹测试系统应该接地良好。
4.2 测量的标准和方向性
发光二极管的光辐射实际上是一种定向的成像光束，因此不能按照一般的光度测量规则测量和计算发光强度。也就是说，一般情况下发光强度不能简单地用探测面上的照度和距离平方反比定律来计算。CIE 127-1997“发光二极管测量”出版物[28-30]把LED的强度测试确定为平均强度的概念，并规定了统一的测试结构，包括探测器接收面的大小和测量距离的要求。这样就为LED的准确测试比对奠定了基础。虽然CIE的文件并非国际标准，但目前已得到国际上的普遍认同和采用。我国的LED行业标准与该CIE文件的方法完全一致。
从图2-2可知，色温在7000-10000K之间的白光颜色偏蓝，它不太适合用做普通家庭照明光源的；色温为6400K的日光色，是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。白光LED中的蓝光光谱和只有蓝色LED的蓝光光谱相比是有差异的，因为发生荧光体高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。而白光中的蓝光吸收（激发）与荧光体的激发光谱密切相关。由于荧光体光转换过程致使白光LED中的蓝光光谱的能量分布、发射峰以及半高宽等性质发生变化。所涂覆的荧光粉越多，蓝色光谱变化越严重，在低色温的白光LED中更为明显。
目前，在LED测量仪器中所用的光度测量传感器是采用硅光电二极管和相应的视觉光谱响应校正滤光片组成。为了使探测器的光谱响应函数与CIE标准观察者光谱光视效率函数V(λ)一致，一般需由多片滤光片组成[31-37]。由于受材料及工艺的限制，某些仪器的传感器在光谱匹配上存在一定的差异，当仪器出厂定标所用的标准源(通常采用2856K钨丝灯)与所测量的LED管的光谱存在较大差异时，测量的LED光度量值就会产生明显的偏差，而且对某些单色LED往往更加明显。因此应采用光谱响应曲线在各个波长符合度较好的高精度光度探测器，或者采用光谱辐射法测量[38-40]，并由计算机加权积分，得到准确的测量结果。否则，必须采用LED标准样管对仪器进行定标或校正，才能得到比较一致的结果。
在LED的测试供电驱动中，LED本身结温的升高对电参数和发光的影响不容忽视。因此，测量时的环境温度及器件的温度平衡是非常重要的一项测量条件。
4.3 测试内容
白光LED的测试内容主要包括：光功率、光效、显色指数、色温、色坐标、光谱分布、光照度。
需要使用的测试仪器如表4-1
表4-1 测试仪器清单
编号名称型号/性能参数生产商
1 紫外-可见-近红外光谱分析系统 PMS-50 杭州远方
2 LED光强分布测试仪 LED620 杭州远方
3 专业袖珍照度计 YF2006 远方

4.4 光电特性的测试
测试对象：支架式白光LED和大功率白光LED。
测试装置：紫外-可见-近红外光谱分析系统
将LED光源放在积分球的中心,积分球又称光通球或球形光度计,它是一个内部空的完整球壳,内壁涂白光漫反射层,球内放待测光源,光源发射并经球面漫反射的一部分光线通过球壁上的窗口射到光探测器上,在光探测器前面装V (λ) 滤光器,保证光探测器的测量值准确并接近人眼视觉函数。由探测器将光信号转化为光电流信号, 经过取样、放大后, 经AD 转化为数字信号送入微处理器,再经过计算和定校即可得到光通量值,通过仪表面板上光通量部分的数码管显示出来。原理图如4-1所示：

图4-1 光电特性的测试原理图
测试的出两种LED的相关特性参数数据见表4-2：
表4-2 支架式白光LED和大功率白光LED的光电特性参数
测试对象测试电流(mA) 色温(K) X/Y坐标值显色指数光效(lm/w)
支架式白光LED 20 5971 0.3219/0.3416 87.3 14.221
大功率白光LED 350 5624 0.3301/0.3298 95 38.3

按照深圳市越宏电子有限公司的指标要求，表4-2的测试结果表明，这两种封装产品均达到了上述的技术指标要求，即显色指数分别为5971K和5624K；支架式白光LED的光效为14.21lm/w, 大功率白光LED的光效为38.31lm/w。
4.5 外加电流对白光LED的性能影响
对于两种封装形式的白光LED，外加正向电流对其特性的影响都是一样的，在本文中，将支架式的白光LED拿出来分析。分别取外加正向电流IF值为：10mA、20mA、30mA、40mA，得到如图4-2、图4-3所示的曲线图。

图4-2 电流与色温的关系

图4-3 电流与光效的关系
从上述图中，可以得出如下的结论：
(1)正向电流增加时，白光LED的发射光谱，特别是InGaN LED蓝光芯片的发射光谱向短波长一端移动。色坐标X和Y值也就发生变化，相关色温Tc（K）逐渐增加。
(2)正向电流增加时，光效率会下降，其原因如下：
1)在相同的热阻下,电流的增加必然导致芯片温度升高,增加载流子非辐射复合几率,导致辐射复合几率下降,造成发光效率随着电流增加而下降；
2)随着IF增加， P-N结温快速升高，结温和环境温度上升，对半导体蓝光芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭；
3)由于在白光LED中发生蓝光→黄光的光转换过程，产生光吸收的辐射传递，不仅使白光光谱中的蓝芯片的发射光谱形状和发射峰发生变化，而且蓝光效率下降使得荧光粉的光效下降，从而白光光衰程度比单个InGaN蓝芯片更快。实际上是荧光粉的发光效率受蓝芯片下降的“诛连”和强烈的制约。
根据以上分析得到：当正向电流较小时,虽然芯片本身的发光效率较高,但是因为强度太弱,而芯片上涂敷的荧光粉又有一定的厚度,芯片发出的蓝光只能激发靠近芯片表面的一小部分荧光粉,而这一部分荧光粉受激发产生的黄光,大部分又被荧光粉外层所吸收,此时不仅发光效率很低, 而且发光的颜色也偏黄。随着IF增加,虽然芯片发光效率略有降低,但是发光强度大大增加,此时, 芯片发出的蓝光可以穿透荧光粉层,使得荧光粉层,特别是荧光粉外层被激发的几率大大增加,发光强度迅速增加。
4.6 荧光粉的涂抹方式对白光LED性能的影响
根据上一章的关于荧光粉涂抹方式的设计，知道荧光粉的涂抹方式对发光分布与色温的均匀度影响很大。如图4- 4可以看到，左图为传统封装形式的荧光粉涂抹方式，其涂抹方式只是将荧光粉分撒在芯片的上方和四周，这种分布会造成荧光粉厚度较厚的位置黄光产生较多，色温较低，并且光斑不均匀。右图为改良后运用在的大功率白光LED上的涂抹方式，看到基本上是均匀分布的。

图4-4 两种荧光粉涂抹方式
将做好的两种白光LED进行色温测试，得到数据见表4-3。
表4-3 两种涂抹方式不同厚度的色温值
荧光粉的厚度(mm) 色温(k) 测试对象
0.6 5541 传统涂抹方式

0.5 6241
0.6 5821 改良后的涂抹方式

0.5 5900

由上表可以知道，传统的荧光粉涂抹方式，色温值相差700K，而改良后的涂抹方式只是相差80K左右。可见，改良后的涂抹方式对色温和光强的均匀分布都有所提高。
4.7 不同的封装形式对白光LED性能的影响
上节中，对IF的变化引起的LED性能参数的变化做了详细的分析，在这节中，则对封装方式的变化和封装材料的变化引起的LED性能参数的变化做详细的探讨。
支架式白光LED封装方式除了模条（如图4-5）的形状不相同以外，还有就是模条的卡点（所谓的卡点就是指支架插入模条内的深浅高度（如图4-6）不相同，因此为了详细说明不同封装形状对白光LED性能的影响，必须是相同卡点不同封装外形和不同卡点相同封装外形进行的比较。

图4-5 模条示意图

图4-6 卡点示意图
对比对象有两组，第一组是5mm×8.6mm子弹头支架式LED和5mm×6.0mm子弹头支架式LED；第二组是5mm×8.6mm圆头支架式LED和5mm×8.6mm子弹头支架式LED（相关的成品图见本文图3-7）。因为这两组白光LED只是外封装方式不一样，前段（工艺流程中从点胶到点荧光粉烘烤的步骤都是所谓的前段）工艺都是相同的，通过测试得到的参数如表4-4和表4-5 。
表4-4 不同卡位的子弹头支架式白光LED的参数
测试对象光通量/lm 半功率角/° 光强峰值/mcd
5mm×8.6mm子弹头支架式白光LED 0.9 6 25000
5mm×6.0mm子弹头支架式白光LED 0.9 15 20000

表4-5 不同封装外形的支架式白光LED参数
测试对象光通量/lm 半功率角/° 光强峰值/mcd
5mm×8.6mm子弹头支架式白光LED 0.9 6 25000
5mm×8.6mm圆头支架式白光LED 0.9 15 18000

由两表可以得出如下结论：
(1) 两组白光LED的色温、色坐标以及光通量没有很明显的变化，只是光强峰值和半功率角发生变化。封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布与封装透镜所用形状有关。若采用子弹头形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形，其相应视角将增大。
(2) 子弹头和圆头封装的“外透镜”角度不同，导致子弹头和圆头的半功率角度不同，明显子弹头的半功率角要小于圆头，同时子弹头的最大光强也要大于圆头。
(3)卡点越小的模条封装出的LED其半功率角就越大，同时最大光强也就越小。
4.8 不同的封装材料对LED寿命的影响
以大功率LED的封装材料的不同进行对比。为了形象的表示光通量随时间的衰减，在这里引进一个概念--相对光强输出，其定义为：
y = exp ( - at) （4-1）
y表示相对光强输出, a 表示衰减系数, t 为以小时为单位的点灯时间。
将不同封装材料封装出的大功率LED分为三类，第一类的封装材料是陶瓷基板+锡膏+硅胶；第二类的封装材料是铜基板+锡膏+硅胶；第三类的封装材料是铜基板+银胶+环氧树脂封胶。每类LED采用的是同一家厂家出的同一批芯片，荧光粉溶液的配比和涂抹方式都是完全相同的。经过长时间的老化测试，在350mA的正向电流下，将大功率白光LED点亮1万个小时后得到的寿命数据，如表4-6所示。
表4-6 3类大功率LED寿命参数
LED类别序号样品数驱动电流/mA 平均寿命/h
陶瓷基板+锡膏+硅胶 6 350 27721
铜基板+锡膏+硅胶 6 350 19462
铜基板+银胶+环氧树脂 6 350 9674

根据老化测试中所得到的数据画出如图4-7的相对光输出随时间变化的曲线。从图可知，第三类封装形式（即，铜基板+银胶+环氧树脂封胶）的大功率LED在9000小时后，只有55%的光输出；而第一类封装形式（即，陶瓷基板+锡膏+硅胶）的大功率LED在10000h后还能保持92%的光输出。因为所有的材料和工艺都是相同的，所有寿命的决定因素只和封装所选择的材料有关。由此可以知道，（陶瓷基板+锡膏+硅胶）这种封装材料的大功率LED相对寿命较好，这种封装材料的配合对散热处理也相对要强。这正好和上一章节里散热的设计结果相符合。

图4-7 不同封装材料的大功率LED的相对光强输出与时间的关系

5 全文总结
论文主要就支架式白光LED和大功率白光LED的封装工艺进行了研究，针对先阶段的白光LED的发展的缺点，做了原材料选择和搭配以及白光LED工艺的改进，顺利完成了白光LED的封装设计。对测试出的特性参数进行了分析，并且达到了这个项目所要求的特性参数指标。
本文开展的具体工作如下：
(1)结合大量文献，对白光LED发光原理和合成方式做了理论分析，为后来封装原材料的选择提供了理论基础。
(2)介绍了实验中所用的工艺设备以及设备必须具备的基本特性。
(3)分析了荧光粉溶液配比和涂抹方式对白光LED的光斑和色温所产生的影响，并通过大量的荧光粉溶液实验，确定了荧光粉混合溶液的组分、配比的选取以及荧光粉溶液涂抹芯片的方式。
(4)分析了填充材料对白光LED的特性参数的影响，并通过反复的实验，确定了适合衔接支架和基板、基板和散热器的材料。
(5)分析了不同材料的基板、支架和散热器对白光LED的性能参数的影响，并找出了最佳的材料配置。
(6)完成了封装设计，通过调节外界的参数（恒定电流和不同的外封装材料形式），分析了白光LED的光特性参数、电特性参数和寿命发生变化的原因。
近年来，LED的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯采用的白光LED发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题：
一是光通量有待进一步提高。采用LED作为照明光源，必须具有更高的能量效率。特别是对于高亮度白光LED和大功率白光LED而言，散热的处理、外封装中的光学结构的建立是在现有的芯片技术下的一个最直接解决光效率的问题，因此原材料的选择和开发也是目前待解决的。二是白光LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。因此荧光粉的选择和芯片的选择、荧光粉溶液的配比，如何让荧光粉和芯片在激发与合成中达到最好的光效成了有待突破的问题。
对于封装工艺改进的方法，有以下几种设想：
(1) 改善荧光粉的沉淀率，选取颗粒细小、激发光谱宽和抗衰老性好的荧光粉以及液体分子张力大的溶剂来混合荧光粉，使得白光光斑一致性好。
(2) 改进支架或基板载片结构内反射杯的镀层，因为反射效率的提高能使光强增高。
(3) 发展低热阻的填充材料和封装材料，加快散热，提高寿命。
(4)开发更好的外散热结构，从而提高光效和延长寿命。

zjw1087	2007-04-23 10:03
写的很好，就是没有细节555555能看到全文吗？

liser	2007-10-19 12:43
谢谢分享啊

kyvenger	2007-10-26 09:00
没图片 a(fiW%eFb 瞎搞

yahahago	2010-11-06 01:37
沒圖片 gGCr~.5 瞎搞

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