改善散热结构提升白光LED使用寿命

过去 LED 业者为了获利充分的白光 LED 光束，曾经开发大尺寸 LED芯片试图藉此方式达成预期目标，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，发光效率则相对降低 2030 ％，换句话说白光 LED 的亮度如果要比传统 LED 大数倍，消费电力特性希望超越萤光灯的话，就必需先克服下列的四大课题，包括，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。  

　　有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗；维持 LED 的使用寿命具体方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善 LED 的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化具体方法是 LED 的改善封装方法，而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遽降至 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 的发热量却比小功率 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。  

　　为了要降低热阻抗，许多国外 LED 厂商将 LED 芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片（ heat sink ）表面，接著再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线，连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上，根据德国 OSRAM Opto Semiconductors 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 500C ，接合温度顶多只有 700C 左右；相较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，如此一来必需设法降低 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 芯片降温作业的负担。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 温度上升的结果发光效率会急遽下跌，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，接著再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面，根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是 15K/W 左右。