LED封装与应用

LED被誉为21世纪绿色照明光源和第四代光源。LED封装是LED产业链中关键的一个环节，是连接芯片和应用的桥梁。图1显示了目前市面上常见的引线框架式的大功率LED封装模块示意图及各部分功能：1）为芯片提供电输入；2）为芯片等提供机械保护；3）提供有效散热途径；4）实现光的高效和高品质输出。

TPL长期致力于LED封装与应用研究，在如下几个方面取得了积累和成果：1、封装工艺优化设计；2、散热及光热耦合研究；3、各种复杂应用下光学设计；4、量子点LED封装。

图1 常见的引线框架式的大功率LED封装器件和各部分功能

1、 封装工艺优化设计

• 精确建模实现了LED发光的准确预测，研究了各种封装参数对出光的影响规律，比如荧光粉形貌、金线bonding工艺等（图2）；

• 从涂覆的流动特性来实现涂覆实时在现，从而实现控制涂覆形貌，获得用户需要的各种光学特性（显示指数，空间颜色均匀性，色温，光效等）（图3）；

• 对封装工艺过程及其中的某些影响光热性能的关键过程实现预测和控制，比如固晶、荧光粉沉淀等（图4、图5）；

• 提出了多种控制有效控制形貌的荧光粉涂覆新工艺（图6）。

图2 金线bonding工艺对LED性能影响                                           图3 荧光粉较形貌变化

图4 芯片固晶自对准工艺                                             图5 荧光粉沉淀预测模型

图6（a）基于最小自由能的荧光粉形貌控制技术，实现较高的色温一致性；（b）微槽毛细填充保形荧光灯涂覆技术；（c）透镜润湿远离荧光粉涂覆技术；（d）高温控制远离荧光粉涂覆技术

2、 散热、光热耦合及可靠性研究

LED在工作过程中70%左右的电能都损失并转化为热量，其中大部分热量产生于尺寸极小的芯片，热量传递依次通过芯片、焊料层、热界面材料、基板和散热器等， LED散热设计面临着高热流密度、跨尺寸、多材料、多界面等挑战。

从结构、材料和工艺等方面进行LED散热设计，取得如下成果：1）建立了LED热阻网络模型，精确预测LED结温（图7）；2）建立荧光粉光热耦合模型，指导LED封装实现多发光、少发热的工艺设计（图8）；3）高性能散热器设计，包含翅片设计、微通道、微喷等散热设计（图9）；4）在线可靠性测试，准确评估LED封装与器件的寿命及可靠性（图10）。

             图7 LED热阻网络模型                                        图8 荧光粉层光热耦合的Kubelka-Munk模型

图9 微喷散热系统及其在大功率LED上的应用                          图10 在线可靠性测试系统

3. 光学设计

高光效、光形可控、高空间颜色均匀度是实现高品质LED 照明不可或缺的三个关键因素。光学设计是达成上述性能的关键环节。1）提出了实现能量任意映射的非成像光学普适性透镜算法（图11）；2）开发了通用于聚光灯、手电筒和路灯的透镜设计软件（图12）；3）设计了LED汽车大灯、大尺寸背光、路灯、隧道灯、景观灯、筒灯、室内照明灯具等照明灯具并得到了应用（图13）。

           图11 能量映射模型及基于该算法设计的自由曲面透镜                      图12 透镜设计软件操作界面

图13 实验室自主研制路灯及其应用

4、 量子点LED封装

量子点（Quantum Dots）作为一种新兴光致发光材料，具有色域宽、发射光谱可以通过颗粒直径调整、显色能力强等优点。量子点LED封装是未来LED封装发展趋势，TPL取得了如下成果：1）提出了高性能量子点LED的封装工艺、材料制备方法；2）揭示了量子点光学与热学性能的耦合关系（图14、图15）。

图14 量子点结构及其热学性能                                                        图15 量子点的光学性能