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三种紫外LED封装物料对比分析:谁最高效可靠?

2016-03-11 14:42
逆光飞舞
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   紫外LED具体积小、寿命长和效率高等优点,具有广泛的应用前景。目前紫外LED的发光功率不高,除了芯片制作水平的提高外,封装技术对LED的特性也有重要的影响。

  目前,紫外LED主要有环氧树脂封装和金属与玻璃透镜封装。前者主要应用于400nm左右的近紫外LED,但紫外光对材料的老化影响较大。后者主要应用于波长小于380nm的紫外LED,由于GaN和蓝宝石折射率分别为2.4和1.76,而气体折射率为1,较大的折射率差导致全反射对光的限制较为严重,封装后出光效率低。

  封装材料是LED封装技术的另一个重要方面。LED封装材料主要有玻璃透镜、环氧树脂和硅树脂等。石英玻璃软化点温度为1600℃,热加工温度为1700~2000℃,从工艺的角度,石英玻璃不适合用来密封LED芯片;环氧树脂高温耐热性能一般,耐紫外光性能较差;硅树脂是近几年开始应用于LED封装的材料,目前国内对硅树脂的透过率、耐热和耐紫外光特性研究较少,特别是对于硅树脂封装紫外LED的特性还缺乏研究。

  本文立足于波长小于380nm的紫外LED的封装技术,对不同封装材料的透过率、耐紫外光和耐热性进行了对比,进而提出高出光效率、高可靠性的紫外LED封装结构。

  实验

  采用的紫外光LED芯片峰值波长有395和375nm2种,分别由在碳化硅和蓝宝石衬底上外延生长GaN制备而成。在20mA注入电流下,碳化硅和蓝宝石衬底的LED芯片工作电压分别为3.8和3.4V。

  研究了石英玻璃、环氧树脂和硅树脂具有代表性的5种不同型号的封装材料。石英玻璃是厚度为2mm的JGS1型材料;环氧树脂A和B分别为双酚A型和脂环族环氧树脂;硅树脂A和B分别是弹性硅胶和树脂型硅胶。

  光功率和峰值波长系在杭州远方公司PMS-50增强型紫外-可见-近红外光谱分析系统上测量得到。光学透过率的测量系统如图1所示,单色仪为江苏维信科技公司的CM200型,灯源为天津拓普公司的GY-10高压球形氙灯,信号采集和处理系统采用的是远方公司的紫外-可见光分析系统。

  采用材料的光学透过率随时间的变化来评估其热稳定性。样品厚度为2mm,放置于烘箱中恒温老化,温度为150℃。

  紫外LED封装材料研究

  1、材料光学透过率特性

  石英玻璃、硅树脂和环氧树脂的透过率如图2所示。硅树脂和环氧树脂先注入模具,高温固化后脱模,形成厚度均匀为5mm的样品。为了便于比较,根据Bouguer-Lam-bert定律,把测量值都换算成mm-1厚度时的透过率。

  可以看到,环氧树脂在可见光范围具有很高的透过率,某些波长的透过率甚至超过了95%,但环氧树脂在紫外光范围的吸收损耗较大,波长小于380nm时,透过率迅速下降。硅树脂在可见光范围透过率接近92%,在紫外光范围内要稍低一些,但在320nm时仍然高于88%,表现出很好的紫外光透射性质;石英玻璃在可见光和紫外光范围的透过率都接近95%,是所有材料里面紫外光透过率最高的。

  对于紫外LED封装,石英玻璃具有最高的透过率,硅树脂次之,环氧树脂较差。然而尽管石英玻璃紫外光透过率高,但是其热加工温度高,并不适用于LED芯区的密封,因此在LED封装工艺中石英玻璃一般仅作为透镜材料使用。由于石英玻璃的耐紫外光辐射和耐热性能已经有很多报道,仅对常用于密封LED芯区的环氧树脂和硅树脂的耐紫外光辐射和耐热性能进行研究。

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