白光LED长寿大功率低耗电技术

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芯片试图借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荧光灯的话，就必需先克服下列的四大课题:a.抑制温升；b.确保使用寿命；c.改善发光效率；d.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的改善封装方法，一般认为2005～2006年白光LED可望开始采用上述对策。
   
开发经纬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试图借此改善上述问题，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芯片的接合温度却有可能超过容许值，最后业者终于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，例如改用硅质密封材料与陶瓷封装材料，能使LED的使用寿命提高10％，尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线，传统环氧树脂密封材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化，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，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水准，主要原因是电流密度提高2倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。
   
有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性，与荧光体的制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:
①降低芯片到封装的热阻抗
②抑制封装至印刷电路基板的热阻抗
③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芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片(heat sink)表面，接着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OSRAM Opto Semiconductors Gmb实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊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芯片的接合温度比焊接点高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芯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芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。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flip chip方式封装在陶瓷基板上，接着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块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

由于散热鳍片与印刷电路板之间的密着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，有鉴于此美国Lumileds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公司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散热鳍片的热量直接排放到外部，根据该公司表示虽然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模块也可以连续点灯使用。
   
Lumileds公司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于1.5W电力的电流(大约是400mA) 。
   
如以上介绍Lumileds与CITIZEN公司采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片表面，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模块封装时，采用与传统方法相同的flip chip方式，不过LED模块与热鳍片接合时，则选择最接近LED芯片发光层作为接合面，借此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。
   
2003年东芝Lighting公司曾经在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组件前提下，试作光束为300lm的LED模块，由于东芝Lighting公司拥有丰富的试作经验，因此该公司表示由于仿真分析技术的进步，2006年之后超过60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热，不需要特殊散热技术的模块结构也能够使用白光LED。
   
有关LED的长寿化，目前LED厂商采取的对策是变更密封材料，同时将荧光材料分散在密封材料内，尤其是硅质密封材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂密封材料，可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。
   
由于环氧树脂吸收波长为400～450nm的光线的百分比高达45％，硅质密封材料则低于1％，辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时，硅质密封材料可以延长到四万小时左右，几乎与照明设备的设计寿命相同，这意味着照明设备使用期间不需更换白光LED。不过硅质树脂属于高弹性柔软材料，加工上必需使用不会刮伤硅质树脂表面的制作技术，此外制程上硅质树脂极易附着粉屑，因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。
   
虽然硅质密封材料可以确保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，主要争论是传统白炽灯与荧光灯的使用寿命，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右。目前有两种延长组件使用寿命的对策，分别是:
1、抑制白光LED整体的温升；
2、停止使用树脂封装方式。
   
一般认为如果彻底执行以上两项延寿对策，可以达成亮度30％四万小时的要求。抑制白光LED温升可以采用冷却LED封装印刷电路板的方法，主要原因是封装树脂高温状态下，加上强光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则温度降低100C寿命会延长2倍。
   
停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为LED产生的光线在封装树脂内反射，如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会急遽锐减，这也是LED厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因。

有两种方法可以改善白光LED芯片的发光效率，一个是使用面积比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片；另外一种方式是利用多个小型高发光效率LED芯片，组合成一个单体模块。虽然大型LED芯片可以获得大光束，不过加大芯片面积会有弊害，例如芯片内发光层的电界不均等、发光部位受到局限、芯片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减等等。针对以上问题LED厂商透过电极结构的改良、采用flip chip封装方式，同时整合芯片表面加工技巧，目前已经达成50lm/W的发光效率。
   
有关芯片整体的电界均等性，自从2、3年前出现梳子状与网格状(mesh)p型电极之后，采用这种方式的厂商不断增加，而且电极也朝最佳化方向发展。
   
有关flip chip封装方式，由于发光层贴近封装端极易排放热量，加上发光层的光线放射到外部时无电极遮蔽的困扰，所以美国Lumileds与日本丰田合成已经正式采用flip chip封装方式，2005年开始量产大型LED的松下电器/松下电工与东芝也陆续跟进，以往采用wire bonding封装方式的日亚化学，2004年发表的50lm/W客户专用品LED，也是采用flip chip封装方式。
   
有关芯片表面加工，它可以防止光线从芯片内部朝芯片外部放射时在界面发生反射，根据日本某LED厂商表示flip chip封装时，若在光线取出部位蓝宝石基板上设置凹凸状结构，芯片外部的取出光束可以提高30％。