半导体照明课件 第12章 LED封装技术

RT
L
S
其中L为平板的厚度，S为平板垂直于热流方 向的截面积， λ为平板材料的热导率。
三、热学设计
3、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 热阻称为扩展热阻。
它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触 面积和形状有关。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。
这就是半导体发光器件设计的最佳化。
一、设计原则 PN结发光器件的外量子效率为：
ex jiu
j 为电子注入效率， i 为转化为光子的内量子 效率，u 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。
二、电学设计 电学设计问题主要在外延和芯片制作时考虑。
1、提高PN结注入效率
方法：外延层的载流子浓度不能太少。
三、热学设计 热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。
它不仅与器件的可靠性有关，还直接影响到 发光效率，因为一般半导体发光效率均随结温升 高而降低。
三、热学设计 1、热阻(thermal resistance)
结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。
表示单位耗散功率所引起的结温升高(˚C／W，或 K/W。)
四、光学设计 1、减少体吸收
（1）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III-V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n个数量级。
如高补偿的掺硅砷化镓（GaAs）
（3）在出光一侧做成透光性好的“窗口”，可大大减少 自吸收。
如，为提高AlGaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱs器件的出光效率，在出光面生 长一个带隙较宽的层。
五、视觉因素
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 敏度外，还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离(视距)、 颜色、反差等因素影响。
第二节 LED封装技术
一、封装的作用 将普通二极管的管芯密封在封装体内，其
作用是保护芯片和完成电气互连。 对LED的封装则是实现 ➢ 输入电信号、 ➢ 保护芯片正常工作 ➢ 输出可见光的功能
四、光学设计
2、增大表面透过率
由于LED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 全反射。
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， 可增大临界角减少全反射，提高出光效率。
四、光学设计
3、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 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。
四、光学设计 4、采用透镜控制光强分布
对LED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 功率LED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 透镜，以达到各种光强分布的目的。
总热阻为各层热阻之和
SFT-LED热阻对比表
从上表中我们可以看出，我公司LED的热阻远远低于同行 的热阻，这为我公司LED的高亮度低光衰提供了保障。
三、热学设计
2、结构层热阻 RT
当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇 到的热阻称为结构层热阻 (导热热阻)。对于热流经 过的截面积不变的平板，结构层热阻为
三、LED封装的方式的选择
第十二章 LED封装技术
LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显 微镜下才能看见，加入电流之后才会发光。
在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊 接，从而 1)引出正极、负极并对LED芯片和两个电极进行 保护之外，还需要考虑 2)将光取出并达到规定的光强分布。
此外, 还要将管芯产生的热导出来, 象InGaN器件还必 须采取防静电措施。
四、光学设计
光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。
模型：把管芯看作一个吸收系数为α ，体积为V 的光
学腔，它被面积为Ai的几个面包围。
u
AiTi
(1 Ri ) Ai 4V
式中，α为吸收系数，V为管芯体积，Ai为面积，Ti为透过率， Ri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 收和减少欧姆接触对光的吸收，并增大其他界面的透过率。
RT
T PD
式中RT为两点间的热阻， T 为两点间的温度 差，PD为两点间的热功率流。
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 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.
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，1m厚的材料，两侧表面的 温差为1°C,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表 示(W/m·℃)。
对LED的封装既有电参数又有光参数的设 计及技术要求。
研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封 装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业 化必经之路.
第一节 LED器件的设计
LED器件的设计包括电学、热学、光学和结构 设计，这四方面是互相关联的，有时还有矛盾，考 虑的原则是以光学参数(特别是光通量和光强)为主 的最佳折中。
三、热学设计 4、实际器件的热阻
总热阻＝各结构层热阻＋扩展热阻
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。
器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。
三、热学设计
5、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 结构层的热阻。
b、采用适当形状的PN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。 d、加大键合面积，降低键合热阻。
１）注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。 ２）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。
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 合物，从而降低发光效率。
二、电学设计
2、衬底完整性要好。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 响器件的发光效率。