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高功率白光 LED 散热问题的解决方案

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        今天,白光 LED 仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题,无法发挥白光 LED 被期待的应用优点。但就需求层面来看,不仅一般的照明用途,随着手机、 LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用,使得最合适开发稳定白光 LED 的技术研究成果就广泛的被关注。

   改善白光 LED 的发光效率,目前有两大方向,一是提高 LED 芯片的面积,藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。

藉由提高芯片面积来增加发光量

        虽然,将 LED 芯片的面积予以大型化,藉此能够获得高得多的亮度,但因过大的面积,在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以,针对这样的问题,部分 LED 业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造,在芯片表面进行改良,来达到 50lm/W 的发光效率。例如在白光 LED 覆晶封装的部分,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,电极不会被遮蔽,但缺点就是所产生的热不容易消散。并非进行芯片表面改善后,再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮度,因为当光从芯片内部向外扩散射时,芯片中这些改善的部分无法进行反射,所以在取光上会受到一点限制,根据计算,最佳发挥光效率的 LED 芯片尺寸是在 7mm2 左右

利用封装数个小面积 LED 芯片快速提高发光效率

   和大面积 LED 芯片相比,利用小功率 LED 芯片封装成同一个模块,这样是能够较快达到高亮度的要求,例如,Citizen 就将 8 个小型 LED 封装在一起,让模块的发光效率达到了 60lm/W,堪称是业界的首例。

   但这样的做法也引发的一些疑虑,因为是将多颗 LED 封装在同一个模块上,必须置入一些绝缘材料,以免造成 LED 芯片间的短路情况发生,如此一来就会增加了不少的成本。  

   对此 Citizen 的解释是:“对于成本的影响幅度是相当小的,因为相较于整体的成本比例,这些绝缘材料仅不到百分之一,并可以利用现有的材料来做绝缘应用,这些绝缘材料不需要重新开发,也不需要增加新的设备来因应。” 

        虽然 Citizen 的解释理论上是合理的,但是,对于无经验的业者来说,这就是一项挑战,因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有其它方式可达到提高发光效率的目标,许多业者发现,在 LED 蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构,这样或许可以提高光输出量,所以,有逐渐朝向在芯片表面建立 Texture 或 Photonics 结晶的架构。例如德国的 OSRAM 就是以这样的架构开发出“Thin GaN”高亮度 LED。原理是在 InGaN 层上形成金属膜,之后再剥离蓝宝石,这样,金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出,根据 OSRAM 的资料显示,这样的结构可以获得 75%的光取出效率。  

   除了芯片的光取出方面需要做努力外,因为期望能够获得更高的光效率,在封装的部分也是必须做一些改善。事实上,每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响,不过,这并不代表着,因为封装的制程就一定会增加更高的光损失,就像日本 OMROM 所开发的平面光源技术,就能够大幅度的提升光取出效率,这样的结构是将 LED 所射出的光线,利用 LENS 光学系统以及反射光学系统来做控制的,所以 OMROM 称之为“Double reflection ”。利用这样的结构,可将传统炮弹型封装等的 LED 所造成的光损失,针对封装的广角度反射来获得更高的光效率,更进一步的是,在表面所形成的 Mesh 上进行加工,而形成双层的反射效果,这样的方式可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样特殊的设计,利用反射效果达到高光取出效率的 LED,主要的用途是针对 LCD TV 背光所应用的。

封装材料和荧光材料的重要性增加

   如果期望用来作为 LCD TV 背光应用的话,那幺需要克服的问题就会更多了。因为 LCD TV 的连续使用时间都是长达数个小时,甚至 10 几个小时,所以,由于这样长时间的使用情况下,拿来作为背光的白光 LED 就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。

   目前已发表的高功率的白光 LED,它的发光功率是一个低功率白光 LED 亮度的数十 倍,所以期望利用高功率白光 LED 来代替荧光灯作为照明设备的话,有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如,白光 LED 长时间连续使用 1W 的情况下,会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象,不是只有高功率白光 LED 才会出现这样的情况,低功率白光 LED 也会存在这样的问题,只不过是因为低功率白光应用的产品不同,所以,并不会因此特别突显出这样的困扰。

   使用的电流愈大,所获得的亮度就愈高,这是一般对于 LED 能够达到高亮度的观念,不过,因为所使用的电流增加,因此封装材料是否能够承受这样长时间的因为电流所产生的热,也因为这样的连续使用,往往封装材料的热抵抗会降到 10k/w 以下。

   高功率 LED 的发热量是低功率 LED 的数十倍,因此,会出现随着温度上升,而出现发光功率降低的问题,所以在能够抗热性高封装材料的开发上,相对显的非常重要。

   或许在 20~30lm/W 以下的 LED,这些问题都不明显,但是,一旦面临 60lm/w 以上的高发光功率 LED 的时候,就需要想办法解决的。热效应所带来的影响,绝对不会仅仅只有 LED 本身,而是会对整个应用产品带来困扰,所以,LED 如果能够在这一方面获得解决的话,那幺,也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此,在面对不断提高电流情况的同时,如何增加抗热能力,也是现阶段的急待被克服的问题。从各方面来看,除了材料本身的问题外,还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构及封装材料到 PCB 板间的抗热性、导热结构和 PCB 板的散热结构等,这些都需要作整体性的考量。例如,即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性,但因从封装到 PCB 板的散热效果不好的话,同样也是造成 LED 芯片温度的上升,出现发光效率下降的现象。所以,就像是松下就为了解决这样的问题,从 2005 年开始,便把包括圆形、线形、面型的白光 LED,与 PCB 基板设计成一体,来克服可能因为出现在从封装到 PCB 板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样,因为各业者的策略关系,有的业者以基板设计的简便为目标,只针对 PCB 板的散热结构进行改良。还有相当多的业者,因为本身不生产 LED,所以只能在 PCB 板做一些研发,但仅此还是不够的,所以需要选择散热性良好的白光 LED。能让 PCB 板上用的金属材料,能与白光 LED 封装中的散热槽紧密连接,达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热,而把简单的一件事情予以复杂化,到底这样是不是符合成本和进步的概念?以今天的应用层面来说,很难做一个判断,不过,是有一些业者正朝向这方面作考量,例如 Citizen 在 2004 年所发表的产品,就是能够从封装上厚度为 2~3mm 的散热槽向外散热,提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光 LED,能让 PCB 板的散热设计得以发挥。

封装材料的改变使白光 LED 寿命达原先的 4 倍

    发热的问题不是只会对亮度表现带来影响,同时也会对 LED 本身的寿命出现挑战,所以在这一部份,LED 不断的开发出封装材料来因应持续提高中的 LED 亮度所产生的影响。

   过去用来作为封装材料的环氧树脂,耐热性比较差,可能会出现在 LED 芯片本身的寿命到达前,环氧树脂就已经出现变色的情况,因此,为了提高散热性,必须让更多的电流获得释放。除此之外,不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响,甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题,这是因为环氧树脂相当容易被白光 LED 中的短波长光线破坏,即使低功率的白光 LED 就已经会造成环氧树脂的破坏,更何况高功率的白光 LED 所含的短波长的光线更多,恶化自然也加速,甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到 5,000 小时。所以,与其不断的克服因为旧有封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰,不如朝向开发新一代的封装材料的选择。目前在解决寿命这一方面的问题,许多 LED 封装业者 都朝向放弃环氧树脂,而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计,因为改变了封装材料,事实上可以提高 LED 的寿命。就资料上来看,代替环氧树脂的封装材料-硅树脂,就具有较高的耐热性,根据试验,即使是在摄氏 150~180 度的高温,也不会变 色的现象,看起来似乎是一个不错的封装材料。 

   硅树脂能够分散蓝色和近紫外光,与环氧树脂相比,硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象,缓和光穿透率下降的速度。以目前的应用来看,几乎所有的高功率白光 LED 产品都已经改用硅树脂作为封装的材料,例如,相对于波长 400 ~450nm 的光,环氧树脂约在个位的数百分比左右,但硅树脂对 400~450nm 的光线吸收却不到百分之一,这样的落差,使得在抗短波长方面,硅树脂有着较出色的表现。

   就寿命表现度而言,硅树脂可以达到延长白光 LED 使用寿命的目标,甚至可以达到 4 万小时以上的使用寿命。但是不是真的适合用来做照明的应用还有待研究,因为硅树脂是具有弹性的柔软材料,所以在封装的过程中,需要特别注意应用的方式,从而设计出最适当的应用技术。

   对于未来应用方面,提高白光 LED 的光输出效率将会是决胜的关键点。白光 LED 的生产技术,从过去的蓝色 LED 和黄色 YAG 荧光体的组合,开发出仿真白光,到利用三色混合或者使用 GaN 材料,开发出白光 LED,对于应用来说,已经可以看的出将会朝向更广泛的方向扩展。另外,白光 LED 的发光效率,已经有了不错的发展,日本 LED 照明推 进协会的目标是,期望能够在 2009 年达到 100lm/w 的发光效率,所以预计在数年内,100lm/w 发光效率就能够实际上商业化应用。

日亚化学积极开发白光半导体雷射

   在期望 LED 达到色纯度较高的白光及高亮度的要求下,各业者不断的从每一领域加以改善,而达到这一目标,但在进展速度上,看起来仍旧相当的缓慢。因此部分业者开始考虑采用其它的技术,来实现目前业界对于类似白光 LED 的光亮度要求。在高亮度蓝、白光 LED 领域的日亚化学,便将一部份的研发方向,朝向开发白光雷射做努力。

   日亚化学利用与白光 LED 相同的 GaN 系材料制作半导体雷射,开发出了白光光源, 以目前的表现来说,辉度已经能够达到 10cd/mm 左右,现有的白光 LED 如果期望达到这个辉度值是相当困难的,即使增加电流期望亮度增加,但这样将会使得接合点的温度上升,所带来的结果不仅会使整个发光效率降低外,还会浪费相当多的电量。  

   日亚化学所开发的白光半导体雷射,在芯片端不再使用荧光材料,而是将发光部分和白光产生的部分分开处理,利用 200mw 的蓝紫色半导体雷射,发出 405nm 的波长光线,把蓝色或蓝紫色半导体雷射与光纤的面进行连接,让白光从涂了荧光材料光纤的另一面发射出来,而所产生出来的白光直径仅有 1.25mm,这个面积只有相同光量白光 LED 的 1/20,所需的功耗不到 0.1W,所以,在散热部分也不需要太多考虑。

   虽然看起来在特性的方面是相当的不错,不过还是有一些缺点的,在使用寿命上,只有 3,000 小时左右,价格太贵。虽然价格的问题花一点时间就可以下降一些,但是以现在 30 万日圆的水准来看的,要降到 3,000 甚至 300 日元,可能需要 10 年以上的时间。 


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