LED散热问题的解决方案

wu4laohu · 发表于 2011-5-14 16:18:45

白光LED仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题，无法发挥白光led被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果就广泛的被关注。改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，一是提高LED芯片的面积，藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。
藉由提高芯片面积来增加发光量
虽然，将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高得多的亮度，但因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以，针对这样的问题，部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造，在芯片表面进行改良，来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，电极不会被遮蔽，但缺点就是所产生的热不容易消散。
并非进行芯片表面改善后，再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮度，因为当光从芯片内部向外扩散射时，芯片中这些改善的部分无法进行反射，所以在取光上会受到一点限制，根据计算，最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7mm2左右。利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率和大面积LED芯片相比，利用小功率LED芯片封装成同一个模块，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模块的发光效率达到了60lm/W，堪称是业界的首例。但这样的做法也引发的一些疑虑，因为是将多颗LED封装在同一个模块上，必须置入一些绝缘材料，以免造成LED芯片间的短路情况发生，如此一来就会增加了不少的成本。
对此Citizen的解释是：“对于成本的影响幅度是相当小的，因为相较于整体的成本比例，这些绝缘材料仅不到百分之一，并可以利用现有的材料来做绝缘应用，这些绝缘材料不需要重新开发，也不需要增加新的设备来因应。”虽然Citizen的解释理论上是合理的，但是，对于无经验的业者来说，这就是一项挑战，因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有其它方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在芯片表面建立 Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出“Thin GaN”高亮度LED。原理是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石，这样，金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出，根据OSRAM的资料显示，这样的结构可以获得75％的光取出效率。除了芯片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的制程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提升光取出效率，这样的结构是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为 “Double reflection ”。利用这样的结构，可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样特殊的设计，利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。
封装材料和荧光材料的重要性增加
如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那幺需要克服的问题就会更多了。因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。
目前已发表的高功率的白光LED，它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍，所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话，有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如，白光LED长时间连续使用1W大功率led的情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，不是只有高功率白光 LED才会出现这样的情况，低功率白光LED也会存在这样的问题，只不过是因为低功率白光应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。使用的电流愈大，所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此封装材料是否能够承受这样长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。
高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，相对显的非常重要。

wu4laohu · 发表于 2011-5-14 16:19:08

或许在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不明显，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就需要想办法解决的。热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整个应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那幺，也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此，在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力，也是现阶段的急待被克服的问题。从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构及封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构和PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。例如，即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性，但因从封装到PCB板的散热效果不好的话，同样也是造成LED芯片温度的上升，出现发光效率下降的现象。所以，就像是松下就为了解决这样的问题，从2005年开始，便把包括圆形、线形、面型的白光LED，与PCB基板设计成一体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样，因为各业者的策略关系，有的业者以基板设计的简便为目标，只针对PCB板的散热结构进行改良。还有相当多的业者，因为本身不生产LED，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上用的金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以复杂化，到底这样是不是符合成本和进步的概念？以今天的应用层面来说，很难做一个判断，不过，是有一些业者正朝向这方面作考量，例如Citizen在2004年所发表的产品，就是能够从封装上厚度为2～3mm 的散热槽向外散热，提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED，能让PCB板的散热设计得以发挥。
封装材料的改变使白光LED寿命达原先的4倍。发热的问题不是只会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份，LED不断的开发出封装材料来因应持续提高中的LED亮度所产生的影响。
过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已经出现变色的情况，因此，为了提高散热性，必须让更多的电流获得释放。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为环氧树脂相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，恶化自然也加速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以，与其不断的克服因为旧有封装材料－环氧树脂所带来的变色困扰，不如朝向开发新一代的封装材料的选择。目前在解决寿命这一方面的问题，许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂，而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计，因为改变了封装材料，事实上可以提高LED的寿命。就资料上来看，代替环氧树脂的封装材料－硅树脂，就具有较高的耐热性，根据试验，即使是在摄氏150～180度的高温，也不会变色的现象，看起来似乎是一个不错的封装材料。硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，缓和光穿透率下降的速度。以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改用硅树脂作为封装的材料，例如，相对于波长 400～450nm的光，环氧树脂约在个位的数百分比左右，但硅树脂对400～450nm的光线吸收却不到百分之一，这样的落差，使得在抗短波长方面，硅树脂有着较出色的表现。
就寿命表现度而言，硅树脂可以达到延长白光LED使用寿命的目标，甚至可以达到4万小时以上的使用寿命。但是不是真的适合用来做照明的应用还有待研究，因为硅树脂是具有弹性的柔软材料，所以在封装的过程中，需要特别注意应用的方式，从而设计出最适当的应用技术。
对于未来应用方面，提高白光LED的光输出效率将会是决胜的关键点。白光LED的生产技术，从过去的蓝色LED和黄色YAG荧光体的组合，开发出仿真白光，到利用三色混合或者使用GaN材料，开发出白光LED，对于应用来说，已经可以看的出将会朝向更广泛的方向扩展。另外，白光LED的发光效率，已经有了不错的发展，日本LED照明推进协会的目标是，期望能够在2009年达到100lm/w的发光效率，所以预计在数年内，100lm/w发光效率就能够实际上商业化应用。
日亚化学积极开发白光半导体雷射，在期望LED达到色纯度较高的白光及高亮度的要求下，各业者不断的从每一领域加以改善，而达到这一目标，但在进展速度上，看起来仍旧相当的缓慢。因此部分业者开始考虑采用其它的技术，来实现目前业界对于类似白光LED的光亮度要求。在高亮度蓝、白光LED领域的日亚化学，便将一部份的研发方向，朝向开发白光雷射做努力。

wu4laohu · 发表于 2011-5-14 16:19:33

日亚化学利用与白光LED相同的GaN系材料制作半导体雷射，开发出了白光光源，以目前的表现来说，辉度已经能够达到10cd/mm左右，现有的白光LED如果期望达到这个辉度值是相当困难的，即使增加电流期望亮度增加，但这样将会使得接合点的温度上升，所带来的结果不仅会使整个发光效率降低外，还会浪费相当多的电量。
日亚化学所开发的白光半导体雷射，在芯片端不再使用荧光材料，而是将发光部分和白光产生的部分分开处理，利用200mw的蓝紫色半导体雷射，发出405nm的波长光线，把蓝色或蓝紫色半导体雷射与光纤的面进行连接，让白光从涂了荧光材料光纤的另一面发射出来，而所产生出来的白光直径仅有1.25mm，这个面积只有相同光量白光LED的1/20，所需的功耗不到0.1W，所以，在散热部分也不需要太多考虑。
虽然看起来在特性的方面是相当的不错，不过还是有一些缺点的，在使用寿命上，只有3,000小时左右，价格太贵。虽然价格的问题花一点时间就可以下降一些，但是以现在30万日圆的水准来看的，要降到3,000甚至300日元，可能需要10年以上的时间。

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