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白光LED長壽大功率低耗電技術(shù)

摘自:國際光電與顯示     作者:宏拓新軟件
    發(fā)布日期:2007-11-26         
閱讀:74     
 
 
    過去LED業(yè)者為了獲利充分的白光LED光束,曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片試圖借此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo),不過實際上白光LED的施加電力持續(xù)超過1W以上時光束反而會下降,發(fā)光效率則相對降低20~30%,換句話說白光LED的亮度如果要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍,消費電力特性希望超越熒光燈的話,就必需先克服下列的四大課題:a.抑制溫升;b.確保使用壽命;c.改善發(fā)光效率;d.發(fā)光特性均等化。
   
    有關(guān)溫升問題具體方法是降低封裝的熱阻抗;維持LED的使用壽命具體方法,是改善芯片外形、采用小型芯片;改善LED的發(fā)光效率具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)、采用小型芯片;至于發(fā)光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法,一般認(rèn)為2005~2006年白光LED可望開始采用上述對策。
   
    開發(fā)經(jīng)緯
   
    增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下,因此國外業(yè)者曾經(jīng)開發(fā)耐高溫白光LED試圖借此改善上述問題,然而實際上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍以上,而且溫升還會使發(fā)光效率大幅下跌,即使封裝技術(shù)允許高熱量不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值,最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。
   
    有關(guān)LED的使用壽命,例如改用硅質(zhì)密封材料與陶瓷封裝材料,能使LED的使用壽命提高10%,尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長低于450nm短波長光線,傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞,高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化,根據(jù)業(yè)者測試結(jié)果顯示連續(xù)點燈不到一萬小時,高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上,根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。
   
    有關(guān)LED的發(fā)光效率,改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu),都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水準(zhǔn),主要原因是電流密度提高2倍以上時,不但不容易從大型芯片取出光線,結(jié)果反而會造成發(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(gòu)造,理論上就可以解決上述取光問題。
   
    有關(guān)發(fā)光特性均勻性,一般認(rèn)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)應(yīng)該可以克服上述困擾。
   
    如上所述提高施加電力的同時,必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題,具體內(nèi)容分別是:
    ①降低芯片到封裝的熱阻抗
    ②抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗
    ③提高芯片的散熱順暢性
   
    為了要降低熱阻抗,許多國外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片(heat sink)表面,接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導(dǎo)線,連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱鰭片上,根據(jù)德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb實驗結(jié)果證實,上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W,大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右,封裝后的LED施加2W的電力時,LED芯片的接合溫度比焊接點高18K,即使印刷電路板溫度上升到500C,接合溫度頂多只有700C左右;相較之下以往熱阻抗一旦降低的話,LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響,如此一來必需設(shè)法降低LED芯片的溫度,換句話說降低LED芯片到焊接點的熱阻抗,可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān)。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu),如果熱量無法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話,LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會急遽下跌,因此松下電工開發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù),該公司將1mm正方的藍(lán)光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上,接著再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印刷電路板表面,根據(jù)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。
   
    由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導(dǎo)效果,因此印刷電路板的設(shè)計變得非常復(fù)雜,有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝廠商,相繼開發(fā)高功率LED用簡易散熱技術(shù),CITIZEN公司2004年開始樣品出貨的白光LED封裝,不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部,根據(jù)該公司表示雖然LED芯片的接合點到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般環(huán)境下室溫會使熱阻抗增加1W左右,不過即使是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下,該白光LED模塊也可以連續(xù)點燈使用。
   
    Lumileds公司2005年開始樣品出貨的高功率LED芯片,接合容許溫度更高達(dá)+1850C,比其它公司同級產(chǎn)品高600C,利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時,周圍環(huán)境溫度400C范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流(大約是400mA) 。
   
    如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點容許溫度,德國OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)在散熱鰭片表面,達(dá)成9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級品的熱阻抗減少40%,值得一提是該LED模塊封裝時,采用與傳統(tǒng)方法相同的flip chip方式,不過LED模塊與熱鰭片接合時,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(dǎo)排放。
   
    2003年東芝Lighting公司曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面,鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED,無冷卻風(fēng)扇等特殊散熱組件前提下,試作光束為300lm的LED模塊,由于東芝Lighting公司擁有豐富的試作經(jīng)驗,因此該公司表示由于仿真分析技術(shù)的進(jìn)步,2006年之后超過60lm/W的白光LED,都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導(dǎo)性,或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷方式設(shè)計照明設(shè)備的散熱,不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。
   
    有關(guān)LED的長壽化,目前LED廠商采取的對策是變更密封材料,同時將熒光材料分散在密封材料內(nèi),尤其是硅質(zhì)密封材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂密封材料,可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。
   
    由于環(huán)氧樹脂吸收波長為400~450nm的光線的百分比高達(dá)45%,硅質(zhì)密封材料則低于1%,輝度減半的時間環(huán)氧樹脂不到一萬小時,硅質(zhì)密封材料可以延長到四萬小時左右,幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計壽命相同,這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料,加工上必需使用不會刮傷硅質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù),此外制程上硅質(zhì)樹脂極易附著粉屑,因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。
   
    雖然硅質(zhì)密封材料可以確保LED四萬小時的使用壽命,然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法,主要爭論是傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈的使用壽命,被定義成“亮度降至30%以下”,亮度減半時間為四萬小時的LED,若換算成亮度降至30%以下的話,大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策,分別是:
    1、抑制白光LED整體的溫升;
    2、停止使用樹脂封裝方式。
   
    一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項延壽對策,可以達(dá)成亮度30%四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法,主要原因是封裝樹脂高溫狀態(tài)下,加上強(qiáng)光照射會快速劣化,依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會延長2倍。
   
    停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素,因為LED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射,如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹脂材質(zhì)反射板,由于反射板會吸收光線,所以光線的取出量會急遽銳減,這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。
   
    芯片大小的爭議
   
    有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率,一個是使用面積比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片;另外一種方式是利用多個小型高發(fā)光效率LED芯片,組合成一個單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束,不過加大芯片面積會有弊害,例如芯片內(nèi)發(fā)光層的電界不均等、發(fā)光部位受到局限、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部過程會嚴(yán)重衰減等等。針對以上問題LED廠商透過電極結(jié)構(gòu)的改良、采用flip chip封裝方式,同時整合芯片表面加工技巧,目前已經(jīng)達(dá)成50lm/W的發(fā)光效率。 
   
    有關(guān)芯片整體的電界均等性,自從2、3年前出現(xiàn)梳子狀與網(wǎng)格狀(mesh)p型電極之后,采用這種方式的廠商不斷增加,而且電極也朝最佳化方向發(fā)展。
   
    有關(guān)flip chip封裝方式,由于發(fā)光層貼近封裝端極易排放熱量,加上發(fā)光層的光線放射到外部時無電極遮蔽的困擾,所以美國Lumileds與日本豐田合成已經(jīng)正式采用flip chip封裝方式,2005年開始量產(chǎn)大型LED的松下電器/松下電工與東芝也陸續(xù)跟進(jìn),以往采用wire bonding封裝方式的日亞化學(xué),2004年發(fā)表的50lm/W客戶專用品LED,也是采用flip chip封裝方式。
   
    有關(guān)芯片表面加工,它可以防止光線從芯片內(nèi)部朝芯片外部放射時在界面發(fā)生反射,根據(jù)日本某LED廠商表示flip chip封裝時,若在光線取出部位藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu),芯片外部的取出光束可以提高30%左右。雖然各LED廠商都不愿意透露凹凸結(jié)構(gòu)詳細(xì)使用狀況,不過一般認(rèn)為已經(jīng)朝正式采用方向發(fā)展。
   
    此外工程師普遍認(rèn)為內(nèi)建經(jīng)過改良的大型LED芯片封裝實體,其實它的封裝大小某種程度已經(jīng)被決定,豐田合成甚至表示收容1mm正方的LED芯片,加上封裝內(nèi)部設(shè)置可以使芯片側(cè)面出射光線朝封裝上方行進(jìn)的反射板,高效率取出芯片內(nèi)部光線的封裝大小大約是7mm正方左右。
   
    LED業(yè)者對小型LED芯片的發(fā)光效率提升,似乎比使用大型LED芯片模塊來得更積極,例如日本CITIZEN公司組合8個小型LED芯片,首度達(dá)成高功率LED 60lm/W業(yè)界最高發(fā)光效率,CITIZEN認(rèn)為大型LED芯片的發(fā)光效率發(fā)展進(jìn)度比小型芯片慢1~2年,為了要在高功率LED領(lǐng)域領(lǐng)先同業(yè),整合多個小型LED芯片獲得大光束才是上策。該公司的白光LED使用日亞化學(xué)制作的0.3mm正方小型LED芯片,一個封裝模塊最多使用12個芯片,各LED芯片采用傳統(tǒng)wire bonding封裝方式,施加電力大約是2W左右。
   
    針對多個小型LED芯片與wire bonding封裝方式,有業(yè)者認(rèn)為如此只會增加封裝成本,不過CITIZEN公司認(rèn)wire bonding的加工成本占白光LED整體制作成本不到1%,該公司卻強(qiáng)調(diào)成本增加的影響非常小,因為wire bonding的加工使用既有的設(shè)備,不需要額外的設(shè)備投資,此外同業(yè)還認(rèn)為wire bonding會遮蔽LED芯片產(chǎn)生的光線,不過使用小型LED芯片的LED模塊,它的發(fā)光效率與影響似乎沒有預(yù)料中的嚴(yán)重。
   
    均等化減少發(fā)光特性不均現(xiàn)象
   
    最后要探討LED廠商最矚目的白光LED輝度與色溫不均問題。大部分LED廠商都認(rèn)為“使用上必需篩選光學(xué)特性類似的LED”,事實上減少LED發(fā)光特性不均、LED芯片發(fā)光特性一致化,以及熒光體材料的濃度分布均勻化管理非常重要。目前大部分廠商都是從其它公司購買LED芯片,再自行開發(fā)降低發(fā)光特性分布不均的技術(shù),依此組合制作成新型高功率LED。
   
    對芯片外購的廠商而言,本身若擁有降低發(fā)光特性分布不均的技術(shù),即使從各LED芯片廠商購買LED芯片,理論上仍然可以維持白光LED的光學(xué)特性。
   
    有關(guān)LED芯片的發(fā)光特性,各廠商都非常積極進(jìn)行芯片篩選、發(fā)光特性的均等化等減少LED發(fā)光特性不均的作業(yè),其中松下電器透過芯片的篩選達(dá)成特性一致化的目標(biāo),該公司利用flip chip方式,將64個LED芯片封裝在一片基板上,最后再個別覆蓋熒光體。該公司表示試作階段曾經(jīng)直接將LED芯片封裝在主基板上,不過未封裝至主基板就無法窺探LED芯片最終發(fā)光特性,即使發(fā)現(xiàn)發(fā)光特性不均等也無法拆卸更換,因此加工時LED芯片先封裝在sub基板測試發(fā)光特性,接著將發(fā)光特性一致的芯片移植封裝在主基板上。采用低功率LED芯片的CITIZEN則表示即使芯片數(shù)量眾多,該公司擁有可以使發(fā)光特性均等化的技巧,CITIZEN將8個LED芯片封裝在一片基板上,即使LED芯片的發(fā)光特性不均等,8個LED芯片合計的發(fā)光特性,在封裝之間的不均勻會變得非常小。
   
    松下電工簡便化熒光體管理方法可以有效減輕發(fā)光特性不均等問題。白光LED通常是用內(nèi)含熒光體材料的密封樹脂直接包覆LED芯片,此時密封樹脂中熒光體材料的濃度可能出現(xiàn)偏差,最后造成白光LED的色溫分布不均等,因此該公司將含熒光體材料的樹脂性sheet與LED芯片結(jié)合,由于sheet厚度與熒光體材料的濃度經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾,因此LED的色溫分布不均比傳統(tǒng)方式減少4/5。業(yè)界認(rèn)為使用熒光體sheet方式,配合LED芯片的發(fā)光特性,改變熒光體的濃度與sheet的厚度,就可以使白光LED的色溫變控制在成預(yù)期范圍內(nèi),因此使用上具有非常高的方便性。
   
    結(jié)語
   
    以上介紹國外各大LED廠商白光LED大功率、低耗電、長壽化最新技術(shù)動向,自從日亞化學(xué)中村博士發(fā)表藍(lán)光LED之后,利用藍(lán)光LED制成的白光LED一直被視為次世代主要照明光源,雖然目前的技術(shù)要全面取代傳統(tǒng)燈具還有許多問題有待克服,不過由于國內(nèi)外各大LED廠商陸續(xù)加入開發(fā)行列,因此一般認(rèn)為這對白光LED普及化有非常正面的助益。
 

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