白光LED长寿大功率低耗电技术.docx

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白光LED长寿大功率低耗电技术

[精]白光LED长寿大功率低耗电技术

2007-09-1813:

30:

05

过去LED业者为了获利充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯片试图藉此方式达成预期目标，不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低20～30%，换句话说白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍，消费电力特性希望超越荧光灯的话，就必需先克服下列的四大课题（图1）:

a.抑制温升

b.确保使用寿命

c.改善发光效率

d.发光特性均等化

有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗；维持LED的使用寿命具体方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化具体方法是LED的改善封装方法，一般认为2005～2006年白光LED可望开始采用上述对策。

　图1LED性能提升课题一览

开发经纬

增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图藉此改善上述问题，然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上，而且温升还会使发光效率大幅下跌（图2），即使封装技术允许高热量不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值，最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。

有关LED的使用寿命，例如改用硅质密封材料与陶瓷封装材料，能使LED的使用寿命提高一位数，尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线，传统环氧树脂密封材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化，根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时，高功率白光LED的亮度已经降低一半以上，根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。

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有关LED的发光效率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水准，主要原因是电流密度提高2倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。

图2DFD立体显示器的基本动作原理

有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性，与荧光体的制作技术应该可以克服上述困扰。

如上所述提高施加电力的同时，必需设法减少热阻抗、改善散热问题，具体内容分别是:

①降低芯片到封装的热阻抗

②抑制封装至印刷电路基板的热阻抗

③提高芯片的散热顺畅性

为了要降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片（heatsink）表面（图3），接着再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线，连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上，根据德国OSRAMOptoSemiconductorsGmb实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W，大约是传统LED的1/6左右，封装后的LED施加2W的电力时，LED芯片的接合温度比焊接点高18K，即使印刷电路板温度上升到500C，接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话，LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响，如此一来必需设法降低LED芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。

反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构，如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌，因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术，该公司将1mm正方的蓝光LED以flipchip方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面（图4），根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

由于散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果，因此印刷电路板的设计变得非常复杂，有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商，相继开发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN公司2004年开始样品出货的白光LED封装，不需要特殊接合技术也能够将厚约2～3mm散热鳍片的热量直接排放到外部，根据该公司表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右，不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下，该白光LED模块也可以连续点灯使用。

Lumileds公司2005年开始样品出货的高功率LED芯片，接合容许温度更高达+1850C，比其它公司同级产品高600C，利用传统RF4印刷电路板封装时，周围环境温度400C范围内可以输入相当于1.5W电力的电流（大约是400mA）。

图3LED散热的结构

图4LED芯片与基板一体化构造

如以上介绍Lumileds与CITIZEN公司采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片表面，达成9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻抗减少40%，值得一提是该LED模块封装时，采用与传统方法相同的flipchip方式，不过LED模块与热鳍片接合时，则选择最接近LED芯片发光层作为接合面，藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。

2003年东芝Lighting公司曾经在400mm正方的铝合金表面，铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED，无冷却风扇等特殊散热组件前提下，试作光束为300lm的LED模块，由于东芝Lighting公司拥有丰富的试作经验，因此该公司表示由于模拟分析技术的进步，2006年之后超过60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热，不需要特殊散热技术的模块结构也能够使用白光LED（图5）。

图5大功率白光LED的应用实例

有关LED的长寿化，目前LED厂商采取的对策是变更密封材料，同时将荧光材料分散在密封材料内，尤其是硅质密封材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂密封材料，可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。

由于环氧树脂吸收波长为400～450nm的光线的百分比高达45%，硅质密封材料则低于1%，辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时，硅质密封材料可以延长到四万小时左右（图6），几乎与照明设备的设计寿命相同，这意味着照明设备使用期间不需更换白光LED。

不过硅质树脂属于高弹性柔软材料，加工上必需使用不会刮伤硅质树脂表面的制作技术，此外制程上硅质树脂极易附着粉屑，因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。

图6硅质与环氧密封树脂对LED光学特性的影响

虽然硅质密封材料可以确保LED四万小时的使用寿命，然而照明设备业者却出现不同的看法，主要争论是传统白炽灯与荧光灯的使用寿命，被定义成「亮度降至30%以下」，亮度减半时间为四万小时的LED，若换算成亮度降至30%以下的话，大约只剩二万小时左右。

目前有两种延长组件使用寿命的对策，分别是：

‧抑制白光LED整体的温升

‧停止使用树脂封装方式

一般认为如果彻底执行以上两项延寿对策，可以达成亮度30%四万小时的要求。

抑制白光LED温升可以采用冷却LED封装印刷电路板的方法，主要原因是封装树脂高温状态下，加上强光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则温度降低100C寿命会延长2倍。

停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为LED产生的光线在封装树脂内反射，如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会急遽锐减，这也是LED厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因（图7）。

图7LED封装基板无树脂化结构

芯片大小的争议

有两种方法可以改善白光LED芯片的发光效率，一个是使用面积比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一种方式是利用复数个小型高发光效率LED芯片，组合成一个单体模块。

虽然大型LED芯片可以获得大光束，不过加大芯片面积会有负面弊害，例如芯片内发光层的电界不均等、发光部位受到局限、芯片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减等等。

针对以上问题LED厂商透过电极结构的改良、采用flipchip封装方式，同时整合芯片表面加工技巧，目前已经达成50lm/W的发光效率（图8）。

图8大型LED的封装方式

有关芯片整体的电界均等性，自从2、3年前出现梳子状与网格状（mesh）p型电极之后，采用这种方式的厂商不断增加，而且电极也朝最佳化方向发展。

有关flipchip封装方式，由于发光层贴近封装端极易排放热量，加上发光层的光线放射到外部时无电极遮蔽的困扰，所以美国Lumileds与日本丰田合成已经正式采用flipchip封装方式，2005年开始量产大型LED的松下电器/松下电工与东芝也陆续跟进，以往采用wirebonding封装方式的日亚化学，2004年发表的50lm/W客户专用品LED，也是采用flipchip封装方式。

有关芯片表面加工，它可以防止光线从芯片内部朝芯片外部放射时在界面发生反射，根据日本某LED厂商表示flipchip封装时，若在光线取出部位蓝宝石基板上设置凹凸状结构，芯片外部的取出光束可以提高30%左右。

虽然各LED厂商都不愿意透露凹凸结构详细使用状况，不过一般认为已经朝正式采用方向发展。

此外工程师普遍认为内建经过改良的大型LED芯片封装实体，其实它的封装大小某种程度已经被决定，丰田合成甚至表示收容1mm正方的LED芯片，加上封装内部设置可以使芯片侧面出射光线朝封装上方行进的反射板，高效率取出芯片内部光线的封装大小大约是7mm正方左右（图9）。

图9大型LED的最后封装方式

LED业者对小型LED芯片的发光效率提升，似乎比使用大型LED芯片模块来得更积极，例如日本CITIZEN公司组合8个小型LED芯片，首度达成高功率LED60lm/W业界最高发光效率，CITIZEN认为大型LED芯片的发光效率发展进度比小型芯片慢1～2年，为了要在高功率LED领域领先同业，整合复数个小型LED芯片获得大光束才是上策。

该公司的白光LED使用日亚化学制作的0.3mm正方小型LED芯片，一个封装模块最多使用12个芯片，各LED芯片采用传统wirebonding封装方式，施加电力大约是2W左右。

针对复数个小型LED芯片与wirebonding封装方式，有业者认为如此只会增加封装成本，不过CITIZEN公司认wirebonding的加工成本占白光LED整体制作成本不到1%，该公司却强调成本增加的影响非常小，因为wirebonding的加工使用既有的设备，不需要额外的设备投资，此外同业还认为wirebonding会遮蔽LED芯片产生的光线，不过使用小型LED芯片的LED模块，它的发光效率与影响似乎没有预料中的严重。

均等化减少发光特性不均现象

最后要探讨LED厂商最嘱目的白光LED辉度与色温不均问题。

大部份LED厂商都认为「使用上必需筛选光学特性类似的LED」，事实上减少LED发光特性不均、LED芯片发光特性一致化，以及荧光体材料的浓度分怖均匀化管理非常重要。

目前大部份厂商都是从其它公司购买LED芯片，再自行开发降低发光特性分怖不均的技术，依此组合制作成新型高功率LED。

对芯片外购的厂商而言，本身若拥有降低发光特性分怖不均的技术，即使从各LED芯片厂商购买LED芯片，理论上仍然可以维持白光LED的光学特性。

有关LED芯片的发光特性，各厂商都非常积极进行芯片筛选、发光特性的均等化等减少LED发光特性不均的作业，其中松下电器透过芯片的筛选达成特性一致化的目标，该公司利用flipchip方式，将64个LED芯片封装在一片基板上，最后再个别覆盖荧光体。

该公司表示试作阶段曾经直接将LED芯片封装在主基板上，不过未封装至主基板就无法窥探LED芯片最终发光特性，即使发现发光特性不均等也无法拆卸更换，因此加工时LED芯片先封装在sub基板测试发光特性，接着将发光特性一致的芯片移植封装在主基板上（图10）。

采用低功率LED芯片的CITIZEN则表示即使芯片数量众多，该公司拥有可以使发光特性均等化的技巧，CITIZEN将8个LED芯片封装在一片基板上，即使LED芯片的发光特性不均等，8个LED芯片合计的发光特性，在封装之间的不均匀会变得非常小（图11）。

图10芯片筛选封装方法

　图11利用复数小型LED芯片的组合提高发光波长均匀性

松下电工简便化荧光体管理方法可以有效减轻发光特性不均等问题。

白光LED通常是用内含荧光体材料的密封树脂直接包覆LED芯片，此时密封树脂中荧光体材料的浓度可能出现偏差，最后造成白光LED的色温分布不均等，因此该公司将含荧光体材料的树脂性sheet与LED芯片结合，由于sheet厚度与荧光体材料的浓度经过严谨的管理，因此LED的色温分布不均比传统方式减少4/5。

业界认为使用荧光体sheet方式，配合LED芯片的发光特性，改变荧光体的浓度与sheet的厚度，就可以使白光LED的色温变控制在成预期范围内，因此使用上具有非常高的方便性。

结语

以上介绍国外各大LED厂商白光LED大功率、低耗电、长寿化最新技术动向，自从日亚化学中村博士发表蓝光LED之后，利用蓝光LED制成的白光LED一直被视为次世代主要照明光源，虽然目前的技术要全面取代传统灯具还有许多问题有待克服，不过由于国内外各大LED厂商陆续加入开发行列，因此一般认为这对白光LED普及化有非常正面的助益。