李相劍，李華禎，鄭改革，陳玉林，張成義

(南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044)

發(fā)光二極管(簡稱LED)是一類電致發(fā)光的固體器件，它可直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，其結(jié)構(gòu)主要由芯片、導(dǎo)線、支架、導(dǎo)電膠、封裝材料和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。其具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、輕便、壽命長等優(yōu)點，被譽為21世紀(jì)新光源［1-2］。隨著功率型LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，對LED小型化、高功率化的要求越來越迫切，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED器件的技術(shù)關(guān)鍵。LED封裝的主要任務(wù)是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時保護(hù)好LED芯片，并起到提高取光效率的作用?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，封裝材料是影響LED性能和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

功率型LED器件使用的封裝材料要求折射率高于1.5，透光率不低于98%(波長為400～800 nm，樣品厚度為1 mm)。目前，封裝材料主要有環(huán)氧樹脂、有機硅、聚碳酸酯、玻璃、聚甲基丙烯酸酯等高透明度材料。作為LED封裝材料，關(guān)注的材料特性主要集中在兩個方面:一是材料的熱膨脹系數(shù)，二是材料的導(dǎo)熱率。從熱膨脹系數(shù)來看，最合適的LED封裝材料應(yīng)該是陶瓷材料;從導(dǎo)熱率來看，銅應(yīng)該是最合適的封裝材料。但任何產(chǎn)品的制造都有成本的要求，從材料的價格和制造成本而言，鋁無疑是最便宜的，銅次之，陶瓷材料最高。所以，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的封裝材料是鋁和銅［3］。LED封裝材料在封裝的過程中由于熱膨脹的緣故會產(chǎn)生應(yīng)力，將對LED的發(fā)光效能產(chǎn)生影響，因此封裝材料對使LED發(fā)揮最大的效能影響很大。本實驗通過自行設(shè)計的膨脹系數(shù)測量系統(tǒng)，利用邁克爾遜干涉儀測量溫度變化所產(chǎn)生的位移以決定膨脹系數(shù)，進(jìn)而研究封裝材料制備條件與其熱膨脹系數(shù)間的關(guān)系，以提高LED效率與壽命。

1 樣品制備

(1)在800 r/min的攪拌速率條件下，將質(zhì)量比為1∶1的鈦酸丁酯和無水乙醇的混合液緩慢加入到鹽酸水溶液中，在50℃條件下水解、聚合并陳化10小時，獲得溶膠經(jīng)高速離心(離心速率為5 000 r/min)后，解膠分散于無水乙醇中，制備得到富含羥基的二氧化鈦功能溶膠;

(2)將有機硅單體混合物加入到步驟:得到的富含羥基的二氧化鈦功能溶膠中，添加酸催化劑調(diào)節(jié)pH值到5，在500 r/min的攪拌速率以及50℃條件下反應(yīng)6 h，將溶劑蒸發(fā)去除，獲得最終樣品，即二氧化鈦/有機硅復(fù)合的LED封裝材料。

2 邁克爾遜干涉儀測量微小位移的原理

邁克爾遜干涉儀是一種典型的用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器［4-7］。它可用來觀察相當(dāng)薄膜干涉的許多干涉現(xiàn)象，研究光源的時間相干性，進(jìn)行各種精密的測量。邁克耳遜光路原理見圖1。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

實驗采用氦氖激光器為光源。M1、M2是兩塊互相垂直的平面反射鏡，放置在相互垂直的兩臂上。M1是固定的，M2在精密螺紋桿控制下可沿滑道移動，移動的距離可以由刻度盤讀出。G1、G2為相互平行的平面玻璃板，G1稱為分光板，在其一個表面鍍有半反射半透射的金屬膜L，使照在G1上的光，一半反射，一半透射，反射光和透射光的光強近于相等;G2稱為補償板，用于補償光束②在G1板中往返兩次所多走的光程。由光源S發(fā)出一束光，在L處分成透射光束①和反射光束②，這兩束光的光強近似相等。光束①經(jīng)G2到M1后，反射回來經(jīng)G2射到半透膜L上，再反射到觀察屏P;光束②經(jīng)半透膜L反射后，到M2后又反射到半透膜L上，再經(jīng)透射到觀察屏P，由于滿足光的相干條件，這兩束光在屏上相遇就形成干涉條紋。M'1是在G1中看到的M1的虛像，在光學(xué)上，認(rèn)為干涉就發(fā)生在M'1與M2之間厚度為d的空氣膜上。

若用擴束光源(提供不同入射角的光源，即在S與G1之間加上一擴束鏡)照射，當(dāng)M1//M'2(即M1⊥M2)時，對于與M2的法線和M'1的法線夾角皆為θ的入射角，經(jīng)M'1與M2反射后成為平行的兩束光(1)和(2)，它們的光程差為Δ=2dcosθ。其中d為M'1與M2間空氣膜的厚度，在屏P上可以觀察到明暗相間的同心圓環(huán)，每一個圓環(huán)對應(yīng)一恒定的傾角，稱這種干涉為等傾干涉。觀察這些同心圓環(huán)的圓心處，此處Δ=2d，θ=0，由干涉條紋的明暗條件

可知，干涉條紋圓心處的級數(shù)最高，并且移動M2(即d發(fā)生變化)時，中心處條紋級數(shù)隨之變化，可觀察到條紋由中心“冒出”或“縮入”，而每當(dāng)中心處“冒出”或“縮入”一個條紋，光程差就增加或減少一個波長λ，d就增加或減少λ/2，即M2就移動了λ/2。

3 熱膨脹系數(shù)的測量

實驗時把封裝材料加工成直徑約為5 mm，長為2 cm的圓柱體放進(jìn)圓柱形陶瓷管中。陶瓷管的外表面均勻繞上加熱電阻絲，將邁克爾遜干涉儀的反射鏡M2粘在圓柱形封裝材料的垂直面上，封裝材料的另一個垂直切面粘在一金屬圓片中心位置處，用螺絲把該金屬圓片固定在支架上，再將支架緊固在邁克爾遜干涉儀的滑道上，并確保激光束始終與反射鏡M2的表面垂直?？糠庋b材料的熱脹冷縮來控制邁克爾遜干涉儀上全反鏡M2的位置，把溫度傳感器粘在封裝材料上控制加熱電阻絲的電流以改變材料的溫度［8］。

給電阻絲通上電流圓柱形封裝材料圓柱體因被加熱而膨脹，光屏上的干涉條紋不斷冒出或縮進(jìn)。從干涉條紋變化的數(shù)量可以算出材料的膨脹量，用數(shù)顯溫度計記錄溫度的變化，根據(jù)公式(2)即可計算出熱膨脹系數(shù)。

式中:L0為待測材料原長，可由游標(biāo)卡尺測得。N為當(dāng)合金溫度變化ΔT時干涉條紋變化的個數(shù)，λ為氦氖激光的波長632.8 nm。

采用改裝后的邁克爾遜干涉儀測量了不同溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)。相關(guān)數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 相關(guān)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

材料的熱膨脹系數(shù)是材料的熱學(xué)物理性質(zhì)之一，是表征材料性質(zhì)的重要特征量。在精密儀器產(chǎn)業(yè)及高精度實驗領(lǐng)域是一個非常重要的物理量，尤其對常溫以上LED封裝材料熱膨脹系數(shù)的測量在實際工程中更具有重要意義。本文結(jié)果表明利用改裝后的邁克耳孫干涉儀可準(zhǔn)確并快速地測量固體長度微小變化量，是測量材料熱膨脹系數(shù)的有效方法。這為探索封裝材料制備條件與其熱膨脹系數(shù)間的關(guān)系，以提高LED效率與壽命提供了重要的實驗方法。

［1］王曉明，郭偉玲，高國，等.LED:新一代照明光源［J］.現(xiàn)代顯示，2005，41(7):15.

［2］吳沖，劉兵，唐軍杰，等.發(fā)光二級管特殊的實驗研究［J］.大學(xué)物理實驗，2012(2):28-30.

［3］李元慶.LED封裝用透明環(huán)氧納米復(fù)合材料的制備及性能研究［D］.北京:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，2007.

［4］程守洙，江之永.普通物理學(xué):下冊［M］.北京:高等教育出版社，2008:151.

［5］陳業(yè)仙，周黨培，關(guān)小泉，等.一種新型邁克耳孫干涉儀條紋計數(shù)器的設(shè)計［J］.大學(xué)物理實驗，2009，22(3):64.

［6］張萍，侯晨霞，宋金璠.綜合設(shè)計性實驗教學(xué)的研究與探討邁克耳孫干涉儀的拓展應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28(8):157.

［7］王小懷，李卓凡，陳懷.邁克耳孫干涉儀應(yīng)用功能的擴展［J］.物理實驗，2012，32(3):22-24.

［8］鄧文，徐守磊，王昊，等.光干涉法測量Fe-Ni因瓦合金熱膨脹系數(shù)［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31(4):38-40.