探讨提升白光LED发光效率的四大关键

中心议题：
解决封装的散热问题才是根本方法
设法减少热阻抗、改善散热问题
各业者展现散热设计功力
变更封装材抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度

过去LED业者为了获利充分的白光LED光工字电感束，曾经开发大尺寸LED芯片试图藉此方式达成预期目标，不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低20~30％，换句话说白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍，消费电力特性希望超越荧光灯的话，就必需先克服下列的四大课题，包括，抑制温升、确保使用寿命、改善发光效率，以及发光特性均等化。　　

1 解决封装的散热问题才是根本方法

由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图藉此改善上述问题，然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上，而且温升还会使发光效率大幅下跌，即使封装技术允许高热量，不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值，最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。　　

有关LED的使用寿命，例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料，能使LED的使用寿命提高一位数，尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线，传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时，高功率白光LED的亮度已经降低一半以上，根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。　　

有关LED的发光效率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水平，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的窘境，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。　　

2 设法减少热阻抗、改善散热问题　　

有关发光特性均匀性，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，应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时，必需设法减少热阻抗、改善散热问题，具体内容分别是：降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。　　

为了要降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片（heatsink）表面，接着再用焊接方式将印刷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，根据德国OSRAMOptoSemicONductorsGmb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的电力时，LED芯片的接合温度比焊接点高18K，即使印刷电路板温度上升到500C，接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话，LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响，如此一来必需设法降低LED芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构，如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌，因此松下电工开发印刷扁平型电感电路板与封装一体化技术，该公司将1mm正方的蓝光LED以flipchip方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面，根贴片电感据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

3 各业者展现散热设计功力　　

由于散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果，因此印刷电路板的设计变得非常复杂，有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商，相继开发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN在2004年开始样品出货的白光LED封装，不需要特殊接合技术也能够将厚约2?3mm散热鳍片的热量直接排放到外部，根据该CITIZEN表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右，不过即使是传统印刷电路电感器批发板无冷却风扇强制空冷状态下，该白光LED模块也可以连续点灯使用。 Lumileds于2005年开始样品出货的高功率LED芯片，接合容许温度更高达+1850C，比其它公司同级产品高600C，利用传统RF4印刷电路板封装时，周围环境温度400C范围内可以输入相当于1.5W电力的电流（大约是400mA）。所以Lumileds与CITIZEN使采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片表面，达成9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻抗减少40％，值得一提是该LED模块封装时，采用与传统方法相同的flipchip方式，不过LED模块与热鳍片接合时，则选择最接近LED芯片发光层作为接合面，藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。 2003年东芝Lighting曾经在400mm正方的铝合金表面，铺设绕行电感器发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED，无冷却风扇等特殊散热组件前提下，试作光束为300lm的LED模块，由于东芝Lighting拥有丰富的试作经验，因此该公司表示由于模拟分析技术的进步，2006年之后超过60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热，不需要特殊散热技术的模块结构也能够使用白光LED。　　

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