白光LED的發(fā)光效率及使用壽命問題(精)

1、白光 LED的發(fā)光效率及使用壽命問題白光 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 以上時光束反而會下降，發(fā)光效率則相對降低 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

2、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，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會造成發(fā)光效率不如低功率白光 LE

3、D ，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：降低芯片到封裝的熱阻抗。抑制封裝至印制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 OptoSemiconductors 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

4、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， 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

5、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)針對白光 LED 的長壽化問題，目前 LED 廠商采取的對策是變更密封材料，同時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 400450nm 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間不到 1 萬小時，硅質(zhì)密封材料可以延長到 4 萬小時左右（如圖 2 所示），幾乎與圖 2硅質(zhì)密封材料與環(huán)氧樹脂對LED 光學(xué)特性的

6、影響雖然硅質(zhì)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(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：抑制白光 LED 整體的溫升。停止使用樹脂封裝方式。以上兩項(xiàng)對策可以達(dá)成亮度降至 30% 時使用壽命達(dá) 4 萬小時的要求。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)光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則，溫度降低 100

7、 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?yàn)榘坠?LED 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，由于反射板會吸收光線，所以光線的取出量會銳減，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小型高發(fā)光效率 LED 芯片組合成一個單體模塊。雖然大型 LED 芯片可以獲得大光束，不過加大芯片面積會有負(fù)面影響，例如芯片

8、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會嚴(yán)重衰減等。針對以上問題，通過對白光 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 的封裝方式有關(guān)覆芯片化封裝方式，由于發(fā)光層貼近封裝端極易排放熱量，加上發(fā)光層的光線發(fā)射到外部時無電極遮蔽的困擾，所以美國 Lumileds 公司與日本豐田合作已經(jīng)正式采用覆芯片化封裝方式，芯片表面加工可以防止光線從芯片內(nèi)部朝

9、芯片外部發(fā)射時在界面處發(fā)生反射，若在光線取出部位的藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，芯片外部的取光率可以提高30% 左右。經(jīng)過改良的大型LED 芯片封裝實(shí)體可以使芯片側(cè)面射出的光線朝封裝上方的反射板行進(jìn)，高效率取出芯片內(nèi)部光線的封裝大小是7mm×7mm左右。大型 LED 的最后封裝方式如圖 5 所示。圖 5大型 LED 的最后封裝方式小型 LED 芯片的發(fā)光效率的提升似乎比大型 LED 芯片模塊更有效。例如日本 CITIZEN 公司組合 8 個小型 LED 芯片，達(dá)到 60lm/W 的高發(fā)光效率。若使用日亞公司制作的 0.3mm× 0.3mm 小型 LED 芯片，一個封裝模塊最多

10、使用 12 個這樣的芯片，各 LED 芯片采用傳統(tǒng)金線粘合封裝方式，施加功率是 2W 左右。對于白光 LED 輝度與色溫不均勻問題，在使用上必須篩選光學(xué)特性類似的白光 LED 。事實(shí)上減少白光 LED 發(fā)光特性的不均勻性、使 LED 芯片發(fā)光特性一致化以及實(shí)施熒光體材料濃度分布均勻化管理是非常重要的。有關(guān) LED 芯片的發(fā)光特性，各廠商都在非常積極地進(jìn)行芯片篩選、發(fā)光特性的均等化處理等以減少 LED 發(fā)光特性不均勻問題，如松下圖6利用多個小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長均勻性白光 LED 通常是用內(nèi)含熒光體材料的密封樹脂直接包覆 LED 芯片，此時密封樹脂中熒光體材料的濃度可能出現(xiàn)偏差，最后造

11、成白光 LED 的色溫分布不均勻。因此，可將含熒光體材料的樹脂薄片與 LED 芯片結(jié)合，由于薄片厚度與熒光體材料的濃度經(jīng)過嚴(yán)格的管理，所以白光 LED 的色溫分布不均程度比傳統(tǒng)方式減少了 4/5 。業(yè)界認(rèn)為使用熒光體薄片方式，配合 LED 芯片的發(fā)光特性，改變熒光體的濃度與薄片的厚度，就可以使白光 LED 的色溫變化雖然說隨著白光LED 發(fā)光效率的逐步提高，將白光域的可能性也越來越大，但是很明顯地，單只白光LEDLED 應(yīng)用在照明領(lǐng)的光通量均偏低，因此以目前的封裝形式是不太可能以單只白光LED 來達(dá)到照明所需要的流明數(shù)。針對這人問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類：一類是較傳統(tǒng)地將多只LE

12、D 組成光源模塊來使用，而其中每只白光LED 所需要的對于白光 LED 而言，最重要的是輸出的光通量及光色，所以白光 LED 的一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的環(huán)氧樹脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹脂幾乎都是不導(dǎo)熱材料，因此對于目前的白光 LED 封裝技術(shù)而言，主要是利用其白光 LED 芯片下方的金屬腳座散去組件所發(fā)出的熱量。就目前的趨勢看來，金屬腳座材料主要是以高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料為主而組成的，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與芯片間的熱膨脹系數(shù)差異甚大，若將其直接接觸，很可能因?yàn)樵跍囟壬邥r材料間產(chǎn)生應(yīng)力而造成可靠性問題，所以一般都會在材料間加上具有適當(dāng)傳導(dǎo)系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間

13、隔。松下電器將公司多只白光LED 制成在金屬材料與金屬系復(fù)合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊，利用光源基板的高導(dǎo)熱效果，使光源的輸出在長時間使用時仍能維持穩(wěn)定。 Lumileds生產(chǎn)的白光 LED 基板所使用的材料為具有高傳導(dǎo)系數(shù)的銅材，再將其連接至特制的金屬電路板，就可以兼顧電路導(dǎo)通及增加熱傳導(dǎo)效果。大功率白光 LED 產(chǎn)品的芯片制造技術(shù)、封裝技術(shù)似乎已經(jīng)成為高亮度白光 LED 的主流技術(shù)，然而與大芯片相關(guān)的制造技術(shù)及封裝技術(shù)不只是將芯片面積做大，若希望將白光 LED 應(yīng)用于高亮度照明領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究。白光 LED 應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域還有諸多問題需要解決，首先是白光 L

14、ED 的效率提升，例如 GaInN 系的綠光、藍(lán)光以及近紫外光 LED 的效率仍有很大的開發(fā)裕度。此外，綜合綠光與藍(lán)光 LED 在低電流密度（約 1A/cm2 ）時具有最大的量子效率，在高電流密度時量子效率反而會下降，如圖 7 所示。從成本觀點(diǎn)考慮時則希望 LED 能夠以高電流密度來驅(qū)動，同時盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開綠光與藍(lán)光 LED 高電流密度時量子效率下降的機(jī)理與原因，不單是材料物理特性探索上的需要，這項(xiàng)研究對于未來應(yīng)用也是具有關(guān)鍵性的角色。目前的研究顯示紫光 LED （波長為 382nm ）即使施加高電流密度（ 50A/cm2 ），量子效率也不會下降。圖 7 GaInN系 LED 的量子效率與電流密度的關(guān)系傳統(tǒng)的白光 LED 都是將邊長為 200350 m 的正方形芯片封裝成圓頭柱外形，之后為了獲得照明所需要的光束，再將已封裝的多個白光 LED 組件排列成矩陣狀。單純以高輸出功率為目的而特別開發(fā)出的面積比以往芯片大610倍，外形尺寸高達(dá)500 m1mm的白光 LED ，雖然封裝后可獲得數(shù)百毫瓦（數(shù)十流明）的輸出功率，但是加大芯片的外形尺寸，反而使白光LED 內(nèi)部的光吸收比率增加、外部取光率降低。就以AlGaInP LED為例，芯片的外形尺寸從 0.22mm×0.22m