白光LED的發(fā)光效率及使用壽命問題

為了獲得充分的白光LED光束，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片，試圖以此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。實(shí)際上在白光LED上施加的電功率持續(xù)超過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%，提高白光LED的輸入功率和發(fā)光效率必須克服的問題有：抑制溫升；確保使用壽命；改善發(fā)光效率；發(fā)光特性均等化。

增加功率會(huì)使用白光LED封裝的熱阻抗下降至10K/W以下，因此國外曾經(jīng)開發(fā)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(fā)熱量比小功率白光LED高數(shù)十倍以上，即使白光LED的封裝允許高熱量，但白光LED芯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芯片外形，采用小型芯片。因白光LED的發(fā)光頻譜中含有波長低于450nm的短波長光線，傳統(tǒng)環(huán)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。改用硅質(zhì)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(shù)。

改善白光LED的發(fā)光效率的具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，達(dá)到與低功率白光LED相同的水準(zhǔn)，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，結(jié)果反而會(huì)造成發(fā)光效率不如低功率白光LED，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題。

實(shí)現(xiàn)發(fā)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(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)就可以克服上述困擾。

減少熱阻抗、改善散熱問題的具體內(nèi)容分別是：

① 降低芯片到封裝的熱阻抗。

② 抑制封裝至印制電路基板的熱阻抗。

③ 提高芯片的散熱順暢性。

為了降低熱阻抗，國外許多LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片表面，如圖1所示，用焊接方式將印制電路板上散熱用導(dǎo)線連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱鰭片上。德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb 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的電功率時(shí)，LED芯片的溫度比焊接點(diǎn)高18℃，即使印制電路板的溫度上升到500℃，LED芯片的溫度也只有700℃左右。熱阻抗一旦降低，LED芯片的溫度就會(huì)受到印制電路板溫度的影響，為此必須降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗。反過來說，即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無法從LED封裝傳導(dǎo)到印制電路板的話，LED溫度的上升將使其發(fā)光效率下降，因此松下公司開發(fā)出了印制電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將邊長為1mm的正方形藍(lán)光LED以覆芯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(zhì)印制電路板表面，包含印制電路板在內(nèi)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(jié)構(gòu)

針對(duì)白光LED的長壽化問題，目前LED廠商采取的對(duì)策是變更密封材料，同時(shí)將熒光材料分散在密封材料內(nèi)，可以更有效地抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。

由于環(huán)氧樹脂吸收波長為400~450nm 的光線的百分比高達(dá)45%，硅質(zhì)密封材料則低于1%，環(huán)氧樹脂亮度減半的時(shí)間不到1萬小時(shí)，硅質(zhì)密封材料可以延長到4萬小時(shí)左右（如圖2所示），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)備在使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)密封材料屬于高彈性柔軟材料，加工上必須使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)密封材料表面的制作技術(shù)，此外制程上硅質(zhì)密封材料極易附著粉屑，因此未來必須開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。

圖2 硅質(zhì)密封材料與環(huán)氧樹脂對(duì)LED光學(xué)特性的影響

雖然硅質(zhì)密封材料可以確保白光LED有4萬小時(shí)的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)界有不同的看法，主要爭論是傳統(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4萬小時(shí)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(shí)。目前有兩種延長組件使用壽命的對(duì)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(xiàng)對(duì)策可以達(dá)成亮度降至30%時(shí)使用壽命達(dá)4萬小時(shí)的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻白光LED封裝印制電路板的方法，主要原因是封裝樹脂在高溫狀態(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100℃時(shí)壽命會(huì)延長2倍。

停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因?yàn)榘坠釲ED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹脂材質(zhì)反射板，由于反射板會(huì)吸收光線，所以光線的取出量會(huì)銳減，這也是采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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LED封裝基板無樹脂化結(jié)構(gòu)

有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率：一種是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種是利用多個(gè)小型高發(fā)光效率LED芯片組合成一個(gè)單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過加大芯片面積會(huì)有負(fù)面影響，例如芯片內(nèi)發(fā)光層不均勻、發(fā)光部位受到局限、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部時(shí)會(huì)嚴(yán)重衰減等。針對(duì)以上問題，通過對(duì)白光LED的電極結(jié)構(gòu)的改良，采用覆芯片化封裝方式，同時(shí)整合芯片表面加上技術(shù)，目前已經(jīng)達(dá)成50lm/W的發(fā)光效率。大型白光LED的封裝方式如圖4所示。有關(guān)芯片整體的發(fā)光層均等性，自從出現(xiàn)梳子狀與網(wǎng)格狀P型電極這后，使電極也朝最佳化方向發(fā)展。

圖4 大型LED的封裝方式