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白光LED抑製溫升、確保使用壽命解決方法

來源:  發布時間:2018-09-20   點擊量:422

過去LED業者為了獲得充分的白光LED光束,曾經開發大尺寸LED芯片試圖藉此方式達到預期目標。不過,實際上白光LED的施加電力持續超過1W以上時光束反而會下降,發光效率相對降低20~30%。換句話說,白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍,消耗電力特性超越熒光燈的話,就必需克服下列四大課題:抑製溫升、確保使用壽命、改善發光效率,以及發光特性均等化。

溫升問題的解決方法是降低封裝的熱阻抗;維持LED的使用壽命的方法是改善芯片外形、采用小型芯片;改善LED的發光效率的方法是改善芯片結構、采用小型芯片;至於發光特性均勻化的方法是改善LED的封裝方法,這些方法已經陸續被開發中。


解決封裝的散熱問題才是根本方法

由於增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急劇降至10K/W以下,因此國外業者曾經開發耐高溫白光LED,試圖藉此改善上述問題。然而,實際上大功率LED的發熱量比小功率LED高數十倍以上,而且溫升還會使發光效率大幅下跌。即使封裝技術允許高熱量,不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值,最後業者終於領悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。

有關LED的使用壽命,例如改用矽質封裝材料與陶瓷封裝材料,能使LED的使用壽命提高一位數,尤其是白光LED的發光頻譜含有波長低於450nm短波長光線,傳統環氧樹脂封裝材料極易被短波長光線破壞,高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化,根據業者測試結果顯示,連續點燈不到一萬小時,高功率白光LED的亮度已經降低一半以上,根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。

有關LED的發光效率,改善芯片結構與封裝結構,都可以達到與低功率白光LED相同水平。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,結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED的窘境。如果改善芯片的電極構造,理論上就可以解決上述取光問題。


設法減少熱阻抗、改善散熱問題

有關發光特性均勻性,一般認為隻要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的製作技術,應該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時,必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題。具體內容分別是:降低芯片到封裝的熱阻抗、抑製封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。

為了降低熱阻抗,許多國外LED廠商將LED芯片設置在銅與陶瓷材料製成的散熱器(heatsink)表麵,接著再用焊接方式將印刷電路板的散熱用導線連接到利用冷卻風扇強製空冷的散熱器上,上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W,大約是傳統LED的1/6左右,封裝後的LED施加2W的電力時,LED芯片的接合溫度比焊接點高18K,即使印刷電路板溫度上升到50℃,接合溫度頂多隻有70℃左右;相比之下以往熱阻抗一旦降低的話,LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響。因此,必需設法降低LED芯片的溫度,換句話說,降低LED芯片到焊接點的熱阻抗,可以有效減輕LED芯片降溫作用的負擔。反過來說即使白光LED具備抑製熱阻抗的結構,如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話,LED溫度上升的結果仍然會使發光效率急劇下跌。


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