led技术与应用发展趋势(超好)

1、 本文由tiger132010贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 功率型白光 LED 技术与应用发展趋势 张明芳，张培新，任祥忠，彭海林 深圳大学化学与化工学院，广东深圳 (518060) E-mail: 摘 要：LED 由于寿命长、节能环保等诸多优点越来越被广泛应用，目前正进入功率型白 光 LED 设计封装阶段，以期望能够取代白炽灯和日光灯，普遍用于家庭照明中。本文主要 综述了国内外大功率白光 LED 的几种获得途径，芯片及封装的设计面临的困难及解决方案 的进展，包括所用材料及封装设计模型的发展历史与现状、优缺点的相互比较，以及现代计

2、算机模拟技术在 LED 设计中的应用等，并对功率型白光 LED 在未来的应用进行了展望。 关键词：功率型白光 LED；封装；应用 中图分类号：R776 0. 引言 LED 是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。LED 在 20 世纪 60 年代初期问世，当时的 LED 以红色为主，发光效率很低，光通量很小，只能做指示灯和 仪表显示器使用。随着管芯材料、结构和封装技术的不断进步，LED 颜色品种增多，光效 大幅度提高。 目前红光 LED 的光效已达到 100lm/w,绿光 LED 也达到 50lm/w,单只 LED 的光 通量可达几十流明。尤其是近年来高光效、高亮度的白光 LE

3、D 的开发成功，使得 LED 在照 明领域中的应用成为可能。 LED 作为新型光源，具有寿命长、启动时间短、无紫外线、色彩丰富饱满、可做全彩 变化、 低压安全等特点。 除了在传统的信号显示领域长期应用外， 近年来高功率 （HI-POWER） 超高亮度的问世极大的拓展了 LED 的应用领域，如今 LED 在娱乐、城市建筑物美化、景观 照明等方面有非常广泛的应用，并朝日常照明应用的方向发展1-4。 1. 白光 LED 的获得途径 20 世纪末白光 LED 的出现吸引了各国政府级企业的热情关注，成为光电子、照明工程 科技领域中的一个热门。短短的五六年时间，白光 LED 的研发和应用取得了举世瞩目的成

4、 绩。人们期望白光 LED 成为第四代照明光源，达到节能的绿色照明目的。白光 LED 的光效 达到 50lm/w 以上时，可开始部分取代白炽灯，进入商业照明；光效达到 100lm/w 以上时， 开始进入家庭照明。 目前的水平还有较大差距， 某些材料、 器件和工艺还存在一些关键问题。 目前正在研究的白光的获得方法主要有三类5-7:光转换型、多色组合型、多量子阱型。 1.1 光转化型 光转化型又分两种，一种是蓝色 LED 芯片发出的蓝光激发黄绿荧光粉发光，使蓝光与 黄、绿光混合发出白光，二是紫外光或紫光 LED 激发三原色荧光粉，发出白光。目前这种 方法的外量子效率已高达 43%,工作波长 382

5、 nm,有望在 2010 年光效达到 120 lm/W。但另一 面,这种方法会增加系统复杂性,并且这种转换会导致能量的损失。同时,由于是采用了紫外光 源,有可能会产生紫外光污染2,8-10。 前者已商品化的有采用单颗发蓝光(Al)InGaN 芯片与受蓝 光激发发黄光的 YAG:Ce3+荧光粉转换成的较效率高,操作上较易实现的白光 LED（图 1 所 示），而且没有紫外光成分,不会造成紫外光污染,是目前使用最广泛的方法 11-13 。但现有 YAG:Ce3+荧光粉颗粒已经不能满足功率型 LED 的演色性、色温、热稳定、出光效率和封装 等发展要求。LI PanLai14等研究了用 Sr3SiO5:

6、Eu2+代替 YAG:Ce3+获得白光 LED，经 CIE 色 -1- 坐标测试结果表明其演色性良好。Ma liang15等制备了 Ba3MgSi2O8 : Eu2+, Mn2+荧光粉，量 子效率较高。 图 1 一种白色光 LED 的结构示意图 1.2 多色组合型 多色组合型是将 R、 B 三色 LED 芯片按一定方式排布集合成一个发白光的标准模组, G、 这种方法具有效率高和使用灵活的优点,由于发光全部来自三种 LED,不需要进行光谱转换, 因此,其能量损失最小,效率最高。 同时,由于 RGB 三色 LED 可以单独发光,其发光强度可以单 独调节,故具有相对较高的灵活性，且演色性高，但封装比

7、较复杂。 1.3 多量子阱型 多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中,掺杂不同的杂质生长出能产生互补色的多量 子阱,通过不同量子阱发出的多种光子复合发射白光。这种方法对半导体的加工技术要求很 高,目前难以达到。上述只种技术途径均可获得白光，但都有共同的技术关键有待突破,包括 芯片技术、封装工艺技术、荧光体技术。 当前在上述三个关键技术领域已有了迅速的进展， 但还有许多技术及工艺过程须要进一 步研究提高，才能实现商品化进人市场，成为让普通消费者可接受的消费品，由于技术、工 艺、生产成本等因素的影响,应用最多的是光转换型,其次是多色组合型。以发展的眼光来看, 多量子阱型应是未来的发展趋势。但由于技术

8、的限制,生长不同结构的量子阱相对困难得多, 在短时间内还不能产业化。 2. 功率型芯片的设计 LED 芯片是决定其发光质量的内因，所以首要探讨芯片的研究历史与现状。芯片材料 的选取历经了 Si、Ge、GaAs、GaN 等材料,目前使用的是 InGaN/AlInGaN 异质体材料，发 展已基本成熟，并进行了双异质体，大面积芯片，组织粗糙面，采用光子晶体等设计2,16-18。 2.1 大面积芯片 要得到功率型 LED，则要增加电流，但当电流增加的时，因为热的关系，亮度不增反 减，所以要得到高电流或高功率，则必须用大面积（Al）InGaN 芯片以减小电阻。但由于大 面积（Al）InGaN 的光在内部

9、反射被吸收以致光取出效率较低，其外部量子效率也低，所以 这种方法也是有限制的。 2.2 表面微结构粗化 由于在芯片与封装用胶之间存在全内反射，由 LED 芯片产生的光子并不能完全射出器 件，这也是获得高取出效率的最大之一。另外还有内部（重复）吸收，电连接的热阻等。表 面微结构粗化一定程度上可增加光子射出率， 可用 ICP 干法刻蚀工艺和自然光刻技术在芯片 -2- 表面形成纳米级粗糙层， 提高器件出光效率的又一个有效技术， 该技术的基本要点是在芯片 表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构， 每个结构呈截角四面体状， 如此不但扩展了出光 面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提

10、高。采用表面粗化处 理的器件系统的电阻可降低， 这是因为表面粗化后增加了接触面积和经过激光辐照后， 具有 了更高的空穴浓度。如 Lung-Chien Chen19研究了在 GaN 上沉积氧化锌纳米粗糙层，结果显 示出光能比现有的 20mA 增加了 27.5%。H. Fang20等直接利用化学腐蚀方法蚀刻 GaN 芯片 表面，结果光取出效率有所增加， 2.3 异质体结构 异质体结构是由两种不同半导体材料组成的 PN 结，由于两种材料带隙能量不同，就称 为异质体结构，通常两种材料的晶格结构差异不能太大。如图 2 所示，为单异质体结构。这 种结构由两种材料组成 PN 结，N 型半导体间隙能为 Eg1

11、，P 型半导体的间隙能为 Eg2，Eg1 大于 Eg2， 型半导体较大的间隙能更适宜于空穴的注入和 P 型半导体中产生的光子的穿越， N 于是减小了对光子的内部吸收，增加光射出效率。已经应用的单异质分别是 AlInGaN 和 InGaN 组成的 PN 结。 目前正在研究的有双异质体结构，更适合大功率白光 LED 的应用。如 Y. Deshayes21 等研究了 GaAsAlGaAsGaAs 双异质体芯片， 由于缺陷能进一步降低， 使得光量子效率增大。 图 2 异质体结构示意图 2.4 量子点材料 量子点，又可称为纳米晶，是一种由 IIVI 族或 IIIV 族元素组成的纳米颗粒。量子 点的粒径一

12、般介于 110nm 之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有 分子特性的分立能级结构， 其内部电子在各方向上的运动都受到局限， 所以量子局限效应特 别显著。 由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构， 具有分离的量子化的能 谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。受激后可以发射荧 光。量子点材料与一般材料相和量子肼相比有许多独特的性质，如在热冲击下更加稳定，发 光强度可增加等。 L. Rigutti22研究制备了 InGaNGaN 量子点芯片，并研究了使得光度增强的内因，即声 子传递能量降低。 3. 封装材料及方法 在完成功率型芯片制作后，面临着

13、如何将芯片进行封装的挑战。对于大功率型 LED 器 件的封装方法，并不能简单的套用传统的小功率 LED 器件封装方法及材料。研究表明，高 功率 LED 只能将 20%的电能成光能，其余都会以热能的形式散失。如果高达 80%的热能无 法及时散失，那么 LED 的寿命将会因此大打折扣。LED 散热能力通常受到封装模式以及封 装材质的导热性影响，散热途径也不外乎传导、对流、辐射这三种。由于 LED 封装材料中 -3- 积聚的热能大部分是以传导方式散失，因此对封装材质，封装方法的要求非常重要，另外大 功率封装对光取出效率的进一步提高也有要求23-25。 3.1 表面封装材料 长久以来，在对 LED 散

14、热要求不是很高的情况下，多利用传统树脂基板进行封装。然 而，随着市场应用领域不断扩大，需求层次不断提高，传统的树脂基板在高功率 LED 世代 到来后，已渐渐不敷使用。因此，探讨和展望功率 LED 的封装材料，便成为业界关注的热 点话题。 传统材质已无法满足高功率 LED 散热需求随着市场上越来越多的高功率 LED 应用 出现，在考虑如何散失热能的同时，还要兼顾 LED 发光的稳定性与持续性。如果 LED 的热 能无法尽快散失，那么其亮度和寿命都将下降得很快，并且很可能出现 LED 芯片本身寿命 还未达到之前，环氧树脂就已经无以为继的情况。此外，不仅散热现象会使环氧树脂产生变 化，甚至连短波长也

15、会对环氧树脂造成困扰。这是因为在白光 LED 发光光谱中也包含短波 长光线， 而环氧树脂很容易受到白光 LED 中的短波长光线破坏。 即使是低功率的白光 LED， 已能使环氧树脂破坏情况加剧，更何况高功率的白光 LED 所发出的短波长光线更多，恶化 现象自然更加快速和严重。因此，找到全新材质来替代环氧树脂封装高功率 LED 已经迫在 眉睫26-28。 采用硅树脂封装材料来延长长时间工作后的光输出性能表现， 带来高可靠度封装 和更长使用寿命兼容回流焊程序；低热阻； 更高的散热效率，可以带来更好的温度管理和 较稳定的光度输出。但其在长时间高温条件下，仍存在有机材料的变黄老化问题。并且上述 类型都是

16、将荧光粉涂于环氧树脂或硅树脂封装膜上，存在着树脂易老化变黄的问题的同时， 荧光粉也存在涂抹不均匀且易老化问题，不适用大功率 LED 的封装29-30。作者正在研究一 种用溶胶凝胶法制备的掺稀土离子的荧光玻璃陶瓷， 用于封装， 一方面可使发光中心高度均 匀分布，另一方面无机玻璃陶瓷可极大减小老化问题，适用于大功率 LED 的封装31-36。 3.2 散热基板材料 在 LED 系统散热方面,尤其是大功率 LED，选择合适的基板，对其散热性和可靠性都具 有重要影响,而目前基板主要有陶瓷基板、金属基板和复合基板37-38。 3.2.1 陶瓷基板 陶瓷基板主要是低温共烧陶瓷(LTCC）基板和 AlN 基

17、板。LTCC 基板具有诸多优点:易 于成型、工艺简单、成本低而且容易制成多种形状。现在常用的 Al2O3 基板, 由于热导率低, 已不能满足这种要求。BeO 基板虽然热导率高, 但其线膨胀系数与 Si 相差很大,且制造时有 毒,限制了自身的应用。 AlN 基板由于具有高热导率、 而 电性能优良、 机械性能高且无毒, 硬 度 Al 基板相近。而 AlN 陶瓷基板的高导热率、高硬度、线膨胀系数与 Si 接近以及绝缘性 使 AlN 陶瓷基板在大功率 LED 封装应用上具有广阔的前景。 3.2.2 金属基板 Al 或 Al 合金密度小、价格低、加工性好, 是 LED 封装基板的优良材料, 由于金属材料

18、 的导电性, 为使其表面绝缘, 往往需通过阳极氧化处理,使其表面形成薄的绝缘层。利用 Al 基板可以降低封装成本, 而且 Al 基板制造工艺过程简单,导热性能优越，但这种表面经阳极 氧化并制作了相关电路的 Al 合金基板与 LED 芯片间存在热膨胀系数匹配问题。 由于 Cu 具 有更优良的导热导电性能, 所以 Cu 基板也被广泛地应用。 -4- 3.2.3 复合材料 单一材料很多场合下无法满足封装的需求, 此时需要把几种材料结合起来以获得高热 导率低膨胀的金属基复合材料, 从而使得基板的性能得到加强, 满足封装需求。金属基复合 材料(如 AlSiC)将金属材料(Al) 的高导热性和增强体材料(

19、SiC)的低热胀系数结合起来, CuPMo 板和 CuPW 板等合金作为散热材料，具有热导率高、热膨胀系数(CTE) 可调、比重、 强度和硬度高等优点。但这些合金生产成本过高, 不利于大规模、低成本生产。 在封装材料有限的情况下，改进封装方法是一种相对快速有效的方法。LED 历经了倒 装芯片，表面贴装，基板几何变形结构，二次光源设计，封装由传统的环氧树脂改为有机硅 胶材料， 粘贴材料从导热胶到导电银浆和现在的锡浆三种材料等， 这些内容也已多见文献具 体报导。本文主要介绍几种近几年和目前正在研究的改进的封装方法，如微泵浦结构，薄膜 LED，光子晶体，二次光源设计，无机玻璃陶瓷封装材料等。 3.3

20、 微泵浦结构 图 3 微泵浦结构 微泵浦结构即是在散热器上安装一个微泵浦系统来解决 LED 的散热问题, 在封闭系统 中,水在微泵浦的作用下进入 LED 的底板小槽吸热, 然后又回到小的水容器中, 通过风扇吸 热。 这微泵浦结构(如图 3 所示) 可以将外部热阻降为 0.192K/W,制冷性较好, 但如果内部接 口热阻很大, 则其热传导就会大打折扣, 此外, 其结构也嫌复杂。 3.4 直接生长 LED 芯片 直接生长芯片是在薄膜 LED 的基础上改进的方法。薄膜 LED 即将 GaN 直接生长在蓝 宝石衬底上，然后用激光将蓝宝石除去，从而得到高性能的薄膜 LED，再将其移植至适合 的衬底上，如

21、硅衬底等。其优点是高效率、面积可以增大、接近 Lambetian 光源、衬底成本 低、电阻低可以很容易做成 LED 封装等。Baoshun Zhang38等成功的研制了将 GaN 直接生 长到硅基板上，而不需要再将减薄和使用粘贴材料，简化了封装并增加了热导率。 3.5 光子晶体 光子晶体是由两种不同介电材料在空间周期排列而组成的新概念意义下的光子学材料。 光子晶体使光的色散关系发生变化， 并在一定频率范围内形成光子带隙， 为人们控制光的传 输和光与物质相互作用提供了有效的途径。张振生等39针对 LED 普遍存在的出光效率低下 的问题，首次采用聚焦离子束技术成功地在 GaN 基发光器件上制备了二

22、维八重准晶光子晶 体结构。并将二维八重准晶光子晶体应用于电注入器件，得到了表面出光效率高达 2.5 倍的 增强。为二维准晶光子晶体在 GaN 基发光器件中的应用提供了一种可能的途径。 3.6 无机玻璃陶瓷封装 传统的 LED 都采用环氧树脂封装，存在着热导率低，化学稳定性差，不防潮，尤其是 -5- 乃温差，容易老化变黄等问题，后来又发展了硅树脂，一定程度上改善了耐温性，但仍存在 着老化问题。随着功率型 LED 的研究，有机树脂的缺陷已不能满足封装要求了。目前大量 研究的是陶瓷封装材料，具有高热导率，良好的稳定性，高防潮能力，而且可以将荧光物质 直接掺入玻璃原材料中进行熔制，避免了以往荧光粉涂抹

23、不均匀及荧光粉自身易老化的问 题，是大功率 LED 的最有前景的封装材料31-32。 4. 现代模拟技术在 LED 设计中的应用 化学材料等学科发展到今天，已不仅仅是一门纯实验学科，计算机及软件技术的发展， 也给材料设计带来了福音，大大缩短实验周期，减小材料损耗。目前应用于 LED 设计的软 件主要是对温度场模拟及材料优化，光学结构的光强分布的模拟。 4.1 温度场模拟及材料优化 随着功率的大幅升高， 节的产热也大大的提高， PN 而这部分热量会直接影响到 LED 的 工作温度、发光效率、发光光谱、使用寿命等性能，对大功率芯片的封装设计和材料优化更 显得尤为重要。 温度分布是电子封装结构最重要

24、的参数之一， 然而对封装结构温度的实际测 准比较困难，而且工作量非常大，为此，实际分析 LED 封装结构的温度场时通常采用数值 模拟的方法。Lianqiao Yang 40 等用有限元原理模拟了陶瓷封装的 LED 热分布。王春青41 等用 ANSYS 软件模拟并优化了 LED 整体的温度分布和采用不同热沉材料散热情况，有助 于选择合适的封装基板材料。图 4 是模拟 Cu-Mo-Cu 基板和铝热沉的温度场分布结果。 图 4 同时采用 Cu-Mo-Cu 基板和铝热沉的优化结果 4.2 光学结构的光强分布的模拟 图 5 LED 光学模型 芯片是 LED 光学系统的光源,一般包括限制层、有源层、基底、

25、电极等几个部分。光子 在有源层中产生,先经芯片各层界面的折射,再经芯片和环氧树脂或其它材料界面的折射以及 反光碗的反射,最后经透镜表面折射进入空气。W.K. Wang42等用 Trace-Pro 模拟软件研究了 蓝宝石基板表面粗化对取光效率的影响，结果表明有利于取光效率的增加。陈建新43利用 -6- TracePro 软件进行 LED 芯片封装的模拟,主要从反光杯的材料选择,结构造型和光学参数等方 面进行优化,以期设计出出光效率更高的芯片封装形式。 5. LED 的应用展望 LED 由于具有低能耗、寿命长、无频闪、发热量低、环保没有汞污染,废物可以回收和 可以平面封装、易开发成轻薄小巧产品等优

26、点,已广泛的应用于指示灯，信息平面显示， 景观照明领域，性能优越。目前正在改进其作为显示屏背景光源、汽车车灯和矿业生产中矿 灯，军事上作为野战、潜水、航天航空所需的特种固体光源特殊领域中的应用等。最有潜力 的是在家庭照明中的应用，目前因为白光的演色性较差，发光亮度不够，成本较高等原因还 不能广泛应用 。但是我们有理由相信，科技的发展与市场的需求和在各国政府和企业的大 力支持,会共同促成 LED 时代的到来，LED 的技术会不断成熟，成本也会继续降低，白光 LED 作为第四代照明光源则 LED 固体照明在未来 5-10 年内将会取得重大的市场突破。 参考文献 1 周志敏，周纪. LED 驱动电路

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