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過(guò)去 LED 業(yè)者為了獲利充分的白光 LED 光束，曾經(jīng)開(kāi)發(fā)大尺寸 LED 芯片試圖藉此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，不過(guò)實(shí)際上白光 LED 的施加電力持續(xù)超過(guò) 1W 以上時(shí)光束反而會(huì)下降，發(fā)光效率則相對(duì)降低 2030 ％，換句話說(shuō)白光 LED 的亮度如果要比傳統(tǒng) LED 大數(shù)倍，消費(fèi)電力特性希望超越螢光燈的話，就必需先克服下列的四大課題，包括，抑制溫升、確保使用壽命、改善發(fā)光效率，以及發(fā)光特性均等化。 有關(guān)溫升問(wèn)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，而這些方法已經(jīng)陸續(xù)被開(kāi)發(fā)中。 ■解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法 由于增加電力反而會(huì)造成封裝的熱阻抗急遽降至 10K/W 以下，因此國(guó)外業(yè)者曾經(jīng)開(kāi)發(fā)耐高溫白光 LED 試圖藉此改善上述問(wèn)題，然而實(shí)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(huì)使發(fā)光效率大幅下跌，即使封裝技術(shù)允許高熱量，不過(guò) LED 芯片的接合溫度卻有可能超過(guò)容許值，最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問(wèn)題才是根本方法。 有關(guān) LED 的使用壽命，例如改用矽質(zhì)封裝材料與陶瓷封裝材料，能使 LED 的使用壽命提高一位數(shù)，尤其是白光 LED 的發(fā)光頻譜含有波長(zhǎng)低于 450nm 短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料極易被短波長(zhǎng)光線破壞，高功率白光 LED 的大光量更加速封裝材料的劣化，根據(jù)業(yè)者測(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí)，高功率白光 LED 的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無(wú)法滿足照明光源長(zhǎng)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 相同水平，主要原因是電流密度提高 2 倍以上時(shí)，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會(huì)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(wèn)題。 ■設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題 有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)為只要改善白光 LED 的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的制作技術(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(shí)，必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問(wèn)題，具體內(nèi)容分別是：降低芯片到封裝的熱阻抗、抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。 為了要降低熱阻抗，許多國(guó)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(qiáng)制空冷的散熱鰭片上，根據(jù)德國(guó) OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，上述結(jié)構(gòu)的 LED 芯片到焊接點(diǎn)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(shí)， LED 芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)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(huì)受到印刷電路板溫度的影響，如此一來(lái)必需設(shè)法降低 LED 芯片的溫度，換句話說(shuō)降低 LED 芯片到焊接點(diǎn)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(guò)來(lái)說(shuō)即使白光 LED 具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無(wú)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(huì)急遽下跌，因此松下電工開(kāi)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。 ■各業(yè)者展現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)功力 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(jì)變得非常復(fù)雜，有監(jiān)于此美國(guó) Lumileds 與日本 CITIZEN 等照明設(shè)備、 LED 封裝廠商，相繼開(kāi)發(fā)高功率 LED 用簡(jiǎn)易散熱技術(shù)， CITIZEN 在 2004 年開(kāi)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s 23mm 散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據(jù)該 CITIZEN 表示雖然 LED 芯片的接合點(diǎn)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(huì)使熱阻抗增加 1W 左右，不過(guò)即使是傳統(tǒng)印刷電路板無(wú)冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下，該白光 LED 模塊也可以連續(xù)點(diǎn)燈使用。 Lumileds 于 2005 年開(kāi)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(jí)產(chǎn)品高 600C ，利用傳統(tǒng) RF4印刷電路板封裝時(shí)，周?chē)h(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 ） 。所以 Lumileds 與 CITIZEN 使采取提高接合點(diǎn)容許溫度，德國(guó) 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(guò)去開(kāi)發(fā)同級(jí)品的熱阻抗減少 40 ％，值得一提是該 LED 模塊封裝時(shí)，采用與傳統(tǒng)方法相同的 flip chip 方式，不過(guò) LED 模塊與熱鰭片接合時(shí)，則選擇最接近 LED 芯片發(fā)光層作為接合面，藉此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。 2003 年?yáng)|芝 Lighting 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(wú)冷卻風(fēng)扇等特殊散熱元件前提下，試作光束為 300lm 的 LED 模塊，由于東芝 Lighting 擁有豐富的試作經(jīng)驗(yàn)，因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)的進(jìn)步， 2006 年之后超過(guò) 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(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)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 。 ■變更封裝材抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度 有關(guān) LED 的長(zhǎng)壽化，目前 LED 廠商采取的對(duì)策是變更封裝材料，同時(shí)將螢光材料分散在封裝材料內(nèi)，尤其是矽質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光 LED 芯片上方環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料，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(shù)脂吸收波長(zhǎng)為 400450nm 的光線的百分比高達(dá) 45 ％，矽質(zhì)封裝材料則低于 1 ％，輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹(shù)脂不到一萬(wàn)小時(shí)，矽質(zhì)封裝材料可以延長(zhǎng)到四萬(wàn)小時(shí)左右，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guò)矽質(zhì)樹(shù)脂屬于高彈性柔軟材料，加工上必需使用不會(huì)刮傷矽質(zhì)樹(shù)脂表面的制作技術(shù)，此外制程上矽質(zhì)樹(shù)脂極易附著粉屑，因此未來(lái)必需開(kāi)發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。 雖然矽質(zhì)封裝材料可以確保 LED 四萬(wàn)小時(shí)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(zhēng)論是傳統(tǒng)白熾燈與螢光燈的使用壽命，被定義成「亮度降至 30 ％以下」，亮度減半時(shí)間為四萬(wàn)小時(shí)的 LED ，若換算成亮度降至 30 ％以下的話，大約只剩二萬(wàn)小時(shí)左右。目前有兩種延長(zhǎng)元件使用壽命的對(duì)策，分別是，抑制白光 LED 整體的溫升，和停止使用樹(shù)脂封裝方式。 一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策，可以達(dá)成亮度 30 ％四萬(wàn)小時(shí)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(shù)脂高溫狀態(tài)下，加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低 100C 壽命會(huì)延長(zhǎng) 2 倍。停止使用樹(shù)脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因?yàn)?LED 產(chǎn)生的光線在封裝樹(shù)脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹(shù)脂材質(zhì)反射板，由于反射板會(huì)吸收光線，所以光線的取出量會(huì)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 |
