白光LED的發光效率及使用壽命問題

2020-11-24 電子產品世界

為了獲得充分的白光LED光束，曾經開發大尺寸LED晶片，試圖以此方式達成預期目標。實際上在白光LED上施加的電功率持續超過1W以上時光束反而會下降，發光效率則相對降低20%~30%，提高白光LED的輸入功率和發光效率必須克服的問題有：抑制溫升；確保使用壽命；改善發光效率；發光特性均等化。

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增加功率會使用白光LED封裝的熱阻抗下降至10K/W以下，因此國外曾經開發耐高溫白光LED，試圖以此改善溫升問題。因大功率白光LED的發熱量比小功率白光LED高數十倍以上，即使白光LED的封裝允許高熱量，但白光LED晶片的允許溫度是一定的。抑制溫升的具體方法是降低封裝的熱阻抗。

提高白光LED使用壽命的具體方法是改善晶片外形，採用小型晶片。因白光LED的發光頻譜中含有波長低於450nm的短波長光線，傳統環氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速了密封材料的劣化。改用矽質密封材料與陶瓷封裝材料，能使白光LED的使用壽命提高一位數。

改善白光LED的發光效率的具體方法是改善晶片結構與封裝結構，達到與低功率白光LED相同的水準，主要原因是電流密度提高2倍以上時，不但不容易從大型晶片取出光線，結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED，如果改善晶片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。

實現發光特性均勻化的具體方法是改善白光LED的封裝方法，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製作技術就可以克服上述困擾。

減少熱阻抗、改善散熱問題的具體內容分別是：

① 降低晶片到封裝的熱阻抗。

② 抑制封裝至印製電路基板的熱阻抗。

③ 提高晶片的散熱順暢性。

為了降低熱阻抗，國外許多LED廠商將LED晶片設在銅與陶瓷材料製成的散熱鰭片表面，如圖1所示，用焊接方式將印製電路板上散熱用導線連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱鰭片上。德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實驗結果證實，上述結構的LED晶片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右。封裝後的LED施加2W的電功率時，LED晶片的溫度比焊接點高18℃，即使印製電路板的溫度上升到500℃，LED晶片的溫度也只有700℃左右。熱阻抗一旦降低，LED晶片的溫度就會受到印製電路板溫度的影響，為此必須降低LED晶片到焊接點的熱阻抗。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LED封裝傳導到印製電路板的話，LED溫度的上升將使其發光效率下降，因此松下公司開發出了印製電路板與封裝一體化技術，該公司將邊長為1mm的正方形藍光LED以覆晶片化方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印製電路板表面，包含印製電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W。

(a) OSRAM LED的封裝方式

(b) CITIZEN LED的封裝方式

圖1 LED散熱結構

針對白光LED的長壽化問題，目前LED廠商採取的對策是變更密封材料，同時將螢光材料分散在密封材料內，可以更有效地抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度。

由於環氧樹脂吸收波長為400~450nm 的光線的百分比高達45%，矽質密封材料則低於1%，環氧樹脂亮度減半的時間不到1萬小時，矽質密封材料可以延長到4萬小時左右（如圖2所示），幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著照明設備在使用期間不需更換白光LED。不過矽質密封材料屬於高彈性柔軟材料，加工上必須使用不會刮傷矽質密封材料表面的製作技術，此外製程上矽質密封材料極易附著粉屑，因此未來必須開發可以改善表面特性的技術。

圖2 矽質密封材料與環氧樹脂對LED光學特性的影響

雖然矽質密封材料可以確保白光LED有4萬小時的使用壽命，然而照明設備業界有不同的看法，主要爭論是傳統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4萬小時的白光LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩2萬小時。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是：

① 抑制白光LED整體的溫升。

② 停止使用樹脂封裝方式。

以上兩項對策可以達成亮度降至30%時使用壽命達4萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以採用冷卻白光LED封裝印製電路板的方法，主要原因是封裝樹脂在高溫狀態下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則，溫度降低100℃時壽命會延長2倍。

停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為白光LED產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變晶片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，由於反射板會吸收光線，所以光線的取出量會銳減，這也是採用陶瓷系與金屬系封裝材料的主要原因。LED封裝基板無樹脂化結構如圖3所示。

圖3 LED封裝基板無樹脂化結構

有兩種方法可以改善白光LED晶片的發光效率：一種是使用面積比小型晶片（1mm2左右）大10倍的大型LED晶片；另外一種是利用多個小型高發光效率LED晶片組合成一個單體模塊。雖然大型LED晶片可以獲得大光束，不過加大晶片面積會有負面影響，例如晶片內發光層不均勻、發光部位受到局限、晶片內部產生的光線放射到外部時會嚴重衰減等。針對以上問題，通過對白光LED的電極結構的改良，採用覆晶片化封裝方式，同時整合晶片表面加上技術，目前已經達成50lm/W的發光效率。大型白光LED的封裝方式如圖4所示。有關晶片整體的發光層均等性，自從出現梳子狀與網格狀P型電極這後，使電極也朝最佳化方向發展。

圖4 大型LED的封裝方式


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    實際上在白光LED上施加的電功率持續超過1W以上時光束反而會下降，發光效率則相對降低20%~30%，提高白光LED的輸入功率和發光效率必須克服的問題有：抑制溫升；確保使用壽命；改善發光效率；發光特性均等化。
  • 解決封裝散熱問題才能從根本上抑制白光LED溫升
    換句話說，白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍，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、改善發光效率，以及發光特性均等。　　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晶片外形、採用小型晶片；　　改善LED的發光效率的方法是改善晶片結構、採用小型晶片；　　至於發光特性均勻化的方法是改善LED的封裝方法，這些方法已經陸續被開發中。
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