高功率白光LED散熱問(wèn)題的解決方案

改善白光LED的發(fā)光效率，目前有兩大方向，一是提高LED芯片的面積，藉此增加發(fā)光量。二是把幾個(gè)小型芯片一起封裝在同一個(gè)模塊下。

藉由提高芯片面積來(lái)增加發(fā)光量

雖然，將LED芯片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高得多的亮度，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進(jìn)和覆晶的構造，在芯片表面進(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)，電極不會(huì )被遮蔽，但缺點(diǎn)就是所產(chǎn)生的熱不容易消散。

并非進(jìn)行芯片表面改善后，再加上增加芯片面積就絕對可以迅速提升亮度，因為當光從芯片內部向外擴散射時(shí)，芯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芯片尺寸是在7mm2左右。

利用封裝數個(gè)小面積LED芯片快速提高發(fā)光效率

和大面積LED芯片相比，利用小功率LED芯片封裝成同一個(gè)模塊，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，讓模塊的發(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)模塊上，必須置入一些絕緣材料，以免造成LED芯片間的短路情況發(fā)生，如此一來(lái)就會(huì )增加了不少的成本。

對此Citizen的解釋是：“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?！?/P>

雖然Citizen的解釋理論上是合理的，但是，對于無(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。還有其它方式可達到提高發(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，有逐漸朝向在芯片表面建立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。原理是在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)生映像的效果而獲得更多的光線(xiàn)取出，根據OSRAM的資料顯示，這樣的結構可以獲得75％的光取出效率。

除了芯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)，就能夠大幅度的提升光取出效率，這樣的結構是將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 ”。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，這樣的方式可以得到不錯的光取出效率控制的。因為這樣特殊的設計，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。

封裝材料和熒光材料的重要性增加

如果期望用來(lái)作為L(cháng)CD TV背光應用的話(huà)，那幺需要克服的問(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)代替熒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，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，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，因此封裝材料是否能夠承受這樣長(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，相對顯的非常重要。

或許在20～30lm/W以下的LED，這些問(wèn)題都不明顯，但是，一旦面臨60lm/w以上的高發(fā)光功率LED的時(shí)候，就需要想辦法解決的。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 )對整個(gè)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)，那幺，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，還包括從芯片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構及封裝材料到PCB板間的抗熱性、導熱結構和PCB板的散熱結構等，這些都需要作整體性的考量。例如，即使能夠解決從芯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芯片溫度的上升，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。但并非所有的業(yè)者都像松下一樣，因為各業(yè)者的策略關(guān)系，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。還有相當多的業(yè)者，因為本身不生產(chǎn)LED，所以只能在PCB板做一些研發(fā)，但僅此還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的白光LED。能讓 PCB板上用的金屬材料，能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接，達到散熱的能力。這樣看起來(lái)好象只是因為期望達到散熱，而把簡(jiǎn)單的一件事情予以復雜化，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)，是有一些業(yè)者正朝向這方面作考量，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。

封裝材料的改變使白光LED壽命達原先的4倍

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 )出現在LED芯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，必須讓更多的電流獲得釋放。除此之外，不僅因為熱現象會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生影響，甚至短波長(cháng)也會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂造成一些問(wèn)題，這是因為環(huán)氧樹(shù)脂相當容易被白光 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 )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，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，而改用了硅樹(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。

硅樹(shù)脂能夠分散藍色和近紫外光，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，緩和光穿透率下降的速度。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)改用硅樹(shù)脂作為封裝的材料，例如，相對于波長(cháng)400～450nm的光，環(huán)氧樹(shù)脂約在個(gè)位的數百分比左右，但硅樹(shù)脂對400～450nm的光線(xiàn)吸收卻不到百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長(cháng)方面，硅樹(shù)脂有著(zhù)較出色的表現。

就壽命表現度而言，硅樹(shù)脂可以達到延長(cháng)白光LED使用壽命的目標，甚至可以達到4萬(wàn)小時(shí)以上的使用壽命。但是不是真的適合用來(lái)做照明的應用還有待研究，因為硅樹(shù)脂是具有彈性的柔軟材料，所以在封裝的過(guò)程中，需要特別注意應用的方式，從而設計出最適當的應用技術(shù)。

對于未來(lái)應用方面，提高白光LED的光輸出效率將會(huì )是決勝的關(guān)鍵點(diǎn)。白光LED的生產(chǎn)技術(shù)，從過(guò)去的藍色LED和*YAG熒光體的組合，開(kāi)發(fā)出仿真白光，到利用三色混合或者使用GaN材料，開(kāi)發(fā)出白光LED，對于應用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以看的出將會(huì )朝向更廣泛的方向擴展。另外，白光LED的發(fā)光效率，已經(jīng)有了不錯的發(fā)展，日本LED照明推進(jìn)協(xié)會(huì )的目標是，期望能夠在2009年達到100lm/w的發(fā)光效率，所以預計在數年內，100lm/w發(fā)光效率就能夠實(shí)際上商業(yè)化應用。

日亞化學(xué)積極開(kāi)發(fā)白光半導體雷射

在期望LED達到色純度較高的白光及高亮度的要求下，各業(yè)者不斷的從每一領(lǐng)域加以改善，而達到這一目標，但在進(jìn)展速度上，看起來(lái)仍舊相當的緩慢。因此部分業(yè)者開(kāi)始考慮采用其它的技術(shù)，來(lái)實(shí)現目前業(yè)界對于類(lèi)似白光LED的光亮度要求。在高亮度藍、白光LED領(lǐng)域的日亞化學(xué)，便將一部份的研發(fā)方向，朝向開(kāi)發(fā)白光雷射做努力。

日亞化學(xué)利用與白光LED相同的GaN系材料制作半導體雷射，開(kāi)發(fā)出了白光光源，以目前的表現來(lái)說(shuō)，輝度已經(jīng)能夠達到10cd/mm左右，現有的白光LED如果期望達到這個(gè)輝度值是相當困難的，即使增加電流期望亮度增加，但這樣將會(huì )使得接合點(diǎn)的溫度上升，所帶來(lái)的結果不僅會(huì )使整個(gè)發(fā)光效率降低外，還會(huì )浪費相當多的電量。

日亞化學(xué)所開(kāi)發(fā)的白光半導體雷射，在芯片端不再使用熒光材料，而是將發(fā)光部分和白光產(chǎn)生的部分分開(kāi)處理，利用200mw的藍紫色半導體雷射，發(fā)出 405nm的波長(cháng)光線(xiàn)，把藍色或藍紫色半導體雷射與光纖的面進(jìn)行連接，讓白光從涂了熒光材料光纖的另一面發(fā)射出來(lái)，而所產(chǎn)生出來(lái)的白光直徑僅有 1.25mm，這個(gè)面積只有相同光量白光LED的1/20，所需的功耗不到0.1W，所以，在散熱部分也不需要太多考慮。

雖然看起來(lái)在特性的方面是相當的不錯，不過(guò)還是有一些缺點(diǎn)的，在使用壽命上，只有3,000小時(shí)左右，價(jià)格太貴。雖然價(jià)格的問(wèn)題花一點(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日元，可能需要10年以上的時(shí)間。