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| 高功率白光LED應用及其芯片的散熱問(wèn)題解析 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2015/7/17 13:39:00 |
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雖然看起來(lái)在特性的方面是相當的不錯，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，但是以現在30萬(wàn)日圓的水準來(lái)看的，要降到3，000甚至300日圓，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(zhù)發(fā)光均一性不佳、封閉材料的壽命不長(cháng)，而無(wú)法發(fā)揮白光LED被期待的應用優(yōu)點(diǎn)。但就需求層面來(lái)看，不僅一般的照明用途，隨著(zhù)手機、LCD TV、汽車(chē)、醫療等的廣泛應用積極的出現，使得最合適開(kāi)發(fā)穩定白光LED的技術(shù)研究成果也就相當的被關(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，在應用過(guò)程和結果上也會(huì )出現適得其反的現象。所以，針對這樣的問(wèn)題，部分LED業(yè)者就根據電極構造的改良，和覆晶的構造，在晶片表面進(jìn)行改良，來(lái)達到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可以一口氣提昇亮度，因為當光從晶片內部向外散射時(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，根據計算，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)光效率達到了60lm/W，堪稱(chēng)是業(yè)界的首例。
但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮，因為是將多顆LED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。
對此Citizen的解釋是，事實(shí)上對于成本的影響幅度是相當小的，因為相較于整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，并因可以利用現有的材料來(lái)做絕緣應用，這些絕緣材料不需要重新開(kāi)發(fā)，也不需要增加新的設備來(lái)因應。
雖然Citizen的解釋理論上是合理的，但是，對于較無(wú)經(jīng)驗的業(yè)者來(lái)說(shuō)，這就是一項挑戰，因為無(wú)論在良率、研發(fā)、生產(chǎn)工程上都是需要予以克服的。
當然，還有其他方式可達到提高發(fā)光效率的目標，許多業(yè)者發(fā)現，在LED藍寶石基板上製作出凹凸不平坦的結構，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結晶的架構。
例如德國的OSRAM就是以這樣的架構開(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(xiàn)取出，而根據OSRAM的資料顯示，這樣的結構可以獲得75％的光取出效率。
逐漸有業(yè)者利用覆晶的構造，來(lái)期望達到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。（資料來(lái)源：LEDIKO）
當然，除了晶片的光取出方面需要做努力外，因為期望能夠獲得更高的光效率，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 )對光取出效率帶來(lái)一些影響，不過(guò)，這并不代表著(zhù)，因為封裝的製程就一定會(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，這樣的結構OMROM是將LED所射出的光線(xiàn)，利用LENS光學(xué)系統以及反射光學(xué)系統來(lái)做控制的，所以OMROM稱(chēng)之為「Double reflection 光學(xué)系統」。
利用這樣的結構，可將傳統砲彈型封裝等的LED所造成的光損失，針對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)上是可以得到不錯的光取出效率控制的。因為這樣的特殊設計，這些利用反射效果達到高光取出效率的LED，主要的用途是針對LCD TV背光所應用的。
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(cháng)CD TV背光應用的話(huà)，那麼需要克服的問(wèn)題就會(huì )更多了，因為L(cháng)CD TV的連續使用時(shí)間都是長(cháng)達數個(gè)小時(shí)，甚至10幾個(gè)小時(shí)，所以，由于這樣長(cháng)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 )因為連續使用而產(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備的話(huà)，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(cháng)時(shí)間連續使用1W的電力情況下，會(huì )造成連續使用后半段時(shí)間的亮度逐漸降低的現象，當然，不是只有高功率白光LED才會(huì )出現這樣的情況，低功率白光LED也會(huì )存在這樣的問(wèn)題，只不過(guò)是因為，低功率白光因為應用的產(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，當然所獲得的亮度就愈高，這是一般對于LED能夠達到高亮度的觀(guān)念，不過(guò)，因為所使用的電流增加，因此所帶來(lái)的缺點(diǎn)是，封裝材料是否能夠承受這樣的長(cháng)時(shí)間的因為電流所產(chǎn)生的熱，也因為這樣的連續使用，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的數十倍，因此，會(huì )出現隨著(zhù)溫度上升，而出現發(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，因為，熱效應所帶來(lái)的影響，絕對不會(huì )僅僅只有LED本身，而是會(huì )對整體應用產(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(huà)，那麼，也可以減輕應用產(chǎn)品本身的散熱負擔。
因此，在面對不斷提高電流情況的同時(shí)，如何增加抗熱能力，也是現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、導熱結構、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導熱結構，及PCB板的散熱結構等，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(huà)，同樣也是造成LED晶片溫度的上升，出現發(fā)光效率下降的現象。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(xiàn)形，面型的白光LED，與PCB基板設計成一體，來(lái)克服可能因為出現在從封裝到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，因為各業(yè)者的策略關(guān)係，有的業(yè)者以基板設計的簡(jiǎn)便為目標，只針對PCB板的散熱結構進(jìn)行改良。
有相當多的業(yè)者，因為本身不生產(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計的高功率白光LED與PCB板連接，達到散熱的能力。
不過(guò)，這樣看起來(lái)好像只是因為期望達到散熱，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，提供應用業(yè)者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光LED，能讓PCB板的散熱設計得以發(fā)揮。
封裝材料的改變 提高白光LED壽命達原先的4倍
當然發(fā)熱的問(wèn)題不是只會(huì )對亮度表現帶來(lái)影響，同時(shí)也會(huì )對LED本身的壽命出現挑戰，所以在這一部份，LED不斷的開(kāi)發(fā)出封裝材料來(lái)因應，持續提高中的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 )出現的情況是，在LED晶片本身的壽命到達前，環(huán)氧樹(shù)脂就已經(jīng)出現變色的情況，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)架構這是相當的重要。
除此之外，不僅因為熱現象會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生影樣，甚至短波長(cháng)也會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂造成一些問(wèn)題，這是因為白光LED發(fā)光光譜中，也包含了短波長(cháng)的光線(xiàn)，而環(huán)氧樹(shù)脂卻相當容易被白光LED中的短波長(cháng)光線(xiàn)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(cháng)的光線(xiàn)更多，那麼惡化自然也加速，甚至有些產(chǎn)品在連續點(diǎn)亮后的使用壽命不到5，000小時(shí)。
所以，與其不斷的克服因為舊有封裝材料－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，而改採了硅樹(shù)脂和陶瓷等作為封裝的材料，根據統計，因為改變了封裝材料，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，根據試驗，即使是在攝氏150～180度的高溫，也不會(huì )變色的現象，看起來(lái)似乎是一個(gè)不錯的封裝材料。
因為硅樹(shù)脂能夠分散藍色和近紫外光，所以與環(huán)氧樹(shù)脂相比，硅樹(shù)脂可以抑制材料因為電流和短波長(cháng)光線(xiàn)所帶來(lái)的劣化現象，而緩和的光穿透率下降的速度。
所以，以目前的應用來(lái)看，幾乎所有的高功率白光LED產(chǎn)品都已經(jīng)改採硅樹(shù)脂作為封裝的材料，例如，因為短波長(cháng)的光線(xiàn)所帶來(lái)的影響部分，相對于波長(cháng)400～450nm的光，環(huán)氧樹(shù)脂約在個(gè)位的數。 |
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