白光LED壽命介紹

1、白光 LED 壽命介紹白光白光 LED 壽命介紹壽命介紹白光為了獲得充分的白光 LED 光束，曾經開發(fā)大尺寸 LED 芯片，試圖以此方式達成預期目標。實際上在白光 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

2、 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構與封裝結構，達到與低功率白光 LED 相同的水準，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，結果反而會造成發(fā)光效率不如低功率白光 LED，如果改善芯片的

3、電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。實現(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就可以克服上述困擾。減少熱阻抗、改善散熱問題的具體內容分別是： 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線連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱鰭片上。德國 OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實驗結果證實，上述結構的 LED 芯片到焊接點的熱阻抗可

4、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 芯片到焊接點的熱阻抗。反過來說，即使白光 LED 具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從 LED 封裝傳導到印制電路板的話，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，該公司將邊長為 1mm 的正方形藍光 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

5、銅質印制電路板表面，包含印制電路板在內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 散熱結構針對白光 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，可以更有效地抑制材質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 45%，硅質密封材料則低于 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 硅質密封材料與環(huán)氧樹脂對 LED 光學特性的影響雖然硅質密封

6、材料可以確保白光 LED 有 4 萬小時的使用壽命，然而照明設備業(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。以上兩項對策可以達成亮度降至 30%時使用壽命達 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，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則，溫度降低100時壽命會延長 2 倍。停止

7、使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為白光 LED 產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，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構如圖 3 所示。圖 3 LED 封裝基板無樹脂化結構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面影響，例如芯片內發(fā)光層不均勻、發(fā)光部位受到局限、

8、芯片內部產生的光線放射到外部時會嚴重衰減等。針對以上問題，通過對白光 LED的電極結構的改良，采用覆芯片化封裝方式，同時整合芯片表面加上技術，目前已經達成 50lm/W 的發(fā)光效率。大型白光 LED 的封裝方式如圖 4 所示。有關芯片整體的發(fā)光層均等性，自從出現(xiàn)梳子狀與網格狀 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部朝芯片外部發(fā)射時在界面處發(fā)生反射，若

9、在光線取出部位的藍寶石基板上設置凹凸狀結構，芯片外部的取光率可以提高 30%左右。經過改良的大型 LED 芯片封裝實體可以使芯片側面射出的光線朝封裝上方的反射板行進，高效率取出芯片內部光線的封裝大小是 7mm7mm 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，達到 60lm/W 的高發(fā)光效率。若使用日亞公司制作的 0.3mm0.3mm 小型 LED 芯片，一個封裝模塊最多使用 12 個這樣的芯片，各 LED 芯片采用傳統(tǒng)金線

10、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特性類似的白光LED。事實上減少白光 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施熒光體材料濃度分布均勻化管理是非常重要的。有關 LED 芯片的發(fā)光特性，各廠商都在非常積極地進行芯片篩選、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，最后造成白光 LED 的色溫分布不均勻。因此，可將含熒光

11、體材料的樹脂薄片與 LED 芯片結合，由于薄片厚度與熒光體材料的濃度經過嚴格的管理，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 LED 應用在照明領域的可能性也越來越大，但是很明顯地，單只白光 LED 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 LED 組成光源模塊來使用，而其中每只白光

12、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熱材料，因此對于目前的白光 LED 封裝技術而言，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，很可能因為在溫度升高時材料間產生應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傳導系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。松下電器將公司多只白光 LED 制

13、成在金屬材料與金屬系復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 生產的白光 LED 基板所使用的材料為具有高傳導系數(shù)的銅材，再將其連接至特制的金屬電路板，就可以兼顧電路導通及增加熱傳導效果。大功率白光 LED 產品的芯片制造技術、封裝技術似乎已經成為高亮度白光 LED的主流技術，然而與大芯片相關的制造技術及封裝技術不只是將芯片面積做大，若希望將白光 LED 應用于高亮度照明領域，相關技術仍有待進一步研究。白光 LED 應用于一般照明領域還有諸多問題需要解決，首先是白光 LED 的效率提升，例如 GaInN 系

14、的綠光、藍光以及近紫外光 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。從成本觀點考慮時則希望 LED 能夠以高電流密度來驅動，同時盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開綠光與藍光 LED 高電流密度時量子效率下降的機理與原因，不單是材料物理特性探索上的需要，這項研究對于未來應用也是具有關鍵性的角色。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系傳統(tǒng)的白光 LED 都是將邊長為 200350m 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 500m1mm 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0.2