改善散热结构提升白光LED使用寿命的解决方案

改善散热结构提升白光LED使用寿命的解决方案

过去LED业者为了获利充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯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2030％，换句话说白光LED的亮度如果要比保守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，遏止温升、确保使用寿命、改善发光效率，以及发光特性均等化。相关温升问题具体方法是降低封拆的热阻抗；维持LED的使用寿命具体方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化具体方法是LED的改善封拆方法，而那些方法曾经连续被开发外。

　　处理封拆的散热问题才是根本方法

　　由于添加电力反而会形成封拆的热阻抗急遽降至10K/W以下，果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，即便封拆技术答当高热量，不过LED芯片的接合温度却无可能超过容许值，最后业者究竟领悟到处理封拆的散热问题才是根本方法。

　　相关LED的使用寿命，例如改用矽量封拆材料取陶瓷封拆材料，能使LED的使用寿命提高一位数，特别是白光LED的发光频谱含无波长低于450nm短波长光线，保守环氧树脂封拆材料极难被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量愈加速封拆材料的劣化，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的亮度曾经降低一半以上，根本无法满脚照明光流长寿命的基本要求。

　　相关LED的发光效率，改善芯片结构取封拆结构，都能够达到取低功率白光LED相同水平，次要缘由是电流密度提高2倍以上时，不但不容难从大型芯片取出光线，结果反而会形成发光效率不如低功率白光LED的困境，如果改善芯片的电极构制，理论上就能够处理上述取光问题。

　　设法减少热阻抗、改善散热问题

　　相关发光特性均匀性，一般认为只需改善白光LED的萤光体材料浓度均匀性取萤光体的制制技术，该当能够克服上述搅扰。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：降低芯片到封拆的热阻抗、遏止封拆至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。

　　为了要降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设正在铜取陶瓷材料制成的散热鳍片（heatsink）表面，接著再用焊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鳍片上，根据德国OSRAMOptoSemiconductorsGmb实验结果证明，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗能够降低9K/W，大约是保守LED的1/6左左，封拆后的LED施加2W的电力时，LED芯片的接合温度比焊接点高18K，即便印刷电路板温度上升到500C，接合温度顶多只要700C左左；相较之下以往热阻抗一旦降低的话，LED芯片的接合温度就会逢到印刷电路板温度的影响，如此一来必需设法降低LED芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，能够无效减轻LED芯片降温做业的负担。反过来说即便白光LED具备遏止热阻抗的结构，如果热量无法从封拆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，果此松下电工开发印刷电路板取封拆一体化技术，该公司将1mm反方的蓝光LED以flipchip方式封拆正在陶瓷基板上，接著再将陶瓷基板粘贴正在铜量印刷电路板表面，根据松下表示包含印刷电路板正在内模块全体的热阻抗大约是15K/W左左。

　　各业者展现散热设想功力

　　由于散热鳍片取印刷电路板之间的密著性间接左左热传导效果，果此印刷电路板的设想变得非常复纯，无监于此美国Lumileds取日本CITIZEN等照明设备、LED封拆厂商，相继开发高功率LED用简难散热技术，CITIZEN正在2004年开始样品出货的白光LED封拆，不需要特殊接合技术也能够将厚约23mm散热鳍片的热量间接排放到外部，根据该CITIZEN表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，而且正在一般环境下室温会使热阻抗添加1W左左，不过即便是保守印刷电路板无冷却风扇强制空冷形态下，该白光LED模块也能够连续点灯使用。

　　Lumileds于2005年开始样品出货的高功率LED芯片，接合容许温度更高达+1850C，比其它公司同级产品高600C，利用保守RF4印刷电路板封拆时，四周环境温度400C范畴内能够输入相当于1.5W电力的电流（大约是400mA）。所以Lumileds取CITIZEN使采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设正在散热鳍片表面，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模块封拆时，采用取保守方法相同的flipchip方式，不过LED模块取热鳍片接合时，则选择最接近LED芯片发光层做为接合面，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曾经正在400mm反方的铝合金表面，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，试做光束为300lm的LED模块，由于东芝Lighting拥无丰富的试做经验，果此该公司表示由于模仿分析技术的进步，2006年之后超过60lm/W的白光LED，都能够轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设想照明设备的散热，不需要特殊散热技术的模块结构也能够使用白光LED。

　　变更封拆材遏止材量劣化取光线穿透率降低的速度

 
　　相关LED的长寿化，目前LED厂商采取的对策是变更封拆材料，同时将萤光材料分散正在封拆材料内，特别是矽量封拆材料比保守蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂封拆材料，能够更无效遏止材量劣化取光线穿透率降低的速度。由于环氧树脂吸收波长为400450nm的光线的百分比高达45％，矽量封拆材料则低于1％，辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时，矽量封拆材料能够延长到四万小时左左，几乎取照明设备的设想寿命相同，那意味著照明设备使用期间不需更换白光LED。不过矽量树脂属于高弹性柔软材料，加工上必需使用不会刮伤矽量树脂表面的制制技术，此外制程上矽量树脂极难附著粉屑，果此未来必需开发能够改善表面特性的技术。

　　虽然矽量封拆材料能够确保LED四万小时的使用寿命，然而照明设备业者却出现不同的看法，次要辩论是保守白炽灯取萤光灯的使用寿命，被定义成「亮度降至30％以下」，亮度减半时间为四万小时的LED，若换算成亮度降至30％以下的话，大约只剩二万小时左左。目前无两类延长元件使用寿命的对策，分别是，遏止白光LED全体的温升，和停行使用树脂封拆方式。

　　一般认为如果完全施行以上两项延寿对策，能够达成亮度30％四万小时的要求。遏止白光LED温升能够采用冷却LED封拆印刷电路板的方法，次要缘由是封拆树脂高温形态下，加上强光映照会快速劣化，按照阿雷纽斯法则温度降低100C寿命会延长2倍。停行使用树脂封拆能够完全消灭劣化要素，由于LED产生的光线正在封拆树脂内反射，如果使用能够改变芯片侧面光线行进方向的树脂材量反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会急遽锐减，那也是LED厂商分歧采用陶瓷系取金属系封拆材料次要缘由。