如何解決白光LED溫升問題

過去LED業(yè)者為了獲得充分的白光LED光束，曾經開發(fā)大尺寸LED芯片試圖借此方式達到預期目標。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構、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)者終于領悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。

　　有關LED的使用壽命，例如改用矽質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)，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)氧樹脂封裝材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，根據(jù)業(yè)者測試結果顯示連續(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LED的發(fā)光效率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水準。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造，理論上就可以解決上述取光問題。　　設法減少熱阻抗、改善散熱問題

　　有關發(fā)光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的制作技術，應該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時，必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題。具體內容分別是：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線連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱器上。根據(jù)德國OSRAMOptoSemiconductorsGmb實驗結果證實，上述結構的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芯片降溫作用的負擔。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話，LED溫度上升的結果仍然會使發(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，該公司將1mm正方的藍光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印刷電路板表面，根據(jù)松下報導包含印刷電路板在內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效果，因此印刷電路板的設計變得非常復雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠商，相繼開發(fā)高功率LED用簡易散熱技術，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也能夠將厚約2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據(jù)該CITIZEN報導雖然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扇強制空冷狀態(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+185℃，比其他公司同級產品高60℃，利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時，周圍環(huán)境溫度40℃范圍內可以輸入相當于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，德國OSRAM公司則是將LED芯片設置在散熱器表面，達到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級產品的熱阻抗減少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排放。　　2003年東芝Lighting曾經在400mm正方的鋁合金表面，鋪設發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風扇等特殊散熱組件前提下，試制光束為300lm的LED模組。由于東芝Lighting擁有豐富的試制經驗，因此該公司表示由于模擬分析技術的進步，2006年之后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性，或是利用冷卻風扇強制空冷方式設計照明設備的散熱，不需要特殊散熱技術的模組結構也能夠使用白光LED.

　　變更封裝材料抑制材質劣化與光線穿透率降低