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夜视设备用大功率红外发光二极管的封装设计

2009-03-09 11:00
Timeless落尘
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        3月9日消息, 近年来红外夜视摄像机得到飞速的发展,被广泛应用于安防各界,有效地弥补了夜间监控的不足。采用红外光源作为夜间照明光源,有两个优点:一是隐蔽性好;二是不会干扰附近居民的生活。现在市面上销售的红外夜视摄像机都是采用红外发光二极管作为主动红外光源,采用红外发光二极管具有体积小,寿命长,性能稳定等优点。红外器件性能的好坏直接影响到摄像机的夜视效果。在实际的使用过程中不仅要选择性能好的,更要选择合适的器件,配合使用恰当的散热方式,才能达到最优的效果。

    1、红外器件在夜视摄像机上的应用

         夜视摄像机效果的好坏不仅和红外光源有关,还跟CCD镜头的选取,以及使用条件相关。所以在使用中,建议选取合适的器件。一般来说同样功率件发光器件的发光角度越小,其照射距离越大,而照射范围会相应的减少。同样的角度,红外发光器件功率越大,照射距离也越远。随着这几年器件封装技术的发展,红外器件有了长足的进步,目前红外发光二极管主要分为以下几类:1、普通直插式红外发光二极管,主要用于小范围、短距离红外照射,在应用中需要采用多个器件连接在一起才能达到较好的照射效果; 2、多芯片阵列型红外发光二极管,由于把多个芯片集合在一起,能量大、照射距离相对较远,但加上制作工艺复杂,成品率难于提高等问题限制了它的发展;3、大功率红外发光二极管,其优点是辐射功率大,小角度器件照射范围远,但由于输入功率较大,所以发热量也相对较大,需要合适的导热设计和配套的散热结构。

        深圳成光兴是一家提供红外封装器件的专业厂家,公司致力于红外器件封装方式的研发,推出多款改进型封装方式,有效地提高了现有产品的散热效果。本文介绍一款大功率红外发光二极管(Infrared Light Emitting Diodes,Infrared LED)其主要应用在远距离夜视摄像机上。测量数据显示,该新型大功率红外器件不仅具有较好的辐射效率,还具有非常好的照射效果。

    2、红外发光二极管原理

        近红外发光二级管一般由禁带宽度大约在1.5eV左右的化合物半导体制成(常用GaAs、AlGaAs),外加正向偏压向PN结注入载流子,载流子在有源区复合并将多余的能量以红外辐射的形式放出。近红外发光器件波长分布为0.76~3微米、半峰带宽约40nm左右,属于窄带分布。在实际应用中一般选用 850nm的器件作为红外摄像头的夜视照射光源,940nm及更长波长的器件主要用在光控或遥控方面。

         红外发光二极管的发射功率用辐照度表示。一般来说,其红外辐射功率与正向工作电流成正比,但在接近正向电流的最大额定值时,器件的温度因电流的热耗而上升,不仅使器件的辐射功率下降,还会影响其寿命,甚至使烧毁,所以红外发光二极管的热耗是设计和使用时应注意的问题。红外发光二极管工作电流对工作电压十分敏感,正向导通时,电流会随电压的增长呈指数关系增长。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方,并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小,辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角,不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。

    3、器件结构及主要参数

        本文设计的大功率红外器件封装方式,源于一款白光器件的封装形式,之前的封装形式由于是针对白光多芯片产品,所以有较多的引脚。在用作红外器件封装时,多个引脚不仅不能有效利用,且增加了焊接时的用锡量和焊接时间,并没有增加器件散热部件和PCB板的有效接触面积。深圳成光兴的研究人员针对红外芯片的特点,提出改进型大功率器件的封装方式,不仅有效增大了器件的散热面积,还改进了引脚结构使之完全适用于红外器件。

        大功率红外发光二极管结构如图1、图2,该封装结构主要包括三部分:(1)金属支架,该器件的芯片直接放置于金属支架上,支架的材质为铜,表面覆银,铜的热导率为407W/(m.k)有效地满足了大功率芯片的导热要求。在支架金属块的中心位置形成一个可聚光且外表光滑的反光杯,对芯片发出的红外辐射进行初步汇聚。支架金属块两侧各延伸出两条薄片状引脚与放置芯片的金属块连接的薄片状引脚宽度要宽于另一边;(2)胶体,该大功率封装使用环氧树脂对芯片进行机械保护、应力释放,并制成透镜形状,对芯片发出的红外辐射进行初次光学修正。(3)芯片,芯片是器件的核心部件,我们这款大功率红外发光二极管采用台湾光磊科技的大功率红外芯片。整个芯片的表面积为585μm×585μm,厚度是180μm,有效发光面积为540μm×540μm,在P型面使用金电极并采用米字型结构,这种结构有利于获得均匀的电流分布,提高芯片发光强度的一致性。

        我们所设计的器件的主要优点有:(1)采用台湾光磊科技的优质芯片,光磊科技位于台湾新竹科学工业园区。拥有二十多年的生产经验和技术积累,是目前全球光电半导体元件的技术领先者,其产品具有一致性好,参数稳定,抗冲击等优点;(2)支架金属块上,下位置靠上边缘80%左右的位置断开一间隙与胶体结合,增加了结合的面积,使其固定性得到优化,且该反光杯结构有利于得到好的光斑;(3)支架金属块的散热面积较大,可与其它散热材料有较大面积地接触,故具有极好的散热效果;(4)引脚采用表贴结构,既易于安装,也便于使用时通过片状引脚进行散热。

        实验测量表明:设计的大功率红外器件在外接散热片时,其典型输入功率为0.5mW,最大输入功率可达2W,最大电光转换效率为37.82%,高于普通器件的32.48%,最大辐射功率达到415.25mW,同样远高于普通器件的最大辐射强度68.65mW。

        4、大功率器件的应用

        大功率器件不仅可以承受更高的电流、发出更多的辐射,而且由于大功率芯片采用更先进的结构和更好的材料,大功率红外发光二极管的电光转换效率要明显高于普通红外发光二极管。在使用中随着电流的增大,电光转换效率将有一个最大值,在这之后就会随着电流的增大电光转换效率不断下降。所以在实际应用中,器件两端所加电流一定要在一个合适的使用范围内,超过这个范围,其电光转换效率就有一个较大的衰减。

        散热结构的设计对器件性能的发挥同样有着重要的影响,同样的器件,在不同的散热条件下,其性能有很大的差别。如果器件产生的热量不能及时导出,将会使得器件的温度急剧上升,温度上升会带来以下几个方面的问题:1)发光效率的降低,在室温附近温度每上升一度发光效率会下降1%;2)波长的改变,温度每提升1 度,波长会发生0.2nm~0.3nm的迁移;3)使用寿命的减少,在高温条件下,器件更容易老化;4)内部热应力变大,容易导致器件因应力失效,所以大功率器件在实际使用的过程中,务必要使用合适的散热结构。在设计散热结构的过程中要遵循以下2个原则:1)散热通道传热能力的一致性,从芯片到最终的散热部件之间有多种材料,这些材料构成散热通道,要求这些材料都有较好的导热性,否则会形成为散热通道的瓶颈,严重影响器件的散热效果。2)散热面积要尽可能的大,这样有利于把导出的热量及时散发出去。

    5、总结

        深圳成光兴实业有限公司,其最近推出的一款采用金属支架直接导热的大功率红外器件,通过改进引脚结构,使之完全适用于红外芯片封装,并增加支架粘芯片位置的金属厚度和尺寸,有效提高了散热效果,降低了封装热阻。通过进一步的实验测量,证明了散热性能的好坏对器件性能的发挥有着重要的影响,同时测得该大功率红外发光二极管多项参数都要明显优于普通红外发光二极管。

(编辑:曾聪)

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