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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(3)
（盧慶儒／DigiTimes.com） 2006/07/10


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。

posted by C.H. Chen @ 11:35 PM