LED光衰问题的大探索.docx

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LED光衰问题的大探索

LED配方与光衰问题的大探索

随着全球的环保意识抬头，白炽灯泡将采取逐渐减少用量的政策，以降低环境光源所造成的大量能源浪费问题，取而代之且最具替代优势的新世代光源，就属LED产品莫属。

LED发展迄今已逐渐具备多项成熟优势，例如，省电、高效率、高反应速度、寿命长，与全制程均不含汞的多项环保优点，加上体积小、重量轻与可在各种表面设置等组件特色，已成为全球灯具与组件厂积极开发的应用光源，但实际上LED在我们所输入的能源中，仅有两成能源可以转换为光能，剩下的八成能源多半角成废热散逸...

LED虽在组件有多项环保优势，但与一般白炽灯具一样，灯具本身自己发光产生的热，也会间接影响灯具自身的使用寿命，尤其是LED为点状发光光源，其所产生的热能也集中在极小的区域，若产生的高温无法顺利排解，那LED的结面温度将会因此偏高，进而直接影响LED的使用寿命与发光表现。

高功率LED组件往往须面对户外的严苛应用环境。

LED光源最大的挑战在克服光衰，光衰问题必须从散热着手

LED的光衰问题须透过辅助技术改善

LED虽是极具未来性的光源组件，即便具备寿命长优点，但依旧仍有其寿命限制，尤其是大功率的LED，因为其发光功率高，所加诸的电力大，工作时间超长，甚至还必须放置于户外应用，在环境与组件本身的诸多限制，往往令其使用寿命大幅降低。

过去在组件的概念都以为，LED至少都有10万小时寿命，其实目前的组件在实地应用时，却不见得能达到如此高标准的寿命表现，其实问题的核心就在LED的光衰现象，一般而言，如果不考虑线路或是电源电路的故障问题，LED组件本身若发光亮度降低至原有的30%以下，就可以视此LED组件达到不堪用的程度。

观察LED的光衰现象，可以从多个层面讨论，多数的白光LED是由蓝光晶粒LED搭配光学塑料掺杂黄色荧光粉所呈现，以白光LED为例，其光衰现象就可以从蓝光晶粒本身的光衰、与黄色荧光粉本身的光衰两部分所组成。

在荧光粉的光衰问题，其实对于温度的影响甚巨，而在晶粒的光衰问题，不同颜色的晶粒光衰现象亦有蛮大的差距，其光衰特性的差异视不同厂商、制程与荧光粉配方不同，都会影响其表现，很难用一致性的讨论来下定论，一般LED组件的光衰表现可透过LED的厂商的测试数据，检视其光衰曲线图大致确认组件特性。

组件温度将直接影响使用寿命

一般而言，LED的结面温度与发光效率是两组对立的数值，当结面温度增加，发光效率也会持续降低，以实验室的数据取一般LED为例作为参考，当结面温度持续自室温提升到100度时，发光效率将持续减低，最高可减少70%左右，如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED光色产品进行评估，会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为显著。

同时，若将关注焦点移转至使用寿命部分进行微观检视，在测试数据可以很明显发现在70度高温上下运行时，LED的使用寿命即有75%衰退状况！

同理可证，若要让LED发光源能达到优化的应用表现，不管是发光效率的提升、还是使用寿命的延长，LED「散热」设计就成为相当重要的关键技术。

观察LED组件的结构特性

想了解LED的散热问题与待克服的技术瓶颈，就必须先针对LED结构特性进行观察，了解其运作是如何产生热源，与在不加诸任何辅助散热措施下，LED是透过何种方式处理所产生的热源。

基本上LED为电流驱动组件，发光的方式是于LED晶粒（Die）以共晶（Eutectic）、覆晶（Flipchip）或打金线的方式，把晶粒放置在基板上，而为了保护共晶、覆晶或打金线的线路与晶粒本身，外表覆上耐高温的透明材料、或是光学材料。

从结构上就能发现，除了LED外覆光学材料的表面可透过接触空气进行热交换的散热行为外，LED在发光过程所产生的热，亦可从晶粒上打的金线，直接传导至焊接的主板散逸热源，此外，晶粒采共晶或覆晶所放置的Systemcircuitboard，透过表面接触的热传导效果，也可散出绝大部分产生的热源。

改善热阻强化LED散热效率

讨论LED散热效率前需先理解热阻（thermalresistance）问题，热阻是物体对热能传导的阻碍程度，在单位表示上为℃/W，检言之就是针对一个物体传热功率为1W，而导热对象两个端点的温度差异，即为该对象的热阻值，至于检视LED的热阻，则是讨论在LED开启发光后，当LED组件内的晶粒热量传导趋于稳定时，在芯片的表面以每1W进行散逸，在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异，就成为LED的热阻。

影响LED组件热阻的因素很多，例如，LED的晶粒线路连接方式、架构，到光学覆盖层的材料特性，都会影响LED热阻值，而降低LED也是提升组件寿命的重要手段。

此外，像是LED晶粒是采导热胶或金属直接相连，都会影响LED热阻大小。

高功率LED组件改善散热的处理手段

检视目前的LED散热改善手段的处理技术瓶颈，其实LED晶粒外部的光学材料所能改善的热交换效率有限，这是碍于勿理性的限制，改善幅度相当有限，反而是作为基板的Systemcircuitboard和晶粒上为了导通供应驱动电力的金线，算是可大幅改善LED组件散热效率的重要关键处，尤其是基础载板的散热效能改善，投入的改善措施其效益最为显著、实际。

而目前也有LED组件厂，尝试从金线下手，将金线距离缩短、线径增大，藉此提升LED核心晶粒的散热效能，但LED封装手法的改善效果有限，在成本与效益上仍未能如透过基础载板的散热改善措施来得更具效益。

而LED的散热措施，观察LED组件构造会发现，散热的关键会只剩下LED晶粒与组件本身承载晶粒的载板，与LED组件与安装于系统主板上的电路载板两个改善手段，基本上承载LED晶粒的载板属于LED封装制程中可以介入控制的关键点，而LED组件与所安装的电路板载板散热关系，则是一般LED模块厂所关注的散热改善重点。

解决LED核心热源的散热处理方式

在LED晶粒基板部分，主要是将LED晶粒在发光过程所产生的核心热源，快速传导到外部的重要关键，一般基于散热考虑，在高功率的LED组件方面，多数会采取散热效率相对较佳的陶瓷基板为主，目前有薄膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板等基板制法，高功率会产生高热的高亮度组件，多数都实行低温共烧多层陶瓷或厚膜陶瓷基板，透过基础载台本身的高热传导效率，去提升将核心晶粒在发光历程所产生的高热，快速传导到组件外部。

从此可以理解，陶瓷散热基板可以说是能将LED组件本身的散热条件，一举提升的制程材料改善手段，也是目前高功率LED的制作方式，亦有必要针对此进行深入说明。

LED薄膜陶瓷基板

与低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技术不同的是，薄膜陶瓷基板则是采取溅镀手段或是化学沈积方式，或佐以黄光微影制程制作，其中，透过黄光微影会使线路精密度方面远远超越低温共烧多层陶瓷与厚膜陶瓷基板制作方式，而300度低温制程可避免陶瓷基板的体积变异问题，虽然优点较多，其制作成本也相对增加。

LED低温共烧多层陶瓷

低温共烧多层陶瓷基板技术是采取用陶瓷材料，作为基板基础材料的手段，制作方式是预先将相关线路透过网印手法印刷在基板表面，进而整合多层陶瓷基板制作，而最后的制程阶段则是应用低温烧结制作而成。

但低温共烧多层陶瓷基板的制作手段繁复，加上金属线路部分为采用网印方式处理，在对位误差和精确度部分仍会出现可能的技术限制，而多层陶瓷结构经过烧结制作过程，也会遭遇热胀、冷缩的问题，若想在低温共烧多层陶瓷基板上再应用需针对对位极为精准要求的覆晶制作LED组件产品，其终端产品的良率提升将是一大挑战。

LED厚膜陶瓷基板

厚膜陶瓷基板同样也是采取网印方式制作，其工法是预先将材料印制到基板表面，当印刷内容物干燥后，基板再经由烧结程序、雷射处理等步骤，完成厚膜陶瓷基板整个制作流程。

与低温共烧多层陶瓷一样，厚膜陶瓷基板一样会遭遇到精密度的问题，尤其是对位会有误差、线路型态较为粗糙，在产品不断要求集积化、小型化的趋势下，厚膜陶瓷基板的制作方式将会遭遇产品小型化的严苛挑战，同样在面对共晶、覆晶的制作需求时，厚膜陶瓷基板也会有对位与精确度的物理限制存在。

但前述也有提到，透过打金线的方式改善，再搭配特殊陶瓷基板的模式，对于LED组件散热具有相当大的效益，但金线连结的散热效能仍相当有限，近来也有多种解决方案针对此进行改善，例如采用具高散热系数的基板材料，如以碳化硅基板或硅基板取代传统的氧化铝材质，或改用氮化铝或阳极化铝基板等手段，藉此达到内部高效散热目的。

高功率LED组件模块厂的散热设计手段

而在系统电路板的部份，多半是模块厂着墨较多的改善角度，早期LED模块产品大多使用PCB材料作为架构基础，但实际上PCB材料的散热效率有限，近来针对高效能LED光源模块多数已逐渐导入具高效导热的金属基板材质取代PCB，例如铝基板（MCPCB）或是其他利用金属材料强化的应用基板，除了系统电路板本身的应用材质改变外，为了近一步强化散热与热交换效率，于模块外部也会采取设置铝挤型散热鳍片，或主动式散热风扇，透过强制气冷的手段强化加速热散逸的目的。

在LED组件的核心，也有尝试透过改善金线的制作逻辑，改用覆晶或共晶的模式将晶粒与外部进行连结，取得供应电源的设计方式，而透过此法所制成的LED组件，内部连接晶粒的导线从点的接触一举变成面的连结，热传导的基础条件大幅强化，自然也能加速内部的热源散逸到组件外部！

但共晶或覆晶的制程手段成本较高，对于基板的精密度要求极高，假若基板的平整度不佳，也会影响后段成品的良率表现，其技术成熟度仍需要时间考验。

白光基本知识

要人工产生白光的方法，必须以混色方法为之，只要把红光，绿光，蓝光照一定的比例混合在一起，就可以达到白光（三波长光）的效果，另外一方面就是采用蓝光与黄光混合的方式也可以得到另一种白光（二波长光）。

以这样的原理来开发，LED产生白光主要有三种方法。

第一种是“多晶型”，即将红、绿、蓝发光芯片混色而产生白光，甚至再加上黄光以提高演色性；

第二种是利用UV（紫外光）芯片配以红、绿、蓝荧光粉，以紫外光激发荧光粉发光混色产生白光；

第三种就是以蓝光芯片加上黄色荧光粉来产生白光。

由于后两种方法都只是采用单一芯片，所以也可统称为“单晶型”，以下将按这一分类说明：

Ａ.单晶型：

单晶型白光LED，由于其体积小、成本低、易于控制等优点，因此，目前多数厂商较倾向往单晶型的方式的方向发展，尤其是以蓝光混合黄色荧光体的技术为主。

不过现阶段仍有相关技术难点亟需突破，包括亮度和色度不佳两个问题。

对于亮度不足问题，可提升效率及功率予以解决至于色度不足问题即可分为色彩亮度不均和演色性不足两方面。

以下就单晶型的个别技术作一简介。

InGaN（蓝）/YAG荧光粉

目前多数的白光LED均改良自蓝光LED，即以GaN以及InGaN为发光层波长为450nm至470nm。

这些InGaN与GaN的结构上面通常覆盖一层钇铝石榴石（Ce3+:

YAG）为主的黄色的荧光体。

LED芯片闪烁出蓝光部份被黄色荧光晶体的闪烁成580nm的黄光，由于黄光的效果对眼睛来说等于收到红色与绿色的光，所以黄光与蓝光混合在一起对眼睛来说就相看到白色的光，这样的调光方式通常称为"月光白"。

这是由日亚化在1996年所发展出来的白光LED，Nichia并且拥有蓝光的独家专利权。

钇铝石榴石黄色荧光体成份可以稍微进行修改，成份微调将钇改成其他的稀土元素如铽或钆。

甚至将其中的铝替换成镓。

虽然蓝光LED+黄光的荧光粉可以产出白光，不过发出的光只有一点绿色，而且几乎没有红色，演色性无法与传统灯泡与省电灯泡相比。

要做到暖白光的LED，必须要在荧光粉的配方中加入红色荧光体，才能使LED在一般起居的照明领域发光。

InGaN（蓝）/红荧光粉+绿荧光粉

Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：

Eu2+（绿色）和SrS：

Eu2+（红色）荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。

InGaN（紫外）/（红+绿+蓝）荧光粉。

使用InGan芯片发出紫外光激发RGB的荧光体来产生白光。

荧光粉的成份主要是以铕为基底的红色荧光粉，蓝色荧光粉以及以铜跟铝参杂硫化锌的绿色荧光粉（ZnS:

Cu,Al）。

Cree、日亚、丰田化成等公司均在大力研制紫外LED。

Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED；丰田化成已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于2007年发表的365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，将会有较好效果。

Ｂ.双晶型：

可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。

Ｃ.三晶型（蓝色+绿色+红色）LED：

三晶型白光LED，红绿蓝的混光比率大约是3:

6:

1。

虽然多晶型具有较佳的工作效率和演色性（Colorrendering），但基于不同LED的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此不易控制，而且组装空间和成本增加也使其应用受到局限，所以很少看见这样的成品在市场上大量销售。

Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。

如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。

采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。

美国TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕（22英吋），产品的性能都不错。

Ｄ.四晶型（蓝色+绿色+红色+黄色）LED：

采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。

产生白光的三种方法（数据源：

Lumileds网站）

白光LED主要制作方法优缺点比较

全球白光LED研制进展（截至2007年底）

蓝光LED+YaG荧光体是目前白光LED最为成熟的产品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。

这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。

而且荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。

实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。

寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。

这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。

Lumileds研究结果表明，对于色彩亮度不均，主要是由于芯片发光层外荧光粉的覆盖不均造成的，所以如何让荧光粉均匀覆盖在芯片发光层外部是白光LED组装的重点，而荧光粉和封装材料混合的均匀性更会影响LED所发白光的均一性。

以目前，白光LED的主流设计是以蓝光配以黄色荧光粉的方式。

这种方式的缺点是红光谱的亮度和色度都不佳。

更有鉴于白光LED的专利限制，多数厂商都积极往UVLED发展，而UV方式产生的白光则较为接近自然光，具备较强的照明应用竞争力。

UV型白光LED，就是利用紫外光加R、G、B三波长荧光粉来达到白光的效果，以弥补红色表现力的不足。

但由于UV光能量强，极易损坏封装材料，因而开发出抗UV的封装材料就显得异常重要。

其中以美国Cree公司所做的UVLED技术层级最高。

另外，丰田化成与Toshiba所共同开发的白光LED，则是采用UVLED与荧光粉组合的方式，与一般蓝光LED与荧光粉组合的方式。

因为，蓝光LED与荧光粉的组合方式，当照在红色物体的时候，其红色的色泽效果比较不理想。

UVLED与荧光粉组合可以弥补这个缺点，但是，其发光效率却仍低于蓝光LED与荧光粉组合的方式。

不过在未来较被看好也是这种三波长光，此外有机单层三波长型白光LED也有成本低、制作容易的优点。

至于日本住友电工则开发出以ZnSe基板搭配蓝光LED，无须使用荧光粉便可直接发出白光，但其发光效率与上述二者相较下，发光效率较差。

厂商新动态（2007年6月）

【日经BP社报导】在《日经电子》与《日经微器件》于2007年6月14～15日联合举办的“LED技术研讨会2007”上，各公司就100lm/W发光效率及光通量超过1000lm的高功率白色LED发表了演讲。

飞利浦Lumileds将使亮度达到100Mcd/m2

　　美国飞利浦Lumileds照明公司宣布试制了可通过2.3A驱动电流，实现1500lm光通量的白色LED。

该白色LED亮度达到100Mcd/m2，超过HID灯。

估计到2009年，4片型和2片型白色LED将分别获得与HID灯和卤素灯相同的光通量。

　　此外，该公司还就今后用于白色、蓝色、绿色LED的技术及未来展望发表了演讲。

LED在电流加大时会出现发光效率下降的“Droop”现象，存在提高功率会导致发光效率下降的问题。

该公司开发出了能够通过改变LED层结构遏制Droop现象、使发光效率提高15～20％的技术，并且通过去除LED衬底的蓝宝石底板，使白色LED的发光效率提高50％，使蓝色和绿色LED的发光效率提高30％。

　　关于白色LED的发光效率提高以及低价格化，该公司预测，不久的将来发光效率将翻倍，从现在的75lm/W增至150lm/W，驱动电流将增至约3倍，从700mA上升到2A。

通过生产性能的最优化，价格将降低到目前的1/2。

欧司朗Osram已开始供应超过1000lm的LED

　　德国欧司朗光电半导体（OsramOptoSemiconductors）介绍了能够从单封装白色LED获得1100lm光通量的白色LED产品“OSTARLighting”。

该产品是由6个LED芯片串联而成。

封装时为了提高散热性能，采用了陶瓷底板。

该公司目前使用名为“ThinGaN”的芯片技术制造白色LED。

ThinGaN是把在蓝宝石底板上生长的InGaN与Ge等载流子材料接合，通过激光照射将蓝宝石底板剥离制备而成。

西铁城电子Citizen将于明年供应超过1000lm的白色LED

　　西铁城电子宣布试制了发光效率为70lm/W左右1000lm光通量的试制品。

该试制品的封装结构与以往产品有所不同。

目前正处在为投产进行可靠性验证的阶段。

　　关于发光效率，该公司营业部营销第二课主任天野治树对进一步提高效率表达出了强烈愿望：

“实现200lm/W的光效率已经近在眼前”。

（记者：

清水直茂）

Sharp

夏普开发出输入功率3.6W时，光通量高达标准280lm的白色LED。

2007年7月开始量产。

面向照明器材等。

外形尺寸方面，安装面积为18mm×18mm，厚度仅为1.5mm。

并且，只需固定两处即可安装在散热板等上。

色温度为5000K。

除此之外，夏普还将推出色温度为2800K、光通量为标准190lm的白炽灯色调LED以及演色性提高、色温度为5000K和6500K的白色LED（光通量均为标准170lm）。

　　为了得到高达280lm的光通量，封装内安装了36个LED芯片。

发光效率方面，光通量为280lm的产品将达到约78lm/W（输入功率为3.6W、外壳温度为25℃时）。

输入3.6W时的顺方向电压和顺方向电流分别为标准10.2V和标准360mA。

样品价格为3000日元。

量产时的月产能力为5万个。

应用展望

白光LED亮度和功率的每一次提高，均进一步扩展了它的应用范围。

从2000年开始，功率型LED已被用于特殊应用照明。

2002年，三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯；SONY将Lumileds作为液晶电视屏的背光源，提高了色彩保真度；小纟制作所用白光LED制作汽车头灯；Osram也在大力推动LED汽车头灯。

此外，目前白色LED在景观照明，庭园灯等方面已大量应用，在MR11这一类的小型投射灯，也有大量的产品出现。

矿工用的头灯也逐步以LED替代。

这些都是逐渐采用白光LED作为一般照明替代的实例。

然而在进入一般照明仍面临挑战，照明用LED的颜色均匀性及色度漂移是比较明显的一个问题，尤其是蓝光加荧光粉的LED，由于芯片上的荧光粉层不均匀，温度引起的波长偏移及光衰、光输出用封装窗口材料对不同颜色光的色散等，不同方向的光束可能存在较明显的色差。

而红、绿、兰芯片组合的白光LED也存在类似问题，温度对不同芯片的影响，晶片光衰的不一致及封装材料对不同颜色芯片的色散等等，都会造成色度的不均匀和漂移。

因此在照明用LED制造过程中，必须从设计到生产，工艺各个环节，对上述问题都要严格控制。

若是LED灯具的功能可以调整色温让屋内照明的气氛改变，它才有可能成为照明的替代方案。

在价格方面，据估计，若白光LED以1lm/个单位为基础，每单位降到1日元将进入一般家庭的户外照明；当降到0.5日元可望进入室内照明、走廊照明等市场；当降到0.25日元时将开始置换荧光灯。

从发光效率看，一旦跨进60lm/w，相当于20W的荧光灯，白光LED将迅速普及。

未来5年到6年中，若发光效率突破80lm/W，再加上单价继续下降，则到2008-2010年，白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，才有办法正式担当21世纪的照明新光源。

在过去的五年里，外资LED封装企业不断内迁大陆，内资封装企业不断成长发展，技术不断成熟和创新。

在中低端LED器件封装领域，中国LED封装企业的市场占有率较高，在高端LED器件封装领域，部分中国企业有较大突破。

随着工艺技术的不断成熟和品牌信誉的积累，中国LED封装企业必将在中国这个LED应用大国里扮演重要和主导的角色。

　　我国LED封装业的现状与未来

　　下面从十个方面来论述我国LED封装业的现状与未来：

（一）LED封装产品

　　LED封装产品大致分为直插式（LAMP）、贴片式（SMD）、大功率（HI-POWER）三大类，三大类产品中有不同尺寸、不同形状、不同颜色等各类产品。

　　我国的LED封装产品经过十多年的发展，已形成门类齐全的各类封装型号，与国外的封装产品型号基本同步，在国内基本能找到各类进口产品的替代产品。

　　在今后的几年里，我国的LED封装产品种类将更加齐全，与国外产品保持同步。

（二）LED封装产能

　　中国已逐渐成为世界LED封装器件的制造中心，其中包括台资、港资、美资等企业在中国的制造基地。

　　据估算，中国的封装产能（含外资在大陆的工厂）占全世界封装产能的60%,并且随着LED产业的聚集度在中国的增加，此比例还在上升。

大陆LED封装企业的封装产能扩充较快，随着更多资本进入大陆封装产业，LED封装产能将会快速扩张。

　　（三）LED封装生产及测试设备

　　LED封装主要生产设备有自动固晶机、自动焊线机、自动封胶机、自动分光分色机、自动点胶机、自动贴带机等;LED主要测试设备有IS标准仪、光电综合测试仪、TG点测试仪、积分球流明测试仪、荧光粉测试仪、冷热冲击箱、高温高湿箱等。

　　五年前，LED主要封装设备是欧洲、台湾厂商的天下，国产设备多为半自动设备，现在，除自动焊线机外，国产全自动设备已能批量供应，不过精度和速度有待进一步提高。

LED的主要测试