白光LED的發(fā)光效率及使用壽命問(wèn)題

有關(guān)覆芯片化封裝方式，由于發(fā)光層貼近封裝端極易排放熱量，加上發(fā)光層的光線發(fā)射到外部時(shí)無(wú)電極遮蔽的困擾，所以美國(guó)Lumileds公司與日本豐田合作已經(jīng)正式采用覆芯片化封裝方式，芯片表面加工可以防止光線從芯片內(nèi)部朝芯片外部發(fā)射時(shí)在界面處發(fā)生反射，若在光線取出部位的藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，芯片外部的取光率可以提高30%左右。經(jīng)過(guò)改良的大型LED芯片封裝實(shí)體可以使芯片側(cè)面射出的光線朝封裝上方的反射板行進(jìn)，高效率取出芯片內(nèi)部光線的封裝大小是7mm×7mm左右。大型LED的最后封裝方式如圖5所示。

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(gè)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(gè)封裝模塊最多使用12個(gè)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(duì)于白光LED輝度與色溫不均勻問(wèn)題，在使用上必須篩選光學(xué)特性類似的白光LED。事實(shí)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(shí)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(wèn)題，如松下電器公司已通過(guò)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(gè)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(shí)LED芯片先封裝在次基板測(cè)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(gè)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(gè)LED芯片合計(jì)的發(fā)光特性在封裝之間的不均勻性會(huì)變得非常小。利用多個(gè)小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長(zhǎng)均勻性的效果如圖6所示。

圖6 利用多個(gè)小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長(zhǎng)均勻性

白光LED通常是用內(nèi)含熒光體材料的密封樹(shù)脂直接包覆LED芯片，此時(shí)密封樹(shù)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(shù)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(guò)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(shuō)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(lái)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(lái)達(dá)到照明所需要的流明數(shù)。針對(duì)這人問(wèn)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(lái)使用，而其中每只白光LED所需要的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)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(wú)論是使用何種方法，都會(huì)因?yàn)楸仨氃跇O小的LED封裝中處理極高的熱量，若組件無(wú)法散去這些熱量，除了各種封裝材料會(huì)由于彼此間膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠性的問(wèn)題，芯片的發(fā)光效率更會(huì)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(duì)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(shù)脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹(shù)脂幾乎都是不導(dǎo)熱材料，因此對(duì)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(shì)看來(lái)，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?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)材料間產(chǎn)生應(yīng)力而造成可靠性問(wèn)題，所以一般都會(huì)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(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)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(wèn)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(kāi)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(xiàng)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(diǎn)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(shí)可以明顯提高內(nèi)部量子效率，未來(lái)必須針對(duì)紫外光LED進(jìn)一步降低它的轉(zhuǎn)位密度。不過(guò)這項(xiàng)對(duì)策對(duì)綠光、藍(lán)光LED并沒(méi)有明顯的影響。

綠光與藍(lán)光LED在低電流密度（約1A/cm2）時(shí)具有最大的量子效率，在高電流密度時(shí)量子效率反而會(huì)下降，如圖7所示。從成本觀點(diǎn)考慮時(shí)則希望LED能夠以高電流密度來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開(kāi)綠光與藍(lán)光LED高電流密度時(shí)量子效率下降的機(jī)理與原因，不單是材料物理特性探索上的需要，這項(xiàng)研究對(duì)于未來(lái)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(zhǎng)為382nm）即使施加高電流密度（50A/cm2），量子效率也不會(huì)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(zhǎng)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(gè)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(kāi)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(duì)高亮度輸出相當(dāng)不利。LED內(nèi)部量子效率對(duì)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(diǎn)。