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解析高功率白光LED應(yīng)用及LED芯片的散熱問(wèn)題

發(fā)布時(shí)間:2011-02-12 來(lái)源:LEDIKO

中心議題:

  • 高功率白光LED應(yīng)用
  • LED芯片的散熱問(wèn)題

解決方案:

  • 提高晶片面積來(lái)增加發(fā)光量
  • 封裝數(shù)個(gè)小面積LED晶片
  • 改變封裝材料和螢光材料


雖然看起來(lái)在特性的方面是相當(dāng)?shù)牟诲e(cuò),不過(guò)實(shí)際上還是有一些缺點(diǎn)的,就像在使用壽命上,只有3,000小時(shí)左右,再加上價(jià)格太貴也是不容易解決事情,或許價(jià)格太貴的問(wèn)題可以花一點(diǎn)時(shí)間就可以下降一些,但是以現(xiàn)在30萬(wàn)日?qǐng)A的水準(zhǔn)來(lái)看的,要降到3,000甚至300日?qǐng)A,那就需要10年以上的時(shí)間。

就今天而言,白光LED仍舊存在著發(fā)光均一性不佳、封閉材料的壽命不長(zhǎng),而無(wú)法發(fā)揮白光LED被期待的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。但就需求層面來(lái)看,不僅一般的照明用途,隨著手機(jī)、LCD TV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應(yīng)用積極的出現(xiàn),使得最合適開(kāi)發(fā)穩(wěn)定白光LED的技術(shù)研究成果也就相當(dāng)?shù)谋魂P(guān)心。

藉由提高晶片面積來(lái)增加發(fā)光量

期望改善白光LED的發(fā)光效率,目前有兩大方向,就是提高LED晶片的面積,也就是說(shuō),將目前面積為1m㎡的小型晶片,將發(fā)光面積提高到10m ㎡的以上,藉此增加發(fā)光量,或把幾個(gè)小型晶片一起封裝在同一個(gè)模組下。

雖然,將LED晶片的面積予以大型化,藉此能夠獲得高多的亮度,但因過(guò)大的面積,在應(yīng)用過(guò)程和結(jié)果上也會(huì)出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。所以,針對(duì)這樣的問(wèn)題,部分LED業(yè)者就根據(jù)電極構(gòu)造的改良,和覆晶的構(gòu)造,在晶片表面進(jìn)行改良,來(lái)達(dá)到50lm/W的發(fā)光效率。

例如在白光LED覆晶封裝的部分,由于發(fā)光層很接近封裝的附近,發(fā)光層的光向外部散出時(shí),因此電極不會(huì)被遮蔽的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)就是所產(chǎn)生的熱不容易消散。

而并非進(jìn)行晶片表面改善后,再加上增加晶片面積就絕對(duì)可以一口氣提昇亮度,因?yàn)楫?dāng)光從晶片內(nèi)部向外散射時(shí),晶片中這些改善的部分無(wú)法進(jìn)行反射,所以在取光上會(huì)受到一點(diǎn)限制,根據(jù)計(jì)算,最佳發(fā)揮光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。

利用封裝數(shù)個(gè)小面積LED晶片 快速提高發(fā)光效率

和大面積LED晶片相比,利用小功率LED晶片封裝成同一個(gè)模組,這樣是能夠較快達(dá)到高亮度的要求,例如,Citizen就將8個(gè)小型LED封裝在一起,讓模組的發(fā)光效率達(dá)到了 60lm/W,堪稱是業(yè)界的首例。

但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮,因?yàn)槭菍⒍囝wLED封裝在同一個(gè)模組上,所以在模組中必須置入一些絕緣材料,以免造成LED晶片間的短路情況發(fā)生,不過(guò),如此一來(lái)就會(huì)增加了不少的成本。

對(duì)此Citizen的解釋是,事實(shí)上對(duì)于成本的影響幅度是相當(dāng)小的,因?yàn)橄噍^于整體的成本比例,這些絕緣材料僅不到百分之一,并因可以利用現(xiàn)有的材料來(lái)做絕緣應(yīng)用,這些絕緣材料不需要重新開(kāi)發(fā),也不需要增加新的設(shè)備來(lái)因應(yīng)。

雖然Citizen的解釋理論上是合理的,但是,對(duì)于較無(wú)經(jīng)驗(yàn)的業(yè)者來(lái)說(shuō),這就是一項(xiàng)挑戰(zhàn),因?yàn)闊o(wú)論在良率、研發(fā)、生產(chǎn)工程上都是需要予以克服的。

當(dāng)然,還有其他方式可達(dá)到提高發(fā)光效率的目標(biāo),許多業(yè)者發(fā)現(xiàn),在LED藍(lán)寶石基板上製作出凹凸不平坦的結(jié)構(gòu),這樣或許可以提高光輸出量,所以,有逐漸朝向在晶片表面建立Texture或PhotONics 結(jié)晶的架構(gòu)。

例如德國(guó)的OSRAM就是以這樣的架構(gòu)開(kāi)發(fā)出「Thin GaN」高亮度LED,OSRAM是在InGaN層上形成金屬膜,之后再剝離藍(lán)寶石。這樣,金屬膜就會(huì)產(chǎn)生映射的效果而獲得更多的光線取出,而根據(jù) OSRAM的資料顯示,這樣的結(jié)構(gòu)可以獲得75%的光取出效率。

逐漸有業(yè)者利用覆晶的構(gòu)造,來(lái)期望達(dá)到50lm/W的發(fā)光效率,由于發(fā)光層很接近封裝的附近,發(fā)光層的光向外部散出時(shí),因此電極不會(huì)被遮蔽。

當(dāng)然,除了晶片的光取出方面需要做努力外,因?yàn)槠谕軌颢@得更高的光效率,在封裝的部分也是必須做一些改善。事實(shí)上,每多增加一道的工程都會(huì)對(duì)光取出效率帶來(lái)一些影響,不過(guò),這并不代表著,因?yàn)榉庋b的製程就一定會(huì)增加更高的光損失,就像日本OMROM所開(kāi)發(fā)的平面光源技術(shù),就能夠大幅度的提昇光取出效率,這樣的結(jié)構(gòu)OMROM是將LED所射出的光線,利用LENS光學(xué)系統(tǒng)以及反射光學(xué)系統(tǒng)來(lái)做控制的,所以O(shè)MROM稱之為「Double reflection 光學(xué)系統(tǒng)」。

利用這樣的結(jié)構(gòu),可將傳統(tǒng)砲彈型封裝等的LED所造成的光損失,針對(duì)封裝的廣角度反射來(lái)獲得更高的光效率,更進(jìn)一步的是,在表面所形成的 Mesh上進(jìn)行加工,而形成雙層的反射效果,這樣的方式,事實(shí)上是可以得到不錯(cuò)的光取出效率控制的。因?yàn)檫@樣的特殊設(shè)計(jì),這些利用反射效果達(dá)到高光取出效率的LED,主要的用途是針對(duì)LCD TV背光所應(yīng)用的。
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封裝材料和螢光材料的重要性增加

但如果期望用來(lái)作為L(zhǎng)CD TV背光應(yīng)用的話,那麼需要克服的問(wèn)題就會(huì)更多了,因?yàn)長(zhǎng)CD TV的連續(xù)使用時(shí)間都是長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí),甚至10幾個(gè)小時(shí),所以,由于這樣長(zhǎng)時(shí)間的使用情況下,拿來(lái)作為背光的白光LED就必須擁有不會(huì)因?yàn)檫B續(xù)使用而產(chǎn)生亮度衰減的情況。

目前已發(fā)表的高功率的白光LED,它的發(fā)光功率是一個(gè)低功率白光LED亮度的數(shù)十倍,所以期望利用高功率白光LED來(lái)代替螢光燈作為照明設(shè)備的話,有一個(gè)必須克服的困難就是亮度遞減的情況。

例如,白光LED長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用1W的電力情況下,會(huì)造成連續(xù)使用后半段時(shí)間的亮度逐漸降低的現(xiàn)象,當(dāng)然,不是只有高功率白光LED才會(huì)出現(xiàn)這樣的情況,低功率白光LED也會(huì)存在這樣的問(wèn)題,只不過(guò)是因?yàn)?,低功率白光因?yàn)閼?yīng)用的產(chǎn)品不同,所以,并不會(huì)因此特別突顯出這樣的困擾。

使用的電流愈大,當(dāng)然所獲得的亮度就愈高,這是一般對(duì)于LED能夠達(dá)到高亮度的觀念,不過(guò),因?yàn)樗褂玫碾娏髟黾?,因此所帶?lái)的缺點(diǎn)是,封裝材料是否能夠承受這樣的長(zhǎng)時(shí)間的因?yàn)殡娏魉a(chǎn)生的熱,也因?yàn)檫@樣的連續(xù)使用,往往封裝材料的熱抵抗會(huì)降到10k/w以下。

高功率LED的發(fā)熱量是低功率LED的數(shù)十倍,因此,會(huì)出現(xiàn)隨著溫度上升,而出現(xiàn)發(fā)光功率降低的問(wèn)題,所以在能夠抗熱性高封裝材料的開(kāi)發(fā)上,就相對(duì)顯的非常重要。

或許在20~30lm/W以下的LED,這些問(wèn)題都不存在,但是,一旦面臨60lm/w以上的高發(fā)光功率LED的時(shí)候,就不得不需要想辦法解決的,因?yàn)椋瑹嵝?yīng)所帶來(lái)的影響,絕對(duì)不會(huì)僅僅只有LED本身,而是會(huì)對(duì)整體應(yīng)用產(chǎn)品帶來(lái)困擾,所以,LED如果能夠在這一方面獲得解決的話,那麼,也可以減輕應(yīng)用產(chǎn)品本身的散熱負(fù)擔(dān)。

因此,在面對(duì)不斷提高電流情況的同時(shí),如何增加抗熱能力,也是現(xiàn)階段的急待被克服的問(wèn)題,從各方面來(lái)看,除了材料本身的問(wèn)題外,還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu),及PCB板的散熱結(jié)構(gòu)等,這些都需要作整體性的考量。

例如,即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性,但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話,同樣也是造成LED晶片溫度的上升,出現(xiàn)發(fā)光效率下降的現(xiàn)象。所以,就像是松下就為了解決這樣的問(wèn)題,從2005年開(kāi)始,便把包括圓形,線形,面型的白光LED,與PCB基板設(shè)計(jì)成一體,來(lái)克服可能因?yàn)槌霈F(xiàn)在從封裝到PCB板間散熱中斷的問(wèn)題。

不過(guò),并非所有的業(yè)者都像松下一樣,把封裝材料到PCB板間的抗熱性都做了考量,因?yàn)楦鳂I(yè)者的策略關(guān)係,有的業(yè)者以基板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便為目標(biāo),只針對(duì)PCB板的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。

有相當(dāng)多的業(yè)者,因?yàn)楸旧聿簧a(chǎn)LED的關(guān)係,所以只能在PCB板做一些研發(fā),但僅此于止還是不夠的,所以需要選擇散熱性良好的白光LED。能讓PCB板上的用金屬材料,能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接,完成讓具有散熱槽設(shè)計(jì)的高功率白光LED與PCB板連接,達(dá)到散熱的能力。

不過(guò),這樣看起來(lái)好像只是因?yàn)槠谕_(dá)到散熱,而把簡(jiǎn)單的一件事情予以複雜化,到底這樣是不是符合成本和進(jìn)步的概念,以今天的應(yīng)用層面來(lái)說(shuō),很難做一個(gè)判斷,不過(guò),實(shí)際上是有一些業(yè)者正朝向這方面做考量,例如Citizen在2004年所發(fā)表的產(chǎn)品,就是能夠從封裝上厚度為2~3mm的散熱槽向外散熱,提供應(yīng)用業(yè)者能夠因?yàn)槭褂昧司哂猩岵鄣母吖β拾坠釲ED,能讓PCB板的散熱設(shè)計(jì)得以發(fā)揮。

封裝材料的改變 提高白光LED壽命達(dá)原先的4倍

當(dāng)然發(fā)熱的問(wèn)題不是只會(huì)對(duì)亮度表現(xiàn)帶來(lái)影響,同時(shí)也會(huì)對(duì)LED本身的壽命出現(xiàn)挑戰(zhàn),所以在這一部份,LED不斷的開(kāi)發(fā)出封裝材料來(lái)因應(yīng),持續(xù)提高中的LED亮度所產(chǎn)生的影響。

過(guò)去用來(lái)作為封裝材料的環(huán)氧樹(shù)脂,耐熱性比較差,可能會(huì)出現(xiàn)的情況是,在LED晶片本身的壽命到達(dá)前,環(huán)氧樹(shù)脂就已經(jīng)出現(xiàn)變色的情況,因此,為了提高散熱性,而必須讓更多的電流獲得釋放,這一個(gè)架構(gòu)這是相當(dāng)?shù)闹匾?br />
除此之外,不僅因?yàn)闊岈F(xiàn)象會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生影樣,甚至短波長(zhǎng)也會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂造成一些問(wèn)題,這是因?yàn)榘坠釲ED 發(fā)光光譜中,也包含了短波長(zhǎng)的光線,而環(huán)氧樹(shù)脂卻相當(dāng)容易被白光LED中的短波長(zhǎng)光線破壞,即使低功率的白光LED就已經(jīng)會(huì)讓造成環(huán)氧樹(shù)脂的破壞,更何況高功率的白光LED所含的短波長(zhǎng)的光線更多,那麼惡化自然也加速,甚至有些產(chǎn)品在連續(xù)點(diǎn)亮后的使用壽命不到5,000小時(shí)。

所以,與其不斷的克服因?yàn)榕f有封裝材料-環(huán)氧樹(shù)脂所帶來(lái)的變色困擾,不如朝向開(kāi)發(fā)新一代的封裝材料,或許是不錯(cuò)的選擇。目前在解決壽命這一方面的問(wèn)題,許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹(shù)脂,而改採(cǎi)了硅樹(shù)脂和陶瓷等作為封裝的材料,根據(jù)統(tǒng)計(jì),因?yàn)楦淖兞朔庋b材料,事實(shí)上可以提高LED的壽命。

就資料上來(lái)看,代替環(huán)氧樹(shù)脂的封裝材料-硅樹(shù)脂,就具有較高的耐熱性,根據(jù)試驗(yàn),即使是在攝氏150~180度的高溫,也不會(huì)變色的現(xiàn)象,看起來(lái)似乎是一個(gè)不錯(cuò)的封裝材料。

因?yàn)楣铇?shù)脂能夠分散藍(lán)色和近紫外光,所以與環(huán)氧樹(shù)脂相比,硅樹(shù)脂可以抑制材料因?yàn)殡娏骱投滩ㄩL(zhǎng)光線所帶來(lái)的劣化現(xiàn)象,而緩和的光穿透率下降的速度。

所以,以目前的應(yīng)用來(lái)看,幾乎所有的高功率白光LED產(chǎn)品都已經(jīng)改採(cǎi)硅樹(shù)脂作為封裝的材料,例如,因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)的光線所帶來(lái)的影響部分,相對(duì)于波長(zhǎng)400~450nm的光,環(huán)氧樹(shù)脂約在個(gè)位的數(shù)。

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