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如何提高白光LED使用壽命(二)

中國投影網(wǎng)投影資訊  艾比森  2020-4-22 10:32:50  編輯:巧樂滋  [ ]

有關(guān)覆芯片化封裝方式,由于發(fā)光層貼近封裝端極易排放熱量,加上發(fā)光層的光線發(fā)射到外部時(shí)無電極遮蔽的困擾,所以美國Lumileds公司與日本豐田合作已經(jīng)正式采用覆芯片化封裝方式,芯片表面加工可以防止光線從芯片內(nèi)部朝芯片外部發(fā)射時(shí)在界面處發(fā)生反射,若在光線取出部位的藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu),芯片外部的取光率可以提高30%左右。經(jīng)過改良的大型LED芯片封裝實(shí)體可以使芯片側(cè)面射出的光線朝封裝上方的反射板行進(jìn),高效率取出芯片內(nèi)部光線的封裝大小是7mm×7mm左右。大型LED的最后封裝方式如圖5所示。

小型LED芯片的發(fā)光效率的提升似乎比大型LED芯片模塊更有效。例如日本CITIZEN公司組合8個(gè)小型LED芯片,達(dá)到60lm/W的高發(fā)光效率。若使用日亞公司制作的0.3mm×0.3mm 小型LED芯片,一個(gè)封裝模塊最多使用12個(gè)這樣的芯片,各LED芯片采用傳統(tǒng)金線粘合封裝方式,施加功率是2W左右。

對(duì)于白光LED輝度與色溫不均勻問題,在使用上必須篩選光學(xué)特性類似的白光LED。事實(shí)上減少白光LED發(fā)光特性的不均勻性、使LED芯片發(fā)光特性一致化以及實(shí)施熒光體材料濃度分布均勻化管理是非常重要的。

有關(guān)LED芯片的發(fā)光特性,各廠商都在非常積極地進(jìn)行芯片篩選、發(fā)光特性的均等化處理等以減少LED發(fā)光特性不均勻問題,如松下電器公司已通過芯片的篩選達(dá)成特性一致化的目標(biāo)。該公司利用覆芯片化方式,將64個(gè)LED芯片封裝在一片基板上,最后再分別覆蓋熒光體。在加工時(shí)LED芯片先封裝在次基板測試發(fā)光特性,接著將發(fā)光特性一致的芯片移植封裝在主基板上。8個(gè)LED芯片封裝在一片基板上,即使LED芯片的發(fā)光特性不均勻,8個(gè)LED芯片合計(jì)的發(fā)光特性在封裝之間的不均勻性會(huì)變得非常小。利用多個(gè)小型LED芯片的組合提高發(fā)光波長均勻性的效果如圖6所示。

白光LED通常是用內(nèi)含熒光體材料的密封樹脂直接包覆LED芯片,此時(shí)密封樹脂中熒光體材料的濃度可能出現(xiàn)偏差,最后造成白光LED的色溫分布不均勻。因此,可將含熒光體材料的樹脂薄片與LED芯片結(jié)合,由于薄片厚度與熒光體材料的濃度經(jīng)過嚴(yán)格的管理,所以白光LED的色溫分布不均程度比傳統(tǒng)方式減少了 4/5。業(yè)界認(rèn)為使用熒光體薄片方式,配合LED芯片的發(fā)光特性,改變熒光體的濃度與薄片的厚度,就可以使白光LED的色溫變化控制在預(yù)期范圍內(nèi)。

雖然說隨著白光LED發(fā)光效率的逐步提高,將白光LED應(yīng)用在照明領(lǐng)域的可能性也越來越大,但是很明顯地,單只白光LED的光通量均偏低,因此以目前的封裝形式是不太可能以單只白光LED來達(dá)到照明所需要的流明數(shù)。針對(duì)這人問題,目前主要的解決方法大致上可分為兩類:一類是較傳統(tǒng)地將多只LED組成光源模塊來使用,而其中每只白光LED所需要的驅(qū)動(dòng)電源與一般使用的相同(為20~30mA);另一類方法是使用較大面積的芯片,此時(shí)不再使用傳統(tǒng)的0.3mm2大小的芯片,而采用0.6~1mm2大小的芯片,并使用高驅(qū)動(dòng)電流來驅(qū)動(dòng)這樣的發(fā)光組件(一般為150~350mA,目前最高達(dá)到500mA以上)。但無論是使用何種方法,都會(huì)因?yàn)楸仨氃跇O小的LED封裝中處理極高的熱量,若組件無法散去這些熱量,除了各種封裝材料會(huì)由于彼此間膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠性的問題,芯片的發(fā)光效率更會(huì)隨著溫度的上升而有明顯地下降,并造成使用壽命明顯地縮短。因此,如何散去組件中的熱量,成為目前白光LED封裝技術(shù)的重要課題。

對(duì)于白光LED而言,最重要的是輸出的光通量及光色,所以白光LED的一端必定不能遮光,而需使用高透明效果的環(huán)氧樹脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹脂幾乎都是不導(dǎo)熱材料,因此對(duì)于目前的白光LED封裝技術(shù)而言,主要是利用其白光LED芯片下方的金屬腳座散去組件所發(fā)出的熱量。就目前的趨勢看來,金屬腳座材料主要是以高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料為主而組成的,如鋁、銅甚至陶瓷材料等,但這些材料與芯片間的熱膨脹系數(shù)差異甚大,若將其直接接觸,很可能因?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)材料間產(chǎn)生應(yīng)力而造成可靠性問題,所以一般都會(huì)在材料間加上具有適當(dāng)傳導(dǎo)系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。松下電器將公司多只白光LED制成在金屬材料與金屬系復(fù)合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊,利用光源基板的高導(dǎo)熱效果,使光源的輸出在長時(shí)間使用時(shí)仍能維持穩(wěn)定。Lumileds生產(chǎn)的白光LED基板所使用的材料為具有高傳導(dǎo)系數(shù)的銅材,再將其連接至特制的金屬電路板,就可以兼顧電路導(dǎo)通及增加熱傳導(dǎo)效果。

大功率白光LED產(chǎn)品的芯片制造技術(shù)、封裝技術(shù)似乎已經(jīng)成為高亮度白光LED的主流技術(shù),然而與大芯片相關(guān)的制造技術(shù)及封裝技術(shù)不只是將芯片面積做大,若希望將白光LED應(yīng)用于高亮度照明領(lǐng)域,相關(guān)技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究。

白光LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域還有諸多問題需要解決,首先是白光LED的效率提升,例如GaInN系的綠光、藍(lán)光以及近紫外光LED的效率仍有很大的開發(fā)裕度。此外,綜合能源效率的內(nèi)部量子效率的提升是最重要的項(xiàng)目,內(nèi)部量子效率由活性層的非發(fā)光再結(jié)合百分比與發(fā)光再結(jié)合百分比所決定,因此可以把焦點(diǎn)鎖定在非發(fā)光再結(jié)合這部分,并設(shè)法降低結(jié)晶缺陷。而減少紫外光LED的轉(zhuǎn)位密度確實(shí)可以明顯提高內(nèi)部量子效率,未來必須針對(duì)紫外光LED進(jìn)一步降低它的轉(zhuǎn)位密度。不過這項(xiàng)對(duì)策對(duì)綠光、藍(lán)光LED并沒有明顯的影響。

綠光與藍(lán)光LED在低電流密度(約1A/cm2)時(shí)具有最大的量子效率,在高電流密度時(shí)量子效率反而會(huì)下降,如圖7所示。從成本觀點(diǎn)考慮時(shí)則希望LED能夠以高電流密度來驅(qū)動(dòng),同時(shí)盡可能增加組件的輸出功率,因此早日解開綠光與藍(lán)光LED高電流密度時(shí)量子效率下降的機(jī)理與原因,不單是材料物理特性探索上的需要,這項(xiàng)研究對(duì)于未來應(yīng)用也是具有關(guān)鍵性的角色。目前的研究顯示紫光LED(波長為382nm)即使施加高電流密度(50A/cm2),量子效率也不會(huì)下降。

傳統(tǒng)的白光LED都是將邊長為200~350μm的正方形芯片封裝成圓頭柱外形,之后為了獲得照明所需要的光束,再將已封裝的多個(gè)白光LED組件排列成矩陣狀。單純以高輸出功率為目的而特別開發(fā)出的面積比以往芯片大6~10倍,外形尺寸高達(dá)500μm~1mm的白光LED,雖然封裝后可獲得數(shù)百毫瓦(數(shù)十流明)的輸出功率,但是加大芯片的外形尺寸,反而使白光LED內(nèi)部的光吸收比率增加、外部取光率降低。就以AlGaInP LED為例,芯片的外形尺寸從0.22mm×0.22mm加大為0.50mm×0.50mm后,外部取光率反而降低20%左右。如果改用TIP結(jié)構(gòu),內(nèi)部多重反射的結(jié)果使得內(nèi)部光吸收率降低,外部取光率則明顯提高。GaInN LED 也有相同的效果。如何提高LED芯片的外部取光率是LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域的關(guān)鍵。此外,高的熱阻抗(150~200K/W)對(duì)高亮度輸出相當(dāng)不利。 LED內(nèi)部量子效率對(duì)活性層溫度的依存度極大,因此除了低熱阻抗封裝技術(shù)之外,利用散熱片排除活性層的熱流成為今后研發(fā)的熱點(diǎn)。

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