利用纳米银烧结工艺制备大功率LED，重点探究了纳米银键合层的界面热阻及器件发光性能。通过将纳米银膏在不同温度下烧结，系统地研究了烧结温度对纳米银烧结后电阻率及接头剪切强度的影响，并分析了烧结后银膏的晶体结构及接头断口微观形貌。结果表明，接头键合强度和银膜导电率均随纳米银烧结温度的升高而增大。实验中还对比分析了纳米银烧结LED和传统锡银铜（SAC305）焊膏封装LED的界面热阻、结温以及发光性能。与纳米银烧结LED样品相比，传统焊膏封装LED的界面热阻和结温分别提高了8.9%和29.6%，说明纳米银键合层拥有更好的导热性并可及时为芯片散热降温。此外，通过高温老化实验，深入探讨了不同焊膏烧结LED的界面热阻及发光效率变化。实验表明，经过100 ℃下点亮500 h，纳米银和传统焊膏烧结LED样品的总热阻分别增大了0.03 K/W和4.28 K/W，但纳米银键合层界面热阻比老化前有所降低，同时纳米银烧结LED样品在不同电流下的发光效率始终高于传统焊膏封装LED样品。

采用高温真空烧结技术制备了0.5% Ce∶Y3Al5O12(简称Ce∶YAG)透明荧光陶瓷,在透射模式下分别采用大功率蓝光发光二极管(LED)芯片(3.2 V×0.3 A)激发和LD蓝光光源(0.8 W,1.6 W)激发,系统研究了陶瓷厚度(0.3~2.3 mm)和表面粗糙度(322.86 nm,9.79 nm)等对照明原型器件的色温、显色指数和光电转换效率等发光性能的影响。结果表明,陶瓷表面有一定粗糙度可使原型器件的发光性能整体提高,其中用粗糙度为322.86 nm的 Ce∶YAG透明陶瓷组装的原型器件分别获得了93.6 lm/W(蓝光LED激发)和178.5 lm/W(蓝光LD激发)的高光电转换效率。研究表明,通过调节Ce∶YAG透明陶瓷的厚度和表面状态,可有效提升高功率密度固态照明器件的发光性能。

LED芯片作为LED光源的核心, 其质量直接决定了器件的性能、 寿命等, 因此在内量子效率已达到高水平的情况下, 致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。 由于蓝宝石衬底具有绝缘特性, 传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧, 而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失, 为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应, 本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡（ITO）透明导电层和p-GaN之间插入SiO2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED, 并与无CBL结构的大功率LED相比较。 对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压, 辐射通量, 主波长等裸芯性能测试, 结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V, 而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升, 这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散, 减少流向有源区的电流密度, 故减小了P电极对光的吸收和遮挡, 且电流通过CBL引导至远离P电极的区域, 缓解了电极周围的电流拥挤。 对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装, 并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试, 得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。 结果表明随着电流增加, 两种器件的光谱曲线均发生蓝移, 且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm, 可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小, 因此其显色性能更为稳定。 而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大, 随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。 在大电流条件下, 无CBL结构的LED结温更高, 正向电压更低, 随电流的增大二者之间的电压差增大。 在25 ℃的环境温度, 350 mA工作电流下, 加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V, 但器件光功率最高提升了9.96%, 且热阻明显小于无CBL结构器件, 说明有CBL结构LED产热更少。 因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率, 并使其光谱漂移更小, 显色性能更为稳定。

大功率LED照明的需求越来越大,但随着蓝光 LED 芯片功率的不断上升,散热和光衰减等问题也愈发显现出来。为探索大功率LED特种照明,基于阵列蓝光LED激发Ce∶YAG荧光晶体,采用创新的结构装置,在小面积端面输出高流明密度的光。研究影响LED出光的因素、不同掺杂浓度(物质的量浓度)晶棒对于蓝光的吸收、大功率LED激发不同Ce离子掺杂浓度晶棒的出光效果、晶棒端面处理情况对于出光的影响等。结果表明,利用氮化铝制成的基板满足大功率LED的散热需求,掺杂浓度为0.8%的晶棒出光光通量更高,对晶棒端面进行处理可大幅提升出光光通量。实验装置可输出6000 lm以上的光通量,流明密度高达1640 lm/mm 2,可应用于中高亮度照明设备中。

为了研究采用微槽群复合相变换热技术的大功率太阳花散热器多角度投光的方向效应及综合散热性能, 实验研究了散热器高度、功率以及采用微槽群复合相变换热技术后的过余温度、平均对流换热系数随出光倾角的变化规律, 并获得了出光倾角的Ra与Nu关联式。研究结果表明: 出光倾角小于90°时, 微槽群散热器热源过余温度大幅低于型材散热器, 在高度为90 mm, 出光倾角为30°, 输入功率为80,100,120,200 W时热源温度分别降低了11.6,13.3,18.9,26.7 K, 呈现出功率越大降幅越大的趋势; 出光倾角大于90°时, 微槽群散热器热源过余温度略高于型材散热器, 原因是微槽群散热器内部的真空环境影响散热器的均温性; 输入功率越高, 方向效应越明显; 散热器高度越低, 平均对流换热系数越大, 对比高度60 mm与高度90 mm, 在出光倾角为0°时, 功率为80,100,120 W时分别提高了27.5%、23.8%和24.2%。因此, 设计LED灯具散热器时应综合考虑散热器的方向效应。

为了改善蓝光大功率LED芯片p电极处的电流拥挤现象, 提高大功率LED芯片的外量子效率, 在ITO透明导电层与p-GaN间沉积插指型SiO2电流阻挡层。采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积SiO2薄膜, 再经过光刻和BOE湿法刻蚀技术制备插指型SiO2电流阻挡层。采用SimuLED仿真软件分析插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片电流扩展性能的影响, 研究插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片外量子效率的影响。结果发现, 插指型SiO2电流阻挡层结构可以有效改善p电极附近的电流拥挤现象。与没有沉积插指型SiO2电流阻挡层的大功率LED芯片相比, 光输出功率得到显著的提高。在350 mA的输入电流下, 沉积插指型SiO2电流阻挡层后的大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。

为构造大功率LED激发Cy3/Cy5荧光染料的均匀面照明系统,选择单芯大功率LED芯片PT54TE设计了红绿双通道匀光照明阵列。首先通过分析单芯大功率LED芯片PT54TE辐射强度的分布,建立大功率LED环形照明阵列的模型;然后为提高光线利用率,在LED外侧建立柱面镜反射结构,并通过斯派罗法则求解该结构的参数;最后由Tracepro仿真验证。研究表明,分别由4颗红/绿PT54TE构成的环形阵列在目标平面(30 mm×30 mm)内的光照均匀度大于95.4%,光通量大于700 lm,比未配置柱面镜反射结构的环形阵列的光通量至少提高了52.5%。

介绍了一种加速老化试验模型对LED模块进行寿命预测。分别采用纳米银焊膏、锡银铜焊料、导电银胶作为芯片粘结材料。控制环境温度和正向电流, 在特定的时间测量光输出。比较了不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响, 并针对老化过程进行分析推导, 建立老化数学模型, 对其进行寿命预测。试验结果表明, 纳米银焊膏粘接的模块对温度的抗性最好, 纳米银焊膏有潜力在未来固态照明、投影和其他高功率器件领域得到应用。

为了研究荧光粉发热对大功率LED器件热特性的影响, 设计了五种不同荧光粉涂敷方式的大功率LED器件, 利用ANSYS软件建立热力学模型进行仿真。将模拟与实测结果进行比较, 结果表明, 铝基板底部的实测温度、透镜顶部的实测温度、芯片的计算结温与加荧光粉热载荷的模拟温度更相近, 不加荧光粉热载荷条件下的模拟温度要低于加荧光粉热载荷的模拟温度和实测温度, 并且荧光粉涂敷的量以及涂敷的方式对芯片结温、铝基板底部温度、透镜顶部温度都有影响。