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技术交流
  • 解析高功率白光LED应用及LED芯片的散热问题
  • 2014-08-22
    虽然看起来在特性的方面是相当的不错,不过实际上还是有一些缺点的,就像在使用寿命上,只有3,000小时左右,再加上价格太贵也是不容易解决事情,或许价格太贵的问题可以花一点时间就可以下降一些,但是以现在30万日圆的水准来看的,要降到3,000甚至300日圆,那就需要10年以上的时间。

  就今天而言,白光LED仍旧存在着发光均一性不佳、封闭材料的寿命不长,而无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看,不仅一般的照明用途,随着手机、LCDTV、汽车、医疗等的广泛应用积极的出现,使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果也就相当的被关心。

  藉由提高晶片面积来增加发光量

  期望改善白光LED的发光效率,目前有两大方向,就是提高LED晶片的面积,也就是说,将目前面积为1m㎡的小型晶片,将发光面积提高到10m㎡的以上,藉此增加发光量,或把几个小型晶片一起封装在同一个模组下。

  虽然,将LED晶片的面积予以大型化,藉此能够获得高多的亮度,但因过大的面积,在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以,针对这样的问题,部分LED业者就根据电极构造的改良,和覆晶的构造,在晶片表面进行改良,来达到50lm/W的发光效率。

  例如在白光LED覆晶封装的部分,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,因此电极不会被遮蔽的优点,但缺点就是所产生的热不容易消散。

  而并非进行晶片表面改善后,再加上增加晶片面积就绝对可以一口气提昇亮度,因为当光从晶片内部向外散射时,晶片中这些改善的部分无法进行反射,所以在取光上会受到一点限制,根据计算,最佳发挥光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。

  利用封装数个小面积LED晶片 快速提高发光效率

  和大面积LED晶片相比,利用小功率LED晶片封装成同一个模组,这样是能够较快达到高亮度的要求,例如,Citizen就将8个小型LED封装在一起,让模组的发光效率达到了60lm/W,堪称是业界的首例。

  但这样的做法也引发的一些疑虑,因为是将多颗LED封装在同一个模组上,所以在模组中必须置入一些绝缘材料,以免造成LED晶片间的短路情况发生,不过,如此一来就会增加了不少的成本。

  对此Citizen的解释是,事实上对于成本的影响幅度是相当小的,因为相较于整体的成本比例,这些绝缘材料仅不到百分之一,并因可以利用现有的材料来做绝缘应用,这些绝缘材料不需要重新开发,也不需要增加新的设备来因应。

  虽然Citizen的解释理论上是合理的,但是,对于较无经验的业者来说,这就是一项挑战,因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。

  当然,还有其他方式可达到提高发光效率的目标,许多业者发现,在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构,这样或许可以提高光输出量,所以,有逐渐朝向在晶片表面建立Texture或PhotONics结晶的架构。

  例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出「ThinGaN」高亮度LED,OSRAM是在InGaN层上形成金属膜,之后再剥离蓝宝石。这样,金属膜就会产生映射的效果而获得更多的光线取出,而根据OSRAM的资料显示,这样的结构可以获得75%的光取出效率。

  逐渐有业者利用覆晶的构造,来期望达到50lm/W的发光效率,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,因此电极不会被遮蔽。

  当然,除了晶片的光取出方面需要做努力外,因为期望能够获得更高的光效率,在封装的部分也是必须做一些改善。事实上,每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响,不过,这并不代表着,因为封装的制程就一定会增加更高的光损失,就像日本OMROM所开发的平面光源技术,就能够大幅度的提昇光取出效率,这样的结构OMROM是将LED所射出的光线,利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的,所以OMROM称之为「Doublereflection 光学系统」。

  利用这样的结构,可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损失,针对封装的广角度反射来获得更高的光效率,更进一步的是,在表面所形成的Mesh上进行加工,而形成双层的反射效果,这样的方式,事实上是可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样的特殊设计,这些利用反射效果达到高光取出效率的LED,主要的用途是针对LCDTV背光所应用的。

  封装材料和萤光材料的重要性增加

  但如果期望用来作为LCD TV背光应用的话,那麽需要克服的问题就会更多了,因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时,甚至10几个小时,所以,由于这样长时间的使用情况下,拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。

  目前已发表的高功率的白光LED,它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍,所以期望利用高功率白光LED来代替萤光灯作为照明设备的话,有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。

  例如,白光LED长时间连续使用1W的电力情况下,会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象,当然,不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况,低功率白光LED也会存在这样的问题,只不过是因为,低功率白光因为应用的产品不同,所以,并不会因此特别突显出这样的困扰。

  使用的电流愈大,当然所获得的亮度就愈高,这是一般对于LED能够达到高亮度的观念,不过,因为所使用的电流增加,因此所带来的缺点是,封装材料是否能够承受这样的长时间的因为电流所产生的热,也因为这样的连续使用,往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。

  高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍,因此,会出现随着温度上升,而出现发光功率降低的问题,所以在能够抗热性高封装材料的开发上,就相对显的非常重要。

  或许在20~30lm/W以下的LED,这些问题都不存在,但是,一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候,就不得不需要想办法解决的,因为,热效应所带来的影响,绝对不会仅仅只有LED本身,而是会对整体应用产品带来困扰,所以,LED如果能够在这一方面获得解决的话,那麽,也可以减轻应用产品本身的散热负担。

  因此,在面对不断提高电流情况的同时,如何增加抗热能力,也是现阶段的急待被克服的问题,从各方面来看,除了材料本身的问题外,还包括从晶片到封装材料间的抗热性、导热结构、封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构,及PCB板的散热结构等,这些都需要作整体性的考量。

  例如,即使能够解决从晶片到封装材料间的抗热性,但因从封装到PCB板的散热效果不好的话,同样也是造成LED晶片温度的上升,出现发光效率下降的现象。所以,就像是松下就为了解决这样的问题,从2005年开始,便把包括圆形,线形,面型的白光LED,与PCB基板设计成一体,来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。

  不过,并非所有的业者都像松下一样,把封装材料到PCB板间的抗热性都做了考量,因为各业者的策略关系,有的业者以基板设计的简便为目标,只针对PCB板的散热结构进行改良。

  有相当多的业者,因为本身不生产LED的关系,所以只能在PCB板做一些研发,但仅此于止还是不够的,所以需要选择散热性良好的白光LED.能让PCB板上的用金属材料,能与白光LED封装中的散热槽紧密连接,完成让具有散热槽设计的高功率白光LED与PCB板连接,达到散热的能力。

  不过,这样看起来好像只是因为期望达到散热,而把简单的一件事情予以复杂化,到底这样是不是符合成本和进步的概念,以今天的应用层面来说,很难做一个判断,不过,实际上是有一些业者正朝向这方面做考量,例如Citizen在2004年所发表的产品,就是能够从封装上厚度为2~3mm的散热槽向外散热,提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED,能让PCB板的散热设计得以发挥。

  封装材料的改变 提高白光LED寿命达原先的4倍

  当然发热的问题不是只会对亮度表现带来影响,同时也会对LED本身的寿命出现挑战,所以在这一部份,LED不断的开发出封装材料来因应,持续提高中的LED亮度所产生的影响。

  过去用来作为封装材料的环氧树脂,耐热性比较差,可能会出现的情况是,在LED晶片本身的寿命到达前,环氧树脂就已经出现变色的情况,因此,为了提高散热性,而必须让更多的电流获得释放,这一个架构这是相当的重要。

  除此之外,不仅因为热现象会对环氧树脂产生影样,甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题,这是因为白光LED 发光光谱中,也包含了短波长的光线,而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏,即使低功率的白光LED就已经会让造成环氧树脂的破坏,更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多,那麽恶化自然也加速,甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。

  所以,与其不断的克服因为旧有封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰,不如朝向开发新一代的封装材料,或许是不错的选择。目前在解决寿命这一方面的问题,许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂,而改采了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料,根据统计,因为改变了封装材料,事实上可以提高LED的寿命。

  就资料上来看,代替环氧树脂的封装材料-硅树脂,就具有较高的耐热性,根据试验,即使是在摄氏150~180度的高温,也不会变色的现象,看起来似乎是一个不错的封装材料。

  因为硅树脂能够分散蓝色和近紫外光,所以与环氧树脂相比,硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象,而缓和的光穿透率下降的速度。

  所以,以目前的应用来看,几乎所有的高功率白光LED产品都已经改采硅树脂作为封装的材料,例如,因为短波长的光线所带来的影响部分,相对于波长400~450nm的光,环氧树脂约在个位的数。

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