LED热隔离封装技术及对光电性能的改善

   在传统的白光LED封装结构中，荧光粉直接涂覆于芯片上面，工作时，芯片释放的热量直接加载在荧光粉上面，导致了荧光粉的温升，使得荧光粉在高温下转化效率降低。而在荧光粉与芯片之间引入一层低导热的热隔离层能够有效的阻止芯片的热量直接加载到荧光粉上，降低了荧光粉层温度，使得白光LED在大电流注入下都能保持较高的流明效率。除了芯片释放的热量之外，涂覆的荧光粉受蓝光激发时，因荧光粉的转化效率尚未达到100%，另外由于散射等其它损耗的存在，荧光粉颗粒本身也会有少量的热量释放，容易形成局域热量累积，为此当荧光粉材料转化效率较低时，还需为荧光粉提供散热通道，防止荧光粉颗粒局域热的生成。下面通过传统荧光粉涂覆方式和热隔离封装方式两组实验对比了解两种结构中芯片和荧光粉的热相互作用。
　
　1.LED芯片对荧光粉的加热

　　为了评价LED芯片对荧光粉热性能方面的影响，我们制作了两组白光LED封装结构，一组采用传统的荧光粉涂覆方式，另一组采用热隔离的荧光粉涂覆方式，图1是该热隔离封装结构的剖面制样图。



图1 传统白光LED横截面图示(a)荧光粉热隔离封装结构(b)，h=1mm[14-16].

　　荧光粉热隔离封装结构是通过荧光粉覆膜的方式实现的。荧光粉覆膜技术是我们提出的一种新型荧光粉涂覆方法，即根据出光要求设计好荧光粉膜层的结构，在专用模具内完成荧光粉膜层的成型，剥离后，将荧光粉膜层转移到LED芯片上方，同时LED芯片和荧光粉膜层中间还有一层低导热系数的硅胶层。为了表明两种封装结构热性能上的差别，我们比较了两种封装结构表面的温度分布图。图2是两种封装结构在200、350和500mA直流驱动下表面IR Camera测得温度径向分布。在200 mA驱动电流下时，热隔离封装结构比传统封装方式中心温度低1.6℃。在350mA和500mA注入电流下时，荧光粉层的温差分别达到了8.5℃和16.8℃，并且在500mA注入电流下时，传统结构荧光粉的表层最高温度已经达到130.2℃。另外，热隔离封装结构整个荧光粉表层的温度都很均匀，而传统结构中荧光粉中心温度较高，在大电流时尤为明显。

　　我们通过有限元模拟来分析封装结构中的参数变化对白光LED性能的影响。结果表明，可以通过封装结构设计及封装材料热导率调整来调控荧光粉层的温度。图3是LED热隔离封装结构中的温度纵向分布，荧光粉层的温度通过引入的热隔离硅胶层大大降低了。



图2 传统结构和热隔离结构中荧光粉表面的温度曲线，红色为实验值，蓝色为模拟值[14]



图3 热隔离封装结构中，样品沿h2方向的径向温度分布(h2=1mm)


　　综上所述，降低荧光粉层温度的有效办法是在芯片与荧光粉层之间引入低导热的热隔离层，尤其对于更大功率的LED器件而言，对荧光粉的热控制技术显得尤为重要。

　　2．荧光粉局域热效应

　　荧光粉层并不是具有均匀热导率的单一介质，而是由荧光粉颗粒与低导热的硅胶混合而成，每颗荧光粉颗粒由硅胶包裹而成。我们的研究结果表明荧光粉颗粒在不同的转化效率下(即不同的释热量)芯片和荧光粉的温场分布。在荧光粉转化效率高(>80%)的情况下，荧光粉的温度主要受芯片加热的影响。荧光粉距离芯片越近，温度越高，热隔离的措施能有效降低荧光粉的温度。在荧光粉颗粒发热明显的情况下，由于包裹荧光粉颗粒是低导热率的硅胶，荧光粉颗粒会形成局域热量，使得荧光粉颗粒的温度升高，甚至超过芯片的温度。而出现荧光粉局域热量的条件是荧光粉的低转化效率，导致荧光粉释热大。

　　在实际的LED封装结构中，荧光粉的转化效率高，荧光粉的温度主要是由于芯片的加热作用，荧光粉与芯片直接有效的热隔离能明显降低荧光粉的温度。进一步降低荧光粉层的温度可以通过提高荧光粉层的导热率来实现。

　　为了表明两种封装结构对白光LED光色性能的影响，我们把LED白光光谱中蓝光波段(Blue)和黄光波段(Yellow)提取出来，以蓝光波段光谱和黄光波段光谱的积分量比例值(B/Y)作为光谱评价依据。图4表明的是电流从50mA到800mA，两种情况下B/Y值跟注入电流的关系，B/Y值的变化反映了白光LED光色的变化，在图6中，我们展示了两种结构中光通量、色温(CCT)跟注入电流的变化关系。两种封装结构中，注入电流在达到300mA以前，两者光通量的值几乎没发生变化，随着注入电流的继续升高，热隔离封装结构显示了更好的光饱和性能。色温CCT反映了白光LED光色的表现性能，注入电流从50mA增加到800mA，热隔离结构的LED色温仅变化253K，而传统结构LED色温变化达1773K。图5中B/Y值的变化也反映了这种趋势，热隔离封装结构在较大的电流变化范围内B/Y值变化很小，而传统结构中B/Y值的变化很大。在传统结构中，电流越大时，B/Y值也随着增大，这说明随着电流增加，LED光谱中蓝光成分增强，而将蓝光转化为黄光的荧光粉转化效率下降。而造成荧光粉转化效率下降的一个重要原因就是芯片对荧光粉的加热，造成了荧光粉温度上升。



图4 两种封装结构中白光LED光谱中蓝光段(Blue)与黄光段(Yellow)光强比(B/Y)(插图是蓝光和黄光比例)[14]



图5 两种封装结构光通量(左轴)和色温(右轴)与电流的依赖关系[14]

　　荧光粉热隔离封装结构带来光色性能的改善，一个重要原因是由于该结构降低了荧光粉的温度，使得荧光粉保持了较高的转化效率。

非常专业，LED色漂移问题一直困绕我很久，看来荧光粉的温度控制能达到事半功倍的效果，谢谢分享！