高功率白光LED芯片的散熱問(wèn)題

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、LCDTV、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1mO的小型晶片，將發(fā)光面積提高到10mO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N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7mO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藍寶石基板上制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「ThinGaN」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。

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)，因為封裝的制程就一定會(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N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「Doublereflection 光學(xué)系統」。

利用這樣的結構，可將傳統炮彈型封裝等的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LCDTV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。