白光大功率LED長(zhǎng)壽低耗電技術(shù)

白光LED溫升問(wèn)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(fā)光效率具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)、采用小型芯片;至于發(fā)光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法，一般認(rèn)為2005~2006年白光LED可望開(kāi)始采用上述對(duì)策。

有關(guān)LED的使用壽命，例如改用硅質(zhì)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(fā)光頻譜含有波長(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂密封材料極易被短波長(zhǎng)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(jù)業(yè)者測(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無(wú)法滿(mǎn)足照明光源長(zhǎng)壽命的基本要求。

有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水準(zhǔn)，主要原因是電流密度提高2倍以上時(shí)，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會(huì)造成發(fā)光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的電極構(gòu)造，理論上就可以解決上述取光問(wèn)題。

有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)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(shù)應(yīng)該可以克服上述困擾。

如上所述提高施加電力的同時(shí)，必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題，具體內(nèi)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(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)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(dǎo)線，連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱鰭片上，根據(jù)德國(guó)OSRAMOptoSemiconductorsGmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時(shí)，LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)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(huì)受到印刷電路板溫度的影響，如此一來(lái)必需設(shè)法降低LED芯片的溫度，換句話說(shuō)降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān)。反過(guò)來(lái)說(shuō)即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無(wú)法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會(huì)急遽下跌，因此松下電工開(kāi)發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍(lán)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(zhì)印刷電路板表面，根據(jù)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)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(dǎo)效果，因此印刷電路板的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，有鑒于此美國(guó)Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝廠商，相繼開(kāi)發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù)，CITIZEN公司2004年開(kāi)始樣品出貨的白光LED封裝，不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據(jù)該公司表示雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環(huán)境下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右，不過(guò)即使是傳統(tǒng)印刷電路板無(wú)冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下，該白光LED模塊也可以連續(xù)點(diǎn)燈使用。

Lumileds公司2005年開(kāi)始樣品出貨的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達(dá)+1850C，比其它公司同級(jí)產(chǎn)品高600C，利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時(shí)，周?chē)h(huán)境溫度400C范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)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(diǎn)容許溫度，德國(guó)OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)在散熱鰭片表面，達(dá)成9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過(guò)去開(kāi)發(fā)同級(jí)品的熱阻抗減少40%，值得一提是該LED模塊封裝時(shí)，采用與傳統(tǒng)方法相同的flipchip方式，不過(guò)LED模塊與熱鰭片接合時(shí)，則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面，借此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。

2003年?yáng)|芝Lighting公司曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面，鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無(wú)冷卻風(fēng)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(jīng)驗(yàn)，因此該公司表示由于仿真分析技術(shù)的進(jìn)步，2006年之后超過(guò)60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導(dǎo)性，或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)照明設(shè)備的散熱，不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。

有關(guān)LED的長(zhǎng)壽化，目前LED廠商采取的對(duì)策是變更密封材料，同時(shí)將熒光材料分散在密封材料內(nèi)，尤其是硅質(zhì)密封材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹(shù)脂密封材料，可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。

由于環(huán)氧樹(shù)脂吸收波長(zhǎng)為400~450nm的光線的百分比高達(dá)45%，硅質(zhì)密封材料則低于1%，輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹(shù)脂不到一萬(wàn)小時(shí)，硅質(zhì)密封材料可以延長(zhǎng)到四萬(wàn)小時(shí)左右，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命相同，這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。不過(guò)硅質(zhì)樹(shù)脂屬于高彈性柔軟材料，加工上必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹(shù)脂表面的制作技術(shù)，此外制程上硅質(zhì)樹(shù)脂極易附著粉屑，因此未來(lái)必需開(kāi)發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。

雖然硅質(zhì)密封材料可以確保LED四萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法，主要爭(zhēng)論是傳統(tǒng)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(shí)間為四萬(wàn)小時(shí)的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬(wàn)小時(shí)左右。目前有兩種延長(zhǎng)組件使用壽命的對(duì)策，分別是：

1、抑制白光LED整體的溫升;

2、停止使用樹(shù)脂封裝方式。

一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策，可以達(dá)成亮度30%四萬(wàn)小時(shí)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(shù)脂高溫狀態(tài)下，加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會(huì)延長(zhǎng)2倍。

停止使用樹(shù)脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因?yàn)長(zhǎng)ED產(chǎn)生的光線在封裝樹(shù)脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹(shù)脂材質(zhì)反射板，由于反射板會(huì)吸收光線，所以光線的取出量會(huì)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(fā)光效率，一個(gè)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(gè)小型高發(fā)光效率LED芯片，組合成一個(gè)單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過(guò)加大芯片面積會(huì)有弊害，例如芯片內(nèi)發(fā)光層的電界不均等、發(fā)光部位受到局限、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部過(guò)程會(huì)嚴(yán)重衰減等等。針對(duì)以上問(wèn)題LED廠商透過(guò)電極結(jié)構(gòu)的改良、采用flipchip封裝方式，同時(shí)整合芯片表面加工技巧，目前已經(jīng)達(dá)成50lm/W的發(fā)光效率。