管芯封裝與應(yīng)用對半導(dǎo)體照明光源的影響
作為被普遍看好的第三代照明光源，以功率型LED 為核心的半導(dǎo)體照明與白熾燈、熒光燈相比，在器件封裝上有很大不同：
1）溫度對LED 材料的發(fā)光特性有較大的影響，因此，散熱問題在LED 器件的封裝中占有十分重要的地位；
2）從光學(xué)角度而言，功率型LED 器件發(fā)光面積小，其出光角為半球出光角，可以近似為朗伯光源。這種類似點光源的發(fā)光特性使得特定的照度分布，并保持較高光能利用效率，但需采用特殊的光學(xué)系統(tǒng)；
3）功率LED 采用直流工作，工作電壓僅為幾伏，但工作電流較大，這對照明驅(qū)動電源也提出了新要求。
熱量對功率型LED 的影響集中體現(xiàn)以下方面：
1）由于熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，結(jié)區(qū)溫度容易升高，從而降低芯片的發(fā)光效率，降低芯片周圍熒光粉的激射效率，嚴(yán)重影響器件的光學(xué)性能，同時熱應(yīng)力的非均勻分布也容易降低器件的壽命和穩(wěn)定性；
2）在使用多個LED 密集排列的白光照明系統(tǒng)中，由于模塊間相互影響，所以高熱阻會導(dǎo)致器件失效等問題。
因此，散熱是功率型LED 的重要研究課題。對于LED 器件的熱量處理，除了芯片層面減少管芯熱阻之外，對封裝而言，應(yīng)采用高熱導(dǎo)率的封裝材料、設(shè)計合理熱沉、采用多芯片封裝、優(yōu)化驅(qū)動電源等以降低封裝后器件的熱阻，提高器件性能。從光學(xué)角度看，成像光學(xué)系統(tǒng)得到的光源影像，其光場分布只是發(fā)生了縮放，而LED 應(yīng)用于照明時，要求獲得具有特定照度分布的同時保持高光能利用率，因而光學(xué)系統(tǒng)與成像光學(xué)系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別，針對LED 封裝的光學(xué)研究屬于非成像光學(xué)。利用非成像光學(xué)設(shè)計滿足特定要求的LED 光學(xué)系統(tǒng)，是半導(dǎo)體照明光源應(yīng)用的重要研究內(nèi)容。
下面給出應(yīng)用于投射照明系統(tǒng)的封裝光學(xué)設(shè)計實例。應(yīng)用于投射照明系統(tǒng)時，光源需要有高效、準(zhǔn)直的遠(yuǎn)場分布。對于LED 系統(tǒng)而言，若采用二次光學(xué)元件，即通過附加準(zhǔn)直透鏡與LED 光源相結(jié)合實現(xiàn)準(zhǔn)直光場分布，不僅增加系統(tǒng)體積，同時二次元件與LED 之間不可避免會存在空氣隙，從而帶來額外的反射損耗。為使LED 在封裝的同時實現(xiàn)準(zhǔn)直，需重新設(shè)計LED 芯片封裝時的樹脂透鏡：首先采用編程方式計算準(zhǔn)直透鏡的二維、三維模型，利用蒙特卡羅方法計算其光場分布，利用計算結(jié)果修正設(shè)計模型，待符合要求后制作相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡。利用直接準(zhǔn)直LED 光源的光場分布和采用傳統(tǒng)二次元件系統(tǒng)的光場分布比較，該準(zhǔn)直透鏡的出光效率達(dá)到88%，其亮度半高全角的理論值為9.6°，實測值為12.6°。這里實現(xiàn)了準(zhǔn)直LED 光源陣列的應(yīng)用效果。需要強調(diào)的是，此封裝結(jié)構(gòu)具有很強的可擴展性，能簡單組合構(gòu)成大面積陣列，滿足不同的應(yīng)用需求。
對于LED 的封裝，除了熱學(xué)處理、光學(xué)封裝設(shè)計之外，新型高轉(zhuǎn)換效率熒光粉材料、高熱導(dǎo)率低損耗封裝樹脂材料、穩(wěn)定有效驅(qū)動電源模塊等相關(guān)技術(shù)值得研究與探討。由于LED 光源與傳統(tǒng)光源在形貌上有很大差別，在外觀上如何為市場所接受，也是封裝需要解決的技術(shù)問題。
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