如何降低大功率白光LED燈的耗電問題

過去LED業(yè)者為了獲利充分的白光LED光束，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片試圖借此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，不過實際上白光LED的施加電力持續(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%，換句話說白光LED的亮度如果要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍，消費電力特性希望超越熒光燈的話，就必需先克服下列的四大課題：a.抑制溫升；b.確保使用壽命；c.改善發(fā)光效率；d.發(fā)光特性均等化。

有關(guān)溫升問題具體方法是降低封裝的熱阻抗；維持LED的使用壽命具體方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的發(fā)光效率具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)、采用小型芯片；至于發(fā)光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法，一般認(rèn)為2005～2006年白光LED可望開始采用上述對策。

開發(fā)經(jīng)緯

增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下，因此國外業(yè)者曾經(jīng)開發(fā)耐高溫白光LED試圖借此改善上述問題，然而實際上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍以上，而且溫升還會使發(fā)光效率大幅下跌，即使封裝技術(shù)允許高熱量不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值，最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。

有關(guān)LED的使用壽命，例如改用硅質(zhì)密封材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高10%，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長低于450nm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的大光量更加速密封材料的劣化，根據(jù)業(yè)者測試結(jié)果顯示連續(xù)點燈不到一萬小時，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。

有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水準(zhǔn)，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(jié)果反而會造成發(fā)光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的電極構(gòu)造，理論上就可以解決上述取光問題。

有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)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(shù)應(yīng)該可以克服上述困擾。

如上所述提高施加電力的同時，必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題，具體內(nèi)容分別是：

①降低芯片到封裝的熱阻抗

②抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗

③提高芯片的散熱順暢性

為了要降低熱阻抗，許多國外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片（heat sink）表面，接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導(dǎo)線，連接到利用冷卻風(fēng)扇強制空冷的散熱鰭片上，根據(jù)德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb實驗結(jié)果證實，上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時，LED芯片的接合溫度比焊接點高18K，即使印刷電路板溫度上升到500C，接合溫度頂多只有700C左右；相較之下以往熱阻抗一旦降低的話，LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響，如此一來必需設(shè)法降低LED芯片的溫度，換句話說降低LED芯片到焊接點的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān)。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會急遽下跌，因此松下電工開發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍(lán)光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印刷電路板表面，根據(jù)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導(dǎo)效果，因此印刷電路板的設(shè)計變得非常復(fù)雜，有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝廠商，相繼開發(fā)高功率LED用簡易散熱技術(shù)，CITIZEN公司2004年開始樣品出貨的白光LED封裝，不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2～3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據(jù)該公司表示雖然LED芯片的接合點到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環(huán)境下室溫會使熱阻抗增加1W左右，不過即使是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強制空冷狀態(tài)下，該白光LED模塊也可以連續(xù)點燈使用。

Lumileds公司2005年開始樣品出貨的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達(dá)+1850C，比其它公司同級產(chǎn)品高600C，利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時，周圍環(huán)境溫度400C范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流（大約是400mA） 。

如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點容許溫度，德國OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)在散熱鰭片表面，達(dá)成9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級品的熱阻抗減少40%，值得一提是該LED模塊封裝時，采用與傳統(tǒng)方法相同的flip chip方式，不過LED模塊與熱鰭片接合時，則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面，借此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。

2003年東芝Lighting公司曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面，鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風(fēng)扇等特殊散熱組件前提下，試作光束為300lm的LED模塊，由于東芝Lighting公司擁有豐富的試作經(jīng)驗，因此該公司表示由于仿真分析技術(shù)的進步，2006年之后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導(dǎo)性，或是利用冷卻風(fēng)扇強制空冷方式設(shè)計照明設(shè)備的散熱，不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。

有關(guān)LED的長壽化，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(nèi)，尤其是硅質(zhì)密封材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂密封材料，可以更有效抑制材質(zhì)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400～450nm的光線的百分比高達(dá)45%，硅質(zhì)密封材料則低于1%，輝度減半的時間環(huán)氧樹脂不到一萬小時，硅質(zhì)密封材料可以延長到四萬小時左右，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計壽命相同，這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工上必需使用不會刮傷硅質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù)，此外制程上硅質(zhì)樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。

雖然硅質(zhì)密封材料可以確保LED四萬小時的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)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”，亮度減半時間為四萬小時的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是：

1、抑制白光LED整體的溫升；

2、停止使用樹脂封裝方式。

一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項延壽對策，可以達(dá)成亮度30%四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法，主要原因是封裝樹脂高溫狀態(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100C壽命會延長2倍。

停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為LED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進方向的樹脂材質(zhì)反射板，由于反射板會吸收光線，所以光線的取出量會急遽銳減，這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。

芯片大小的爭議

有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率，一個是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種方式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弊害，例如芯片內(nèi)發(fā)光層的電界不均等、發(fā)光部位受到局限、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部過程會嚴(yán)重衰減等等。針對以上問題LED廠商透過電極結(jié)構(gòu)的改良、采用flip chip封裝方式，同時整合芯片表面加工技巧，目前已經(jīng)達(dá)成50lm/W的發(fā)光效率。

有關(guān)芯片整體的電界均等性，自從2、3年前出現(xiàn)梳子狀與網(wǎng)格狀（mesh）p型電極之后，采用這種方式的廠商不斷增加，而且電極也朝最佳化方向發(fā)展。

有關(guān)flip chip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)光層的光線放射到外部時無電極遮蔽的困擾，所以美國Lumileds與日本豐田合成已經(jīng)正式采用flip chip封裝方式，2005年開始量產(chǎn)大型LED的松下電器/松下電工與東芝也陸續(xù)跟進，以往采用wire bonding封裝方式的日亞化學(xué)，2004年發(fā)表的50lm/W客戶專用品LED，也是采用flip chip封裝方式。

有關(guān)芯片表面加工，它可以防止光線從芯片內(nèi)部朝芯片外部放射時在界面發(fā)生反射，根據(jù)日本某LED廠商表示flip chip封裝時，若在光線取出部位藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，芯片外部的取出光束可以提高30%左右。雖然各LED廠商都不愿意透露凹凸結(jié)構(gòu)詳細(xì)使用狀況，不過一般認(rèn)為已經(jīng)朝正式采用方向發(fā)展。

此外工程師普遍認(rèn)為內(nèi)建經(jīng)過改良的大型LED芯片封裝實體，其實它的封裝大小某種程度已經(jīng)被決定，豐田合成甚至表示收容1mm正方的LED芯片，加上封裝內(nèi)部設(shè)置可以使芯片側(cè)面出射光線朝封裝上方行進的反射板，高效率取出芯片內(nèi)部光線的封裝大小大約是7mm正方左右。

LED業(yè)者對小型LED芯片的發(fā)光效率提升，似乎比使用大型LED芯片模塊來得更積極，例如日本CITIZEN公司組合8個小型LED芯片，首度達(dá)成高功率LED 60lm/W業(yè)界最高發(fā)光效率，CITIZEN認(rèn)為大型LED芯片的發(fā)光效率發(fā)展進度比小型芯片慢1～2年，為了要在高功率LED領(lǐng)域領(lǐng)先同業(yè)，整合多個小型LED芯片獲得大光束才是上策。該公司的白光LED使用日亞化學(xué)制作的0.3mm正方小型LED芯片，一個封裝模塊最多使用12個芯片，各LED芯片采用傳統(tǒng)wire bonding封裝方式，施加電力大約是2W左右。

針對多個小型LED芯片與wire bonding封裝方式，有業(yè)者認(rèn)為如此只會增加封裝成本，不過CITIZEN公司認(rèn)wire bonding的加工成本占白光LED整體制作成本不到1%，該公司卻強調(diào)成本增加的影響非常小，因為wire bonding的加工使用既有的設(shè)備，不需要額外的設(shè)備投資，此外同業(yè)還認(rèn)為wire bonding會遮蔽LED芯片產(chǎn)生的光線，不過使用小型LED芯片的LED模塊，它的發(fā)光效率與影響似乎沒有預(yù)料中的嚴(yán)重。

均等化減少發(fā)光特性不均現(xiàn)象

最后要探討LED廠商最矚目的白光LED輝度與色溫不均問題。大部分LED廠商都認(rèn)為“使用上必需篩選光學(xué)特性類似的LED”，事實上減少LED發(fā)光特性不均、LED芯片發(fā)光特性一致化，以及熒光體材料的濃度分布均勻化管理非常重要。目前大部分廠商都是從其它公司購買LED芯片，再自行開發(fā)降低發(fā)光特性分布不均的技術(shù)，依此組合制作成新型高功率LED。

對芯片外購的廠商而言，本身若擁有降低發(fā)光特性分布不均的技術(shù)，即使從各LED芯片廠商購買LED芯片，理論上仍然可以維持白光LED的光學(xué)特性。

有關(guān)LED芯片的發(fā)光特性，各廠商都非常積極進行芯片篩選、發(fā)光特性的均等化等減少LED發(fā)光特性不均的作業(yè)，其中松下電器透過芯片的篩選達(dá)成特性一致化的目標(biāo)，該公司利用flip chip方式，將64個LED芯片封裝在一片基板上，最后再個別覆蓋熒光體。該公司表示試作階段曾經(jīng)直接將LED芯片封裝在主基板上，不過未封裝至主基板就無法窺探LED芯片最終發(fā)光特性，即使發(fā)現(xiàn)發(fā)光特性不均等也無法拆卸更換，因此加工時LED芯片先封裝在sub基板測試發(fā)光特性，接著將發(fā)光特性一致的芯片移植封裝在主基板上。采用低功率LED芯片的CITIZEN則表示即使芯片數(shù)量眾多，該公司擁有可以使發(fā)光特性均等化的技巧，CITIZEN將8個LED芯片封裝在一片基板上，即使LED芯片的發(fā)光特性不均等，8個LED芯片合計的發(fā)光特性，在封裝之間的不均勻會變得非常小。

松下電工簡便化熒光體管理方法可以有效減輕發(fā)光特性不均等問題。白光LED通常是用內(nèi)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的色溫分布不均等，因此該公司將含熒光體材料的樹脂性sheet與LED芯片結(jié)合，由于sheet厚度與熒光體材料的濃度經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾?，因此LED的色溫分布不均比傳統(tǒng)方式減少4/5。業(yè)界認(rèn)為使用熒光體sheet方式，配合LED芯片的發(fā)光特性，改變熒光體的濃度與sheet的厚度，就可以使白光LED的色溫變控制在成預(yù)期范圍內(nèi)，因此使用上具有非常高的方便性。

結(jié)語

以上介紹國外各大LED廠商白光LED大功率、低耗電、長壽化最新技術(shù)動向，自從日亞化學(xué)中村博士發(fā)表藍(lán)光LED之后，利用藍(lán)光LED制成的白光LED一直被視為次世代主要照明光源，雖然目前的技術(shù)要全面取代傳統(tǒng)燈具還有許多問題有待克服，不過由于國內(nèi)外各大LED廠商陸續(xù)加入開發(fā)行列，因此一般認(rèn)為這對白光LED普及化有非常正面的助益。
來源；國際led網(wǎng)