在傳統(tǒng)的白光LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時(shí)，芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導(dǎo)致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下轉(zhuǎn)化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導(dǎo)熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上，降低了熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。
除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，因熒光粉的轉(zhuǎn)化效率尚未達(dá)到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆粒本身也會(huì)有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當(dāng)熒光粉材料轉(zhuǎn)化效率較低時(shí)，還需為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統(tǒng)熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比了解兩種結(jié)構(gòu)中芯片和熒光粉的熱相互作用。
1、LED芯片對(duì)熒光粉的加熱
為了評(píng)價(jià)LED芯片對(duì)熒光粉熱性能方面的影響，我們制作了兩組白光LED封裝結(jié)構(gòu)，一組采用傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方式，另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式，圖1是該熱隔離封裝結(jié)構(gòu)的剖面制樣圖。
圖1 傳統(tǒng)白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)(b)，h=1mm[14-16]
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)是通過熒光粉覆膜的方式實(shí)現(xiàn)的。熒光粉覆膜技術(shù)是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法，即根據(jù)出光要求設(shè)計(jì)好熒光粉膜層的結(jié)構(gòu)，在專用模具內(nèi)完成熒光粉膜層的成型，剝離后，將熒光粉膜層轉(zhuǎn)移到LED芯片上方，同時(shí)LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導(dǎo)熱系數(shù)的硅膠層。為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)熱性能上的差別，我們比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結(jié)構(gòu)在200、350和500mA直流驅(qū)動(dòng)下表面IR Camera測(cè)得溫度徑向分布。在200 mA驅(qū)動(dòng)電流下時(shí)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時(shí)，熒光粉層的溫差分別達(dá)到了8.5℃和16.8℃，并且在500mA注入電流下時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熒光粉的表層最高溫度已經(jīng)達(dá)到130.2℃。另外，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)整個(gè)熒光粉表層的溫度都很均勻，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熒光粉中心溫度較高，在大電流時(shí)尤為明顯。
我們通過有限元模擬來分析封裝結(jié)構(gòu)中的參數(shù)變化對(duì)白光LED性能的影響。結(jié)果表明，可以通過封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝材料熱導(dǎo)率調(diào)整來調(diào)控?zé)晒夥蹖拥臏囟?。圖3是LED熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中的溫度縱向分布，熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。
在傳統(tǒng)的白光LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時(shí)，芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導(dǎo)致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下轉(zhuǎn)化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導(dǎo)熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上，降低了熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。
除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，因熒光粉的轉(zhuǎn)化效率尚未達(dá)到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆粒本身也會(huì)有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當(dāng)熒光粉材料轉(zhuǎn)化效率較低時(shí)，還需為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統(tǒng)熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比了解兩種結(jié)構(gòu)中芯片和熒光粉的熱相互作用。
1、LED芯片對(duì)熒光粉的加熱
為了評(píng)價(jià)LED芯片對(duì)熒光粉熱性能方面的影響，我們制作了兩組白光LED封裝結(jié)構(gòu)，一組采用傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方式，另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式，圖1是該熱隔離封裝結(jié)構(gòu)的剖面制樣圖。
圖1 傳統(tǒng)白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)(b)，h=1mm[14-16]
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)是通過熒光粉覆膜的方式實(shí)現(xiàn)的。熒光粉覆膜技術(shù)是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法，即根據(jù)出光要求設(shè)計(jì)好熒光粉膜層的結(jié)構(gòu)，在專用模具內(nèi)完成熒光粉膜層的成型，剝離后，將熒光粉膜層轉(zhuǎn)移到LED芯片上方，同時(shí)LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導(dǎo)熱系數(shù)的硅膠層。為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)熱性能上的差別，我們比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結(jié)構(gòu)在200、350和500mA直流驅(qū)動(dòng)下表面IR Camera測(cè)得溫度徑向分布。在200 mA驅(qū)動(dòng)電流下時(shí)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時(shí)，熒光粉層的溫差分別達(dá)到了8.5℃和16.8℃，并且在500mA注入電流下時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熒光粉的表層最高溫度已經(jīng)達(dá)到130.2℃。另外，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)整個(gè)熒光粉表層的溫度都很均勻，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熒光粉中心溫度較高，在大電流時(shí)尤為明顯。
我們通過有限元模擬來分析封裝結(jié)構(gòu)中的參數(shù)變化對(duì)白光LED性能的影響。結(jié)果表明，可以通過封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝材料熱導(dǎo)率調(diào)整來調(diào)控?zé)晒夥蹖拥臏囟取D3是LED熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中的溫度縱向分布，熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。
圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱隔離結(jié)構(gòu)中熒光粉表面的溫度曲線
圖3 熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中，樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)
綜上所述，降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導(dǎo)熱的熱隔離層，尤其對(duì)于更大功率的LED器件而言，對(duì)熒光粉的熱控制技術(shù)顯得尤為重要。
2、熒光粉局域熱效應(yīng)
熒光粉層并不是具有均勻熱導(dǎo)率的單一介質(zhì)，而是由熒光粉顆粒與低導(dǎo)熱的硅膠混合而成，每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。我們的研究結(jié)果表明熒光粉顆粒在不同的轉(zhuǎn)化效率下(即不同的釋熱量)芯片和熒光粉的溫場(chǎng)分布。在熒光粉轉(zhuǎn)化效率高(>80%)的情況下，熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近，溫度越高，熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發(fā)熱明顯的情況下，由于包裹熒光粉顆粒是低導(dǎo)熱率的硅膠，熒光粉顆粒會(huì)形成局域熱量，使得熒光粉顆粒的溫度升高，甚至超過芯片的溫度。而出現(xiàn)熒光粉局域熱量的條件是熒光粉的低轉(zhuǎn)化效率，導(dǎo)致熒光粉釋熱大。
在實(shí)際的LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉的轉(zhuǎn)化效率高，熒光粉的溫度主要是由于芯片的加熱作用，熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進(jìn)一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導(dǎo)熱率來實(shí)現(xiàn)。
為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)對(duì)白光LED光色性能的影響，我們把LED白光光譜中藍(lán)光波段(Blue)和黃光波段(Yellow)提取出來，以藍(lán)光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)作為光譜評(píng)價(jià)依據(jù)。圖4表明的是電流從50mA到800mA，兩種情況下B/Y值跟注入電流的關(guān)系，B/Y值的變化反映了白光LED光色的變化，在圖5中，我們展示了兩種結(jié)構(gòu)中光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關(guān)系。兩種封裝結(jié)構(gòu)中，注入電流在達(dá)到300mA以前，兩者光通量的值幾乎沒發(fā)生變化，隨著注入電流的繼續(xù)升高，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)顯示了更好的光飽和性能。色溫CCT反映了白光LED光色的表現(xiàn)性能，注入電流從50mA增加到800mA，熱隔離結(jié)構(gòu)的LED色溫僅變化253K，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED色溫變化達(dá)1773K。圖5中B/Y值的變化也反映了這種趨勢(shì)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)在較大的電流變化范圍內(nèi)B/Y值變化很小，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中B/Y值的變化很大。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電流越大時(shí)，B/Y值也隨著增大，這說明隨著電流增加，LED光譜中藍(lán)光成分增強(qiáng)，而將藍(lán)光轉(zhuǎn)化為黃光的熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降。而造成熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降的一個(gè)重要原因就是芯片對(duì)熒光粉的加熱，造成了熒光粉溫度上升。
圖4 兩種封裝結(jié)構(gòu)中白光LED光譜中藍(lán)光段(Blue)與黃光段(Yellow)光強(qiáng)比
圖5 兩種封裝結(jié)構(gòu)光通量(左軸)和色溫(右軸)與電流的依賴關(guān)系
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)帶來光色性能的改善，一個(gè)重要原因是由于該結(jié)構(gòu)降低了熒光粉的溫度，使得熒光粉保持了較高的轉(zhuǎn)化效率。