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3528白光高功率白光LED散热问题的解决方案


    来源:  时间:2007-11-10  【字体:  

    3528白光,0603红光,仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题,无法发挥白光被期待的应用优点。但就需求层面来看,不仅一般的用途,随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用,使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果就广泛的被关注。

    改善白光LED的发光效率,目前有两大方向,一是提高的面积,藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。

    藉由提高芯片面积来增加发光量

    虽然,将LED芯片的面积予以大型化,藉此能够获得高得多的亮度,但因过大的面积,在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以,针对这样的问题,部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造,在芯片表面进行改良,来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,电极不会被遮蔽,但缺点就是所产生的热不容易消散。

    并非进行芯片表面改善后,再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮度,因为当光从芯片内部向外扩散射时,芯片中这些改善的部分无法进行反射,所以在取光上会受到一点限制,根据计算,最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7mm2左右。

    利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率

    和大面积LED芯片相比,利用小功率LED芯片封装成同一个模块,这样是能够较快达到高亮度的要求,例如,Citizen就将8个小型在一起,让模块的发光效率达到了60lm/W,堪称是业界的首例。

    但这样的做法也引发的一些疑虑,因为是将多颗LED封装在同一个模块上,必须置入一些绝缘材料,以免造成LED芯片间的短路情况发生,如此一来就会增加了不少的成本。

    对此Citizen的解释是:“对于成本的影响幅度是相当小的,因为相较于整体的成本比例,这些绝缘材料仅不到百分之一,并可以利用现有的材料来做绝缘应用,这些绝缘材料不需要重新开发,也不需要增加新的设备来因应。”

    虽然Citizen的解释理论上是合理的,但是,对于无经验的业者来说,这就是一项挑战,因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有其它方式可达到提高发光效率的目标,许多业者发现,在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构,这样或许可以提高光输出量,所以,有逐渐朝向在芯片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的就是以这样的架构开发出“Thin GaN”高亮度LED。原理是在InGaN层上形成金属膜,之后再剥离蓝宝石,这样,金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出,根据OSRAM的资料显示,这样的结构可以获得75%的光取出效率。

    CHULEXINPIANDEGUANGQUCHUFANGMIANXUYAOZUONULIWAI,YINWEIQIWANGNENGGOUHUODEGENGGAODEGUANGXIAOLV,ZAIFENGZHUANGDEBUFENYESHIBIXUZUOYIXIEGAISHAN。SHISHISHANG,MEIDUOZENGJIAYIDAODEGONGCHENGDOUHUIDUIGUANGQUCHUXIAOLVDAILAIYIXIEYINGXIANG,BUGUO,ZHEIBINGBUDAIBIAOZHE,YINWEIFENGZHUANGDEZHICHENGJIUYIDINGHUIZENGJIAGENGGAODEGUANGSUNSHI,JIUXIANGRIBENOMROMSUOKAIFADEPINGMIANGUANGYUANJISHU,JIUNENGGOUDAFUDUDETISHENGGUANGQUCHUXIAOLV,ZHEIYANGDEJIEGOUSHIJIANGLEDSUOSHECHUDEGUANGXIAN,LIYONGLENSGUANGXUEXITONGYIJIFANSHEGUANGXUEXITONGLAIZUOKONGZHIDE,SUOYIOMROMCHENGZHIWEI“Double reflection ”。LIYONGZHEIYANGDEJIEGOU,KEJIANGCHUANTONGPAODANXINGFENGZHUANGDENGDELEDSUOZAOCHENGDEGUANGSUNSHI,ZHENDUIFENGZHUANGDEGUANGJIAODUFANSHELAIHUODEGENGGAODEGUANGXIAOLV,GENGJINYIBUDESHI,ZAIBIAOMIANSUOXINGCHENGDEMeshSHANGJINXINGJIAGONG,ERXINGCHENGSHUANGCENGDEFANSHEXIAOGUO,ZHEIYANGDEFANGSHIKEYIDEDAOBUCUODEGUANGQUCHUXIAOLVKONGZHIDE。YINWEIZHEIYANGTESHUDESHEJI,LIYONGFANSHEXIAOGUODADAOGAOGUANGQUCHUXIAOLVDELED,ZHUYAODEYONGTUSHIZHENDUILCD TVBEIGUANGSUOYINGYONGDE。

    封装材料和荧光材料的重要性增加

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    目前已发表的高功率的白光LED,它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍,所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话,有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如,白光LED长时间连续使用1W的情况下,会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象,不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况,低功率白光LED也会存在这样的问题,只不过是因为低功率白光应用的产品不同,所以,并不会因此特别突显出这样的困扰。

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    或许在20~30lm/W以下的LED,这些问题都不明显,但是,一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候,就需要想办法解决的。热效应所带来的影响,绝对不会仅仅只有LED本身,而是会对整个应用产品带来困扰,所以,LED如果能够在这一方面获得解决的话,那幺,也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此,在面对不断提高电流情况的同时,如何增加抗热能力,也是现阶段的急待被克服的问题。从各方面来看,除了材料本身的问题外,还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构及封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构和PCB板的散热结构等,这些都需要作整体性的考量。例如,即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性,但因从封装到PCB板的散热效果不好的话,同样也是造成LED芯片温度的上升,出现发光效率下降的现象。所以,就像是松下就为了解决这样的问题,从2005年开始,便把包括圆形、线形、面型的白光LED,与PCB基板设计成一体,来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样,因为各业者的策略关系,有的业者以基板设计的简便为目标,只针对PCB板的散热结构进行改良。还有相当多的业者,因为本身不生产LED,所以只能在PCB板做一些研发,但仅此还是不够的,所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上用的金属材料,能与白光LED封装中的散热槽紧密连接,达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热,而把简单的一件事情予以复杂化,到底这样是不是符合成本和进步的概念?以今天的应用层面来说,很难做一个判断,不过,是有一些业者正朝向这方面作考量,例如Citizen在2004年所发表的产品,就是能够从封装上厚度为2~3mm的散热槽向外散热,提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED,能让PCB板的散热设计得以发挥。

    封装材料的改变使白光LED寿命达原先的4倍

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    过去用来作为封装材料的环氧树脂,耐热性比较差,可能会出现在LED芯片本身的寿命到达前,环氧树脂就已经出现变色的情况,因此,为了提高散热性,必须让更多的电流获得释放。除此之外,不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响,甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题,这是因为环氧树脂相当容易被白光LED中的短波长光线破坏,即使低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏,更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多,恶化自然也加速,甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以,与其不断的克服因为旧有封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰,不如朝向开发新一代的封装材料的选择。目前在解决寿命这一方面的问题,许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂,而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计,因为改变了封装材料,事实上可以提高LED的寿命。就资料上来看,代替环氧树脂的封装材料-硅树脂,就具有较高的耐热性,根据试验,即使是在摄氏150~180度的高温,也不会变色的现象,看起来似乎是一个不错的封装材料。

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    日亚化学积极开发白光半导体雷

    在期望LED达到色纯度较高的白光及高亮度的要求下,各业者不断的从每一领域加以改善,而达到这一目标,但在进展速度上,看起来仍旧相当的缓慢。因此部分业者开始考虑采用其它的技术,来实现目前业界对于类似白光LED的光亮度要求。在高亮度蓝、白光LED领域的日亚化学,便将一部份的研发方向,朝向开发白光雷射做努力。

    RIYAHUAXUELIYONGYUBAIGUANGLEDXIANGTONGDEGaNXICAILIAOZHIZUOBANDAOTILEISHE,KAIFACHULEBAIGUANGGUANGYUAN,YIMUQIANDEBIAOXIANLAISHUO,HUIDUYIJINGNENGGOUDADAO10cd/mmZUOYOU,XIANYOUDEBAIGUANGLEDRUGUOQIWANGDADAOZHEIGEHUIDUZHISHIXIANGDANGKUNNANDE,JISHIZENGJIADIANLIUQIWANGLIANGDUZENGJIA,DANZHEIYANGJIANGHUISHIDEJIEHEDIANDEWENDUSHANGSHENG,SUODAILAIDEJIEGUOBUJINHUISHIZHENGGEFAGUANGXIAOLVJIANGDIWAI,HAIHUILANGFEIXIANGDANGDUODEDIANLIANG。

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    虽然看起来在特性的方面是相当的不错,不过还是有一些缺点的,在使用寿命上,只有3,000小时左右,价格太贵。虽然价格的问题花一点时间就可以下降一些,但是以现在30万日圆的水准来看的,要降到3,000甚至300日元,可能需要10年以上的时间。

    来源:互联网

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