【導(dǎo)讀】LED的散熱問(wèn)題一直很難完全克服,而散熱不好必然影響LED的壽命,除了外加散熱材料以外,更應(yīng)該考慮的是解決封裝的散熱問(wèn)題,只有這樣才能從根本上提高白光LED壽命...
過(guò)去LED業(yè)者為了獲利充分的白光LED光束,曾經(jīng)開(kāi)發(fā)大尺寸LED芯片試圖藉此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo),不過(guò)實(shí)際上白光LED的施加電力持續(xù)超過(guò)1W以上時(shí)光束反而會(huì)下降,發(fā)光效率則相對(duì)降低20~30%,換句話(huà)說(shuō)白光LED的亮度如果要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍,消費(fèi)電力特性希望超越熒光燈的話(huà),就必需先克服下列的四大課題,包括,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。
有關(guān)溫升問(wèn)題具體方法是降低封裝的熱阻抗;維持LED的使用壽命具體方法,是改善芯片外形、采用小型芯片;改善LED的發(fā)光效率具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)、采用小型芯片;至于發(fā)光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法,而這些方法已經(jīng)陸續(xù)被開(kāi)發(fā)中。
解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法
由于增加電力反而會(huì)造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下,因此國(guó)外業(yè)者曾經(jīng)開(kāi)發(fā)耐高溫白光LED試圖藉此改善上述問(wèn)題,然而實(shí)際上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍以上,而且溫升還會(huì)使發(fā)光效率大幅下跌,即使封裝技術(shù)允許高熱量,不過(guò)LED芯片的接合溫度卻有可能超過(guò)容許值,最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法。
有關(guān)LED的使用壽命,例如改用硅質(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(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線(xiàn),傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料極易被短波長(zhǎng)光線(xiàn)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(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí),高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上,根本無(wú)法滿(mǎn)足照明光源長(zhǎng)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(dá)到與低功率白光LED相同水平,主要原因是電流密度提高2倍以上時(shí),不但不容易從大型芯片取出光線(xiàn),結(jié)果反而會(huì)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(wèn)題。
設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題
有關(guān)發(fā)光特性均勻性,一般認(rèn)為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術(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(shí),必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)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。
為了要降低熱阻抗,許多國(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片(heatsink)表面,接著再用
焊接方式將印刷電路板上散熱用導(dǎo)線(xiàn),連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱鰭片上,根據(jù)德國(guó)OSRAMOptoSemiconductorsGmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)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(shí),LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)高18K,即使印刷電路板溫度上升到500C,接合溫度頂多只有700C左右;相較之下以往熱阻抗一旦降低的話(huà),LED芯片的接合溫度就會(huì)受到印刷電路板溫度的影響,如此一來(lái)必需設(shè)法降低LED芯片的溫度,換句話(huà)說(shuō)降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗,可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān)。反過(guò)來(lái)說(shuō)即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu),如果熱量無(wú)法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話(huà),LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會(huì)急遽下跌,因此松下電工開(kāi)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(lán)光LED以flipchip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)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)模塊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(jì)功力
由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導(dǎo)效果,因此印刷電路板的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜,有鑒于此美國(guó)Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝廠商,相繼開(kāi)發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù),CITIZEN在2004年開(kāi)始樣品出貨的白光LED封裝,不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部,根據(jù)該CITIZEN表示雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般環(huán)境下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右,不過(guò)即使是傳統(tǒng)印刷電路板無(wú)冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下,該白光LED模塊也可以連續(xù)點(diǎn)燈使用。
Lumileds于2005年開(kāi)始樣品出貨的高功率LED芯片,接合容許溫度更高達(dá)+1850C,比其它公司同級(jí)產(chǎn)品高600C,利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時(shí),周?chē)h(huán)境溫度400C范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流(大約是400mA)。所以Lumileds與CITIZEN使采取提高接合點(diǎn)容許溫度,德國(guó)OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)在散熱鰭片表面,達(dá)成9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM過(guò)去開(kāi)發(fā)同級(jí)品的熱阻抗減少40%,值得一提是該LED模塊封裝時(shí),采用與傳統(tǒng)方法相同的flipchip方式,不過(guò)LED模塊與熱鰭片接合時(shí),則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面,藉此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。
2003年?yáng)|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(wú)冷卻風(fēng)扇等特殊散熱組件前提下,試作光束為300lm的LED模塊,由于東芝Lighting擁有豐富的試作經(jīng)驗(yàn),因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)的進(jìn)步,2006年之后超過(guò)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(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)照明設(shè)備的散熱,不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。
變更封裝材抑制材質(zhì)劣化與光線(xiàn)穿透率降低的速度
有關(guān)LED的長(zhǎng)壽化,目前LED廠商采取的對(duì)策是變更封裝材料,同時(shí)將熒光材料分散在封裝材料內(nèi),尤其是硅質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料,可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線(xiàn)穿透率降低的速度。由于環(huán)氧樹(shù)脂吸收波長(zhǎng)為400~450nm的光線(xiàn)的百分比高達(dá)45%,硅質(zhì)封裝材料則低于1%,輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹(shù)脂不到一萬(wàn)小時(shí),硅質(zhì)封裝材料可以延長(zhǎng)到四萬(wàn)小時(shí)左右,幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guò)硅質(zhì)樹(shù)脂屬于高彈性柔軟材料,加工上必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹(shù)脂表面的制作技術(shù),此外制程上硅質(zhì)樹(shù)脂極易附著粉屑,因此未來(lái)必需開(kāi)發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。
雖然硅質(zhì)封裝材料可以確保LED四萬(wàn)小時(shí)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(zhēng)論是傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈的使用壽命,被定義成「亮度降至30%以下」,亮度減半時(shí)間為四萬(wàn)小時(shí)的LED,若換算成亮度降至30%以下的話(huà),大約只剩二萬(wàn)小時(shí)左右。目前有兩種延長(zhǎng)組件使用壽命的對(duì)策,分別是,抑制白光LED整體的溫升,和停止使用樹(shù)脂封裝方式。
一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策,可以達(dá)成亮度30%四萬(wàn)小時(shí)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(shù)脂高溫狀態(tài)下,加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化,依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會(huì)延長(zhǎng)2倍。停止使用樹(shù)脂封裝可以徹底消滅劣化因素,因?yàn)長(zhǎng)ED產(chǎn)生的光線(xiàn)在封裝樹(shù)脂內(nèi)反射,如果使用可以改變芯片側(cè)面光線(xiàn)行進(jìn)方向的樹(shù)脂材質(zhì)反射板,由于反射板會(huì)吸收光線(xiàn),所以光線(xiàn)的取出量會(huì)急遽銳減,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。
散熱問(wèn)題解決,LED壽命就會(huì)延長(zhǎng),亮度也可以達(dá)到比較高的要求,以上提供的方法僅供工程師參考,具體設(shè)計(jì)還要實(shí)際分析。