浅析白光LED温升的封装散热方法

过去LED从业者为了获得充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯片来达到预期目标。可实际上白光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，消耗电力特性超越萤光灯的话，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LED灯的电力反而会造成封装的热阻抗急剧降至10K/W以下，针对这个情况国外业者曾经开发耐高温白光LED，试图借此改善上述问题。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，例如改用矽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相同水准。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 　　在研发中有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的萤光体材料浓度均匀性与萤光体的制作技术，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组整体的热阻抗大约是15K/W左右。 　　各业者展现散热设计功力 　　我们可以了解到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2004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散热器的热量直接排放到外部，根据该CITIZEN报导虽然LED芯片的接合点到散热器的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右，即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下，该白光LED模组也可以连续点灯使用。 　　Lumileds于2005年开始制造的高功率LED芯片，接合容许温度更高达+185℃，比其他公司同级产品高60℃，利用传统RF 4印刷电路板封装时，周围环境温度40℃范围内可以输入相当于1.5W电力的电流(大约是400mA)。所以Lumileds与CITIZEN是采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设置在散热器表面，达到9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM过去开发同级产品的热阻抗减少40%。值得一提的是该LED模组封装时，采用与传统方法相同的flip chip方式，不过LED模组与散热器接合时，则选择最接近LED芯片发光层作为接合面，借此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。 　　2003年东芝Lighting曾经在400mm正方的铝合金表面，铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED，无冷却风扇等特殊散热组件前提下，试制光束为300lm的LED模组。由于东芝Lighting拥有丰富的试制经验，因此该公司表示由于模拟分析技术的进步，2006年之后超过 60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性，或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热，不需要特殊散热技术的模组结构也能够使用白光LED。 　　变更封装材料抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度 　　目前有关LED的长寿化，LED厂商采取的对策是变更封装材料，同时将萤光材料分散在封装材料内，尤其是矽质封装材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂封装材料，可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。由于环氧树脂吸收波长为400~450nm的光线的百分比高达45%，矽质封装材料则低于1%，辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时，矽质封装材料可以延长到四万小时左右，几乎与照明设备的设计寿命相同，这意味着照明设备使用期间不需更换白光LED。 　　不过矽质树脂属于高弹性柔软材料，加工时必需使用不会刮伤矽质树脂表面的制作技术，此外加工时矽质树脂极易附着粉屑，因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。虽然矽质封装材料可以确保LED四万小时的使用寿命，然而照明设备业者却出现不同的看法，主要争论是传统白炽灯与萤光灯的使用寿命，被定义成“亮度降至30%以下”。亮度减半时间为四万小时的LED，若换算成亮度降至30%以下的话，大约只剩二万小时左右。目前有两种延长元件使用寿命的对策，分别是抑制白光LED整体的温升和停止使用树脂封装方式。 　　在文章最后我们可以总结一下，如果彻底执行上述的两项延寿对策就可以达到亮度30%时四万小时的要求。抑制白光LED温升可以采用冷却LED封装印刷电路板的方法，主要原因是封装树脂高温状态下，加上强光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则温度降低10℃寿命会延长2倍。停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为LED产生的光线在封装树脂内反射，如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板，则反射板会吸收光线，使光线的取出量急剧锐减。这也是LED厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因。