一種色溫可調LED的封裝與性能研究

田大壘

（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454003）

1 引言

自從藍光LED被發明以來，人們開始研發各種大功率白光LED封裝技術[1,2]，希望白光LED能夠取代傳統的照明光源。目前市場上白光LED生產技術主要分為兩大主流，第一為利用熒光粉將藍光LED或紫外LED所產生的藍光或紫外光分別轉換為雙波長或三波長白光，此項技術稱之為熒光粉轉換白光LED；第二類則為多芯片型白光LED，經由組合兩種（或以上）不同色光的LED組合以形成白光。第一種方法可得到中高色溫的白光，對于暖色溫顯色性較差。為了解決這一問題，通常加入紅色熒光粉，但紅色熒光粉的激發效率較低，導致整體光效偏低。第二種方法需要分別給三種芯片供電，驅動電路復雜，且三種芯片的老化衰減不一致，長期工作會導致色溫偏移。

2 色溫可調LED的封裝

LED的封裝技術實際上是借鑒了傳統的微電子封裝技術，但LED有其獨特之處，又不能完全按照微電子封裝去做。整個LED封裝工藝主要包括封裝原料的選取、封裝結構的設計、封裝工藝的控制以及光學設計與散熱設計，概括來講就是熱-電-機-光（T.E.M.O.）[3]，如圖1所示，這是LED封裝的關鍵技術。

傳統的多芯片集成封裝多是將LED芯片按照一定的規則固定在電路板上，如鋁基覆銅板、陶瓷電路板等，由于鋁基覆銅板、銅基覆銅板價格低廉而被廣泛應用，但它們也有固有的缺點。它們通常由電路層（銅箔層）、導熱絕緣層和金屬基層壓合而成，但導熱絕緣層的導熱系數極低，成為電路板的導熱瓶頸，導致電路板整體的導熱系數只有1.5W/m.K左右。陶瓷電路板導熱性能好，但存在成本高、不宜加工、脆性較大等缺點，并且在LED器件整體成本中占的比重較高，其應用也受到了限制[4]。為了解決上述問題，開發了一種LED封裝結構，在鋁基覆銅板的固晶位置開設窗口，需要焊線的位置放置焊盤，將一塊與鋁基覆銅板形狀一樣的鋁板貼于鋁基覆銅板之下，將LED芯片置于穿過窗口的區域上，這樣可大大提高LED的散熱性能。

LED的結構設計是關系封裝出的產品是否能夠滿足使用要求的基礎，本文設計的LED主要包括：封裝基板、藍光LED芯片、紅光LED芯片和黃綠色熒光粉，封裝基板由鋁基覆銅板和鋁板組成，如圖2所示。

良好的封裝工藝是決定器件性能、可靠性和壽命的關鍵。本文采用的方法為：封裝基板采用具有高導熱率的鋁基覆銅板和鋁板，芯片粘接在鋁板上，LED芯片采用功率型W級正裝芯片，芯片與封裝基板采用高導熱的銀膠粘接（導熱系數大于25W/m.K），通過引線鍵合、涂熒光粉、固化等工藝完成整體封裝。

3 色溫可調LED的性能測試

圖3為采用遠方HASS-2000高精度快速光譜輻射計測量得到的色溫可調LED的光譜圖，從圖中可以看出，隨著紅光LED電流的變化（從0到450mA），LED的相對光譜也會隨之變化，LED的光譜有三個峰值，分別在450nm、550nm和628nm，暖色溫的發光效率大于68lm/W，冷色溫的發光效率達到87lm/W。

圖4列出了色溫可調LED的色區分布隨紅光LED電流的變化，表1列出了色溫可調LED的光學性能參數隨紅光LED電流的變化，可以看出，紅光LED不加電流的情況下，LED的色溫為5 000K，在冷色溫BIN區，隨著紅光LED電流的逐漸增加，LED模塊的色溫會呈現一個連續的變化，從冷光5 000K到暖光3 375K，同時LED的顯色指數會逐漸升高，最高可達90以上，完全能夠滿足照明場所對顯色指數的要求。

集成封裝的LED，由于工作電流較大，工作時產生大量的熱量，積聚在pn結內部的熱如不及時傳導出去，將導致器件溫度升高，溫度對LED的性能產生重要的影響[5～7]，如色溫變化、波長紅移、正向壓降等。圖5所示為色溫可調LED的應用效果，將封裝好的色溫可調LED模塊安裝到100mm筒燈上，紅光LED加上不同的電流，得到筒燈的發光效果。筒燈連續點亮30min后，測試筒燈上散熱器溫度為38℃，鋁基覆銅板上的溫度為38.5℃（室溫25.2℃），說明色溫可調LED具有良好的散熱性能。

4 結論

本文介紹了一種新型的色溫可調LED，利用大功率LED芯片結合金屬基板封裝出了色溫可調的暖白光高顯色指數LED樣品，測試了LED的光譜性能、色溫、顯色指數隨驅動電流的變化，結果顯示，LED色溫可在3300K到5000K連續變化，顯色指數可達90以上，同時具有優良的散熱性能，完全能夠滿足照明場所對色溫以及顯色指數的要求，具有廣闊的應用前景。

［1］N Holonyak Jr, S F Bevaqua. Coherent（visible）light emission from Ga（As1-xPx）junctions[J]. Appl. Phys.Lett., 1962, 1（4）：82-83.

［2］F M Steranka, et al. High power LEDs：Technology status and market applications[J]. Phys. Stat. Sol., 2002, 194（2）：380-388.

［3］Edison.核心技術 [EB/OL]. http：//www.edison-opto.com.tw/00_led_txt. asp ?sn=4.

［4］田大壘， 關榮鋒， 王杏.新型封裝材料與大功率LED封裝熱管理[J].電子組件與材料，2007，26（8）：5-7.

［5］Narendran N, Gu Y. Life of LED-based white light sources[J]. IEEE/OSA Journal of Display Technology, 2005, 1（1）：167-171.

［6］田大壘，關榮鋒，王杏，等. 大功率白光LED的結溫測量 [J]. 電子與封裝，2008，8（12）：10-12.

［7］Narendran N, Gu Y, J.P. Freyssinier, et al. Solid-state lighting：Failure analysis of white LEDs [J]. Journal of Crystal Growth, 2004, 268（3-4）：449-456.