《白光LED的发光效率及使用寿命问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《白光LED的发光效率及使用寿命问题（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、白光LED的发光效率及使用寿命问题为了获得充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯片，试图以此方式达成预期目标。实 际上在白光LED上施加的电功率持续超过1W以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低 20%30%,提高白光LED的输入功率和发光效率必须克服的问题有：抑制温升；确保使用寿 命；改善发光效率；发光特性均等化。增加功率会使用白光LED封装的热阻抗下降至10K/W以下，因此国外曾经开发耐高温 白光LED，试图以此改善温升问题。因大功率白光LED的发热量比小功率白光LED高数十倍 以上，即使白光LED的封装允许高热量，但白光LED芯片的允许温度是一定的。抑制温升的 具体方法是降低封装
2、的热阻抗。提高白光LED使用寿命的具体方法是改善芯片外形，采用小型芯片。因白光LED的发光 频谱中含有波长低于450nm的短波长光线，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 的大光量更加速了密封材料的劣化。改用硅质密封材料与陶瓷封装材料，能 使白光 LED 的使用寿命提高一位数。改善白光 LED 的发光效率的具体方法是改善芯片结构与封装结构，达到与低功率白光 LED相同的水准，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，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。实现发光特性均匀化的具体方法是
3、改善白光LED的封装方法，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就可以克服上述困扰。减少热阻抗、改善散热问题的具体内容分别是： 降低芯片到封装的热阻抗。 抑制封装至印制电路基板的热阻抗。 提高芯片的散热顺畅性。为了降低热阻抗，国外许多LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面， 如图 1 所示，用焊接方式将印制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。德国 OSRAM Opto Semiconductors Gmb 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LE
4、D施加2W的电功率时， LED芯片的温度比焊接点高18C，即使印制电路板的温度上升到500，LED芯片的温度也 只有700C左右。热阻抗一旦降低，LED芯片的温度就会受到印制电路板温度的影响，为此 必须降低LED芯片到焊接点的热阻抗。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LED封装传导到印制电路板的话，LED温度的上升将使其发光效率下降，因此 松下公司开发出了印制电路板与封装一体化技术，该公司将边长为1mm的正方形蓝光LED 以覆芯片化方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印制电路板表面，包含印 制电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W。篮光呦晶片細晋響豐
5、譽LED晶片印制电路板金属散热片.Com印制电踣板导线 OSM LED的封装方式(a) OSRAM LED的封装方式(b) CITIZE1T LED的封装方式图1 LED散热结构针对白光LED的长寿化问题，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，可以更有效地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 400450nm 的光线的百分比高达 45%，硅质密封材料则低 于1%，环氧树脂亮度减半的时间不到1万小时，硅质密封材料可以延长到4万小时左右(如 图 2所示)，几乎与照明设备的设计寿命相同，这意味着照明设备在使用期间不需更换白光 LED。不过硅质
6、密封材料属于高弹性柔软材料，加工上必须使用不会刮伤硅质密封材料表面 的制作技术，此外制程上硅质密封材料极易附着粉屑，因此未来必须开发可以改善表面特性 的技术。10I (3()00100 时同(h)a)琏质密封材料o:10mA ; 20mA10ti.Dz35v. Com100时间向Cb)环讯树月图2硅质密封材料与环氧树脂对LED光学特性的影响虽然硅质密封材料可以确保白光LED有4万小时的使用寿命，然而照明设备业界有不同 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4万小时的白光LED,若换算成亮度降至30%以下的话，大约只剩2万小时。目 前有两种
7、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。以上两项对策可以达成亮度降至30%时使用寿命达4万小时的要求。抑制白光LED温升 可以采用冷却白光LED封装印制电路板的方法，主要原因是封装树脂在高温状态下，加上强 光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则，温度降低100C时寿命会延长2倍。停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为白光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锐减，这也是采用陶瓷系与金属系封装材料的主要原因。LED封装基板 无树脂化结构如图 3 所示。號光L
8、E口鼎片金冏或陶瓷村质光境朋射会产生出牝创掷脂封装后方摩像金加昵陶盗材质元光建順射券化处悝用金帼陶请稱P昭茗荻可om图 3 LED 封装基板无树脂化结构有两种方法可以改善白光LED芯片的发光效率：一种是使用面积比小型芯片（1mm2 左右）大10倍的大型LED芯片；另外一种是利用多个小型高发光效率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影响，例如芯片 内发光层不均匀、发光部位受到局限、芯片内部产生的光线放射到外部时会严重衰减等。针 对以上问题，通过对白光LED的电极结构的改良，采用覆芯片化封装方式，同时整合芯片表 面加上技术，目前已经达成50
9、lm/W的发光效率。大型白光LED的封装方式如图4所示。有 关芯片整体的发光层均等性，自从出现梳子状与网格状P型电极这后，使电极也朝最佳化方 向发展。1曲號芯片站揄 制片喪曲理留凹凸他机KU靈他氏即.弱更射无 江哪障的比地础阳農血檯筮 尢砸稅电栖忖血年;？、-WiS哦电惟2（5年臥石图 4 大型 LED 的封装方式有关覆芯片化封装方式，由于发光层贴近封装端极易排放热量，加上发光层的光线发 射到外部时无电极遮蔽的困扰，所以美国 Lumileds 公司与日本丰田合作已经正式采用覆芯 片化封装方式，芯片表面加工可以防止光线从芯片内部朝芯片外部发射时在界面处发生反射 若在光线取出部位的蓝宝石基板上设置
10、凹凸状结构，芯片外部的取光率可以提高 30%左右。 经过改良的大型LED芯片封装实体可以使芯片侧面射出的光线朝封装上方的反射板行进，高 效率取出芯片内部光线的封装大小是7mmX7mm左右。大型LED的最后封装方式如图5所 示。封装采川 O.i5mniXOJSnnn LED 恤片堆住化封装玫计改用InimX lmffl LE门品片IniTnX I mm LED 晶片匚聚用 Jmmx Lmm LED 宀 晶片扯俵化封装设计0.35mmx0.15nm血光LED酪片2.8*33mrn収光效率提窩2倚4?良节7mmCoin图 5 大型 LED 的最后封装方式小型 LED 芯片的发光效率的提升似乎比大型
11、LED 芯片模块更有效。例如日本 CITIZEN 公司组合8个小型LED芯片，达到60lm/W的高发光效率。若使用日亚公司制作的0.3mm X0.3mm小型LED芯片，一个封装模块最多使用12个这样的芯片，各LED芯片采用传统金 线粘合封装方式，施加功率是 2W 左右。对于白光LED辉度与色温不均匀问题，在使用上必须筛选光学特性类似的白光LED。 事实上减少白光LED发光特性的不均匀性、使LED芯片发光特性一致化以及实施荧光体材料 浓度分布均匀化管理是非常重要的。有关LED芯片的发光特性，各厂商都在非常积极地进行芯片筛选、发光特性的均等化 处理等以减少LED发光特性不均匀问题，如松下电器公司已
12、通过芯片的筛选达成特性一致化 的目标。该公司利用覆芯片化方式，将64个LED芯片封装在一片基板上，最后再分别覆盖 荧光体。在加工时LED芯片先封装在次基板测试发光特性，接着将发光特性一致的芯片移植 封装在主基板上。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匀，8个 LED芯片合计的发光特性在封装之间的不均匀性会变得非常小。利用多个小型LED芯片的组 合提高发光波长均匀性的效果如图6所示。U 二小理r-EO納片St先琨曲缶敷十小.聊丄片1大应1少密冊Vi* 下 巧呗J谕時?om云中诡址归龙耀琳 /L小 tt I.LLJ M 片发比特牲A图 6 利用多个小型 LED 芯片的组合提
13、高发光波长均匀性白光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的色温分布不均匀。因此，可将含荧光体 材料的树脂薄片与LED芯片结合，由于薄片厚度与荧光体材料的浓度经过严格的管理，所以 白光LED的色温分布不均程度比传统方式减少了 4/5。业界认为使用荧光体薄片方式，配合 LED芯片的发光特性，改变荧光体的浓度与薄片的厚度，就可以使白光LED的色温变化控制 在预期范围内。虽然说随着白光LED发光效率的逐步提咼，将白光LED应用在照明领域的可能性也越 来越大，但是很明显地，单只白光 LED 的光通量均偏低，因此以目前的
14、封装形式是不太可能 以单只白光 LED 来达到照明所需要的流明数。针对这人问题，目前主要的解决方法大致上可 分为两类：一类是较传统地将多只LED组成光源模块来使用，而其中每只白光LED所需要的 驱动电源与一般使用的相同（为2030mA）；另一类方法是使用较大面积的芯片，此时不再 使用传统的0.3mm2大小的芯片，而采用0.61mm2大小的芯片，并使用高驱动电流来驱动 这样的发光组件（一般为150350mA，目前最高达到500mA以上）。但无论是使用何种方 法，都会因为必须在极小的LED封装中处理极高的热量，若组件无法散去这些热量，除了各 种封装材料会由于彼此间膨胀系数的不同而有产品可靠性的问题
15、，芯片的发光效率更会随着 温度的上升而有明显地下降，并造成使用寿命明显地缩短。因此，如何散去组件中的热量， 成为目前白光LED封装技术的重要课题。对于白光LED而言，最重要的是输出的光通量及光色，所以白光LED的一端必定不能 遮光，而需使用高透明效果的环氧树脂材料包覆。然而目前的环氧树脂几乎都是不导热材料， 因此对于目前的白光LED封装技术而言，主要是利用其白光LED芯片下方的金属脚座散去组 件所发出的热量。就目前的趋势看来，金属脚座材料主要是以高热传导系数的材料为主而组 成的，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接 接触，很可能因为在温度升高时材料间产生应力而造成可靠性问题，所以一般都会在材料间 加上具有适当传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。松下电器将公司多只白光LED制成 在金属材料与金属系复合材料所制成的多层基板模块上以形成光源模块，利用光源基板的高 导热效果，使光源的输出在长时间使用时仍能维持稳定。Lumileds生产的白光LED基板所使 用的材料为具有高传导系数的铜材，再将其连接至特制的金属电路板，就可以兼顾电路导通 及增加热传导效果。大功率白光 LED 产品的芯片制造技术、封装
