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大功率LED封装设计与制造的关键问题研究

刘宗源  
【摘要】: 基于大功率发光二极管(LED)的半导体照明被认为是取代传统照明光源的新型节能照明光源,正受到日益广泛的关注和研究。大功率LED封装技术是实现LED从芯片走向最终照明应用产品的关键环节,涉及光学、热学、电学、力学、材料、工艺和设备等诸多领域。作为一种光电器件,光学性能是衡量大功率LED封装技术的最直接的指标,关系到LED是否节能,是否具有替代传统光源的高品质照明效果。因此,利用仿真设计优化封装结构,提高LED的光学性能正成为目前研究的热点。封装结构的优化设计与封装制造工艺相关,解决现有封装工艺中的关键问题并利用优化的封装结构,开发新的工艺方法,对于实现LED的高光学性能至关重要。本文围绕大功率LED封装的光学仿真设计和制造工艺中的若干关键问题进行了研究并取得了以下成果: 对大功率LED芯片中各层材料的光学参数进行了系统的分析和总结,将粗糙表面引起的光散射引入芯片的光学建模,通过裸芯片和封装后芯片的仿真结果与实验结果的比较,确定了LED芯片的精确光学模型和相应的仿真计算方法,将芯片的取光效率和光强分布的模拟准确度提高到95%以上。同时,对于表面粗化的LED芯片的仿真模型进行了探索性研究,解决了表面粗化芯片的光学建模问题。 将Mie散射理论用于YAG荧光粉的光散射和吸收特性的理论计算,开发了用于荧光粉光散射和吸收特性的双积分球测试系统,制备了厚度均匀的荧光粉薄膜并对其进行了光学测试,然后将理论计算结果和光学测试结果进行了对比验证,通过光线追迹方法对理论计算结果进行了修正,并提出了适用于白光LED的荧光粉光学参数的修正Mie计算方法,最后利用Mie理论对不同形貌的荧光粉的光散射和吸收特性进行了探索性研究。 基于芯片的精确光学模型和荧光粉的准确光学参数,开发出适用于大功率白光LED的封装仿真方法,并通过实验验证了该仿真方法在预测白光LED的光色性能时的准确度,模拟准确度高于95%。在此基础上,将具有滤光特性的干涉滤光片引入LED的封装结构中,利用干涉滤光片的选择性透光和反射效果,设计出一种利用负透镜表面镀膜,提高白光LED取光效率的新型封装结构。 基于开发的LED封装仿真方法,对大功率LED封装工艺中的关键工艺-荧光粉涂敷工艺进行了系统的光学仿真研究,发现了不同荧光粉涂敷方法对白光LED光色性能的影响机制,通过对比,发现保形涂敷方法的空间颜色均匀度很高,但是在取光效率、产品一致性上较差,采用半球形远离式涂敷方法不仅可以有效的改善取光效率和产品一致性,同时也能实现空间颜色十分均匀的白光。 对大功率白光LED封装工艺流程中的若干重要问题进行了细致剖析,规范了工艺流程中的若干关键步骤的注意事项,然后对传统的点胶涂敷法的工艺参数进行了实验研究,发现了荧光粉形状对白光LED光色性能的影响机制,并通过对比得到了优化的荧光粉形状的参数。最后,基于荧光粉涂敷方法的仿真结果,开发了用于半球形荧光粉薄膜制备的注胶成型法,通过实验对比发现,半球形荧光粉可以显著的改善白光LED的空间颜色均匀性,相比传统的点胶涂敷法,改善幅度可以达到40%以上。


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