白光LED的發(fā)光效率及使用壽命問(wèn)題

為了獲得充分的白光LED光束，曾經(jīng)開(kāi)發(fā)大尺寸LED芯片，試圖以此方式達成預期目標。實(shí)際上在白光LED上施加的電功率持續超過(guò)1W以上時(shí)光束反而會(huì )下降，發(fā)光效率則相對降低20%~30%，提高白光LED的輸入功率和發(fā)光效率必須克服的問(wèn)題有：抑制溫升；確保使用壽命；改善發(fā)光效率；發(fā)光特性均等化。

增加功率會(huì )使用白光LED封裝的熱阻抗下降至10K/W以下，因此國外曾經(jīng)開(kāi)發(fā)耐高溫白光LED，試圖以此改善溫升問(wèn)題。因大功率白光LED的發(fā)熱量比小功率白光LED高數十倍以上，即使白光LED的封裝允許高熱量，但白光LED芯片的允許溫度是一定的。抑制溫升的具體方法是降低封裝的熱阻抗。

提高白光LED使用壽命的具體方法是改善芯片外形，采用小型芯片。因白光LED的發(fā)光頻譜中含有波長(cháng)低于450nm的短波長(cháng)光線(xiàn)，傳統環(huán)氧樹(shù)脂密封材料極易被短波長(cháng)光線(xiàn)破壞，高功率白光LED的大光量更加速了密封材料的劣化。改用硅質(zhì)密封材料與陶瓷封裝材料，能使白光LED的使用壽命提高一位數。

改善白光LED的發(fā)光效率的具體方法是改善芯片結構與封裝結構，達到與低功率白光LED相同的水準，主要原因是電流密度提高2倍以上時(shí)，不但不容易從大型芯片取出光線(xiàn)，結果反而會(huì )造成發(fā)光效率不如低功率白光LED，如果改善芯片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問(wèn)題。

實(shí)現發(fā)光特性均勻化的具體方法是改善白光LED的封裝方法，一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術(shù)就可以克服上述困擾。

減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題的具體內容分別是：

① 降低芯片到封裝的熱阻抗。

② 抑制封裝至印制電路基板的熱阻抗。

③ 提高芯片的散熱順暢性。

為了降低熱阻抗，國外許多LED廠(chǎng)商將LED芯片設在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片表面，如圖1所示，用焊接方式將印制電路板上散熱用導線(xiàn)連接到利用冷卻風(fēng)扇強制空冷的散熱鰭片上。德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實(shí)驗結果證實(shí)，上述結構的LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右。封裝后的LED施加2W的電功率時(shí)，LED芯片的溫度比焊接點(diǎn)高18℃，即使印制電路板的溫度上升到500℃，LED芯片的溫度也只有700℃左右。熱阻抗一旦降低，LED芯片的溫度就會(huì )受到印制電路板溫度的影響，為此必須降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗。反過(guò)來(lái)說(shuō)，即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無(wú)法從LED封裝傳導到印制電路板的話(huà)，LED溫度的上升將使其發(fā)光效率下降，因此松下公司開(kāi)發(fā)出了印制電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將邊長(cháng)為1mm的正方形藍光LED以覆芯片化方式封裝在陶瓷基板上，接著(zhù)再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印制電路板表面，包含印制電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W。

(a) OSRAM LED的封裝方式

(b) CITIZEN LED的封裝方式

圖1 LED散熱結構

針對白光LED的長(cháng)壽化問(wèn)題，目前LED廠(chǎng)商采取的對策是變更密封材料，同時(shí)將熒光材料分散在密封材料內，可以更有效地抑制材質(zhì)劣化與光線(xiàn)穿透率降低的速度。

由于環(huán)氧樹(shù)脂吸收波長(cháng)為400~450nm 的光線(xiàn)的百分比高達45%，硅質(zhì)密封材料則低于1%，環(huán)氧樹(shù)脂亮度減半的時(shí)間不到1萬(wàn)小時(shí)，硅質(zhì)密封材料可以延長(cháng)到4萬(wàn)小時(shí)左右（如圖2所示），幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著(zhù)照明設備在使用期間不需更換白光LED。不過(guò)硅質(zhì)密封材料屬于高彈性柔軟材料，加工上必須使用不會(huì )刮傷硅質(zhì)密封材料表面的制作技術(shù)，此外制程上硅質(zhì)密封材料極易附著(zhù)粉屑，因此未來(lái)必須開(kāi)發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。

圖2 硅質(zhì)密封材料與環(huán)氧樹(shù)脂對LED光學(xué)特性的影響

雖然硅質(zhì)密封材料可以確保白光LED有4萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，然而照明設備業(yè)界有不同的看法，主要爭論是傳統白熾燈與熒光燈的使用壽命被定義成“亮度降至30%以下”，亮度減半時(shí)間為4萬(wàn)小時(shí)的白光LED，若換算成亮度降至30%以下的話(huà)，大約只剩2萬(wàn)小時(shí)。目前有兩種延長(cháng)組件使用壽命的對策，分別是：

① 抑制白光LED整體的溫升。

② 停止使用樹(shù)脂封裝方式。

以上兩項對策可以達成亮度降至30%時(shí)使用壽命達4萬(wàn)小時(shí)的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻白光LED封裝印制電路板的方法，主要原因是封裝樹(shù)脂在高溫狀態(tài)下，加上強光照射會(huì )快速劣化，依照阿雷紐斯法則，溫度降低100℃時(shí)壽命會(huì )延長(cháng)2倍。

停止使用樹(shù)脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為白光LED產(chǎn)生的光線(xiàn)在封裝樹(shù)脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線(xiàn)行進(jìn)方向的樹(shù)脂材質(zhì)反射板，由于反射板會(huì )吸收光線(xiàn)，所以光線(xiàn)的取出量會(huì )銳減，這也是采用陶瓷系與金屬系封裝材料的主要原因。LED封裝基板無(wú)樹(shù)脂化結構如圖3所示。

圖3 LED封裝基板無(wú)樹(shù)脂化結構

有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率：一種是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種是利用多個(gè)小型高發(fā)光效率LED芯片組合成一個(gè)單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過(guò)加大芯片面積會(huì )有負面影響，例如芯片內發(fā)光層不均勻、發(fā)光部位受到局限、芯片內部產(chǎn)生的光線(xiàn)放射到外部時(shí)會(huì )嚴重衰減等。針對以上問(wèn)題，通過(guò)對白光LED的電極結構的改良，采用覆芯片化封裝方式，同時(shí)整合芯片表面加上技術(shù)，目前已經(jīng)達成50lm/W的發(fā)光效率。大型白光LED的封裝方式如圖4所示。有關(guān)芯片整體的發(fā)光層均等性，自從出現梳子狀與網(wǎng)格狀P型電極這后，使電極也朝最佳化方向發(fā)展。

圖4 大型LED的封裝方式