高功率白光LED芯片的散熱問題

就今天而言，白光LED仍舊存在著發(fā)光均一性不佳、封閉材料的壽命不長，而無法發(fā)揮白光LED被期待的應用優(yōu)點。但就需求層面來看，不僅一般的照明用途，隨著手機、LCDTV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應用積極的出現(xiàn)，使得最合適開發(fā)穩(wěn)定白光LED的技術研究成果也就相當?shù)谋魂P心。 　　藉由提高晶片面積來增加發(fā)光量 　　期望改善白光LED的發(fā)光效率，目前有兩大方向，就是提高LED晶片的面積，也就是說，將目前面積為1m㎡的小型晶片，將發(fā)光面積提高到10m㎡的以上，藉此增加發(fā)光量，或把幾個小型晶片一起封裝在同一個模組下。 　　雖然，將LED晶片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高多的亮度，但因過大的面積，在應用過程和結果上也會出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。所以，針對這樣的問題，部分LED業(yè)者就根據(jù)電極構造的改良，和覆晶的構造，在晶片表面進行改良，來達到50lm/W的發(fā)光效率。 　　例如在白光LED覆晶封裝的部分，由于發(fā)光層很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時，因此電極不會被遮蔽的優(yōu)點，但缺點就是所產生的熱不容易消散。 　　而并非進行晶片表面改善后，再加上增加晶片面積就絕對可以一口氣提昇亮度，因為當光從晶片內部向外散射時，晶片中這些改善的部分無法進行反射，所以在取光上會受到一點限制，根據(jù)計算，最佳發(fā)揮光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。 　　利用封裝數(shù)個小面積LED晶片 快速提高發(fā)光效率 　　和大面積LED晶片相比，利用小功率LED晶片封裝成同一個模組，這樣是能夠較快達到高亮度的要求，例如，Citizen就將8個小型LED封裝在一起，讓模組的發(fā)光效率達到了60lm/W,堪稱是業(yè)界的首例。 　　但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮，因為是將多顆LED封裝在同一個模組上，所以在模組中必須置入一些絕緣材料，以免造成LED晶片間的短路情況發(fā)生，不過，如此一來就會增加了不少的成本。 　　對此Citizen的解釋是，事實上對于成本的影響幅度是相當小的，因為相較于整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，并因可以利用現(xiàn)有的材料來做絕緣應用，這些絕緣材料不需要重新開發(fā)，也不需要增加新的設備來因應。 　　雖然Citizen的解釋理論上是合理的，但是，對于較無經驗的業(yè)者來說，這就是一項挑戰(zhàn)，因為無論在良率、研發(fā)、生產工程上都是需要予以克服的。 　　當然，還有其他方式可達到提高發(fā)光效率的目標，許多業(yè)者發(fā)現(xiàn)，在LED藍寶石基板上制作出凹凸不平坦的結構，這樣或許可以提高光輸出量，所以，有逐漸朝向在晶片表面建立texture或PhotONics結晶的架構。 　　例如德國的OSRAM就是以這樣的架構開發(fā)出「ThinGaN」高亮度LED,OSRAM是在InGaN層上形成金屬膜，之后再剝離藍寶石。這樣，金屬膜就會產生映射的效果而獲得更多的光線取出，而根據(jù)OSRAM的資料顯示，這樣的結構可以獲得75%的光取出效率。 　　逐漸有業(yè)者利用覆晶的構造，來期望達到50lm/W的發(fā)光效率，由于發(fā)光層很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時，因此電極不會被遮蔽。 　　當然，除了晶片的光取出方面需要做努力外，因為期望能夠獲得更高的光效率，在封裝的部分也是必須做一些改善。事實上，每多增加一道的工程都會對光取出效率帶來一些影響，不過，這并不代表著，因為封裝的制程就一定會增加更高的光損失，就像日本OMROM所開發(fā)的平面光源技術，就能夠大幅度的提昇光取出效率，這樣的結構OMROM是將LED所射出的光線，利用LENS光學系統(tǒng)以及反射光學系統(tǒng)來做控制的，所以OMROM稱之為「Doublereflection 光學系統(tǒng)」。 　　利用這樣的結構，可將傳統(tǒng)炮彈型封裝等的LED所造成的光損失，針對封裝的廣角度反射來獲得更高的光效率，更進一步的是，在表面所形成的Mesh上進行加工，而形成雙層的反射效果，這樣的方式，事實上是可以得到不錯的光取出效率控制的。因為這樣的特殊設計，這些利用反射效果達到高光取出效率的LED,主要的用途是針對LCDTV背光所應用的。 　　封裝材料和螢光材料的重要性增加 　　但如果期望用來作為LCD TV背光應用的話，那麼需要克服的問題就會更多了，因為LCD TV的連續(xù)使用時間都是長達數(shù)個小時，甚至10幾個小時，所以，由于這樣長時間的使用情況下，拿來作為背光的白光LED就必須擁有不會因為連續(xù)使用而產生亮度衰減的情況。 　　目前已發(fā)表的高功率的白光LED,它的發(fā)光功率是一個低功率白光LED亮度的數(shù)十倍，所以期望利用高功率白光LED來代替螢光燈作為照明設備的話，有一個必須克服的困難就是亮度遞減的情況。 　　例如，白光LED長時間連續(xù)使用1W的電力情況下，會造成連續(xù)使用后半段時間的亮度逐漸降低的現(xiàn)象，當然，不是只有高功率白光LED才會出現(xiàn)這樣的情況，低功率白光LED也會存在這樣的問題，只不過是因為，低功率白光因為應用的產品不同，所以，并不會因此特別突顯出這樣的困擾。 　　使用的電流愈大，當然所獲得的亮度就愈高，這是一般對于LED能夠達到高亮度的觀念，不過，因為所使用的電流增加，因此所帶來的缺點是，封裝材料是否能夠承受這樣的長時間的因為電流所產生的熱，也因為這樣的連續(xù)使用，往往封裝材料的熱抵抗會降到10k/w以下。 　　高功率LED的發(fā)熱量是低功率LED的數(shù)十倍，因此，會出現(xiàn)隨著溫度上升，而出現(xiàn)發(fā)光功率降低的問題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發(fā)上，就相對顯的非常重要。 　　或許在20~30lm/W以下的LED,這些問題都不存在，但是，一旦面臨60lm/w以上的高發(fā)光功率LED的時候，就不得不需要想辦法解決的，因為，熱效應所帶來的影響，絕對不會僅僅只有LED本身，而是會對整體應用產品帶來困擾，所以，LED如果能夠在這一方面獲得解決的話，那麼，也可以減輕應用產品本身的散熱負擔。 　　因此，在面對不斷提高電流情況的同時，如何增加抗熱能力，也是現(xiàn)階段的急待被克服的問題，從各方面來看，除了材料本身的問題外，還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導熱結構，及PCB板的散熱結構等，這些都需要作整體性的考量。 　　例如，即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性，但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話，同樣也是造成LED晶片溫度的上升，出現(xiàn)發(fā)光效率下降的現(xiàn)象。所以，就像是松下就為了解決這樣的問題，從2005年開始，便把包括圓形，線形，面型的白光LED,與PCB基板設計成一體，來克服可能因為出現(xiàn)在從封裝到PCB板間散熱中斷的問題。 　　不過，并非所有的業(yè)者都像松下一樣，把封裝材料到PCB板間的抗熱性都做了考量，因為各業(yè)者的策略關系，有的業(yè)者以基板設計的簡便為目標，只針對PCB板的散熱結構進行改良。 　　有相當多的業(yè)者，因為本身不生產LED的關系，所以只能在PCB板做一些研發(fā)，但僅此于止還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的白光LED.能讓PCB板上的用金屬材料，能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接，完成讓具有散熱槽設計的高功率白光LED與PCB板連接，達到散熱的能力。 　　不過，這樣看起來好像只是因為期望達到散熱，而把簡單的一件事情予以復雜化，到底這樣是不是符合成本和進步的概念，以今天的應用層面來說，很難做一個判斷，不過，實際上是有一些業(yè)者正朝向這方面做考量，例如Citizen在2004年所發(fā)表的產品，就是能夠從封裝上厚度為2~3mm的散熱槽向外散熱，提供應用業(yè)者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光LED,能讓PCB板的散熱設計得以發(fā)揮。 　　封裝材料的改變 提高白光LED壽命達原先的4倍 　　當然發(fā)熱的問題不是只會對亮度表現(xiàn)帶來影響，同時也會對LED本身的壽命出現(xiàn)挑戰(zhàn)，所以在這一部份，LED不斷的開發(fā)出封裝材料來因應，持續(xù)提高中的LED亮度所產生的影響。 　　過去用來作為封裝材料的環(huán)氧樹脂，耐熱性比較差，可能會出現(xiàn)的情況是，在LED晶片本身的壽命到達前，環(huán)氧樹脂就已經出現(xiàn)變色的情況，因此，為了提高散熱性，而必須讓更多的電流獲得釋放，這一個架構這是相當?shù)闹匾? 　　除此之外，不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產生影樣，甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題，這是因為白光LED 發(fā)光光譜中，也包含了短波長的光線，而環(huán)氧樹脂卻相當容易被白光LED中的短波長光線破壞，即使低功率的白光LED就已經會讓造成環(huán)氧樹脂的破壞，更何況高功率的白光LED所含的短波長的光線更多，那麼惡化自然也加速，甚至有些產品在連續(xù)點亮后的使用壽命不到5,000小時。 　　所以，與其不斷的克服因為舊有封裝材料-環(huán)氧樹脂所帶來的變色困擾，不如朝向開發(fā)新一代的封裝材料，或許是不錯的選擇。目前在解決壽命這一方面的問題，許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹脂，而改采了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料，根據(jù)統(tǒng)計，因為改變了封裝材料，事實上可以提高LED的壽命。 　　就資料上來看，代替環(huán)氧樹脂的封裝材料-硅樹脂，就具有較高的耐熱性，根據(jù)試驗，即使是在攝氏150~180度的高溫，也不會變色的現(xiàn)象，看起來似乎是一個不錯的封裝材料。 　　因為硅樹脂能夠分散藍色和近紫外光，所以與環(huán)氧樹脂相比，硅樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現(xiàn)象，而緩和的光穿透率下降的速度。 　　所以，以目前的應用來看，幾乎所有的高功率白光LED產品都已經改采硅樹脂作為封裝的材料，例如，因為短波長的光線所帶來的影響部分，相對于波長400~450nm的光，環(huán)氧樹脂約在個位的數(shù)。