如何解決白光LED溫升問(wèn)題

過(guò)去LED業(yè)者為了獲得充分的白光LED光束，曾經(jīng)開(kāi)發(fā)大尺寸LED芯片試圖借此方式達到預期目標。不過(guò)，實(shí)際上白光LED的施加電力持續超過(guò)1W以上時(shí)光束反而會(huì )下降，發(fā)光效率相對降低20~30%.換句話(huà)說(shuō)，白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍，消耗電力特性超越螢光燈的話(huà)，就必需克服下列四大課題：抑制溫升、確保使用壽命、改善發(fā)光效率，以及發(fā)光特性均等化。

　　溫升問(wèn)題的解決方法是降低封裝的熱阻抗；維持LED的使用壽命的方法是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的發(fā)光效率的方法是改善芯片結構、采用小型芯片；至于發(fā)光特性均勻化的方法是改善LED的封裝方法，這些方法已經(jīng)陸續被開(kāi)發(fā)中。

　　解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法

　　由于增加電力反而會(huì )造成封裝的熱阻抗急劇降至10K/W以下，因此國外業(yè)者曾經(jīng)開(kāi)發(fā)耐高溫白光LED，試圖借此改善上述問(wèn)題。然而，實(shí)際上大功率LED的發(fā)熱量比小功率LED高數十倍以上，而且溫升還會(huì )使發(fā)光效率大幅下跌。即使封裝技術(shù)允許高熱量，不過(guò)LED芯片的接合溫度卻有可能超過(guò)容許值，最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法。

　　有關(guān)LED的使用壽命，例如改用矽質(zhì)封裝材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高一位數，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長(cháng)低于450nm短波長(cháng)光線(xiàn)，傳統環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料極易被短波長(cháng)光線(xiàn)破壞，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，根據業(yè)者測試結果顯示連續點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無(wú)法滿(mǎn)足照明光源長(cháng)壽命的基本要求。

　　有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水準。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的窘境。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?！　?strong style="word-break: break-all; ">設法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題

　　有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的制作技術(shù)，應該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時(shí)，必需設法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題。具體內容分別是：降低芯片到封裝的熱阻抗、抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。

　　為了降低熱阻抗，許多國外LED廠(chǎng)商將LED芯片設置在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heatsink)表面，接著(zhù)再用焊接方式將印刷電路板的散熱用導線(xiàn)連接到利用冷卻風(fēng)扇強制空冷的散熱器上。根據德國OSRAMOptoSemiconductorsGmb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的電力時(shí)，LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)高18K，即使印刷電路板溫度上升到50℃，接合溫度頂多只有70℃左右；相比之下以往熱阻抗一旦降低的話(huà)，LED芯片的接合溫度就會(huì )受到印刷電路板溫度的影響。因此，必需設法降低LED芯片的溫度，換句話(huà)說(shuō)，降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作用的負擔。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)法從封裝傳導到印刷電路板的話(huà)，LED溫度上升的結果仍然會(huì )使發(fā)光效率急劇下跌。因此，松下電工開(kāi)發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍光LED以flipchip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)印刷電路板表面，根據松下報導包含印刷電路板在內模組整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

　　各業(yè)者展現散熱設計功力

　　由于散熱器與印刷電路板之間的致密性直接左右熱傳導效果，因此印刷電路板的設計變得非常復雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠(chǎng)商，相繼開(kāi)發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù)，CITIZEN在2004年開(kāi)始開(kāi)始制造白光LED樣品封裝，不需要特殊接合技術(shù)也能夠將厚約2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據該CITIZEN報導雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環(huán)境下室溫會(huì )使熱阻抗增加1W左右，即使是傳統印刷電路板無(wú)冷卻風(fēng)扇強制空冷狀態(tài)下，該白光LED模組也可以連續點(diǎn)燈使用。

　　Lumileds于2005年開(kāi)始制造的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達+185℃，比其他公司同級產(chǎn)品高60℃，利用傳統RF4印刷電路板封裝時(shí)，周?chē)h(huán)境溫度40℃范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流(大約是400mA)。所以L(fǎng)umileds與CITIZEN是采取提高接合點(diǎn)容許溫度，德國OSRAM公司則是將LED芯片設置在散熱器表面，達到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過(guò)去開(kāi)發(fā)同級產(chǎn)品的熱阻抗減少40%.值得一提的是該LED模組封裝時(shí)，采用與傳統方法相同的flipchip方式，不過(guò)LED模組與散熱器接合時(shí)，則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面，借此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導排放?！　?003年?yáng)|芝Lighting曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面，鋪設發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無(wú)冷卻風(fēng)扇等特殊散熱組件前提下，試制光束為300lm的LED模組。由于東芝Lighting擁有豐富的試制經(jīng)驗，因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)的進(jìn)步，2006年之后超過(guò)60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性，或是利用冷卻風(fēng)扇強制空冷方式設計照明設備的散熱，不需要特殊散熱技術(shù)的模組結構也能夠使用白光LED.

　　變更封裝材料抑制材質(zhì)劣化與光線(xiàn)穿透率降低