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大功率LED封装的新发展

2012-03-31 09:27:11   发表:

LED封装需要考虑的主要问题包括:(1)光取出效率;(2)热阻。大功率LED封装的发展经历了几个阶段,封装结构的设计基本上围绕这两个问题。其中,为降低热阻而设计的封装结构较多,为提高光取出效率而作的努力基本上集中在提高硅胶的折射系数上。事实上,如果单纯的提高硅胶的折射系数,一方面,从芯片到硅胶的光取出效率有所提高,但是,另一方面,从硅胶到空气的光取出效率却有所降低。

大功率LED封装发展的很快,封装结构的创新,使得光取出效率和导热性能有极大提高,体积减小,成本降低。

下面讨论两种最近出现的封装结构。

粗化表面的LED封装
为了提高LED封装的光取出效率,最新的发展方向之一是:对LED封装的表面(硅胶、树脂等的表面)进行粗化,包括向上凸起的粗化结构(图1)和向下凹的粗化结构。


对LED封装的表面进行粗化的理论根据与对LED芯片的表面进行粗化的理论根据相同,即,光从光密物质向光疏物质传播时,会产生全内反射。  LED芯片的表面粗化提高了光取出效率。

下面,比较对LED封装的表面进行粗化和对LED芯片的表面进行粗化的效果:

假定空气的折射系数n0、硅胶的折射系数n1、GaN的折射系数n2分别是:

n0 = 1,
n1 = 1.5,
n2 = 2.3,

n0/ n1 ≈ n1/ n2。

因为,全内反射角Θ满足下面的公式:
SinΘ1 = n0/ n1,
SinΘ2 = n1/ n2。


Θ1 ≈ Θ2。

可以看出,如果不考虑表面粗化,光从芯片表面出射到硅胶的全内反射角Θ2和光从封装的硅胶表面出射到空气的全内反射角Θ1基本相同。

因此,对封装表面进行粗化与对芯片表面进行粗化同等重要。

为了提高芯片表面的光取出效率,LED芯片的表面粗化已成为芯片制造的标准工艺。

为了提高LED封装表面的光取出效率,预计对LED封装的表面进行粗化也将成为LED封装的标准工艺。

与表面没有粗化的LED封装相比较,粗化表面的LED封装的光取出效率预计(光学模拟)可提高20-30%,例如,原本120 lm的LED封装,进行表面粗化后,预计可达到140-150 lm。另外,提高光取出效率的同时,也降低了产生的热量。

粗化表面的LED封装适合于背光源和照明应用。

任何表面没有透镜的LED封装(包括集成芯片封装)的表面均可以进行表面粗化。
粗化表面的形状包括:圆锥状,圆柱状,球面状,不规则状,等等。

粗化方法包括物理方法、化学方法、光学方法。

最近,松下公司公布了一款LED封装,如图3所示,它在LED封装的上面加上一个带有粗化表面的结构以提高光取出效率。

   
LED封装的热阻对于LED芯片的寿命具有决定性的影响,特别是对大电流驱动(大于350mA)的LED芯片。LED封装产品的成本和散热性能取决于封装支架的结构。封装支架正在向体积小、厚度薄、散热好的方向发展。
 

超低热阻大功率LED贴片式封装由于其小而薄,更适于空间小的应用。除了体积小之外,最重要的优势是超低热阻:
R < 1°C/W。

这一特点给很多应用带来极大便利。与其他的LED贴片式封装相比较,(1)当维持相同的节温时,则降低了对散热部件的要求;(2)当采用相同的散热部件时,则降低了节温,延长了LED封装的寿命。


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