【白光ＬＥＤ的封装材料对其光衰影响的实验研究】 led灯光衰

　　摘要：光通量、显色性、色温和光衰是衡量白光LED光源的四大重要指标。LED从指示、显示应用过渡到照明应用，产品的光衰控制和评价是一个重要的课题。本文通过相关的实验，探讨封装材料及其工艺措施对白光LED的光衰的影响。
　　关键词：白光LED；光衰；发光效率；热量
　　中图分类号：TN141文献标识码：B
　　
　　引言
　　
　　 中大功率LED封装设计主要涉及光、热、电和机械结构（材料特性）等方面，这些因素彼此独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电和机械材料是手段，而性能是具体体现。在我们对LED的光学设计、热量管理进行研究之后，就中、大功率白光的封装材料做了进一步的讨论。封装材料是影响白光LED性能的主要因素之一，白光LED封装材料主要包括晶片、支架、固晶胶、荧光粉、配粉胶、硅胶或环氧树脂等。
　　
　　一、实验说明
　　
　　 本文欲经过大量实验，探讨不同封装材料对白光LED性能的影响。为了保证数据的有效性，实验过程和数据的处理采用以下方式：
　　 （1） 每一项实验均在同一实验室、同样的环境条件和时间段下进行；
　　 （2） 每一颗单管LED均采用标准70mA电流驱动做测试和老化（常温）；
　　 （3） 每一个测试项目都是从80pcs单管中随机抽取10pcs作为测试的样品，测试仪器和条件都不变；
　　 （4） 对比实验中，都只改变一个条件，其它皆不变。
　　 例如，研究固晶胶对白光LED性能影响实验中所用到的LED，是在同样的封装设备和工艺条件下，分别用绝缘胶和银胶制作LED若干，这两组的差别仅在于固晶胶不同，其它如支架、晶片、荧光粉等材料均相同。然后分别从两组样品中随机抽取10 pcs用于实验研究。
　　 本文所述实验过程中用到的白光LED结构是φ5mm的直插式LED Lamp，其发光晶片都是以蓝宝石为衬底的双电极结构（底部无反射层）。白光LED系指由晶片发出蓝光、部分蓝光激发荧光粉发出黄光，两者混和形成发白光的LED。
　　
　　二、晶片对光衰的影响
　　
　　 不同厂家的蓝光晶片，对光衰的影响程度不完全相同。即使是同一厂家生产的不同批次的蓝光晶片，对白光的光衰影响也不相同，这与晶片的原材料成分、掺杂程度有很大的关系。晶片的衬底分为硅、炭化硅、铜、锡金、蓝宝石等，其稳定性、导热性不同，发光亮度的衰减就不同。分别用不同厂家的晶片封装成LED，其光衰对比如图1。
　　 比较可知，虽然在1，000hrs时的衰减两者比较接近，但随着老化时间的延长，显然厂家2的晶片衰减更大。
　　
　　三、支架对光衰的影响
　　
　　 LED Lamp 的支架材质主要分为两类――铁支架镀银和铜支架镀银，铜材质又分为黄铜、纯铜和其它合金铜等。铜的导热、导电性能好，但价格较高。而铁的导热和导电性能相对较差些，但价格上有优势。不同材料的支架对白光LED的性能影响较大，特别是对光衰的影响尤为突出。选用铜支架和铁支架进行封装的光衰实验结果如图2所示。
　　
　　 由此可以看出，用铜支架封装的白光LED，其光衰明显比铁支架封装的白光LED的光衰小，在第3，000hrs时相差大约10％。这主要是由于铜支架的导热性能比铁要好很多，铜的导热系数是398W/（m ℃），而铁的导热系数只有81.1W/（m ℃）左右，仅为前者的1/5。
　　 另外，用铜支架封装白光LED的光效一般会比铁支架高。这是由于铜支架的散热条件好，使得晶片的结温较低，蓝光晶片发出的光通量提高，从而提高光效。尽管由于P-N结的正向压降与结温之间呈负温度特性的变化规律，会使铜支架上蓝光晶片的正压降反而比铁支架的会较高一些，以致降低光效，但P-N结温对提高光通量的影响远比对其正向压降的影响大。因此，使用铜支架封装白光LED的光效一般都比铁支架高。具体提高的程度，与蓝光晶片的P-N结正向压降的温度特性，发光效能的温度特性以及环境密切相关。光效的提高显然有助于减少热量的产生，从而减少对其它物料（特别是Epoxy）的负面影响，这也对白光LED的光衰起到减缓的作用。
　　
　　四、固晶胶对光衰的影响
　　
　　 晶片衬底与固晶胶和固晶工艺的搭配也会与白光LED的光衰有紧密的关系。LED常用的固晶胶主要有银浆和绝缘胶等，二者各有利弊，在选用时需要综合考虑。银胶的导热系数可达到21W/（m ℃）以上，是一般绝缘胶的5～10倍以上。使用高导热性的银胶有助于延长LED的寿命，但银胶中含有Epoxy，晶片温度过高以及紫外光线照射会使银胶的性能衰退，而且银胶比一般的绝缘胶吸光严重。使用绝缘胶，虽然光效较高，但由于其导热性差，LED的寿命较低。实验所得结果见表1和图3：
　　 对比可得，采用银浆比用绝缘胶固晶所封装出来的白光LED，虽然初始亮度低了约1/10，但在抗衰减性能上有优势。
　　
　　五、配粉胶对光衰的影响
　　
　　 配粉胶一般采用硅胶或环氧树脂。如表2、图4所示，分别是用环氧树脂和硅胶配粉进行实验对比的结果。比较可知，用硅胶配粉的白光LED的寿命明显比用环氧树脂的长很多。
　　 使用硅胶所得初始亮度低的原因有：硅胶的折射率比环氧树脂的折射率低，故对蓝光晶片的取光率较低；配粉胶与外封胶之间有分层现象导致外部出光效率低。
　　
　　 衰减方面，晶片附近温度过高是光衰的主要因素：当环氧树脂的Tg点与工作中晶片的Tj点很接近时，环氧树脂的热膨胀系数会发生剧烈变化，这时产生的内部应力和水分的蒸汽压力很可能大于封装树脂与晶片、固晶胶以及框架表面之间的粘接力，以致它们的界面之间出现剥离现象，严重时还会导致封装树脂或晶片出现裂纹，这就会导致光衰严重；而硅胶就基本不存在这种现象。另外，环氧树脂本身的抗紫外线辐射能力远不及硅胶。在实验中，我们还发现晶片表面的环氧树脂被高温灼烧成黑黄色，可知高温使得环氧树脂变质严重，透光性自然变差。
　　
　　六、荧光粉对光衰的影响
　　
　　 图5所示为两种不同荧光粉封装的白光LED与蓝光LED对比的光衰曲线。与蓝光LED相比，荧光粉有加速白光LED老化的作用，而且不同厂家的荧光粉对光衰的影响程度不完全相同。即使是同一厂家不同型号的荧光粉，对白光的光衰影响也是不相同的，这与荧光粉的原材料成分有很大的关系。
　　 图6是用不同荧光粉封装的中功率白光LED其色温随时间的变化曲线。可以看到，不同荧光粉对色温漂移的影响程度也是不一样的。经研究发现，荧光粉受温度影响比较严重，当散热条件不好时，荧光粉更容易老化变质。因此，具有更高温度稳定性的荧光粉是提高白光LED寿命的关键。
　　
　　七、总结
　　
　　 晶片是LED产品的光源，其结构稳定性、耐高温性等的高低决定了白光LED的光效、光衰。要从根本上确保光衰，必须使得晶片的温度和所受的应力在其承受范围之内。
　　 支架、固晶胶则是提供散热的主要途径，低热阻的LED封装设计，有利于使得晶片及配粉胶、荧光粉等处于较低的温度下工作。这就要求采用散热设计良好的支架，并用性能好的固晶胶确保晶片与支架之间很好地结合。
　　 配粉胶、荧光粉受温度的影响很明显，保持尽量低的温度有助于延长白光LED的寿命。硅胶的抗紫外辐射、耐高温等性能优于环氧树脂，搭配合适的外封胶可以取得较小的光衰。
　　 白光LED的封装材料之取舍，固然需要分类别去做实验择优，但更重要的是需统筹设计，针对各类材料的特性扬长避短，再经实验检查，改进组合效果。