改善散热结构提升白光LED使用寿命
过去 LED 从业者为了获利充分的 白光LED 光束,曾经开发大尺寸LED晶片试图藉此方式达成预期目标,不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降,发光效率则相对降低20～30%,换句话说白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍,消费电力特性希望超越萤光灯的话,就必需先克服下列的四大课题,包括,抑制温升、确保使用寿命、改善发光效率,以及发光特性均等化。有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗；维持LED的使用寿命具体方法,是改善晶片外形、?裼眯⌒途?片；改善LED的发光效率具体方法是改善晶片结构、?裼眯⌒途?片；至於发光特性均匀化具体方法是LED的改善封装方法,而这些方法已经陆续被开发中。
■解决封装的散热问题才是根本方法
由於增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下,因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图藉此改善上述问题,然而实际上 大功率LED 的发热量却比小功率LED高数十倍以上,而且温升还会使发光效率大幅下跌,即使封装技术允许高热量,不过LED晶片的接合温度却有可能超过容许值,最后业者终於领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。有关LED的使用寿命,例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料,能使LED的使用寿命提高一位数,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低於450nm短波长光线,传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏,高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化,根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度已经降低一半以上,根本无法满足 照明 光源长寿命的基本要求。
有关LED的发光效率,改善晶片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水?剩?主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大型晶片取出光线,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境,如果改善晶片的电极构造,理论上就可以解决上述取光问题。
■设法减少热阻抗、改善散热问题有关发光特性均匀性,一般认为只要改善白光LED的萤光体材料浓度均匀性与萤光体的氧作技术,应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时,必需设法减少热阻抗、改善散热问题,具体内容分别是：降低晶片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路 基板 的热阻抗、提高晶片的散热顺畅性。为了要降低热阻抗,许多国外LED厂商将LED晶片设在铜与陶瓷材料氧成的散热??片(heatsink)表面,接著再用渖接方式将印刷电路板上散热用导线,连接到利用冷却风扇强制空冷的散热??片上,根据德国OSRAM OptoSemiconductorsGmb实验结果证实,上述结构的LED晶片到渖接点的热阻抗可以降低9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED晶片的接合温度比渖接点高18K,即使印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话,LED晶片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响,如此一来必需设法降低LED晶片的温度,换句话说降低LED晶片到渖接点的热阻抗,可以有效减轻LED晶片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构,如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌,因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术,该公司将1mm正方的蓝光LED以flipchip方式封装在陶瓷基板上,接著再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面,根据松下表示包含印刷电路板在内模组整体的热阻抗大约是15K/W左右。
■各业者展现散热设计功力由於散热??片与印刷电路板之间的密著性直接左右热传导效果,因此印刷电路板的设计变得非常复杂,有栳於此美国Lumi leds 与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技术,CITIZEN在2004年开始样品出货的白光LED封装,不需要特殊接合技术也能够将厚约2～3mm散热??片的热量直接排放到外部,根据该CITIZEN表示虽然LED晶片的接合点到散热??片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右,不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下,该白光 LED模组 也可以连续点灯使用。Lumileds於2005年开始样品出货的高功率LED晶片,接合容许温度更高达+1850C,比其它公司同级?a品高600C,利用传统RF4印刷电路板封装时,周围环境温度400C范围内可以输入相当於1.5W电力的电流(大约是400mA)。所以Lumileds与CITIZEN使?袢√岣呓雍系闳菪砦露龋?德国OSRAM公司则是将LED晶片设在散热??片表面,达成9K/W超低热阻抗记录,该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻抗减少40%,值得一提是该LED模组封装时,?裼糜氪?统方法相同的flipchip方式,不过LED模组与热??片接合时,则选择最接近LED晶片发光层作为接合面,藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。2003年东芝Lighting曾经在400mm正方的铝合金表面,铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却风扇等特殊散热元件前提下,试作光束为300lm的LED模组,由於东芝Lighting拥有丰富的试作经验,因此该公司表示由於模拟分析技术的进步,2006年之后超过60lm/W的白光LED,都可以轻??利用 灯具 、框体提高热传导性,或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热,不需要特殊散热技术的模组结构也能够使用白光LED。
■解决封装的散热问题才是根本方法
由於增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下,因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图藉此改善上述问题,然而实际上 大功率LED 的发热量却比小功率LED高数十倍以上,而且温升还会使发光效率大幅下跌,即使封装技术允许高热量,不过LED晶片的接合温度却有可能超过容许值,最后业者终於领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。有关LED的使用寿命,例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料,能使LED的使用寿命提高一位数,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低於450nm短波长光线,传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏,高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化,根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度已经降低一半以上,根本无法满足 照明 光源长寿命的基本要求。
有关LED的发光效率,改善晶片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水?剩?主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大型晶片取出光线,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境,如果改善晶片的电极构造,理论上就可以解决上述取光问题。
■设法减少热阻抗、改善散热问题有关发光特性均匀性,一般认为只要改善白光LED的萤光体材料浓度均匀性与萤光体的氧作技术,应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时,必需设法减少热阻抗、改善散热问题,具体内容分别是：降低晶片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路 基板 的热阻抗、提高晶片的散热顺畅性。为了要降低热阻抗,许多国外LED厂商将LED晶片设在铜与陶瓷材料氧成的散热??片(heatsink)表面,接著再用渖接方式将印刷电路板上散热用导线,连接到利用冷却风扇强制空冷的散热??片上,根据德国OSRAM OptoSemiconductorsGmb实验结果证实,上述结构的LED晶片到渖接点的热阻抗可以降低9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED晶片的接合温度比渖接点高18K,即使印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话,LED晶片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响,如此一来必需设法降低LED晶片的温度,换句话说降低LED晶片到渖接点的热阻抗,可以有效减轻LED晶片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构,如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌,因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术,该公司将1mm正方的蓝光LED以flipchip方式封装在陶瓷基板上,接著再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面,根据松下表示包含印刷电路板在内模组整体的热阻抗大约是15K/W左右。
■各业者展现散热设计功力由於散热??片与印刷电路板之间的密著性直接左右热传导效果,因此印刷电路板的设计变得非常复杂,有栳於此美国Lumi leds 与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技术,CITIZEN在2004年开始样品出货的白光LED封装,不需要特殊接合技术也能够将厚约2～3mm散热??片的热量直接排放到外部,根据该CITIZEN表示虽然LED晶片的接合点到散热??片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右,不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下,该白光 LED模组 也可以连续点灯使用。Lumileds於2005年开始样品出货的高功率LED晶片,接合容许温度更高达+1850C,比其它公司同级?a品高600C,利用传统RF4印刷电路板封装时,周围环境温度400C范围内可以输入相当於1.5W电力的电流(大约是400mA)。所以Lumileds与CITIZEN使?袢√岣呓雍系闳菪砦露龋?德国OSRAM公司则是将LED晶片设在散热??片表面,达成9K/W超低热阻抗记录,该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻抗减少40%,值得一提是该LED模组封装时,?裼糜氪?统方法相同的flipchip方式,不过LED模组与热??片接合时,则选择最接近LED晶片发光层作为接合面,藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。2003年东芝Lighting曾经在400mm正方的铝合金表面,铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却风扇等特殊散热元件前提下,试作光束为300lm的LED模组,由於东芝Lighting拥有丰富的试作经验,因此该公司表示由於模拟分析技术的进步,2006年之后超过60lm/W的白光LED,都可以轻??利用 灯具 、框体提高热传导性,或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热,不需要特殊散热技术的模组结构也能够使用白光LED。