淺析白光LED溫升的封裝散熱方法

過去LED從業(yè)者為了獲得充分的白光LED光束，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片來達到預(yù)期目標?？蓪嶋H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(jié)構(gòu)、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(jīng)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LED燈的電力反而會造成封裝的熱阻抗急劇降至10K/W以下，針對這個情況國外業(yè)者曾經(jīng)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(shù)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(lǐng)悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。 　　有關(guān)LED的使用壽命，例如改用矽質(zhì)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(jié)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(jīng)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(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，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(jié)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(gòu)造，理論上就可以解決上述取光問題。 　　設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題 　　在研發(fā)中有關(guān)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(shù)，應(yīng)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(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題。 　　具體內(nèi)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(shè)置在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heat sink)表面，接著再用焊接方式將印刷電路板的散熱用導(dǎo)線連接到利用冷卻風(fēng)扇強制空冷的散熱器上。根據(jù)德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實驗結(jié)果證實，上述結(jié)構(gòu)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(shè)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(dān)。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度上升的結(jié)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(shù)，該公司將1mm正方的藍光LED以flip chip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)松下報導(dǎo)包含印刷電路板在內(nèi)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(shè)計功力 　　我們可以了解到由于散熱器與印刷電路板之間的致密性直接左右熱傳導(dǎo)效果，因此印刷電路板的設(shè)計變得非常復(fù)雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝 廠商，相繼開發(fā)高功率LED用簡易散熱技術(shù)，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(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據(jù)該CITIZEN報導(dǎo)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(fēng)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(chǎn)品高60℃，利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時，周圍環(huán)境溫度40℃范圍內(nèi)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(shè)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(chǎn)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flip chip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(dǎo)排放。 　　2003年東芝Lighting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，無冷卻風(fēng)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(jīng)驗，因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)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(dǎo)性，或是利用冷卻風(fēng)扇強制空冷方式設(shè)計照明設(shè)備的散熱，不需要特殊散熱技術(shù)的模組結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。 　　變更封裝材料抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度 　　目前有關(guān)LED的長壽化，LED廠商采取的對策是變更封裝材料，同時將螢光材料分散在封裝材料內(nèi)，尤其是矽質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂封裝材料，可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。由于環(huán)氧樹脂吸收波長為400~450nm的光線的百分比高達45%，矽質(zhì)封裝材料則低于1%，輝度減半的時間環(huán)氧樹脂不到一萬小時，矽質(zhì)封裝材料可以延長到四萬小時左右，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計壽命相同，這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。 　　不過矽質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工時必需使用不會刮傷矽質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù)，此外加工時矽質(zhì)樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。雖然矽質(zhì)封裝材料可以確保LED四萬小時的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法，主要爭論是傳統(tǒng)白熾燈與螢光燈的使用壽命，被定義成“亮度降至30%以下”。亮度減半時間為四萬小時的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長元件使用壽命的對策，分別是抑制白光LED整體的溫升和停止使用樹脂封裝方式。 　　在文章最后我們可以總結(jié)一下，如果徹底執(zhí)行上述的兩項延壽對策就可以達到亮度30%時四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法，主要原因是封裝樹脂高溫狀態(tài)下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低10℃壽命會延長2倍。停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為LED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進方向的樹脂材質(zhì)反射板，則反射板會吸收光線，使光線的取出量急劇銳減。這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。