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高功率白光LED应用及其芯片的散热问题解析
发布时间：2015/7/17 13:39:00 来源：
虽然看起来在特性的方面是相当的不错，不过实际上还是有一些缺点的，就像在使用寿命上，只有3，000小时左右，再加上价格太贵也是不容易解决事情，或许价格太贵的问题可以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日圆，那就需要10年以上的时间
就今天而言，白光LED仍旧存在着发光均一性不佳、封闭材料的寿命不长，而无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用积极的出现，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果也就相当的被关心。
藉由提高晶片面积来增加发光量
期望改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，就是提高LED晶片的面积，也就是说，将目前面积为1m㎡的小型晶片，将发光面积提高到10m㎡的以上，藉此增加发光量，或把几个小型晶片一起封装在同一个模组下。
虽然，将LED晶片的面积予以大型化，藉此能够获得高多的亮度，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良，和覆晶的构造，在晶片表面进行改良，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，因此电极不会被遮蔽的优点，但缺点就是所产生的热不容易消散。
而并非进行晶片表面改善后，再加上增加晶片面积就绝对可以一口气提昇亮度，因为当光从晶片内部向外散射时，晶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晶片尺寸是在7m㎡左右。
利用封装数个小面积LED晶片 快速提高发光效率
和大面积LED晶片相比，利用小功率LED晶片封装成同一个模组，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模组的发光效率达到了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封装在同一个模组上，所以在模组中必须置入一些绝缘材料，以免造成LED晶片间的短路情况发生，不过，如此一来就会增加了不少的成本。
对此Citizen的解释是，事实上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，并因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，对于较无经验的业者来说，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。
当然，还有其他方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上製作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在晶片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。
例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出「Thin GaN」高亮度LED，OSRAM是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石。这样，金属膜就会产生映射的效果而获得更多的光线取出，而根据OSRAM的资料显示，这样的结构可以获得75％的光取出效率。
逐渐有业者利用覆晶的构造，来期望达到50lm/W的发光效率，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，因此电极不会被遮蔽。（资料来源：LEDIKO）
当然，除了晶片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的製程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提昇光取出效率，这样的结构OMROM是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为「Double reflection 光学系统」。
利用这样的结构，可将传统砲弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式，事实上是可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样的特殊设计，这些利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。
封装材料和萤光材料的重要性增加
但如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那麽需要克服的问题就会更多了，因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。
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来代替萤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的电力情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，当然，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，低功率白光因为应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。
使用的电流愈大，当然所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此所带来的缺点是，封装材料是否能够承受这样的长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。
高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，就相对显的非常重要。
或许在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不存在，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就不得不需要想办法解决的，因为，热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整体应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那麽，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，还包括从晶片到封装材料间的抗热性、导热结构、封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构，及PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。
例如，即使能够解决从晶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晶片温度的上升，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。
不过，并非所有的业者都像松下一样，把封装材料到PCB板间的抗热性都做了考量，因为各业者的策略关係，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。
有相当多的业者，因为本身不生产LED的关係，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此于止还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上的用金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，完成让具有散热槽设计的高功率白光LED与PCB板连接，达到散热的能力。
不过，这样看起来好像只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以複杂化，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，实际上是有一些业者正朝向这方面做考量，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 提高白光LED寿命达原先的4倍
当然发热的问题不是只会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份，LED不断的开发出封装材料来因应，持续提高中的LED亮度所产生的影响。
过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED晶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，而必须让更多的电流获得释放，这一个架构这是相当的重要。
除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影样，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含了短波长的光线，而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会让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，那麽恶化自然也加速，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，或许是不错的选择。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，而改採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。
因为硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，所以与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，而缓和的光穿透率下降的速度。
所以，以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改採硅树脂作为封装的材料，例如，因为短波长的光线所带来的影响部分，相对于波长400～450nm的光，环氧树脂约在个位的数。
就今天而言，白光LED仍旧存在着发光均一性不佳、封闭材料的寿命不长，而无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用积极的出现，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果也就相当的被关心。
藉由提高晶片面积来增加发光量
期望改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，就是提高LED晶片的面积，也就是说，将目前面积为1m㎡的小型晶片，将发光面积提高到10m㎡的以上，藉此增加发光量，或把几个小型晶片一起封装在同一个模组下。
虽然，将LED晶片的面积予以大型化，藉此能够获得高多的亮度，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良，和覆晶的构造，在晶片表面进行改良，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，因此电极不会被遮蔽的优点，但缺点就是所产生的热不容易消散。
而并非进行晶片表面改善后，再加上增加晶片面积就绝对可以一口气提昇亮度，因为当光从晶片内部向外散射时，晶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晶片尺寸是在7m㎡左右。
利用封装数个小面积LED晶片 快速提高发光效率
和大面积LED晶片相比，利用小功率LED晶片封装成同一个模组，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模组的发光效率达到了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封装在同一个模组上，所以在模组中必须置入一些绝缘材料，以免造成LED晶片间的短路情况发生，不过，如此一来就会增加了不少的成本。
对此Citizen的解释是，事实上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，并因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，对于较无经验的业者来说，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。
当然，还有其他方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上製作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在晶片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。
例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出「Thin GaN」高亮度LED，OSRAM是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石。这样，金属膜就会产生映射的效果而获得更多的光线取出，而根据OSRAM的资料显示，这样的结构可以获得75％的光取出效率。
逐渐有业者利用覆晶的构造，来期望达到50lm/W的发光效率，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，因此电极不会被遮蔽。（资料来源：LEDIKO）
当然，除了晶片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的製程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提昇光取出效率，这样的结构OMROM是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为「Double reflection 光学系统」。
利用这样的结构，可将传统砲弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式，事实上是可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样的特殊设计，这些利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。
封装材料和萤光材料的重要性增加
但如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那麽需要克服的问题就会更多了，因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。
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来代替萤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的电力情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，当然，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，低功率白光因为应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。
使用的电流愈大，当然所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此所带来的缺点是，封装材料是否能够承受这样的长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。
高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，就相对显的非常重要。
或许在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不存在，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就不得不需要想办法解决的，因为，热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整体应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那麽，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，还包括从晶片到封装材料间的抗热性、导热结构、封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构，及PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。
例如，即使能够解决从晶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晶片温度的上升，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。
不过，并非所有的业者都像松下一样，把封装材料到PCB板间的抗热性都做了考量，因为各业者的策略关係，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。
有相当多的业者，因为本身不生产LED的关係，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此于止还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上的用金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，完成让具有散热槽设计的高功率白光LED与PCB板连接，达到散热的能力。
不过，这样看起来好像只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以複杂化，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，实际上是有一些业者正朝向这方面做考量，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 提高白光LED寿命达原先的4倍
当然发热的问题不是只会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份，LED不断的开发出封装材料来因应，持续提高中的LED亮度所产生的影响。
过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED晶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，而必须让更多的电流获得释放，这一个架构这是相当的重要。
除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影样，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含了短波长的光线，而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会让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，那麽恶化自然也加速，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，或许是不错的选择。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，而改採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。
因为硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，所以与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，而缓和的光穿透率下降的速度。
所以，以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改採硅树脂作为封装的材料，例如，因为短波长的光线所带来的影响部分，相对于波长400～450nm的光，环氧树脂约在个位的数。
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