對于一般照明,在工藝結構上,白光LED通常采用兩種方法形成,第一種是利用“藍光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。
白光LED照明新光源的應用前景。為了說(shuō)明白光LED的特點(diǎn),先看看所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12~24流明/瓦;熒光燈和HID燈的光效為50~120流明/瓦。對白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已達到15流明/瓦,這一指標與一般家用白熾燈相近,而在2000年時(shí),白光LED的光效已達25流明/瓦,這一指標與鹵鎢燈相近。2012年,白光LED的光效已達120流明/瓦,白光LED作家用照明光源開(kāi)始推廣普及。預計到2020年時(shí),LED的光效可望達到200流明/瓦。 普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價(jià)格便宜,但光效低(燈的熱效應白白耗電),壽命短,維護工作量大,但若用白光LED作照明,不僅光效高,而且壽命長(cháng)(連續工作時(shí)間10000小時(shí)以上),幾乎無(wú)需維護。德國Hella公司利用白光LED開(kāi)發(fā)了飛機閱讀燈;澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明;我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈??梢灶A見(jiàn)不久的將來(lái),白光LED定會(huì )進(jìn)入家庭取代現有的照明燈。 LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時(shí)間短、對環(huán)境無(wú)污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn),雖然價(jià)格較現有照明器材昂貴,仍被認為是它將不可避免地現有照明器件。
高功率白光LED散熱與壽命問(wèn)題改善設計
高功率白光LED應用于日常照明用途,其實(shí)在環(huán)保光源日益受到重視后,已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實(shí)際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服,已有相關(guān)改善方案,用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸,進(jìn)行重點(diǎn)功能與效能之改善。 環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應用出線(xiàn)
LED光源受到青睞的主因,不外乎產(chǎn)品壽命長(cháng)、光電轉換效率高、材料特性可在任意平面進(jìn)行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面,由于需達到實(shí)用的“照明”需求,原以指示用途的LED就無(wú)法直接對應照明應用,必須從芯片、封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進(jìn)行強化,才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。 就市場(chǎng)需求層面觀(guān)察,針對照明應用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的白光LED,可以說(shuō)是未來(lái)用量較高的產(chǎn)品項目,但為達到使用效用,白光LED必須針對照明應用進(jìn)行重點(diǎn)功能改善。其一是針對LED芯片進(jìn)行強化,例如,增加其光-電轉換效率,或是加大芯片面積,讓單個(gè)LED的發(fā)光量(光通量)達到其設計極限。其二,屬于較折衷的設計方案,若在持續加大單片LED芯片面積較困難的前提下,改用多片LED芯片封裝在同一個(gè)光源模組,也是可以達到接近前述方法的實(shí)用技術(shù)方案。 就產(chǎn)業(yè)實(shí)務(wù)需求檢視,礙于量產(chǎn)彈性、設計難度與控制產(chǎn)品良率/成本問(wèn)題,LED芯片持續加大會(huì )碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會(huì )碰到的設計困難,并非技術(shù)上與生產(chǎn)技術(shù)辦不到,而是在成本與效益考量上,大面積之LED芯片成本較高,而且對于實(shí)際制造需求的變更設計彈性較低。
反而是利用多片芯片的整合封裝方式,讓多片LED小芯片在載板上的等距排列,利用打線(xiàn)連接各芯片、搭配光學(xué)封裝材料的整體封裝,形成一光源模組產(chǎn)品,而多片封裝可以在進(jìn)行芯片測試后,利用二次加工整合成一個(gè)等效大芯片的光源模組,但卻在制作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。 同時(shí),多片之LED芯片模組解決方案,其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低,等于在獲得單片式設計方案同等光通量下,擁有成本更低的開(kāi)發(fā)選項。
多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化
另一個(gè)發(fā)展方向,是將LED芯片面積持續增大,透過(guò)大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過(guò)大的LED芯片面積也會(huì )出現不如設計預期之問(wèn)題,常見(jiàn)的改進(jìn)方案為修改復晶的結構,在芯片表面進(jìn)行制作改善;但相關(guān)改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率,尤其在光源應用的LED模組,大多要求在高功率下驅動(dòng)以獲得更高的光通量,這會(huì )造成芯片進(jìn)行發(fā)光過(guò)程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散,影響模組產(chǎn)品的應用彈性與主/被動(dòng)散熱設計方案。 一般設計方案中,據分析采行7mm2的芯片尺寸,其發(fā)光效率為最佳,但7mm2大型芯片在良率與光表現控制較不易,成本也相對較高;反而使用多片式芯片,如4片或8片小功率芯片,進(jìn)行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組,是較能快速開(kāi)發(fā)所需亮度、功率表現之LED光源模組產(chǎn)品的設計方案。 例如Philips、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商,就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類(lèi)利用多片LED芯片架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問(wèn)題,例如:多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內置絕緣材料,用以避免各別LED芯片短路現象;這樣的制程相對于單片式設計多了許多程序,因此即使能較單片式方案節省成本,也會(huì )因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。 應用芯片表面制程改善 也可強化LED光輸出量
除了增加芯片面積或數量是最直接的方法外,也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如,可在LED藍寶石基板上制作不平坦的表面結構,利用此一凹凸不規則之設計表面強化LED光輸出量,即為在芯片表面建立Texture表面結晶架構。
OSRAM即有利用此方案開(kāi)發(fā)Thin GaN高亮度產(chǎn)品,于InGaN層先行形成金屬膜材質(zhì)、再進(jìn)行剝離制程,使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱(chēng)此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。 另一方面,日本OMRON的開(kāi)發(fā)思維就相當不同,一樣是致力榨出芯片的光取出效率,OMRON即嘗試利用平面光源技術(shù),搭配LENS光學(xué)系統為芯片光源進(jìn)行反射、引導與控制,針對傳統炮彈型封裝結構的LED產(chǎn)品常見(jiàn)的光損失問(wèn)題,進(jìn)一步改善其設計結構,利用雙層反射效果進(jìn)而控制與強化LED的光取出量,但這種封裝技術(shù)相對更為復雜、成本高,因此大多僅用于LCD TV背光模組設計。 LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問(wèn)題
如果期待LED光源導入日常照明應用,其應用需克服的問(wèn)題就會(huì )更多!因為日常照明光源會(huì )有長(cháng)時(shí)間使用之情境,往往一開(kāi)啟就連續用上數個(gè)小時(shí)、甚至數十小時(shí),那長(cháng)時(shí)間開(kāi)啟的LED將會(huì )因為元件的高熱造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現象,元件必須針對熱處理提出更好的方案,以便于減緩光衰問(wèn)題過(guò)早發(fā)生,影響產(chǎn)品使用體驗。 LED光源導入日常應用的另一大問(wèn)題是,如傳統使用的螢光燈具,使用超過(guò)數十小時(shí)均可維持相同的發(fā)光效率,但LED就不同了。因為L(cháng)ED發(fā)光芯片會(huì )因為元件高熱而導致其發(fā)光效率遞減,且此一問(wèn)題不管在高功率或低功率LED皆然,只是低功率LED多僅用于指示性用途,對使用者來(lái)說(shuō)影響相當??;但若LED作為光源使用,其光輸出遞減問(wèn)題會(huì )在為提高亮度而加強單顆元件的驅動(dòng)功率下越形加劇,一般會(huì )在使用過(guò)幾小時(shí)后出現亮度下滑,必須進(jìn)行散熱設計改善才能達到光源應用需求。
LED封裝材料需因應高溫、短波長(cháng)光線(xiàn)進(jìn)行改善
在光源設計方案中,往往會(huì )利用增加驅動(dòng)電流來(lái)?yè)Q取LED芯片更高的光輸出量,但這會(huì )讓芯片表面在發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱度持續增高,而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度,連續運行高溫的狀態(tài)下會(huì )致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現劣化,且材料劣化或質(zhì)變也會(huì )進(jìn)一步造成透光度下滑,因此在開(kāi)發(fā)LED光源模組時(shí),亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質(zhì)。
增加LED光源模組元件散熱方法相當多,可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進(jìn)行重點(diǎn)改善。例如,芯片到封裝材料之間,若能強化散熱傳導速度,快速將核心熱源透過(guò)封裝材料表面逸散也是一種方法?;蚴怯尚酒c載板間的接觸,直接將芯片核心高熱透過(guò)材料的直接傳導熱源至載板逸散,進(jìn)行LED芯片高熱的重點(diǎn)改善。此外,PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設計,也可因為減少熱傳導的熱阻,達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設計目標。 另在封裝材料方面,以往LED元件多數采環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝,其實(shí)環(huán)氧樹(shù)脂本身的耐熱性并不高,往往LED芯片還在使用壽命未結束前,環(huán)氧樹(shù)脂就已經(jīng)因為長(cháng)時(shí)間高熱運行而出現劣化、變質(zhì)的變色現象,這種狀況在照明應用的LED模組設計中,會(huì )因為芯片高功率驅動(dòng)而使封裝材料劣化的速度加快,甚至影響元件的安全性。
不只是高熱問(wèn)題,環(huán)氧樹(shù)脂這類(lèi)塑料材質(zhì),對于光的敏感度較高,尤其是短波長(cháng)的光會(huì )讓環(huán)氧樹(shù)脂材料出現破壞現象,而高功率的LED光源模組,其短波長(cháng)光線(xiàn)會(huì )更多,對材料惡化速度也會(huì )有加劇現象。
針對LED光源應用設計方案,多數業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料,改用更耐高溫、抗短波長(cháng)光線(xiàn)的封裝材料,例如矽樹(shù)脂即具備較環(huán)氧樹(shù)脂更高的抗熱性,且在材料特性方面,矽樹(shù)脂可達到處于150~180°C環(huán)境下仍不會(huì )變色的材料優(yōu)勢。 此外,矽樹(shù)脂亦可分散藍色光與紫外線(xiàn),矽樹(shù)脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長(cháng)光線(xiàn)的材料劣化問(wèn)題,減緩封裝材料因為變質(zhì)而導致透光率下滑問(wèn)題。而就LED光源模組來(lái)說(shuō),矽樹(shù)脂也有延長(cháng)LED元件使用壽命優(yōu)點(diǎn),因為矽樹(shù)脂本身抗高熱與抗短波長(cháng)光線(xiàn)優(yōu)點(diǎn),在封裝材料可抵御LED長(cháng)時(shí)間使用產(chǎn)生的持續高熱與光線(xiàn)照射,材料的壽命相對長(cháng)許多,也可讓LED元件有超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)的使用壽命。