材料對LED光衰的影響

1、晶片的影響從實驗的結(jié)果來看，晶片對光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同，常用的藍光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍寶石，碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計為單電極，其導(dǎo)熱效果比較好，藍寶石一般設(shè)計為雙電極，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，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)氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時要綜合考慮。環(huán)氧樹脂絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高；硅樹脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時會產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過冷熱沖擊后

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LED芯片的壽命，但銀膠對光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對于雙電極藍光晶片在用銀膠固晶時，對膠量的控制也很嚴格，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在藍光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是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，而且不同廠商的熒光粉對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)氧樹脂或硅膠，經(jīng)過光衰實驗的結(jié)果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環(huán)氧樹脂的長。原因之一是用以上兩種方法封裝成成品LED，硅膠比環(huán)氧樹脂抗UV能力強且硅膠散熱效果比環(huán)氧樹脂好；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)氧樹脂（1.5以上）低，所以初始光效不及環(huán)氧樹脂高。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，價格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對較差，更容易生銹，但價格便宜。市場

4、上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對LED的性能影響也不同，特別是對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，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稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量?？梢姽獾墓庾V和LED白光的關(guān)系編輯眾所周之，可見光光譜的波長范圍為380nm760nm，是人眼可感受到的七色光紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，但這七種顏色的光都各自是

5、一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復(fù)合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個可見的光譜范圍。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)人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發(fā)光(藍色光+黃色光)或三波長發(fā)光(藍色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍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“藍光技術(shù)

6、”。國際上掌握“藍光技術(shù)”的廠商僅有少數(shù)幾家，所以白光LED的推廣應(yīng)用，尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。4工藝結(jié)構(gòu)和白色光源編輯對于一般照明，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。 為了說明白光LED的特點，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。對白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已達到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，白光LED的光效已達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120流明/瓦，白光LED作家用照明光源開始推廣普及。預(yù)計到2020年時，LED的光效可望達到200流明/瓦。普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低(燈的熱效應(yīng)白白耗電)，壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(連續(xù)工作時間10000小時以上)，幾乎無需維護。德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機閱讀燈;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。可以預(yù)見不久的將

8、來，白光LED定會進入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點，雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。高功率白光LED散熱與壽命問題改善設(shè)計高功率白光LED應(yīng)用于日常照明用途，其實在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實際上白光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，用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設(shè)計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應(yīng)用出線LED光源3 受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)

9、品壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應(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行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。就市場需求層面觀察，針對照明應(yīng)用市場開發(fā)的白光LED，可以說是未來用量較高的產(chǎn)品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應(yīng)用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化，例如，增加其光-電轉(zhuǎn)換效率，或是加大芯片面積，讓單個LED的發(fā)光量(光通量)達到其設(shè)計極限。其二，屬于較折衷的設(shè)計方案，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芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術(shù)方案。以多芯片封裝滿足低成本、高亮度設(shè)計要求就產(chǎn)業(yè)實務(wù)需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設(shè)計難度與控制產(chǎn)品良率/成本問題，LED芯片持續(xù)加大會碰到成本與良率的設(shè)計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設(shè)計困難，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，而且對于實際制造需求的變更設(shè)計彈性較低。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行芯片測試后，利用二次加工整合成一個等效

11、大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設(shè)計LED光源用元件要更具彈性。同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低，等于在獲得單片式設(shè)計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發(fā)選項。多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化另一個發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續(xù)增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現(xiàn)不如設(shè)計預(yù)期之問題，常見的改進方案為修改復(fù)晶的結(jié)構(gòu)，在芯片表面進行制作改善;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)動以獲得更高的光通量，這會造成芯片進行發(fā)光過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/被動散熱設(shè)計方案。一般設(shè)計方案中，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，成本也相對較高;反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設(shè)計方案。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)計問題，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;這樣的制程相對于單片式設(shè)計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節(jié)省成本，也會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，也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍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)計表面強化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號稱此技術(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即嘗試利用平面光源技術(shù)，搭配LENS光學(xué)系統(tǒng)為芯片光源進行反射、引導(dǎo)與控制，針對傳統(tǒng)炮彈型封裝結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品常見的光損失問題，進一步改善其設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術(shù)相對更為復(fù)雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設(shè)計。LED照明應(yīng)用仍須改善元件光衰與壽命問題如果期待LED光源導(dǎo)入日常照明應(yīng)用，其應(yīng)用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續(xù)用上數(shù)個小時、甚至數(shù)十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱

15、造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問題過早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗。LED光源導(dǎo)入日常應(yīng)用的另一大問題是，如傳統(tǒng)使用的螢光燈具，使用超過數(shù)十小時均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因為LED發(fā)光芯片會因為元件高熱而導(dǎo)致其發(fā)光效率遞減，且此一問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，對使用者來說影響相當(dāng)小;但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅(qū)動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現(xiàn)亮度下滑，必須進行散熱設(shè)計改善才能達到光源應(yīng)用需求。LED封裝材料需因應(yīng)高溫、短波長光線進行改善

16、在光源設(shè)計方案中，往往會利用增加驅(qū)動電流來換取LED芯片更高的光輸出量，但這會讓芯片表面在發(fā)光過程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高，而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續(xù)運行高溫的狀態(tài)下會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)變也會進一步造成透光度下滑，因此在開發(fā)LED光源模組時，亦必須針對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)計等進行重點改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強化散熱傳導(dǎo)速度，快速將核心熱源透過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材料的直接傳導(dǎo)熱源至載板逸散

17、，進行LED芯片高熱的重點改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設(shè)計，也可因為減少熱傳導(dǎo)的熱阻，達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設(shè)計目標(biāo)。另在封裝材料方面，以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹脂進行封裝，其實環(huán)氧樹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)氧樹脂就已經(jīng)因為長時間高熱運行而出現(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)計中，會因為芯片高功率驅(qū)動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。不只是高熱問題，環(huán)氧樹脂這類塑料材質(zhì)，對于光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環(huán)氧樹脂材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料

18、惡化速度也會有加劇現(xiàn)象。針對LED光源應(yīng)用設(shè)計方案，多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環(huán)氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達到處于150180°C環(huán)境下仍不會變色的材料優(yōu)勢。此外，矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因為變質(zhì)而導(dǎo)致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優(yōu)點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優(yōu)點，在封裝材料可抵御LED長時間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。5發(fā)展現(xiàn)狀編輯光效LED自上世紀60年代誕生以來，以每10年亮度提高30倍，價格下降10倍的“海茲定律”般的速度發(fā)展。其理論光效達到260LM/W。據(jù)報道，白光LED光效的實驗室數(shù)據(jù)已超過100lm/W，而進入商業(yè)領(lǐng)域的大功率白光LED也達到40lm/W。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來大功率LED的光效仍具有很大的上升空間，最高有可能達到1502