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白光高亮度LED封裝結(jié)構(gòu)可延長(zhǎng)LED壽命

作者: 時(shí)間:2013-11-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

如果白光的亮度要比傳統(tǒng)大很多,消費(fèi)電力特性比熒光燈強(qiáng)的話,就必需先克服以下四大課題: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?! ?/p>本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/221993.htm


有關(guān)溫升問(wèn)題具體方法是降低封裝的熱阻抗;維持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(kāi)始采用上述對(duì)策。

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(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線,傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂密封材料極易被短波長(zhǎng)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(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí),高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上,根本無(wú)法滿足照明光源長(zhǎng)壽命的基本要求?! ?/p>

有關(guān)LED的發(fā)光效率,改善芯片結(jié)構(gòu)與,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(shí),不但不容易從大型芯片取出光線,結(jié)果反而會(huì)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(wèn)題?! ?/p>

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?! ?/p>

如上所述提高施加電力的同時(shí),必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)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(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片(heatsink)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(guó)OSRAMOptoSemiconductorsGmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)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(shí),LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)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(huì)受到印刷電路板溫度的影響,如此一來(lái)必需設(shè)法降低LED芯片的溫度,換句話說(shuō)降低LED芯片到焊接點(diǎn)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(guò)來(lái)說(shuō)即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu),如果熱量無(wú)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(huì)急遽下跌,因此松下電工開(kāi)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(jì)變得非常復(fù)雜,有鑒于此美國(guó)Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝廠商,相繼開(kāi)發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù),CITIZEN公司2004年開(kāi)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(diǎn)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(huì)使熱阻抗增加1W左右,不過(guò)即使是傳統(tǒng)印刷電路板無(wú)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(diǎn)燈使用?! ?/p>

Lumileds公司2005年開(kāi)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(jí)產(chǎn)品高600C,利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時(shí),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)?! ?/p>

如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點(diǎn)容許溫度,德國(guó)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(guò)去開(kāi)發(fā)同級(jí)品的熱阻抗減少40%,值得一提是該LED模塊封裝時(shí),采用與傳統(tǒng)方法相同的flipchip方式,不過(guò)LED模塊與熱鰭片接合時(shí),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?yáng)|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(wú)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(yàn),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(guò)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(jì)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?! ?span style="text-indent: 2em; ">有關(guān)LED的長(zhǎng)壽化,目前LED廠商采取的對(duì)策是變更密封材料,同時(shí)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(shù)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?! ?/span>

由于環(huán)氧樹(shù)脂吸收波長(zhǎng)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(shí)間環(huán)氧樹(shù)脂不到一萬(wàn)小時(shí),硅質(zhì)密封材料可以延長(zhǎng)到四萬(wàn)小時(shí)左右,幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guò)硅質(zhì)樹(shù)脂屬于高彈性柔軟材料,加工上必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹(shù)脂表面的制作技術(shù),此外制程上硅質(zhì)樹(shù)脂極易附著粉屑,因此未來(lái)必需開(kāi)發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)?! ?/p>

雖然硅質(zhì)密封材料可以確保LED四萬(wàn)小時(shí)的使用壽命,然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的

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