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白光LED长寿大功率低耗电技术

时间:2011-11-11 14:48:16

  过去LED业者为了获利充分的白光LED光束,曾经开发大尺寸LED芯片试图借此方式达成预期目标,不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降,发光效率则相对降低20~30%,换句话说白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍,消费电力特性希望超越荧光灯的话,就必需先克服下列的四大课题:a.抑制温升;b.确保使用寿命;c.改善发光效率;d.发光特性均等化。
  有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗;维持LED的使用寿命具体方法,是改善芯片外形、采用小型芯片;改善LED的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片;至于发光特性均匀化具体方法是LED的改善封装方法,一般认为2005~2006年白光LED可望开始采用上述对策。
  开发经纬增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下,因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图借此改善上述问题,然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上,而且温升还会使发光效率大幅下跌,即使封装技术允许高热量不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值,最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。
  有关LED的使用寿命,例如改用硅质密封材料与陶瓷封装材料,能使LED的使用寿命提高10%,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线,传统环氧树脂密封材料极易被短波长光线破坏,高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化,根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度已经降低一半以上,根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。
  有关LED的发光效率,改善芯片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水准,主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大型芯片取出光线,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境,如果改善芯片的电极构造,理论上就可以解决上述取光问题。
  有关发光特性均匀性,一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性,与荧光体的制作技术应该可以克服上述困扰。
  如上所述提高施加电力的同时,必需设法减少热阻抗、改善散热问题,具体内容分别是:
  ①降低芯片到封装的热阻抗
  ②抑制封装至印刷电路基板的热阻抗
  ③提高芯片的散热顺畅性
  为了要降低热阻抗,许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片(heatsink)表面,接着再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线,连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上,根据德国OSRAMOptoSemiconductorsGmb实验结果证实,上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED芯片的接合温度比焊接点高18K,即使印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只有700C左右;相较之下以往热阻抗一旦降低的话,LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响,如此一来必需设法降低LED芯片的温度,换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗,可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构,如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌,因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术,该公司将1mm正方的蓝光LED以flipchip方式封装在陶瓷基板上,接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面,根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。
  由于散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果,因此印刷电路板的设计变得非常复杂,有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技术,CITIZEN公司2004年开始样品出货的白光LED封装,不需要特殊接合技术也能够将厚约2~3mm散热鳍片的热量直接排放到外部,根据该公司表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右,不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下,该白光LED模块也可以连续点灯使用。
  Lumileds公司2005年开始样品出货的高功率LED芯片,接合容许温度更高达+1850C,比其它公司同级产品高600C,利用传统RF4印刷电路板封装时,周围环境温度400C范围内可以输入相当于1.5W电力的电流(大约是400mA)。
  如以上介绍Lumileds与CITIZEN公司采取提高接合点容许温度,德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片表面,达成9K/W超低热阻抗记录,该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻抗减少40%,值得一提是该LED模块封装时,采用与传统方法相同的flipchip方式,不过LED模块与热鳍片接合时,则选择最接近LED芯片发光层作为接合面,借此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。
  2003年东芝Lighting公司曾经在400mm正方的铝合金表面,铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却风扇等特殊散热组件前提下,试作光束为300lm的LED模块,由于东芝Lighting公司拥有丰富的试作经验,因此该公司表示由于仿真分析技术的进步,2006年之后超过60lm/W的白光LED,都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性,或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热,不需要特殊散热技术的模块结构也能够使用白光LED。
  有关LED的长寿化,目前LED厂商采取的对策是变更密封材料,同时将荧光材料分散在密封材料内,尤其是硅质密封材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂密封材料,可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。
  由于环氧树脂吸收波长为400~450nm的光线的百分比高达45%,硅质密封材料则低于1%,辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时,硅质密封材料可以延长到四万小时左右,几乎与照明设备的设计寿命相同,这意味着照明设备使用期间不需更换白光LED。不过硅质树脂属于高弹性柔软材料,加工上必需使用不会刮伤硅质树脂表面的制作技术,此外制程上硅质树脂极易附着粉屑,因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。
  虽然硅质密封材料可以确保LED四万小时的使用寿命,然而照明设备业者却出现不同的看法,主要争论是传统白炽灯与荧光灯的使用寿命,被定义成“亮度降至30%以下”,亮度减半时间为四万小时的LED,若换算成亮度降至30%以下的话,大约只剩二万小时左右。目前有两种延长组件使用寿命的对策,分别是:
  1、抑制白光LED整体的温升;
  2、停止使用树脂封装方式。
  一般认为如果彻底执行以上两项延寿对策,可以达成亮度30%四万小时的要求。抑制白光LED温升可以采用冷却LED封装印刷电路板的方法,主要原因是封装树脂高温状态下,加上强光照射会快速劣化,依照阿雷纽斯法则温度降低100C寿命会延长2倍。
  停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素,因为LED产生的光线在封装树脂内反射,如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板,由于反射板会吸收光线,所以光线的取出量会急遽锐减,这也是LED厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因。

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