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白光LED散热问题的研究

文章来源:元器件交易网 作者:未知 点击:次 时间:2011/11/3 15:03:28 转载:

  虽然看起来在特性的方面是相当的不错,不过实际上还是有一些缺点的,就像在使用寿命上,只有3,000小时左右,再加上价格太贵也是不容易解决事情,或许价格太贵的问题可以花一点时间就可以下降一些,但是以现在30万日圆的水准来看的,要降到3,000甚至300日圆,那就需要10年以上的时间  

  就今天而言,白光LED仍旧存在着发光均一性不佳、封闭材料的寿命不长,而无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看,不仅一般的照明用途,随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用积极的出现,使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果也就相当的被关心。  

  藉由提高晶片面积来增加发光量  

  期望改善白光LED的发光效率,目前有两大方向,就是提高LED晶片的面积,也就是说,将目前面积为1m㎡的小型晶片,将发光面积提高到10m㎡的以上,藉此增加发光量,或把几个小型晶片一起封装在同一个模组下。  

  虽然,将LED晶片的面积予以大型化,藉此能够获得高多的亮度,但因过大的面积,在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以,针对这样的问题,部分LED业者就根据电极构造的改良,和覆晶的构造,在晶片表面进行改良,来达到50lm/W的发光效率。  

  例如在白光LED覆晶封装的部分,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,因此电极不会被遮蔽的优点,但缺点就是所产生的热不容易消散。  

  而并非进行晶片表面改善后,再加上增加晶片面积就绝对可以一口气提昇亮度,因为当光从晶片内部向外散射时,晶片中这些改善的部分无法进行反射,所以在取光上会受到一点限制,根据计算,最佳发挥光效率的LED晶片尺寸是在7m㎡左右。  

  利用封装数个小面积LED晶片 快速提高发光效率  

  和大面积LED晶片相比,利用小功率LED晶片封装成同一个模组,这样是能够较快达到高亮度的要求,例如,Citizen就将8个小型LED封装在一起,让模组的发光效率达到了60lm/W,堪称是业界的首例。  

  但这样的做法也引发的一些疑虑,因为是将多颗LED封装在同一个模组上,所以在模组中必须置入一些绝缘材料,以免造成LED晶片间的短路情况发生,不过,如此一来就会增加了不少的成本。  

  对此Citizen的解释是,事实上对于成本的影响幅度是相当小的,因为相较于整体的成本比例,这些绝缘材料仅不到百分之一,并因可以利用现有的材料来做绝缘应用,这些绝缘材料不需要重新开发,也不需要增加新的设备来因应。

[$page]  虽然Citizen的解释理论上是合理的,但是,对于较无经验的业者来说,这就是一项挑战,因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。  

  当然,还有其他方式可达到提高发光效率的目标,许多业者发现,在LED蓝宝石基板上製作出凹凸不平坦的结构,这样或许可以提高光输出量,所以,有逐渐朝向在晶片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。  

  例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出「Thin GaN」高亮度LED,OSRAM是在InGaN层上形成金属膜,之后再剥离蓝宝石。这样,金属膜就会产生映射的效果而获得更多的光线取出,而根据OSRAM的资料显示,这样的结构可以获得75%的光取出效率。  

  逐渐有业者利用覆晶的构造,来期望达到50lm/W的发光效率,由于发光层很接近封装的附近,发光层的光向外部散出时,因此电极不会被遮蔽。(资料来源:LEDIKO)  

  当然,除了晶片的光取出方面需要做努力外,因为期望能够获得更高的光效率,在封装的部分也是必须做一些改善。事实上,每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响,不过,这并不代表着,因为封装的製程就一定会增加更高的光损失,就像日本OMROM所开发的平面光源技术,就能够大幅度的提昇光取出效率,这样的结构OMROM是将LED所射出的光线,利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的,所以OMROM称之为「Double reflection 光学系统」。  

  利用这样的结构,可将传统砲弹型封装等的LED所造成的光损失,针对封装的广角度反射来获得更高的光效率,更进一步的是,在表面所形成的Mesh上进行加工,而形成双层的反射效果,这样的方式,事实上是可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样的特殊设计,这些利用反射效果达到高光取出效率的LED,主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。  

  封装材料和萤光材料的重要性增加 

  但如果期望用来作为LCD TV背光应用的话,那麽需要克服的问题就会更多了,因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时,甚至10几个小时,所以,由于这样长时间的使用情况下,拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。 

  目前已发表的高功率的白光LED,它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍,所以期望利用高功率白光LED来代替萤光灯作为照明设备的话,有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。  

[$page]  例如,白光LED长时间连续使用1W的电力情况下,会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象,当然,不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况,低功率白光LED也会存在这样的问题,只不过是因为,低功率白光因为应用的产品不同,所以,并不会因此特别突显出这样的困扰。  

  使用的电流愈大,当然所获得的亮度就愈高,这是一般对于LED能够达到高亮度的观念,不过,因为所使用的电流增加,因此所带来的缺点是,封装材料是否能够承受这样的长时间的因为电流所产生的热,也因为这样的连续使用,往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。  

  高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍,因此,会出现随着温度上升,而出现发光功率降低的问题,所以在能够抗热性高封装材料的开发上,就相对显的非常重要。  

  或许在20~30lm/W以下的LED,这些问题都不存在,但是,一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候,就不得不需要想办法解决的,因为

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