新型全周光LED器件的制备与研究

第 1 章 绪论

1.1 引言
LED（Light Emitting Diode）照明技术是一种高效的新型现代发光照明技术。因其具有绿色环保、光响应速度快、光效高、光色纯、重量轻、体积小、抗机械振动以及冲击等一系列优势，并且已经在交通、照明、汽车、显示等多个领域得到了广泛的运用[1]。和普通白炽灯比，白光 LED 照明可以节约 80%以上的电能，与荧光灯相比，可节约 50%左右的电能，并且使用寿命为 8～10 万个小时，是白炽灯的 30 倍以上，是荧光灯的 10 倍以上[2~3]。随着市场需求的不断变化以及 LED 芯片制备技术和 LED 封装技术的不断进步，LED 封装向着小型化、高可靠性以及高光效、多芯片集成化的方向发展的趋势越来越明显[4~5]。
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1.2 LED 概述

1.2.1 LED 发光原理
LED 是一种半导体二极管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN（氮化镓）、GaAsP(磷砷化镓)、AlGaInN（氮化铝镓铟）等半导体材料制成[7]，其主要结构为 PN 结。因此，LED 具有所有 PN 结所共有的 I-V 伏安特性，即正向导通、反向截止和击穿特性[8]。当在 LED 芯片两端的外加正向偏压达到其开启电压时,此时流过 LED 芯片中的 PN 结的电流就会迅速增大，这时便体现为 LED 的正向导通性。当 LED 电压反向偏置时，通过 LED 芯片 PN结的反向电流极小可以忽略不计，此时的 LED 处于不发光状态，这便体现为LED 的反向截止性。而当 LED 芯片两端的反向电压逐渐增大超过阈值时，LED 芯片就会被击穿，此时 LED 芯片表现为流经内部 PN 结的电流随电压的升高而呈指数性增加，这是便体现为 LED 的反向击穿性。除了上述半导体的所共有三个伏安特性外，LED 还具有电致发光特性，即当向 LED 施加正向电压，其内的 PN 结区的势垒便会随之降低，这便使得在PN 结区内有大量少数非平衡载流子注入，从而提高了 PN 结区内的电子-空穴对复合几率，进而使得电子-空穴对的带间跃迁复合来辐射发光[9~10]。如图 1.1所示为 LED 发光原理图。在不施加正向偏压的情况下，由于 PN 结内建电场的作用下，LED 器件中的 P 型层存在的迁移率较低的空穴以及 N 型层存在的迁移率较高的电子发生复合的几率极低。当 PN 结通入正向偏压时，这时的少数非平衡载流子大量注入 PN 结内，PN 结区内的势垒降低使得多数载流子与注入的少数非平衡载流子不断发生复合，最终以光子的形式将多余的能量释放出来，进而达到电能转换成为光能的目的。这种现象的产生就需要在外加正向偏压作用下，激发大量少数非平衡载流子的注入，电子-空穴对大量复合，最终实现由电能直接转变为光能的能量转换过程。反之，当在 LED 芯片两端施加反向偏压，这时的少数载流子便难以注入 PN 结中发生复合，因而不产生光子。当LED 芯片通入正向偏压时，电流从芯片的阳极部分流向阴极部分，半导体晶体会产生不同种颜色的光线，从紫外线到红外线，产生的光从暗到亮都与流经LED 中 PN 结区的电流大小有关。空穴与电子之间的带隙宽度越大，所产生光子所具有的能量便也随之越大。由于材料自身不同，其所具有的带隙宽度便也不同，因此选用不同带隙宽度的材料，就能制作出激发不同光谱的 LED[11~12]。
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第 2 章 实验方法

2.1 材料的选择
基体材料：选用硬度高，透光度较好，导热性能良好的玻璃支架、陶瓷支架和蓝宝石支架。灯丝两边的电极材料选择在表面镀镍的铜材料。芯片：LED 芯片选用的是小功率 1020 型号蓝光芯片（由三安光电股份有限公司提供）。该芯片的峰值波长为 450 nm，工作电压 3V。图 2.1 为 1020 芯片的结构示意图。硅胶：选用惠州杰果电子科技有限公司生产的 6048 型灯丝成型胶。荧光粉：选用美国英特美公司的 R6436 型红色荧光粉，EG2762 型绿色荧光粉和 YAG-04 型黄色荧光粉。具体参数见下表 2.1。荧光粉的发射光谱图见下图 2.2、图 2.3 及图 2.4。
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2.2 实验流程
将待清洗的支架放入超声波清洗机中清洗，其目的是在于将支架表面残留的化学物质及附着在其上的杂质异物除去。如果没有清洗，可能会导致在固晶烘烤后，芯片从基板上脱落造成死灯，也有可能在压焊环节上，造成虚焊及漏电等异常情况。因此，支架的清洗是十分重要的。将荧光粉粉末同粘结剂混合制成膏状混合物，将该混合物按照一定的排布与形状涂布于 LED 灯丝基板表面，并将其放入烘箱高温固化，高温烘烤 1.5h后从烘箱中取出，得到所需的底部荧光粉层的基板。固晶指的就是通过胶体把 LED 芯片按照既定的排布依次粘接在基板上的过程。固晶胶通常分为导热性能较好，但透光度较差的银胶以及透光度较好，但导热性能较差的绝缘胶两种。考虑到本实验对全周光性能的要求，实验所采用的固晶胶为透光度较高的绝缘胶。将绝缘胶从低温冷冻状态下取出，放置于防潮干燥箱中密封解冻。这样做的好处是可以降低固晶胶受潮气以及凝结水滴的可能性。解冻时间以 30min 为宜。此外，在解冻过程中不应搅拌绝缘胶，以免造成空气、水气等杂质拌入固晶胶。点胶胶量要适中，不能多于芯片高度的 1/2，也不能少于芯片高度的1/4，以芯片高度的 1/3 为宜。绝缘胶的胶量不宜太少，因为这样会造成 LED芯片粘接不牢，增加摆动的可能性；相反，绝缘胶的胶量如果过多，会导致胶体不易烘干，污染芯片电极。
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第 3 章 新型全周光 LED 器件性能研究....22
3.1 引言 ..........22
3.2 实验内容 ......22
3.3 实验结果与分析 .......22
3.4 本章小结 ......31
第 4 章 新型全周光 LED 器件同传统型结构的对比........32
4.1 引言 ..........32
4.2 实验内容 ......32
4.3 实验结果分析和讨论 ..........32
4.3.1 不同结构对光通量的影响 ........32
4.3.2 不同结构的散热研究 .....33
4.3.3 不同结构的老化研究 .....34
4.4 本章小结 ......35

第 4 章 新型全周光 LED 器件同传统型结构的对比

4.1 引言
LED 灯丝具有高光效、高电压、光照角度大、无眩光、高显色指数等优点，获得国内外广泛关注。随着 LED 封装技术的不断改良与进步，人们对于LED 灯丝在光品质与可靠性等方面提出了更高的要求。本章制备了新型全周光结构、硅胶全包覆传统型结构以及上下硅胶包覆结构的三种不同结构的 LED 灯丝，测量其基板下表面温度，测试各时间段的光电参数，用以研究其老化特性。

4.2 实验内容
实验采用新型全周光结构、硅胶全包覆传统型结构以及上下硅胶包覆传统型结构三种不同结构的 LED 灯丝对比老化。样品按顺序编号依次为 A、B、C三个系列。从中选取色温在 3000K 以下，荧光粉总量占硅胶总量为 15%的LED 灯丝。LED 灯丝均是用 22 颗三安 1020 型芯片组成。老化和温度测试均是采用 15mA 电流，通过测试每根样品的光电参数，灯丝内部温度以及 500h 光衰老化三个方面对比三种灯丝在光品质、光效、散热等特性上的差异对比来表征优劣。为了减小相对误差，每组实验的每组灯丝都采用了 5 个样品，，选用平均值来表征每组灯丝样品的光电参数以及温度。

结 论

本文通过直接在基板上的底层荧光粉层上面固晶焊线的方式，制备了新型结构的 LED 灯丝器件，并研究了不同底部荧光粉层厚度下，不同基板材料，底层掺杂不同浓度 Al2O3粉末以及不同电流下对灯丝器件光学性能的影响。并且通过对比研究相同老化实验条件下不同种结构对 LED 灯丝光衰的影响。得出以下结论：
（1）不同底层厚度会对新型结构 LED 灯丝的光学性能产生影响。当底层厚度为 0.04 mm 时，LED 灯丝器件的光学性能会达到一个相对最佳值。
（2）在透明基板材料的选择中，以蓝宝石作为基板材料的 LED 灯丝，随着电流的增大，其光效下降较玻璃及陶瓷慢。因此，蓝宝石作为新型结构 LED灯丝的基板效果最佳。
（3）不同浓度的 Al2O3粉末掺入底层制成 LED 灯丝。当 Al2O3粉末占荧光粉总质量分数的 30%时，新型结构的 LED 灯丝初始光通量最高。
（4）在低色温新型 LED 全周光器件两端通正向驱动电压，器件的色温、色坐标、光效以及光通量均会随着电流的变化而产生变化。随着正向电流的不断加大，色温会不断加大，不断偏移减小，显色指数基本保持不变。光通量会随着电流的增大而增大，达到峰值后又会随着电流的增大而减小。此外，光效是会随着电流的增大一直减小。
（5）新型结构的 LED 灯丝散热性能要优于传统型 LED 灯丝。并且随着老化时间的增加，新型结构的 LED 灯丝光衰表现较好。因此，在通较大电流下，新型全周光结构的 LED 灯丝的寿命是要优于传统型结构。
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参考文献（略）