改善散热结构提升白光LED使用寿命

改善散热结构提升白光LED使用寿命

　　过去 LED 业者为了获利充分的白光 LED 光束，曾经开发大尺寸 LED 芯片试图藉此方式达成预期目标，不过实际上白光 LED 的施加电力持续超过 1W 以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低 2030 ％，换句话说白光 LED 的亮度如果要比传统 LED 大数倍，消费电力特性希望超越萤光灯的话，就必需先克服下列的四大课题，包括，抑制温升、确保使用寿命、改善发光效率，以及发光特性均等化。

　　有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗；维持 LED 的使用寿命具体方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善 LED 的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化具体方法是 LED 的改善封装方法，而这些方法已经陆续被开发中。

■解决封装的散热问题才是根本方法

　　由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至 10K/W 以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光 LED 试图藉此改善上述问题，然而实际上大功率 LED 的发热量却比小功率 LED 高数十倍以上，而且温升还会使发光效率大幅下跌，即使封装技术允许高热量，不过 LED 芯片的接合温度却有可能超过容许值
，最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。

　　有关 LED 的使用寿命，例如改用矽质封装材料与陶瓷封装材料，能使 LED 的使用寿命提高一位数，尤其是白光 LED 的发光频谱含有波长低于 450nm 短波长光线，传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏，高功率白光 LED 的大光量更加速封装材料的劣化，根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时，高功率白光 LED 的亮度已经降低一半以上，根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。

　　有关 LED 的发光效率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光 LED 相同水平，主要原因是电流密度提高 2 倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光 LED 的窘境，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。

■设法减少热阻抗、改善散热问题

　　有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光 LED 的萤光体材料浓度均匀性与萤光体的制作技术，应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时，必需设法减少热阻抗、改善散热问题，具体内容分别是：降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。

　　为了要降低热阻抗，许多国外 LED 厂商将 LED 芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片（ heat sink ）表面，接著再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线，连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上，根据德国 OSRAM Opto Semiconductors Gmb 实验结果证实，上述结构的 LED 芯片到焊接点的热阻抗可以降低 9K/W ，大约是传统 LED 的 1/6 左右，封装后的 LED 施加 2W 的电力时， LED 芯片的接合温度比焊接点高 18K ，即使印刷电路板温度上升到 500C ，接合温度顶多只有 700C 左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话， LED 芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响，如此一来必需设法降低 LED 芯片的温度，换句话说降低 LED 芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻 LED 芯片降温作业的负担。反过来说即使白光 LED 具备抑制热阻抗的结构，如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话， LED 温度上升的结果发光效率会急遽下跌，因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术，该公司将 1mm 正方的蓝光 LED 以 flip chip 方式封装在陶瓷基板上，接著再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面，根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是 15K/W 左右。

■各业者展现散热设计功力

　　由于散热鳍片与印刷电路板之间的密著性直接左右热传导效果，因此印刷电路板的设计变得非常复杂，有监于此美国 Lumileds 与日本 CITIZEN 等照明设备、 LED 封装厂商，相继开发高功率 LED 用简易散热技术， CITIZEN 在 2004 年开始样品出货的白光 LED 封装，不需要特殊接合技术也能够将厚约 23mm 散热鳍片的热量直接排放到外部，根据该 CITIZEN 表示虽然 LED 芯片的接合点到散热鳍片的 30K/W 热阻抗比 OSRAM 的 9K/W 大，而且在一般环境下室温会使热阻抗增加 1W 左右，不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下，该白光 LED 模块也可以连续点灯使用。

　　Lumileds 于 2005 年开始样品出货的高功率 LED 芯片，接合容许温度更高达 + 1850C ，比其它公司同级产品高 600C ，利用传统 RF4印刷电路板封装时，周围环境温度 400C 范围内可以输入相当于 1.5W 电力的电流（大约是 400mA ） 。所以 Lumileds 与 CITIZEN 使采取提高接合点容许温度，德国 OSRAM 公司则是将 LED 芯片设在散热鳍片表面，达成 9K/W 超低热阻抗记录，该记录比 OSRAM 过去开发同级品的热阻抗减少 40 ％，值得一提是该 LED 模块封装时，采用与传统方法相同的 flip chip 方式，不过 LED 模块与热鳍片接合时，则选择最接近 LED 芯片发光层作为接合面，藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。

　　2003 年东芝 Lighting 曾经在 400mm 正方的铝合金表面，铺设发光效率为 60lm/W 低热阻抗白光 LED ，无冷却风扇等特殊散热元件前提下，试作光束为 300lm 的 LED 模块，由于东芝 Lighting 拥有丰富的试作经验，因此该公司表示由于模拟分析技术的进步， 2006 年之后超过 60lm/W 的白光 LED ，都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热，不需要特殊散热技术的
模块结构也能够使用白光 LED 。

■变更封装材抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度

　　有关 LED 的长寿化，目前 LED 厂商采取的对策是变更封装材料，同时将萤光材料分散在封装材料内，尤其是矽质封装材料比传统蓝光、近紫外光 LED 芯片上方环氧树脂封装材料，可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。由于环氧树脂吸收波长为 400450nm 的光线的百分比高达 45 ％，矽质封装材料则低于 1 ％，辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时，矽质封装材料可以延长到四万小时左右，几乎与照明设备的设计寿命相同，这意味著照明设备使用期间不需更换白光 LED 。不过矽质树脂属于高弹性柔软材料，加工上必需使用不会刮伤矽质树脂表面的制作技术，此外制程上矽质树脂极易附著粉屑，因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。

　　虽然矽质封装材料可以确保 LED 四万小时的使用寿命，然而照明设备业者却出现不同的看法，主要争论是传统白炽灯与萤光灯的使用寿命，被定义成「亮度降至 30 ％以下」，亮度减半时间为四万小时的 LED ，若换算成亮度降至 30 ％以下的话，大约只剩二万小时左右。目前有两种延长元件使用寿命的对策，分别是，抑制白光 LED 整体的温升，和停止使用树脂封装方式。

　　 一般认为如果彻底执行以上两项延寿对策，可以达成亮度 30 ％四万小时的要求。抑制白光 LED 温升可以采用冷却 LED 封装印刷电路板的方法，主要原因是封装树脂高温状态下，加上强光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则温度降低 100C 寿命会延长 2 倍。停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为 LED 产生的光线在封装树脂内反射，如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会急遽锐减，这也是 LED 厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因。

来源：照明工程师社区