散熱問(wèn)題持續(xù)困擾高功率白光LED的應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
就今天而言，白光LED仍舊存在著發(fā)光均一性不佳、封閉材料的壽命不長(zhǎng)，而無(wú)法發(fā)揮白光LED被期待的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。但就需求層面來(lái)看，不僅一般的照明用途，隨著手機(jī)、LCD TV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應(yīng)用積極的出現(xiàn)，使得最合適開發(fā)穩(wěn)定白光LED的技術(shù)研究成果也就相當(dāng)?shù)谋魂P(guān)心。
藉由提高晶片面積來(lái)增加發(fā)光量
期望改善白光LED的發(fā)光效率，目前有兩大方向，就是提高LED晶片的面積，也就是說(shuō)，將目前面積為1m㎡的小型晶片，將發(fā)光面積提高到10m㎡的以上，藉此增加發(fā)光量，或把幾個(gè)小型晶片一起封裝在同一個(gè)模組下。雖然，將LED晶片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高多的亮度，但因過(guò)大的面積，在應(yīng)用過(guò)程和結(jié)果上也會(huì)出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。所以，針對(duì)這樣的問(wèn)題，部分LED業(yè)者就根據(jù)電極構(gòu)造的改良，和覆晶的構(gòu)造，在晶片表面進(jìn)行改良，來(lái)達(dá)到50lm/W的發(fā)光效率。
例如在白光LED覆晶封裝的部分，由於發(fā)光層很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時(shí)，因此電極不會(huì)被遮蔽的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)就是所產(chǎn)生的熱不容易消散。而并非進(jìn)行晶片表面改善后，再加上增加晶片面積就絕對(duì)可以一口氣提昇亮度，因?yàn)楫?dāng)光從晶片內(nèi)部向外散射時(shí)，晶片中這些改善的部分無(wú)法進(jìn)行反射，所以在取光上會(huì)受到一點(diǎn)限制，根據(jù)計(jì)算，最佳發(fā)揮光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。
利用封裝數(shù)個(gè)小面積LED晶片，快速提高發(fā)光效率
和大面積LED晶片相比，利用小功率LED晶片封裝成同一個(gè)模組，這樣是能夠較快達(dá)到高亮度的要求，例如，Citizen就將8個(gè)小型LED封裝在一起，讓模組的發(fā)光效率達(dá)到了60lm/W，堪稱是業(yè)界的首例。
但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮，因?yàn)槭菍⒍囝wLED封裝在同一個(gè)模組上，所以在模組中必須置入一些絕緣材料，以免造成LED晶片間的短路情況發(fā)生，不過(guò)，如此一來(lái)就會(huì)增加了不少的成本。對(duì)此Citizen的解釋是，事實(shí)上對(duì)於成本的影響幅度是相當(dāng)小的，因?yàn)橄噍^于整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，并因可以利用現(xiàn)有的材料來(lái)做絕緣應(yīng)用，這些絕緣材料不需要重新開發(fā)，也不需要增加新的設(shè)備來(lái)因應(yīng)。
雖然Citizen的解釋理論上是合理的，但是，對(duì)于較無(wú)經(jīng)驗(yàn)的業(yè)者來(lái)說(shuō)，這就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)闊o(wú)論在良率、研發(fā)、生產(chǎn)工程上都是需要予以克服的。當(dāng)然，還有其他方式可達(dá)到提高發(fā)光效率的目標(biāo)，許多業(yè)者發(fā)現(xiàn)，在LED藍(lán)寶石基板上制作出凹凸不平坦的結(jié)構(gòu)，這樣或許可以提高光輸出量，所以，有逐漸朝向在晶片表面建立Texture或Photonics結(jié)晶的架構(gòu)。例如德國(guó)的OSRAM就是以這樣的架構(gòu)開發(fā)出“Thin GaN”高亮度LED，OSRAM是在InGaN層上形成金屬膜，之后再剝離藍(lán)寶石。這樣，金屬膜就會(huì)產(chǎn)生映射的效果而獲得更多的光線取出，而根據(jù)OSRAM的資料顯示，這樣的結(jié)構(gòu)可以獲得75％的光取出效率。
 |
|
逐漸有業(yè)者利用覆晶的構(gòu)造，來(lái)期望達(dá)到50lm/W的發(fā)光效率，由于發(fā)光層很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時(shí)，因此電極不會(huì)被遮蔽。（資料來(lái)源：LEDIKO） |
利用這樣的結(jié)構(gòu)，可將傳統(tǒng)砲彈型封裝等的LED所造成的光損失，針對(duì)封裝的廣角度反射來(lái)獲得更高的光效率，更進(jìn)一步的是，在表面所形成的Mesh上進(jìn)行加工，而形成雙層的反射效果，這樣的方式，事實(shí)上是可以得到不錯(cuò)的光取出效率控制的。因?yàn)檫@樣的特殊設(shè)計(jì)，這些利用反射效果達(dá)到高光取出效率的LED，主要的用途是針對(duì)LCD TV背光所應(yīng)用的。
封裝材料和熒光材料的重要性增加
但如果期望用來(lái)作為LCD TV背光應(yīng)用的話，那麼需要克服的問(wèn)題就會(huì)更多了，因?yàn)長(zhǎng)CD TV的連續(xù)使用時(shí)間都是長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，甚至10幾個(gè)小時(shí)，所以，由於這樣長(zhǎng)時(shí)間的使用情況下，拿來(lái)作為背光的白光LED就必須擁有不會(huì)因?yàn)檫B續(xù)使用而產(chǎn)生亮度衰減的情況。目前已發(fā)表的高功率的白光LED，它的發(fā)光功率是一個(gè)低功率白光LED亮度的數(shù)十倍，所以期望利用高功率白光LED來(lái)代替螢光燈作為照明設(shè)備的話，有一個(gè)必須克服的困難就是亮度遞減的情況。
例如，白光LED長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用1W的電力情況下，會(huì)造成連續(xù)使用后半段時(shí)間的亮度逐漸降低的現(xiàn)象，當(dāng)然，不是只有高功率白光LED才會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，低功率白光LED也會(huì)存在這樣的問(wèn)題，只不過(guò)是因?yàn)椋凸β拾坠庖驗(yàn)閼?yīng)用的產(chǎn)品不同，所以，并不會(huì)因此特別突顯出這樣的困擾。
使用的電流越大，當(dāng)然所獲得的亮度就越高，這是一般對(duì)于LED能夠達(dá)到高亮度的觀念，不過(guò)，因?yàn)樗褂玫碾娏髟黾?，因此所帶?lái)的缺點(diǎn)是，封裝材料是否能夠承受這樣的長(zhǎng)時(shí)間的因?yàn)殡娏魉a(chǎn)生的熱，也因?yàn)檫@樣的連續(xù)使用，往往封裝材料的熱抵抗會(huì)降到10k/w以下。
高功率LED的發(fā)熱量是低功率LED的數(shù)十倍，因此，會(huì)出現(xiàn)隨著溫度上升，而出現(xiàn)發(fā)光功率降低的問(wèn)題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發(fā)上，就相對(duì)顯的非常重要。
或許在20∼30lm/W以下的LED，這些問(wèn)題都不存在，但是，一旦面臨60lm/w以上的高發(fā)光功率LED的時(shí)候，就不得不需要想辦法解決的，因?yàn)?，熱效?yīng)所帶來(lái)的影響，絕對(duì)不會(huì)僅僅只有LED本身，而是會(huì)對(duì)整體應(yīng)用產(chǎn)品帶來(lái)困擾，所以，LED如果能夠在這一方面獲得解決的話，那么，也可以減輕應(yīng)用產(chǎn)品本身的散熱負(fù)擔(dān)。
因此，在面對(duì)不斷提高電流情況的同時(shí)，如何增加抗熱能力，也是現(xiàn)階段的急待被克服的問(wèn)題，從各方面來(lái)看，除了材料本身的問(wèn)題外，還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，及PCB板的散熱結(jié)構(gòu)等，這些都需要作整體性的考量。例如，即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性，但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話，同樣也是造成LED晶片溫度的上升，出現(xiàn)發(fā)光效率下降的現(xiàn)象。所以，就像是松下就為了解決這樣的問(wèn)題，從2005年開始，便把包括圓形，線形，面型的白光LED，與PCB基板設(shè)計(jì)成一體，來(lái)克服可能因?yàn)槌霈F(xiàn)在從封裝到PCB板間散熱中斷的問(wèn)題。不過(guò)，并非所有的業(yè)者都像松下一樣，把封裝材料到PCB板間的抗熱性都做了考量，因?yàn)楦鳂I(yè)者的策略關(guān)系，有的業(yè)者以基板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便為目標(biāo)，只針對(duì)PCB板的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。
有相當(dāng)多的業(yè)者，因?yàn)楸旧聿簧a(chǎn)LED的關(guān)係，所以只能在PCB板做一些研發(fā)，但僅此於止還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的白光LED。能讓PCB板上的用金屬材料，能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接，完成讓具有散熱槽設(shè)計(jì)的高功率白光LED與PCB板連接，達(dá)到散熱的能力。不過(guò)，這樣看起來(lái)好像只是因?yàn)槠谕_(dá)到散熱，而把簡(jiǎn)單的一件事情予以復(fù)雜化，到底這樣是不是符合成本和進(jìn)步的概念，以今天的應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，很難做一個(gè)判斷，不過(guò)，實(shí)際上是有一些業(yè)者正朝向這方面做考量，例如Citizen在2004年所發(fā)表的產(chǎn)品，就是能夠從封裝上厚度為2∼3mm的散熱槽向外散熱，提供應(yīng)用業(yè)者能夠因?yàn)槭褂昧司哂猩岵鄣母吖β拾坠釲ED，能讓PCB板的散熱設(shè)計(jì)得以發(fā)揮。
封裝材料的改變 提高白光LED壽命達(dá)原先的4倍
當(dāng)然發(fā)熱的問(wèn)題不是只會(huì)對(duì)亮度表現(xiàn)帶來(lái)影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)LED本身的壽命出現(xiàn)挑戰(zhàn)，所以在這一部份，LED不斷的開發(fā)出封裝材料來(lái)因應(yīng)，持續(xù)提高中的LED亮度所產(chǎn)生的影響。過(guò)去用來(lái)作為封裝材料的環(huán)氧樹脂，耐熱性比較差，可能會(huì)出現(xiàn)的情況是，在LED晶片本身的壽命到達(dá)前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)出現(xiàn)變色的情況，因此，為了提高散熱性，而必須讓更多的電流獲得釋放，這一個(gè)架構(gòu)這是相當(dāng)?shù)闹匾?
除此之外，不僅因?yàn)闊岈F(xiàn)象會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影樣，甚至短波長(zhǎng)也會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂造成一些問(wèn)題，這是因?yàn)榘坠釲ED發(fā)光光譜中，也包含了短波長(zhǎng)的光線，而環(huán)氧樹脂卻相當(dāng)容易被白光LED中的短波長(zhǎng)光線破壞，即使低功率的白光LED就已經(jīng)會(huì)讓造成環(huán)氧樹脂的破壞，更何況高功率的白光LED所含的短波長(zhǎng)的光線更多，那么惡化自然也加速，甚至有些產(chǎn)品在連續(xù)點(diǎn)亮后的使用壽命不到5,000小時(shí)。
所以，與其不斷的克服因?yàn)榕f有封裝材料－環(huán)氧樹脂所帶來(lái)的變色困擾，不如朝向開發(fā)新一代的封裝材料，或許是不錯(cuò)的選擇。目前在解決壽命這一方面的問(wèn)題，許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹脂，而改採(cǎi)了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)楦淖兞朔庋b材料，事實(shí)上可以提高LED的壽命。就資料上來(lái)看，代替環(huán)氧樹脂的封裝材料－硅樹脂，就具有較高的耐熱性，根據(jù)試驗(yàn)，即使是在攝氏150∼180度的高溫，也不會(huì)變色的現(xiàn)象，看起來(lái)似乎是一個(gè)不錯(cuò)的封裝材料。
因?yàn)楣铇渲軌蚍稚⑺{(lán)色和近紫外光，所以與環(huán)氧樹脂相比，硅樹脂可以抑制材料因?yàn)殡娏骱投滩ㄩL(zhǎng)光線所帶來(lái)的劣化現(xiàn)象，而緩和的光穿透率下降的速度。所以，以目前的應(yīng)用來(lái)看，幾乎所有的高功率白光LED產(chǎn)品都已經(jīng)改採(cǎi)硅樹脂作為封裝的材料，例如，因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)的光線所帶來(lái)的影響部分，相對(duì)於波長(zhǎng)400-450nm的光，環(huán)氧樹脂約在個(gè)位的數(shù)百分比左右，但硅樹脂對(duì)400∼450nm的光線吸收卻不到百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長(zhǎng)方面，硅樹脂有著較出色的表現(xiàn)。
|
OSRAM「Thin GaN」是在InGaN層上形成金屬膜，之后再剝離藍(lán)寶石。這樣，金屬膜就會(huì)產(chǎn)生映射的效果而可以獲得75％的光取出效率。（資料來(lái)源：OSRAM） |
對(duì)于未來(lái)應(yīng)用的方面，提高白光LED的光輸出效率將會(huì)是決勝的關(guān)鍵點(diǎn)。白光LED的生產(chǎn)技術(shù)，從過(guò)去的藍(lán)色LED和黃色的YAG螢光體的組合，開發(fā)出模擬白光的目標(biāo)，到利用三色混合或者使用GaN材料，開發(fā)出白光LED，對(duì)於應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以看的出將會(huì)朝向更廣泛的方向擴(kuò)展。
另外，白光LED的發(fā)光效率，這些年已經(jīng)有了不錯(cuò)的的發(fā)展，日本LED照明推進(jìn)協(xié)會(huì)目標(biāo)是，期望能夠預(yù)計(jì)在2009年達(dá)到100lm/w的發(fā)光效率，而事實(shí)上，有相當(dāng)多的業(yè)者都在朝向這方面開發(fā)，所以預(yù)計(jì)在數(shù)年內(nèi)，100lm/w發(fā)光效率就能夠?qū)嶋H上商業(yè)化應(yīng)用。
|
許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹脂，而改採(cǎi)了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料，藉以提高LED的使用壽命。 |
由于期望LED達(dá)到色純度較高的白光，及高亮度的要求下，各業(yè)者不斷的從每一領(lǐng)域加以改善，而達(dá)到此一目標(biāo)，但在成果的進(jìn)步速度上，看起來(lái)仍舊相當(dāng)?shù)木徛?。因此部分業(yè)者開始考慮採(cǎi)用其他的技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)目前業(yè)界對(duì)於類似白光LED的光亮度要求。在高亮度的藍(lán)、白光LED領(lǐng)域的日亞化學(xué)，便是將一部份的研發(fā)方向，朝向開發(fā)白光雷射做努力。
日亞化學(xué)是利用與白光LED相同的GaN系材料，來(lái)製作半導(dǎo)體雷射，開發(fā)出了白光光源，以目前的表現(xiàn)來(lái)說(shuō)，輝度已經(jīng)能夠達(dá)到10cd/mm左右，今天的白光LED如果期望達(dá)到這個(gè)輝度值是相當(dāng)困難的，即使增加電流期望讓亮度增加，但這樣將會(huì)使得接合點(diǎn)的溫度上升，所帶來(lái)的結(jié)果不僅會(huì)使整個(gè)發(fā)光效率降低外，還會(huì)浪費(fèi)相當(dāng)多不必要的電量。
日亞化學(xué)所開發(fā)的白光半導(dǎo)體雷射，在晶片端不再使螢光體材料，而是將發(fā)光部分和白光產(chǎn)生的部分分開處理，日亞化學(xué)的雷射半導(dǎo)體所是利用200mw的藍(lán)紫色半導(dǎo)體雷射，發(fā)出405nm的波長(zhǎng)光線，把藍(lán)色或藍(lán)紫色半導(dǎo)體雷射與光纖的面進(jìn)行連接，讓白光從涂了螢光體材料的光纖另一面發(fā)射出來(lái)，而在這模組中所產(chǎn)生出來(lái)的白光直徑僅有1.25mm，這各面積只有相同光量白光LED的1/20，并因所需的耗功不到0.1W，所以，在散熱部分也不需要太過(guò)於煩惱。
雖然看起來(lái)在特性的方面是相當(dāng)?shù)牟诲e(cuò)，不過(guò)實(shí)際上還是有一些缺點(diǎn)的，就像在使用壽命上，只有3,000小時(shí)左右，再加上價(jià)格太貴也是不容易解決事情，或許價(jià)格太貴的問(wèn)題可以花一點(diǎn)時(shí)間就可以下降一些，但是以現(xiàn)在30萬(wàn)日?qǐng)A的水準(zhǔn)來(lái)看的，要降到3,000甚至300日?qǐng)A，那就需要10年以上的時(shí)間。
評(píng)論