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為什么LED封裝需要使用高折射率陶瓷材料?

日期：2021-12-28 瀏覽次數(shù)：次

都說LED（半導(dǎo)體發(fā)光二極管）是繼火、白熾燈、熒光燈后人類照明的第四次革命，其發(fā)光效率是白熾燈的10倍，同時(shí)壽命長(zhǎng)達(dá)10000h，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)。得益于其各種優(yōu)秀品質(zhì)，LED受到了許多領(lǐng)域的青睞，從應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)細(xì)分上看，LED的應(yīng)用主要有顯示屏、照明、背光等三大子市場(chǎng)。

為什么LED封裝需要使用高折射率陶瓷材料?

高功率LED

顯然，亮度和壽命是LED的殺手锏。但是要真正發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)，LED的取光效率一定要跟上，而決定LED取光效率的其中一個(gè)重要部分，就是LED的封裝材料。

LED封裝的意義

LED封裝是指發(fā)光芯片的封裝。LED封裝相比集成電路封裝有較大不同——一般來說，封裝的功能在于提供芯片足夠的保護(hù)，防止芯片在空氣中長(zhǎng)期暴露或機(jī)械損傷而失效，以提高芯片的穩(wěn)定性；對(duì)于LED封裝，還需要具有良好光取出效率和良好的散熱性，好的封裝可以讓LED具備更好的發(fā)光效率和散熱環(huán)境，進(jìn)而提升LED的壽命。所以LED的封裝對(duì)封裝材料有特殊的要求。

為什么LED封裝需要使用高折射率陶瓷材料?

LED結(jié)構(gòu)

LED封裝材料有什么講究？

目前隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，二極管芯片內(nèi)部發(fā)光效率已達(dá)90% 以上，不過礙于構(gòu)裝形式和封裝材料影響， LED最終外部取光效率少于20%，因此其所使用的封裝材料一直是近年來的研究重點(diǎn)。

造成外部取光效率低的原因，主要?dú)w咎于半導(dǎo)體芯片與透明封裝材料折射率差異過大，一般來說，當(dāng)前常用于白光LED的芯片有GaN (n = 2.5) 與GaP (n = 3.45)兩種，其折射率均遠(yuǎn)高于目前泛用的環(huán)氧樹脂或硅氧烷樹脂封裝材料(n = 1.40~1.53)。

根據(jù)Snell’s定律，當(dāng)光從高折射率（光密介質(zhì)）材料進(jìn)入低折射率（光疏介質(zhì)）介質(zhì)時(shí)，其入射角比臨界角大，光會(huì)停止進(jìn)入另一介質(zhì)，光波不再產(chǎn)生折射，而將全部反射回高折射率介質(zhì)中，此現(xiàn)象稱為全反射。而這些被局限的光將被構(gòu)裝材料所吸收而產(chǎn)生大量之熱量，促使LED效能與壽命降低。

為什么LED封裝需要使用高折射率陶瓷材料?

LED芯片對(duì)于封裝材的折射率

所以，為了提高LED產(chǎn)品封裝的取光效率，必須提高封裝材料的折射率，以提高產(chǎn)品的臨界角，減少全內(nèi)反射的發(fā)生，從而提高產(chǎn)品的封裝發(fā)光效率，對(duì)LED 亮度的提升十分有幫助。

如何提高封裝材料的折射率？

提高封裝材料折射率，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是基體材料的選擇，二是往里添加的高折射率透明陶瓷材料。它們都能起到提高取光效率、增加封裝材料的導(dǎo)熱性能、延長(zhǎng)元件壽命的作用。

1.基體材料的選擇

在國(guó)內(nèi)，環(huán)氧樹脂是使用最多的封裝材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能，密著性、介電性能、透明、粘結(jié)性好，固化主要依靠開環(huán)加成聚合，收縮率低，貯存穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但它固化后交聯(lián)密度高，內(nèi)應(yīng)力大，脆性大，耐沖擊性差，使用溫度一般不超過150℃，故其應(yīng)用受到一定限制。

目前許多LED封裝企業(yè)改用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂作為封裝材料，以提高LED的壽命。硅樹脂材料抗熱和抗紫外線能力更強(qiáng)，而且環(huán)氧樹脂相比具有更好的透明度，在紫外光區(qū)有大于95%的透過率。而且有機(jī)聚硅氧烷可以實(shí)現(xiàn)較高的折射率，因?yàn)樗?/span>的有機(jī)基團(tuán)R可以是含硫、苯、酚、環(huán)氧基等高折射率的基體。

2.陶瓷材料的添加

解決LED 封裝提升樹脂折射率的另一途徑，就是將一些高折射率的納米粉體添加入樹脂中。常見的高折射納米粉體有二氧化鈦(TiO₂)、二氧化鋯(ZrO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)和氧化鋅(ZnO)等。

為什么LED封裝需要使用高折射率陶瓷材料?

二氧化鈦粉體

不過當(dāng)有機(jī)/無機(jī)材料混合時(shí)，必須要考慮納米粉體所產(chǎn)生的瑞利散射(Rayleigh Scattering)現(xiàn)象而造成穿透度下降，因此需要謹(jǐn)慎選擇納米粉體的粒徑大小，最好小于可見光波長(zhǎng)十分之一（一般<25 nm），以避免Rayleigh 散射。另外，高含量納米粉體容易造成粉體聚集使得封裝材料透明度降低，所以粉體必須做表面改性/修飾獲得親樹脂特性，以防止粒子之間產(chǎn)生嚴(yán)重的聚集。