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白光LED的发光绝缘制品效率及使用寿命问题
浏览: 发布日期:2017-09-04


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        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:①     降低芯片到封装的热阻抗。②     抑制封装至印制电路基板的热阻抗。③     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LED施加2W的电功率时,LED芯片的温度比焊接点高18℃,即使印制电路板的温度上升到500℃,LED芯片的温度也只有700℃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。(a)  OSRAM LED的封装方式(b)  CITIZEN 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400~450nm 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。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。目前有两种延长组件使用寿命的对策,分别是:①     抑制白光LED整体的温升。②     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100℃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。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50lm/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。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7mm×7mm左右。大型LED的最后封装方式如图5所示。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×0.3mm 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。 图6  利用多个小型LED芯片的组合提高发光波长均匀性        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发光效率的逐步提高,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 [


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