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高亮度LED之封装原理之二

高亮度LED之封装原理之二

  • 分类:技术文章
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2011-09-20 12:30
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【概要描述】

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散热问题不解决有哪些副作用?  

好!倘若不解决散热问题,而让led的热无法排解,进而使led的工作温度上升,如此会有什么影响吗?关于此最主要的影响有二:(1)发光亮度减弱、(2)使用寿命衰减。  

举例而言,当led的p-n接面温度(junctiontemperature)为25℃(典型工作温度)时亮度为100,而温度升高至75℃时亮度就减至80,到125℃剩60,到175℃时只剩40.很明显的,接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系,温度愈升高,led亮度就愈转暗。  

温度对亮度的影响是线性,但对寿命的影响就呈指数性,同样以接面温度为准,若一直保持在50℃以下使用则led有近20,000小时的寿命,75℃则只剩10,000小时,100℃剩5,000小时,125℃剩2,000小时,150℃剩1,000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃,使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时,伤害极大。  

■裸晶层:光热一体两面的发散源头:p-n接面关于led的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论,一起头也是在p-n接面部分,解决方案一样是将电能尽可能转化成光能,而少转化成热能,也就是光能提升,热能就降低,以此来降低发热。  

如果更进一步讨论,电光转换效率即是内部量子化效率(internalquantumefficiency;iqe),今日一般而言都已有70%~90%的水准,真正的症结在于外部量子化效率(externalquantumefficiency;eqe)的低落。  

以lumiledslighting公司的luxeon系列led为例,tj接面温度为25℃,顺向驱动电流为350ma,如此以ingan而言,随着波长(光色)的不同,其效率约在5%~27%之间,波长愈高效率愈低(草绿色仅5%,蓝色则可至27%),而alingap方面也是随波长而有变化,但却是波长愈高效率愈高,效率大体从8%~40%(淡黄色为低,橘红最高)。  

从lumileds公司luxeon系列led的横切面可以得知,硅封胶固定住led裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话),然后封胶之上才有透镜,而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(siliconsub-mountchip)连接,此芯片也可强化esd静电防护性,往下再连接散热块,部分led也直接裸晶底部与散热块相连。(图片来源:lumileds.com)lumileds公司luxeon系列led的裸晶采行覆晶镶嵌法,因此其蓝宝石基板变成在上端,同时还加入一层银质作为光反射层,进而增加光取出量,此外也在siliconsubmount内制出两个基纳二极管(zenerdiode),使led获得稳压效果,使运作表现更稳定。  

由于增加光取出率(extractionefficiency,也称:汲光效率、光取效率)也就等于减少热发散率,等于是一个课题的两面,而关于光取出率的提升请见另一篇专文:高亮度led之「封装光通」原理技术探析。在此不再讨论。  

■裸晶层:基板材料、覆晶式镶嵌如何在裸晶层面增加散热性,改变材质与几何结构再次成为必要的手段,关于此目前最常用的两种方式是:1.换替基板(substrate,也称:底板、衬底,有些地方也称为:carrier)的材料。2.经裸晶改采覆晶(flip-chip,也称:倒晶)方式镶嵌(mount)。  

先说明基板部分,基板的材料并不是说换就能换,必须能与裸晶材料相匹配才行,现有algainp常用的基板材料为gaas、si,ingan则为sic、sapphire(并使用aln做为缓冲为了强化led的散热,过去的fr4印刷电路板已不敷应付,因此提出了内具金属核心的印刷电路板,称为mcpcb,运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热,不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。(制图:郭长佑)对光而言,基板不是要够透明使其不会阻碍光,就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层,以此避免「光能」被基板所阻碍、吸收,形成浪费,例如gaas基板即是不透光,因此再加入一个dbr(distributedbraggreflector)反射层来进行反光。而sapphire基板则是可直接反光,或透明的gap基板可以透光。  

除此之外,基板材料也必须具备良好的热传导性,负责将裸晶所释放出的热,迅速导到更下层的散热块(heatslug)上,不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物,如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或硅树脂(即是指:封胶层)等也必须有一定的耐热能力,好因应从p-n接面开始,传导到裸晶表面的温度。  

除了强化基板外,另一种作法是覆晶式镶嵌,将过去位于上方的裸晶电极转至下方,电极直接与更底部的线箔连通,如此热也能更快传导至下方,此种散热法不仅用在led上,现今高热的cpu、gpu也早就采行此道来加速散热。

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