大功率白光led在半导体照明中的应用

大功率白光led在半导体照明中的应用

0led行业发展现状能源是人类生存和发展的重要物质基础。随着科学技术的发展和世界人口的增加，能源需求不断增加。能源效率和可持续发展必须得到国家产业发展、科学技术等政策的高度重视和体现。世界各国纷纷拟定自己的能源科技计划,发展能源的方式一为寻找新能源,二是开发节能技术。就电能而言,据统计,我国照明耗电约占全国总发电量的12%。发展节能照明技术是当前节能的重点之一,白光LED技术是符合当前世界各国倡导节能照明的先进技术,各企业院所将自己的研究成果申请专利进行保护,能在半导体照明行业中有一席之地,从专利的申请数量来看,2005年以来LED技术发展很快,每年以约25%的速度增加。从上游、中游到下游,专利申请涉及LED的整个产业链,具体涉及到外延、衬底、封装方式、路灯、灯具等,截至2009年7月,已受理或授权的上游专利约1206件,中游约1036件专利,大约95%为国外专利,下游的封装和应用分别约为4437件和11004件,其中大部分为国内专利。在LED产业链上,下游的封装和应用的技术要求不高,较易切入,我国专利在这个领域内数量较多,笔者主要就大功率LED封装专利的现状进行阐述,以期能抛砖引玉,对行业的发展起到一定的借鉴作用。1led晶光粉层和液压粉技术目前大功率白光LED的产业化技术是将荧光粉直接涂在晶片表面上,LED晶片在正常工作时,产生的大量热量被荧光粉吸收,荧光粉的温度升高,加速了荧光粉的老化,使荧光粉的发光效率降低,光衰增加,为了避免此现象,通常是将荧光粉层与晶片分离以达到目的。专利CN200710077170.X设计了一种大功率白光LED,包括基座、载台以及固定在载台上的LED芯片,其中所述基座上设有将载台和LED芯片包裹的透镜,该透镜是由荧光粉和硅胶树脂混合压模而成,避免了LED与荧光粉直接接触。专利CN200810120217.0公开了一种低光衰白发光二极管,通过透光片和隔热透光层将LED晶片分隔开来,极大地减少了LED晶片工作时热量向荧光封装体传递,解决了荧光封装体因过热而出现老化和黄化问题,使得产品的光衰大为降低。专利CN200720056530.3用一透镜罩罩住蓝光晶片,蓝光晶片的外表面设置有隔热、透光、抗紫外线的介质,在介质的外表面或透镜罩上设置有一层荧光粉,使得荧光粉与晶片隔离开,荧光粉不宜受热老化及碳化发黑,色温及发光强度稳定,提高光效16%~36%,产品经5000h老化试验,光通量仍为初始光通量的90%以上。专利CN200710075026.2将金属基板装载的LED发光晶片设于一个透明罩内,在透明罩内装满液体,使液体能淹盖整个LED发光晶片表面,并在液体中添加荧光粉,使荧光粉均匀分散在LED发光晶片表面的液体中,有效避免了荧光粉在LED发光晶片表面高温加热现象,降低了荧光粉的老化。大功率白光LED是通过点胶系统将配制好的荧光胶涂覆在支架的碗杯内,然后固化成型,荧光胶在碗杯内呈外凸状,LED晶片发出的蓝光出射时,在荧光粉粉层中经历的路径不一样,导致器件出光的白光一致性较差,通常四周偏黄,中间偏蓝,即所谓的“黄圈”。人们从工艺技术和结构设计这两方面着手解决。电子科技大学申请的专利200710049612.X提出了一种荧光粉保形涂覆(Conformally-coating)技术,即只在晶片表面上得到一层荧光粉的平面结构,一种基于水溶性感光胶的功率型白光LED平面涂层技术,通过粉浆法,即将聚乙烯醇(PVA)和重铬酸铵(ADC)再加适量的荧光粉配制成感光胶,采用光刻工艺,在LED晶片表面上得到了荧光粉的平面结构,该法利用自曝光方式,可以有效控制批量生产时的色温,得到的器件出光均匀性好。也有用其他方法制备荧光粉层的,专利CN200810072010.0通过辅助模具,将粉胶混合物填满模具方孔并压实,再固化成形。专利CN200810138791.9在LED芯片的出光路径上涂敷或者封装YAG透明陶瓷层,YAG透明陶瓷层所用YAG透明陶瓷为掺杂有Nd3+,Er3+,Yb3+,Tm3+或Cr4+离子的钇铝石榴石或者钇钪铝石榴石,陶瓷颗粒的大小为1nm~300nm,通过调整陶瓷层厚度和颗粒密度来改变所发出光的色坐标。这些专利技术克服了碗杯四周的荧光粉降低器件整体性能、增加生产成本的缺点。同时,也有采用在晶片外围涂覆荧光粉层的方法出现,专利CN200810092894.6在反射杯上部设置均匀涂敷荧光粉,扩大了荧光粉的涂覆面积,可以实现对荧光粉的涂覆厚度和形状进行精确控制。专利CN200810071799.8涉及到的一种玻璃透镜LED是在预选的半球型玻璃透镜的底面上涂布的荧光粉膜层,再叠置在透明胶封接体顶面上,得到光斑有明显改善的器件。2透明胶混合微型球粒出光面的制备方法白光LED的一个重要指标是光通量的高低,影响光通量的因素除了与LED晶片有关外,器件的封装技术也对提高LED的出光效率有举足轻重的作用。专利CN200810068447.7用透明胶混合微型球粒在已完成固化的荧光胶体出光面上形成若干微型结构,可以减少胶体出光面的平面全反射作用,提高LED出光效率。专利CN200810067022.4在封装时采用多层硅胶,其折射系数相对LED芯片从内到外逐层降低,避免封装材料折射系数单一,增大LED透镜的全反射角,提高光能利用率。3强化紫外光led的续性和强度目前,半导体照明行业内制造白光LED的方法是通过蓝光晶片与黄色荧光粉的组合方式实现的,与太阳光或白炽灯光谱相比,这种白光LED的光谱只有在蓝光区域和黄光区域有光谱,而在红色区域无光谱,不具有连续性,使得白光LED的显色性较差。为了增加白光LED光谱的连续性,提高其显色指数,专利CN200810217679.4提供了一种发光二极管,采用了蓝光芯片和蓝光芯片串联的第一芯片,结合绿色荧光粉以及黄色荧光粉,组成四个连续的峰值波长,提高了LED的显色指数。专利CN200820093895.8采用蓝色LED芯片和红色LED芯片结合黄色荧光粉和绿色荧光粉,使其发光光谱在可见光范围内更接近白炽灯的发光光谱。专利CN200720189977.8将红色荧光粉和绿色荧光粉与透明树脂均匀混合得到混合胶体,涂在蓝光LED晶片表面上,实现了在同一波长激发下,由红、绿、蓝三基色光混合成的白光。4热沉和固晶胶大功率LED是迈向下一代照明光源的主力军,但目前大功率LED除了价格偏高不能广泛推广外,还存在一些技术问题亟待解决,在电光转换时,大约有80%~90%的电能变成热量,散热问题严重影响了LED的可靠性,针对这一情况,产生了很多专利技术。通常采用的是COB(chiponboard)封装方式,专利CN200720196374.0采用金属热沉,发光芯片产生的热量通过热沉很快传递到空气中以及散热器件中,有利于二次散热传递,同时金属电极引脚和热沉相连也可以起到传递热量的作用,有效地降低了发光芯片的温度,增强了发光芯片的发光效率。专利CN200720059121.9将热沉嵌于线路板沉孔结构内部,发光二极管芯片安放于热沉上,热沉底部与外部直接接触,减少散热路径,提高了散热效果。专利CN200720052875.1采用金属基板作为双色片式发光二极管基板,提高双色片式发光二极管的散热能力,提供了一种发光效率高、生产成本低、光电特性稳定的双色片式发光二极管。在考虑散热问题时,固晶胶的热导率也是影响散热效果的一个重要方面,现有的用银浆或绝缘胶作固晶胶,其导热性还有待提高,下一阶段的固晶方式将采用共晶焊接技术,降低器件封装热阻。专利CN200710107516.6在封装结构的金属基座的上表面首先涂布一层适当范围的共晶接着材料;接着,将发光二极管晶粒设置于基座的共晶接着材料上,在适当温度条件下完成共晶接合,该专利可以解决现有的接着材料在散热与制造过程上的不尽理想之处。5功率led封装目前大功率LED单晶片器件产品主要为1W和3W,这种产品的发光效率相对较高,但光通量相对较低,在产品应用时,需要多颗单晶器件集成应用,在相应的驱动电路作用下,发出较高的光通量。也有人提出了多晶片的集成封装,将若干个晶片封装在一个基板上,组成发光模组,不同的功率模组满足不同的应用需求。专利CN200810099758.X设计了一种散热效果好、发光强度大、结构紧凑、工艺简单、使用方便的大功率LED封装结构,选用功率相同的LED芯片呈多行多列均匀分布,同一行LED芯片串联为一组,若干行LED芯片平行排列并联为整体光源,该技术得到的产品可以代替路灯。专利CN200710046995.5设计了一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法,采用多颗大功率发光二极管LED芯片通过共晶工艺集成在氮化铝AlN和低温共烧陶瓷LTCC叠层基板上,该模块散热性能好,可以提高多芯片集成大功率发光二极管的光效及可靠性。6陶瓷支架材料LED封装所用的支架目前主要是以PPA为主的各种形状,以满足不同的应用需要,在市场上占有绝对的优势,但PPA材质易黄化,影响器件的使用寿命,不能承受300℃高温,故不适合共晶焊接技术,为了克服现有支架不利因素,行业选用了陶瓷(低温共烧陶瓷,LTCC)为基材的各种支架。专利CN200720172014.7采用陶瓷基板和发光芯片、金属反射腔匹配封接,膨胀系数基本一致,不会遭到热应力的破坏,整个器件都是非常好的散热体,从而保证了信赖性;采用金属焊料连接,有非常可靠的机械性能。专利CN200720176769.4提供了一种以陶瓷为基板的发光二极管芯片封装结构,其包括:陶瓷基板、导电单元、中空陶瓷壳体、多个发光二极管芯片及封装胶体。7led器件与人体地层连接由于GaN是宽禁带材料,电阻率较高,该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失,累积到相当的程度,可以产生很高的静电电压,静电导致的失效问题已成为影响产品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。专利CN200720059853.8提供了一种保护LED器件的方法,将静电保护电路与LED晶体构成并联电路,抗静电能力可达8500V以上(人体模式),有效地降低了产品不良率。专利CN200720048015.0采用逆向电压保护元件与发光二极管并联接入,抑制了在测量、封装以及使用等过程中产生的静电或浪涌电压对发光二极管的影响,保证了发光二极管不被瞬间产生的突波损坏和强大的反向电压击穿,延长了产品的使用寿命。8麻黄国内合成调度技术随着半导体技术和封装技术的发展,LED的发光效率得到极大的提高,产品性能也不断改善,大功率白光LED正向通用照明领域进军,极大地推进了满足不同应用需求的大功率白光LED封装技术。从目前大功率白光LED申请的专利可以看出,大功率白光