解析大功率白光LED散熱與壽命問題

眾多環(huán)保光源應(yīng)用方案中，LED是相對其他光源方案更為節(jié)能、便于組裝設(shè)計的一種光源技術(shù)，其中，在照明光源應(yīng)用中，高功率白光LED使用則為最頻繁的發(fā)光元器件，但白光LED雖在發(fā)光效率、單顆功率各方面表現(xiàn)均有研發(fā)進展，實際上白光LED仍存在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命等問題，尤其在芯片散熱的應(yīng)用限制，則為開發(fā)LED光源應(yīng)用首要必須改善的問題... 　　高功率白光LED應(yīng)用于日常照明用途，其實在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服，目前已有相關(guān)改善方案，用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設(shè)計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。 　　環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應(yīng)用出線 　　LED光源受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)品壽命長、光-電轉(zhuǎn)換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應(yīng)照明應(yīng)用，必須從LED芯片、LED封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。 　　就市場需求層面觀察，針對照明應(yīng)用市場開發(fā)的白光LED，可以說是未來用量較高的產(chǎn)品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應(yīng)用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化，例如，增加其光-電轉(zhuǎn)換效率，或是加大芯片面積，讓單個LED的發(fā)光量(光通量)達到其設(shè)計極限。其二，屬于較折衷的設(shè)計方案，若在持續(xù)加大單片LED芯片面積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術(shù)方案。 　　以多芯片封裝 滿足低成本、高亮度設(shè)計要求 　　就產(chǎn)業(yè)實務(wù)需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設(shè)計難度與控制產(chǎn)品良率/成本問題，LED芯片持續(xù)加大會碰到成本與良率的設(shè)計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設(shè)計困難，并非技術(shù)上與生產(chǎn)技術(shù)辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED芯片成本較高，而且對于實際制造需求的變更設(shè)計彈性較低。 　　反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線連接各芯片、搭配光學(xué)封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產(chǎn)品，而多片封裝可以在進行芯片測試后，利用二次加工整合成一個等效大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設(shè)計LED光源用元件要更具彈性。 　　同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低，等于在獲得單片式設(shè)計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發(fā)選項。 　　多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化 　　另一個發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續(xù)增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現(xiàn)不如設(shè)計預(yù)期之問題，常見的改進方案為修改復(fù)晶的結(jié)構(gòu)，在芯片表面進行制作改善;但相關(guān)改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應(yīng)用的LED模組，大多要求在高功率下驅(qū)動以獲得更高的光通量，這會造成芯片進行發(fā)光過程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散，影響模組產(chǎn)品的應(yīng)用彈性與主/被動散熱設(shè)計方案。 　　一般設(shè)計方案中，據(jù)分析采行7mm2的芯片尺寸，其發(fā)光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現(xiàn)控制較不易，成本也相對較高;反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設(shè)計方案。 　　例如Philips、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類利用多片LED芯片架構(gòu)的高亮度元件方案也引起了一些設(shè)計問題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內(nèi)置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現(xiàn)象;這樣的制程相對于單片式設(shè)計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節(jié)省成本，也會因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。 　　應(yīng)用芯片表面制程改善 也可強化LED光輸出量 　　除了增加芯片面積或數(shù)量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上制作不平坦的表面結(jié)構(gòu)，利用此一凹凸不規(guī)則之設(shè)計表面強化LED光輸出量，即為在芯片表面建立Texture表面結(jié)晶架構(gòu)。 　　OSRAM即有利用此方案開發(fā)Thin GaN高亮度產(chǎn)品，于InGaN層先行形成金屬膜材質(zhì)、再進行剝離制程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。 　　另一方面，日本OMRON的開發(fā)思維就相當(dāng)不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嘗試利用平面光源技術(shù)，搭配LENS光學(xué)系統(tǒng)為芯片光源進行反射、引導(dǎo)與控制，針對傳統(tǒng)砲彈型封裝結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品常見的光損失問題，進一步改善其設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術(shù)相對更為復(fù)雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設(shè)計。 　　LED照明應(yīng)用仍須改善元件光衰與壽命問題 　　如果期待LED光源導(dǎo)入日常照明應(yīng)用，其應(yīng)用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續(xù)用上數(shù)個小時、甚至數(shù)十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問題過早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗。 　　LED光源導(dǎo)入日常應(yīng)用的另一大問題是，如傳統(tǒng)使用的螢光燈具，使用超過數(shù)十小時均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因為LED發(fā)光芯片會因為元件高熱而導(dǎo)致其發(fā)光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然，只是低功率LED多僅用于指示性用途，對使用者來說影響相當(dāng)小;但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅(qū)動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現(xiàn)亮度下滑，必須進行散熱設(shè)計改善才能達到光源應(yīng)用需求。 　　LED封裝材料需因應(yīng)高溫、短波長光線進行改善 　　在光源設(shè)計方案中，往往會利用增加驅(qū)動電流來換取LED芯片更高的光輸出量，但這會讓芯片表面在發(fā)光過程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高，而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續(xù)運行高溫的狀態(tài)下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現(xiàn)劣化，且材料劣化或質(zhì)變也會進一步造成透光度下滑，因此在開發(fā)LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質(zhì)。 　　增加LED光源模組元件散熱方法相當(dāng)多，可以從芯片、封裝材料、模組之導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、PCB載板設(shè)計等進行重點改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強化散熱傳導(dǎo)速度，快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由芯片與載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導(dǎo)熱源至載板逸散，進行LED芯片高熱的重點改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設(shè)計，也可因為減少熱傳導(dǎo)的熱阻，達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設(shè)計目標。 　　另在封裝材料方面，以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹脂進行封裝，其實環(huán)氧樹脂本身的耐熱性并不高，往往LED芯片還在使用壽命未結(jié)束前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)因為長時間高熱運行而出現(xiàn)劣化、變質(zhì)的變色現(xiàn)象，這種狀況在照明應(yīng)用的LED模組設(shè)計中，會因為芯片高功率驅(qū)動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。 　　不只是高熱問題，環(huán)氧樹脂這類塑料材質(zhì)，對于光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環(huán)氧樹脂材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現(xiàn)象。 　　針對LED光源應(yīng)用設(shè)計方案，多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環(huán)氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達到處于150~180°C環(huán)境下仍不會變色的材料優(yōu)勢。 　　此外，矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因為變質(zhì)而導(dǎo)致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優(yōu)點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優(yōu)點，在封裝材料可抵御LED長時間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。