白光LED壽命介紹

圖5 大型LED的最后封裝方式

小型LED芯片的發(fā)光效率的提升似乎比大型LED芯片模塊更有效。例如日本CITIZEN公司組合8個小型LED芯片，達(dá)到60lm/W的高發(fā)光效率。若使用日亞公司制作的0.3mm×0.3mm 小型LED芯片，一個封裝模塊最多使用12個這樣的芯片，各LED芯片采用傳統(tǒng)金線粘合封裝方式，施加功率是2W左右。

對于白光LED輝度與色溫不均勻問題，在使用上必須篩選光學(xué)特性類似的白光LED。事實上減少白光LED發(fā)光特性的不均勻性、使LED芯片發(fā)光特性一致化以及實施熒光體材料濃度分布均勻化管理是非常重要的。

有關(guān)LED芯片的發(fā)光特性，各廠商都在非常積極地進(jìn)行芯片篩選、發(fā)光特性的均等化處理等以減少LED發(fā)光特性不均勻問題，如松下電器公司已通過芯片的篩選達(dá)成特性一致化的目標(biāo)。該公司利用覆芯片化方式，將64個LED芯片封裝在一片基板上，最后再分別覆蓋熒光體。在加工時LED芯片先封裝在次基板測試發(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。8個LED芯片封裝在一片基板上，即使LED芯片的發(fā)光特性不均勻，8個LED芯片合計的發(fā)光特性在封裝之間的不均勻性會變得非常小。利用多個小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長均勻性的效果如圖6所示。

圖6 利用多個小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長均勻性

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的色溫分布不均勻。因此，可將含熒光體材料的樹脂薄片與LED芯片結(jié)合，由于薄片厚度與熒光體材料的濃度經(jīng)過嚴(yán)格的管理，所以白光LED的色溫分布不均程度比傳統(tǒng)方式減少了4/5。業(yè)界認(rèn)為使用熒光體薄片方式，配合LED芯片的發(fā)光特性，改變熒光體的濃度與薄片的厚度，就可以使白光LED的色溫變化控制在預(yù)期范圍內(nèi)。

雖然說隨著白光LED發(fā)光效率的逐步提高，將白光LED應(yīng)用在照明領(lǐng)域的可能性也越來越大，但是很明顯地，單只白光LED的光通量均偏低，因此以目前的封裝形式是不太可能以單只白光LED來達(dá)到照明所需要的流明數(shù)。針對這人問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類：一類是較傳統(tǒng)地將多只LED組成光源模塊來使用，而其中每只白光LED所需要的驅(qū)動電源與一般使用的相同（為20~30mA）；另一類方法是使用較大面積的芯片，此時不再使用傳統(tǒng)的0.3mm²大小的芯片，而采用0.6~1mm²大小的芯片，并使用高驅(qū)動電流來驅(qū)動這樣的發(fā)光組件（一般為150~350mA，目前最高達(dá)到500mA以上）。但無論是使用何種方法，都會因為必須在極小的LED封裝中處理極高的熱量，若組件無法散去這些熱量，除了各種封裝材料會由于彼此間膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠性的問題，芯片的發(fā)光效率更會隨著溫度的上升而有明顯地下降，并造成使用壽命明顯地縮短。因此，如何散去組件中的熱量，成為目前白光LED封裝技術(shù)的重要課題。

對于白光LED而言，最重要的是輸出的光通量及光色，所以白光LED的一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的環(huán)氧樹脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹脂幾乎都是不導(dǎo)熱材料，因此對于目前的白光LED封裝技術(shù)而言，主要是利用其白光LED芯片下方的金屬腳座散去組件所發(fā)出的熱量。就目前的趨勢看來，金屬腳座材料主要是以高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料為主而組成的，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與芯片間的熱膨脹系數(shù)差異甚大，若將其直接接觸，很可能因為在溫度升高時材料間產(chǎn)生應(yīng)力而造成可靠性問題，所以一般都會在材料間加上具有適當(dāng)傳導(dǎo)系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。松下電器將公司多只白光LED制成在金屬材料與金屬系復(fù)合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊，利用光源基板的高導(dǎo)熱效果，使光源的輸出在長時間使用時仍能維持穩(wěn)定。Lumileds生產(chǎn)的白光LED基板所使用的材料為具有高傳導(dǎo)系數(shù)的銅材，再將其連接至特制的金屬電路板，就可以兼顧電路導(dǎo)通及增加熱傳導(dǎo)效果。

大功率白光LED產(chǎn)品的芯片制造技術(shù)、封裝技術(shù)似乎已經(jīng)成為高亮度白光LED的主流技術(shù)，然而與大芯片相關(guān)的制造技術(shù)及封裝技術(shù)不只是將芯片面積做大，若希望將白光LED應(yīng)用于高亮度照明領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究。

白光LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域還有諸多問題需要解決，首先是白光LED的效率提升，例如GaInN系的綠光、藍(lán)光以及近紫外光LED的效率仍有很大的開發(fā)裕度。此外，綜合能源效率的內(nèi)部量子效率的提升是最重要的項目，內(nèi)部量子效率由活性層的非發(fā)光再結(jié)合百分比與發(fā)光再結(jié)合百分比所決定，因此可以把焦點鎖定在非發(fā)光再結(jié)合這部分，并設(shè)法降低結(jié)晶缺陷。而減少紫外光LED的轉(zhuǎn)位密度確實可以明顯提高內(nèi)部量子效率，未來必須針對紫外光LED進(jìn)一步降低它的轉(zhuǎn)位密度。不過這項對策對綠光、藍(lán)光LED并沒有明顯的影響。

綠光與藍(lán)光LED在低電流密度（約1A/cm²）時具有最大的量子效率，在高電流密度時量子效率反而會下降，如圖7所示。從成本觀點考慮時則希望LED能夠以高電流密度來驅(qū)動，同時盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開綠光與藍(lán)光LED高電流密度時量子效率下降的機理與原因，不單是材料物理特性探索上的需要，這項研究對于未來應(yīng)用也是具有關(guān)鍵性的角色。目前的研究顯示紫光LED（波長為382nm）即使施加高電流密度（50A/cm²），量子效率也不會下降。

圖7 GaInN 系 LED的量子效率與電流密度的關(guān)系

傳統(tǒng)的白光LED都是將邊長為200~350μm的正方形芯片封裝成圓頭柱外形，之后為了獲得照明所需要的光束，再將已封裝的多個白光LED組件排列成矩陣狀。單純以高輸出功率為目的而特別開發(fā)出的面積比以往芯片大6~10倍，外形尺寸高達(dá)500μm~1mm的白光LED，雖然封裝后可獲得數(shù)百毫瓦（數(shù)十流明）的輸出功率，但是加大芯片的外形尺寸，反而使白光LED內(nèi)部的光吸收比率增加、外部取光率降低。就以AlGaInP LED為例，芯片的外形尺寸從0.22mm×0.22mm加大為0.50mm×0.50mm后，外部取光率反而降低20%左右。如果改用TIP結(jié)構(gòu)，內(nèi)部多重反射的結(jié)果使得內(nèi)部光吸收率降低，外部取光率則明顯提高。GaInN LED 也有相同的效果。如何提高LED芯片的外部取光率是LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域的關(guān)鍵。此外，高的熱阻抗（150~200K/W）對高亮度輸出相當(dāng)不利。LED內(nèi)部量子效率對活性層溫度的依存度極大，因此除了低熱阻抗封裝技術(shù)之外，利用散熱片排除活性層的熱流成為今后研發(fā)的熱點。