材料對(duì)LED光衰的影響

1、晶片的影響從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，晶片對(duì)光衰的影響分為兩大類(lèi)：第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同，常用的藍(lán)光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍(lán)寶石，碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單電極，其導(dǎo)熱效果比較好，藍(lán)寶石一般設(shè)計(jì)為雙電極，熱量較難導(dǎo)出，導(dǎo)熱效果較差；第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質(zhì)相同時(shí)，尺寸大小不同衰減差距也不同。固晶的影響在白光LED封裝行業(yè)中通常用到的固晶膠有環(huán)氧樹(shù)脂絕緣膠、硅樹(shù)脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時(shí)要綜合考慮。環(huán)氧樹(shù)脂絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高；硅樹(shù)脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹(shù)脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時(shí)旁邊殘留的硅樹(shù)脂與熒光膠里的環(huán)氧樹(shù)脂相結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)冷熱沖擊后

2、將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈；銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好，可以延長(zhǎng)LED芯片的壽命，但銀膠對(duì)光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對(duì)于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時(shí)，對(duì)膠量的控制也很?chē)?yán)格，否則容易產(chǎn)生短路，直接影響到產(chǎn)品的良品率。熒光粉的影響實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過(guò)在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。市場(chǎng)最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠(chǎng)商的熒光粉對(duì)光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。源磊科技選用最好

3、材質(zhì)的白光熒光粉，使做出的白光LED相比同行在衰減控制方面有了很大的提高。熒光膠水的影響傳統(tǒng)封裝的白光LED，熒光膠一般采用環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠，經(jīng)過(guò)光衰實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環(huán)氧樹(shù)脂的長(zhǎng)。原因之一是用以上兩種方法封裝成成品LED，硅膠比環(huán)氧樹(shù)脂抗UV能力強(qiáng)且硅膠散熱效果比環(huán)氧樹(shù)脂好；但在相同條件下，用硅膠配粉的初始亮度要比環(huán)氧樹(shù)脂配粉的要低，最主要是由于硅膠的折射率（1.3-1.4）比環(huán)氧樹(shù)脂（1.5以上）低，所以初始光效不及環(huán)氧樹(shù)脂高。支架的影響LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，價(jià)格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對(duì)較差，更容易生銹，但價(jià)格便宜。市場(chǎng)

4、上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對(duì)LED的性能影響也不同，特別是對(duì)光衰的影響尤為突出。這主要是由于銅的導(dǎo)熱性能比鐵的好很多，銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W（m.k）,而鐵的導(dǎo)熱系數(shù)只有50W（m.k）左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關(guān)。在選用支架時(shí)，還要注意支架的碗杯大小是否與發(fā)光芯片以及模粒匹配，其匹配質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響白光LED的光學(xué)效果，否則容易造成光斑形狀不對(duì)稱(chēng)、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量?？梢?jiàn)光的光譜和LED白光的關(guān)系編輯眾所周之，可見(jiàn)光光譜的波長(zhǎng)范圍為380nm760nm，是人眼可感受到的七色光紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但這七種顏色的光都各自是

5、一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長(zhǎng)為565nm。在可見(jiàn)光的光譜中是沒(méi)有白色光的，因?yàn)榘坠獠皇菃紊?，而是由多種單色光合成的復(fù)合光，正如太陽(yáng)光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機(jī)中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。由此可見(jiàn)，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個(gè)可見(jiàn)的光譜范圍。但要制造這種性能的LED，現(xiàn)在的工藝條件下是不可能的。根據(jù)人們對(duì)可見(jiàn)光的研究，人眼睛所能見(jiàn)的白光，至少需兩種光的混合，即二波長(zhǎng)發(fā)光(藍(lán)色光+黃色光)或三波長(zhǎng)發(fā)光(藍(lán)色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍(lán)色光，所以攝取藍(lán)色光已成為制造白光的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大LED制造公司追逐的“藍(lán)光技術(shù)

6、”。國(guó)際上掌握“藍(lán)光技術(shù)”的廠(chǎng)商僅有少數(shù)幾家，所以白光LED的推廣應(yīng)用，尤其是高亮度白光LED在我國(guó)的推廣還有一個(gè)過(guò)程。4工藝結(jié)構(gòu)和白色光源編輯對(duì)于一般照明，在工藝結(jié)構(gòu)上，白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍(lán)光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。白光LED照明新光源的應(yīng)用前景。 為了說(shuō)明白光LED的特點(diǎn)，先看看所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為1224流明/瓦;熒光燈和HID燈的光效為50120流明/瓦。對(duì)白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已達(dá)到15流明/瓦，這一指標(biāo)與一般家用

7、白熾燈相近，而在2000年時(shí)，白光LED的光效已達(dá)25流明/瓦，這一指標(biāo)與鹵鎢燈相近。2012年，白光LED的光效已達(dá)120流明/瓦，白光LED作家用照明光源開(kāi)始推廣普及。預(yù)計(jì)到2020年時(shí)，LED的光效可望達(dá)到200流明/瓦。普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價(jià)格便宜，但光效低(燈的熱效應(yīng)白白耗電)，壽命短，維護(hù)工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(zhǎng)(連續(xù)工作時(shí)間10000小時(shí)以上)，幾乎無(wú)需維護(hù)。德國(guó)Hella公司利用白光LED開(kāi)發(fā)了飛機(jī)閱讀燈;澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明;我國(guó)的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈?？梢灶A(yù)見(jiàn)不久的將

8、來(lái)，白光LED定會(huì)進(jìn)入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。高功率白光LED散熱與壽命問(wèn)題改善設(shè)計(jì)高功率白光LED應(yīng)用于日常照明用途，其實(shí)在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實(shí)際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服，已有相關(guān)改善方案，用以強(qiáng)化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強(qiáng)化等各方面設(shè)計(jì)瓶頸，進(jìn)行重點(diǎn)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(xiàn)LED光源3 受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)

9、品壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)換效率高、材料特性可在任意平面進(jìn)行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達(dá)到實(shí)用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無(wú)法直接對(duì)應(yīng)照明應(yīng)用，必須從芯片、封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進(jìn)行強(qiáng)化，才能達(dá)到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。就市場(chǎng)需求層面觀察，針對(duì)照明應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的白光LED，可以說(shuō)是未來(lái)用量較高的產(chǎn)品項(xiàng)目，但為達(dá)到使用效用，白光LED必須針對(duì)照明應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)功能改善。其一是針對(duì)LED芯片進(jìn)行強(qiáng)化，例如，增加其光-電轉(zhuǎn)換效率，或是加大芯片面積，讓單個(gè)LED的發(fā)光量(光通量)達(dá)到其設(shè)計(jì)極限。其二，屬于較折衷的設(shè)計(jì)方案，若在持續(xù)加大單片LED芯片面積較困難

10、的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個(gè)光源模組，也是可以達(dá)到接近前述方法的實(shí)用技術(shù)方案。以多芯片封裝滿(mǎn)足低成本、高亮度設(shè)計(jì)要求就產(chǎn)業(yè)實(shí)務(wù)需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設(shè)計(jì)難度與控制產(chǎn)品良率/成本問(wèn)題，LED芯片持續(xù)加大會(huì)碰到成本與良率的設(shè)計(jì)瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會(huì)碰到的設(shè)計(jì)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(duì)于實(shí)際制造需求的變更設(shè)計(jì)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(xiàn)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(jìn)行芯片測(cè)試后，利用二次加工整合成一個(gè)等效

11、大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設(shè)計(jì)LED光源用元件要更具彈性。同時(shí)，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因?yàn)樾酒杀径蠓档?，等于在獲得單片式設(shè)計(jì)方案同等光通量下，擁有成本更低的開(kāi)發(fā)選項(xiàng)。多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化另一個(gè)發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續(xù)增大，透過(guò)大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過(guò)大的LED芯片面積也會(huì)出現(xiàn)不如設(shè)計(jì)預(yù)期之問(wèn)題，常見(jiàn)的改進(jìn)方案為修改復(fù)晶的結(jié)構(gòu)，在芯片表面進(jìn)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(dòng)以獲得更高的光通量，這會(huì)造成芯片進(jìn)行發(fā)光過(guò)程中芯片接面所匯集的高熱

12、不容易消散，影響模組產(chǎn)品的應(yīng)用彈性與主/被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)方案。一般設(shè)計(jì)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(duì)較高;反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進(jìn)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(kāi)發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(lèi)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(jì)問(wèn)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

13、芯片短路現(xiàn)象;這樣的制程相對(duì)于單片式設(shè)計(jì)多了許多程序，因此即使能較單片式方案節(jié)省成本，也會(huì)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(qiáng)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(duì)芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍(lán)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(jì)表面強(qiáng)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(kāi)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(jìn)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(hào)稱(chēng)此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75

14、%光取出效率。另一方面，日本OMRON的開(kāi)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?yán)闷矫婀庠醇夹g(shù)，搭配LENS光學(xué)系統(tǒng)為芯片光源進(jìn)行反射、引導(dǎo)與控制，針對(duì)傳統(tǒng)炮彈型封裝結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品常見(jiàn)的光損失問(wèn)題，進(jìn)一步改善其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用雙層反射效果進(jìn)而控制與強(qiáng)化LED的光取出量，但這種封裝技術(shù)相對(duì)更為復(fù)雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設(shè)計(jì)。LED照明應(yīng)用仍須改善元件光衰與壽命問(wèn)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(wèn)題就會(huì)更多!因?yàn)槿粘Ｕ彰鞴庠磿?huì)有長(zhǎng)時(shí)間使用之情境，往往一開(kāi)啟就連續(xù)用上數(shù)個(gè)小時(shí)、甚至數(shù)十小時(shí)，那長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟的LED將會(huì)因?yàn)樵母邿?/p>

15、造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象，元件必須針對(duì)熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問(wèn)題過(guò)早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗(yàn)。LED光源導(dǎo)入日常應(yīng)用的另一大問(wèn)題是，如傳統(tǒng)使用的螢光燈具，使用超過(guò)數(shù)十小時(shí)均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光芯片會(huì)因?yàn)樵邿岫鴮?dǎo)致其發(fā)光效率遞減，且此一問(wèn)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(duì)使用者來(lái)說(shuō)影響相當(dāng)小;但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問(wèn)題會(huì)在為提高亮度而加強(qiáng)單顆元件的驅(qū)動(dòng)功率下越形加劇，一般會(huì)在使用過(guò)幾小時(shí)后出現(xiàn)亮度下滑，必須進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)改善才能達(dá)到光源應(yīng)用需求。LED封裝材料需因應(yīng)高溫、短波長(zhǎng)光線(xiàn)進(jìn)行改善

16、在光源設(shè)計(jì)方案中，往往會(huì)利用增加驅(qū)動(dòng)電流來(lái)?yè)Q取LED芯片更高的光輸出量，但這會(huì)讓芯片表面在發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高，而芯片的高溫考驗(yàn)封裝材料的耐用度，連續(xù)運(yùn)行高溫的狀態(tài)下會(huì)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(huì)進(jìn)一步造成透光度下滑，因此在開(kāi)發(fā)LED光源模組時(shí)，亦必須針對(duì)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(jì)等進(jìn)行重點(diǎn)改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強(qiáng)化散熱傳導(dǎo)速度，快速將核心熱源透過(guò)封裝材料表面逸散也是一種方法?；蚴怯尚酒c載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過(guò)材料的直接傳導(dǎo)熱源至載板逸散

17、，進(jìn)行LED芯片高熱的重點(diǎn)改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設(shè)計(jì)，也可因?yàn)闇p少熱傳導(dǎo)的熱阻，達(dá)到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設(shè)計(jì)目標(biāo)。另在封裝材料方面，以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝，其實(shí)環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂就已經(jīng)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間高熱運(yùn)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(jì)中，會(huì)因?yàn)樾酒吖β黍?qū)動(dòng)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(wèn)題，環(huán)氧樹(shù)脂這類(lèi)塑料材質(zhì)，對(duì)于光的敏感度較高，尤其是短波長(zhǎng)的光會(huì)讓環(huán)氧樹(shù)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(zhǎng)光線(xiàn)會(huì)更多，對(duì)材料

18、惡化速度也會(huì)有加劇現(xiàn)象。針對(duì)LED光源應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長(zhǎng)光線(xiàn)的封裝材料，例如矽樹(shù)脂即具備較環(huán)氧樹(shù)脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹(shù)脂可達(dá)到處于150180°C環(huán)境下仍不會(huì)變色的材料優(yōu)勢(shì)。此外，矽樹(shù)脂亦可分散藍(lán)色光與紫外線(xiàn)，矽樹(shù)脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長(zhǎng)光線(xiàn)的材料劣化問(wèn)題，減緩封裝材料因?yàn)樽冑|(zhì)而導(dǎo)致透光率下滑問(wèn)題。而就LED光源模組來(lái)說(shuō)，矽樹(shù)脂也有延長(zhǎng)LED元件使用壽命優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槲鶚?shù)脂本身抗高熱與抗短波長(zhǎng)光線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，在封裝材料可抵御LED長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線(xiàn)照射，材料的壽命相對(duì)長(zhǎng)許多，也可讓LED元件有超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)的使用壽命。5發(fā)展現(xiàn)狀編輯光效LED自上世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，以每10年亮度提高30倍，價(jià)格下降10倍的“海茲定律”般的速度發(fā)展。其理論光效達(dá)到260LM/W。據(jù)報(bào)道，白光LED光效的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過(guò)100lm/W，而進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域的大功率白光LED也達(dá)到40lm/W。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來(lái)大功率LED的光效仍具有很大的上升空間，最高有可能達(dá)到1502