如何解決白光LED溫升問題

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2013-10-19

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 去LED業(yè)者為了獲得充分的白光LED光束，恒光電器,，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸led芯片試圖借此方式達(dá)到預(yù)期目標(biāo),。不過，照明產(chǎn)品,，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,，照明產(chǎn)品,，消耗電力特性超越螢光燈的話，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(jié)構(gòu),、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(xù)被開發(fā)中,。

　　解決封裝的散熱問題才是根本方法

　　由于增加電力反而會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(shù),，恒光電器,，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長低于450nm短波長光線,，LED照明工程，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝材料極易被短波長光線破壞，LED筒燈,，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化,，根據(jù)業(yè)者測試結(jié)果顯示連續(xù)點燈不到一萬小時，LED天花燈,，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,。

設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題

　　有關(guān)發(fā)光特性均勻性,，一般認(rèn)為只要改善白光LED的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的制作技術(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：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廠商將LED芯片設(shè)置在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heatsink)表面,，接著再用焊接方式將印刷電路板的散熱用導(dǎo)線連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱器上。根據(jù)德國OSRAMOptoSemiconductorsGmb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,，LED照明品牌，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，LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響,。因此,，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芯片降溫作用的負(fù)擔(dān),。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量,，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)果仍然會使發(fā)光效率急劇下跌。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flipchip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)松下報導(dǎo)包含印刷電路板在內(nèi)模組整體的熱阻抗大約是15K/W左右,。

　　各業(yè)者展現(xiàn)散熱設(shè)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(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在2004年開始開始制造白光LED樣品封裝,，不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據(jù)該CITIZEN報導(dǎo)雖然LED芯片的接合點到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,，而且在一般環(huán)境下室溫會使熱阻抗增加1W左右,，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模組也可以連續(xù)點燈使用,。

　　Lumileds于2005年開始制造的高功率LED芯片,，接合容許溫度更高達(dá)+185℃，比其他公司同級產(chǎn)品高60℃,，恒光電器,，利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時，LED球泡燈,，周圍環(huán)境溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流(大約是400mA),。所以Lumileds與CITIZEN是采取提高接合點容許溫度，照明產(chǎn)品,，德國OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)置在散熱器表面,，達(dá)到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發(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,，采用與傳統(tǒng)方法相同的flipchip方式,，不過LED模組與散熱器接合時，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,，恒光電器，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)的模組結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED.

　　變更封裝材料抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度

　　有關(guān)LED的長壽化,，目前LED廠商采取的對策是變更封裝材料，同時將螢光材料分散在封裝材料內(nèi),，尤其是矽質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光,、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂封裝材料，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%,，矽質(zhì)封裝材料則低于1%，輝度減半的時間環(huán)氧樹脂不到一萬小時,，矽質(zhì)封裝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.不過矽質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料,，加工時必需使用不會刮傷矽質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù),，此外加工時矽質(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),。

　　雖然矽質(zhì)封裝材料可以確保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)白熾燈與螢光燈的使用壽命,，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,。目前有兩種延長元件使用壽命的對策,，分別是，抑制白光LED整體的溫升,，和停止使用樹脂封裝方式,。