管芯封装与应用对LED照明光源的影响

作为被普遍看好的第三代照明光源，以功率型LED为核心的半导体照明与白炽灯、荧光灯相比，在器件封装上有很大不同：

1.温度对LED 材料的发光特性有较大的影响，因此，散热问题在LED 器件的封装中占有十分重要的地位；

2.从光学角度而言，功率型LED 器件发光面积小，其出光角为半球出光角，可以近似为朗伯光源。这种类似点光源的发光特性使得特定的照度分布，并保持较高光能利用效率，但需采用特殊的光学系统；

3.功率LED 采用直流工作，工作电压仅为几伏，但工作电流较大，这对照明驱动电源也提出了新要求。

热量对功率型LED 的影响集中体现以下方面：

1.由于热量集中在尺寸很小的芯片内，结区温度容易升高，从而降低芯片的发光效率，降低芯片周围荧光粉的激射效率，严重影响器件的光学性能，同时热应力的非均匀分布也容易降低器件的寿命和稳定性；

2.在使用多个LED 密集排列的白光照明系统中，由于模块间相互影响，所以高热阻会导致器件失效等问题。

因此，散热是功率型LED 的重要研究课题。对于LED 器件的热量处理，除了芯片层面减少管芯热阻之外，对封装而言，应采用高热导率的封装材料、设计合理热沉、采用多芯片封装、优化驱动电源等以降低封装后器件的热阻，提高器件性能。从光学角度看，成像光学系统得到的光源影像，其光场分布只是发生了缩放，而LED 应用于照明时，要求获得具有特定照度分布的同时保持高光能利用率，因而光学系统与成像光学系统有本质区别，针对LED 封装的光学研究属于非成像光学。利用非成像光学设计满足特定要求的LED 光学系统，是半导体照明光源应用的重要研究内容。

下面给出应用于投射照明系统的封装光学设计实例。应用于投射照明系统时，光源需要有高效、准直的远场分布。对于LED 系统而言，若采用二次光学元件，即通过附加准直透镜与LED 光源相结合实现准直光场分布，不仅增加系统体积，同时二次元件与LED 之间不可避免会存在空气隙，从而带来额外的反射损耗。为使LED 在封装的同时实现准直，需重新设计LED 芯片封装时的树脂透镜：首先采用编程方式计算准直透镜的二维、三维模型，利用蒙特卡罗方法计算其光场分布，利用计算结果修正设计模型，待符合要求后制作相应的准直透镜。利用直接准直LED 光源的光场分布和采用传统二次元件系统的光场分布比较，该准直透镜的出光效率达到88%，其亮度半高全角的理论值为9.6°，实测值为12.6°。这里实现了准直LED 光源阵列的应用效果。需要强调的是，此封装结构具有很强的可扩展性，能简单组合构成大面积阵列，满足不同的应用需求。

对于LED 的封装，除了热学处理、光学封装设计之外，新型高转换效率荧光粉材料、高热导率低损耗封装树脂材料、稳定有效驱动电源模块等相关技术值得研究与探讨。由于LED 光源与传统光源在形貌上有很大差别，在外观上如何为市场所接受，也是封装需要解决的技术问题。

（来源:中国电子科技集团公司第五十五研究所）

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