大功率白光LED散熱與光衰問題解決方案設計
來源： 作者： 時間：2012-10-08 瀏覽次數：
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大功率白光LED應用于日常照明用途，其實在環保光源日益受到重視后，已經成為開發環保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服，目前已有相關改善方案，用以強化白光LED在發光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。
環保光源需求增加 高功率白光LED應用出線
LED光源受到青睞的主因，不外乎產品壽命長、光-電轉換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發展日常照明光源方面，由于需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應照明應用，必須從芯片、封裝、載板、制作技術與外部電路各方面進行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。
就市場需求層面觀察，針對照明應用市場開發的白光LED，可以說是未來用量較高的產品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化，例如，增加其光-電轉換效率，或是加大芯片面積，讓單個LED的發光量(光通量)達到其設計極限。其二，屬于較折衷的設計方案，若在持續加大單片LED芯片面積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術方案。
以多芯片封裝 滿足低成本、高亮度設計要求
就產業實務需求檢視，礙于量產彈性、設計難度與控制產品良率／成本問題，LED芯片持續加大會碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設計困難，并非技術上與生產技術辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED芯片成本較高，而且對于實際制造需求的變更設計彈性較低。
反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線連接各芯片、搭配光學封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產品，而多片封裝可以在進行芯片測試后，利用二次加工整合成一個等效大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。
同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產成本也可因為芯片成本而大幅降低，等于在獲得單片式設計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發選項。
多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化
另一個發展方向，是將LED芯片面積持續增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現不如設計預期之問題，常見的改進方案為修改復晶的結構，在芯片表面進行制作改善；但相關改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應用的LED模組，大多要求在高功率下驅動以獲得更高的光通量，這會造成芯片進行發光過程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散，影響模組產品的應用彈性與主／被動散熱設計方案。
一般設計方案中，據分析采行7mm2的芯片尺寸，其發光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現控制較不易，成本也相對較高；反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發所需亮度、功率表現之LED光源模組產品的設計方案。
例如Philips、OSRAM、CREE等光源產品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產品。但這類利用多片LED芯片架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現象；這樣的制程相對于單片式設計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節省成本，也會因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。
應用芯片表面制程改善 也可強化LED光輸出量
除了增加芯片面積或數量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上制作不平坦的表面結構，利用此一凹凸不規則之設計表面強化LED光輸出量，即為在芯片表面建立Texture表面結晶架構。
OSRAM即有利用此方案開發Thin GaN高亮度產品，于InGaN層先行形成金屬膜材質、再進行剝離制程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量！OSRAM號稱此技術可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。
另一方面，日本OMRON的開發思維就相當不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嘗試利用平面光源技術，搭配LENS光學系統為芯片光源進行反射、引導與控制，針對傳統砲彈型封裝結構的LED產品常見的光損失問題，進一步改善其設計結構，利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術相對更為復雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設計。
LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題
如果期待LED光源導入日常照明應用，其應用需克服的問題就會更多！因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續用上數個小時、甚至數十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成芯片的發光衰減、壽命降低現象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問題過早發生，影響產品使用體驗。
LED光源導入日常應用的另一大問題是，如傳統使用的螢光燈具，使用超過數十小時均可維持相同的發光效率，但LED就不同了。因為LED發光芯片會因為元件高熱而導致其發光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然，只是低功率LED多僅用于指示性用途，對使用者來說影響相當小；但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現亮度下滑，必須進行散熱設計改善才能達到光源應用需求。
LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善
在光源設計方案中，往往會利用增加驅動電流來換取LED芯片更高的光輸出量，但這會讓芯片表面在發光過程產生的熱度持續增高，而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續運行高溫的狀態下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現劣化，且材料劣化或質變也會進一步造成透光度下滑，因此在開發LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質。
增加LED光源模組元件散熱方法相當多，可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進行重點改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強化散熱傳導速度，快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由芯片與載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導熱源至載板逸散，進行LED芯片高熱的重點改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設計，也可因為減少熱傳導的熱阻，達到快速散逸發光元件核心高熱的設計目標。
另在封裝材料方面，以往LED元件多數采環氧樹脂進行封裝，其實環氧樹脂本身的耐熱性并不高，往往LED芯片還在使用壽命未結束前，環氧樹脂就已經因為長時間高熱運行而出現劣化、變質的變色現象，這種狀況在照明應用的LED模組設計中，會因為芯片高功率驅動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。
不只是高熱問題，環氧樹脂這類塑料材質，對于光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環氧樹脂材料出現破壞現象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現象。
針對LED光源應用設計方案，多數業者大多傾向放棄環氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達到處于150~180°C環境下仍不會變色的材料優勢。
此外，矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因為變質而導致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優點，在封裝材料可抵御LED長時間使用產生的持續高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命
