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          如何提高白光LED使用壽命

          作者: 時間:2011-09-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          提高的具體方法是改善芯片外形,采用小型芯片。因的發(fā)光頻譜中含有波長低于450nm的短波長光線,傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞,高功率的大光量更加速了密封材料的劣化。改用硅質(zhì)密封材料與陶瓷封裝材料,能使白光LED的提高一位數(shù)。

          改善白光LED的發(fā)光效率的具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu),達到與低功率白光LED相同的水準(zhǔn),主要原因是電流密度提高2倍以上時,不但不容易從大型芯片取出光線,結(jié)果反而會造成發(fā)光效率不如低功率白光LED,如果改善芯片的電極構(gòu)造,理論上就可以解決上述取光問題。

          實現(xiàn)發(fā)光特性均勻化的具體方法是改善白光LED的封裝方法,一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術(shù)就可以克服上述困擾。

          減少熱阻抗、改善散熱問題的具體內(nèi)容分別是

          ① 降低芯片到封裝的熱阻抗。

          ② 抑制封裝至印制電路基板的熱阻抗。

          ③ 提高芯片的散熱順暢性。

          為了降低熱阻抗,國外許多LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片表面,如圖1所示,用焊接方式將印制電路板上散熱用導(dǎo)線連接到利用冷卻風(fēng)扇強制空冷的散熱鰭片上。德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實驗結(jié)果證實,上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W,大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右。封裝后的LED施加2W的電功率時,LED芯片的溫度比焊接點高18℃,即使印制電路板的溫度上升到500℃,LED芯片的溫度也只有700℃左右。熱阻抗一旦降低,LED芯片的溫度就會受到印制電路板溫度的影響,為此必須降低LED芯片到焊接點的熱阻抗。反過來說,即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu),如果熱量無法從LED封裝傳導(dǎo)到印制電路板的話, LED溫度的上升將使其發(fā)光效率下降,因此松下公司開發(fā)出了印制電路板與封裝一體化技術(shù),該公司將邊長為1mm的正方形藍光LED以覆芯片化方式封裝在陶瓷基板上,接著再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印制電路板表面,包含印制電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W。


          如何提高白光LED使用壽命



          (a) OSRAM LED的封裝方式

          如何提高白光LED使用壽命


          (b) CITIZEN LED的封裝方式
          圖1 LED散熱結(jié)構(gòu)

          針對白光LED的長壽化問題,目前LED廠商采取的對策是變更密封材料,同時將熒光材料分散在密封材料內(nèi),可以更有效地抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。原文位置

          由于環(huán)氧樹脂吸收波長為400~450nm 的光線的百分比高達45%,硅質(zhì)密封材料則低于1%,環(huán)氧樹脂亮度減半的時間不到1萬小時,硅質(zhì)密封材料可以延長到4萬小時左右(如圖2所示),幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計壽命相同,這意味著照明設(shè)備在使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)密封材料屬于高彈性柔軟材料,加工上必須使用不會刮傷硅質(zhì)密封材料表面的制作技術(shù),此外制程上硅質(zhì)密封材料極易附著粉屑,因此未來必須開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。

          如何提高白光LED使用壽命


          圖2 硅質(zhì)密封材料與環(huán)氧樹脂對LED光學(xué)特性的影響

          雖然硅質(zhì)密封材料可以確保白光LED有4萬小時的,然而照明設(shè)備業(yè)界有不同的看法,主要爭論是傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈的使用壽命被定義成“亮度降至 30%以下”,亮度減半時間為4萬小時的白光LED,若換算成亮度降至30%以下的話,大約只剩2萬小時。目前有兩種延長組件使用壽命的對策,分別是:

          ① 抑制白光LED整體的溫升。

          ② 停止使用樹脂封裝方式。

          以上兩項對策可以達成亮度降至30%時使用壽命達4萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻白光LED封裝印制電路板的方法,主要原因是封裝樹脂在高溫狀態(tài)下,加上強光照射會快速劣化,依照阿雷紐斯法則,溫度降低100℃時壽命會延長2倍。

          停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素,因為白光LED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射,如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進方向的樹脂材質(zhì)反射板,由于反射板會吸收光線,所以光線的取出量會銳減,這也是采用陶瓷系與金屬系封裝材料的主要原因。LED封裝基板無樹脂化結(jié)構(gòu)如圖3所示。


          如何提高白光LED使用壽命

          圖3 LED封裝基板無樹脂化結(jié)構(gòu)

          有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率:一種是使用面積比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型 LED芯片;另外一種是利用多個小型高發(fā)光效率LED芯片組合成一個單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束,不過加大芯片面積會有負面影響,例如芯片內(nèi)發(fā)光層不均勻、發(fā)光部位受到局限、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部時會嚴(yán)重衰減等。針對以上問題,通過對白光LED的電極結(jié)構(gòu)的改良,采用覆芯片化封裝方式,同時整合芯片表面加上技術(shù),目前已經(jīng)達成50lm/W的發(fā)光效率。大型白光LED的封裝方式如圖4所示。有關(guān)芯片整體的發(fā)光層均等性,自從出現(xiàn)梳子狀與網(wǎng)格狀P型電極這后,使電極也朝最佳化方向發(fā)展。



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