白光大功率LED長壽低耗電技術

發布日期：2012-09-18

白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍，消費電力特性希望超越熒光燈的話，就必需先克服下列的四大課題：a.抑制溫升；b.確保使用壽命；c.改善發光效率；d.發光特性均等化。

　　有關溫升問題具體方法是降低封裝的熱阻抗；維持LED的使用壽命具體方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的發光效率具體方法是改善芯片結構、采用小型芯片；至于發光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法，一般認為2005~2006年白光LED可望開始采用上述對策。

　　有關LED的使用壽命，例如改用硅質密封材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高10%，尤其是白光LED的發光頻譜含有波長低于450nm短波長光線，傳統環氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化，根據業者測試結果顯示連續點燈不到一萬小時，高功率白光LED的亮度已經降低一半以上，根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。

　　有關LED的發光效率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水準，主要原因是電流密度提高2倍以上時，不但不容易從大型芯片取出光線，結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。

　　有關發光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性，與熒光體的制作技術應該可以克服上述困擾。

　　如上所述提高施加電力的同時，必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題，具體內容分別是：

　　①降低芯片到封裝的熱阻抗

　　②抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗

　　③提高芯片的散熱順暢性

　　為了要降低熱阻抗，許多國外LED廠商將LED芯片設在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片（heatsink）表面，接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導線，連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱鰭片上，根據德國OSRAMOptoSemiconductorsGmb實驗結果證實，上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時，LED芯片的接合溫度比焊接點高18K，即使印刷電路板溫度上升到500C，接合溫度頂多只有700C左右；相較之下以往熱阻抗一旦降低的話，LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響，如此一來必需設法降低LED芯片的溫度，換句話說降低LED芯片到焊接點的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作業的負擔。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話，LED溫度上升的結果發光效率會急遽下跌，因此松下電工開發印刷電路板與封裝一體化技術，該公司將1mm正方的藍光LED以flipchip方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印刷電路板表面，根據松下表示包含印刷電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

　　由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導效果，因此印刷電路板的設計變得非常復雜，有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠商，相繼開發高功率LED用簡易散熱技術，CITIZEN公司2004年開始樣品出貨的白光LED封裝，不需要特殊接合技術也能夠將厚約2~3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據該公司表示雖然LED芯片的接合點到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環境下室溫會使熱阻抗增加1W左右，不過即使是傳統印刷電路板無冷卻風扇強制空冷狀態下，該白光LED模塊也可以連續點燈使用。

　　Lumileds公司2005年開始樣品出貨的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達+1850C，比其它公司同級產品高600C，利用傳統RF4印刷電路板封裝時，周圍環境溫度400C范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流（大約是400mA）。

　　如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點容許溫度，德國OSRAM公司則是將LED芯片設在散熱鰭片表面，達成9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發同級品的熱阻抗減少40%，值得一提是該LED模塊封裝時，采用與傳統方法相同的flipchip方式，不過LED模塊與熱鰭片接合時，則選擇最接近LED芯片發光層作為接合面，借此使發光層的熱量能夠以最短距離傳導排放。

　　2003年東芝Lighting公司曾經在400mm正方的鋁合金表面，鋪設發光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風扇等特殊散熱組件前提下，試作光束為300lm的LED模塊，由于東芝Lighting公司擁有豐富的試作經驗，因此該公司表示由于仿真分析技術的進步，2006年之后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性，或是利用冷卻風扇強制空冷方式設計照明設備的散熱，不需要特殊散熱技術的模塊結構也能夠使用白光LED。

　　有關LED的長壽化，目前LED廠商采取的對策是變更密封材料，同時將熒光材料分散在密封材料內，尤其是硅質密封材料比傳統藍光、近紫外光LED芯片上方環氧樹脂密封材料，可以更有效抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度。

　　由于環氧樹脂吸收波長為400~450nm的光線的百分比高達45%，硅質密封材料則低于1%，輝度減半的時間環氧樹脂不到一萬小時，硅質密封材料可以延長到四萬小時左右，幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著照明設備使用期間不需更換白光LED。不過硅質樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工上必需使用不會刮傷硅質樹脂表面的制作技術，此外制程上硅質樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發可以改善表面特性的技術。

　　雖然硅質密封材料可以確保LED四萬小時的使用壽命，然而照明設備業者卻出現不同的看法，主要爭論是傳統白熾燈與熒光燈的使用壽命，被定義成“亮度降至30%以下”，亮度減半時間為四萬小時的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是：

　　1、抑制白光LED整體的溫升；

　　2、停止使用樹脂封裝方式。

　　一般認為如果徹底執行以上兩項延壽對策，可以達成亮度30%四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法，主要原因是封裝樹脂高溫狀態下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會延長2倍。

　　停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為LED產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，由于反射板會吸收光線，所以光線的取出量會急遽銳減，這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。

　　有兩種方法可以改善白光LED芯片的發光效率，一個是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種方式是利用多個小型高發光效率LED芯片，組合成一個單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過加大芯片面積會有弊害，例如芯片內發光層的電界不均等、發光部位受到局限、芯片內部產生的光線放射到外部過程會嚴重衰減等等。針對以上問題LED廠商透過電極結構的改良、采用flipchip封裝方式，同時整合芯片表面加工技巧，目前已經達成50lm/W的發光效率。

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