白光LED的封装工艺【白光ＬＥＤ封装工艺对其性能的影响】
摘要：通过理论分析与实验数据说明了白光LED封装工艺对其性能的影响，特别针对模粒卡位、胶体外形等进行较为详细的分析。 关键词：封装工艺；白光LED；封装材料
中图分类号：TN31 文献标识码：B
Analysis on White Light LED Packaging Process
and its Performance
ZHENG Yi-fu
(Xiamen Overseas Chinese Electronic Co., Ltd，Xiamen361006，China)
Abstract: The influences of white light LED packaging process on its performance are discussed in this paper. We also analyse the factors including colloid outlines and sticking points in detail.
Keywords: packaging process, white light LED, packaging materials
引言
近几年来，发光二极管（LED）芯片发光效率不断提升，使得白光LED作为固态照明光源逐步被人们接受。随着光伏技术的发展，白光LED将有可能与太阳能电池等节能电源集成而成为未来绿色的全固态节能照明光源。由于白光LED具有广阔的照明市场，各个国家和地区均投入巨资研发白光LED照明光源，以推动光电子产业的进一步发展。
目前，LED封装公司都在寻找最佳的封装工艺。其中封装材料的选择、散热结构的设计、生产工艺与质量的严格控制已经成为生产厂家关注的焦点。只有解决好这些密切相关的问题，白光LED的性能（效率、寿命等）才有广阔的提升空间。
本文将探讨LED封装材料的选择，并论述封装工艺对白光LED性能的影响，着重分析了卡位、胶体外形和灌封胶等对白光LED发光效率的影响。
1白光LED封装材料对其性能的影响
白光LED封装材料包括支架、银胶或绝缘胶、芯片、荧光粉、环氧树脂或硅胶等，其质量好坏直接影响到LED的性能。
LED支架可分为铜支架和铁支架，导热系数分别为398W/(m・K)和50W/(m・K)。选择导热性能较为优越的铜支架，可以降低LED芯片的结温，进而提高LED的光通量和整体性能[2]。
LED固晶胶可分为银胶和绝缘胶，其中银胶的散热性能更佳，但银胶对光的吸收要比绝缘胶大，而且对胶量的控制更为严格，银胶的高度不能高于芯片高度的1/3,也不能低于1/4。此外，点银胶的过程中，不能出现胶量过多、芯片沾胶或爬丝的现象，以避免造成短路。
白光LED实现的方式多种多样，可分为RGB三基色芯片、蓝光琥珀色黄光芯片等多芯片型以及蓝光芯片加黄色YAG荧光粉、UV芯片加RGB荧光粉等单芯片型。其中蓝光芯片加YAG钇铝石榴石荧光粉的组合方式为目前市场的主流。荧光粉的激发波长需要和芯片发射波长有良好的匹配，一些荧光粉质量不好，则直接影响白光LED的光谱效果。同理，如果芯片采用非正规片，而使波长出现跨段现象，那么白光LED的色温将很难控制。
在实验过程中，处理荧光粉时，如果采用的器具是铁制品，荧光粉的质量将受到影响。研究表明，当铁离子的浓度达到一定值时，荧光粉将发生浓度猝灭[1]。此外，由于铁离子（Fe3+）是三价的，有可能替代YAG 荧光粉中的Ce3+，改变晶格结构，导致荧光粉产生杂质猝灭。
白光LED所采用的灌封胶可分为环氧树脂和硅胶。前者透光性要比后者好，且价格更便宜，但后者导热系数要比前者高，热涨系数也比前者低，即固化过程的内应力较小。且硅胶更粘稠，抗沉淀能力更好，与荧光粉混合更均匀，也可以作为配粉胶使用。
2卡位对LED性能的影响
2.1理论分析
LED的胶体（环氧树脂或硅胶）与空气界面可视为折射球面，且LED芯片发出的光的传播亦近似在傍轴条件下，如图1所示。其中，n是胶体的折射率，n"是空气的折射率，n"≈1。
根据球面折射原理，在傍轴条件下，可得物、像方焦距的公式[3]：
物像距公式可用焦距表示为:
其中，r为胶体的曲率半径， f 、 f"分别为物方焦距和像方焦距，s和s"分别为物距和像距。
2.2实验部分
白光LED要实现在空间各个方向上光强均匀分布，主要取决于支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否等封装的工艺。这里主要探讨模粒的卡位对LED出光效果的影响。
LED模粒示意图如图2所示，在钢片上分布着卡位，这些卡位具有以下作用：一是固定支架，防止倒插支架时出现偏插；二是固定卡位，即支架插入模条的深浅。不同的模粒有着不同的卡位参数，每条模粒上不同的卡点分别对应不同的高度，我们可以根据实际情况选择卡槽的位置。
实验采用了具有代表性的φ5圆头蓝光LED进行测量，实验过程中只改变卡位，样品所用芯片和测试的环境等因素一样。我们选择卡位为2.2mm和3.4mm的两种情况，即深插和浅插，如图3所示。
制作的LED样品灯光电参数均采用远方LED光强分布测试仪进行测量，得到光强分布如图4所示，其主要光电参数如表1所示。
从实验测试的结果可以看出，卡位不同时，光通量和光效均没有很大变化，但是光强分布差别较大。2.2mm卡位的LED光强分布较3.4mm卡位的LED光强分布角度范围大，且中心光强较小。
根据式（1）和式（2），当深封装时，s f，发光二极管的前方可得到一个实像，当s稍大于f时，s-f很小，s"较远，放大率 v=s"/s较大，如s加大，s"变近，则放大率减小。
综上所述，不同的卡位对LED光强分布有着重要的影响，在生产过程中，工程人员可以根据客户需要适当地改变卡位，以生产相应光强分布的LED灯。
3胶体外形对LED性能的影响
实验选择具有代表性的φ5圆头、φ5草帽和φ5子弹头三种外型的白光LED进行测量，实验过程中只改变胶体外形，样品所用芯片、模粒和测试的环境等因素均一样。采用杭州远方LED620光强分布测试仪测得样品灯的光强分布如图5所示。
从图5中可以看出三种外型的LED光通量和光效相近，如表2所示。但是，光强分布和中心光强差别很大，草帽的光强分布范围最大，但是最大光强最小，只有999.2mcd，如图5（a）所示；φ5圆头的光强范围较小，而最大光强较大，为15，903mcd，如图5（b）所示；子弹头的光强范围最小，而最大光强最大，为52261mcd，如图5（c）所示。
综上所述并结合式（1）可知，当采用较大曲率半径的胶体外形封装时，随着r减小，f增大，使得在同样卡位的条件下，聚光发生变化。所以，结合上一节所述，选用不同的模粒和卡位可以灵活地实现不同的聚光效果。
4全反射效应对大功率LED光效的影响
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蓝光LED芯片发射的光经过胶体，再射向空气，即光由光密媒质向光疏媒质传输。已知n1为胶体折射率，n2为空气折射率，且n2�n1。当入射角增至某一数值ic=sin-1(n2/n1)时，折射角i2＝90°。当入射角i1大于临界角ic时，折射线消失，光线全部反射，即出现全反射现象 [3]。
在LED胶体和空气的界面发生全反射的条件是：(1)光从光密介质进入光疏介质；(2)入射角等于或大于临界角。这里近似胶体折射率n1=n，空气折射率n2=1，则根据折射定律可得：
实验采用1W大功率LED芯片进行封装，其他条件均一样，样品1没有在塑料透镜与芯片之间注入硅胶，样品2则注入硅胶。采用远方LED300光色电综合测量系统对两个样品进行测试，测得数据表3所示。
从表3中可以看出，加了硅胶后，白光LED光效η由22.42lm/W增加到28.58lm/W，光通量Φ也由28.01lm增加到40.40lm。经过多次的测量发现，在加入硅胶后，光效将增加5～8lm/W。
此外，荧光胶中配粉胶如果采用硅胶，则荧光胶的折射率可近似为硅胶的折射率为1.53，因为空气折射率为1.0003，硅胶折射率为1.53。如果未注入硅胶，则芯片产生的光在荧光胶与空气的界面将较大范围地发生全反射，有可能影响荧光胶的发光性能。如果注入了硅胶，那么荧光胶、硅胶、塑料透镜的折射率会保持较好的连续性，而不发生折射损耗，且塑料透镜近似于球面透镜，也不易发生全发射。
所以，要减少白光LED的折射损耗，进而提高其发光效率，就需要在塑料透镜与芯片之间加入硅胶。但是，在客户对亮度要求不高的情况下，许多封装厂往往考虑成本因素，而不注入硅胶。
5结论
本文从封装材料选择、封装工艺方面分析了影响白光LED性能的封装因素。选择散热性能好的支架和固晶胶、性能稳定的荧光粉、以及透明性好的灌封胶是提高白光LED产品质量的关键。采用恰当的卡位和胶体外型，并改进白光LED的封装工艺，可以提升白光LED的发光效率，实现色度稳定性和均匀性。
参考文献：
[1] 葛大勇，徐景智. Fe 3+ 离子激活的荧光粉的研制[J].河北大学学报（自然科学版），2004，24（4）：362-365.
[2] 吴海彬，王昌铃. 白光LED封装材料对其光衰影响的实验研究[J].光学学报，2005，25（8）：1091-1094.
[3] 赵凯华，钟锡华.光学[M].北京：北京大学出版社，1984.省略。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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