半导体照明课件第12章LED封装技术.ppt
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- 半导体 照明 课件 12 LED 封装 技术
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1、第十二章第十二章 LEDLED封装技术封装技术 LED LED器件的设计包括器件的设计包括电学、热学、光学和结构电学、热学、光学和结构设计设计,这四方面是互相关联的,有时还有矛盾,考,这四方面是互相关联的,有时还有矛盾,考虑的原则是以虑的原则是以光学参数光学参数(特别是光通量和光强特别是光通量和光强)为主为主的最佳折中。的最佳折中。这就是半导体发光器件设计的最佳化。这就是半导体发光器件设计的最佳化。一、设计原则一、设计原则 PNPN结发光器件的外量子效率为:结发光器件的外量子效率为:uijex 为电子注入效率,为电子注入效率,为转化为光子的内量子为转化为光子的内量子效率,效率,为取光效率,提高
2、这三个效率就可以为取光效率,提高这三个效率就可以提高器件的外量子效率。提高器件的外量子效率。uji 方法:外延层的载流子浓度不能太少。方法:外延层的载流子浓度不能太少。)注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。)浓度太低会增加器件串联电阻,增加压降,导致器件过)浓度太低会增加器件串联电阻,增加压降,导致器件过热,增加温升,降低发光效率。热,增加温升,降低发光效率。但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增加,并且会增加晶体不完整性,甚至出现杂质沉淀物或各种络加,并且会增加晶体不完整
3、性,甚至出现杂质沉淀物或各种络合物,从而降低发光效率。合物,从而降低发光效率。二、电学设计二、电学设计电学设计问题主要在电学设计问题主要在外延外延和和芯片制作芯片制作时考虑。时考虑。1、提高、提高PN结注入效率结注入效率2、衬底完整性要好。衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延因为较多的缺陷会使外延层完整性降低,造成非辐射复合中心,严重影层完整性降低,造成非辐射复合中心,严重影响器件的发光效率。响器件的发光效率。二、电学设计二、电学设计热学设计的原则是使器件结构具有热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻低的热阻。它不仅与器件的可靠性有关,还直接影响到它不仅与器件的可靠性有关,还直接影响到发光效
4、率,因为一般半导体发光效率均随结温升发光效率,因为一般半导体发光效率均随结温升高而降低。高而降低。三、热学设计三、热学设计1、热阻、热阻(thermal resistance)结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。DTPTR式中式中RT为两点间的热阻,为两点间的热阻,为两点间的温度为两点间的温度差,差,PD为两点间的热功率流。为两点间的热功率流。T表示单位耗散功率所引起的结温升高表示单位耗散功率所引起的结温升高(CW,或,或K/W。)三、热学设计三、热学设计结温结温:是指管芯 PN 结的平均温度,用 TJ 表示。LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件
5、寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题.总热阻为各层热阻之和 热阻:是指反映阻止热量传递能力的综合参量。单位:热阻:是指反映阻止热量传递能力的综合参量。单位:/W导热系数是指在稳定传热条件下,导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的厚的材料,两侧表面的温差为温差为1C,在在1小时内,通过小时内,通过1平方米面积传递的热量,用平方米面积传递的热量,用表表示示(W/m)。SFT-LEDSFT-LED热阻对比表热阻对比表 从上表中我们可以看出,我公司从上表中我们可以看出,我公司LEDLED的热阻远远低于同行的热阻远远低于同行的热阻,这为我公司的热
6、阻,这为我公司LEDLED的高亮度低光衰提供了保障。的高亮度低光衰提供了保障。SLRT 当热量在物体内部以热传导的方式传递时,遇当热量在物体内部以热传导的方式传递时,遇到的热阻称为到的热阻称为结构层热阻结构层热阻(导热热阻导热热阻)。对于热流经。对于热流经过的截面积不变的平板,结构层热阻为过的截面积不变的平板,结构层热阻为其中其中L为平板的厚度,为平板的厚度,S为平板垂直于热流方为平板垂直于热流方向的截面积,向的截面积,为平板材料的热导率。为平板材料的热导率。2、结构层热阻、结构层热阻 RT三、热学设计三、热学设计3、扩展热阻、扩展热阻 当一热流通过一小面积进入无限固体中时,所产生的当一热流通
7、过一小面积进入无限固体中时,所产生的热阻称为热阻称为扩展热阻扩展热阻。它的大小除与其它的大小除与其无限固体的热导率无限固体的热导率有关外,还与有关外,还与接触接触面积面积和和形状形状有关。面积一定时,细长形接触的扩展热阻低有关。面积一定时,细长形接触的扩展热阻低于方形,环形的小于椭圆形的,更小于圆形的。于方形,环形的小于椭圆形的,更小于圆形的。三、热学设计三、热学设计实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。器件的总温升为各热
8、阻部分引起的温升之和。总热阻总热阻各结构层热阻各结构层热阻扩展热阻扩展热阻4、实际器件的热阻、实际器件的热阻三、热学设计三、热学设计5、降低热阻的措施、降低热阻的措施a、减少各结构层的厚度,采用高热导焊料,降低各、减少各结构层的厚度,采用高热导焊料,降低各结构层的热阻。结构层的热阻。b、采用适当形状的、采用适当形状的PN结或管芯,降低扩展热阻。结或管芯,降低扩展热阻。c、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。d、加大键合面积,降低键合热阻。、加大键合面积,降低键合热阻。三、热学设计三、热学设计光学设计主要是为了获得较高的光学设计主要是为了获得较高
9、的光出射效率光出射效率。VARTAiiiiu4)1(式中,式中,为吸收系数,为吸收系数,V为管芯体积,为管芯体积,Ai为面积,为面积,Ti为透过率,为透过率,Ri为反射率。为反射率。由该式可见,要提高出光效率,就要减少管芯材料的体吸收由该式可见,要提高出光效率,就要减少管芯材料的体吸收和减少欧姆接触对光的吸收,并增大其他界面的透过率。和减少欧姆接触对光的吸收,并增大其他界面的透过率。四、光学设计四、光学设计模型:把管芯看作一个吸收系数为模型:把管芯看作一个吸收系数为 ,体积为,体积为V V的光的光学腔,它被面积为学腔,它被面积为A Ai i的几个面包围。的几个面包围。1、减少体吸收、减少体吸收
10、(1)使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。)使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。(2)高杂质补偿的)高杂质补偿的III-V族材料中,电发光辐射的能量远族材料中,电发光辐射的能量远低于带隙宽度,吸收系数较非补偿的低低于带隙宽度,吸收系数较非补偿的低n个数量级。个数量级。如高补偿的掺硅砷化镓如高补偿的掺硅砷化镓(GaAs)(3)在出光一侧做成透光性好的)在出光一侧做成透光性好的“窗口窗口”,可大大减少,可大大减少自吸收。自吸收。如,为提高如,为提高AlGaAs器件的出光效率,在出光面生器件的出光效率,在出光面生长一个带隙较宽的层。长一个带隙较宽的层。四、光学设计四、光学设计2、增大表面透过
11、率、增大表面透过率 由于由于LED晶体的折射率比较高,当光线射向晶体内表晶体的折射率比较高,当光线射向晶体内表面时,在晶体和空气的交界面上就要产生折射,容易发生面时,在晶体和空气的交界面上就要产生折射,容易发生全反射。全反射。采用拱形管芯可以增加临界角,调高出光效率。同理,采用拱形管芯可以增加临界角,调高出光效率。同理,在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜,在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜,可增大临界角减少全反射,提高出光效率。可增大临界角减少全反射,提高出光效率。四、光学设计四、光学设计3、反射器、反射器 采用合适的金属或塑料反射腔结构,可以使下部和侧采用合适的金
12、属或塑料反射腔结构,可以使下部和侧面的光经过反射到达器件前方,从而提高出光效率。面的光经过反射到达器件前方,从而提高出光效率。反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。四、光学设计四、光学设计4、采用透镜控制光强分布、采用透镜控制光强分布 对对LED光强分布的控制有两种方法:光强分布的控制有两种方法:a、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜,作为、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜,作为功率功率LED器件的出光端;器件的出光端;b、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂透镜,以达到各种光强分
13、布的目的。透镜,以达到各种光强分布的目的。四、光学设计四、光学设计 作为指示、显示器件乃至照明光源来说,还必须考虑作为指示、显示器件乃至照明光源来说,还必须考虑到人眼视觉这一主观性很强的因素,它除了不同的视感灵到人眼视觉这一主观性很强的因素,它除了不同的视感灵敏度外,还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离敏度外,还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离(视距视距)、颜色、反差等因素影响。颜色、反差等因素影响。五、视觉因素五、视觉因素三、三、LED封装的方式的选择封装的方式的选择 LED pn结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射有相同的几率,因此并不是芯片
14、产生的所有光都可以发射有相同的几率,因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。射出来。能发射多少光,取决于能发射多少光,取决于半导体材料的质量半导体材料的质量、芯片结构芯片结构、几何形状几何形状、封装内部材料封装内部材料等。等。因此,对因此,对LED封装,要根据封装,要根据LED芯片的大小芯片的大小、功率大功率大小小来选择合适的封装方式。来选择合适的封装方式。四、四、LED封装的发展过程封装的发展过程 LED封装技术的发展分三个阶段,也是封装技术的发展分三个阶段,也是LED器件的器件的功功率、光通量率、光通量、器件结构器件结构发展的三个阶段。发展的三个阶段。1962-1989 年主要是年主要是
15、3和和 5的的LED,用作数码管用作数码管和矩阵管的显示器和矩阵管的显示器驱动电流驱动电流20mA。1990-1999 年发展了大光通量年发展了大光通量LED食人鱼和食人鱼和snap,用用作汽车信号灯、景观照明作汽车信号灯、景观照明驱动电流驱动电流50-150mA。2000年年-至今生产了功率型至今生产了功率型LED,用于照明用于照明驱动电流驱动电流350mA。常规小功率常规小功率LED的封装形式主要有:的封装形式主要有:;n 3.表面贴装式表面贴装式SMD LED;n 4.食人鱼食人鱼Piranha LED。(二)引脚式封装原理(二)引脚式封装原理 顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种
16、作用:顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:保护管芯等不受外界侵蚀;保护管芯等不受外界侵蚀;采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)起采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)起透镜透镜或或漫射透镜漫射透镜功能,控制光的发散角。功能,控制光的发散角。2、平面式封装、平面式封装(一)平面式封装原理(一)平面式封装原理平面式封装平面式封装LED器件是由多个器件是由多个LED芯片组合而成的结芯片组合而成的结构型器件。构型器件。通过通过LED的适当连接(包括串联和并联)和合适的光的适当连接(包括串联和并联)和合适的光学结构,可构成发光显示器的发光段和发光点,然后由这学结构,可构成发光显示器
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