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色温可调LED的封装与性能解析

   2020-01-15 03:09:40 作者: 来源:丹东新闻网

色温可调LED的封装与性能解析

  摘要:LED 以其优良的性能结合智能控制系统,被越来越多地应用于室内外照明场合,但同时也对其色温、显色指数等色度指标提出了新的要求。为了应对这种挑战,设计了一种新型的色温可调LED,利用大功率LED芯片结合金属基板封装出了色温可调的暖白光高显色指数LED样品,对其发光光谱、色温和显色指数随电流的变化进行了测试,发现LED 的光谱有三个峰值,色温可从5000K 变化到3300K,涵盖了冷色光到暖色光的范围,显色指数可从68 增加到90 以上,能够满足室内照明的要求。将这种色温可调的LED 应用于筒灯,测试了其发光效果和散热性能,表明LED具有发光面均匀、无眩光,热阻小等特点,特别适合用于筒灯等室内照明场合。

  1 引言

  自从蓝光LED 被发明以来,人们开始研发各种大功率白光LED封装技术,希望白光LED能够取代传统的照明光源。目前市场上白光LED 生产技术主要分为两大主流,第一为利用荧光粉将蓝光LED或紫外LED 所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长或三波长白光,此项技术称之为荧光粉转换白光LED;第二类则为多芯片型白光LED,经由组合两种(或以上)不同色光的LED 组合以形成白光。第一种方法可得到中高色温的白光,对于暖色温显色性较差。为了解决这一问题,通常加入红色荧光粉,但红色荧光粉的激发效率较低,导致整体光效偏低。

  第二种方法需要分别给三种芯片供电,驱动电路复杂,且三种芯片的老化衰减不一致,长期工作会导致色温偏移。

  2 色温可调LED的封装

  LED 的封装技术实际上是借鉴了传统的微电子封装技术,但LED 有其独特之处,又不能完全按照微电子封装去做。整个LED 封装工艺主要包括封装原料的选取、封装结构的设计、封装工艺的控制以及光学设计与散热设计,概括来讲就是热- 电- 机-光(T.E.M.O.),如图1 所示,这是LED封装的关键技术。

  图1 LED 封装关键技术传统的多芯片集成封装多是将LED 芯片按照一定的规则固定在电路板上,如铝基覆铜板、陶瓷电路板等,由于铝基覆铜板、铜基覆铜板价格低廉而被广泛应用,但它们也有固有的缺点。它们通常由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层压合而成,但导热绝缘层的导热系数极低,成为电路板的导热瓶颈,导致电路板整体的导热系数只有1.5W/m.K 左右。陶瓷电路板导热性能好,但存在成本高、不宜加工、脆性较大等缺点,并且在LED器件整体成本中占的比重较高,其应用也受到了限制。为了解决上述问题,开发了一种LED封装结构,在铝基覆铜板的固晶位置开设窗口,需要焊线的位置放置焊盘,将一块与铝基覆铜板形状一样的铝板贴于铝基覆铜板之下,将LED芯片置于穿过窗口的区域上,这样可大大提高LED的散热性能。


  LED 的结构设计是关系封装出的产品是否能够满足使用要求的基础,本文设计的LED 主要包括:

  封装基板、蓝光LED 芯片、红光LED 芯片和黄绿色荧光粉,封装基板由铝基覆铜板和铝板组成,如图2 所示。


  良好的封装工艺是决定器件性能、可靠性和寿命的关键。本文采用的方法为:封装基板采用具有高导热率的铝基覆铜板和铝板,芯片粘接在铝板上,LED 芯片采用功率型W级正装芯片,芯片与封装基板采用高导热的银胶粘接(导热系数大于25W/m.K),通过引线键合、涂荧光粉、固化等工艺完成整体封装。

  3 色温可调LED的性能测试

  图3为采用远方HASS-2000高精度快速光谱辐射计测量得到的色温可调LED 的光谱图,从图中可以看出,随着红光LED 电流的变化(从0 到450mA),LED 的相对光谱也会随之变化,LED 的光谱有三个峰值,分别在450nm、550nm和628nm,暖色温的发光效率大于68lm/W,冷色温的发光效率达到87lm/W。

  图4 列出了色温可调LED 的色区分布随红光LED 电流的变化,表1 列出了色温可调LED 的光学性能参数随红光LED 电流的变化,可以看出,红光LED 不加电流的情况下,LED 的色温为5 000K,在冷色温BIN区,随着红光LED电流的逐渐增加,LED模块的色温会呈现一个连续的变化,从冷光5 000K到暖光3 375K,同时LED 的显色指数会逐渐升高,最高可达90 以上,完全能够满足照明场所对显色指数的要求。

  集成封装的LED,由于工作电流较大,工作时产生大量的热量,积聚在pn 结内部的热如不及时传导出去,将导致器件温度升高,温度对LED的性能产生重要的影响,如色温变化、波长红移、正向压降等。图5 所示为色温可调LED的应用效果,将封装好的色温可调LED模块安装到100mm筒灯上,红光LED加上不同的电流,得到筒灯的发光效果。筒灯连续点亮30min 后,测试筒灯上散热器温度为38℃,铝基覆铜板上的温度为38.5℃(室温25.2℃),说明色温可调LED 具有良好的散热性能。

  表: 色温可调 LED 的光学性能参数


  4 结论

  本文介绍了一种新型的色温可调LED,利用大功率LED 芯片结合金属基板封装出了色温可调的暖白光高显色指数LED样品,测试了LED的光谱性能、色温、显色指数随驱动电流的变化,结果显示,LED色温可在3300K到5000K连续变化,显色指数可达90以上,同时具有优良的散热性能,完全能够满足照明场所对色温以及显色指数的要求,具有广阔的应用前景。

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