改善散热结构对白光LED使用性能的影响分析(1)论文

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翻新时间：2013-12-18

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改善散热结构对白光LED使用性能的影响分析(1)论文

过去LED业者为了获得充分的白光LED 光束，曾经开发大尺寸LED芯片试图藉此方式达到预期目标。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，消耗电力特性超越荧光灯的话，就必需克服下列四大课题：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。

温升问题的解决方法是降低封装的热阻抗；维持LED的使用寿命的方法是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的发光效率的方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化的方法是改善LED的封装方法，这些方法已经陆续被开发中。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剧降至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。

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。为了降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设置在铜与陶瓷材料制成的散热器（heat sink）表面，接着再用焊接方式将印刷电路板的散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热器上。

根据德国OSRAM Opto Semi conductors Gmb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50℃，接合温度顶多只有70℃左右；相比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。因此，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芯片降温作用的负担。

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温度上升的结果仍然会使发光效率急剧下跌。因此，松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术，该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip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，根据松下报导包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

各业者展现散热设计功力由于散热器与印刷电路板之间的致密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2011年开始开始制造白光LED样品封装，不需要特殊接合技术也能够将厚约2~3mm散热