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散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用

晨怡热管 DigiTimes.com 盧慶儒 2008-1-22 0:31:25

高亮度LED技術與應用趨勢(1)高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(2)反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革

高亮度LED技術與應用趨勢(3)散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用

高亮度LED技術與應用趨勢(4)高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(5)白光LED頭燈技術發展與目前研究現況

 

就今天而言,白光LED仍舊存在著發光均一性不佳、封閉材料的壽命不長,而無法發揮白光LED被期待的應用優點。但就需求層面來看,不僅一般的照明用途,隨著手機、LCD TV、汽車、醫療等的廣泛應用積極的出現,使得最合適開發穩定白光LED的技術研究成果也就相當的被關心。

藉由提高晶片面積來增加發光量

 期望改善白光LED的發光效率,目前有兩大方向,就是提高LED晶片的面積,也就是說,將目前面積為1m㎡的小型晶片,將發光面積提高到10m㎡的以上,藉此增加發光量,或把幾個小型晶片一起封裝在同一個模組下。

 雖然,將LED晶片的面積予以大型化,藉此能夠獲得高多的亮度,但因過大的面積,在應用過程和結果上也會出現適得其反的現象。所以,針對這樣的問題,部分LED業者就根據電極構造的改良,和覆晶的構造,在晶片表面進行改良,來達到50lm/W的發光效率。

 例如在白光LED覆晶封裝的部分,由於發光層很接近封裝的附近,發光層的光向外部散出時,因此電極不會被遮蔽的優點,但缺點就是所產生的熱不容易消散。

 而並非進行晶片表面改善後,再加上增加晶片面積就絕對可以一口氣提昇亮度,因為當光從晶片內部向外散射時,晶片中這些改善的部分無法進行反射,所以在取光上會受到一點限制,根據計算,最佳發揮光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。

利用封裝數個小面積LED晶片 快速提高發光效率

 和大面積LED晶片相比,利用小功率LED晶片封裝成同一個模組,這樣是能夠較快達到高亮度的要求,例如,Citizen就將8個小型LED封裝在一起,讓模組的發光效率達到了60lm/W,堪稱是業界的首例。

 但這樣的做法也引發的一些疑慮,因為是將多顆LED封裝在同一個模組上,所以在模組中必須置入一些絕緣材料,以免造成LED晶片間的短路情況發生,不過,如此一來就會增加了不少的成本。

 對此Citizen的解釋是,事實上對於成本的影響幅度是相當小的,因為相較於整體的成本比例,這些絕緣材料僅不到百分之一,並因可以利用現有的材料來做絕緣應用,這些絕緣材料不需要重新開發,也不需要增加新的設備來因應。

 雖然Citizen的解釋理論上是合理的,但是,對於較無經驗的業者來說,這就是一項挑戰,因為無論在良率、研發、生產工程上都是需要予以克服的。

 當然,還有其他方式可達到提高發光效率的目標,許多業者發現,在LED藍寶石基板上製作出凹凸不平坦的結構,這樣或許可以提高光輸出量,所以,有逐漸朝向在晶片表面建立Texture或Photonics結晶的架構。

 例如德國的OSRAM就是以這樣的架構開發出「Thin GaN」高亮度LED,OSRAM是在InGaN層上形成金屬膜,之後再剝離藍寶石。這樣,金屬膜就會產生映射的效果而獲得更多的光線取出,而根據OSRAM的資料顯示,這樣的結構可以獲得75%的光取出效率。



▲逐漸有業者利用覆晶的構造,來期望達到50lm/W的發光效率,由於發光層很接近封裝的附近,發光層的光向外部散出時,因此電極不會被遮蔽。(資料來源:LEDIKO)



 當然,除了晶片的光取出方面需要做努力外,因為期望能夠獲得更高的光效率,在封裝的部分也是必須做一些改善。事實上,每多增加一道的工程都會對光取出效率帶來一些影響,不過,這並不代表著,因為封裝的製程就一定會增加更高的光損失,就像日本OMROM所開發的平面光源技術,就能夠大幅度的提昇光取出效率,這樣的結構OMROM是將LED所射出的光線,利用LENS光學系統以及反射光學系統來做控制的,所以OMROM稱之為「Double reflection 光學系統」。

 利用這樣的結構,可將傳統砲彈型封裝等的LED所造成的光損失,針對封裝的廣角度反射來獲得更高的光效率,更進一步的是,在表面所形成的Mesh上進行加工,而形成雙層的反射效果,這樣的方式,事實上是可以得到不錯的光取出效率控制的。因為這樣的特殊設計,這些利用反射效果達到高光取出效率的LED,主要的用途是針對LCD TV背光所應用的。

封裝材料和螢光材料的重要性增加

 但如果期望用來作為LCD TV背光應用的話,那麼需要克服的問題就會更多了,因為LCD TV的連續使用時間都是長達數個小時,甚至10幾個小時,所以,由於這樣長時間的使用情況下,拿來作為背光的白光LED就必須擁有不會因為連續使用而產生亮度衰減的情況。

 目前已發表的高功率的白光LED,它的發光功率是一個低功率白光LED亮度的數十倍,所以期望利用高功率白光LED來代替螢光燈作為照明設備的話,有一個必須克服的困難就是亮度遞減的情況。

 例如,白光LED長時間連續使用1W的電力情況下,會造成連續使用後半段時間的亮度逐漸降低的現象,當然,不是只有高功率白光LED才會出現這樣的情況,低功率白光LED也會存在這樣的問題,只不過是因為,低功率白光因為應用的產品不同,所以,並不會因此特別突顯出這樣的困擾。

 使用的電流愈大,當然所獲得的亮度就愈高,這是一般對於LED能夠達到高亮度的觀念,不過,因為所使用的電流增加,因此所帶來的缺點是,封裝材料是否能夠承受這樣的長時間的因為電流所產生的熱,也因為這樣的連續使用,往往封裝材料的熱抵抗會降到10k/w以下。

 高功率LED的發熱量是低功率LED的數十倍,因此,會出現隨著溫度上升,而出現發光功率降低的問題,所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發上,就相對顯的非常重要。

 或許在20∼30lm/W以下的LED,這些問題都不存在,但是,一旦面臨60lm/w以上的高發光功率LED的時候,就不得不需要想辦法解決的,因為,熱效應所帶來的影響,絕對不會僅僅只有LED本身,而是會對整體應用產品帶來困擾,所以,LED如果能夠在這一方面獲得解決的話,那麼,也可以減輕應用產品本身的散熱負擔。

 因此,在面對不斷提高電流情況的同時,如何增加抗熱能力,也是現階段的急待被克服的問題,從各方面來看,除了材料本身的問題外,還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導熱結構,及PCB板的散熱結構等,這些都需要作整體性的考量。

 例如,即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性,但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話,同樣也是造成LED晶片溫度的上升,出現發光效率下降的現象。所以,就像是松下就為了解決這樣的問題,從2005年開始,便把包括圓形,線形,面型的白光LED,與PCB基板設計成一體,來克服可能因為出現在從封裝到PCB板間散熱中斷的問題。

 不過,並非所有的業者都像松下一樣,把封裝材料到PCB板間的抗熱性都做了考量,因為各業者的策略關係,有的業者以基板設計的簡便為目標,只針對PCB板的散熱結構進行改良。

 有相當多的業者,因為本身不生產LED的關係,所以只能在PCB板做一些研發,但僅此於止還是不夠的,所以需要選擇散熱性良好的白光LED。能讓PCB板上的用金屬材料,能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接,完成讓具有散熱槽設計的高功率白光LED與PCB板連接,達到散熱的能力。

 不過,這樣看起來好像只是因為期望達到散熱,而把簡單的一件事情予以複雜化,到底這樣是不是符合成本和進步的概念,以今天的應用層面來說,很難做一個判斷,不過,實際上是有一些業者正朝向這方面做考量,例如Citizen在2004年所發表的產品,就是能夠從封裝上厚度為2∼3mm的散熱槽向外散熱,提供應用業者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光LED,能讓PCB板的散熱設計得以發揮。

封裝材料的改變 提高白光LED壽命達原先的4倍

 當然發熱的問題不是只會對亮度表現帶來影響,同時也會對LED本身的壽命出現挑戰,所以在這一部份,LED不斷的開發出封裝材料來因應,持續提高中的LED亮度所產生的影響。

 過去用來作為封裝材料的環氧樹脂,耐熱性比較差,可能會出現的情況是,在LED晶片本身的壽命到達前,環氧樹脂就已經出現變色的情況,因此,為了提高散熱性,而必須讓更多的電流獲得釋放,這一個架構這是相當的重要。

 除此之外,不僅因為熱現象會對環氧樹脂產生影樣,甚至短波長也會對環氧樹脂造成一些問題,這是因為白光LED發光光譜中,也包含了短波長的光線,而環氧樹脂卻相當容易被白光LED中的短波長光線破壞,即使低功率的白光LED就已經會讓造成環氧樹脂的破壞,更何況高功率的白光LED所含的短波長的光線更多,那麼惡化自然也加速,甚至有些產品在連續點亮後的使用壽命不到5,000小時。

 所以,與其不斷的克服因為舊有封裝材料-環氧樹脂所帶來的變色困擾,不如朝向開發新一代的封裝材料,或許是不錯的選擇。目前在解決壽命這一方面的問題,許多LED封裝業者都朝向放棄環氧樹脂,而改採了矽樹脂和陶瓷等作為封裝的材料,根據統計,因為改變了封裝材料,事實上可以提高LED的壽命。

 就資料上來看,代替環氧樹脂的封裝材料-矽樹脂,就具有較高的耐熱性,根據試驗,即使是在攝氏150∼180度的高溫,也不會變色的現象,看起來似乎是一個不錯的封裝材料。

 因為矽樹脂能夠分散藍色和近紫外光,所以與環氧樹脂相比,矽樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現象,而緩和的光穿透率下降的速度。

 所以,以目前的應用來看,幾乎所有的高功率白光LED產品都已經改採矽樹脂作為封裝的材料,例如,因為短波長的光線所帶來的影響部分,相對於波長400∼450nm的光,環氧樹脂約在個位的數百分比左右,但矽樹脂對400∼450nm的光線吸收卻不到百分之一,這樣的落差,使得在抗短波長方面,矽樹脂有著較出色的表現。


▲OSRAM「Thin GaN」是在InGaN層上形成金屬膜,之後再剝離藍寶石。這樣,金屬膜就會產生映射的效果而可以獲得75%的光取出效率。(資料來源:OSRAM)



 所以,就壽命表現度而言,矽樹脂可以達到延長白光LED使用壽命的目標,甚至可以達到4萬小時以上的使用壽命,但是,是不是真的適合用來做照明的應用就還有待研究,因為矽樹脂是具有彈性的柔軟材料,所以在封裝的過程中,需要特別注意應用的方式,而來設計出最適當的應用技術。

 對於未來應用的方面,提高白光LED的光輸出效率將會是決勝的關鍵點。白光LED的生產技術,從過去的藍色LED和黃色的YAG螢光體的組合,開發出模擬白光的目標,到利用三色混合或者使用GaN材料,開發出白光LED,對於應用來說,已經可以看的出將會朝向更廣泛的方向擴展。

 另外,白光LED的發光效率,這些年已經有了不錯的的發展,日本LED照明推進協會目標是,期望能夠預計在2009年達到100lm/w的發光效率,而事實上,有相當多的業者都在朝向這方面開發,所以預計在數年內,100lm/w發光效率就能夠實際上商業化應用。


▲許多LED封裝業者都朝向放棄環氧樹脂,而改採了矽樹脂和陶瓷等作為封裝的材料,藉以提高LED的使用壽命。



多元化應用市場潛力下 日亞化學積極開發白光半導體雷射

 由於期望LED達到色純度較高的白光,及高亮度的要求下,各業者不斷的從每一領域加以改善,而達到此一目標,但在成果的進步速度上,看起來仍舊相當的緩慢。

 因此部分業者開始考慮採用其他的技術,來實現目前業界對於類似白光LED的光亮度要求。在高亮度的藍、白光LED領域的日亞化學,便是將一部份的研發方向,朝向開發白光雷射做努力。

 日亞化學是利用與白光LED相同的GaN系材料,來製作半導體雷射,開發出了白光光源,以目前的表現來說,輝度已經能夠達到10cd/mm左右,今天的白光LED如果期望達到這個輝度值是相當困難的,即使增加電流期望讓亮度增加,但這樣將會使得接合點的溫度上升,所帶來的結果不僅會使整個發光效率降低外,還會浪費相當多不必要的電量。

 日亞化學所開發的白光半導體雷射,在晶片端不再使螢光體材料,而是將發光部分和白光產生的部分分開處理,日亞化學的雷射半導體所是利用200mw的藍紫色半導體雷射,發出405nm的波長光線,把藍色或藍紫色半導體雷射與光纖的面進行連接,讓白光從塗了螢光體材料的光纖另一面發射出來,而在這模組中所產生出來的白光直徑僅有1.25mm,這各面積只有相同光量白光LED的1/20,並因所需的耗功不到0.1W,所以,在散熱部分也不需要太過於煩惱。

 雖然看起來在特性的方面是相當的不錯,不過實際上還是有一些缺點的,就像在使用壽命上,只有3,000小時左右,再加上價格太貴也是不容易解決事情,或許價格太貴的問題可以花一點時間就可以下降一些,但是以現在30萬日圓的水準來看的,要降到3,000甚至300日圓,那就需要10年以上的時間。
责任编辑: banye 参与评论
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